玉米種質(zhì)資源抗旱性鑒定研究進(jìn)展

隆文杰，雷涌濤，周國雁，伍少云，蔡 青

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所/云南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/

農(nóng)業(yè)部 西南作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650223)

玉米種質(zhì)資源抗旱性鑒定研究進(jìn)展

隆文杰，雷涌濤*，周國雁，伍少云，蔡 青

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所/云南省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/

農(nóng)業(yè)部 西南作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650223)

通過梳理玉米抗旱性鑒定研究的相關(guān)文獻(xiàn)資料，從作物抗旱機(jī)理出發(fā)，歸納了不同鑒定時(shí)期、鑒定技術(shù)方法、評(píng)判指標(biāo)、抗旱級(jí)別劃分的異同，從中分析了玉米種質(zhì)資源抗旱性鑒定存在的問題并提出了建議，以期為玉米種質(zhì)資源的抗旱性鑒定、抗旱性資源的發(fā)掘利用等提供參考。

玉米；種質(zhì)資源；抗旱性鑒定；方法與指標(biāo)

我國是一個(gè)淡水資源嚴(yán)重短缺的農(nóng)業(yè)大國。一方面，人均淡水資源量僅為世界人均占有量的1/4[1-2]，是全球人均淡水資源量最貧乏的13個(gè)國家之一[3]；另一方面，我國的淡水資源的分布又嚴(yán)重不均，主要表現(xiàn)為南多北少、夏季多冬春兩季少[3]，南方占有全國80%以上的水資源，而北方只有全國水資源量的14%[3]，只有南方的1/4[4]。同時(shí)，我國農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)量大，利用率很低。在占用水總量70%的農(nóng)業(yè)用水量中，水的有效利用系數(shù)只有約0.4，利用率僅40%～50%[3]。

玉米雖是外來作物，但在我國已有幾百年的種植歷史，已成為我國最重要的糧飼作物。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的糧食產(chǎn)量公告[5]，我國2014年玉米播種面積和總產(chǎn)量分別為3707.61萬hm2和21567.3萬t，占谷物播種面積9462.28萬hm2的39.18%和谷物總產(chǎn)量55726.9萬t的38.7%，居三大糧食作物之首。但是，我國的兩個(gè)玉米主產(chǎn)區(qū)，即北方春播玉米區(qū)和黃淮海夏播玉米區(qū)，恰巧也是常年發(fā)生春夏(4～8月)干旱的東北干旱區(qū)和春夏秋連旱的黃淮海干旱區(qū)，玉米生產(chǎn)頻遭旱災(zāi)影響。雖然，我國南方的水資源較北方的豐富[3]，但是西南山地玉米區(qū)、南方丘陵玉米區(qū)也時(shí)常發(fā)生7～9月的干旱，對玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展造成了較大影響。目前，我國收集保存的玉米種質(zhì)資源有15967份[6]，從中發(fā)掘抗旱種質(zhì)資源并提供育種培育抗旱新品種利用，對維護(hù)我國玉米產(chǎn)業(yè)發(fā)展、減低旱災(zāi)影響具有重要意義。

目前，國內(nèi)外開展玉米抗旱鑒定的報(bào)道較多，特別是有關(guān)抗旱性鑒定的指標(biāo)篩選等。然而，由于存在評(píng)價(jià)方法各異、標(biāo)準(zhǔn)不同、田間試驗(yàn)與室內(nèi)鑒定結(jié)果不一致等諸多問題，尚未形成統(tǒng)一的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，對鑒定結(jié)果的可靠性、可比性及優(yōu)異抗旱資源材料的分發(fā)均不利。本文通過歸納玉米抗旱性鑒定研究的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道和資料，從作物抗旱機(jī)理出發(fā)，總結(jié)了不同鑒定時(shí)期、鑒定技術(shù)方法、評(píng)判指標(biāo)、抗旱級(jí)別劃分的異同，從中分析了玉米種質(zhì)資源抗旱性鑒定存在的問題并提出了建議，以期為玉米種質(zhì)資源的抗旱性鑒定及抗旱性材料的發(fā)掘利用等提供參考。

1 作物抗旱性的概念與機(jī)理

作物的抗旱性是指作物在有限的水分供給或周期性水分虧欠下，表現(xiàn)出令人滿意的生存、生長和繁殖的能力[7]，尤其強(qiáng)調(diào)作物在干旱條件下其植株生產(chǎn)可收獲產(chǎn)量的能力[7]或形成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力。作為農(nóng)作物，玉米的抗旱性簡單地說就是在干旱情況下的高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)能力。Levitt[8]認(rèn)為植物適應(yīng)干旱環(huán)境生存的機(jī)制有避旱、御旱和耐旱3種形式，其中御旱性和耐旱性又被統(tǒng)稱為抗旱性[9]。Turner[10]則認(rèn)為是避旱、高水勢和低水勢下的耐旱3種形式。Hall[11]認(rèn)為是御旱、耐旱和高水分利用效率3種形式。御旱性是指作物在干旱環(huán)境下，其植株體內(nèi)保持一定的水分，以保持其細(xì)胞及其各種生理活動(dòng)的正常；耐旱性又包括避脫水性和耐脫水性，是指作物在干旱條件下通過產(chǎn)生保護(hù)性的物質(zhì)來降低其對環(huán)境干旱的敏感性，或產(chǎn)生一系列生理生化變化而使其在干旱解除后的各種生理功能迅速恢復(fù)[9]。玉米及其他大多數(shù)農(nóng)作物都是通過調(diào)節(jié)生長發(fā)育進(jìn)程來實(shí)現(xiàn)避旱的，通過發(fā)達(dá)的根系和調(diào)節(jié)氣孔來維持體內(nèi)較高的水勢，進(jìn)而達(dá)到御旱的目的，通過滲透調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)耐旱[9,12-13]。隨著研究的深入，人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到作物適應(yīng)干旱環(huán)境生存并繁衍的能力是復(fù)雜多樣的。除主要通過氣孔、滲透等調(diào)節(jié)機(jī)制來適應(yīng)和抵御干旱環(huán)境外，也通過激素如脫落酸(ABA)調(diào)節(jié)機(jī)制、超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、抗壞血酸(AsA)等抗氧化物質(zhì)的防御機(jī)制，胚胎發(fā)生后期富集蛋白(Lea)誘導(dǎo)的保護(hù)機(jī)制等來適應(yīng)干旱生存條件[14]。由此可見，抗旱性的形成涉及玉米生長的各個(gè)時(shí)期以及各個(gè)生命活動(dòng)層面，因此，研究玉米抗旱性的鑒定技術(shù)方法，也主要圍繞產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素，以及生長發(fā)育進(jìn)程中的各種生理生化變化來進(jìn)行。

