116份玉米自交系的抗旱性評價

摘要：為科學評價玉米自交系的抗旱能力，以116份自交系為試驗材料，設立干旱脅迫和正常灌水兩個處理，在成熟期分別調查兩處理自交系的株高、穗位、雄穗主軸長度、穗行數、行粒數、百粒重、存活株數、收獲穗數及籽粒產量。結果表明，干旱脅迫下所有性狀均極顯著減小;干旱對籽粒產量造成的影響最大，對存活株數、百粒重的影響較小；9個性狀的抗旱指數之間存在顯著相關性；從9個抗旱指數中可提取出4個主成分，累計反映了自交系抗旱性86.5%的信息；使用4個主成分構建了綜合抗旱性評價指數并以之聚類，可將116個玉米自交系劃分為4類：其中，類1包含鄭58等35個中等抗旱型自交系，占比30.2%；類2包含昌7-2等42個弱抗旱型自交系，占比36.2%；類3含JC066等28個干旱敏感型自交系，占比24.1%；類4含JC119等11個強抗旱型自交系，占比9.5%。

關鍵詞：玉米；自交系；抗旱性；主成分；聚類

中圖分類號：S513文獻標識碼：A文章編號：0488-5368（2023）09-0057-07

收稿日期：2023-01-03修回日期：2023-02-16

基金項目：高產抗病抗逆宜機收玉米種質創新及新品種選育（河南省農業良種聯合攻關項目：2022010201）。

第一作者簡介： 陳健（1992-），男，碩士，河南鄭州人，主要從事自主玉米DUS測試及遺傳育種研究。

通信作者：胡徐來。Evaluation of Drought Resistance in 116 Maize Inbred Lines

CHEN Jian， HU Xulai， LIU Changqu， ZHU Shengnan， LI Gang， SUN Hongjiao， CHEN Miaomiao

（Henan Jinyuan Seed Industry Co.， Ltd， Zhengzhou，Henan 450001， China）

Abstract： In order to evaluate drought resistance of 116 maize inbred lines under drought stress and normal irrigation conditions. Key agronomic traits including plant height， ear height， total tassel length， grain yield， ear rows number， row grains number， 100-grain weight， number of surviving plants， number of harvest ears and grain yield were measured at mature stage. The results showed that a significant decrease in all traits under drought stress condition. Among the traits，drought stress exhibited the most pronounced sensitivity to drought stress， while the number of surviving plants and 100-grain weight showed comparatively lesser impact. Nine drought resistance indices were significantly correlated， from which 4 principal components could be extracted. Four principal components could represent 86.5% original data information of inbred lines. A comprehensive drought resistance indexed were constructed and clustered using 4 principal components.The 116 maize inbred lines were categorized into four distinct clusters： Cluster 1 consisted of 35 medium drought-resistant inbred lines， such as Zheng 58， accounting for 30.2 %; Cluster 2 encompassed 42 weak drought-resistant inbred lines， such as Chang 7-2， accounting for 36.2%; Cluster 3 incorporated 28 drought-sensitive inbred lines， represented by JC066， accounting for 24.1%; Cluster 4 comprised 11 strong drought-resistant inbred lines， such as JC119 ，accounting for 9.5% of the total.

Key words：Maize; Inbred lines; Drought resistance; Principal components; Cluster analysis

玉米（Zea mays L.）是我國重要的糧、飼兼備作物，近年來，我國玉米年播種面積保持在4 000萬hm2以上，總產量位列世界第二[1]。隨著中緯度地區氣候暖干化，降水量減小，蒸發量增大，我國干旱面積和程度進一步加劇[2]。干旱造成耕地土壤含水量下降，致使植株體內水分虧缺無法正常生長發育，影響作物的產量和品質，是制約我國玉米生產的重要因素[3]。抗旱育種的研究和應用可有效減少干旱對玉米生產造成的損失，選育推廣抗旱型玉米新品種，是玉米育種的重要目標[4～5]。完善玉米抗旱性評價指標體系，準確評價玉米自交系的抗旱能力對抗旱型玉米雜交種的選育具有重要意義。

