河北省主要推廣玉米品種萌發(fā)期抗旱性鑒定和生理性狀分析

賈凱旋，魏俊杰，馮夢(mèng)凡，郭旺乾，劉瑞達(dá)，段會(huì)軍，葛淑俊

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/華北作物種質(zhì)資源省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071001；2.保定學(xué)院生命科學(xué)系，河北 保定 071001)

隨著人類(lèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口膨脹，水資源短缺現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，干旱是造成農(nóng)作物減產(chǎn)的主要非生物因素之一[1,2]，每年由于干旱造成作物的損失占自然災(zāi)害造成作物損失的60%以上[3]。河北省一直是嚴(yán)重缺水的地區(qū)，對(duì)篩選抗旱材料，培育抗旱品種以及對(duì)作物抗旱基因和抗旱機(jī)制研究的需求極為迫切。

玉米用途廣泛，但需水較多，對(duì)干旱比較敏感，干旱在很大程度上影響著玉米的產(chǎn)量[4]。一般情況下干旱可使玉米減產(chǎn)25%～35%，如遇嚴(yán)重干旱還可造成更大程度的減產(chǎn)，部分地區(qū)甚至?xí)^產(chǎn)[5]。因此，提高玉米的抗旱性，對(duì)于農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著重要意義。培育并篩選出抗旱性較強(qiáng)的玉米品種是在干旱情況下保證玉米產(chǎn)量的一個(gè)重要途徑。

干旱脅迫影響玉米萌發(fā)期的生長(zhǎng)發(fā)育。水分是種子萌發(fā)過(guò)程中必不可少的因素，干旱脅迫勢(shì)必會(huì)對(duì)種子的萌發(fā)有影響；研究表明，干旱脅迫下，不同玉米品種的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率會(huì)受到不同程度的抑制[6]。玉米根系是玉米主要的吸水器官，與玉米的抗旱性有密切的聯(lián)系，研究表明玉米在苗期受到干旱脅迫時(shí)，其根系的生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，使玉米幼苗根長(zhǎng)小于對(duì)照的根長(zhǎng)，根體積也小于對(duì)照[7]；玉米的抗旱性與株高密切相關(guān)，干旱脅迫下，抗旱性較強(qiáng)的玉米品種的株高要高于抗旱性較弱的玉米品種的株高[8]。另外，干旱使玉米對(duì)水分的需求得不到滿足，影響體內(nèi)各種代謝，影響著玉米細(xì)胞中過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性以及丙二醛的含量。在干旱脅迫下，過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶活性均表現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢(shì)[9-11]；同時(shí)干旱導(dǎo)致玉米細(xì)胞內(nèi)丙二醛含量的升高，不同抗性的玉米品種細(xì)胞內(nèi)丙二醛含量升高幅度不同[12,13]。

在玉米抗旱性鑒定研究方面，前人對(duì)玉米成株期的抗旱性鑒定有較多的研究[14]，但對(duì)玉米萌發(fā)期的耐旱性鑒定很少；而且前人研究中，大多參試材料較少，對(duì)某一地區(qū)主要推廣玉米品種的抗旱性鑒定的研究還不多。本研究擬根據(jù)玉米萌發(fā)期的幼苗根莖等形態(tài)學(xué)指標(biāo)對(duì)37個(gè)玉米品種進(jìn)行抗旱性分級(jí)，并且驗(yàn)證玉米根系細(xì)胞內(nèi)過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性以及丙二醛的含量在干旱脅迫下不同抗旱性的玉米品種中的變化趨勢(shì)。為河北缺水地區(qū)玉米種品種的選擇提供依據(jù)，為玉米苗期、花期、灌漿期及全生育期的抗旱性鑒定提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的37個(gè)玉米品種基本信息見(jiàn)表1。

