不同玉米品種苗期耐低溫性篩選

近年，全球農業和糧食生產面臨多重挑戰。除人口持續增長外，生物與非生物脅迫的頻發及耕地面積的縮減也逐漸成為制約因素。相關研究指出，世界人口正以指數形式增長，預計到2025年將達到100億，屆時全球糧食產量需提高 60%～100% ，以滿足日益增長的需求。這意味著未來糧食安全將面臨巨大壓力。植物的正常生長發育依賴光照、溫度、水分、空氣和土壤等環境條件。一旦這些因素發生變化，就可能干擾植物的生理代謝過程，進而影響作物的產量與品質。其中，干旱、鹽堿和低溫是限制植物生長的主要非生物脅迫因子。特別是低溫脅迫，作為對植物危害較嚴重的環境因素之一，不僅影響其生長狀態，還決定了植物的地理分布范圍。通常情況下，低溫脅迫可分為冷害（ .0～15°C. ）和凍害（低于 0^°C^? 。對多數植物而言，冷害是主要問題，其耐受程度因物種、品種及外界環境條件而異。為應對低溫環境，溫帶植物普遍進化出了復雜的適應機制，以緩解低溫帶來的傷害。然而，許多源自熱帶和亞熱帶地區的作物，如玉米、水稻和番茄，對低溫較為敏感，缺乏有效的抗寒能力，會更容易受到冷害影響，造成顯著的產量損失。玉米是我國第一大糧食作物，廣泛應用于食品加工、飼料生產、能源開發及化工原料等領域。近年，隨著國內玉米產業快速發展，種植面積持續擴大。然而，全球氣候變化背景下，極端天氣頻發，嚴重威脅玉米早期生長，甚至導致植株死亡。作為起源于亞熱帶的C4作物，玉米具有喜溫、短日照的特性，對溫度變化極為敏感，尤其是萌發期和苗期。玉米苗期遭遇低溫時，幼苗生長顯著受阻，葉鞘、中胚軸逐漸變為褐色，嚴重時葉片萎蔫并呈現水漬狀。保障種子在低溫環境下正常發芽、維持苗期健康生長，是實現春播提前的關鍵。適宜的溫度是玉米正常生長發育及順利進入灌漿期的重要前提；反之，幼苗期遭受低溫脅迫，將嚴重干擾植株生長進程，極端情況下會致使幼苗死亡，給農業生產帶來重大損失。早春玉米發芽和幼苗生長的最適溫度為 25～28^°C ，但是，早播玉米常常遭受低溫冷害。當溫度低于 15^°C 時，玉米的生長受到限制，影響種子發芽，導致幼苗生長黃萎、壞死甚至死亡。此外，低溫會造成葉片的光合系統損傷，葉片也會發生復雜的生理和生化變化，導致植株損傷、生物量下降或延遲成熟，從而影響玉米最終的產量積累。在這些災害中，生長季節低溫造成的低溫損傷是最具破壞性的自然災害之一。低溫脅迫已成為新疆作物安全生產的重要制約因素。因此，抵御低溫冷害對于南疆地區玉米的生產具有重要意義。開展玉米耐低溫機理研究，篩選耐低溫品種是豐富耐低溫種質資源的重要手段。相關工作人員通過系統分析玉米苗期表型性狀與生理指標，深入探究了低溫脅迫下玉米苗期的表型變化與生理響應機制，旨在篩選抗低溫能力優異的玉米品種，為揭示玉米苗期應對低溫脅迫的響應規律提供新視角。

一、材料與方法

（一）供試材料

本試驗選用目前我國生產上推廣30個玉米品種為材料，主要品種有勝玉908、陜科9號、科育192、農華032、德玉125、JR288、金豐捷607、西蒙M1573、西蒙XM1618、寧玉688、九洋818、優旗666、金凱3號、天育108、勝玉906、盛玉963、京科968、酒623、金凱5號、鄭單958、博世稀、酒516、金源早247、墾玉90、掖豐203、得意366、九圣禾257、濟玉516、奧美95、必祥638等。

