玉米自交系抗旱性評價及指標篩選

張賽楠，蘇治軍，高聚林，于曉芳，王志剛，孫繼穎，胡樹平，屈佳偉，包海柱

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010019）

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國的產(chǎn)糧大省,2017年耕地面積達926.67萬hm2,其中玉米種植面積為313.77萬hm2,約占總耕地面積的33.86%。但內(nèi)蒙古自治區(qū)地處內(nèi)陸,屬干旱半干旱地區(qū),干旱頻繁發(fā)生,且常發(fā)生于玉米生長中期,易造成玉米花期不遇,結實率降低,玉米大幅減產(chǎn)甚至絕收,嚴重制約了本地區(qū)的玉米生產(chǎn)[1]。

創(chuàng)制抗旱品種是玉米抵御干旱的有效途徑,其中篩選抗旱自交系是玉米抗旱育種的前提。因此,嚴格篩選、準確評價玉米種質(zhì)資源的抗旱性,進而培育新型玉米抗旱自交系,對于提高玉米雜交種的抗旱能力、保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義[2]。

作物對干旱脅迫的適應表現(xiàn)在多個方面,利用單一指標無法對抗旱性做出準確評價,須通過多指標進行綜合評價[3]。眾多學者提出了各種鑒定篩選指標,包括生長發(fā)育指標、形態(tài)指標、生理生化指標、產(chǎn)量指標等,但生理生化指標的測定在育種實際工作中常常難以實現(xiàn),因此從農(nóng)藝性狀和便于大田操作的指標入手,研究各性狀指標與產(chǎn)量和抗旱性之間的關系,能夠為玉米抗旱育種提供直接且簡單易行的選擇依據(jù)[4]。

抗旱性評價標準大體可分為直接評價和間接評價兩類。以產(chǎn)量指標為主的直接評價參數(shù)有抗旱系數(shù)、敏感指數(shù)、抗旱指數(shù)、干旱傷害指數(shù)等。在抗旱育種中,玉米產(chǎn)量的高低反映的是作物本身的一種協(xié)調(diào)能力,而協(xié)調(diào)能力的差異即為抗旱性總體意義上的差異,是與多種抗旱性狀綜合作用的結果[5]。間接綜合評價法有抗旱總級值法、五級評分法、灰色關聯(lián)分析法、抗旱性聚類分析法、抗旱性隸屬函數(shù)法等?？购敌栽u價中除產(chǎn)量外,還可采用相關次級性狀進行間接選擇。次級性狀是指除產(chǎn)量以外的其他作物特征,它可以間接提供干旱脅迫條件下產(chǎn)量變化的一些信息,具有在脅迫條件下與產(chǎn)量存在遺傳相關、遺傳力高、遺傳變異豐富、容易快速鑒定且表現(xiàn)相對穩(wěn)定的特點。本試驗通過產(chǎn)量和次級性狀指標,綜合產(chǎn)量抗旱指數(shù)隸屬度值和次級性狀指標抗旱系數(shù)的平均隸屬度值對供試材料劃分抗旱等級,鑒選既具有抗旱性,又具有高產(chǎn)潛力的玉米自交系,以期建立準確、簡單的適用于大田大規(guī)模鑒定的抗旱評價體系,從而為玉米抗旱育種及種質(zhì)材料創(chuàng)制提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

2012年引進3份雜交種,結合南繁北育,經(jīng)5年8代自交選育,最終從86份玉米自交系中篩選出40份表現(xiàn)穩(wěn)定、性狀優(yōu)良的玉米自交系進行抗旱性鑒定。具體編號及名稱見表1。

表1 40份玉米自交系編號及名稱

1.2 試驗方法

試驗于2017年在內(nèi)蒙古包頭市土默特右旗溝門鎮(zhèn)北只圖村（110°31′E,40°33′N,海拔 1 008.62 m）內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學科技園區(qū)進行。前茬作物為玉米,地力情況見表2。

