不同生育時期干旱脅迫下玉米自交系生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)系及抗旱性評價

郭金生，魯曉民，曹麗茹，2，張前進(jìn)，魏 昕，王振華，胡艷霞，張 新*

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002； 2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 鄭州 450002； 3.原陽縣農(nóng)林畜牧局，河南 原陽 453500)

干旱脅迫能夠改變植物的生理機(jī)制，破壞植物的光合作用、細(xì)胞膨壓、庫源關(guān)系和各種代謝，影響植物的生長發(fā)育、農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量形成。目前，干旱已成為影響玉米產(chǎn)量的第一限制性因素[1-2]。我國玉米主要種植在北方的干旱和半干旱地區(qū)，玉米各個生育時期都會遭受不同程度的干旱脅迫，并最終影響產(chǎn)量。近年來，黃淮海地區(qū)受極端天氣的影響，在玉米生長的關(guān)鍵時期出現(xiàn)長時間的高溫干旱，對玉米生長及產(chǎn)量形成造成了嚴(yán)重影響，因此，全生育期內(nèi)抗旱種質(zhì)的篩選、抗旱新品種的培育對玉米生產(chǎn)和糧食安全至關(guān)重要。目前，玉米的抗旱性研究多體現(xiàn)在生理方面。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)等保護(hù)酶活性，葉片水勢，葉片相對含水量(RWC)，滲透調(diào)節(jié)物、葉綠素含量等均已被作為植物在干旱脅迫下的生理響應(yīng)指標(biāo)[3-7]。干旱脅迫下，植物的膜系統(tǒng)被破壞，但可以通過提高SOD和POD的活性來緩解干旱脅迫對膜系統(tǒng)的傷害[8]。李廣敏等[9]用不同濃度的PEG對抗旱性不同的玉米雜交種及相應(yīng)自交系幼苗進(jìn)行處理，結(jié)果顯示，干旱脅迫提高了玉米幼苗葉片的SOD、CAT、POD活性。干旱脅迫時，植物體內(nèi)游離脯氨酸(Pro)成倍增加，保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)免受損傷，維持細(xì)胞內(nèi)水分平衡，從而提高作物的抗旱能力，研究表明，Pro積累量與玉米葉片含水量有明顯的相關(guān)性[10-14]。PEG脅迫下，玉米自交系葉片RWC均呈下降趨勢，但SOD、POD活性和 Pro含量有較大幅度升高，以此來應(yīng)對干旱脅迫[15]。

不同的生理指標(biāo)對玉米產(chǎn)量有不同程度的影響，由于不同生育時期生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)系難以準(zhǔn)確判定，越來越多的研究采用灰色關(guān)聯(lián)法進(jìn)行分析?；疑P(guān)聯(lián)分析可以反映各因子間互相影響的程度，亦可以評價各因子對母因子的貢獻(xiàn)程度[16-19]，運用灰色關(guān)聯(lián)度分析，可以客觀地評價與玉米產(chǎn)量密切相關(guān)的生理指標(biāo)，提高篩選的可信度。拔節(jié)期和抽雄期是玉米生長的關(guān)鍵時期，分析玉米拔節(jié)期和抽雄期生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度，探明其對籽粒產(chǎn)量影響的主次和依存關(guān)系，對抗旱評價體系的建立、抗旱種質(zhì)的篩選具有重要意義。鑒于此，以我國18份玉米優(yōu)良骨干自交系及自選系為材料，采用人工可控移動抗旱棚，在玉米拔節(jié)期和抽雄期進(jìn)行人工控水模擬中度干旱處理，測定葉片SOD活性、POD活性、Pro含量、RWC及葉綠素含量等生理指標(biāo)，利用灰色關(guān)聯(lián)度對不同時期各指標(biāo)與產(chǎn)量之間的關(guān)系進(jìn)行分析，篩選與產(chǎn)量密切相關(guān)的生理指標(biāo)，同時計算各自交系的抗旱系數(shù)，采用模糊隸屬函數(shù)法對各自交系的抗旱性進(jìn)行綜合評價，以期篩選出拔節(jié)期、抽雄期抗旱能力強(qiáng)的自交系，為玉米抗旱育種提供種質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料及種植方式