（二）試驗設計

采用室外盆栽方式進行播種育苗，每盆定苗10株，每個處理設置3次生物學重復。待幼苗長至3葉1心期，將樣品轉移至智能人工氣候培養箱進行低溫脅迫處理，培養條件設定為：溫度 5^°C （晝夜恒溫），光照周期 14h 光照、 10h 黑暗。試驗共設4個處理組：對照組（CK，0天低溫處理）、T1組（低溫脅迫3天）、T2組（低溫脅迫6天）、Tr組（低溫脅迫6天后恢復常溫培養3天）。各處理組在取樣時，需迅速摘取葉片并置于液氮中速凍保存，以便后續測定生理生化指標。

二、結果與分析

（一）低溫脅迫下各玉米品種表型性狀和生理指標的變化分析

對玉米各指標不同處理進行均值比較，如表1所示。

1.株高和莖粗呈上升趨勢，但增幅較小。CK組與低溫脅迫處理組間存在極顯著差異（ _?Plt;0.01） ，而不同低溫脅迫處理組（T1組、T2組）間無顯著差異。此外，低溫脅迫階段（T1組、T2組）與常溫恢復階段（Tr）的株高、莖粗均存在極顯著差異。

2.玉米葉片寬度總體呈下降趨勢。CK組與T1組差異不顯著，T1組至T2組葉寬顯著降低 13.04% ；Tr階段葉寬仍顯著低于T1組（降幅 2.82% ），表明短期低溫（T1組）對葉寬影響較小，長期脅迫（T2組）則顯著抑制葉寬生長。

綜上所述，低溫脅迫抑制株高和莖粗的生長，導致葉寬和葉面積下降，對葉片影響較大。

3.玉米葉片葉綠素含量隨低溫脅迫持續下降。CK組與低溫處理組差異極顯著（降幅 21.31% ，但T1組與T2組間無顯著差異（僅下降 1.75% 。相對電導率呈上升趨勢，T1組至T2組顯著升高 13.34% ，Tr組有所回落。MDA含量呈現“升一降一升”波動，Pro含量持續上升，T1組、T2組較CK組分別增長 33.39% 和 33.25% ，Tr組增幅進一步擴大。這表明低溫脅迫顯著削弱葉片光合作用，引發滲透調節響應。

4.抗氧化酶活性在不同處理間差異顯著。CAT活性呈“降一升一降”趨勢，低溫脅迫期間較CK組升高 15.15% ，Tr階段驟降 46.86% ；SOD活性在T1階段短暫上升后持續下降；POD活性則持續增強。結果表明，玉米通過上調SOD、POD活性抵御低溫損傷。

綜上所述，低溫脅迫導致葉片光合效率降低，細胞膜透性增大，為抵御寒冷造成的損傷，致使脯氨酸含量及抗氧化酶活性增加。

（二）不同玉米品種苗期的聚類分析

對玉米不同類群進行均值比較，如表2所示。第I類群的株高、莖粗和葉長在3個類群中表現最高，表明低溫脅迫對其表型性狀的影響相對較小。然而，該類群的葉綠素含量、Pro含量、SOD和POD活性均為最低，相對電導率則最高，這說明第I類群玉米葉片抵御低溫脅迫的能力較弱，綜合耐低溫能力最差，因此，將其劃分為冷敏感型。第Ⅱ類群的株高在所有類群中最高，同時，葉寬、葉面積、Pro含量及抗氧化酶活性均表現最優。這表明低溫脅迫顯著抑制了其株高生長，并對葉片造成明顯損傷。為應對低溫逆境，植株體內大量合成滲透調節物質并激活抗氧化酶系統，進而導致相對電導率和MDA含量降低。由此可見，該類群具有較強的綜合耐低溫能力，故將其劃分為耐冷型。第Ⅲ類群的莖粗、葉長、葉寬、葉面積及CAT活性均為最低，顯示出低溫脅迫對該類群植株葉片生長的顯著抑制作用。此外，其相對電導率和MDA含量在三類中最高，而其余性狀和指標則居中。這些結果表明，類群ⅢI葉片遭受低溫冷害程度較重，因此，將其劃分為中等耐冷型。