試驗采用裂區(qū)設計,主區(qū)為水分控制處理,設置正常灌溉和干旱脅迫2個處理,正常灌溉處理是在播種前、出苗后20 d、出苗后40 d、吐絲期、授粉完成后10 d各充分灌溉1次,共5次；干旱脅迫處理在吐絲間隔前后各20 d共40 d不灌溉（視材料抗旱能力調(diào)節(jié)干旱脅迫天數(shù)）,其余時期與正常灌溉處理一致,共4次；副區(qū)為玉米自交系,每份試驗材料雙行種植,行長5 m,行距0.6 m。水旱區(qū)設置5 m水分隔離區(qū)。種植密度為90 000株/hm2。施肥量及其他田間管理按農(nóng)戶模式進行。

表2 土壤含水量及養(yǎng)分狀況

1.3 測定指標

于吐絲期測定玉米花期間隔（ASI）、穗位葉SPAD值、穗位葉熒光參數(shù)、穗位葉葉面積,成熟期測定株高、穗位高,玉米收獲后進行考種,測定玉米含水量、百粒重、穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖長,并進行產(chǎn)量測定。

土壤含水量：于吐絲期正常灌溉區(qū)灌水后,干旱脅迫10 d取正常灌溉區(qū)和干旱脅迫區(qū)耕層100 cm的土壤測定含水量,采用烘干法測定。測定結果見表2。按照HSIAO[6]的劃分標準可知,本研究土壤干旱脅迫區(qū)較正常灌溉區(qū)含水量降低1.61百分點,屬中度干旱脅迫。

1.4 統(tǒng)計方法

1.4.1 抗旱系數(shù)（DC）

1.4.2 產(chǎn)量抗旱指數(shù)（YDI）抗旱指數(shù)按照蘭巨生等[7]的方法計算：

式中,Yd為脅迫環(huán)境品系產(chǎn)量,Yp為非脅迫環(huán)境品系產(chǎn)量,Ymd為所有參試玉米脅迫環(huán)境產(chǎn)量的平均值。

1.4.3 抗旱隸屬函數(shù)法（SV）先求出各指標在材料中的具體隸屬值,公式如下：

式中,X為各品種某指標的測定值,Xmax和Xmin分別為所有品種此指標的最大測定值和最小測定值。如果所測指標和抗旱性成正相關用（4）式,反之則用（5）式。再累加指定品種各指標的抗旱隸屬值,求其平均值,根據(jù)各品種平均值大小確定抗旱性強弱[8]。

隸屬度5級劃分標準[9]：平均隸屬度＜0.3為不抗,定為Ⅴ級；0.3≤平均隸屬度＜0.4為弱抗,定為Ⅳ級；0.4≤平均隸屬度＜0.6為中抗,定為Ⅲ級；0.6≤平均隸屬度＜0.7為強抗,定為Ⅱ級；平均隸屬度≥0.7為極強抗,定為Ⅰ級。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0進行方差分析、相關分析和逐步回歸分析,Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理,抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、隸屬度的計算。

2 結果與分析

2.1 不同玉米自交系各性狀方差分析

對40份玉米自交系抗旱性狀進行方差分析,結果見表3。

表3 40份玉米自交系各性狀方差分析

由表3可知,各材料在正常灌溉和干旱脅迫處理下,花期間隔（ASI）、穗位高、葉綠素相對含量（SPAD 值）、最大光化學效率（Fv/Fm）、百粒重、穗粗、穗長、行粒數(shù)、禿尖長、單穗產(chǎn)量差異達顯著或極顯著水平,葉面積、株高、穗行數(shù)、籽粒含水量、出籽率差異不顯著。結果表明：ASI、穗位高等10個差異顯著的指標對水分脅迫較為敏感,干旱脅迫對其影響較大,故可對篩選出的指標做進一步分析。

2.2 不同玉米自交系主要性狀相關分析

選取方差分析中不同處理差異達顯著的指標進行相關分析。由表4可知,各單項指標間存在一定的相關性,說明玉米抗旱性是一個綜合性狀。其中,百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm和穗位高與單穗產(chǎn)量相關性達顯著或極顯著水平,各主要性狀與單穗產(chǎn)量相關系數(shù)大小為：ASI＞百粒重＞穗位高＞穗粗＞Fv/Fm＞SPAD值。行粒數(shù)、穗長、禿尖長與單穗產(chǎn)量相關性未達顯著。

