甘肅雨養區不同品種青貯玉米生理特性及水分利用率評價

齊 帥, 秦偉娜, 焦 婷, 師尚禮, 高永權, 王虎寧, 李淑艷

(甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/中-美草地畜牧業可持續發展研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

我國是農業大國，但與發達國家相比，草食畜牧業發展相對落后，優質飼草供應不足是其主要原因之一[1]。青貯玉米由于其產量高、營養豐富、適口性好和易消化等特點，近年來受到了廣泛關注[2-4]。玉米是甘肅的第一大糧食作物，也是種植面積最廣的糧飼兼用作物，2017年甘肅玉米種植面積達到9.667×105hm2，占全省糧食種植面積的35%[5]。然而，甘肅地形復雜，氣候條件差異較大，在中部及隴東雨養玉米區，干旱是限制該區青貯玉米生產安全的重要因素之一[6-7]。

研究表明，干旱脅迫下，玉米的光合作用減弱，蒸騰作用和作物產量也會受到影響[8]。在生產實踐中，植物的生理對光、熱、水分等環境條件的變化比較敏感，在不利環境條件下，玉米植株內部細胞會遭受不同程度的損傷，生理生化方面也會隨之變化，并最終作用于產量[9]。水分利用率是評價玉米耐旱能力的重要指標之一，反映作物生產過程中單位水分的能量轉化效率[10-11]。為了適應干旱逆境，玉米超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和過氧化物酶(Peroxidase，POD)活性增強，能有效清除一定量的活性氧，避免膜脂過氧化[12]。滲透調節也是玉米適應干旱的一種重要方式，葉片細胞通過積累可溶性糖(soluble suger，SS)、可溶性蛋白(Soluble protein，SP)，維持較低的滲透勢，從而抵抗水分脅迫給細胞造成的傷害[13]。于文穎等[14]研究表明，水分脅迫提高了玉米的水分利用率，增強葉片對水分的利用能力。高杰等[15]研究表明，干旱脅迫下，玉米的SOD，POD活性顯著增加，保護酶對玉米抵御干旱脅迫起到了積極作用。李嬌等[16]研究發現，干旱脅迫會提高玉米的POD和SOD活性及丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量，并且抗旱性好的玉米品種的POD活性、SOD活性變化幅度大于抗旱性差的玉米品種，抗旱性差的玉米品種的MDA含量變化幅度大于抗旱品種。

相比其它葉片，穗位葉因其葉面積大、功能期長、葉綠素含量高等特點對玉米雌穗發育及產量形成的影響最為重要[17]。目前市場上青貯玉米品種較少，同一個品種玉米在不同水熱條件下對逆境反應程度和產量差距較大，尤其是在干旱缺水地區在選擇青貯玉米品種時具有很大盲目性[18]。因此，本研究通過對種植在會寧20個青貯玉米品種乳熟末期穗位葉取樣，對其進行相關生理參數比較，并在收獲后對比分析供試品種的水分利用率，為進一步選取優良抗旱的青貯玉米品種提供一定的理論依據，為選育栽培提供實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

白銀會寧縣位于甘肅中部(35°69′ N，105°09′ E)，溫帶季風性氣候，年均降水量332.6 mm，蒸發量1 800 mm，年均氣溫7.9℃，無霜期155 d左右。該區水資源短缺，干旱是造成該區農業減產的主要自然災害。該地土壤以黃綿土、灰鈣土和黑轤土為主，土層深厚。其土壤基礎理化性質見表1。

表1 試驗地基礎理化性質Table 1 Basic properties of soil in experimental areas

1.2 試驗地降水量和氣溫概況

氣象數據來自于當地氣象站。白銀會寧縣2020年降水量主要集中在6，7，8月份，全生育期降水量為359.4 mm，全生育期日均氣溫為21.6℃，苗期遭遇冰雹。

1.3 供試材料

供試材料為20個專用型青貯玉米品種，其品種信息見表2。

1.4 試驗設計

本研究選用20個品種的青貯玉米種植于會寧地區，田間種植采用隨機區組排列，共20個處理，田間種植不設重復，即共20個小區采用分行種植，每個品種種植3行，行距為0.4 m，每個小區約100 m2，各小區間距為0.6 m。

表2 青貯玉米品種Table 2 Varieties of silage maize

于2020年的4月15日播種，采用覆膜栽培措施，按當地農民習慣，播種前施基肥，拔節期追施磷肥1 800 kg·hm-2，不進行灌水處理，其他管理方式均同大田管理。

在玉米乳熟末期，每個小區隨機取5株玉米的穗位葉，保存在液氮罐中，帶回實驗室分析比較其生理參數。統一收獲后，分析比較其水分利用率。

1.5 測定項目及方法

1.5.1生理指標測定 參考李仲芳《植物生理學試驗指導》，用考馬斯亮藍法測定SP含量[19]，蒽酮比色法測定SS含量[20]，硫代巴比妥酸法測定MDA含量[21]；采用NBT(氮藍四唑)光化還原法測定SOD活性[22]；愈創木酚顯色法測定POD活性[23]。

