長(zhǎng)江中下游地區(qū)糯玉米花期耐熱性鑒定及評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

宋旭東 朱廣龍 張舒鈺 章慧敏 周廣飛 張振良 冒宇翔 陸虎華 陳國(guó)清,2 石明亮 薛 林,2 周桂生 郝德榮,*

1 江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所, 江蘇南通 226541; 2 江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇南京 210095; 3 揚(yáng)州大學(xué)教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室 / 江蘇省糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 江蘇揚(yáng)州 225009

糯玉米(ZeamaysL.certainKulesh), 俗稱黏玉米, 因其9號(hào)染色體短臂上的Wx基因發(fā)生隱性突變,導(dǎo)致籽粒胚乳中的淀粉幾乎全部為支鏈淀粉[1]。糯玉米籽粒富含蛋白質(zhì)、氨基酸、維生素、膳食纖維等營(yíng)養(yǎng), 蒸煮后具有“黏、軟、清、香”的特點(diǎn), 是兼具“糧、果、蔬”于一體的作物, 具有獨(dú)特的風(fēng)味和極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值[2]。糯玉米主要用作鮮食, 即摘取乳熟期的新鮮果穗或鮮嫩籽粒食用, 近年來(lái), 糯玉米作為保健休閑食品需求量大增。此外, 與傳統(tǒng)的飼料玉米相比具有生產(chǎn)周期短、種植效益高的優(yōu)勢(shì), 因而我國(guó)糯玉米生產(chǎn)和消費(fèi)市場(chǎng)發(fā)展迅速[3]。

近年來(lái), 隨著溫室氣體排放量的增加, 全球氣候變暖趨勢(shì)日益明顯。據(jù)IPCC報(bào)告指出, 2006—2015年全球平均氣溫比工業(yè)化前基線上升0.87℃,到2030年增幅將達(dá)到1.5℃[4]。在我國(guó), 近10年是有完整氣象數(shù)據(jù)記錄以來(lái)的最暖時(shí)期, 其中2020年較1981—2010年平均氣溫升高0.87℃,2021年較1981—2010年升高0.97℃, 2022年我國(guó)經(jīng)歷了自1961年以來(lái)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)、影響范圍最廣、平均強(qiáng)度最大的高溫天氣[5-7]。在全球氣候變化的影響下高溫天氣頻發(fā), 且發(fā)生的強(qiáng)度、時(shí)長(zhǎng)和空間范圍不斷加大, 給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了極大危害,高溫?zé)岷σ殉蔀橹萍s糧食產(chǎn)量提升的主要非生物脅迫之一。

高溫?zé)岷ο? 玉米生育期縮短、細(xì)胞衰老加速、細(xì)胞膜及抗氧化系統(tǒng)損傷、光合速率降低等生理特性的變化嚴(yán)重危害玉米的生長(zhǎng)、發(fā)育以及最終產(chǎn)量形成[8-10], 且高溫脅迫對(duì)玉米不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的危害程度不同[11-12]。研究發(fā)現(xiàn), 玉米不同生育期對(duì)高溫脅迫的敏感程度由高到低分別為開(kāi)花期、灌漿期, 穗期和苗期[11], 說(shuō)明玉米在生殖生長(zhǎng)階段(抽雄吐絲期、花期和籽粒灌漿期)對(duì)高溫天氣較敏感, 此期遭遇高溫會(huì)造成果穗發(fā)育異常、減產(chǎn), 甚至絕收[13]。在抽雄吐絲期, 高溫脅迫后雌穗吐絲出苞葉速度顯著降低, 使抽雄吐絲間隔期變長(zhǎng), 花絲絨毛數(shù)量減少, 生活力降低, 造成花粉在柱頭上萌發(fā)困難, 導(dǎo)致雌穗授粉不良, 其空稈率和畸形穗率增加, 有效穗數(shù)減少, 產(chǎn)量降低[14-16]; 于康珂[15]研究也發(fā)現(xiàn),抽雄吐絲期持續(xù)高溫脅迫使玉米花粉育性下降和雌雄間隔期增大是產(chǎn)量降低的主要原因?；ㄆ趯?duì)高溫脅迫最敏感, 高溫脅迫會(huì)降低花粉活力, 從而影響授粉受精過(guò)程, 致使穗上部籽粒敗育率增加形成禿尖, 穗粒數(shù)減少, 粒重降低[8,17-18]。張川等[12]研究發(fā)現(xiàn), 花期高溫使玉米穗粒數(shù)降低達(dá)62.53%, 產(chǎn)量降幅最大達(dá)到45.87%; 灌漿期高溫處理加速了玉米的灌漿速率, 使灌漿時(shí)間縮短因而籽粒粒重下降[19]。同樣地, 灌漿期高溫脅迫影響糯玉米產(chǎn)量和品質(zhì),其中導(dǎo)致穗粒數(shù)降低29.8%、千粒重降低17.9%、產(chǎn)量降低38.7%; 同時(shí)高溫會(huì)降低籽粒淀粉代謝酶的活性, 使淀粉合成受阻, 支鏈淀粉含量下降, 引起籽粒的糊化特性、熱力學(xué)特性等發(fā)生改變, 最終導(dǎo)致糯玉米品質(zhì)變劣[20-21]。

