不同基因型甜玉米自交系芽期耐冷性鑒定及評(píng)價(jià)

刁玉霖 朱 敏 李鳳海 呂香玲 王宏偉 杜萬(wàn)里 鐘雪梅 史振聲 朱康寧

（沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)特種玉米研究所，沈陽(yáng)110866）

玉米是典型的C4喜溫植物[1]，在生長(zhǎng)發(fā)育的各個(gè)時(shí)期對(duì)低溫冷害均表現(xiàn)較為敏感。玉米生育前期遭遇低溫冷害是造成玉米減產(chǎn)的重要原因[2]。Janda等[3]研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度低于10℃時(shí)就容易誘發(fā)低溫冷害。大量研究表明，低溫冷害導(dǎo)致玉米出苗率降低、幼苗生長(zhǎng)緩慢、生育期延遲，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[4-5]。中國(guó)東北地區(qū)是我國(guó)玉米主產(chǎn)區(qū)，低溫冷害已經(jīng)成為影響該地區(qū)玉米早期生長(zhǎng)發(fā)育的主要非生物逆境因素[6]，播種期易出現(xiàn)“倒春寒”現(xiàn)象，使玉米在萌芽階段遭受低溫危害，致使玉米產(chǎn)量下降。與普通玉米相比，甜玉米對(duì)栽培及氣候條件都更加敏感，在各個(gè)時(shí)期更易遭受低溫冷害的影響。低溫冷害導(dǎo)致甜玉米的成活率低，延長(zhǎng)了出苗時(shí)間、抑制了幼苗生長(zhǎng)發(fā)育、降低了幼苗活力，從而導(dǎo)致后期產(chǎn)量下降[7-9]。選育耐冷玉米新品種是應(yīng)對(duì)東北地區(qū)低溫冷害的主要途徑，而鑒定和篩選甜玉米耐冷種質(zhì)是選育耐冷品種的重要前提。以往學(xué)者對(duì)玉米種質(zhì)進(jìn)行耐冷性鑒定主要是利用人工氣候箱控制溫光條件，測(cè)定相關(guān)形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行耐冷性評(píng)價(jià)，選用10℃左右作為玉米耐冷性鑒定的臨界溫度。趙玉田等[10]研究表明，玉米芽期耐冷性與苗期呈顯著正相關(guān)。因此，芽期篩選耐冷性強(qiáng)的甜玉米自交系對(duì)選育耐冷玉米品種具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究者利用普通玉米開(kāi)展了耐冷性相關(guān)的遺傳基礎(chǔ)、分子機(jī)制及生理生化等方面的研究。然而，關(guān)于東北地區(qū)甜玉米耐冷性的研究則報(bào)道較少。本研究利用30份甜玉米自交系，通過(guò)在芽期進(jìn)行低溫脅迫處理，測(cè)定苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、苗干重、苗鮮重、根干重、根鮮重等指標(biāo)，并計(jì)算發(fā)芽率、活力指數(shù)、各耐冷性評(píng)價(jià)指標(biāo)相對(duì)值及綜合D值，采用聚類分析法快速有效地評(píng)價(jià)甜玉米自交系的耐冷性。為建立甜玉米耐冷種質(zhì)鑒定技術(shù)體系奠定基礎(chǔ)，從而為甜玉米耐冷育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料供試甜玉米自交系為沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)特種玉米研究所提供的30份甜玉米自交系（編號(hào)：T1~T30）。

1.2 試驗(yàn)方法在30份自交系中選取飽滿、成熟度高的種子，分別用0.5%的次氯酸鈉消毒10min，然后用蒸餾水沖洗3次，吸干種子表面的水。將砂子高溫消毒處理，恢復(fù)至室溫備用。試驗(yàn)分為低溫處理組（溫度12℃、濕度75%、培養(yǎng)14d）和對(duì)照組（溫度25℃、濕度75%、培養(yǎng)7d），種子播于加等量水混勻的砂床中，3次重復(fù)。將2組發(fā)芽盒分別放入恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)芽，調(diào)查2組種子發(fā)芽情況，測(cè)量苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重。耐冷性評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算：發(fā)芽率（%）=（發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100，活力指數(shù)=發(fā)芽率（%）×根長(zhǎng)（cm），指標(biāo)相對(duì)值＝XL/XN，式中XL為低溫組下各指標(biāo)值，XN為對(duì)照組各指標(biāo)值[11]。綜合評(píng)價(jià)D值D=[μ（Xj）·（rj/∑|rj|）]（j=1，2，3…n），式 中，D值為各自交系在低溫下用綜合生理指標(biāo)體系評(píng)價(jià)所得的耐冷性度量值；μ（Xj）為第j個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；rj為自交系第j個(gè)指標(biāo)與耐冷指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)[12]。

