玉米雜交種及其親本自交系抗旱性綜合分析

黃 保， 曹麗茹， 王振華， 魯曉民

(河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，河南鄭州 450002)

玉米對保障我國糧食安全和農(nóng)民增收起著重要的作用。黃淮海是我國玉米最大主產(chǎn)區(qū)，然而近幾年該地區(qū)高溫、干旱天氣頻發(fā)，嚴(yán)重影響了玉米生長發(fā)育及其產(chǎn)量，干旱已成為限制我國玉米生產(chǎn)發(fā)展的重要影響因素之一[1-2]。鑒于玉米種植條件限制，高效使用有限的灌水資源成為農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的長久之計(jì)，其中發(fā)掘、創(chuàng)制具有抗旱潛力的玉米新品系是保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑。我國抗旱玉米種質(zhì)資源較為狹窄，通過作物抗旱育種，鑒定現(xiàn)有種質(zhì)資源并培育創(chuàng)制新型抗旱材料，可有效緩解干旱對玉米產(chǎn)量的影響[3-4]。解析玉米的抗旱機(jī)理，鑒定篩選抗旱種質(zhì)材料，進(jìn)而培育突破性抗旱玉米品種是關(guān)鍵。

作物的抗旱性質(zhì)是由多基因共同調(diào)控的，干旱脅迫對作物造成的危害是作物形態(tài)發(fā)育、生長代謝等過程的綜合結(jié)果[5-6]。與干旱脅迫相關(guān)的生理指標(biāo)已經(jīng)被大量報(bào)道，如細(xì)胞膜通透性變大，導(dǎo)致細(xì)胞失水，細(xì)胞的分裂受到抑制從而導(dǎo)致植株矮小，植株作為有機(jī)生命體會(huì)增加體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、可溶性糖等的含量，增強(qiáng)細(xì)胞對水分的吸收能力；干旱脅迫還會(huì)導(dǎo)致活性氧自由基增加，破壞細(xì)胞膜磷脂雙分子層，旱脅迫下植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)會(huì)被激活，提高超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性，消除過度的活性氧自由基[7]。不同基因型玉米株系對干旱的耐受性不同，嚴(yán)格篩選、準(zhǔn)確評價(jià)玉米種質(zhì)資源的抗旱性，進(jìn)而培育抗旱玉米新品系，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。較單一的指標(biāo)而言，隸屬函數(shù)在作物抗逆研究中得到眾多學(xué)者的認(rèn)可[8-9]。

前人對玉米響應(yīng)干旱脅迫的研究多集中在玉米苗期[10-11]或是抽雄期[12-13]，而針對玉米拔節(jié)期的研究相對較少，且同一作物不同品種或者自交系的抗旱性存在差異。 因此，本試驗(yàn)以12份玉米自交系及其組配的6個(gè)組合為材料，在拔節(jié)期干旱脅迫和正常灌溉條件下，根據(jù)其生理相關(guān)性狀評價(jià)玉米抗旱性，以期為培育抗旱性較強(qiáng)的玉米新品種提供優(yōu)異種質(zhì)資源和雜交組合，并初步闡述抗旱自交系和雜交組合響應(yīng)干旱的生理變化趨勢，給玉米抗旱育種工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及種植方式

材料為河南省主推的栽培品種鄭單819、秋樂368、鄭單958、蕭玉1號(hào)、金海5號(hào)和京單58共6個(gè)品種，及其親本鄭8713、鄭K9713、鄭58、昌7-2、SN0702、SN0798、JH78-2、JH3372、NK11、NK17-8、CH3、京2416共12個(gè)自交系(表1)。2020年在河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原陽基地人工可控移動(dòng)抗旱棚內(nèi)種植，設(shè)對照和脅迫(拔節(jié)期)2個(gè)處理，處理間設(shè)以3 m水分隔離帶。每個(gè)材料種植1行，每行16株，行長4.0 m，行距0.6m，株距0.25 m。

表1 親本材料

1.2 脅迫處理

玉米拔節(jié)期進(jìn)行處理，對照組：土壤田間持水量一直保持在75%以上。處理組：對田間持水量控水5 d后達(dá)到40%左右，進(jìn)行為期15 d的干旱脅迫。15 d后取對照組和處理組的倒數(shù)第2片葉進(jìn)行生理指標(biāo)的測定，而后進(jìn)行復(fù)水使田間土壤持水量與對照處理一致至收獲。