2 玉米抗旱性的鑒定時(shí)期與鑒定方法

2.1 鑒定時(shí)期

在作物生長的不同時(shí)期所發(fā)生的干旱(水分脅迫)對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量的影響不同，不同時(shí)期的抗旱性鑒定研究結(jié)果表明：開花期的玉米對干旱最為敏感，若此時(shí)發(fā)生旱災(zāi)，造成的產(chǎn)量損失也最為嚴(yán)重[15]；苗期干旱則使田間苗數(shù)嚴(yán)重不足，最終導(dǎo)致減產(chǎn)[16]；灌漿期發(fā)生的干旱能使玉米植株的綠葉面積減少，光合作用減弱，籽粒不飽滿，產(chǎn)量下降[17]。雖然，對玉米抗旱性的鑒定在生長發(fā)育的任何一個(gè)時(shí)期均可進(jìn)行，比如有萌發(fā)期、芽期、苗期、開花期、灌漿期以及全生育期鑒定[15]。但是，不同鑒定時(shí)期所獲得的鑒定結(jié)果也會(huì)有較大差異。因此，需要根據(jù)不同的研究目的或通常發(fā)生干旱的時(shí)間，選擇適當(dāng)?shù)蔫b定時(shí)期[18]評(píng)價(jià)不同材料的抗旱性。

2.2 鑒定方法

玉米抗旱性鑒定是對其在干旱或水分虧欠條件下的生存繁衍能力進(jìn)行評(píng)價(jià)和篩選的過程，其鑒定方法可分為直接鑒定法[13,19-20]與間接鑒定法[19]兩大類。

2.2.1 直接鑒定法 直接鑒定法是指在水分脅迫條件下，對研究材料個(gè)體的存活情況或經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量損失進(jìn)行評(píng)估，并以此判斷其抗旱性強(qiáng)弱的方法。玉米抗旱性的直接鑒定方法包括田間自然鑒定法[13,20]、人工模擬環(huán)境法[19-20](即旱棚或人工氣候室鑒定[14-15])和盆栽鑒定法[14,19](即土壤干旱脅迫鑒定法[9])。

2.2.1.1 田間自然鑒定法 田間自然鑒定法是在年降雨量小于500 mm，或在玉米生育周期內(nèi)降雨量小于150 mm[21]的地區(qū)，將玉米直接種植于大田自然條件下，利用自然干旱脅迫與人工澆灌的方法，通過比較同一材料在兩種不同水分供應(yīng)情況下的籽粒產(chǎn)量的差異來評(píng)價(jià)其抗旱性的強(qiáng)弱。這種方法雖然簡單易行，鑒定結(jié)果也與實(shí)際的生產(chǎn)情況接近，但由于年際間的自然降雨量變幅較大，使鑒定結(jié)果難以重復(fù)，一般需要2～3年的重復(fù)試驗(yàn)才能較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)一個(gè)品種的抗旱性。因此，該方法所需試驗(yàn)時(shí)間長、重復(fù)性差[19,22]。另外，這種方法對試驗(yàn)地面積及灌溉條件也有較高的要求，所以不宜用此法來鑒定大量材料的抗旱性與篩選抗旱材料。

2.2.1.2 人工模擬環(huán)境法 人工模擬環(huán)境法是將玉米種在可人工控制水分及其他環(huán)境的條件下，如光照、溫度和濕度的干旱棚、抗旱池、生長箱或人工氣候室內(nèi)，通過人為控制土壤的水分含量而形成土壤干旱或控制空氣溫度而形成大氣干旱條件[13,19-20]，來評(píng)價(jià)研究材料的抗旱性的方法。由于試驗(yàn)條件基本一致，用這種方法獲得的鑒定結(jié)果的可靠性較高、重演性較好，適宜開展較深入的鑒定評(píng)價(jià)研究[13,19]。

2.2.1.3 盆栽鑒定法 盆栽鑒定法是通過控制盆內(nèi)土壤的含水量，或在干旱室內(nèi)通過控制空氣濕度給作物植株造成干旱脅迫來鑒定抗旱性的方法[9,14,20]。以苗期為鑒定時(shí)期的玉米抗旱性鑒定常用這種方法來測定苗期反復(fù)干旱下的存活率，據(jù)此鑒定其苗期的抗旱性，即在3葉期時(shí)，開始干旱處理，當(dāng)50%的幼苗達(dá)到永久萎蔫時(shí)，復(fù)水以使幼苗恢復(fù)生長活力；然后，再次干旱再次復(fù)水，重復(fù)2～3次，最后以存活下來的苗數(shù)占處理苗數(shù)的百分率來評(píng)價(jià)不同品種的抗旱性[9]。這種方法雖然簡便易行, 得到的結(jié)果也較可靠，適宜用于研究一個(gè)品種或材料內(nèi)個(gè)體的苗期抗旱性，但是仍然與研究材料生長后期及大田的耐旱表現(xiàn)有一定差異[9,19]。