在眾多緩解高溫脅迫的措施中, 選用耐熱品種是抵御高溫?zé)岷ψ罱?jīng)濟(jì)有效的措施之一[22-23]。作物的耐熱性是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程, 僅通過(guò)單一性狀不能準(zhǔn)確反映出不同品種的耐熱性差異。目前關(guān)于耐熱品種的評(píng)價(jià)方法多采用多元統(tǒng)計(jì)分析法, 即包括聚類分析、主成分分析以及逐步回歸分析等方法, 對(duì)不同作物的耐熱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 且已總結(jié)出評(píng)價(jià)不同作物耐熱能力的鑒定指標(biāo)[24-26]。在玉米的耐熱性鑒定中, 大多研究主要集中于飼料玉米耐熱性綜合評(píng)價(jià)方面[24-26], 鮮有利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法綜合評(píng)價(jià)不同糯玉米品種對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)差異以及耐熱指標(biāo)篩選方面的研究。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)是我國(guó)糯玉米的主產(chǎn)區(qū)之一, 在全球氣候變暖的大背景下, 該地區(qū)變暖趨勢(shì)明顯[27],特別是每年的7月和8月份極端高溫天氣頻發(fā)重發(fā),此期正處于糯玉米生殖生長(zhǎng)階段, 是決定果穗籽粒發(fā)育和品質(zhì)形成的關(guān)鍵時(shí)期, 也是對(duì)外界環(huán)境最敏感的時(shí)期, 高溫天氣導(dǎo)致糯玉米果穗和籽粒發(fā)育異常, 是限制糯玉米豐產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要因素[28-30]。盡管國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者從產(chǎn)量指標(biāo)、籽粒品質(zhì)等方面研究了高溫?zé)岷?duì)糯玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響, 然而采用多元統(tǒng)計(jì)分析方法準(zhǔn)確評(píng)價(jià)不同糯玉米品種的耐熱性差異卻鮮有報(bào)道, 且缺乏鑒定糯玉米花期耐熱性的指標(biāo)體系。據(jù)此, 本研究以長(zhǎng)江中下游地區(qū)主推的糯玉米品種為試驗(yàn)材料, 設(shè)置2種高溫脅迫處理以及常溫對(duì)照處理, 通過(guò)多指標(biāo)綜合分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析以及聚類分析等多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)糯玉米的耐熱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)和分類, 從而篩選出綜合耐熱性較強(qiáng)的糯玉米品種, 并確定與糯玉米耐熱性密切相關(guān)的指標(biāo), 為耐熱糯玉米品種選育及耐熱機(jī)理研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)品種為長(zhǎng)江中下游地區(qū)主推的10個(gè)糯玉米品種: 蘇玉糯2號(hào)、蘇玉糯11、蘇玉糯1803、蘇玉糯639、焦點(diǎn)糯517、中糯2號(hào)、蘇玉糯1502、蘇玉糯802、蘇玉糯1704和蘇玉糯901, 均由江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。為保證花期一致,以生育期最遲的蘇玉糯1704為標(biāo)準(zhǔn), 按不同品種花期時(shí)間依次播種, 每個(gè)品種具體時(shí)間見(jiàn)圖1。文章中品種英文簡(jiǎn)寫(xiě)為各品種首字母拼音縮寫(xiě)形式, 如蘇玉糯2號(hào), 簡(jiǎn)寫(xiě)為SYN2。

