玉米抗旱性指標研究進展

楊瑞晗，許海濤*，王文文

（1.駐馬店市農業科學院/河南玉米產業技術體系駐馬店綜合試驗站，河南駐馬店463000；2.駐馬店市平輿縣農業科學技術試驗站，河南平輿463400）

干旱是農業氣象災害之一，因較長時期內降水量偏少，空氣干燥，土壤中含水量不足造成缺水，致使植物體內發生水分虧缺不能正常生長發育，導致產量下降[1]。我國干旱、半干旱地區約占全國總面積的47%，而耕地總面積43%的區域則屬于干旱、半干旱區，該區域降水無規律且降水量偏少，時空分配不均衡，干旱及階段性的干旱時常發生[2-3]。據國家氣象局預測，未來10～50 年干旱有逐年擴大的趨勢，連續季節性、區域性及階段性干旱發生的頻率有所增加[4]。據報道，干旱已導致我國糧食減產700 億～800 億kg[4-5]。玉米（Zea mays L.）是河南省常年種植的主要糧食作物之一[6]。干旱與水資源匱乏制約了玉米生產發展和穩產增產，原因在于干旱脅迫顯著抑制了玉米正常的生長發育。干旱現已成為限制玉米產量形成的關鍵生態因素，是玉米生產發展過程中需要面對的主要非生物逆境之一。輕度干旱可使產量減少約25%，重度干旱可減產30%～35%，而嚴重干旱則使玉米產量幾乎絕收。玉米對干旱脅迫比較敏感且需水量較大，而我國大部分區域沒有灌溉條件或條件不足，易受干旱影響致使產量降低。玉米播種50 d 后干旱每增加1 d，減產可達3%；而抽雄吐絲階段干旱每增加1 d，減產6%～7%；灌漿期平均減產可達4%[7-8]。玉米抗旱性由多種基因共同控制，能夠通過多種途徑進行御旱及耐旱，保障玉米在土壤干旱、氣候干燥環境下對干旱的耐受、抵抗及適應能力，使其受害程度減輕，產量降低有所減緩[9-10]。玉米抗旱性受結構形態、生理生化、特異基因誘導表達，以及生育進程與氣候變化配合程度的共同作用，進而在產量和形態方面集中體現出來[2]。目前，國內外諸多學者日益重視玉米抗旱性的相關研究[11-17]。本文對玉米抗旱性最新研究進展進行綜述，為玉米研究者提供借鑒和參考。

1 玉米抗旱性鑒定方法

玉米抗旱性鑒定方法主要有盆栽法、旱棚旱池法、人工氣候室模擬環境法、田間直接鑒定法。盆栽法主要有土培、水培、沙培，即可用盆栽先培育出玉米幼苗，再通過高滲溶液對正常生長幼苗進行脫水，測定生理及形態指標的變化，通過鑒定幼苗恢復能力對其進行抗旱性鑒定，此法適宜大批量抗旱性鑒定，但不適合生育后期的抗旱鑒定[16]；也可通過調控盆栽土壤含水量對玉米植株造成水分脅迫對抗旱性進行鑒定，此法可靠簡單，但結果針對的不是玉米群體而是個體，鑒定任務量大，并且與大田實際表現有一定差異[8,15]。旱棚旱池法及人工氣候模擬環境法主要通過人工控制旱棚旱池或人工氣候室內溫度、濕度、水分、光照，形成土壤干旱及大氣干旱，模擬不同程度的干旱脅迫，分析其對玉米形態結構、生理生化及產量的影響，從而對其抗旱性進行評價，該法結果可靠且重復性較好，易于比較，方便調節干旱脅迫時間、強度及重復次數，克服田間直接鑒定存在的某些缺點，但投資成本較大，能源耗費大，不能進行大批量鑒定[9,16]。田間直接鑒定法在自然條件下利用地形、灌溉設施、自然降水形成多種水分差異，制造不同程度的干旱脅迫，對玉米抗旱性進行鑒定，此法對大量作物鑒定效果明顯，不需要特殊設備，簡單易行，結果接近田間實際情況，但自然環境對該法進行抗旱性鑒定影響較大，要求試驗地所處區域氣候干旱，降雨少，能夠通過灌水調節水分脅迫，并且耗費時間長，工作量大，難以重復[9,16]。

