新疆自然高溫環境下玉米自交系開花期耐熱性鑒定與評價

楊 杰，韓登旭，阿布來提·阿布拉，梁曉玲，王 瑩，徐明良

(1 中國農業大學，北京 100193；2 新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；3 新疆維吾爾自治區農業規劃研究院，烏魯木齊 830000)

隨著全球氣候變暖，高溫干旱天氣持續時間長、分布范圍廣，已嚴重影響到世界糧食安全[1]。玉米是中國第一大糧食作物，起源于中南美洲熱帶亞熱帶高原地區，其生殖生長的最適溫度為25～28 ℃，高溫會對玉米的生長發育造成傷害，導致減產[2]。新疆位于中國西北、歐亞大陸腹地，屬于典型的干旱半干旱大陸性氣候，光熱資源豐富，晝夜溫差大。近年來，新疆降雨稀少、蒸發量極大，在玉米生長季節日最高氣溫35 ℃以上的酷熱天數逐年增加，高溫脅迫日趨嚴重。2015年7月中旬，酷熱高溫造成新疆伊犁河谷12.8萬hm2農作物不同程度受災，占春播總面積的29%，經濟損失達7億元，其中玉米出現大面積減產，減產幅度達40%以上。伊犁河谷地區的伊寧、昭蘇、新源、霍城等縣市玉米制種遭受重大損失，昭蘇縣大面積玉米制種田絕收，對整個新疆玉米產業的發展造成巨大影響。因此，開展玉米種質資源耐熱性研究，篩選挖掘耐高溫種質，培育耐高溫雜交種是減少高溫熱害損失的有效途徑，對促進新疆玉米產業發展具有非常重要的意義。

近年來，眾多學者在玉米耐高溫方面的研究結果表明：高溫對玉米生物量、根冠比、株高、莖粗、葉面積、葉綠素含量、雌雄開花期、籽粒灌漿和產量形成等影響較大[3]。開花授粉期是玉米對高溫脅迫最為敏感的時期，此時遭遇高溫會造成籽粒敗育率增加[4]、灌漿持續期縮短[5]、源庫協調能力降低[6]，導致單位面積穗數、穗粒數及粒重三者失衡，產生大量空稈，籽粒產量大幅下降。也有學者認為開花當天是玉米對溫度最敏感的時期，此時遇到高溫會造成嚴重減產[7-9]。楊國虎等[10]研究認為，高溫除了對玉米花粉活力造成影響以外，還顯著影響花絲發育、花絲受精能力。此外，高溫脅迫會破壞玉米葉片細胞中的抗氧化系統平衡，積累較多的丙二醛(MDA)，致使膜脂過氧化加重，細胞滲透調節物質含量減少，加快了衰老進程，造成光合產物減少，干物質積累降低[11-12]。李銘東等[13]利用溫室對灌漿期耐熱性研究顯示，不同基因型玉米自交系間耐熱性存在顯著差異，灌漿期遭遇高溫脅迫導致千粒重顯著下降，是造成玉米自交系產量下降的主要原因。

以往的相關研究常通過溫室人工控溫，模擬自然環境進行高溫脅迫，達到耐熱鑒定的效果[14]。然而，人工溫室模擬的高溫脅迫終究與自然環境存在差異，如：溫室內的光照強度、空氣溫濕度、CO2濃度以及玉米光合與呼吸環境等均與大田自然環境不同；此外，溫室也僅限于少量材料的鑒定，不便于開展大批量鑒定。為此，本研究在新疆夏季田間自然高溫條件下，以玉米株高、穗位高、果穗空稈率、果穗結實率、相對結實率以及部分穗部性狀和籽粒產量為主要評價指標，初步對新疆自育和國內外部分骨干自交系進行耐熱性鑒定與評價，以期鑒定出耐熱性強、結實好、綜合農藝性狀優良的耐熱自交系，為挖掘耐熱玉米種質資源、選育耐熱玉米新品種奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗材料為26份自育及部分國內外骨干玉米自交系，由新疆農業科學院糧食作物研究所提供，材料名稱及來源見表1。試驗地位于新疆農業科學院安寧渠綜合試驗場，地處烏魯木齊市城北新市區，屬于中溫帶大陸性干旱氣候，春秋兩季較短，冬夏兩季較長，晝夜溫差大。年平均降水量為194 mm，最暖的7、8月份平均氣溫為25.7 ℃，持續超過35 ℃高溫20 d以上，全年極端氣溫最高達47.8 ℃，最低達-41.5 ℃。試驗地為沙壤土，地勢平坦，地力均勻一致。