表4 40份玉米自交系主要性狀相關分析

2.3 不同玉米自交系主要性狀逐步回歸分析

逐步回歸法是按照一定的步驟依次將自變量帶入回歸方程進行檢驗,最后選出對因變量影響最大的自變量建立回歸方程。本試驗將產(chǎn)量抗旱指數(shù)（YDI）作為因變量,與產(chǎn)量抗旱指數(shù)相關性達顯著水平的百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm和穗位高作為自變量進行逐步回歸分析。

表5 回歸系數(shù)標準化檢驗

由表5可確立逐步回歸方程為：

YDI=0.299-0.238X1+0.606X2+0.327X3（F=37.941**,R2=0.872）即為最優(yōu)回歸模型。自變量ASI、百粒重和穗位高可作為玉米自交系抗旱性鑒定的次級性狀篩選指標。該方法通過篩選重要的抗旱性指標從而建立抗旱性評價數(shù)學模型,可對不同玉米材料進行抗旱性預測。

2.4 不同玉米自交系抗旱性鑒選

計算由上述指標鑒選方法篩選所得次級性狀指標（產(chǎn)量、ASI、百粒重、穗位高）抗旱系數(shù)的隸屬度值,同時計算產(chǎn)量抗旱指數(shù)的隸屬度值。按照模糊隸屬函數(shù)法原理,隸屬度越大,抗旱性越強。由表6可知,不同材料的同一性狀及同一性狀在不同材料間隸屬度值差異較大,因此無法用單一隸屬度值來準確評價自交系的抗旱性,應運用各材料目標性狀的平均隸屬度值來綜合評價材料的抗旱性。

依抗旱隸屬法劃分標準,可將材料劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個等級,即抗旱性極強（HR）、強（R）、中等（MR）、弱（S）和極弱（HS）。

由表7可知,運用次級性狀指標抗旱系數(shù)的平均隸屬度值和產(chǎn)量抗旱指數(shù)的隸屬度值所得材料排序和等級的劃分存在差異。前者對40份玉米自交系抗旱性分類得：抗旱性強或極強的玉米自交系編號為2,6等22份；抗旱性中等的玉米自交系編號為1,3等14份；抗旱性弱和極弱的玉米自交系編號為10,33等4份。后者對40份玉米自交系產(chǎn)量抗旱性分類得：抗旱性強或極強的玉米自交系編號為2,7等13份；抗旱性中等的玉米自交系編號為4,5等15份；抗旱性弱或極弱的玉米自交系編號為1,3等12份。

表6 40份玉米自交系主要性狀抗旱系數(shù)隸屬度值

由表8可知,綜合運用次級性狀抗旱系數(shù)的平均隸屬度值和產(chǎn)量抗旱指數(shù)隸屬度值對40份玉米自交系抗旱性及產(chǎn)量潛力分類結果一致的自交系編號為2,7,8,11,22,25,27,29,30,35,39,共11份屬高產(chǎn)抗旱型玉米自交系；編號為4,5,13,15,17,20,21,31,共8份屬中等抗旱型玉米自交系；編號為33和36的2份屬低產(chǎn)不抗旱型玉米自交系。其余編號為1,3,14,16,18,19,23,24,26,28的玉米自交系抗旱級別為中等以上,但其干旱條件下產(chǎn)量較低；編號為6,9,10,32,34,38,40的玉米自交系抗旱性較強,而產(chǎn)量處于中等水平；編號12,37的玉米自交系抗旱等級分別為中等和弱,但旱地產(chǎn)量較高。通過對40份玉米自交系進行分類,可在后期組合組配時有針對性地應用具有不同特性的材料。