18份玉米骨干自交系及自選系(表1)在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原陽基地人工可控移動抗旱棚內(nèi)種植，設(shè)對照(正常水分)、拔節(jié)期干旱、抽雄期干旱3個處理。對照的土壤田間最大持水量一直保持在75%以上；拔節(jié)期干旱和抽雄期干旱處理分別于拔節(jié)期、抽雄期前控制水量5 d，使土壤田間最大持水量保持在35%左右，而后進(jìn)行15 d干旱脅迫。處理間設(shè)以3 m水分隔離帶。每材料種植1行，每行16株，行長4.0 m，行距 0.6 m，株距 0.25 m。干旱脅迫后進(jìn)行生理指標(biāo)取樣和測定，3次重復(fù)，干旱脅迫后復(fù)水，與對照一致，田間管理水平同一般大田管理。

表1 供試玉米骨干自交系及自選系編號及名稱

1.2 試驗方法

1.2.1 生理指標(biāo)測定 拔節(jié)期取樣部位為倒數(shù)第2片展開葉，抽雄期取樣部位為穗位葉。主要測定指標(biāo)為葉綠素含量、SOD活性、POD活性、Pro含量和RWC。葉綠素含量測定采用丙酮法，SOD活性測定采用氮藍(lán)四唑法，POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚法，RWC測定采用烘干法，Pro含量測定采用磺基水楊酸提取-茚三酮法。

1.2.2 抗旱性評價 抗旱系數(shù)=干旱脅迫下性狀值/對照性狀值；隸屬函數(shù)值U(X)=(X-a1)/(a2-a1)，X為某一指標(biāo)的抗旱系數(shù)，a1、a2為所有材料某一指標(biāo)的最小抗旱系數(shù)和最大抗旱系數(shù)。根據(jù)各生理指標(biāo)的隸屬函數(shù)平均值(X)分為4級：X≥0.7 屬于1級，強(qiáng)抗旱型；0.5≤X<0.7 屬于2級，抗旱型；0.4≤X<0.5 屬于3級，中抗旱型；0≤X<0.4屬于4級，弱抗旱型。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2003對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作圖；利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析；以DPS 7.05進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，先將指標(biāo)的抗旱系數(shù)值進(jìn)行均值化，輸入母個數(shù)為1，分辨系數(shù)為0.1，參數(shù)Δmin不為0；利用隸屬函數(shù)平均值鑒定材料所屬的抗旱類型。

2 結(jié)果與分析

2.1 拔節(jié)期和抽雄期干旱脅迫對不同玉米自交系的生理影響

2.1.1 RWC和Pro含量抗旱系數(shù) 由圖1可見，玉米自交系RWC抗旱系數(shù)均小于1，Pro含量抗旱系數(shù)均大于1，即干旱脅迫下，葉片RWC下降，Pro含量升高。拔節(jié)期，自交系鄭K9713、鄭375、鄭D7325、鄭K9721、利民33F、DK517M的RWC抗旱系數(shù)較高；自交系鄭T5341、鄭9712、鄭641、鄭58、利民33F、DK517F、鄭D7314、昌7-2的Pro含量抗旱系數(shù)較高。抽雄期，自交系鄭9712、利民33F、DK517M、鄭375、鄭K9721、PH6WC、PH4CV、鄭K9713、昌7-2、鄭58的RWC抗旱系數(shù)較高；自交系鄭H71、利民33F、DK517M、鄭T5341、鄭641、DK517F、鄭D7325、鄭K9721、昌7-2的Pro含量抗旱系數(shù)較高?？梢?，鄭K9713、鄭375、鄭K9721、利民33F、DK517M在2個生育時期RWC抗旱系數(shù)均較高，鄭T5341、鄭641、利民33F、DK517F、昌7-2在2個生育時期的Pro含量抗旱系數(shù)均較高。另外，大部分自交系拔節(jié)期的Pro含量抗旱系數(shù)高于抽雄期。