1.3 數(shù)據(jù)分析本試驗(yàn)的顯著性、聚類分析和相關(guān)性分析均利用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對(duì)甜玉米自交系發(fā)芽率及活力指數(shù)的影響低溫脅迫處理時(shí)不同玉米自交系發(fā)芽率和活力指數(shù)不同。30份自交系低溫脅迫后供試材料T6、T9、T11、T25、T26、T28發(fā)芽率較對(duì)照組下降；T3、T15、T24和T27與對(duì)照組相同，其余自交系發(fā)芽率均比對(duì)照組升高。與對(duì)照組相比發(fā)芽率未發(fā)生明顯變化、發(fā)芽率提高的材料耐冷性較強(qiáng)。因此，低溫脅迫下，從相對(duì)發(fā)芽率較高的自交系來(lái)看（圖1），耐冷性強(qiáng)的自交系為T(mén)2、T18、T19、T22（相對(duì)發(fā)芽率≥ 2.00），耐冷性弱的自交系為 T9、T11、T26（相對(duì)發(fā)芽率≤0.90）。

圖1 不同基因型甜玉米自交系相對(duì)發(fā)芽率

活力指數(shù)反映的是發(fā)芽率和根長(zhǎng)的綜合指標(biāo)，能反映出自交系發(fā)芽率和胚根的生長(zhǎng)情況。從30份甜玉米自交系的相對(duì)活力指數(shù)看（圖2），相對(duì)活力指數(shù)≥2.00的占30%，相對(duì)活力指數(shù)＜1.00的占20%，相對(duì)活力指數(shù)高的種子對(duì)低溫具有較強(qiáng)的抵抗能力。因此根據(jù)相對(duì)活力指數(shù)篩選的耐冷性強(qiáng)的自交系為T(mén)16、T18、T19、T22（相對(duì)活力指數(shù)≥ 2.60），冷敏感的自交系為 T9、T11、T25、T26、T27（相對(duì)活力指數(shù)≤0.90）。

圖2 不同基因型甜玉米自交系相對(duì)活力指數(shù)

2.2 低溫脅迫對(duì)甜玉米自交系形態(tài)指標(biāo)的影響

2.2.1 苗長(zhǎng)與根長(zhǎng)30份自交系低溫處理和對(duì)照組苗長(zhǎng)和根長(zhǎng)的變化均很大，說(shuō)明不同材料對(duì)低溫耐受能力差異較大，自交系之間的基因型豐富。低溫脅迫下，大部分自交系的苗長(zhǎng)比對(duì)照組降低，占總材料的83%，只有少部分自交系的苗長(zhǎng)未發(fā)生明顯變化或苗長(zhǎng)增加，說(shuō)明該部分的自交系耐冷性較強(qiáng)。因此根據(jù)相對(duì)苗長(zhǎng)篩選的耐冷性強(qiáng)的自交系為T(mén)8、T12、T16、T19、T29（相對(duì)苗長(zhǎng)≥1.00），冷敏感的自交系為 T9、T10、T11、T26（相對(duì)苗長(zhǎng)≤ 0.72）（圖 3）。

圖3 不同基因型甜玉米自交系相對(duì)苗長(zhǎng)

由相對(duì)根長(zhǎng)的測(cè)定結(jié)果可知（圖4），低溫脅迫下T3、T16、T17、T19、T21的相對(duì)根長(zhǎng)均≥1.50，T13、T26、T27的相對(duì)根長(zhǎng)均≤0.90。因此根據(jù)相對(duì)根長(zhǎng)篩選的耐冷性強(qiáng)的自交系為T(mén)3、T16、T17、T19、T21，冷敏感的自交系為 T13、T26、T27。

圖4 不同基因型甜玉米自交系相對(duì)根長(zhǎng)

