西南地區玉米苗期抗旱品種篩選

田山君，楊世民，孔凡磊，袁繼超*

(1.四川農業大學農學院，四川溫江611130;2.農業部西南作物生理生態與耕作重點實驗室，四川溫江611130)

眾多作物中，玉米(Zea mays)不僅可作口糧消費，也是畜牧業、飼料業發展的基礎［1］，同時還是醫藥、化工的重要原料［2］，人均占有玉米數量已是衡量國家畜牧業發達水平和生活水平高低的一個重要標志。我國西南地區的玉米種植方式主要為春播，此時旱情嚴重［3-4］，而玉米全生育期內需水量大，水分脅迫是導致其減產最主要的因子之一［5-8］。作物的抗旱性是由多基因控制的數量性狀［9-10］，前人研究表明干旱對玉米生育過程中各項指標均存在不同程度的影響。水分虧缺顯著抑制細胞分裂，對細胞體積增長的抑制尤為明顯，導致玉米植株矮小，葉片生長緩慢;且脫水破壞了細胞膜的有序結構，導致膜出現龜裂及空隙，透性大增［11］。在葉片含水量下降過程中，葉肉細胞中的脫落酸以低速率持續合成，并趨向集中于葉綠體，引起氣孔關閉并抑制其開放［12-13］，雖降低了蒸騰作用，但CO2的吸收也一并被抑制;同時水分脅迫使葉綠體的片層結構受損，光系統Ⅱ活力下降，電子傳遞和磷酸化作用減弱，最終抑制了光合作用［14］。干旱脅迫下的植物能通過滲透調節來維持較低細胞水勢，達到持續吸收水分的目的;這些滲透調節物質通常包括脯氨酸、糖類和甜菜堿等［15］。根系作為植物直接吸水的器官，受水分脅迫的影響很大。較干燥的土壤能促進玉米根系伸長［14］，在干旱脅迫下，抗旱品種相比敏感品種，其根與植株地上部干重的比率更高［16］。以上研究表明使用單個指標來評價玉米抗旱性并不準確，需要綜合多個干旱相關指標進行研究;而隸屬函數法能消除單一指標片面性［17］，較好的評價玉米雜交品種的抗旱能力［18］。

目前作物生產可利用水資源逐漸減少，抗旱性強的玉米品種將在農業生產中發揮重要作用。前人在玉米品種抗旱性的鑒定評價上做了大量工作，但進展依然緩慢，其中一個重要原因是對抗旱性相關的指標缺乏系統研究。在以產量作為最重要篩選指標的基礎上，也應注意干旱脅迫后植株眾多生理生化性狀的變化，找出表現敏感的二級篩選指標。本研究從西南地方資源和引進材料中收集了30個遺傳來源不同的玉米雜交品種，以抗旱系數為參數，使用隸屬函數法評價供試品種苗期的抗旱性，并分析多個形態、生理性狀與抗旱性之間的聯系，以期篩選出抗旱性較強的雜交玉米品種推廣應用于生產，并對抗旱性指標進行評價，總結出一套方便快捷的抗旱鑒定技術體系，為玉米資源抗旱性的鑒定和篩選以及農業生產實踐提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

西南地區生產中較大面積應用的30個玉米雜交品種:鼎玉818、東單88、綠單50、三北2號、黔北2號、金玉608、川單428、正紅115、北玉16、中單808、先玉508、泰玉3號、敦玉518、川單418、登海3339、正紅6號、資玉1號、綿單12、正紅505、資玉2號、成單30、迪卡007、奧玉28、雅玉2號、農大95、正紅311、長玉19、萬玉2號、華龍玉8號和雅玉10號。

1.2 試驗設計

1)2011年3－4月進行第1次盆栽試驗。采用二因素隨機區組設計，A因素為30個品種，B因素為PEG脅迫，對照為正常澆水培養，重復3次，共計180盆。在塑料盆內裝混合均勻的蛭石和珍珠巖(2∶1)，每盆施用復合肥10 g，置于大棚內培養。對照在整個生長期間正常澆水，相對含水量控制在60% ～70%。待測植株在正常澆水生長至四葉一心期后進行處理，每盆澆2 L PEG溶液模擬干旱脅迫;并提前采用稱重法測定土壤相對含水量，根據土壤水分計算PEG濃度，使澆灌后土壤水溶液的PEG濃度為20%。于脅迫表型明顯時期(約7 d)取樣進行測定。