圖1 拔節(jié)期和抽雄期干旱脅迫對不同玉米自交系RWC和Pro含量抗旱系數(shù)的影響

2.1.2 抗氧化酶活性抗旱系數(shù) 由圖2可見，干旱脅迫下，玉米自交系SOD、POD活性的抗旱系數(shù)均大于1。拔節(jié)期，自交系DK517M、利民33F、昌7-2、鄭K9713、鄭D7314的SOD活性抗旱系數(shù)較高；自交系昌7-2、鄭58、PH4CV、鄭T5341、鄭D7325、鄭T5372、鄭K9713、DK517F的POD活性抗旱系數(shù)很高。抽雄期，自交系昌7-2、DK517F、鄭H71、鄭W411、鄭9712、鄭D7314的SOD活性抗旱系數(shù)較高；自交系鄭H71、鄭D7314、昌7-2、PH6WC、利民33F、DK517M、鄭641、DK517F的POD活性抗旱系數(shù)很高?？梢姡?-2在2個生育時期SOD活性抗旱系數(shù)均較高，昌7-2、DK517F在2個生育時期的POD活性抗旱系數(shù)均較高。同時發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下大多數(shù)玉米自交系拔節(jié)期SOD活性抗旱系數(shù)較高，抽雄期POD活性抗旱系數(shù)較高。

圖2 拔節(jié)期和抽雄期干旱脅迫對不同玉米自交系抗氧化酶活性抗旱系數(shù)的影響

2.1.3 葉綠素含量抗旱系數(shù) 葉綠素是光合作用的能量傳遞體，從光中吸收能量，將二氧化碳轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔?。由圖3可見，干旱脅迫下，玉米自交系的葉綠素含量抗旱系數(shù)均小于1。拔節(jié)期，自交系DK517M、鄭W411、鄭T5372、DK517F、昌7-2的葉綠素含量抗旱系數(shù)較高；抽雄期，自交系昌7-2、鄭D7314、鄭641、鄭9712、鄭T5341的葉綠素含量抗旱系數(shù)較高。

圖3 拔節(jié)期和抽雄期干旱脅迫對不同玉米自交系葉綠素含量抗旱系數(shù)的影響

2.2 干旱脅迫下不同玉米自交系生理指標(biāo)與產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)分析

2.2.1 各生理指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化 拔節(jié)期和抽雄期各生理指標(biāo)與收獲產(chǎn)量的量綱化不一致，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱化處理。設(shè)產(chǎn)量(X0)為母序列，RWC(X1)、SOD活性(X2)、Pro含量(X3)、葉綠素含量(X4)、POD活性(X5)為子序列，對各指標(biāo)數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果見表2。

2.2.2 生理指標(biāo)與產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)分析 由表3可見，拔節(jié)期各生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度大小順序為POD活性>Pro含量>RWC=葉綠素含量>SOD活性，POD活性與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.389；抽雄期各生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度順序為POD活性>Pro含量>SOD活性>葉綠素含量>RWC，POD活性與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度高達(dá)0.394。綜合2個生育時期看，抽雄期生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度大于拔節(jié)期，即抽雄期生理指標(biāo)對產(chǎn)量的影響程度較高。分析各生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)序，POD活性和Pro含量無論是拔節(jié)期還是抽雄期都與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度較高，這2個生理指標(biāo)可為玉米自交系拔節(jié)期和抽雄期抗旱篩選提供有效參考。

表2 拔節(jié)期、抽雄期玉米自交系各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)均值的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)果

注：X0、X1、X2、X3、X4、X5分別代表產(chǎn)量、RWC、SOD活性、Pro含量、葉綠素含量、POD活性。

表3 拔節(jié)期、抽雄期生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序

2.3 拔節(jié)期和抽雄期干旱脅迫下不同玉米自交系的抗旱性綜合評價

對干旱脅迫下不同玉米自交系拔節(jié)期抗旱性進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，昌7-2和鄭T5372生理指標(biāo)和產(chǎn)量的隸屬函數(shù)值均較高，屬于抗旱型玉米自交系；其次為鄭D7325、鄭W411、鄭9712、DK517M、鄭375、鄭58、PH4CV、鄭K9713、鄭T5341，屬于中抗旱型玉米自交系(表4)。

對干旱脅迫下不同玉米自交系抽雄期抗旱性進(jìn)行綜合分析發(fā)現(xiàn)，鄭H71和昌7-2生理指標(biāo)和產(chǎn)量的隸屬函數(shù)值均較高，屬于強(qiáng)抗旱型玉米自交系；DK517M、鄭375、利民33F、DK517F、鄭D7314、鄭641、鄭9712、鄭D7325為抗旱型玉米自交系；鄭58、PH6WC為中抗旱型玉米自交系；其余為弱抗旱型玉米自交系(表5)。