圖5 不同基因型甜玉米自交系相對(duì)苗干重

2.2.2 苗干重與根干重苗干重和根干重反映的是植株干物質(zhì)積累量。冷敏感的甜玉米自交系的苗干重和根干重較對(duì)照組呈下降趨勢(shì)，而抗性甜玉米自交系的苗干重和根干重較對(duì)照組呈上升趨勢(shì)。從苗干重來(lái)看（圖5），低溫脅迫下，相較于對(duì)照組，大部分自交系的苗干重下降，占總材料的73.3%，還有26.7%的自交系的苗干重反而上升，說(shuō)明這部分材料的耐冷性較強(qiáng)，低溫脅迫后其干物質(zhì)的積累有所提高。因此根據(jù)相對(duì)苗干重篩選出的耐冷性強(qiáng)自交系為T(mén)3、T8、T12、T25（相對(duì)苗干重≥1.05），冷敏感的自交系為T(mén)2、T9、T11、T18、T28（相對(duì)苗干重≤ 0.70）。

低溫脅迫下根干重的測(cè)定結(jié)果表明（圖6），相比于對(duì)照組，63.3%的甜玉米自交系的根干重增加，36.7%的自交系根干重下降，其中T1、T22相對(duì)根干重≥1.90，T8、T27相對(duì)根干重≤0.70。說(shuō)明低溫脅迫下增加玉米的干物質(zhì)積累量能夠在一定程度上在玉米芽期有效地抵抗冷害。

圖6 不同基因型甜玉米自交系相對(duì)根干重

2.2.3 苗鮮重與根鮮重相較于對(duì)照組，低溫脅迫下冷敏感甜玉米自交系的苗鮮重和根鮮重呈下降趨勢(shì)，而抗性甜玉米自交系的苗鮮重和根鮮重呈上升趨勢(shì)。從相對(duì)苗鮮重來(lái)看，T1、T3、T8、T12、T19的相對(duì)苗鮮重均≥1.15，T9、T10、T11、T18的相對(duì)苗鮮重均≤0.70。相對(duì)苗鮮重較大的自交系屬于耐冷型，較小的則屬于冷敏感型（圖7）。

圖7 不同基因型甜玉米自交系相對(duì)苗鮮重

低溫脅迫下根鮮重的測(cè)定結(jié)果表明，相比于對(duì)照組 T1、T3、T12、T21相對(duì)根鮮重≥ 2.40，T8、T10、T27、T30相對(duì)根鮮重≤0.70（圖8），表明相對(duì)根鮮重大的自交系對(duì)低溫的耐受性較強(qiáng)，低溫對(duì)其在芽期胚根的生長(zhǎng)影響并不是很大，而相對(duì)根鮮重較小的自交系則屬于冷敏感型，低溫影響了該類型自交系的植株生長(zhǎng)。

圖8 不同基因型甜玉米自交系相對(duì)根鮮重

2.3 不同基因型甜玉米自交系綜合D值通過(guò)計(jì)算得出各個(gè)甜玉米自交系的綜合D值，并進(jìn)行排序，根據(jù)綜合D值的大小來(lái)綜合評(píng)價(jià)各甜玉米自交系耐冷性的強(qiáng)弱，綜合D值越大表明其耐冷性越強(qiáng)，反之越弱。從圖9中可以看出T19、T22、T2、T1、T29、T3、T12綜合D值較大，為耐冷性強(qiáng)的自交系，T24、T26、T27、T10、T9、T11綜合D值較小，表明其對(duì)低溫脅迫敏感，耐冷性弱。

圖9 不同基因型甜玉米自交系綜合D值

圖10 30份甜玉米自交系聚類圖

2.4 不同基因型甜玉米自交系耐冷性聚類分析對(duì)30份甜玉米自交系各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行聚類分析（圖10），在歐式距離為7.51處將供試甜玉米自交系分為3大類群。第Ⅰ類群：T29、T1、T3、T12、T16、T21、T18、T8、T4、T2，該類群在低溫脅迫下發(fā)芽率受影響較小，植株生長(zhǎng)較為正常，該類群屬于強(qiáng)耐冷型。第Ⅱ類群：T20、T19、T30、T17、T22、T5、T23、T14、T7，此類自交系中在低溫脅迫條件下有多個(gè)測(cè)定指標(biāo)高于其他自交系，但其余指標(biāo)表現(xiàn)不佳，該類群屬于中等耐冷型。第Ⅲ類群：T11、T9、T10、T13、T28、T25、T15、T24、T6、T26、T27，該類群受低溫影響明顯，個(gè)別指標(biāo)高于對(duì)照組，但其余指標(biāo)較對(duì)照組較低，植株生長(zhǎng)受到抑制，該類群屬于冷敏感型。

