干旱脅迫下玉米自交系抗旱性評(píng)價(jià)及篩選

周玉乾，楊彥忠，周文期，連曉榮，張彥軍，王興榮，寇思榮，何海軍，劉忠祥，王曉娟

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅 蘭州 730070)

干旱是全球影響范圍廣、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、損失巨大的氣象災(zāi)害之一。干旱對(duì)農(nóng)作物造成的損失在所有非生物脅迫中占首位，每年因干旱造成的農(nóng)業(yè)損失巨大[1-2]。我國(guó)是一個(gè)干旱災(zāi)害頻繁發(fā)生的國(guó)家，干旱缺水地區(qū)面積占國(guó)土總面積的52.5%，每年因旱災(zāi)造成的糧食損失約300億公斤，約占全部災(zāi)害損失的60%[3]?？梢?jiàn)，干旱是我國(guó)乃至全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展面臨的重要問(wèn)題。因此，篩選和培育抗旱農(nóng)作物新品種對(duì)我國(guó)糧食生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

玉米是重要的糧食、飼料、工業(yè)原料和生物能源作物，目前玉米已經(jīng)成為我國(guó)種植面積最大的作物。干旱是影響玉米產(chǎn)量最主要的非生物脅迫因素[4]，開(kāi)展玉米抗旱育種是對(duì)抗干旱的迫切需要。不同玉米自交系對(duì)干旱的適應(yīng)性和抵抗能力不同，準(zhǔn)確地鑒定與評(píng)價(jià)玉米自交系抗旱性是培育抗旱玉米雜交種的重要前提[5]。因此，本研究選取39份當(dāng)前國(guó)內(nèi)玉米育種和生產(chǎn)中的骨干自交系為材料，通過(guò)大田干旱脅迫處理試驗(yàn)，參考祁旭升等[6]的加權(quán)抗旱系數(shù)法進(jìn)行抗旱綜合評(píng)價(jià)分析，利用篩選到的穗干重、籽粒干重和出籽率3個(gè)指標(biāo)對(duì)玉米自交系抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并篩選強(qiáng)抗旱自交系，為玉米抗旱育種提供寶貴的耐干旱脅迫資源。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究選取的39份供試材料由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供，具體見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)地概況 試驗(yàn)地位于甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖試驗(yàn)站，該地區(qū)年平均降水量129 mm，蒸發(fā)量2 047.9 mm，≥10℃年積溫2 870℃，降雨稀少、蒸發(fā)量大，光熱條件充足，其獨(dú)特的氣候條件，非常有利于開(kāi)展作物田間抗旱鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)地0～20 cm土層含有機(jī)質(zhì)18.45 g·kg-1、堿解氮76.62 mg·kg-1、速效磷22.76 mg·kg-1、速效鉀244.53 mg·kg-1。

表1 39份玉米骨干自交系編號(hào)及名稱

1.2.2 試驗(yàn)材料種植 試驗(yàn)于2017—2018年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖試驗(yàn)站進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)干旱脅迫處理和灌水對(duì)照區(qū)，處理和對(duì)照間有3.5 m的防滲隔離帶。處理和對(duì)照均為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，每份材料種2行，行長(zhǎng)4.0 m，行距0.6 m，株距0.3 m。采用“干播濕出法”播種，即播種前不灌水，播種后利用滴灌灌水600 m3·hm-2保證正常出苗，干旱處理全生育期根據(jù)干旱程度控制少量灌水，或者不再灌水，對(duì)照處理在苗期、拔節(jié)期、抽雄期和灌漿期各灌1次水，每次灌水量300 m3·hm-2，保證全生育期正常生長(zhǎng)的需水量。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定 記載生育期內(nèi)降雨量，采用5點(diǎn)法測(cè)定各生育階段0～40 cm土壤含水量，記載散粉至吐絲間隔時(shí)間(Ahthesis silking interval, ASI)，成熟收獲后每小區(qū)取樣5株測(cè)量株高、穗位高、穗長(zhǎng)、穗粗、穗干重(5穗)、籽粒干重(5穗)、出籽率及百粒重，以其平均值代表考察指標(biāo)值。