三、討論與結論

耐冷性是植物適應低溫環境的重要生理特性，同一作物的不同品種在耐冷性上存在顯著差異。相關工作人員通過研究發現，參試的玉米品種間耐冷性表現各異，差異顯著。植物細胞通過調整質膜、細胞內滲透保護物質、氧化還原系統和光合速率來適應低溫脅迫對玉米品種的苗期耐冷性進行鑒定，各表型指標與生理指標呈顯著差異，不同品種之間耐冷性差異較大，表現不一。在低溫脅迫下，玉米株高始終呈不同程度的上升，低溫對莖粗和葉長的影響并不明顯，而對葉寬和葉面積影響最大，大部分品種在低溫脅迫期間呈下降趨勢，由此可見，低溫對葉寬和葉面積的影響較大。葉綠素含量高低決定植株光合性能的強弱，低溫阻礙植株進行光合作用，導致玉米葉片生理發生變化。此外，葉綠素含量在低溫處理后呈下降趨勢，葉綠素含量與表型性狀、抗氧化酶和Pro含量均呈顯著關系，低溫脅迫影響植株表型的同時，其內部生理也相應發生了變化，以此來抵抗低溫冷害。

質膜通透性直接反映了植物質膜系統受到傷害的程度。質膜通透性可通過植物細胞液的外滲率，即相對電導率來測定。隨著溫度的降低，細胞膜滲透性增加，導致電解質外漏，相對導電性增加，Pro主要貯存在植物細胞的液泡中，當細胞遭遇外界滲透脅迫時，其被轉運至細胞質內。通過增加細胞質的溶質濃度，Pro有助于提升細胞的滲透壓，從而增強細胞從外部環境中吸收水分的能力或減少水分自細胞內的流失。相關學者研究提出，玉米抗冷性與游離Pro含量呈正相關關系。

隨著全球氣候變暖的影響日益顯著，極端氣候事件愈發頻繁，寒冷氣候對農作物的影響也變得越來越不穩定。玉米作為我國第二大重要糧食作物，在農業、經濟和能源等多方面具有舉足輕重的地位。新疆因其獨特的自然資源條件為作物生長提供了優良的條件，玉米種植面積、單產水平、制種能力及農業科技推廣等方面表現突出，已成為中國玉米生產的關鍵區域之一。同時，異常氣候頻發的問題也隨之而來，尤其是南疆春季氣溫變化幅度大，常會發生“倒春寒”現象，導致玉米在萌發和出苗期遭受冷害，影響玉米植株正常的生長發育，嚴重情況下會導致玉米幼苗死亡，對農業生產造成較大的損失。

玉米苗期抗低溫的品種，可以有效應對突發天氣帶來的影響，為玉米后期健康正常的生長發育奠定基礎。明確玉米植株的生長變化和生理指標的影響，分析不同玉米品種在苗期的耐冷性的綜合表現，為苗期耐低溫性的高效評價提供參考，增強玉米品種的抗逆性。因此，玉米品種耐冷性篩選及鑒定應考慮從多個時期進行綜合評價。因此，篩選耐低溫能力強的玉米品種是選育耐冷品種的重要前提。

相關工作人員通過聚類分析，30個玉米品種劃分為耐冷型、耐冷中型和耐冷敏感型3個類群，為玉米栽培和育種的定向篩選提供了重要參考依據。

通過對玉米苗期的分析鑒定，明確不同玉米品種在低溫影響下對其形態指標變化、生理指標影響及細胞結構觀察，分析各指標之間與耐冷性的關系，開展玉米耐冷性鑒定與評價，篩選不同抗寒能力的品種。為篩選耐寒玉米品種提供重要的理論依據及種質資源。

作者簡介：胡夢婷（1998一），女，寧夏石嘴山人，碩士在讀，主要從事遺傳育種工作。

通信作者：張丹（1978一），女，黑龍江哈爾濱人，博士，教授。

基金項目：塔里木大學研究生科研創新項目資助（TDGRI202322）；國家自然科學基金項目（31760388）。