圖1 不同處理下各糯玉米品種播種時(shí)間Fig. 1 Sowing date of different waxy maizes under different treatments

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)分別于2021—2022年在江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)采用二因素裂區(qū)設(shè)計(jì), 以高溫處理為主因素, 以品種為副區(qū), 3次重復(fù)。試驗(yàn)分別設(shè)置2種高溫處理模式及田間自然生長(zhǎng)(對(duì)照)共3個(gè)處理。各品種種植均采用寬窄行播種方式,寬行距120 cm、窄行距40 cm, 株距均為27 cm。其他田間管理均按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培要求進(jìn)行。

本試驗(yàn)增溫方式主要采用覆膜增溫方式(H1)和延遲播種田間自然增溫方式(H2) 2種方式進(jìn)行, 處理期間溫度見(jiàn)圖2。其中, 覆膜增溫方式(H1)通過(guò)搭建鋼架大棚, 覆蓋塑料膜實(shí)現(xiàn)。2021年在試驗(yàn)田搭建鋼管塑料大棚(長(zhǎng)×寬×高為30 m×10 m×3.5 m), 表面覆蓋透明聚乙烯膜(厚度為0.07 mm, 其透光率達(dá)到90%以上), 大棚兩側(cè)各留出20%高度不覆膜, 用于氣體交換, 上部用細(xì)竹竿戳孔, 保證正常雨水供應(yīng), 避免玉米生長(zhǎng)過(guò)程中遭遇干旱脅迫。高溫處理(H1)于吐絲前約3 d開(kāi)始進(jìn)行, 處理期間分別在棚內(nèi)兩端及中間位置懸掛3個(gè)遠(yuǎn)程溫濕度儀(ZL-TH10TP,中集制冷有限公司)測(cè)定高溫處理冠層溫度(地面以上2/3植株處), 每30 min記錄一次棚內(nèi)溫度, 取3個(gè)溫濕度計(jì)的均值計(jì)算處理期間不同時(shí)段的溫度。高溫處理15 d后拆除塑料大棚, 結(jié)束高溫處理。田間自然高溫方式(H2)通過(guò)延遲播種時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)查閱文獻(xiàn)和歷年溫度變化數(shù)據(jù), 確定2022年5月20日播種可保證花期處于長(zhǎng)江中下游地區(qū)年度最高溫度。對(duì)照處理(CK)在該地區(qū)常規(guī)春播時(shí)間(4月10日)播種, 同樣采用遠(yuǎn)程溫濕度儀記錄糯玉米生長(zhǎng)期間的溫濕度。

圖2 高溫處理期增溫棚內(nèi)(H1)、延遲播種田間高溫(H2)與對(duì)照處理(CK)日最高溫度, 其中虛線代表不同處理的平均溫度Fig. 2 Maximum temperature under artificial warming method (H1), delayed sowing method (H2) and control (CK),and the dotted line represented the average temperature under different treatments

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

高溫處理開(kāi)始后第3天, 測(cè)定各品種的花粉活力; 高溫結(jié)束后第3天調(diào)查每個(gè)品種的葉面積指數(shù)、葉綠素含量包括葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b以及地上部干物質(zhì)積累等指標(biāo); 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成指標(biāo)在乳熟期測(cè)定。具體測(cè)定方法如下:

1.3.1 花粉活力 上午09:00采集套袋的花粉, 采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法測(cè)定花粉活力[31]。