表1 用于本實(shí)驗(yàn)的37個(gè)玉米品種

1.2 種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

選取整齊一致、顆粒飽滿、無(wú)破損的玉米種子播種于PH 18型發(fā)芽盒中。以滅菌石英砂為發(fā)芽床。用15%PEG-6000水溶液100 mL模擬干旱處理，以等量去離子水為對(duì)照。每個(gè)處理3次重復(fù)，置于光照培養(yǎng)室進(jìn)行發(fā)芽，溫度(26±2)℃，每天光照12 h。第4天補(bǔ)充50 mL相應(yīng)的液體以保持發(fā)芽盒內(nèi)的含水量。

1.2.1發(fā)芽情況調(diào)查

胚根突破種皮2 mm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每天定時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽情況。用第2、4、6天和第8天的種子萌發(fā)率計(jì)算種子萌發(fā)指數(shù)和種子萌發(fā)耐旱指數(shù)。3次重復(fù)取平均值。

種子萌發(fā)指數(shù)=1.00×nd 2+0.75×nd 4+0.50×nd 6+0.25×nd 8；

種子萌發(fā)耐旱指數(shù)=(模擬干旱種子萌發(fā)指數(shù)/對(duì)照處理種子萌發(fā)指數(shù))×100%。

其中nd 2、nd 4、nd 6和nd 8分別為第2、4、6天和第8天時(shí)的種子萌發(fā)率。

1.2.2形態(tài)學(xué)指標(biāo)測(cè)定

每個(gè)處理選取3株，沖洗干凈根系，測(cè)量株高和根長(zhǎng)，采用EPSON掃描儀進(jìn)行根系圖像采集，用RHIZO 2009根系系統(tǒng)分析總根長(zhǎng)(cm)、總根表面積(cm2)以及總根體積(cm3)等3個(gè)根系形態(tài)學(xué)指標(biāo)，用吸水紙吸干表面水分，稱(chēng)根系鮮重。

1.2.3生理指標(biāo)測(cè)定

以鄭單958、登海605和LS 838為材料，從PEG脅迫和對(duì)照每處理各選3個(gè)單株，分別取0.5 g根系。采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定過(guò)氧化物酶活性，采用NBT光化學(xué)還原法測(cè)定超氧化物歧化酶的活性，采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定丙二醛的含量[15]。分別計(jì)算平均值。

1.3 抗旱性分級(jí)方法

本實(shí)驗(yàn)采用路貴和等的分類(lèi)方式劃分各個(gè)抗旱類(lèi)型的區(qū)間范圍，即以群體平均值加或減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差將群體分為極強(qiáng)抗旱類(lèi)型、中間類(lèi)型和極弱抗旱類(lèi)型；再計(jì)算中間類(lèi)型的群體平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，以中間類(lèi)型的群體平均值加或減一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差為標(biāo)準(zhǔn)，將中間類(lèi)型群體分為強(qiáng)抗旱類(lèi)型、中度抗旱類(lèi)型和弱抗旱類(lèi)型[16]。采用該方法，分別根據(jù)玉米種子萌發(fā)期耐旱指數(shù)和玉米幼苗形態(tài)學(xué)指標(biāo)，將實(shí)驗(yàn)材料的抗旱性分為極弱抗旱型、弱抗旱型、中度抗旱型、強(qiáng)抗旱型和極強(qiáng)抗旱性等5種類(lèi)型，最后綜合分析玉米萌發(fā)期耐旱指數(shù)和玉米幼苗形態(tài)學(xué)指標(biāo)的分級(jí)結(jié)果，得出在萌發(fā)期抗旱性較強(qiáng)和抗旱性較弱的玉米品種。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2016軟件和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和方差分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 根據(jù)玉米種子萌發(fā)耐旱指數(shù)進(jìn)行分級(jí)

經(jīng)模擬干旱處理后，種子萌發(fā)明顯受到抑制，如極峰2號(hào)在第2天時(shí)水處理的平均萌發(fā)22個(gè)，模擬干旱處理的平均萌發(fā)只有8個(gè)；但到第8天時(shí)2種處理的發(fā)芽數(shù)大致相同。經(jīng)計(jì)算每個(gè)品種的萌發(fā)耐旱指數(shù)不同。萌發(fā)耐旱指數(shù)最高的是偉科702，高達(dá)98.84%；最低的是裕豐105，為45.30%。