以往研究人員在玉米的各時期圍繞抗旱能力與表型及產量等相關性狀之間的關系進行了大量探索。崔靜宇等的研究表明，發芽率、干物質積累和轉運情況、根冠比等性狀可作為玉米萌發期抗旱鑒定指標[6]；趙美令的研究表明，花期抗旱性評價可使用產量的抗旱指數、干旱下的產量和ASI（玉米散粉和吐絲之間間隔時間）用于區別玉米耐旱性[7]；孫軍偉等認為，在灌漿期，株高、雄穗大小及葉面積對抗旱性的影響更大[8]；袁闖等在成熟期對玉米進行干旱脅迫，導致禿尖極顯著（p-valuelt;0.01）增長，產量、穗行數、行粒數及百粒重極顯著降低[9]。以上諸多性狀在干旱下的變化情況均可不同程度的適用于玉米的抗旱性評價。抗旱性是由多性狀與環境互作形成的一個復雜特征，應對其進行綜合評價。綜合評價玉米的抗旱性既需要高效的鑒定指標， 也需要科學的統計分析方法[10]。在以往的報導中，關于玉米抗旱性評價與分類所涉及的數量化研究方法主要包括抗旱系數法與抗旱指數法[11～12]、隸屬函數法[13～14]、灰色關聯度分析法[15]、逐步回歸法[16]及主成分分析與聚類分析法[6， 9，17]等，這些統計方法可將數量化的鑒定指標與玉米抗旱性的強弱建立起對應關系，用各數量性狀的相關指標進行排序與分類即可鑒定玉米的抗旱性。

本研究基于主成分分析與聚類分析，對金苑種業近年來組配的優勢雜交種的親本自交系進行抗旱性評價，用成熟期可一次性調查的性狀，評價玉米自交系在干旱下的變化與其抗旱能力之間的關系，將各性狀變化量背后信息匯總形成一個綜合抗旱性評價指數，并以這個綜合指數為標記對玉米自交系的抗旱性進行分類。旨在為玉米抗旱性評價方法及指標篩選提供參考，同時發掘抗旱性玉米種質，加速新型抗旱玉米雜交種選育。

1材料與方法

1.1 材料

試驗以河南金苑種業股份有限公司近年來自育的114份玉米自交系及鄭單958的父、母本昌7-2和鄭58為材料。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計試驗于2021年4月至11月在河南金苑種業股份有限公司張掖試驗站內進行。試驗地土壤質地為壤土， 前茬作物為玉米。設立水分脅迫區（DRT）和正常灌水區（W）兩處理，116份自交系分別在兩區內種植，采用完全隨機區組設計，每處理重復3次，小區為單行區，行長2.2ｍ，行距0.5ｍ，株距0.2ｍ，11株/小區。DRT區與W區之間設置3ｍ水分隔離帶。DRT區玉米在透墑播種后不再灌水，如遇嚴重干旱（1/3植株全天葉片卷曲，下部葉片干枯），參照同期W區正常灌水量的1/3進行補水，直至收獲。W區玉米全生育期內若出現干旱即及時進行灌水。兩處理區除水分外，其它田間管理措施同本地大田水平。

1.2.2 性狀測量各小區在成熟期挑選典型植株5株測量其株高（Plant height， PH）、穗位（Ear height， EH）、雄穗主軸長度（雄穗主軸最下端分枝處至主軸頂端的長度，Total tassel length， TTL）；收獲前記錄小區存活株數（Number of surviving plants， No.SP），收獲時記錄收獲果穗數量（Number of harvest ears， No.HE），實收烘干脫粒測量籽粒產量（Grain yield， GY）；測產前各小區選5個典型果穗進行室內考種，測量其穗行數（Ear rows number， EN）、行粒數（Row grains number， RN）、百粒重（100-grain weight， 100GW）。

1.2.3 數據處理及統計使用excel 2016整理數據，參照蘭巨生等關于產量抗旱指數的方法[11]，計算各自交系株高、穗位、雄穗主軸長度、穗行數、行粒數、百粒重、存活株數、收獲穗數及籽粒產量的抗旱指數：