2 玉米抗旱性鑒定指標研究

如何提高及合理利用玉米品種的抗旱性已是玉米研究中的重要問題之一，抗旱性鑒定指標是準確科學評價玉米抗旱性的依據。為便于鑒定玉米抗旱能力的高低，在研究抗旱性鑒定方法的基礎上更需要創建合理的數量化鑒定指標。目前，眾多學者已經建立起多種抗旱鑒定指標，使玉米抗旱性鑒定日益形成完善的綜合評價鑒定體系[17]。

2.1 形態指標

早期學者對玉米抗旱性的研究主要集中在形態指標方面，分地上和地下2 部分：地上部分主要有玉米生育進度、株高、莖粗、葉片大小、葉片形狀、葉片角度、葉片卷曲程度、葉色、氣孔數、氣孔指數、輸導組織、蠟質層厚度、表皮細胞形狀、受精及籽粒發育、雌雄穗大小、干物質積累狀況等；地下部分主要有根數、胚根數、根長、根粗、根冠比、根系發育、根層分布、根干質量、根內維管束數、根導管等，地下根系從土壤中吸收水分并直接感受水分信號[10,18]。

株高與耐旱性在一定條件下呈正相關，水分脅迫使玉米生育受阻，生物質含量降低，對水分的吸收和運輸能力下降，抑制株高的增長，使植株變矮[19]。玉米莖稈內部維管束擔負著不同器官間的水分運輸，以免水分失衡。莖稈越粗，莖組織吸水阻力越小，吸水率越大，水分運輸能力越強，抗旱能力越強[20]。葉片的形態指標對玉米的抗旱性均能產生一定影響。葉片厚、茸毛密集、蠟質多、小葉以及直立株型玉米更易于抵御干旱[10]。黃綠及淡綠色葉片能夠反射較多的光，葉溫維持較低水平從而減少水分散失，使玉米耐旱性增強[8]。吳子愷認為，理想葉片形態指標為深綠色、直立且具有蠟質層，能在低水勢條件下保持基本的功能，脅迫能快速緩解，干旱脅迫環境下基本不卷葉[21]。胡榮海則認為，以葉片的卷曲萎蔫強度鑒定品種耐旱性不夠準確，某些作物葉片卷曲、下垂萎蔫是自身對干旱脅迫的抗逆反應，易于提高其耐旱性能[19]。王澤立等研究了玉米耐旱品種的形態解剖結構，認為抗旱品種具有葉片厚、氣孔數及氣孔指數大等特征[22]。唐連順等對干旱脅迫下葉片超微結構進行了研究，結果表明，水分脅迫能夠扭曲葉綠體基粒片層結構，損傷線粒體外膜，增大類囊體腔[23]。根系是玉米吸收水分的重要器官。陳立松等研究表明，發達根系能夠對水分有效利用，進而推遲或阻止干旱傷害，與抗旱能力呈現正相關作用[24]。Fischer 等研究表明，玉米根系質量與多少對產量有一定影響，但與根系深度無關，耐旱品種的根系和植株干物質的質量比更高[25]。有些學者認為，初生根數多、苗期根苗比較高的品種耐旱性更強[19,21]。

2.2 生理生化指標

干旱環境條件下，作物為緩解水分脅迫形成壓力，生理代謝快速做出調整來保障細胞正常的生理功能[18]。抗旱性是玉米植物體內細胞在水分脅迫下生理生化產生的適應性改變及自身抗逆反應的結果。干旱脅迫能夠使玉米產生一系列生理生化變化，對其生理生化變化的研究可從分子生物學方面進一步探明玉米耐旱機理，從而對玉米種質材料的抗旱性進行鑒定[2]。