1.2.4 抗旱性評(píng)價(jià) 參照祁旭升等[7]的方法對(duì)39個(gè)參試自交系的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，抗旱級(jí)別劃分參照路貴和等[5]的逐級(jí)分類法，將39個(gè)品種的抗旱性劃分為極強(qiáng)、強(qiáng)、中等、弱、極弱5個(gè)級(jí)別，見(jiàn)表2，具體評(píng)價(jià)方法如下：

TR=Xd/Xw

表2 抗旱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

1.2.5 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用DPS 9.50軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 2017—2018年玉米主要生育期土壤含水量變化

2017和2018年在玉米整個(gè)生育期內(nèi)降水量分別為120.2 mm和140.6 mm，由于氣候原因，2018年降雨偏多，主要集中在苗期，抽雄期和成熟期降雨量很少，由圖1可以看出，2018年苗期土壤含水量明顯高于2017年，但抽雄期和成熟期土壤含水量2a數(shù)據(jù)無(wú)顯著差異。數(shù)據(jù)分析表明，抽雄期土壤含水量最低，其次是成熟期和苗期，抽雄期是玉米對(duì)水分較為敏感的時(shí)期，而且恰逢高溫天氣且降雨量較少，干旱脅迫條件充分，土壤含水量差異較小。因此，在此環(huán)境下，進(jìn)行自交系抗旱性綜合評(píng)價(jià)和篩選結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

圖1 2017—2018年玉米主要生育期土壤含水量Fig.1 Soil moisture content during the main growth period of maize in 2017-2018

2.2 玉米自交系主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)的差異和相關(guān)性分析

對(duì)39份自交系的粉絲間隔時(shí)間、株高(Plant height, PH)、穗位高 (Ear position height, EPH)、穗長(zhǎng)(Ear length, EH)、穗粗(Ear diameter, ED)、穗干重(Ear dry weight, EDW)、籽粒干重(Seed dry weight, SDW)、出籽率(Seed producing percentage, SPP)和百粒重(100-seed weight, 100-SW)，9個(gè)主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行遺傳多樣性分析，從表3中可以看出，在不同處理下，9個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)介于6.16%～97.7%之間，其中粉絲間隔時(shí)間變異系數(shù)最大，籽粒干重、穗干重、穗位高和百粒重次之，說(shuō)明39份自交系之間遺傳差異比較大，具有代表性。數(shù)據(jù)分析表明：與正常灌水相比，干旱脅迫使得供試材料粉絲間隔時(shí)間變長(zhǎng)，增加1.5～2 d，其余8個(gè)指標(biāo)均降低，2017年干旱處理的穗干重、籽粒干重和出籽率3個(gè)指標(biāo)分別降低到正常灌水的83%、80%和89%，差異極顯著(P<0.01)。2018年干旱處理的穗干重、籽粒干重和出籽率分別降低到正常灌水的80%、78%和88%，差異極顯著(P<0.01)。說(shuō)明干旱脅迫對(duì)玉米自交系的生長(zhǎng)發(fā)育、形態(tài)特征及最終產(chǎn)量均有較大的影響。

同時(shí)，對(duì)39份自交系的9個(gè)主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析(表4)，結(jié)果表明，粉絲間隔時(shí)間、株高和穗位高與其他指標(biāo)間相關(guān)性較小，沒(méi)有顯著性；穗粗與穗干重、籽粒干重間呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)；穗干重與籽粒干重、出籽率、穗長(zhǎng)和穗粗呈極顯著正相關(guān)，同時(shí)與百粒重呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；ADC與ASI呈極顯著正相關(guān)，這種現(xiàn)象說(shuō)明延遲吐絲的自交系接受到周圍自交系的花粉，表現(xiàn)出了抗旱的假象；平均抗旱系數(shù)與穗干重、籽粒干重和出籽率3個(gè)指標(biāo)呈顯著正相關(guān)，而穗干重、籽粒干重、出籽率是產(chǎn)量的主要指標(biāo)并且與產(chǎn)量呈正相關(guān)，因此穗干重、籽粒干重和出籽率可作為玉米自交系抗旱性綜合評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)。