DRI=TD×TD/TW∑TD/n（1）

式中DRI為某自交系某性狀的抗旱指數，TD指某自交系在DRT區的該性狀測量均值；TW指某自交系在W區的該性狀測量均值；∑TD / n指所有自交系在DRT區該性狀測量均值的均值。

將9個性狀的抗旱指數導入R軟件，進行z-score 標準化：

X= （ DRI" - DRI） / S （2）

式中X為某自交系某性狀抗旱指數標準化后的值；DRI為某自交系某性狀抗旱指數初始值；DRI為所有自交系某性狀抗旱指數的平均值，S為所有自交系某性狀抗旱指數的標準差。

標準化后的數據用于后續分析。使用R中“psych”包進行相關性分析、主成分分析，“stats”、“factoextra”、“ggtree”包進行層次聚類并可視化。

2結果與分析

2.1干旱脅迫對玉米自交系生長發育及產量的影響116份玉米自交系在DRT區株高、穗位、雄穗主軸長度、穗行數、行粒數、百粒重、存活株數、收獲穗數、籽粒產量的均值與W區相比均極顯著（p-value lt; 0.01）減小，除存活株數外，干旱條件下其它各性狀的變異系數表現更大（表1）。說明供試自交系的這9個性狀受水分環境影響明顯，在干旱下比在正常供水下存在更為豐富的變異。各性狀在干旱下的減小率在3.6%～80.3%之間，抗旱指數相應在0.292～0.977之間，干旱脅迫對籽粒產量造成的影響最大，而對存活株數、百粒重的影響相對較小。

2.2玉米自交系各性狀抗旱指數的相關性

根據（1）中的公示分別計算出各自交系9個性狀的抗旱指數，并對其相關性進行分析。表2表明，除存活株數的抗旱指數外，其它各性狀的抗旱指數之間均呈現顯著（p-valuelt;0.05）或極顯著（p-valuelt;0.01）的相關性；株高與穗位、雄穗主軸長度，穗行數與行粒數、收獲穗數，籽粒產量與收獲穗數抗旱指數之間的相關性最強，在0.7以上；而存活株數的抗旱指數僅和收獲穗數的抗旱指數顯著相關。與籽粒產量抗旱指數的相關性表現為：行粒數gt;收獲穗數gt;穗行數gt;百粒重gt;雄穗主軸長度gt;株高gt;穗位gt;存活株數。116份自交系的9個抗旱指數彼此之間存在多種相互關聯，各性狀相互作用共同影響自交系的抗旱能力。

2.3玉米自交系各性狀抗旱指數的主成分分析

將9個抗旱指數按公式（2）進行標準化后進行主成分分析。在主成分分析前進行了Bartlett’s球形檢驗和KMO（Kaiser-Meyer-Olkin）檢驗。Bartlett’s球形檢驗方差為693.1，p-value = 1.36e-122遠小于0.05；KMO檢驗各指標的MSA值在0.59～0.94之間，整體MSA = 0.81大于0.7。檢驗結果與上文相關性結果相符合，進一步確定了各指標背后反映的信息有較高程度的疊合，適合使用主成分分析對數據進行降維，提取主成分。

使用R進行主成分分析，獲得各成分的特征值和貢獻率（表3）以及主成分標準化載荷矩陣（表4）。主成分標準化載荷矩陣可反映各項指標對主成分的影響程度。以累計貢獻率大于85%為標準，可提取前4個主成分。4個主成分累計解釋了9個抗旱指數背后86.5%的數據信息。其中第一主成分的方差貢獻率為52%，除存活株數外各指數在第一主成分上表現較為均衡；第二主成分貢獻率為18%，株高、穗位、雄穗主軸長度上的正載荷較大，行粒數、收獲穗數上的負載荷較大；第三主成分貢獻率為10.9%，存活株數的載荷遠大于其他變量；第四主成分貢獻率為5.6%，百粒重的載荷最大。