表1 參試玉米自交系名稱及來源

1.2 試驗設計與高溫天氣確定

試驗材料種植4行區，行長2 m，平均行距0.55 m，株距0.2 m,種植密度90 000 株/hm2，3次重復，2019-2020連續兩年重復試驗。每年于4月30日、5月6日、5月12日分3期播種，以期讓試驗材料在開花期遭遇持續穩定的高溫脅迫。田間全部采用膜下滴灌并安裝水表，精準控制灌水量，大田2 m(冠層)高處安裝電子大氣溫濕度自動記錄儀，在地表0.2 m深處安裝電子土壤溫濕度和含水量自動記錄儀。

2019-2020連續兩年，5月6日播種的試驗材料開花期剛好遇上7月1-31日持續的高溫天氣。其中，2019年7月，高溫>30 ℃的天數有28 d，占90.32%；高溫>35 ℃的天數有 21 d，占67.7%。2020年7月，高溫>30 ℃的天數有30 d，占96.8%；高溫>35 ℃的天數有20 d，占64.5%；特別是2020年7月17-27日期間，高溫>40 ℃的天數有8 d(圖1)。2020年7月的持續高溫天氣與往年相比溫度更高、時間更久，為鑒定玉米自交系耐高溫特性提高了充分的高溫脅迫條件。

圖1 2019(上)和2020(下)年烏魯木齊市新市區7月份的日高溫、低溫及日均氣溫分布圖Fig.1 Distribution diagram of high, low temperature and average daily air temperature in New Urban district of Urumqi in July 2019 (up) and 2020 (down)

1.3 性狀調查及耐熱性鑒定評價

1.3.1 主要農藝性狀調查8月底選取中間2行連續10株，調查株高、穗位高等性狀；9月底調查空稈率、倒伏率、倒折率等性狀；收獲后考種，測量果穗長、果穗粗、禿尖長、穗行數、行粒數、百粒重、籽粒含水量(使用LDS-IH 金點谷物水分測定儀測定)、相對結實率和單株產量(統一折算為14%含水量)。

1.3.2 自交系耐熱性鑒定與評價按照賀正華等研究方法[15]，在玉米成熟期調查小區總株數、空稈率、收獲果穗進行考種，根據籽粒發育痕跡考察理論行數和行粒數，計算植株空稈率和果穗結實率。其中植株空稈率=空稈株數/總株數×100%，結實率=結實粒數/(理論行數×理論行粒數) ×100%。并用相對結實率來綜合評價材料耐熱性。相對結實率=(1-空稈率)×果穗結實率。

1.4 數據處理與統計分析

使用Excel2010對數據進行處理，用R語言軟件對數據進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 高溫脅迫下玉米自交系結實性狀的差異

開花期是玉米對高溫、干旱等自然環境最為敏感的時期，此時遭遇持續的高溫天氣將導致玉米花粉不育或致死，嚴重時造成大幅減產。本研究利用2020年7月持續35 ℃以上的高溫對參試玉米自交系進行耐熱性鑒定。結果(表2)顯示，不同遺傳背景或不同來源的自交系空稈率、果穗結實率、相對結實率差異較大，均達到極顯著水平。