1.3 生理指標(biāo)的測定

葉綠素含量采用丙酮法測定；SOD活性采用氮藍(lán)四唑法測定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定；Pro含量采用磺基水楊酸提取-茚三酮法測定。每個(gè)指標(biāo)3次生物學(xué)重復(fù)。

1.4 隸屬函數(shù)值的計(jì)算

隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式如下：

X(uj)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

如果某一指標(biāo)與耐旱性呈負(fù)相關(guān)則采用以下公式計(jì)算：

X(uj)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

式中：X為干旱脅迫下各供試材料某一指標(biāo)的測定值，Xmin和Xmax分別為所有供試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。將所有供試材料的隸屬函數(shù)值加起來求其平均值后綜合評價(jià)各供試材料的耐旱性強(qiáng)弱。根據(jù)抗旱隸屬函數(shù)的平均值分為5級：平均隸屬度<0.3為不抗，定為Ⅴ級；0.3≤平均隸屬度<0.4為抗，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(qiáng)抗，定為Ⅱ級；平均隸屬度≥0.7為極強(qiáng)抗，定為Ⅰ級。

1.5 抗旱系數(shù)

抗旱系數(shù)=干旱脅迫指標(biāo)值/對照處理指標(biāo)值。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用Excle 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析并做圖，利用SPSS 25進(jìn)行相關(guān)性和主成分分析。

2 結(jié)果分析

2.1 干旱脅迫對玉米葉片葉綠素含量的影響

葉綠素將光能轉(zhuǎn)變成生物能，是植物生長的能量工廠。從圖1-A可以看出脅迫后各自交系的葉綠素含量均出現(xiàn)了下降，但是不同自交系葉綠素含量下降幅度不同。其中昌7-2葉綠素含量下降幅度最大，為29.20%；SN0702 葉綠素含量下降得最少，為7.27%，但是仍然達(dá)到了顯著水平。從圖1-B可以看出，同自交系一樣，雜交種的葉綠素含量受到干旱脅迫的抑制，鄭單819、秋樂368和蕭玉1號(hào)脅迫前與脅迫后的葉綠素含量均高于鄭單958、金海5號(hào)和京單58對應(yīng)的葉綠素含量，可能與不同自交系或品種自身特性有關(guān)。

2.2 干旱脅迫對玉米葉片MDA含量的影響

從圖2可以看出，干旱脅迫促進(jìn)了植株內(nèi)MDA含量的積累，對于自交系來說京2416MDA的增幅最大，為50.83%，其次為SN0798葉片中MDA含量增幅，為33.57%，SN0702的MDA含量增幅最少，為16.67%。對于雜交種，鄭單958葉片中MDA含量增幅最大，為78.43%，且在正常生長下MDA含量最低，干旱脅迫后MDA含量最高；鄭單819葉片中MDA含量增幅最小，為23.59%，正常生長和干旱脅迫處理后MDA含量在6個(gè)雜交種均處于中間位置。MDA的大量積累破壞了膜結(jié)構(gòu)，改變了膜透性，阻止了正常的生理生化活動(dòng)，自交系SN0702和雜交種鄭單819 MDA含量變化較小，推測與材料的抗旱能力有關(guān)。

2.3 干旱脅迫對玉米葉片Pro含量的影響

作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一的Pro，在維持細(xì)胞滲透壓、保證干旱脅迫下細(xì)胞的正常吸水具有重要作用。正常生長條件下，12個(gè)自交系的Pro含量為19.93～30.67 μg/g，干旱脅迫之后Pro含量為35.83～85.13 μg/g，干旱脅迫后Pro含量最高的為鄭8713，其余依次為昌7-2、京2416及鄭K9713(圖3-A)。同自交系一樣，6個(gè)雜交種在干旱脅迫后Pro含量大量積累，含量最高的為鄭單819，其次為秋樂368。鄭單958、蕭玉1號(hào)、金海5號(hào)和京單58的Pro含量也出現(xiàn)了極顯著增加，但是明顯低于鄭單819和秋樂368的Pro含量(圖3-B)。綜上所述，自交系鄭8713、昌7-2和京2416以及雜交種鄭單819和秋樂368在干旱脅迫下具有較好的適應(yīng)性。