3 討論

3.1 玉米自交系抗旱指標的研究

玉米抗旱性是一個復雜的綜合性狀,為了正確、全面地確定自交系的抗旱性,應由多指標綜合評價,但并非指標越多評價效果越好,一些相關性很小或不相關指標的引入,不但增加了計算分析的復雜程度,有時還會帶來偏差,甚至導致結果的錯誤。因此,應根據(jù)指標抗旱性及產(chǎn)量的相關程度和性狀本身與產(chǎn)量的關系進行分析比較,從中挑選出與抗旱性顯著相關的指標,作為抗旱品種選育中的抗旱指標[10]。因此,本試驗首先通過方差分析篩選不同水分處理下達顯著水平的指標進行相關分析,選擇與產(chǎn)量相關性達顯著的指標進行逐步回歸分析,最終通過回歸方程的建立篩選可評價玉米抗旱性最有效的指標。

表7 不同評價參數(shù)隸屬度值的比較

表8 40份玉米自交系分類

BOLANOS等[11]研究表明,在非水分脅迫環(huán)境下,ASI、單株穗數(shù)與籽粒產(chǎn)量之間的遺傳相關性較低,但隨著脅迫程度加強,二者遺傳相關均達極顯著水平。李新海等[12]通過對我國37份主要玉米自交系兩年的開花期抗旱性鑒定表明,干旱脅迫下玉米果穗吐絲期延遲,ASI增大,結穗率和籽粒產(chǎn)量嚴重下降,且ASI、結穗率與籽粒產(chǎn)量呈極顯著相關,可在干旱脅迫條件對產(chǎn)量進行間接選擇時利用其作為抗旱指示性狀。本試驗由逐步回歸方程首先篩選出ASI為方程因變量,說明相對于其他指標ASI對產(chǎn)量貢獻率最大,與前人研究結果一致。蘇治軍等[13]于2007年冬季和2008年春季分別在海南三亞和新疆烏魯木齊對196份玉米自交系進行抗旱性評價得出,株高、ASI、單穗粒重和結實株數(shù)百分率 4個性狀可以作為玉米自交系抗旱性評價指標。胡樹平等[14]通過兩年兩地對51份玉米自交系抗旱性指標研究得出,兩地指標一致的為水分利用效率、產(chǎn)量性狀和ASI,對干旱敏感程度較大。劉玉濤等[15]對玉米抗旱性鑒定研究表明,干旱條件下,株高和穗位高降低、穗粒數(shù)減少、穗粒重變輕、產(chǎn)量降低,這些性狀指標均與玉米抗旱性關系密切。本試驗研究表明,ASI、百粒重、穗位高可作為玉米抗旱性評價指標,與前人研究結果基本一致,但本試驗中不同水分處理下株高差異未達顯著水平。焦建偉等[16]研究表明,在干旱情況相對嚴重的基礎上,玉米的株高在生長過程中由于缺乏水分,其會在不同程度上影響玉米各組織之間的生長,從而使玉米的株高受到抑制,所以本試驗株高結果與前人研究結果不一致,可能是由于脅迫程度未達嚴重且材料本身的株高性狀對干旱脅迫敏感程度不同所致。宋鳳斌等[17]研究表明,葉面積與玉米抗旱性密切相關,可以用來評價玉米抗旱性,而徐蕊[18]的研究結果中葉面積與抗旱性無相關性。本試驗研究結果與徐蕊研究結果一致,可能是由于種植條件不同、脅迫程度不同和取樣部位不同所得結果不盡相同,葉面積可否作為抗旱指標還有待于進一步研究。

3.2 玉米自交系鑒定方法及時期評價

抗旱系數(shù)DC（脅迫處理值/正常處理值）反映了不同材料對水分脅迫的敏感程度,能較為客觀真實地評價不同材料的抗旱性。因此,本試驗在對材料進行抗旱性鑒定時,將篩選所得次級性狀指標以抗旱系數(shù)作為鑒定評價參數(shù)；而抗旱指數(shù)=DC×（脅迫處理值/所有材料脅迫處理值的平均值）,與抗旱系數(shù)及所有參試材料脅迫處理測定值有關,既反映了材料在脅迫條件下的敏感程度,又體現(xiàn)材料在干旱脅迫條件下測定值水平,因此,在對材料的產(chǎn)量評估時選用產(chǎn)量抗旱指數(shù)（YDI）作為評價參數(shù),可同時兼顧水旱處理下材料的產(chǎn)量水平。即本試驗以玉米自交系次級性狀指標抗旱系數(shù)來衡量抗旱性的強弱,把各指標的應用價值落實到產(chǎn)量抗旱指數(shù)上。