2.3 玉米自交系抗旱性綜合評(píng)價(jià)

作物抗旱性是一個(gè)極其復(fù)雜的機(jī)體代謝過(guò)程，評(píng)價(jià)抗旱性時(shí)需要進(jìn)行多性狀的綜合考慮，為了能夠準(zhǔn)確評(píng)價(jià)玉米自交系的抗旱性，本研究利用篩選到的穗干重、籽粒干重、出籽率3個(gè)與平均抗旱系數(shù)相關(guān)的指標(biāo)，采用加權(quán)抗旱系數(shù)法對(duì)其抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其加權(quán)抗旱系數(shù)值越大表示抗旱性越強(qiáng)(表5)。

參照路貴和等[5]的逐級(jí)分類法，將39份自交系的抗旱性劃分為極強(qiáng)、強(qiáng)、中等、弱、極弱5個(gè)級(jí)別(表2)，其中E28、DH351、隴1222、浚92-8和黃早四5份自交系抗旱等級(jí)屬1級(jí)，京92、黃野四、多229、鄭58 和D1798Z 5份自交系屬抗旱性2級(jí)，隴1107、隴1233等18份屬3級(jí)，M5972、掖488等7份屬4級(jí)，PH6WC、DH392等4份屬5級(jí)(表5)。從玉米自交系抗旱性綜合評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)看，我國(guó)玉米雜種優(yōu)勢(shì)群體中代表性的DH351、鄭58屬改良Reid群，E28屬旅大紅骨類群，黃早四和浚92-8屬黃改群，均表現(xiàn)出極強(qiáng)或強(qiáng)抗旱性，這些自交系可在以后抗旱育種中加強(qiáng)利用。

表5 39份玉米自交系的抗旱性綜合評(píng)價(jià)值

3 討 論

作物的抗旱性受基因型和環(huán)境因素兩方面影響[8-9]?？购佃b定條件直接影響抗旱鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性，田間自然干旱條件下鑒定作物抗旱性結(jié)果更接近大田生產(chǎn)，但降雨量難以控制。目前作物抗旱性研究較多集中在芽期和苗期，因?yàn)榇松A段更適宜實(shí)驗(yàn)室內(nèi)或抗旱溫棚中進(jìn)行，雖然可有效控制水分，但受空間限制和小氣候影響，與大田生產(chǎn)相脫離，一定程度上影響了作物抗旱性鑒定與評(píng)價(jià)工作的廣泛開(kāi)展和深入研究[10-11]。田間自然鑒定作物抗旱性簡(jiǎn)單易行，可進(jìn)行大批量的種質(zhì)資源鑒定，且獲得的結(jié)果接近大田種植，可服務(wù)于生產(chǎn)應(yīng)用，因此，符合條件的田間自然抗旱性鑒定是最理想的方法[12]，但大多數(shù)地區(qū)的降雨量、干燥度等氣象因素?zé)o法滿足抗旱研究要求，鑒于此，本研究在降雨量稀少、空氣干燥的張掖綠洲灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)，以我國(guó)玉米骨干自交系和當(dāng)前生產(chǎn)中大面積推廣品種的親本為試驗(yàn)材料，在干旱脅迫下進(jìn)行了田間抗旱性研究，為探明干旱條件下玉米自交系的不同抗旱類型提供一定的理論依據(jù)。