1.3.2 葉片熒光參數(shù) 采用Handy PEA (Hansatech,英國(guó))測(cè)定穗位葉快速葉綠素?zé)晒鈪?shù)[32]。每個(gè)處理選取5株生長(zhǎng)基本一致的植株, 從中選取5片穗位葉,每張葉片測(cè)量3次。首先用葉片夾將葉片暗適應(yīng)30 min (為了使反應(yīng)中心完全變成氧化態(tài)), 用3000 μmol m?2s?1的脈沖光誘導(dǎo), 測(cè)定穗位葉熒光參數(shù),包括光系統(tǒng)II (PSII)最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)和PSII潛在活性(Fv/Fo)。

1.3.3 葉綠素含量 葉片熒光參數(shù)測(cè)定結(jié)束后,選取穗位葉葉片, 用95%酒精20 mL提取至葉片完全失綠, 使用紫外分光光度計(jì)UV-2450 (Shimadzu,日本)測(cè)定663和645波長(zhǎng)下的吸光度, 應(yīng)用以下公式計(jì)算葉綠素含量[32]。

葉綠素a含量(mg g–1FW) = (12.7D663–2.69D645)×V/ (1000×W);

葉綠素b含量 (mg g–1FW) = (22.7D645–4.68D663)×V/ (1000×W);

葉綠素a+b含量 (mg g–1FW) = (20.2D645+8.02D663)×V/ (1000×W)。

式中,D663和D645測(cè)定波長(zhǎng)的吸光度值,V為提取液的體積(mL),W是取樣葉片的鮮重(g)。

1.3.4 葉面積指數(shù) 從田間隨機(jī)選取3株長(zhǎng)勢(shì)一致、具有代表性的植株, 測(cè)定單株所有綠葉長(zhǎng)度和寬度, 計(jì)算全株綠葉面積。葉面積指數(shù)按照以下公式進(jìn)行計(jì)算[33]。葉面積指數(shù)(LAI) = ([L×W×K]×小區(qū)株數(shù))/各小區(qū)面積, 式中,L為葉片長(zhǎng)度(cm),W為葉片寬度(cm), 玉米的K為0.75。

1.3.5 干物質(zhì)積累量 在葉面積測(cè)定后, 將植株分為莖稈、葉片和果穗, 稱取其鮮重, 并于105℃殺青30 min后80℃烘干, 至恒重時(shí)測(cè)量地上部干重。

1.3.6 測(cè)產(chǎn)與取樣考種 在乳熟期, 每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取有代表性的5個(gè)果穗, 測(cè)定穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖長(zhǎng)度及其產(chǎn)量等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

覆膜高溫處理和延遲播種創(chuàng)造高溫處理的試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)基本一致, 因此利用2次試驗(yàn)的平均值作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 采用Microsoft Excel 2016對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析, 運(yùn)用SPSS 24.0軟件進(jìn)行方差分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析及聚類分析。相關(guān)指標(biāo)計(jì)算如下[24-26]:

(1) 各個(gè)指標(biāo)性狀的耐熱系數(shù)(heat tolerance coefficient, HTC): HTC=熱脅迫性狀值/對(duì)照性狀值[24];

(2) 主成分分析: 根據(jù)特征值大于1且主成分之和大于85%的準(zhǔn)則提取主成分;

(3) 隸屬函數(shù)值:u(Xj)=(Xj－Xmin)/(Xmax－Xmin);i=1, 2, 3, …,n; 其中Xj表示第j個(gè)綜合指標(biāo),Xmin和Xmax分別表示每個(gè)主成分上各性狀指標(biāo)得分值的最小值和最大值;

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫處理對(duì)糯玉米主要性狀的影響

花期高溫導(dǎo)致不同糯玉米品種多數(shù)農(nóng)藝性狀降低, 但不同性狀對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)存在差異(圖3和附表1)。在產(chǎn)量及其構(gòu)成因素方面, 2種高溫處理下穗行數(shù)(ERN)、行粒數(shù)(KNR)、結(jié)實(shí)率(SR)和產(chǎn)量(Yield)分別平均降低了12.1%、13.5%、15.1%和12.8%。在光合特性方面, 高溫脅迫使葉面積指數(shù)(LAI)、PSII潛在活性(Fv/Fo)、葉綠素b(Chlb)和葉綠素a+b(Chla+b)分別降低10.1%、12.7%、12.6%和11.2%。與其他性狀不同, 果穗禿尖長(zhǎng)度(ETB)在2種高溫處理下均顯著增加, 平均達(dá)52.7%。此外, 比較2種高溫處理方法發(fā)現(xiàn), 覆膜增溫處理(H1)下各指標(biāo)的觀測(cè)值低于延遲播種田間自然高溫處理(H2)。