2)為驗證品種篩選的結果，從第1次盆栽結果中篩選出24個抗旱性差異較明顯的品種，設計了重復盆栽試驗，于2011年5－6月進行。采用二因素隨機區組設計，A因素為24個品種，B因素為PEG脅迫，對照為正常澆水培養，重復3次，共計144盆。處理方法和取樣時期同上。

3)為深入研究玉米葉及根系性狀對干旱脅迫的響應，篩選出抗旱相關指標，從前2次試驗結果中篩選出9個抗旱性有顯著差異的品種，設計了水培試驗，于2011年9－10月進行。采用二因素隨機區組設計，A因素為9個品種，B因素為PEG脅迫，對照為Hoagland營養液正常培養，重復3次，共計54桶。將種子消毒后清洗干凈，放入鋪有濕潤濾紙的育種盒，在人工氣候箱中培養(濕度60% ～70%，22℃黑暗)2～3 d。待種子萌動后將其轉入底部不透光的桶中，于氣候箱中(濕度60% ～70%，25℃16 h光照、20℃8 h黑暗)培養。3 d換1次營養液，并使用抽氣泵通氣。正常培養幼苗至三葉一心期時進行處理，待測植株使用含有20%PEG的營養液模擬干旱脅迫，于脅迫表型明顯時期(約3 d)取樣進行測定。

1.3 測定指標

苗高:直尺測定。葉面積:長寬系數法。葉綠素:使用SPAD-502型葉綠素儀，測定心葉下第一片展開葉。葉綠素熒光指標:Technologica CF Imager葉綠素熒光成像儀測定。根系形態指標:WinRHIZO根系掃描儀測定。干物質積累量:殺青后80℃烘干稱重。根冠比(%)=(根系干重/地上部分干重)×100。相對電導率:取去除葉脈的葉片0.3 g，使用YSI 30-25型電導率儀測定。離體葉片失水速率:將心葉下第1片展開葉完整剪下，稱取鮮重a;將其置于空氣中(22℃，濕度60% ～70%)7 h后再次稱取重量b;殺青后80℃烘干至恒重c;失水速率(%)=(b－c)×100/［(a－c)×7］。脯氨酸:取去除葉脈的葉片0.3 g，磺基水楊酸法測定。

1.4 抗旱性評價指標

式中，Id為某一指標在干旱脅迫下的測定值，Iw為此指標在正常培養下的測定值［19］。隸屬值:

式中，X為各品種某一指標的抗旱系數。Xmin和Xmax分別為所有品種此指標的最小和最大抗旱系數;除相對電導率和離體葉片失水速率用(2)式，其余指標用(1)式。累加各品種各指標的隸屬值，并求其平均值，用平均值大小評價品種抗旱性［20］。

變異系數反映了性狀在不同基因型玉米品種間存在的差異。植株在遭受干旱脅迫后，相關指標必然會產生變化;某一指標變異系數改變的幅度越大，說明它對干旱脅迫越敏感。為了衡量這種變化幅度，用脅迫和對照處理下的指標變異系數的差值除以均值消除量綱，引入干旱變異指數，其計算方法如下:

干旱變異指數:VId=|CVd－ CVw|/［(CVd+CVw)/2］

式中，CVd為所有品種某一指標在干旱脅迫下的變異系數，CVw為所有品種此指標在正常培養下的變異系數。

1.5 統計分析

使用Excel 2010軟件進行數據分析和統計。

2 結果與分析

2.1 抗旱品種篩選

2.1.1 第1次盆栽篩選 對30個供試玉米品種進行盆栽模擬干旱脅迫的試驗，并對相對電導率、葉綠素等6個指標的抗旱系數進行隸屬值的分析，結果見表1。

表1 第1次盆栽試驗中供試品種的抗旱隸屬值Table 1 Drought membership value of tested varieties in the first pot experiment

由表1可見，6個指標:相對電導率、葉綠素、離體葉片失水速率、苗高、葉面積、干物重，抗旱隸屬值最大的對應品種是金玉608、川單418、成單30、雅玉2號、雅玉2號、正紅311，分別比平均值高48.4%，91.9%，40.4%，106.6%，60.0%，68.9%。供試品種抗旱隸屬值的均值為0.601，將抗旱隸屬值大于0.651的雅玉10號、華龍玉8號、萬玉2號、長玉19、正紅311、農大95、雅玉2號、奧玉28、迪卡007和成單30歸為抗旱品種;將在0.551～0.651范圍內的資玉2號、正紅505、綿單12號、資玉1號、正紅6號、登海3339、川單418、敦玉518、泰玉3號和先玉508歸為中等抗旱品種;將小于0.551的鼎玉818、東單88、綠單50、三北2號、黔北2號、金玉608、川單428、正紅115、北玉16號和中單808歸為不抗旱品種。