表4 拔節(jié)期不同玉米自交系的抗旱性綜合評價

表5 抽雄期不同玉米自交系的抗旱性綜合評價

3 結(jié)論與討論

干旱是制約玉米經(jīng)濟(jì)增長和產(chǎn)量提高的主要因素之一，篩選抗旱種質(zhì)、培育抗旱玉米新品種對降低農(nóng)民損失、保障糧食安全至關(guān)重要[20]。本研究在玉米拔節(jié)期和抽雄期進(jìn)行中度干旱處理，對玉米葉片SOD活性、POD活性、Pro含量、RWC及葉綠素含量等生理指標(biāo)進(jìn)行測定，研究不同時期各指標(biāo)與產(chǎn)量之間的關(guān)系，篩選拔節(jié)期、抽雄期抗旱能力強(qiáng)的自交系，為玉米抗旱育種提供種質(zhì)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，不同玉米自交系在干旱脅迫下的生理反應(yīng)不同，說明不同玉米自交系的抗旱生理機(jī)制不同。

干旱脅迫下，Pro的積累能夠平衡植物體內(nèi)pH值、保護(hù)細(xì)胞大分子物質(zhì)、清除體內(nèi)有害自由基，從而增強(qiáng)植物的抗旱性[21-22]。許多研究表明，干旱脅迫下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以不同程度地提高植物的抗旱性[23-25]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下，自交系不同時期Pro均有不同程度的積累。拔節(jié)期和抽雄期，自交系鄭T5341、鄭641、利民33F、DK517F、昌7-2的Pro迅速積累，表明這些自交系在2個生育時期通過調(diào)節(jié)滲透物質(zhì)來緩解脅迫，從而更好地適應(yīng)干旱脅迫。另外，大部分自交系拔節(jié)期Pro積累量高于抽雄期，推測在拔節(jié)期干旱脅迫時，玉米自交系主要通過積累Pro調(diào)節(jié)滲透勢，降低對細(xì)胞膜的傷害，以增強(qiáng)自交系的抗旱能力，這與前人研究結(jié)果[21-22]基本一致。

干旱脅迫下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和代謝不平衡導(dǎo)致活性氧積累增多，造成膜脂氧化?？寡趸溉鏢OD、POD可以協(xié)同抵抗干旱脅迫誘導(dǎo)的氧化傷害，清除植物體內(nèi)過量的活性氧，確保植物正常生長和代謝。本研究中，干旱脅迫下不同自交系拔節(jié)期和抽雄期SOD、POD活性均不同程度地提高，尤其是昌7-2在2個生育時期的SOD、POD活性和葉綠素含量均較高，推測昌7-2在這2個時期的抗旱性主要通過保護(hù)光合系統(tǒng)和提高抗氧化酶活性來清除體內(nèi)活性氧，保護(hù)細(xì)胞膜免受過氧化傷害，從而提高抗旱能力。同時發(fā)現(xiàn)，不同自交系在不同生育時期的抗旱機(jī)制也不相同，拔節(jié)期SOD起主要清除有害自由基進(jìn)而緩解脅迫的作用，而抽雄期則是POD起主要作用。

玉米生理生化的變化在一定程度上影響產(chǎn)量。本研究中，干旱脅迫下不同玉米自交系拔節(jié)期和抽雄期各生理指標(biāo)對產(chǎn)量均有不同程度的影響。目前，很多學(xué)者研究認(rèn)為，RWC、抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、葉片水勢等都可以作為抗旱性評價的指標(biāo)。耐旱性是一個復(fù)雜的性狀，且基因多樣性是導(dǎo)致玉米干旱適應(yīng)能力多樣的主要因素。因此，以單獨的某一兩個指標(biāo)鑒定玉米在生產(chǎn)中的抗旱性不可靠，需要根據(jù)多個生理生化指標(biāo)和產(chǎn)量的多次測定，結(jié)合有效的分析方法綜合評價。鮑巨松等[26]研究表明，綜合多種生理生化指標(biāo)測定可有效評價玉米的耐旱性。本研究利用灰色關(guān)聯(lián)度分析玉米自交系干旱脅迫下生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，POD活性和Pro含量在拔節(jié)期和抽雄期與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度均較高，這2個生理指標(biāo)可為玉米品種抗旱篩選提供較為有效的參考。

綜上可知，拔節(jié)期和抽雄期玉米自交系POD活性與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度均最大，且抽雄期大于拔節(jié)期；篩選得到抗旱型玉米自交系昌7-2、鄭58、DK517M、鄭375、鄭9712、鄭D7325，可為選育抗旱型玉米品種提供種質(zhì)資源。