1.5.2水分利用率測定 根據當地氣象資料，計算其當年降雨量，并計算供水利用率，計算公式如下[24]：

WUE=Y/(P+I)

式中：I(mm)為全生育期灌水量；P(mm)為整個生育期降水量；當Y(kg·m-2)為鮮重時，得到鮮重水分利用率(Fresh weight water use efficiency，WUEf)，Y(kg·m-2)為干重時，得到干重水分利用率(Dry weight water use efficiency，WUEd)。

1.6 綜合評價

首先對干旱脅迫下青貯玉米的 7個指標變化進行歸一化處理，然后比較各指標間的相關性。最后利用主成分分析法對 20份青貯玉米材料的7個指標進行綜合評價。

不同青貯玉米材料指標的歸一化處理：對與干旱脅迫呈正相關關系的指標采用公式Fij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)；對與干旱脅迫呈負相關關系的指標(MDA)采用公式Fij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。式中，Fij為i品種的j性狀測定的具體隸屬值；Xij為i品種j性狀測定值；Xjmin為j性狀中測定的最小值；Xjmax為j性狀中測定的最大值。

主成分分析的綜合評價參照何文鑄等[25]的方法。

1.7 數據處理與分析

用Excel 2019處理數據并進行歸一化處理，使用SPSS 26.0對數據進行單因素方差分析、相關性分析及主成分分析，差異顯著性用Dancan法進行多重比較(P<0.05)。

2 結果與分析

2.1 各青貯玉米生理指標含量比較

由表3可知，品種對玉米穗位葉SS，SP，MDA含量和SOD，POD活性有顯著影響(P<0.05)。各品種SS含量為2.01%～3.42%，其中‘金穗715’SS含量為3.42%，‘延科288’SS含量為3.37%，較‘文玉3號’分別提高了70.27%和68.16%。各品種SP含量為5.09～6.29 mg·g-1，SOD活性為319.64～378.71 U·g-1，不同品種SP含量具有較大差異，但不同品種SOD活性差異較小，其中‘利農368’具有高的SP含量和SOD活性，分別為6.29 mg·g-1和355.64 U·g-1。各品種的POD活性為13.76～25.50 U·(g·min)-1，不同品種POD活性存在較大差異，其中‘利農368’POD活性最高，為25.50 U·(g·min)-1，其次為‘隴單339’和‘晉單73’，其POD活性均超過了23.00 U·(g·min)-1，但‘金凱3號’和‘豫青貯23’的POD活性均低于了15.00 U·(g·min)-1。各品種MDA含量為0.2～0.45 μmol·g-1，其中‘延科288’的MDA含量最高，為0.41 μmol·g-1，顯著高于其他品種(P<0.05)，較‘和盛5288’增加了103.77%。

表3 各青貯玉米品種生理指標含量比較Table 3 Comparison of physiological indexes of silage maize varieties

2.2 各青貯玉米水分利用率比較

由表4可知，品種對WUEf和WUEd均有顯著影響(P<0.05)。各品種的WUEf為109.58～193.58 kg·hm-2·mm-1，‘豫青貯23’的WUEf最高，為193.58 kg·hm-2·mm-1，其次為‘隴單10號’‘屯玉168’‘桂青貯1號’和‘禾佳源鐵研53’，較‘晉單73’分別提高了76.66%，76.35%，66.43%，61.11%和49.24%。各品種WUEd為32.41～55.85 kg·hm-2·mm-1，‘豫青貯23’‘隴單10號’‘金穗715’‘豫玉22’‘利單295’和‘北農青貯208’具有較高的WUEd，均超過了46.00 kg·hm-2·mm-1。

表4 各青貯玉米水分利用效率Table 4 Water use efficiency of silage maize varieties

2.3 各青貯玉米品種指標的相關性分析

對供試材料的7個抗旱性相關指標，進行相關性分析。由表5可知，SS含量與SP含量和SOD，POD活性呈顯著正相關關系(α=0.05)，與MDA含量，WUEf，WUEd呈顯著負相關關系(α=0.05)。即玉米中SS，SP含量和SOD，POD活性越高，WUEf與WUEd越低，MDA含量越小。由此可見，這些指標之間聯系較為密切，也存在普遍的相關性和相對獨立性。

2.4 各青貯玉米指標的主成分分析

通過主成分分析共提取了3個主成分，各主成分的特征值、貢獻率及累計貢獻率見表6。所提取的3個主成分中所包含的信息可以反映出評價指標總體信息的71%，滿足了進行后續分析的要求。