2.4 干旱脅迫對玉米葉片SOD活性的影響

干旱脅迫下玉米體內(nèi)會(huì)積累大量的活性氧，破壞細(xì)胞膜脂結(jié)構(gòu)從而能影響植物的正常生長，植物會(huì)提高體內(nèi)SOD活性，消除過多的活性氧，維持玉米植株的生長。圖4顯示，正常生長情況下，玉米植株的SOD活性處于一個(gè)較低的水平，干旱脅迫后SOD活性極顯著升高。自交系鄭8713、SN0798、JH3372和京2416干旱脅迫后SOD活性分別是正常情況下的1.25、1.21、1.19、1.15倍(圖4-A)。正常生長條件下和干旱脅迫后，雜交種鄭單819、秋樂368、京單58和金海5號(hào)的SOD活性均明顯高于鄭單958和蕭玉1號(hào)(圖4-B)，表明鄭單819、秋樂368、京單58和金海5號(hào)清除活性氧的能力較強(qiáng)。

2.5 干旱脅迫對玉米葉片POD活性的影響

POD是一種抗氧化物酶，與SOD協(xié)同清除植物體內(nèi)有害自由基。從圖5可知，干旱脅迫后各植株的POD活性顯著性提高，鄭K9713、鄭58、昌7-2、SN0702、JH3372、NK11、CH3和京2416葉片中POD活性出現(xiàn)了提高均超過了100%，分別為128.20%、112.97%、121.03%、125.26%、117.33%、202.40%、 115.34%和138.77%。干旱脅迫后雜交種鄭單819、秋樂368、鄭單958、蕭玉1號(hào)、金海5號(hào)和京單58的POD活性分別提高了66.81%、80.57%、36.42%、42.93%、36.34%和34.35%。

2.6 不同玉米抗旱性綜合分析

利用隸屬函數(shù)，綜合葉綠素含量、MDA含量、Pro含量，以及SOD、POD活性等抗旱指標(biāo)對12個(gè)自交系進(jìn)行抗旱性評價(jià)，結(jié)果顯示12個(gè)玉米自交系抗旱性評價(jià)分布在Ⅱ～Ⅳ 3個(gè)等級，其中Ⅱ級抗旱的有鄭8713和NK17-8。Ⅲ級抗旱的有鄭K9713、鄭58、昌7-2、SN0702、JH3372、NK11、CH3和京2416。Ⅳ級抗旱的有SN0798和JH78-2(表2)。

在雜交種中，鄭單819和秋樂368的抗旱等級為Ⅰ級，表現(xiàn)出極強(qiáng)抗旱性。蕭玉1號(hào)抗旱等級為Ⅲ級，抗旱性適中。鄭單958、金海5號(hào)和京單58的抗旱等級為Ⅴ，抗旱性最差(表3)。

表2 12個(gè)自交系的抗旱隸屬度

表3 6個(gè)雜交系的抗旱隸屬度

2.7 自交系各指標(biāo)抗旱系數(shù)相關(guān)性分析

選用12個(gè)自交系各指標(biāo)抗旱系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果(表4)顯示Pro含量與MDA含量相關(guān)性較高，相關(guān)系數(shù)為0.52，其次為POD活性與葉綠素含量相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.41。葉綠素與Pro含量和MDA含量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為 -0.69、-0.44。表明玉米的生長多生理生化過程互相影響、協(xié)同合作的結(jié)果。

表4 自交系各指標(biāo)抗旱系數(shù)相關(guān)性分析

2.8 自交系各指標(biāo)抗旱系數(shù)主成分分析

主成分分析發(fā)現(xiàn)主成分1(45.58%)、主成分2(21.87%)和主成分3(20.45%)對總方差的累積貢獻(xiàn)度達(dá)到了87.8%。主成分1的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主成分2和主成分3的貢獻(xiàn)率，在主成分1中Pro含量和MDA含量載荷系數(shù)較大，反映出Pro含量和MDA含量與植株的抗旱性有更緊密的關(guān)聯(lián)性(表5)。

表5 自交系各指標(biāo)抗旱系數(shù)主成分分析

3 討論

玉米自交系抗旱指標(biāo)的研究表明，玉米抗旱性受諸多因素影響且性狀復(fù)雜，導(dǎo)致研究指標(biāo)、方向、手段等未達(dá)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，研究難度較大，進(jìn)展緩慢[14-15]。目前得到一致認(rèn)可的是，玉米抗旱性是由多基因決定的復(fù)雜數(shù)量性狀，單一指標(biāo)說服力較低，應(yīng)由多指標(biāo)綜合評價(jià)來提高鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性[16-17]。