2.2.1 葉片水勢（leaf water potential，LWP）。葉片水勢是玉米葉片的水分狀態與需水狀況，反映了葉片細胞對水分吸收潛力的大小，與抗旱性的強弱顯著相關，水勢值穩定性及大小能夠成為衡量玉米耐旱性強弱的生理指標。葉片細胞內部水分虧缺時，水勢下降，水勢值越低，吸水能力相對越強[5,8]。不同品種之間葉片水勢存在較大差異。裴英杰等研究發現，強抗旱性玉米品種葉片水勢值較低，變幅較小，究其原因，可能是干旱脅迫時易使細胞內水勢保持平衡，降低組織損傷，增強抗旱性能[26]。侯建華等試驗發現，干旱脅迫能使全部玉米葉片水勢降低，而抗旱性品種降低不明顯[27]；但羅淑平認為，葉片水勢與玉米品種抗旱指數呈現極顯著的正相關性[28]。

2.2.2 葉片相對含水量（relative water content，RWC）。葉片相對含水量是實際含水量占植物組織中飽和含水量的百分比，能夠反映干旱脅迫時植株水分虧損的水平[29]。水分脅迫相同條件下，耐旱性差的品種，其葉片相對含水量降低幅度較大。黃鶯等研究了玉米干旱脅迫24 h 后葉片相對含水量的變化，發現相對含水量均下降明顯，但耐旱性較弱的玉米品種降低程度較大[30]。席章營等研究認為，強抗旱性品種葉片相對含水量下降較低，是由于其組織細胞內黏性較強、親水能力較高，在水分脅迫環境下抗脫水的能力也就越強[29]。而張寶石等指出，基因型不同的玉米品種葉片保水性能與各自交系抗旱系數呈現出極顯著的相關性[31]。

2.2.3 相對電導率（relative electric conductivity，REC）。相對電導率能夠作為評價植物營養盈虧狀況及抗逆性能強弱的關鍵參數。原生質膜對水分的變化反應較為敏感，干旱脅迫會使原生質膜受到損傷，降低質膜的穩定性，增加透性，導致細胞內含物易于外滲，外溶離子相應增多，相對電導率增大[5]。水分脅迫后相對電導率與抗旱性呈現出負相關性，干旱脅迫程度越重，細胞膜質系統受傷越重，相對電導率值也就越大，下降幅度相對較小而耐旱性較強，相對電導率穩定性好的基因型也就屬于抗旱性基因型[31-32]。玉米幼苗干旱脅迫后相對電導率增加明顯[33]。裴英杰等分析了67 個玉米品種的幼苗葉片電解質滲透（膜透性）和耐旱性（抗旱級別）的關系，結果呈現極顯著負相關性，且電解質滲透率具有較高靈敏度，可以對玉米幼苗抗旱性能進行鑒定[26]。

2.2.4 氣孔擴散阻力（stomatal resistance，RS）。氣孔擴散阻力是指阻礙葉肉細胞中水蒸氣向大氣擴散過程中的作用力。經過氣孔擴散損失的水分量占總水分損失量的80%～90%[8]。玉米最初通過調整氣孔口開合度的大小來反映干旱脅迫，阻礙玉米體內水分的損失。水分脅迫常使玉米吸水不足導致組織發生脫水，此時通過調節氣孔減少水分蒸騰而避免或降低干旱損傷。王曉琴等研究表明，不同玉米品種在水分脅迫時氣孔擴散阻力均明顯增大，但品種間增幅不同，抗旱性強的品種增幅較大而不耐旱品種增幅較小[34]。羅淑平研究測定了玉米自交系RS 值，結果顯示，水分脅迫時抗旱性強的自交系材料敏感指數比較低，不耐干旱自交系材料敏感指數相對較高[28]。王忠華等認為：氣孔關閉對玉米光合作用效率具有一定影響，致使玉米生長發育受阻；耐旱與生育二者間應保持協調，使玉米既具有一定耐旱性又要有一定的生長勢[35]。池書敏等研究表明，水分脅迫輕度環境下主要以氣孔調節限制為主，重度環境下光合作用將受到抑制，究其原因，核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性可能大幅降低[36]。