抗旱隸屬法是一種較好的抗旱性綜合評價方法,配合恰當?shù)脑u價參數(shù),可較準確地評定不同材料的抗旱性。因其是一個無量綱純數(shù),可將抗旱系（指）數(shù)擴展到［0,1］閉合區(qū)間上,而使得各材料抗旱性的差異具有可比性。因此,本試驗運用產(chǎn)量抗旱指數(shù)的隸屬度值對材料豐產(chǎn)性進行評價,選擇水分脅迫下與抗旱性密切相關性狀的抗旱系數(shù)隸屬度值對材料抗旱性進行評價。因玉米抗旱性為多基因綜合作用結果,單一指標無法準確評價玉米抗旱性,因此,本試驗運用各指標隸屬度的平均值對材料抗旱性進行綜合評價。張衛(wèi)星等[19]在對100份雜交組合進行抗旱性與豐產(chǎn)性研究時,以ASI、株高、穗位高等10個性狀抗旱系（指）數(shù)平均隸屬度來作為抗旱性評價的綜合指標,篩選出11個抗旱高產(chǎn)雜交組合。從生產(chǎn)實踐的角度看,抗旱玉米品種的選擇最終是對干旱條件下玉米產(chǎn)量的選擇,對親本自交系高產(chǎn)的選擇是培育高產(chǎn)玉米雜交種的重要前提。因此,本試驗將40份材料劃分為高、中、低三類,鑒選在干旱脅迫條件下既具抗旱性,又具豐產(chǎn)性的玉米自交系,以期為后期培育高產(chǎn)雜交種提供材料。

霍仕平等[20]認為,與抗旱性有關的性狀在很大程度上受加性基因效應的影響,在遺傳上抗旱性主要表現(xiàn)為加性效應,這就是說抗旱性是可以遺傳的,對其進行選擇是有效的。韓登旭等[21]對抗旱性遺傳參數(shù)估計表明,玉米抗旱性的廣義遺傳力較高,狹義遺傳力較低,所以自交系性狀的選擇宜在高代進行,因此,在玉米抗旱育種程序中,無需從低代就進行干旱脅迫選擇,只需在常規(guī)育種的基礎上加強對高代自交系抗旱性的鑒定篩選。本試驗中玉米自交系已繁育多年,屬高代材料,適宜進行玉米抗旱性的研究。為了得到更為準確可靠的試驗結果,本試驗將會繼續(xù)對材料進行多年多點抗旱性鑒定,并進行更深入的研究。

4 結論

通過方差分析表明,在正常灌溉和干旱脅迫處理下,植株 ASI、穗位高、SPAD 值、Fv/Fm、百粒重、穗粗、穗長、行粒數(shù)、禿尖長和單株產(chǎn)量差異達顯著或極顯著水平；將不同處理下差異達顯著的指標進行相關分析,篩選出百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm、穗位高與產(chǎn)量的相關性達顯著或極顯著；與產(chǎn)量相關性達顯著的指標通過逐步回歸分析篩選出ASI、百粒重和穗位高可作為玉米抗旱性鑒定的次級性狀篩選指標。

綜合運用次級性狀抗旱系數(shù)的平均隸屬度值和產(chǎn)量抗旱指數(shù)隸屬度值對40份玉米自交系抗旱性及產(chǎn)量潛力分類結果一致的自交系編號為2,7,8,11,22,25,27,29,30,35,39,共11份屬高產(chǎn)抗旱型玉米自交系；編號為4,5,13,15,17,20,21,31,共8份屬中等抗旱型玉米自交系；編號為33和36的2份屬低產(chǎn)不抗旱型玉米自交系。其余編號為1,3,14,16,18,19,23,24,26,28的玉米自交系抗旱級別為中等以上,但其干旱條件下產(chǎn)量較低；編號為6,9,10,32,34,38,40的玉米自交系抗旱性較強,而產(chǎn)量處于中等水平；編號12,37的玉米自交系抗旱等級分別為中等和弱,但旱地產(chǎn)量均較高。