2.1.1 空稈率在高溫脅迫條件下，大部分材料雄穗花粉敗育或致死，受精結實不良，籽粒干癟，出現大量空稈。參試材料兩年的空稈率分別介于13.39%～74.47%(2019)和18.25%～91.25%(2020)之間，說明自然高溫脅迫下不同基因型自交系耐熱性表現差異較大，且高溫強度越高、持續時間越長，其空稈率越大。2019年空稈率最低的是GW7F(13.39%)，最高的是B73(74.47%)，空稈率居10%～50%的材料有23份，空稈率超過50%的材料有3份；2020年空稈率最低的是PH6WC(18.25%)，最高的是吉63(91.25%)，有超過1/2的材料空稈率大于50%。不同年份相比，雖兩年7月份35 ℃以上高溫日數相近(圖1)，但2020年有8 d持續高溫達到了40 ℃以上，屬超強極端高溫天氣，導致玉米出現大量空稈和癟粒，玉米產量損失更為嚴重。不同熟期相比，早熟材料兩年平均空稈率分別為32.94%(2019)和53.44%(2020)，中晚熟材料平均空稈率分別為33.24%(2019)和60.19%(2020)，早熟材料低于中晚熟材料。這是因為早熟自交系在7月上旬已經開始散粉和吐絲，處于高溫脅迫的前期，日均最高氣溫相對較低，對玉米花粉活力及結實影響相對較?。欢型硎觳牧祥_花期在7月中下旬，剛好遭遇35～40 ℃的極端高溫脅迫，大量花粉致死，結實不良。因此，開花期遭遇高溫熱害脅迫對玉米授粉和籽粒結實影響較大，鑒定和篩選熟期較早且耐熱性較強的自交系是選育耐高溫玉米雜交種的重要前提。

2.1.2 結實率在連續兩年的試驗中，特別是2020年7月中下旬，高溫強度已遠超玉米花粉和花絲等生殖器官生長發育耐受高溫的臨界值，造成大部分玉米自交系雌穗發育受阻或發育不良，結實率受到極大的影響。由表2可見，在12份玉米早熟自交系中，結實率居0～10%的1份，10%～20%的2份，20%～30%的5份，30%～50%的4份；其中，‘吉63’的耐熱性最差(5.3%)，GW4F、GW5F、PHBA6等自交系的耐熱性較強，它們的結實率均在40%以上，并以GW4F耐熱性最強，結實率達到46.25%。在14份中晚熟組自交系中，結實率居10%～20%的7份，20%～30%的6份，30%～50%的1份，其中的Mo17結實率最低(12.1%)， PH6WC、GW7F、鄭58、新玉47M、GW6F、(PH4CV/昌7-2) -1等自交系結實率較高(20%)， PH6WC結實率最高(37.45%)。

2.1.3 相對結實率表2顯示，在12份早熟自交系中，相對結實率在0～10%、10%～20%、20%～30%、30%～50%的自交系在2019年分別篩選到1、4、1和5 份，在2020年分別篩選到5、5、1和1份；相對結實率50%的自交系只在2019年獲得了1份。就具體自交系而言，GW5F和FW4M相對結實率最高，分別達到50.18%(2019)和32.92%(2020)。在14份中晚熟自交系中，相對結實率在0～10%、10～20%、20～30%、30～50%的自交系在2019年分別篩選到3、3、1和5 份，在2020年分別篩選到8、5、0和1份；相對結實率50%的自交系只在2019年獲得了2份。就具體自交系而言，GW7F相對結實率最高，分別達到54.03%(2019)和13.80%(2020)。