研究發(fā)現(xiàn)，植物的生理指標(biāo)對干旱脅迫的響應(yīng)較為劇烈，其較大的波動(dòng)對干旱脅迫的研究提供極大的便利[8，18-19]。葉綠素是研究植物抗旱的一個(gè)重要指標(biāo)[20]。本研究中，干旱脅迫后，無論是自交系還是雜交種，各玉米株系中葉綠素含量均下降，但是不同的株系間下降幅度存在著差異，推測是不同株系抗旱性不同造成的。植物受到脅迫后膜脂發(fā)生過氧化作用產(chǎn)生大量的MDA，MDA又進(jìn)一步加劇膜脂的氧化，對植物造成巨大傷害[21]。本研究中自交系SN0702和雜交種鄭單819葉片中MDA含量變化較小，隸屬函數(shù)顯示SN0702和鄭單819均具有較好抗旱性，與李鳳海研究的結(jié)果一致[22]，且主成分分析顯示MDA含量與植株的抗旱性有著更緊密的聯(lián)系。滲透調(diào)節(jié)能夠維持細(xì)胞持續(xù)對外界水分的吸收[23]。本研究顯示干旱脅迫下，Pro含量顯著性增加，增強(qiáng)了玉米對干旱脅迫的適應(yīng)性，且與植株的抗旱性有著更加緊密的聯(lián)系。植物受到脅迫后體內(nèi)活性氧增加，破壞細(xì)胞正常的膜脂結(jié)構(gòu)、導(dǎo)致部分酶活性失活[24-25]，激活體內(nèi)過氧化酶清除系統(tǒng)，清除植物體內(nèi)多余的活性氧，減弱脅迫對植物造成的危害。本研究中，干旱脅迫后玉米株系內(nèi)的SOD和POD酶活性升高，緩解了干旱脅迫對玉米的傷害。

李鴻雁等將合成Pro的AtP5CS1基因?qū)氲接鹨赂仕{(lán)中，羽衣甘藍(lán)植株內(nèi)積累了大量的Pro，增強(qiáng)了轉(zhuǎn)基因羽衣甘藍(lán)對干旱脅迫的耐受性[26]。胡景江等施用外源活性氧清除劑，降低了MDA的含量，提高了植株的抗旱性[27]。本研究利用相關(guān)性分析得出Pro含量與MDA含量相關(guān)性較高，主成分分析顯示Pro含量與MDA含量與植株的抗旱性具有更加緊密的聯(lián)系，與前人研究一致。

較多的研究者利用隸屬函數(shù)綜合多個(gè)抗旱性指標(biāo)對植物的抗旱性進(jìn)行評價(jià)，通過該方法在玉米[9]、小豆[28]、大麥[29]、小麥[30]、高粱[31]等多種作物中篩選到多個(gè)優(yōu)良的抗旱材料。本研究利用隸屬函數(shù)法篩選到了鄭8713和NK17-8抗旱較好的自交系，并證明了鄭單819和秋樂368具有極強(qiáng)的抗旱性。鄭單819的親本鄭8713抗旱等級為Ⅱ級，鄭K9713抗旱等級為Ⅲ級，秋樂368的親本NK11抗旱等級為Ⅲ級，NK17-8抗旱等級為Ⅱ級，表現(xiàn)出了雜種優(yōu)勢。京單58的抗旱等級為Ⅴ級，然而其親本的抗旱等級分別為Ⅲ級、Ⅱ級，雜種優(yōu)勢現(xiàn)象消失。鄭單958和金海5號(hào)也出現(xiàn)了雜種優(yōu)勢消失的現(xiàn)象，推測是由于樣本量小，導(dǎo)致雜交種間出現(xiàn)了較大的差距導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

本研究測定干旱脅迫下12個(gè)自交系和6個(gè)雜交種的葉綠素含量、POD活性、SOD活性、Pro含量和MDA含量。主成分分析顯示Pro含量和MDA含量與干旱脅迫的緊密性更高，并篩選出抗旱性較好的自交系鄭8713、NK17-8和抗旱性極強(qiáng)的雜交種鄭單819、秋樂368。本研究為抗旱型玉米品種的綜合篩選提供了參考，以后進(jìn)行作物抗旱性評價(jià)時(shí)，要將抗旱基因是否存在、形態(tài)指標(biāo)、生理指標(biāo)和代謝物質(zhì)等納入評價(jià)體系，以建立更加完善、準(zhǔn)確的評價(jià)體系。