2.2.5 抗氧化酶活性。抗氧化酶主要有超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT），它們是生物體內膜系統保護酶，具有清除生物活性氧自由基的重要功能，降低或阻止對細胞膜系統結構的損害。SOD 能夠去除生物體內活性氧積累，降低對膜結構的損害；CAT 可以把SOD 形成的H2O2轉變成H2O，讓活性氧保持較低水平，保障玉米生命活動能夠正常進行[5,15]。孫彩霞等對玉米進行干旱脅迫的研究顯示，SOD、POD 和CAT 活性在干旱脅迫初期均有所升高，但隨脅迫時間的增加及強度的提高，活性又有不同程度的降低[37]。王茅雁等研究認為，耐旱性強的品種SOD 活性比較高，水分脅迫時活性降幅低于耐旱性弱的品種，品種耐旱性與SOD 活性呈現顯著正相關性，在水分脅迫時能夠阻礙或降低形成羥基自由基從而使膜系統免受損害[38]。POD 在干旱脅迫下沒有SOD、CAT 反應敏感，并且和玉米品種抗旱性相關不密切，SOD 活性與玉米抗旱性相關更緊密[39-40]。王振鎰等對水分脅迫下玉米葉片酶活性變化進行了研究，耐旱性玉米葉片SOD 活性上升明顯，不耐旱玉米變化較小，POD 活性雖有上升，但不耐旱玉米上升較小或者雖有上升但后又下降[40]。而李廣敏等對不同耐旱性玉米雜交種和相對應的自交系幼苗進行聚乙二醇（PEG）處理，幼苗葉片SOD、CAT 和POD 活性提高顯著[41]。

2.2.6 丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量。丙二醛是干旱脅迫使植物體內各種代謝產生變化，活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）的含量升高，不飽和脂肪酸過氧化形成的產物。MDA 含量的高低表現出質膜的過氧化損傷程度[4-5]。膜脂過氧化使膜中蛋白質引起交聯、聚合及類脂的變化，膜上孔隙增大，通透性升高，大量離子外泄致使細胞代謝產生紊亂，重度時植物受傷甚至死亡[34]。王思思等研究表明，干旱脅迫環境下各基因型玉米葉片MDA 含量均有較大提升，但不同基因型之間增幅有一定差異，耐旱性能相對較強的品種MDA 累積增加量低于不耐旱品種[42]。張海明等對耐旱性不同的玉米幼苗MDA 含量在水分脅迫條件下的變化進行研究，發現正常水分環境下MDA 含量差別不明顯，水分脅迫環境下不耐旱玉米品種MDA 含量升幅高于耐旱性品種，升高幅度和玉米品種抗旱性能呈現負相關性[43]，與謝美華等研究結論[44]基本相同，玉米不同品種幼苗組織中MDA 含量正常水分條件下存在的差異不明顯，但隨干旱脅迫時間持續延長，其含量升高，且耐旱品種MDA 含量升幅低于不耐旱玉米品種。

2.2.7 脯氨酸（proline，Pro）含量。脯氨酸具有較強的水合能力，能夠結合大量水分而降低水分損失[2]。玉米組織內水勢降低到一定閾值時，細胞開始大量積累游離Pro，Pro 的累積對生物大分子結構與功能不會造成損壞，而親和性表現較好，具有滲透調節作用，可以使水勢降低，細胞質能夠保持較高滲透壓，這也被認為逆境表現特征之一[45]。鮑巨松等通過盆栽試驗研究了不同水分脅迫強度對玉米葉片Pro積累速度的影響，發現隨脅迫強度的增加游離Pro含量也增加，但超過一定強度反而使Pro 含量降低；復水后抗旱能力不同的品種游離Pro 含量降幅差異明顯，抗旱性強的品種降幅最大[46]。王靜等研究了不同程度水分脅迫條件下不同雜交玉米葉片Pro 含量變化，結果表明，隨脅迫程度的增加Pro 含量成倍提升，但與品種抗旱性能聯系不明顯[47]。杜金友等在干旱脅迫環境下研究了自交系的生理變化，表明水分脅迫可以提高自交系Pro 含量，且自交系間差異大，使Pro 能夠作為玉米抗旱性篩選指標之一[48]。薛吉全等研究認為，游離Pro 積累量和干旱脅迫強度及生育期相關，而和玉米品種耐旱性能沒有一致性，但復水后Pro 下降比值和耐旱性具有相關性[49]。張寶石等研究指明，不能把Pro 含量作為檢測玉米品種抗旱性強弱的一種指標[31]。目前學者對玉米抗旱性與Pro 累積關系結論不一，存在一定分歧，尚待更深入研究探討。