抗旱指標(biāo)的選擇對(duì)抗旱性綜合評(píng)價(jià)至關(guān)重要，關(guān)于抗旱指標(biāo)的篩選研究報(bào)道較多，但沒(méi)有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此本研究對(duì)9個(gè)主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行相關(guān)性分析，以便篩選出與玉米抗旱性密切相關(guān)的指標(biāo)。Pagano等[12]研究報(bào)道，ASI受干旱脅迫影響最敏感，抽雄及散粉期遇到高溫及干旱天氣，導(dǎo)致ASI明顯拉長(zhǎng)，嚴(yán)重影響雌花發(fā)育、授粉及結(jié)實(shí)，導(dǎo)致產(chǎn)量降低。株高及穗位高受到苗期或者拔節(jié)期干旱脅迫的影響，對(duì)玉米生長(zhǎng)也會(huì)形成不可逆的抑制作用，它們也被作為權(quán)衡玉米抗旱性的重要指標(biāo)[13]。有研究認(rèn)為干旱脅迫下，植物葉片的下垂及卷曲程度也能作為玉米抗早指標(biāo)。張振平等[14]通過(guò)對(duì)13個(gè)玉米品種的抗旱性鑒定，認(rèn)為平均產(chǎn)量、幾何平均產(chǎn)量和耐旱指數(shù)作為玉米抗旱性鑒定的評(píng)價(jià)指標(biāo)是合理的。路貴和等[5]研究表明干旱脅迫造成的玉米產(chǎn)量變幅及旱地產(chǎn)量是評(píng)價(jià)玉米抗旱性最重要和最終的2項(xiàng)指標(biāo)。而本研究通過(guò)對(duì)玉米全生育期的干旱脅迫，篩選出穗干重、籽粒干重和出籽率這3個(gè)與產(chǎn)量緊密相關(guān)的指標(biāo)，與平均抗旱系數(shù)呈正相關(guān)。

作物抗旱性是由多個(gè)基因控制的較為復(fù)雜的綜合表現(xiàn)，通過(guò)某個(gè)單一指標(biāo)對(duì)其抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，很難獲得準(zhǔn)確有效的結(jié)果，從形態(tài)、生理生化指標(biāo)中篩選出有顯著影響的幾個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)才更有效[15-16]。因此本研究對(duì)9個(gè)主要農(nóng)藝性狀指標(biāo)的相對(duì)值進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)平均抗旱系數(shù)與ASI呈極顯著正相關(guān)，這與前人研究結(jié)論不同[16]，一般而言，干旱條件下，抗旱性好和差的品種相比較，強(qiáng)抗旱品種的ASI明顯減小，吐絲及散粉期相對(duì)集中，對(duì)結(jié)實(shí)率影響較??；而抗旱性較差的品種，干旱條件下ASI明顯拉長(zhǎng)，我們?cè)谔镩g表型鑒定及生育期記載中也能說(shuō)明這一點(diǎn)。但是數(shù)據(jù)分析的結(jié)果表明平均抗旱系數(shù)與ASI呈極顯著正相關(guān)，分析原因可能由于吐絲較晚的自交系接受到了周圍其他自交系花粉，未表現(xiàn)出結(jié)實(shí)差的現(xiàn)象，造成了一種抗旱假象。在干旱條件下，株高、穗位高明顯降低，這與Jansen等[17]研究結(jié)果一致。抗旱性好的玉米可以通過(guò)降低株高及穗位高適應(yīng)逆境環(huán)境，減少能量損耗，從而提高抗旱性。蘇治軍等[18]通過(guò)相關(guān)抗旱系數(shù)分析說(shuō)明了玉米株高、穗位高、穗粒重等與抗旱性呈顯著正相關(guān)。本研究干旱條件下穗長(zhǎng)、穗粗、穗干重、籽粒干重、出籽率及百粒重均不同程度降低，與楊國(guó)虎等[19]通過(guò)對(duì)玉米農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀進(jìn)行綜合因子評(píng)價(jià)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明株高、穗長(zhǎng)、成穗率和出籽率對(duì)抗旱性具有顯著影響。黎裕等[20]認(rèn)為抗旱性和產(chǎn)量性狀都屬于數(shù)量性狀，由多位點(diǎn)多基因綜合控制，其遺傳網(wǎng)絡(luò)不盡相同，因此在選擇抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，重點(diǎn)考慮抗旱性本身而不是產(chǎn)量潛力，但是育種工作需對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行綜合考慮。本研究結(jié)果表明平均抗旱系數(shù)與穗干重、籽粒干重、出籽率呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明這3個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)可作為玉米自交系抗旱性綜合評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)，這與孟慶立、王喜慧等[21-22]的研究結(jié)果相似。