對(duì)聚類分析后的3類耐冷性甜玉米自交系各個(gè)指標(biāo)相對(duì)值取平均值，從表1中可以看出，除相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)根鮮重外其他指標(biāo)在強(qiáng)耐冷型與中等耐冷型間無(wú)顯著性差異，但與冷敏感類型存在顯著差異；相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)根鮮重在強(qiáng)耐冷型、中等耐冷型以及冷敏感類型間均存在顯著差異，表明這2個(gè)指標(biāo)對(duì)冷脅迫較敏感。

低溫脅迫下甜玉米自交系各指標(biāo)相關(guān)性分析表明（表2），綜合D值與其余各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了極顯著相關(guān)；相對(duì)發(fā)芽率與相對(duì)活力指數(shù)極顯著相關(guān)；相對(duì)根鮮重與相對(duì)根干重、相對(duì)根長(zhǎng)極顯著相關(guān)；相對(duì)苗干重與相對(duì)苗長(zhǎng)、相對(duì)根長(zhǎng)極顯著相關(guān)；相對(duì)苗長(zhǎng)與相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)活力指數(shù)極顯著相關(guān)；相對(duì)根長(zhǎng)與相對(duì)活力指數(shù)極顯著相關(guān)。除了相對(duì)根干重、相對(duì)發(fā)芽率，相對(duì)苗鮮重與其余各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到顯著或極顯著相關(guān)。

表1 3類甜玉米自交系各指標(biāo)平均相對(duì)值的相關(guān)分析

表2 不同基因型甜玉米自交系各指標(biāo)相對(duì)值和綜合D值間的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

玉米芽苗期冷害程度主要取決于溫度和低溫時(shí)間的長(zhǎng)短。玉米耐冷性的研究主要集中在耐冷生理指標(biāo)的鑒定上。大量研究表明，多指標(biāo)的綜合篩選是鑒定玉米耐冷性的有效途徑。張紅穎等[11]通過(guò)發(fā)芽率、胚根長(zhǎng)度、活力指數(shù)、相對(duì)活力指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽率等5個(gè)指標(biāo)對(duì)多個(gè)玉米自交系進(jìn)行了耐冷性的鑒定，篩選出9個(gè)耐冷性強(qiáng)的甜玉米自交系和一些對(duì)冷敏感的甜玉米自交系，為甜玉米耐冷性的研究提供了特異種質(zhì)資源。楊光等[13]則用相對(duì)發(fā)芽率作為資源耐冷性鑒定指標(biāo)，篩選出3個(gè)抗冷自交系。鄭昀曄等[14]認(rèn)為相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)幼苗總干重、相對(duì)地上部苗干重、相對(duì)根干重之間顯著相關(guān)，均可以較好地反映品種耐冷性。這些研究均驗(yàn)證了多指標(biāo)耐冷性鑒定的可靠性。

本研究表明，低溫脅迫條件下，部分甜玉米自交系從某單一指標(biāo)來(lái)看表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐冷性，但綜合指標(biāo)鑒定結(jié)果表明，該自交系的耐冷性表現(xiàn)一般。試驗(yàn)對(duì)30個(gè)甜玉米自交系在芽期進(jìn)行了聚類分析，將自交系對(duì)低溫的表現(xiàn)劃分為耐冷性強(qiáng)、中等、冷敏感3 大類，結(jié)果表明：T29、T1、T3、T12、T16、T21、T18、T8、T4、T2是耐冷性強(qiáng)自交系；T20、T19、T30、T17、T22、T5、T23、T14、T7是 耐 冷 型 中等 自 交 系；T11、T9、T10、T13、T28、T25、T15、T24、T6、T26、T27是冷敏感型自交系；同時(shí)，根據(jù)綜合D值結(jié)果表明T19、T22、T2、T1、T29、T3、T12為耐冷性強(qiáng)的自交系，T24、T26、T27、T10、T9、T11為冷敏感自交系；綜合2個(gè)評(píng)價(jià)體系及對(duì)照組發(fā)芽率（對(duì)照組發(fā)芽率≥80%），本研究得出T12為耐冷性強(qiáng)自交系，T27是冷敏感自交系，為后續(xù)研究甜玉米耐冷生理生化、遺傳機(jī)理提供了試材，進(jìn)而為甜玉米耐冷品種的選育與改良提供了理論依據(jù)。