表2 參試玉米自交系空稈率與結實率統計表

綜合兩年的試驗數據，依據空稈率、果穗結實率以及相對結實率對參試材料進行耐熱性綜合評價與分析，早熟組材料中的‘吉63’、‘GW2M’、‘新玉110F’、‘新自3113’等4份自交系可被認定為高溫敏感型種質，‘GW1F’、‘GW1M’、‘新自351’、‘PHBA6’、‘LH82’等5份自交系可被認定為耐高溫種質，‘GW5F’、‘GW4M’、‘GW3F’可被認定為極耐高溫種質。中晚熟組材料中的‘B73’、‘新自6423’、‘MO17’、‘昌7-2’、‘鄭58’、‘(PH4CV/昌7-2)-2’等6份自交系可被認定為高溫敏感型材料，‘GW8F’、‘(PH4CV/昌7-2)-1’、‘新農玉6390F’、‘新玉47M’、‘新農玉6390M’等5份自交系可認定為耐高溫種質，而‘PH6WC’、‘GW6F’、‘GW7F’可認定為極耐高溫種質。

2.2 開花期高溫脅迫對玉米自交系籽粒產量及其構成因素的影響

2.2.1 籽粒產量高溫脅迫導致玉米自交系花粉活力下降，嚴重時致死造成不育或敗育，從而影響正常受精結實，最終造成減產。方差分析結果表明(表3)，不同年份、不同熟期材料產量差異均達到極顯著水平，年份與材料互作也達到顯著水平，說明不同基因型玉米自交系耐熱性表現出較大的差異。綜合兩年的產量數據(表4)可知，早熟玉米自交系籽粒小區產量分別介于0.26～2.02 kg(2019)和0.11～1.05 kg(2020)之間，小區產量均值排前三位的依次是GW5F、GW4M和GW1F，均為國外自交系，且籽粒產量與其他自交系差異顯著；新自351、LH82、GW1M、GW3F、PHBA6等自交系小區產量之間差異不顯著，耐熱性與籽粒結實性較強，小區產量較高；新自3113、新玉110F、吉63、GW2M等4份自交系產量差異不顯著，耐熱性和籽粒結實性較差，產量水平也較低。中晚熟自交系小區產量分別介于0.20～2.52 kg(2019)和0.02～0.67 kg(2020)之間，小區產量均值排前二位的依次是PH6WC和GW6F，耐熱性較強，籽粒結實性較好；新玉47M、(PH4CV/昌7-2)-1、新農玉6390M、鄭58之間產量差異不顯著，其耐熱性與籽粒結實性較強，產量水平較高；Mo17、昌7-2、B73、GW8F、新自6423等5份自交系產量差異也不顯著，耐熱性與籽粒結實性較差，產量水平較低。

表3 不同年份、不同熟期玉米自交系籽粒產量方差分析表

表4 各玉米自交系籽粒產量及其構成因素多重比較

2.2.2 產量構成因素兩年試驗結果(表4)表明，高溫脅迫降低了玉米自交系的果穗長、果穗粗、穗行數、行粒數、果穗重、百粒重，最終導致單株產量降低。而高溫脅迫對不同熟期、不同基因型自交系小區產量及其穗部結實性狀的影響差異各不相同。其中，早熟材料中GW5F與GW3F、GW4M、GW1M，GW1F與PHBA6，新自3113與GW2M、LH82，新玉110F與吉63的小區產量差異均不顯著；晚熟材料中GW7F與GW6F、新農玉6390M，PH6WC與新玉47M、新農玉6390F、GW8F，(PH4CV/昌7-2)-1與新自6423、(PH4CV/昌7-2)-2，鄭58與B73、昌7-2、Mo17的小區產量差異也不顯著。而各自交系穗長、穗粗、穗行數、行粒數、百粒重等穗部性狀相互之間表現較大的差異。其百粒重除GW5F與GW4F，GW2F與吉63，GW1F與新玉110F之間差異不顯著外，其余各自交系間差異均達到極顯著。說明在高溫脅迫下以上材料之間產量相差不大，其耐熱性強度相近，但高溫脅迫對不同基因型自交系果穗籽粒結實性狀及產量構成影響差異較大。