2.2.2 間接鑒定法 間接鑒定法是指在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用高滲溶液或者分子生物學(xué)的方法來評(píng)估玉米及其他作物抗旱性的方法。

2.2.2.1 高滲溶液法 采用不同濃度的高滲溶液處理種子或幼苗，使其脫水，造成生理干旱，通過統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)率或幼苗生長情況，如初生根數(shù)目和長度、芽的長度等的變化，來鑒定種子萌發(fā)期或芽期抗旱性的方法。目前，聚乙二醇6000(PEG-6000)是最為廣泛應(yīng)用的滲透劑[15]，在開展玉米萌發(fā)期抗旱鑒定的研究中得到應(yīng)用，適宜于大量材料的種子萌發(fā)期抗旱鑒定，但鑒定結(jié)果與研究材料生長后期的抗旱性情況存在一定差異[9,13,20]。

2.2.2.2 分子生物學(xué)方法或分子標(biāo)記輔助鑒定技術(shù)(MAS) 利用已鑒定的抗旱基因或已篩選到的QTL緊密連鎖(0～5 cM)標(biāo)記，通過檢測研究材料是否攜帶目標(biāo)基因或QTL分子標(biāo)記，來評(píng)價(jià)研究材料是否具有抗旱性的方法。分子標(biāo)記輔助鑒定法不受環(huán)境條件干擾，結(jié)果準(zhǔn)確可靠[20]，適用于批量材料的鑒定。玉米抗旱性的分子標(biāo)記研究，目前的研究重點(diǎn)主要集中于抗旱性QTL的定位[23-25]及整合[26-27]。劉秀林等[26]收集整理了在正常供水和水分脅迫條件下定位的220個(gè)與玉米抗旱性有關(guān)的QTL，采用圖譜映射和元分析技術(shù)，建立了玉米抗旱性QTL的一致性圖譜，發(fā)掘出水旱條件下的“一致性”抗旱 QTL，為玉米抗旱性的分子標(biāo)記輔助選擇奠定了基礎(chǔ)。Chardon F等[27]采用元分析法對313個(gè)玉米花期相關(guān)性狀的QTL進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了62個(gè)一致性的QTL。陳志輝等[24]定位了43個(gè)與玉米抗旱性相關(guān)的QTL，其中貢獻(xiàn)率大于10%的加性主效QTL只有控制抽雄至吐絲間隔期(ASI)的qASI3-1(標(biāo)記區(qū)間umc1746～bnlg1144)1個(gè)。目前，用QTL標(biāo)記直接鑒定或篩選抗旱材料的報(bào)道還較少[26,28]，這可能與其成本較高、技術(shù)有待成熟有關(guān)。

2.2.2.3 其它間接鑒定方法 除分子生物學(xué)技術(shù)外，近年來其他一些新技術(shù)、新方法也開始應(yīng)用于玉米抗旱性的鑒定研究。陳子龍[29]將軍事和工業(yè)上常用的紅外熱成像技術(shù)用于玉米抗旱性的鑒定，通過對比待測植株的溫度與已知抗旱閾值的溫度高低，便可確定植株的抗旱性能，其結(jié)果與用常規(guī)抗旱性指標(biāo)所得的結(jié)果一致，可以用于抗旱植株的快速輔助篩選。高宇等[30]研究了自發(fā)發(fā)光在玉米種子萌發(fā)過程中的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)自發(fā)發(fā)光在玉米種子萌發(fā)過程中的相對變化率(RSL)可靈敏地反映種子細(xì)胞的生命活動(dòng)對水分脅迫的響應(yīng)、適應(yīng)和傷害的動(dòng)態(tài)變化過程，而且抗旱性強(qiáng)的品種，其RSL值很明顯地高于較弱的品種，因此依據(jù)RSL的大小可以對玉米種子萌發(fā)期的抗旱性進(jìn)行無損和靈敏的評(píng)價(jià)。

3 玉米抗旱性的鑒定指標(biāo)及抗旱性強(qiáng)弱的分析方法

3.1 玉米抗旱性的鑒定指標(biāo)

作物抗旱性的鑒定既需要適當(dāng)?shù)蔫b定方法，也需要恰當(dāng)?shù)蔫b定指標(biāo)體系[20]。根據(jù)玉米抗旱性鑒定的不同方法和時(shí)期，其鑒定指標(biāo)也可分為直接鑒定指標(biāo)和間接鑒定指標(biāo)兩大類。

3.1.1 直接鑒定指標(biāo) 不同鑒定時(shí)期的直接鑒定指標(biāo)不同，開花期、灌漿期及全生育期的直接鑒定指標(biāo)是單位面積的籽粒產(chǎn)量，而苗期抗旱性的直接鑒定指標(biāo)是幼苗存活率。

以籽粒產(chǎn)量為直接鑒定指標(biāo)的計(jì)算方法有：

干旱脅迫強(qiáng)度(DI)=1-Ymd/Ymw

抗旱系數(shù)(Cd)=Yd/Yw

干旱傷害指數(shù)(DDI)= 1-Yd/Yw

干旱敏感指數(shù)(DSI)= (1-Yd/Yw)/(Ymd/Ymw)