2.2.8 脫落酸（abscisic acid，ABA）含量。正常情況下植物體內脫落酸含量極少，其為植物體內源激素。干旱脅迫能夠使ABA 含量增加，進而使細胞膜特性發生改變，氣孔關閉，蒸騰降低維持水分[50]。玉米內源激素ABA 和抗旱性具有相關性，干旱脅迫時ABA 含量水平升高顯著，可對細胞內的離子濃度進行調節，控制氣孔開放程度，進一步對干旱產生反應[51]。江龍研究顯示，水分脅迫能夠使玉米葉片內ABA 含量升高數十倍，耐旱性玉米品種ABA 積累量更多[52]。丁雷等研究認為，干旱脅迫可增加葉片中ABA 含量，使細胞質Ca2+濃度增加從而間接達到降低保衛細胞K+濃度的目的，致使膨壓降低，促進氣孔關閉，抑制氣孔開放[53]。劉金剛等研究了外源ABA 和玉米耐旱機制的關系，土壤干旱環境下外施ABA 能夠使蒸騰失水速度顯著降低，降低干旱條件下產量減幅[54]。而李霞等則認為，干旱脅迫產生ABA與玉米抗旱性能沒有直接聯系，ABA 有可能是水分虧損時玉米植株產生的化學信號，其傳遞啟動干旱適應性蛋白質的表達[55]。

2.2.9 干旱誘導蛋白。玉米的抗旱性受基因表達控制[2]，干旱脅迫條件下胚胎發生后期富集蛋白（Lea蛋白）具有保護生物大分子，使特定細胞結構得以維持的作用，并且緩解干旱環境脅迫，能夠使組織細胞不受損傷[8,56]。張秀海等研究認為，干旱脅迫能夠使水通道蛋白基因誘導得以表達，這類蛋白質具有運輸水分功能，可以產生選擇性的水分運輸通道，拒絕其他有機物質及離子通過，但水能夠自由出入，因此能夠增加玉米的抗旱性能[57]。趙天宏等研究了干旱脅迫條件下抗旱性不同的玉米幼苗葉片蛋白質的變化，結果表明，干旱脅迫能夠使蛋白質合成產生變化，而且形成干旱誘導蛋白，抗旱性較強玉米品種誘導蛋白的形成晚于耐旱性較弱品種[58]。2.2.10 抗壞血酸（vitamin C,Vc）。抗壞血酸是糖代謝過程中玉米植物體內廣泛存在的一種正常產物，屬于細胞抗氧化劑，能夠去除活性氧對生物膜的損害，具有保護作用，降低膜質過氧化，利于細胞膜穩定透性[2]。裴英杰等研究表明，水分脅迫使幼苗葉片Vc 含量降低，不同耐旱品種間Vc 變化率有差異，在水勢下降到一定值時其變化率和水勢達顯著相關水平[26]。王金勝等研究了干旱脅迫環境下幼苗Vc變化與玉米品種耐旱性的關系，表明葉片水勢降低至一定值后Vc 含量下降才顯著，與玉米品種耐旱性具顯著相關性[59]，這與裴英杰等的研究結果[26]一致。

2.2.11 硝酸還原酶（nitrate reductase，NR）。硝酸還原酶參與玉米植株體內氧化態硝態氮代謝過程，是對干旱脅迫較為敏感的酶，在干旱環境下葉片內硝酸還原酶活性增加顯著，耐旱性強的玉米品種NR活性降低較少，耐旱較弱品種降低明顯[60]。顧慰連等研究了不同玉米品種在不同生育時期對干旱脅迫產生的生理反應，結果表明，抗旱性強的品種NR 活性降幅較少[61]。鄒成林等通過對苗期抗旱性與生理生化指標綜合評價表明，干旱脅迫下葉片NR 活性比對照降低，耐旱性品種降幅較小，NR 活性與抗旱性具有極顯著相關性，能夠作為玉米苗期抗旱性鑒定指標之一[62]。李金洪等在干旱環境下葉施抗蒸騰劑研究玉米耐旱性的變化，結果表明，其抗旱性增加，葉片NR 活性增加顯著[63]。