根據(jù)種子萌發(fā)耐旱指數(shù)進(jìn)行的抗旱類(lèi)型劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表2。

表2 按種子萌發(fā)耐旱指數(shù)劃分玉米抗旱類(lèi)型

根據(jù)此劃分標(biāo)準(zhǔn)將37個(gè)玉米品種按照萌發(fā)耐旱指數(shù)分為5種抗旱類(lèi)型，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 37個(gè)玉米品種的抗旱性分級(jí)

2.2 根據(jù)玉米幼苗形態(tài)學(xué)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)

經(jīng)模擬干旱處理后玉米生長(zhǎng)受到明顯抑制。利用對(duì)水處理與模擬干旱處理的總根長(zhǎng)(cm)、總根表面積(cm2)、總根體積(cm3)、株高(cm)、根鮮重(g)和根長(zhǎng)(cm)等6個(gè)形態(tài)指標(biāo)的數(shù)據(jù)差值進(jìn)行差異顯著性測(cè)驗(yàn)，結(jié)果表明，每個(gè)指標(biāo)差異性在品種之間均表現(xiàn)為極顯著，結(jié)果見(jiàn)表4。因此，可以用總根長(zhǎng)(cm)、總根表面積(cm2)、總根體積(cm3)、株高(cm)、根鮮重(g)和根長(zhǎng)(cm)等這6個(gè)形態(tài)指標(biāo)將37個(gè)玉米品種進(jìn)行分級(jí)。

將抗旱類(lèi)型按照株高(cm)、根鮮重(g)、根長(zhǎng)(cm)、總根長(zhǎng)(cm)、總根表面積(cm2)和總根體積(cm3)等6個(gè)形態(tài)學(xué)指標(biāo)分為5個(gè)類(lèi)型，見(jiàn)表5。

根據(jù)上述分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，將37個(gè)玉米品種劃分為5種抗旱類(lèi)型。根據(jù)不同的指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)，其結(jié)果存在一定的差異。如豐德存玉10號(hào)，依據(jù)根鮮重、總根長(zhǎng)、總根表面積和總根體積等4個(gè)指標(biāo)將其分為極強(qiáng)抗旱性，但根據(jù)株高和根長(zhǎng)分別將其分為中度抗旱型和強(qiáng)抗旱性。最終綜合這6個(gè)形態(tài)學(xué)指標(biāo)將37個(gè)玉米品種劃分為5種抗旱類(lèi)型。結(jié)果見(jiàn)表6。

表4 品種間形態(tài)學(xué)指標(biāo)差異顯著性方差分析

2.3 干旱脅迫對(duì)玉米雜交種幼苗生理指標(biāo)的影響

根據(jù)抗旱性分級(jí)結(jié)果，選取抗旱性較強(qiáng)的鄭單958、抗旱性中等的登海605和抗旱性較弱的LS 838，分別測(cè)定第8天干旱脅迫處理和對(duì)照處理的過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性以及丙二醛的含量。結(jié)果顯示，經(jīng)干旱脅迫處理后，與對(duì)照處理相比第8天玉米根系中的過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶活性增強(qiáng)，丙二醛的含量升高。但抗旱性較強(qiáng)的鄭單958經(jīng)干旱脅迫處理后的過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶活性要高于另外2個(gè)品種，抗旱性較弱的LS 838的酶活性最低，抗旱性中等的登海605的處于兩者之間；鄭單958的丙二醛含量的上升幅度最大，LS 838的最小，登海605居于兩者之間。見(jiàn)圖1。

表5 按6個(gè)形態(tài)學(xué)指標(biāo)劃分玉米抗旱類(lèi)型

圖1 抗旱性不同玉米品種苗根系中過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶活性及丙二醛含量情況

表6 37個(gè)玉米品種抗旱性分級(jí)