耐旱指數(shù)(DTIv)= (Yd×Yw)/Ymw

耐性(TOL)=Yw-Yd

在上述公式中，Yd為干旱脅迫條件下的產(chǎn)量，Yw為正常灌水條件下的產(chǎn)量，Ymd為所有供試材料在干旱脅迫條件下的平均產(chǎn)量，Ymw為所有供試材料在正常灌水條件下的平均產(chǎn)量[31]，Yckd和Yckw分別是對照品種在干旱脅迫和正常灌水條件下的產(chǎn)量。

在我國，目前應(yīng)用較廣泛的直接指標(biāo)主要為抗旱系數(shù)和抗旱指數(shù)?？购迪禂?shù)說明的是待測材料在干旱與非干旱情況下的穩(wěn)產(chǎn)性，不適合用于高產(chǎn)抗旱品種的篩選[32]。黎裕等[31]認(rèn)為由抗旱系數(shù)發(fā)展而來的抗旱指數(shù)是鑒定玉米種質(zhì)資源和創(chuàng)新材料的抗旱性的良好指標(biāo)，而耐旱指數(shù)是鑒定玉米雜交品種的抗旱性的良好指標(biāo)。伊衛(wèi)東等[33]認(rèn)為抗旱指數(shù)是篩選節(jié)水抗旱玉米品種的有效指標(biāo)。由于抗旱指數(shù)的計(jì)算相對簡單，而且直觀、可靠，接近生產(chǎn)實(shí)際，既能反映不同水分種植條件下的品種的穩(wěn)產(chǎn)性，又能體現(xiàn)品種的高產(chǎn)潛力，已經(jīng)在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用[34]。

3.1.2 間接鑒定指標(biāo) 是指形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化和生長發(fā)育等指標(biāo)。

3.1.2.1 形態(tài)指標(biāo) 傳統(tǒng)的形態(tài)指標(biāo)是根據(jù)根系發(fā)達(dá)程度，如根數(shù)、根干重、最大根長、根/冠比；葉的形態(tài)，如葉片大小、形狀、角度、角質(zhì)層厚度、氣孔數(shù)目及指數(shù)、葉片卷曲程度等來確定玉米材料的抗旱性[19-20,35]。最近的研究表明，雄穗分支數(shù)及雄穗大小[36]、葉面積[36-38]、根冠比及根系性狀(根系體積、根分支數(shù)、根長)[38]也是鑒定玉米抗旱性的有效形態(tài)指標(biāo)。張麗華等[39]的研究結(jié)果表明，葉片卷曲度與干旱脅迫下的產(chǎn)量呈顯著負(fù)相關(guān)，可以作為玉米抗旱性的鑒定指標(biāo)。但是，其中一些形態(tài)指標(biāo)與抗旱性的關(guān)系還存在爭議，在采用時(shí)需慎重，例如有學(xué)者[32]認(rèn)為較大的根冠比雖然有利于植物的抗旱性能表現(xiàn)，但在干旱條件下過分龐大的根系會(huì)影響地上部分的生物學(xué)產(chǎn)量。

3.1.2.2 生理生化指標(biāo) 玉米抗旱性鑒定較可靠的生理生化指標(biāo)主要有：葉片水勢(LWP)、葉片相對含水量(RWC)及離體葉片抗脫水能力、氣孔擴(kuò)散阻力(RS)、蒸騰速率、外滲電導(dǎo)率、冠層溫度、光合速率、葉綠素(Chl)含量、脫落酸(ABA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)含量、硝酸還原酶(NR)活性、滲透調(diào)節(jié)能力等[14-15,20]。白向歷等[40]發(fā)現(xiàn)，耐旱指數(shù)與葉片相對含水量、脯氨酸(Pro)含量及可溶性蛋白含量呈極顯著正相關(guān)，與葉片相對電導(dǎo)率和可溶性糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與葉片中丙二醛含量呈顯著負(fù)相關(guān)，可作為玉米抗旱性鑒定的生理生化指標(biāo)。李芬等[41]研究表明，葉綠素含量可作為篩選抗旱玉米品種的指標(biāo)之一。李鳳海等[42]對玉米自交系的研究表明，經(jīng)PEG-6000處理后，研究材料表現(xiàn)出電導(dǎo)率上升、丙二醛含量增加、葉片水勢增大的趨勢。李向東等[43]用PEG模擬干旱脅迫處理后，4個(gè)玉米品種的MDA和Pro含量都較對照(不用PEG)有明顯的上升。白建芬等[44]研究認(rèn)為，隨著干旱脅迫程度的增加和時(shí)間的推移，玉米幼苗體內(nèi)的Pro和MDA含量、SOD、過氧化物酶(POD) 和過氧化氫酶(CAT)的活性均呈增加或上升趨勢。田山君等[38]認(rèn)為，相對電導(dǎo)率、離體葉片失水速率、脯氨酸、葉綠素和葉綠素?zé)晒鈪?shù)(最大光化學(xué)效率、實(shí)際光化學(xué)效率、原初光能捕獲效率、光化學(xué)淬滅系數(shù))對干旱脅迫較為敏感，可作為玉米苗期抗旱性的鑒定指標(biāo)。劉延波等[45]發(fā)現(xiàn)，葉片相對含水量、根總吸收面積和氣孔導(dǎo)度與玉米抗旱性的關(guān)系較為密切。從上述研究可見，用生理生化指標(biāo)鑒定玉米的抗旱性有一定的可靠性。