3 總結與展望

盆栽法適宜大批量抗旱性鑒定，但不適合生育后期的抗旱鑒定。通過調控盆栽土壤含水量對玉米植株造成水分脅迫來對抗旱性進行鑒定，此法可靠簡單，但結果針對的不是玉米群體而是個體，鑒定任務量大，并且與大田實際表現有一定差異。旱棚旱池法及人工氣候模擬環境法鑒定結果可靠且重復性較好，易于比較，方便調節干旱脅迫時間、強度及重復次數，克服了田間直接鑒定的某些缺點，但投資成本較大，能源耗費大，不能進行大批量鑒定。田間直接鑒定法對大批量鑒定效果明顯，不需要特殊設備，簡單易行，結果接近田間實際情況，但自然環境對該法影響較大。葉片細胞內部水分虧缺時，水勢下降，水勢值越低，吸水能力相對越強，不同品種之間葉片水勢存在較大差異。葉片相對含水量能夠反映干旱脅迫時植株水分虧損的水平，水分脅迫相同條件下，耐旱性差的品種，其葉片相對含水量降低幅度較大。原生質膜對水分的變化反應較為敏感，干旱脅迫會使原生質膜受到損傷，降低質膜的穩定性，增加透性，導致細胞內含物易于外滲，外溶離子相應增多，相對電導率增強。不同玉米品種在水分脅迫時氣孔擴散阻力均明顯增大，抗旱性強的品種增幅較大而不耐旱品種增幅較小。抗氧化酶具有清除生物活性氧自由基的重要功能，降低或阻止對細胞膜系統結構的損害。干旱脅迫環境下各基因型玉米葉片丙二醛含量均有較大提升，耐旱性能相對較強品種累積增加量低于不耐旱品種。脯氨酸具有較強的水合能力，能夠結合大量水分，降低水分損失，玉米組織內水勢降低到一定閾值時細胞開始大量積累游離脯氨酸，脯氨酸的累積對生物大分子結構與功能不會造成損壞，而親和性表現較好，具有滲透調節作用，經滲透調節可以使水勢降低，細胞質能夠保持較高滲透壓。干旱脅迫能夠使脫落酸含量增加，進而使細胞膜特性發生改變，氣孔關閉，蒸騰降低，維持水分。干旱脅迫能夠使水通道蛋白基因誘導得以表達，這類蛋白質具有運輸水分功能，其可以產生選擇性的水分運輸通道，拒絕其他有機物質及離子通過，但水能夠自由出入，因此能夠增加玉米的抗旱性能。抗壞血酸是糖代謝過程中玉米體內廣泛存在的一種正常產物，屬于細胞抗氧化劑，能夠去除活性氧對生物膜的損害，具有保護作用，降低膜質過氧化，利于細胞膜穩定透性。硝酸還原酶參與玉米植株體內氧化態硝態氮代謝過程，是對干旱脅迫較為敏感的酶，在干旱環境下葉片內硝酸還原酶活性增加顯著，耐旱性強的玉米品種硝酸還原酶活性降低較少，耐旱較弱品種降低明顯。

水資源短缺與干旱已經成為世界農業發展的制約因素，也是農業發展受到制約的主要障礙，對農業生產健康有序發展產生嚴重威脅[64]。因此，如何合理利用玉米品種的抗旱性成為今后玉米研究的重要方向之一。玉米抗旱性是水分脅迫條件下表現出的一種復雜綜合特性，細胞在結構及多種生理指標變化綜合表現出的一系列適應性改變后的結果，不同生育時期均可發生。對玉米造成干旱的外部因素較多，諸多學者對玉米抗旱性機理及應用已經取得系列研究進展，有關抗旱性鑒定方法、鑒定指標方面積累較多資料。應把諸多指標綜合應用于抗旱育種工作，為創制選育新的耐旱種質提供平臺支撐，最終提升玉米抵御干旱脅迫的能力。對于干旱問題的有效解決途徑主要是利用耐旱性品種，選育耐旱性品種完全可能大幅減少干旱對玉米造成的產量損失[65]。篩選耐旱性自交系，選育抗旱性雜交種，成為我國玉米生產迫切需求及抗旱性育種關鍵目標。發展抗旱性玉米研究對于保障玉米可持續生產，解決糧食安全具有重要意義。