2.1.2 第2次盆栽篩選 對24個供試玉米品種進行盆栽模擬干旱脅迫的試驗，并對根冠比、干物重、根系體積和脯氨酸4個指標的抗旱系數進行隸屬值的分析，結果見表2。

表2 第2次盆栽試驗中供試品種的抗旱隸屬值Table 2 Drought membership value of tested varieties in the second pot experiment

由表2可見，4個指標:根冠比、干物重、根系體積、脯氨酸，抗旱隸屬值最大的對應品種是雅玉2號、雅玉10號、雅玉10號、登海3339，分別比平均值高60.0%，169.5%，117.4%，34.4%。供試品種抗旱隸屬值的均值為0.550，將抗旱隸屬值大于0.6的雅玉10號、正紅311、長玉19、華龍玉8號、農大95、登海3339、雅玉2號、迪卡007和正紅6號歸為抗旱品種;將在0.5～0.6范圍內的資玉2號、川單418、先玉508、正紅115、奧玉28、資玉1號和成單30歸為中等抗旱品種;將小于0.5的北玉16號、金玉608、東單88、鼎玉818、川單428、綠單50、三北2號和中單808歸為不抗旱品種。

2.1.3 第3次水培篩選 對9個供試玉米品種進行水培模擬干旱脅迫的試驗，并對苗高、干物重等14個指標的抗旱系數進行隸屬值的分析，結果見表3。

表3 第3次水培試驗中供試品種的抗旱隸屬值Table 3 Drought membership value of tested varieties in the third hydroponic experiment

由表3可見，14個指標:苗高、干物重、根冠比、根長、根表面積、根系體積、根分支數、葉面積、葉綠素、最大光化學效率、非光化學淬滅系數、原初光能捕獲效率、光化學淬滅系數、實際光化學效率，抗旱隸屬值最大的對應品種是鼎玉818、正紅311、雅玉10號、正紅311、正紅311、正紅311、正紅311、成單30、正紅311、成單30、正紅311、雅玉10 號、川單 428、雅玉 10 號，分別比平均值高 106.9%，110.9%，150.5%，95.2%，242.4%，377.9%，180.7%，80.5%，91.0%，41.2%，49.3%，71.8%，116.9%，119.6%。供試品種抗旱隸屬值的均值為 0.477，將抗旱隸屬值大于0.527的正紅311、雅玉10號、華龍玉8號和成單30歸為抗旱品種;將在0.427～0.527范圍內的先玉508和奧玉28歸為中等抗旱品種;將小于0.427的川單428、鼎玉818和綠單50歸為不抗旱品種。

2.2 抗旱指標的篩選和評價

對3次篩選所用的形態、生理指標進行變異系數的分析，結果見表4。由表4可見，不同基因型玉米品種經過PGE模擬干旱脅迫后，各個指標的對照和處理間均有一定程度的變化。為了量化這種變化幅度，提出干旱變異指數這個計算方法。將干旱變異指數大于20%的指標定為對干旱脅迫敏感的指標，第1、2次盆栽試驗篩選出的指標由高到低分別是根冠比、根系體積、脯氨酸、相對電導率和葉面積;第3次水培試驗篩選出的指標由高到低分別是最大光化學效率、葉面積、光化學淬滅系數、原初光能捕獲效率、根分支數、根冠比、實際光化學效率、葉綠素和根長。

表4 3次試驗中供試指標的變異系數和干旱變異指數Table 4 Coefficient of variation and drought variability index of tested varieties in three experiments