3.1.2.3 生長發(fā)育指標(biāo) 主要包括株高、穗位高、雌雄穗開花時(shí)間間隔(ASI)等[20]。張麗華等[39]研究表明，株高、ASI與干旱脅迫下的產(chǎn)量分別呈極顯著正相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)，兩者可作為玉米抗旱性鑒定的生長發(fā)育指標(biāo)。孫軍偉等[36]、浦軍等[46]分別支持將株高、ASI作為玉米抗旱性的鑒定指標(biāo)。但是，就現(xiàn)有的研究結(jié)果看，尚難以形成比較一致的觀點(diǎn)。

3.2 抗旱性強(qiáng)弱的分析方法

玉米抗旱性強(qiáng)弱的分析方法，主要有基于鑒定指標(biāo)的分析方法和基于統(tǒng)計(jì)分析的方法[15]兩類。前者根據(jù)所用鑒定指標(biāo)的多少分為單指標(biāo)評(píng)價(jià)法和多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法，后者根據(jù)不同的統(tǒng)計(jì)分析方法分為抗(耐)旱性分級(jí)法和數(shù)學(xué)分析法。

對于“基于鑒定指標(biāo)的分析方法”而言，由于作物抗旱性涉及多基因控制的復(fù)雜數(shù)量性狀[47]，而作物在干旱脅迫后的產(chǎn)量是其各種生理生化功能及其他生長發(fā)育因素在受害后的最終體現(xiàn)。因此，除直接鑒定指標(biāo)外，任何由單一的間接鑒定指標(biāo)獲得的結(jié)果都不能全面客觀地反映作物的抗旱性。賈俊香等[48]在研究轉(zhuǎn)基因玉米花期抗旱性時(shí)發(fā)現(xiàn)，在分別采用相對含水量和保水力作為玉米抗旱性鑒定指標(biāo)時(shí)，所得到的抗旱性鑒定結(jié)果不一致。以單個(gè)間接鑒定指標(biāo)得到的抗旱性與由抗旱指數(shù)等直接鑒定指標(biāo)得到的抗旱性之間，存在相關(guān)性較差的問題。而以產(chǎn)量為基礎(chǔ)的直接鑒定指標(biāo)雖然在形式上是單指標(biāo)，但實(shí)質(zhì)上是多指標(biāo)的聚合，由其獲得的數(shù)據(jù)，在抗旱性強(qiáng)弱的分析方法上屬于總抗性評(píng)價(jià)法[15]。多指標(biāo)評(píng)價(jià)法雖然可從不同的層面反映作物抗或耐旱性的特點(diǎn)[49]，但彼此獨(dú)立，難以對具體材料進(jìn)行綜合的抗旱性分析。因此，在作物抗旱性強(qiáng)弱的實(shí)際分析評(píng)價(jià)中，多采用“基于統(tǒng)計(jì)分析的方法”。

3.2.1 抗旱性分級(jí)評(píng)價(jià)法

3.2.1.1 抗旱總級(jí)值法 根據(jù)多項(xiàng)鑒定指標(biāo)所獲得的數(shù)據(jù)，把每個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)分為3～5個(gè)級(jí)別，然后賦予每個(gè)級(jí)別一定的分值，再把同一品種或材料的各鑒定指標(biāo)級(jí)別的分值相加，即得到該品種的抗旱總級(jí)別值，以此來比較不同品種的抗旱性強(qiáng)弱[19-20]。

3.2.1.2 五級(jí)評(píng)分法 五級(jí)評(píng)分法是把各鑒定指標(biāo)測得的數(shù)據(jù)，按照五級(jí)換算成定量的值，再根據(jù)各鑒定指標(biāo)的變異系數(shù)確定其參與綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重系數(shù)矩陣，然后通過權(quán)重分析，綜合評(píng)價(jià)待測材料的抗旱性強(qiáng)弱[15,20]。

3.2.2 數(shù)學(xué)分析法 目前常用的數(shù)學(xué)分析方法主要有：隸屬函數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)度分析、相關(guān)分析、回歸分析和聚類分析等[15]。

3.2.2.1 隸屬函數(shù)法 先求出每一個(gè)抗旱性鑒定指標(biāo)在每一待測品種或材料中的具體隸屬值X(u)，再累加每個(gè)品種每項(xiàng)鑒定指標(biāo)的隸屬值，并求其平均值，用平均值大小評(píng)價(jià)品種的抗旱性[20]，相關(guān)計(jì)算公式如下：

X(u)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

X(u)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，X為每一品種的某一鑒定指標(biāo)的測定值，Xmax、Xmin分別是此鑒定指標(biāo)在所有品種中的最大值和最小值。若所用鑒定指標(biāo)與抗旱性呈正相關(guān)，則用公式(1)，反之用公式(2)。所以，相關(guān)分析法是隸屬函數(shù)法的基礎(chǔ)。

張麗華等[39]用本方法篩選出了吉農(nóng)大115、吉農(nóng)大678和齊單6號(hào)等8個(gè)抗旱性強(qiáng)的玉米雜交品種；張倩等[50]篩選出了典型的抗旱性品種登海701；伊衛(wèi)東等[33]篩選到了適宜內(nèi)蒙古河套灌區(qū)利用的鄭單958、內(nèi)單314和科河10號(hào)3個(gè)品種；田山君等[38]鑒定出了雅玉10號(hào)、正紅311等8個(gè)品種。

3.2.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析法 以抗旱性直接鑒定的指標(biāo)，如抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、耐旱指數(shù)等或干旱脅迫后的籽粒產(chǎn)量為參考序列，其他間接鑒定指標(biāo)或觀測性狀為比較序列，分別計(jì)算出每一個(gè)參試品種或材料的直接鑒定指標(biāo)或產(chǎn)量與各觀測性狀的關(guān)聯(lián)系數(shù)，再由關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算出關(guān)聯(lián)度，并以此評(píng)價(jià)待測材料的抗旱性，關(guān)聯(lián)度越大者，對抗旱性的影響也越大。