2.3 高溫脅迫下自交系主要農藝性狀表現

2.3.1 主要農藝性狀變化由表5可見，自然高溫脅迫下，不同年份、不同熟期玉米自交系主要農藝性狀平均觀測值及變異系數差異較大。早熟材料農藝性狀變異系數分布介于9.99%～63.74%(2019)、4.95%～48.44%(2020)之間，晚熟材料農藝性狀變異系數分布介于10.07%～69.01%(2019)、8.01%～51.02%(2020)之間。其中，果穗禿尖長、粒重和果穗重3個性狀受高溫影響造成的變幅最大，變異系數均超過30%以上；行粒數、穗位高、穗行數、百粒重、果穗長、株高等性狀次之，變異系數介于10%～30%之間；籽粒含水量受高溫脅迫影響較小，其變異系數小于10%。另外，綜合兩年數據方差分析可知，自然高溫脅迫下不同熟期玉米自交系株高、穗位高、穗長、禿尖長、穗行數、行粒數、果穗重、百粒重、產量等9個指標差異均達到極顯著水平，果穗粗和籽粒含水量差異達到顯著水平。

表5 玉米自交系主要農藝性狀差異顯著性比較

2.3.2 主要農藝性狀、結實性狀及產量相關性對不同熟期自交系主要農藝性狀、果穗性狀及產量構成因素相關性分析結果(表6)表明，株高、穗位高與穗部性狀及產量因子呈顯著或極顯著正相關，與禿尖長呈極顯著負相關，其中株高和穗位高與果穗長相關系數最高(分別為0.973**和0.993**)。說明株高和穗位高與其穗部性狀及產量因子關系較為密切，高溫脅迫下株高和穗位高的增加受到抑制，干物質運輸和積累受阻，最終造成玉米籽粒產量下降。同時，早熟材料中與產量呈顯著或極顯著正相關的產量構成因子有6個，其相關性大小依次為果穗重(0.993**)>穗行數(0.989**)>果穗長(0.967**)>果穗粗(0.963**)>百粒重(0.952**)>行粒數(0.873*)，禿尖長與產量(-0.941**)呈極顯著負相關；晚熟材料中與產量呈顯著或極顯著正相關的產量構成因子也有6個，其相關性大小依次為果穗重(0.997**)>穗行數(0.987**)>行粒數(0.983**)>果穗長(0.977**)>果穗粗(0.900*)>百粒重(0.857*)，其中籽粒含水量(0.606)與產量相關性不顯著，禿尖長與產量(-0.825*)顯著負相關；穗長與穗重(0.989**)、穗重與穗行數(0.988**)、穗行數與穗粗(0.985**)相關系數明顯較高，穗部各性狀間關系較為密切。可見，高溫脅迫是通過影響玉米果穗重、穗行數、行粒數、果穗長、果穗粗、百粒重以及籽粒含水量等穗部結實性狀，抑制果穗生長發育和籽粒形成，最終造成籽粒產量大幅降低，并以果穗重、穗行數、行粒數的變化對玉米產量的影響較大。

表6 高溫脅迫處理下玉米自交系主要農藝性狀相關系數

2.4 參試玉米自交系耐熱性聚類分析

用R語言統計軟件對參試玉米自交系相對結實率進行層次聚類，結果(圖2)顯示，26份自交系可分為兩大類，其中GW5F、PH6WC、GW4M等3份來自國外的玉米自交系聚為第Ⅰ大群，其遺傳背景豐富，并聚合了較多的抗逆優異基因，均表現出極強耐高溫特性；特別是PH6WC是中國種植面積最大、適應性和抗逆性最強的美國玉米雜交種先玉335的母本，其綜合抗逆性極強。其余自交系被聚為第Ⅱ大群。其中，第Ⅱ大群又被分成3個小的亞群，吉63、Mo17、昌7-2等6份來自國外的老自交系和中國東北選育的自交系聚為第1亞群；PHBA6、LH82、新自351等6份國外最新引進和新疆自然高溫環境選育的自交系聚為第2亞群；鄭58、新農育6390M、新自3113等11份黃改系和新疆自然高溫環境選育的自交系聚為第3亞群。這個分類結果與空稈率、果穗結實率、相對結實率等綜合鑒定分析的結果相互印證，能較好反映出不同基因型玉米種質材料之間耐熱性的差異。