為了更好的解釋不同抗旱指標與玉米自交系抗旱能力之間關系，將成分矩陣進行方差最大化旋轉，得到旋轉后的因子載荷矩陣，主成分1～4與因子1～4一一對應相互聯系。由表5可以看出，因子1主要與穗行數、行粒數、收獲穗數及籽粒產量密切相關；因子2主要與株高、穗位、雄穗主軸長度相關；因子3主要與存活株數相關；因子4主要與百粒重相關。基于以上信息，可將9個抗旱指標劃分為四大類，產量相關性狀為第一類，株高、穗位、雄穗主軸長度等植株生長情況可視為第二類，干旱缺水致死亡的植株的數量為第三類，百粒重代表的籽粒灌漿情況為第四類。各類指標分別從不同方面對自交系的抗旱能力產生影響，同類指標的影響相近，不同類別指標的影響有所差異。

2.4綜合抗旱性評價與聚類分析

以主成分在各指標上的標準化載荷/特征值作為主成分表達式的系數，可得到主成分系數矩陣（表6）。

設株高、穗位、雄穗主軸長度、穗行數、行粒數、百粒重、存活株數、收獲穗數、籽粒產量抗旱指數z-scores標準化后的數據依次為X₁、X₂、X₃、X₄、X₅、X₆、X₇、X₈、X₉，主成分的表達式分別為：

PC1 = 0.144X₁+0.128X₂+0.156X₃+0.182X₄+0.169X₅+0.157X₆+0.045X₇+0.191X₈+0.166X₉;

PC2 = 0.398X₁+0.386X₂+0.279X₃-0.176X₄-0.267X₅+0.001X₆-0.217X₇-0.098X₈-0.272X₉;

PC3 = 0.062X₁+0.121X₂+0.133X₃+0.013X₄-0.193X₅-0.274X₆+0.912X₇+0.092X₈-0.183X₉;

PC4 = -0.115XV1-0.396X₂+0.290X₃-0.121X₄-0.072X₅+1.144X₆+0.308X7-0.381X₈-0.388X₉。

以各主成分的方差貢獻率 / 0.856 （累計方差貢獻率）為權重，累加4個主成分，構造綜合抗旱性評價指數D，則，

D_i = 0.601PC1_i + 0.208PC2_i + 0.126PC3_i + 0.065PC4_i，i=1、2、3……。

式中，Di 為第i個自交系的綜合抗旱性評價指數，PC1i為第i個自交系的PC1得分，PC2i為第i個自交系的PC2得分，PC3i為第i個自交系的PC3得分，PC4i為第i個自交系的PC4得分。

綜合抗旱性評價指數D值的大小可直接用于評估供試116份玉米自交系抗旱能力的強弱。

將D值以歐氏距離進行層次聚類，按照3.5的閾值可將116份自交系劃分為4類（圖1），其中類1包括JC114、JC001、鄭58等35個自交系，占比30.2%；類2包括JC065、JC016、昌7-2等42個自交系，占比36.2%；類3包括JC066、JC054、JC050等28個自交系，占比24.1%；類4包括JC119、JC021、JC056等11個自交系，占比9.5%。

結合各類別平均抗旱指數、主成分得分與D值（表7），對四個類別進行具體的描述。可將類4定義為強抗旱型自交系，其D值最大，平均為1.114；類1定義為中等抗旱型自交系，其D值平均為0.470；類2定義為弱抗旱型自交系，其D值平均為-0.071；類3定義為干旱敏感型自交系，其D值最小，平均為-0.918。

3結論與討論

干旱脅迫下玉米各性狀的變化情況可用于評價品種的抗旱性。本試驗中，干旱下玉米自交系的株高、穗位、雄穗主軸長度、穗行數、行粒數、百粒重、籽粒產量、存活株數、收獲穗數均極顯著減小，除存活株數外，其余性狀在干旱下的變異程度大于正常情況，表明不同玉米自交系在水分虧缺狀態下的生長發育及穩產能力有很大差異。其差異的大小，可在一定程度上反映玉米的抗旱性。籽粒產量是其它各性狀的變化導致的最終結果，同時也是生產中最為重視的指標，在本試驗中干旱對其造成的影響最大。各性狀與籽粒產量抗旱指數的相關性表現為：行粒數gt;收獲穗數gt;穗行數gt;百粒重gt;雄穗主軸長度gt;株高gt;穗位gt;存活株數，這與王業建等、楊杰等的研究有一定相似[4，12]。相比正常供水環境，干旱下產量構成因素中行粒數減少的幅度大，百粒重、穗行數的減幅相對較小，其原因可能在于水分虧缺下玉米首先保證靠近果穗基部的少量籽粒優先發育，而犧牲了單穗籽粒的數量。百粒重考種時，因單個果穗籽粒數量較小，且更多的選取了靠近果穗基部發育較為正常的籽粒進行稱重。此舉可能造成數據與真實情況有所差異。后續試驗可增加干旱下穗長、禿尖長度、果穗上、中、下部籽粒（各1/3）的數量和重量等性狀對上述猜測進行詳細驗證。