李洪等[51]用本方法發(fā)現(xiàn)，ASI的抗旱系數(shù)與產(chǎn)量抗旱指數(shù)的關(guān)聯(lián)度最大，可以作為玉米成株期抗旱性鑒定的次級(jí)指標(biāo)。劉延波等[45]發(fā)現(xiàn)葉片相對含水量、根總吸收面積和氣孔導(dǎo)度與玉米抗旱性關(guān)系密切。胥少東[52]得出株高整齊度與抗旱指數(shù)的關(guān)聯(lián)度最高，達(dá)0.7890。

4 玉米種質(zhì)資源抗旱性鑒定與評(píng)價(jià)存在的問題及建議

盡管國內(nèi)外對玉米抗旱性的鑒定方法、鑒定指標(biāo)及評(píng)價(jià)分析方法、抗旱種質(zhì)資源的篩選和抗旱性主基因或數(shù)量性狀位點(diǎn)(QTL)的定位等進(jìn)行了大量的研究和報(bào)道。然而，仍存在一些重要問題。

4.1 人工套袋授粉對玉米種質(zhì)資源抗旱性鑒定的產(chǎn)量指標(biāo)的影響

一國或一地的玉米種質(zhì)資源大多以本地的地方品種為主，兼有少量自交系和由異地引入的品種。由于來源或性質(zhì)不同，每份種質(zhì)資源內(nèi)部個(gè)體間的遺傳異質(zhì)型程度也就不同。在理論上，一份自交系內(nèi)部個(gè)體間的基因型是相同且高度純合的，整個(gè)這份自交系就是一個(gè)基因型。相較于自交系，一份地方品種或引入品種在遺傳上是多個(gè)基因型的雜合群體，群體內(nèi)個(gè)體間存在一定的遺傳差異[53]，但這種差異遠(yuǎn)不及雜交品種內(nèi)個(gè)體間的。因?yàn)楹笳叩拿恳粋€(gè)個(gè)體幾乎都可能是單獨(dú)的一個(gè)基因型。眾所周知，除特殊目的外，雜交品種的籽粒是不能作為種子使用的。因此以產(chǎn)量指標(biāo)鑒定其抗旱性時(shí)，也就不用為防止不同品種的花粉相互傳播而進(jìn)行人工套袋隔離并授粉，所獲得的籽粒產(chǎn)量也都是各品種在自然開放授粉環(huán)境下的真實(shí)表現(xiàn)。與鑒定雜交品種的抗旱性不同，在鑒定玉米種質(zhì)資源材料的抗旱性時(shí)，往往需要人工套袋隔離異源花粉，如此一來，就會(huì)因操作者掌握的授粉技巧、熟練程度、采集花粉的時(shí)間和數(shù)量、授粉時(shí)機(jī)等因素差異，而造成玉米果穗禿尖增加、結(jié)實(shí)不充分、實(shí)有籽粒數(shù)少、籽粒不飽滿等，進(jìn)而導(dǎo)致待測材料在產(chǎn)量上的人為差異。這種人為誤差將影響抗旱性鑒定結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，是不允許的[15]。所以，在鑒定玉米種質(zhì)資源材料的抗旱性時(shí)，要么以形態(tài)發(fā)育、生理生化等間接鑒定指標(biāo)為主，然后用多指標(biāo)綜合分析其抗旱性的強(qiáng)弱，要么如鑒定雜交品種的抗旱性，任由其開放授粉，不將其收獲的籽粒作種用。但是，這樣做也可能會(huì)如雜交玉米品種的間、混作一樣，其當(dāng)代的籽粒產(chǎn)量便不同于單作的籽粒產(chǎn)量[54-55]。

4.2 利用分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)從大量種質(zhì)資源中發(fā)掘抗旱材料的前景

在干旱棚、抗旱池或人工氣候室等設(shè)施內(nèi)，通過抗旱指數(shù)從玉米種質(zhì)資源或者創(chuàng)新材料中篩選出的抗旱材料，其可靠性雖然較其他鑒定方法及鑒定指標(biāo)的高，但是這些設(shè)施不但投資大，而且規(guī)模十分有限，能種植的材料或品種數(shù)也非常少，不宜用于大量種質(zhì)資源材料的抗旱性鑒定。因此，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)利用抗旱主基因或者主效QTL緊密鏈鎖的分子標(biāo)記，輔助鑒定成批量的種質(zhì)資源的抗旱性，并初步篩選出抗旱材料，然后再在旱棚(池)或人工氣候室內(nèi)，用抗旱指數(shù)進(jìn)一步準(zhǔn)確鑒定所得材料的抗旱性，這或許是從豐富多樣的種質(zhì)資源材料中高效發(fā)掘抗旱遺傳資源的有效途徑。

4.3 缺乏統(tǒng)一的鑒定技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

目前可查到的玉米抗旱性鑒定技術(shù)方法為河北省制訂的《玉米抗旱性鑒定技術(shù)規(guī)范(DB13/T 1282—2010)》地方標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)雖然規(guī)定了以直接指標(biāo)鑒定玉米苗期、開花期、灌漿期及全生育期抗旱性的鑒定方法、指標(biāo)計(jì)算方法、抗旱性等級(jí)劃分等，但未對以形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化和發(fā)育指標(biāo)鑒定玉米抗性的鑒定方法、分析評(píng)判方法作出說明。同時(shí)，由于尚未制定國家標(biāo)準(zhǔn)，在開展玉米種質(zhì)資源抗旱性鑒定時(shí)，缺乏統(tǒng)一、規(guī)范的評(píng)價(jià)技術(shù)和方法，影響了玉米資源抗旱性鑒定結(jié)果的可靠性和可比性，不利于種質(zhì)資源的交流和有效利用。因此，制定玉米抗旱性鑒定技術(shù)的國家標(biāo)準(zhǔn)已迫在眉睫。

[1] 王云奇,陶洪斌,趙麗曉,等.玉米對水分虧缺的響應(yīng)[J].玉米科學(xué),2014,22(2):87-92.