3 討論

3.1 抗旱玉米品種篩選

本研究對第1次盆栽培養篩選出的抗旱玉米品種再次進行了盆栽和水培方式的驗證，對玉米地上部分和根系組織進行了較全面的分析，增加了結論的可信度。3次試驗的篩選結果較為一致，將其綜合對第2次盆栽試驗的供試品種進行分類，抗旱品種是雅玉10號、正紅311、長玉19、華龍玉8號、農大95、雅玉2號、迪卡007和成單30;中等抗旱品種是資玉2號、川單418、先玉508、奧玉28和資玉1號;不抗旱品種是中單808、三北2號、綠單50、川單428、鼎玉818、東單88、金玉608和北玉16號。其中成單30和迪卡007與前人研究一致，被歸類為抗旱品種［21-22］。前人使用成熟期產量、產量構成因素、光合參數、抗氧化酶、膜透性及膜衰老產物等指標評價這2個品種的抗旱性，它們中絕大部分和本次研究所使用的指標相異;能得到相同的結果，進一步說明玉米抗旱性是一個復雜的綜合性狀，不能用單個指標簡單評價，且苗期鑒定結果與大田產量保持一致，說明若需大批量評價玉米品種抗旱性，室內篩選是可行之法。農大95在前人研究中屬于抗旱性較強的品種［23］，這可能是因為供試品種差異及研究者對抗旱性分類級別的詳略不同所導致;其余品種的相關研究均未見報道。

3.2 抗旱指標篩選

分析各性狀的干旱變異指數發現，3次試驗中，生理指標相對于形態指標，總體呈現出對干旱脅迫較為敏感的規律，這可能是因為脅迫首先引起了植株體內生理水平上的變化，其次才反映在外部形態特征上。在形態指標中，葉面積、根冠比和某些根系性狀如根系體積、根分支數、根長，也能較好評價玉米苗期的抗旱性，這可能是因為干旱脅迫引起植株體內膨壓降低，直接影響了依賴膨壓的生理活動，如葉片的擴展，所以導致葉面積的干旱變異指數較大;而根系作為直接感受脅迫信號的器官，較之其他形態指標也能較靈敏的反映干旱脅迫效應。

干物質積累量是產量的直接來源，對其進行分析發現，前2次試驗中，它的干旱變異指數均明顯低于同期其他指標，第3次試驗中雖有大幅上升，但仍低于其他指標。這種上升趨勢是由于供試材料逐步減少，增大了品種間的變異系數所造成的。而它的干旱變異指數相對低于其他指標，可能是因為干物質積累量是眾多性狀的綜合表現;不同指標對干旱脅迫的響應程度不同，與其他指標相比，作為綜合指標的干物質積累量在脅迫下的變化幅度較為平緩。黎裕等［24］認為抗旱性和產量均是由數量性狀位點所控制，由于遺傳網絡系統不同，育種工作需對這2個系統進行綜合考慮;在篩選抗旱性鑒定評價指標時，重點考慮抗旱性本身而不是產量潛力［25］。為了在玉米苗期進行抗旱品種的大批量篩選，選擇對脅迫敏感的指標顯然更為方便。可將受干旱脅迫影響明顯的根系和生理指標作為玉米苗期抗旱性評價的指標，條件允許下，最好結合干物質積累量，關聯分析玉米苗期抗旱性。

另外，不同植物在遭受干旱脅迫后，體內脯氨酸累積程度并不一致，且作為植物響應逆境的一種生理機制，其與品種抗旱性有無必然聯系一直存在爭議［26-27］。本次研究結果顯示水分虧缺會導致玉米苗期脯氨酸含量上升，品種間差異明顯，這與近年來大部分相關研究結果一致［5，28］，然而前人亦提出脯氨酸的積累與葉綠體的發育程度關系密切［29］，而輕度干旱脅迫甚至可能降低脯氨酸含量等觀點，雖然這可能與脯氨酸氧化、蛋白質合成增強［30］及品種基因型有關，但至少說明了脯氨酸的累積速率及累積量，與玉米抗旱性之間的相關性還有待進一步研究。不過隨著干旱脅迫程度加深，不同玉米品種的脯氨酸含量均呈明顯上升的趨勢，綜合看來，筆者認為若要將脯氨酸作為抗旱性評價指標，需在較強干旱脅迫這個前提下進行。

4 結論

綜合3次試驗分析表明，西南地區生產中較大面積應用的雜交玉米品種:雅玉10號、正紅311、長玉19、華龍玉8號、農大95、雅玉2號、迪卡007和成單30在模擬干旱脅迫試驗中表現良好，被歸類為抗旱品種。對多個指標進行干旱變異指數分析，其中葉面積、根冠比、根系性狀(根系體積、根分支數、根長)、相對電導率、離體葉片失水速率、脯氨酸、葉綠素和葉綠素熒光參數(最大光化學效率、實際光化學效率、原初光能捕獲效率、光化學淬滅系數)對干旱脅迫較為敏感，可作為玉米苗期抗旱性的評價指標。

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