圖2 不同基因型玉米自交系耐熱性層次聚類分析圖Fig 2 Hierarchical clustering analysis of heat resistance of maize inbred lines with different genotypes

3 結論與討論

全球氣候變暖、高溫天氣頻發[16]，對糧食安全造成嚴重影響[17]。玉米屬C4作物，生長季節相對較高的溫度有助于玉米增產，但溫度超過一定范圍則會對產量造成不利影響[18]。據新疆氣象部門數據顯示，2019和2020連續兩年，在玉米開花授粉時正好趕上持續性強、穩定性好的35 ℃以上的高溫脅迫，其中2020年7月17-27日，烏魯木齊連續8 d的高溫均在40 ℃以上，期間也沒有降雨的影響，完全達到了試驗所需的高溫脅迫條件，其高溫脅迫強度高、持續時間長、穩定性好，為試驗材料高溫處理和試驗數據采集奠定了較好的試驗基礎。

玉米開花期遭遇高溫，會引起生殖器官發育異常，破壞玉米自交系正常的生長發育進程，增加了籽粒敗育數，最終導致產量下降。于康珂[19]研究表明，開花授粉前后高溫造成玉米減產，主要是因高溫對籽粒數的影響嚴重，導致玉米穗部性狀和結實率降低，且品種間存在差異。楊歡[20]研究表明，高溫脅迫顯著影響玉米百粒重、粒重和穗粒數，進而降低產量，且隨著脅迫時間延長，產量降幅增加。本研究結果表明，高溫脅迫降低了玉米的果穗結實率和相對結實率，造成大量空稈，最終導致單株產量降低，且品種間差異顯著。高溫脅迫后不同耐熱性玉米自交系產量與產量構成因子受到嚴重的影響，其中穗重、穗行數、行粒數所受影響最大，這與前人研究結果一致。此外，筆者認為在高溫干旱條件下籽粒產量降幅較低、抗旱和耐熱性較強的材料，在正常灌溉條件下其籽粒產量不一定高，而正常條件下產量很高的材料，在遭遇高溫和干旱脅迫時其產量也有可能表現出較大的降幅。因此，在大田自然環境條件下進行耐熱和抗旱性鑒定試驗，其結果受大氣環境、土壤地力和肥力、田間綜合管理等諸多因素影響，需多年多點重復試驗來驗證。

眾所周知，植物的生態環境適應性與長期所處的自然環境相關，玉米的耐熱性也是如此[21]。本研究鑒定出的GW5F、GW4F、GW7F、PH6WC等4份表現極耐高溫的自交系均為國外優異種質，其遺傳基礎較為廣泛，可用于玉米耐高溫基礎研究和遺傳改良。同時，表現較強耐熱性的新玉47M、新自351等8份品系多來自于新疆本地選育的材料，適應當地的高溫環境，結實率相對較高，耐熱性較強，可作為優異的玉米耐熱育種資源。

綜上所述，開花期高溫熱害已經成為威脅玉米生產安全的主要因素之一[22]。因此，挖掘耐高溫特異種質，遺傳改良創制耐熱育種新材料，培育耐熱玉米新品種是解決新疆玉米高溫熱害的重要途徑。本研究結合新疆當地高溫干燥的氣候特點，建立了一套適宜玉米種質資源大田耐熱性鑒定的評價體系，為中國玉米耐熱種質資源的遺傳改良和新品種選育提供參考。