[2] 郝衛(wèi)平.干旱復(fù)水對玉米水分利用效率及補(bǔ)償效應(yīng)影響研究[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2013:1-2.

[3] 王瑗,盛連喜,李科,等.中國水資源現(xiàn)狀分析與可持續(xù)發(fā)展對策研究[J].水資源與水工程學(xué)報(bào),2008,19(3):10-14.

[4] 宋濤,董文革,謝曉斌,等.可持續(xù)發(fā)展背景下的水資源保護(hù)措施[J].黑龍江水利科技,2012(7):243-244.

[5] 國家統(tǒng)計(jì)局. 國家統(tǒng)計(jì)局關(guān)于2014年糧食產(chǎn)量的公告[EB/OL]. [2014-12-4]http://www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/201412/t20141204_648275.html.

[6] 方平,姚啟倫,陳秘,等.玉米地方品種耐旱種質(zhì)的苗期篩選指標(biāo)研究[J].玉米科學(xué),2012,20(2):6-11.

[7] Fleury D, Jefferies S, Kuchel H, et al. Genetic and genomic tools to improve drought tolerance in wheat[J]. Journal of Experimental Botany, 2010, 61(12): 3211-3222.

[8] Levitt J. Responses of plants to environmental stresses： water, radiation, salt, and other stresses[M]. New York: Academic Press, 1980: 325-328.

[9] 蒲偉鳳,紀(jì)展波,李桂蘭,等.作物抗旱性鑒定方法研究進(jìn)展 [J].河北科技師范學(xué)院學(xué)報(bào),2011,25(2):34-39.

[10] Turner N C. Drought resistance and adaptation to water deficits in crop plant[M]. New York: John Wiley and Sons, 1979: 343-372.

[11] Hall A E. Physiological ecology of crops in relation to light, water and temperature[C]// Carroll C R, Vandermeer J H, Rosset P M. Agroecology. New York:MC Grav Hill Publishing Company, 1990: 191-233.

[12] 朱猛.抗旱型玉米苗期根系形態(tài)指標(biāo)的遺傳分析[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2014:1.

[13] 佘花娣,李孝,陸晴,等.玉米耐旱育種研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),2013,33(9):126-127.

[14] 韓金龍,王同燕,徐子利,等.玉米抗旱機(jī)理及抗旱性鑒定指標(biāo)研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2010,26(21):142-146.

[15] 樸明鑫,李成,金峰學(xué),等.玉米耐旱鑒定研究進(jìn)展[J].玉米科學(xué),2013,21(4):89-93.

[16] 張志方,劉亞,任雯,等.轉(zhuǎn)TsVP基因玉米抗旱性鑒定研究[J].生物技術(shù)進(jìn)展,2013,3(3):206-210.

[17] 冷益豐,張彪,趙久然,等.轉(zhuǎn)基因玉米種子萌發(fā)期抗旱性鑒定[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2013,31(1):177-182.

[18] 譚靜,劉帆,李自衛(wèi),等.玉米品種耐旱性鑒定及耐旱指標(biāo)篩選[J].西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2013,26(1):26-31.

[19] 劉玉濤.玉米抗(耐)旱指標(biāo)鑒定方法與展望[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2013(10):160-163.

[20] 李德順,劉芳.淺談?dòng)衩卓购敌澡b定研究現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].雜糧作物,2010,30(2):98-100.

[21] 孫寶成,劉成,申海兵,等.新疆玉米雜交種的抗旱性評(píng)價(jià)與篩選[J].新疆農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,46(5):1072-1075.

[22] 馮鵬飛.玉米自交系苗期抗旱性鑒定及產(chǎn)量相關(guān)性狀QTL定位[D].保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué),2013:1.

[23] 張自愿,李晶晶,景建洲,等.基于ILs玉米抗旱相關(guān)位點(diǎn)分析[J].玉米科學(xué),2014,22(1):43-48.

[24] 陳志輝,曹鐘洋,湯彬,等.大田環(huán)境下玉米抗旱相關(guān)性狀QTL定位[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2012,27(1):79-86.

[25] 牟穎熙.一個(gè)玉米干旱敏感突變體的鑒定與基因定位[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2014:2.

[26] 劉秀林,劉麗君.玉米抗旱相關(guān)性狀QTL的比較定位[J].農(nóng)業(yè)科技通訊,2014(3):76-82.

[27] Chardon F, Virlon B, Moreau L, et al. Genetic architecture of flowering time in maize as inferred from quantitative trait loci meta-analysis and synteny conservation with the rice genome[J]. Genetics, 2004, 168(4): 2169-2185.

[28] 柳思思,劉玲玲,許侃,等.玉米耐旱功能標(biāo)記輔助選擇初探[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2013,14(2):232-236.

[29] 陳子龍.基于熱成像的作物抗旱性檢測及溫度采集系統(tǒng)研究[D].北京:首都師范大學(xué),2014:1-68.

[30] 高宇,習(xí)崗,劉鍇,等.水分脅迫下萌發(fā)玉米的自發(fā)發(fā)光在抗旱性評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].光子學(xué)報(bào),2014,43(2):132-136.