3 討 論

種子萌發(fā)耐旱指數(shù)是玉米抗旱性鑒定的一個(gè)可靠指標(biāo)，受到干旱脅迫后，種子萌發(fā)耐旱指數(shù)高的品種的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的變化不顯著，而種子萌發(fā)耐旱指數(shù)低的品種的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的變化顯著[6]；經(jīng)干旱脅迫處理后，作物株高會(huì)有顯著的降低[8]，玉米幼苗根長(zhǎng)、根表面積和干重根冠比在不同品種間也表現(xiàn)為顯著差異[5]。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)萌發(fā)期耐旱指數(shù)和第8天幼苗的根長(zhǎng)、株高、根鮮重、總根長(zhǎng)、總根表面積及總根體積等6個(gè)形態(tài)學(xué)指標(biāo)對(duì)37個(gè)玉米品種進(jìn)行抗旱性分級(jí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，采用不同指標(biāo)進(jìn)行的分級(jí)有一些差異。可能是因?yàn)橛衩自诜N子萌發(fā)時(shí)和萌發(fā)后2個(gè)不同階段不同玉米品種對(duì)干旱脅迫的敏感度會(huì)有些不同。前人的研究也表明，因干旱而造成的作物產(chǎn)量的下降與作物受到干旱脅迫的生長(zhǎng)階段有關(guān)，而不僅僅與作物受到的干旱脅迫強(qiáng)度有關(guān)[17-22]。同時(shí)Igbadun等認(rèn)為與營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段和灌漿期相比，玉米在開(kāi)花期能否得到充足的水分對(duì)產(chǎn)量的形成更加重要[23]。

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)萌發(fā)耐旱指數(shù)和幼苗形態(tài)學(xué)指標(biāo)分類(lèi)的綜合分析，較弱抗旱型有先玉1140、強(qiáng)盛368和LS 838等，較強(qiáng)抗旱型的有寬玉1101、農(nóng)大372、京農(nóng)科728、鄭單958和豫單9953等。其中先玉335和登海605為中度抗旱型，此結(jié)果與閆偉平等人實(shí)驗(yàn)中的分級(jí)結(jié)果相同[24]；鄭單958為較強(qiáng)抗旱型，與趙永峰等人的結(jié)果相同[5]。但是在閆偉平等[24]的研究中鄭單958被分為中度抗旱性品種，在趙永峰等[5]的研究中先玉335被分為弱抗旱性，與本實(shí)驗(yàn)的分級(jí)結(jié)果不同，考慮到各自的實(shí)驗(yàn)材料并不是完全相同的，每一個(gè)品種的分級(jí)結(jié)果都是相對(duì)于其他的實(shí)驗(yàn)材料而言，因此，將鄭單958分為較強(qiáng)抗旱型，先玉335分為中度抗旱型。

測(cè)定3個(gè)玉米品種不同抗旱性的過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性以及丙二醛的含量，結(jié)果顯示，三者的活性或含量都有增強(qiáng)或上升的趨勢(shì)，與前人的研究結(jié)果相似[9-13]；抗旱性較強(qiáng)的玉米品種經(jīng)干旱脅迫處理后，過(guò)氧化物酶和超氧化物歧化酶的活性要高于抗旱性較弱的玉米品種；抗旱性較強(qiáng)的玉米品種經(jīng)干旱脅迫處理后，丙二醛含量的上升幅度小于抗旱性較弱的玉米品種。

本試驗(yàn)根據(jù)玉米萌發(fā)耐旱指數(shù)和第8天幼苗的6個(gè)形態(tài)指標(biāo)對(duì)37個(gè)玉米品種進(jìn)行的抗旱分級(jí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可能與玉米生長(zhǎng)的其他階段的抗旱性以及最終表現(xiàn)在產(chǎn)量上結(jié)果有差異。關(guān)于玉米各個(gè)生長(zhǎng)階段的抗旱性以及不同生長(zhǎng)階段遭受的干旱脅迫和產(chǎn)量的關(guān)系，還需要進(jìn)一步的研究。