根據Levitt和May等人的劃分，可將作物適應干旱機理分為三類：御旱性、耐旱性和避旱性。御旱性是指干旱下植株組織通過稍微降低水勢來抵御干旱的能力；耐旱性是指隨水勢的降低，植株的生理代謝過程適當減慢及在復水后恢復正常的能力；避旱則是指作物通過調節自身生長發育進程來避免干旱的能力[18，19]。在干旱初期，與植株體內組織水勢相關的各種生理生化指標可直接反映玉米的御旱性，但生理生化指標的測定通常較為費時費力，對于國內大多數育種單位而言，在現階段仍難以大規模實踐。而耐旱性可視為御旱性的第二階段，在組織低水勢狀態下，玉米開始調節體內代謝，并在缺水結束后恢復的過程。反映耐旱性的指標更易監測，各種生長發育上的形態學性狀以及產量相關性狀即為植株發揮其耐旱性的直接結果。本試驗中的9個性狀能夠有效區分自交系的耐旱性。干旱對存活株數的影響較小，是由于試驗設計所致，觀察到小區內1/3植株全天葉片卷曲，下部葉片干枯后即開始供水，致使所有自交系不至于極度缺水至死亡。此脅迫處理設計的初衷是為了使用干旱下的存活株數變化數據來反映玉米植株干旱后的復水恢復能力，但效果不甚理想。后續試驗可將適當延長干旱脅迫力度，如觀察到1/2植株全天葉片卷曲后再開始補水，以增大干旱下存活株數的變異程度。此外，在試驗過程中，確有觀察到干旱區自交系在生育期上出現不同程度的延遲，后續可采用散粉期、抽絲期、ASI（粉、絲間隔時間）等性狀作為避旱性指標以進一步探索干旱對玉米生長發育的影響。

玉米的抗旱性是多基因與環境因素互相作用共同形成的一個復雜的綜合特性。使用任何單一指標來鑒定玉米的抗旱性所得出的結論大都并不可靠[20]。但在抗旱玉米育種的實際工作中，育種人往往需要使用一個可以綜合反映抗旱性的數量指標來進行排序，以最直觀的衡量玉米自交系的抗旱能力。本研究采用主成分分析，從測量的9個生長發育及產量相關性狀的抗旱指數中提取了4個相互獨立的主成分，經旋轉后，第一主成分主要代表玉米產量相關性狀；第二主成分主要反映玉米的植株生長狀況；第三主成分主要為存活株數；第四主成分主要為百粒重。4個主成分累計解釋了原始數據85.6%的信息。這與胡樹平等從各類抗旱指標中提取的4個主成分，包括豐產-生長發育性因子、光合調控因子、植株繁茂性因子和雄穗發育因子有一定的相似性[17]；以4個主成分為基礎構建一個綜合抗旱性評價指數D，并用D值進行聚類，可將116個自交系劃分為強抗旱型、中等抗旱型，弱抗旱型及干旱敏感型品種四大類。試驗中使用的兩個標準自交系品種鄭58與昌7-2的抗旱性分別歸屬于中等抗旱型類別和弱抗旱型類別，這也與前人的研究經驗基本一致[12，13，22]，可認為分類結果較為準確。研究中基于主成分與聚類的分析方法可為抗旱種質資源篩選提供參考，分類結果可為抗旱玉米新品種選育提供依據。參考文獻：

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