[31] 黎裕,王天宇,劉成,等.玉米抗旱品種的篩選指標(biāo)研究[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào),2004,5(3):210-215.

[32] 陳志輝.玉米抗旱性QTL定位及抗旱品種選育研究[D].長沙:中南大學(xué),2012:3-7.

[33] 伊衛(wèi)東,韓開明,張永平,等.河套灌區(qū)節(jié)水抗旱玉米品種田間鑒選[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,33(1):61-67.

[34] 王向陽,冀天會(huì),孫曉娟,等.河南省夏玉米主栽品種抗旱特性研究[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,43(4):36-39.

[35] 降云峰,馬宏斌,劉永忠,等.玉米抗旱性鑒定指標(biāo)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(7):800-803.

[36] 孫軍偉,張珂,孟麗梅,等.玉米灌漿期抗旱性鑒定形態(tài)指標(biāo)的篩選[J].湖南農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(5):1-3.

[37] 杜偉莉,高杰,卜令鐸,等.玉米品種開花期抗旱性鑒定指標(biāo)篩選[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2012,30(5):71-87.

[38] 田山君,楊世民,孔凡磊,等.西南地區(qū)玉米苗期抗旱品種篩選[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2014,23(1):50-57.

[39] 張麗華,趙洪祥,譚國波,等.不同玉米雜交種抗旱性比較研究[J].玉米科學(xué),2012,20(3):29-33.

[40] 白向歷,齊華,劉明,等.玉米抗旱性與生理生化指標(biāo)關(guān)系的研究[J].玉米科學(xué),2007,15(5):79-83.

[41] 李芬,康志鈺,邢吉敏,等.水分脅迫對玉米雜交種葉綠素含量的影響[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,29(1):32-36.

[42] 李鳳海,朱敏,葛云俠.PEG處理幼苗和盆栽水分脅迫不同玉米自交系抗旱性研究[J].種子,2012,31(11):40-46.

[43] 李向東,范翠麗,曹熙敏.PEG模擬干旱條件下4個(gè)玉米品種的苗期抗旱性研究[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2011(1):71-72.

[44] 白建芬,裴玉賀,趙秋霞,等.干旱脅迫下玉米幼苗幾種生理生化指標(biāo)的變化[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,44(3):25-28.

[45] 劉延波,孫洪榮,項(xiàng)陽,等.灰色關(guān)聯(lián)度分析法篩選貴州玉米苗期抗旱種質(zhì)[J].種子,2014,33(10):74-77,80.

[46] 浦軍,張仁和,張興華,等.不同基因型玉米品種抗旱性田間鑒定研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2012,21(5):84-91.

[47] Wang W X, Vinocur B, Altman A. Plant responses to drought, salinity and extreme temperatures: towards genetic engineering for stress tolerance[J]. Planta, 2003, 218(1): 1-14.

[48] 賈俊香,賈煒瓏.轉(zhuǎn)基因玉米花期抗旱性指標(biāo)與綜合評(píng)價(jià)[J].山西農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(4):326-328.

[49] 杜彩艷,段宗顏,王建新,等.云南8個(gè)玉米品種苗期抗旱性研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2014,23(10):82-89.

[50] 張倩,張洪生,劉淑梅,等.不同高產(chǎn)玉米品種抗旱性的比較研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2012,28(30):125-130.

[51] 李洪,李育才,楊春,等.早熟玉米成株期耐旱性分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)科技,2014(3):18-20.

[52] 胥少東.夏玉米主要農(nóng)藝性狀與抗旱性的灰色關(guān)聯(lián)度分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,43(15):46,48.

[53] 姚啟倫,陳發(fā)波,方平.西南地區(qū)玉米地方品種B染色體初探[J].玉米科學(xué),2014,22(1):18-22.

[54] 朱敏,史振聲,李鳳海,等.玉米不同品種間、混作研究綜述[J].玉米科學(xué),2007,15(S1):100-103.

[55] 趙亞麗,康杰,劉天學(xué),等.不同基因型玉米間混作優(yōu)勢帶型配置[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(12):3855-3864.

Research Progress in Identification of Drought Resistance of Maize Germplasm Resources

LONG Wen-jie, LEI Yong-tao*, ZHOU Guo-yan, WU Shao-yun, CAI Qing

(Institute of Biotechnology and Genetic Germplasm Resources, Yunnan Academy of Agricultural Sciences/ Yunnan Provincial Key Laboratory of Agricultural Biotechnology/ Key Laboratory of Southwestern Crop Gene Resources and Germplasm Innovation, Ministry of Agriculture, Kunming 650223, China)

This paper analyzed different methods on mechanism, experiment stages, measurements indexes, evaluation standard by comparing a serious of research reports on drought resistance identification of maize germplasm, analyzed the problems of drought resistance identification and put forward the proposal so as to provide better way for exploration of drought resistant materials from maize germplasm.

Maize; Germplasm; Drought resistance identification; Methods and indexes

2015-08-26

云南省科技廳高層次科技人才培引工程“主要糧經(jīng)作物資源抗旱評(píng)價(jià)及發(fā)掘利用研究”(2010CI120)；科技部、財(cái)政部國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)國家農(nóng)作物種質(zhì)資源平臺(tái)(云南)(NICGR2015-030)、云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院專項(xiàng)“種質(zhì)資源中期庫運(yùn)轉(zhuǎn)、資源收集保存更新及種質(zhì)創(chuàng)制”(YAAS2015ZY001)。

隆文杰(1982─)，男，重慶涪陵人，助理研究員，碩士，主要從事玉米種質(zhì)資源研究。*雷涌濤為并列第一作者。

S513

A

1001-8581(2016)03-0029-06

許晶晶)