前人對(duì)不同作物的抗旱性評(píng)價(jià)方法研究較多[23-25]，通過(guò)分析前人的評(píng)價(jià)方法，可歸納為四大類，第一類是利用抗旱系數(shù)進(jìn)行直接評(píng)價(jià)抗旱性，根據(jù)抗旱系數(shù)大小及所劃分等級(jí)比較不同品種抗旱性的強(qiáng)弱。第二類是利用某一指標(biāo)在所有指標(biāo)中所起的重要程度來(lái)綜合評(píng)價(jià)抗旱性。第三類是聚類分析[26]，根據(jù)多項(xiàng)指標(biāo)所測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)供試材料進(jìn)行系統(tǒng)聚類，用聚類圖對(duì)材料抗旱性進(jìn)行分級(jí)；第四類是灰色關(guān)聯(lián)度分析，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度篩選出高效指標(biāo)并綜合評(píng)價(jià)其抗旱性。本研究參考祁旭升等人[6-7]的加權(quán)抗旱系數(shù)法，結(jié)合第二種和第三種評(píng)價(jià)方法，將39份玉米自交系進(jìn)行抗旱等級(jí)分類，利用篩選到的穗干重、籽粒干重、出籽率3個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)對(duì)玉米自交系抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，該方法根據(jù)不同指標(biāo)貢獻(xiàn)程度的大小對(duì)其賦予了不同權(quán)重，評(píng)價(jià)更加合理準(zhǔn)確。本研究結(jié)果表明，改良Reid群的自交系DH351、鄭58，旅大紅骨類群的E28，黃改群的黃早四和浚92-8，這幾個(gè)骨干系都具有強(qiáng)抗旱性。王紹新等[25]認(rèn)為，瑞德系、部分黃改系和熱帶種質(zhì)等含這類血緣的自交系抗旱性較強(qiáng)，抗旱性較強(qiáng)的雜交種雜優(yōu)模式為瑞德系×黃改系，育種家在品種選育過(guò)程中應(yīng)保留本地的瑞德系血緣，以提高品種的抗旱性。余奎軍等[27]研究表明，Reid和Lancaster兩大類群的抗旱性較強(qiáng)，P群的抗旱性次之。這些研究結(jié)果與本研究具有相似之處，同時(shí)也有區(qū)別，可能與抗旱鑒定環(huán)境有關(guān)系，前人試驗(yàn)多在抗旱棚內(nèi)進(jìn)行，而本研究在田間自然條件下進(jìn)行，抗旱結(jié)果及篩選到的抗旱自交系可應(yīng)用在田間鑒定及生產(chǎn)的參考價(jià)值更大。因此，本研究所篩選到的強(qiáng)抗旱且親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的玉米骨干自交系可作為親本在抗旱育種中選擇應(yīng)用，這為育種工作提供了新的思路。后續(xù)試驗(yàn)將在多生態(tài)環(huán)境干旱條件下，應(yīng)用目前所鑒定出的抗旱自交系分別進(jìn)行驗(yàn)證，并從其生理、生化指標(biāo)、產(chǎn)量性狀和存活率測(cè)定等多方面綜合評(píng)價(jià)抗旱性。

4 結(jié) 論

在田間自然條件下對(duì)玉米自交系進(jìn)行抗旱鑒定，通過(guò)加權(quán)抗旱系數(shù)評(píng)價(jià)其抗旱性，將39份自交系劃分為5個(gè)抗旱級(jí)別，篩選出了一些抗旱自交系，其中代表性的DH351、鄭58屬改良Reid群，E28屬旅大紅骨類群，黃早四及浚92-8屬黃改群，表現(xiàn)出極強(qiáng)或強(qiáng)抗旱性，這些自交系可在以后抗旱育種中加強(qiáng)利用。