表5 各青貯玉米品種指標的相關性分析Table 5 Correlations between indexes of silage maize varieties

表6 各青貯玉米品種指標的主成分分析Table 6 Principal component analysis of silage maize varieties

由表7各特征向量值可以看出，決定第1主成分大小的主要指標有WUEf，WUEd和MDA，因此第1主成分主要與水分利用率和膜脂過氧化物有關；決定第2主成分大小的主要指標為SOD和SS，因此第2主成分主要與抗氧化酶和滲透調節物質有關；決定第3主成分大小的主要指標為MDA和SOD，因此第3主成分主要與膜脂過氧化物和抗氧化酶有關。另外水分利用率指標和MDA在3個主成分中均有出現，表明水分利用率和膜脂過氧化物對評定玉米抗旱性具有十分重要的作用。

表7 各青貯玉米品種指標3個主成分的成分矩陣Table 7 Component matrix of three principal components of indexes of silage maize varieties

2.5 各青貯玉米品種抗旱性綜合評價

根據各玉米品種各生理指標和水分利用率的值與主成分1，2，3的特征向量的乘積累加，并用貢獻率與累加之和相乘進行加權，將同一種植物的各個指標加權值求和，就可得出各植物的主成分綜合得分，得分高的植物抗旱性強。由表8可知，干旱脅迫下會寧地區20 個玉米品種的抗旱性由強到弱依次為：‘豫青貯23’‘隴單10號’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號’‘屯玉168’‘桂青貯1號’‘利單295’‘北農青貯208’‘豫玉22’‘文玉3號’‘潞鑫66號’‘蜀玉201’‘和盛5288’‘寧單34號’‘金穗715’‘TW 268’‘隴單339’‘延科288’‘利農368’‘晉單73’。

3 討論

3.1 干旱對各青貯玉米生理指標的影響

研究表明，干旱脅迫對生理指標的影響大于農藝性狀[26]。在干旱脅迫時，植物代謝旺盛，細胞內SS，SP等溶質能主動積累，維持植物體較低的滲透勢，利于植物體在干旱逆境下維持正常生長所需水分[27-28]。SOD可以通過歧化反應使超氧陰離子轉化為無毒的氧氣和毒性較輕的過氧化氫，過氧化氫酶(Catalase,CAT)和POD共同作用能夠把CAT分解成氧氣和水，保護細胞免受活性氧的傷害，維持正常的生命活動[29-32]。MDA是植物在逆境下遭受傷害脂膜過氧化最重要的產物之一，MDA含量的高低表現出質膜的過氧化損傷程度[33]。

表8 各青貯玉米品種抗旱性排序Table 8 Order of drought resistance of silage maize varieties

莊克章等[34]研究表明，干旱脅迫能提高玉米SS，MDA含量，中度干旱處理下玉米主要通過SOD，POD和CAT的協同作用來清除活性氧。楊娟等[35]研究表明，干旱脅迫導致玉米的MDA含量升高，玉米的SOD，POD活性提高，且抗旱性強的玉米品種SS，SP含量在干旱脅迫后變化不顯著，而抗旱性弱的玉米品種在后期才出現顯著變化。本研究發現，干旱脅迫時，不同品種的生理水平存在響應差異，強抗旱品種‘豫青貯23’‘隴單10號’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號’和‘桂青貯1號’均具有較高的SS含量、SOD活性和較低的MDA含量，表明在玉米受到干旱脅迫時，葉片中會主動積累SS，降低細胞滲透勢，維持細胞內結構和膜的穩定性。同時細胞內的溶質能主動積累，維持植物體較低的滲透勢，利于植物體在干旱逆境下維持正常生長所需水分，并且較低的MDA含量也有效降低了膜脂過氧化對植物細胞的危害，這與杜彩艷[36]、王仲林[37]等人的研究結果一致。但本研究中強抗旱品種‘豫青貯23’‘隴單10號’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號’和‘桂青貯1號’也表現出低的SP含量和低的POD活性，與王智威[28]、張旭東[38]等人研究結果不一致，其具體機理需進一步研究論證。

3.2 干旱對各青貯玉米水分利用率的影響

作物水分利用率指消耗單位水分所生產的同化物質的量，它反映了作物耗水與其干物質生產之間的關系，是評價作物生長適宜程度的綜合生理生態指標[39]。在干旱、半干旱地區保持土壤水分、提高水分利用效率是作物生產中的關鍵。本研究中‘豫青貯23’‘隴單10號’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號’‘屯玉168’和‘桂青貯1號’均具有較高的WUEf和WUEd，表明高抗旱性的玉米品種，其水分利用率也高,可推薦作為該區域的主干型品種，在生產上進一步驗證和應用。

4 結論

本研究采用主成分分析法篩選出影響植物抗旱性的主要生理指標：WUEf，WUEd和MDA，根據各植物得分綜合評定出適宜干旱區種植的抗旱性青貯玉米品種有：‘豫青貯23’‘隴單10號’和‘禾佳源鐵研53’。