表1 不同糯玉米品種各單項(xiàng)指標(biāo)的耐熱系數(shù)Table 1 Heat tolerance coefficient (HTC) of each single index of different waxy maize cultivars

圖3 花期不同處理對(duì)糯玉米主要農(nóng)藝性狀的影響Fig. 3 Effects of different treatments on main agronomic traits of waxy maize at flowering stages

2.2 鮮食糯玉米品種各單項(xiàng)指標(biāo)的耐熱系數(shù)及相關(guān)性分析

花期高溫顯著影響糯玉米品種各單項(xiàng)指標(biāo)的耐熱系數(shù)(表1)。高溫處理下, 大多數(shù)指標(biāo)耐熱系數(shù)降低(HTC<1), 而禿尖長(zhǎng)度的耐熱系數(shù)升高(HTC>1)。在各單項(xiàng)指標(biāo)的耐熱系數(shù)中, 花粉活力、產(chǎn)量和結(jié)實(shí)率的耐熱系數(shù)較小, 分別為0.836、0.857和0.864,而禿尖長(zhǎng)度的耐熱系數(shù)最高, 達(dá)到1.494。因此, 利用單項(xiàng)性狀的耐熱系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)不同糯玉米品種的耐熱性存在一定的片面性。

為了更準(zhǔn)確地分析各品種的耐熱性, 對(duì)13個(gè)性狀的耐熱系數(shù)進(jìn)行了相關(guān)性分析(表2)。結(jié)果表明,絕大多數(shù)性狀的耐熱系數(shù)與其他一個(gè)或多個(gè)性狀呈顯著或極顯著相關(guān)。穗行數(shù)(X3)與結(jié)實(shí)率(X5)和Fv/Fo(X7)顯著正相關(guān); 產(chǎn)量(X12)與葉面積指數(shù)(X1)、行粒數(shù)(X4)、結(jié)實(shí)率(X5)、葉綠素a(X8)、葉綠素b(X9)、葉綠素a+b(X10)、花粉活力(X11)等7個(gè)農(nóng)藝性狀呈顯著正相關(guān), 與禿尖長(zhǎng)度(X13)呈顯著負(fù)相關(guān);Fv/Fm(X6)與葉綠素a(X8)和X10(葉綠素a+b)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。由于各單項(xiàng)指標(biāo)間存在或大或小的相關(guān)性, 導(dǎo)致它們所提供的信息發(fā)生重疊, 直接利用各單項(xiàng)指標(biāo)難以準(zhǔn)確、直觀地評(píng)價(jià)糯玉米的耐熱性, 需在此基礎(chǔ)上利用多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)一步地分析。

表2 高溫處理下各指標(biāo)耐熱系數(shù)相關(guān)分析Table 2 Correlations of heat resistance coefficients of all indices in tested waxy maize verities

(續(xù)表2)

2.3 鮮食糯玉米單項(xiàng)指標(biāo)的耐熱系數(shù)主成分分析

由表3可知, 前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到87.28%,具有較大的信息代表性, 可將原來(lái)13個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個(gè)新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo), 這3個(gè)綜合指標(biāo)可用于分析不同品種的耐熱性。主成分1的貢獻(xiàn)率為64.46%,主要反映葉面積指數(shù)(X1)、穗行數(shù)(X3)、行粒數(shù)(X4)、結(jié)實(shí)率(X5)、葉綠素a(X8)、葉綠素b(X9)、葉綠素a+b(X10)、花粉活力(X11)、產(chǎn)量(X12)和禿尖長(zhǎng)度(X13)這10個(gè)指標(biāo)的信息; 主成分2的貢獻(xiàn)率為15.06%, 反映植株干物重(X2)和Fv/Fo(X7)這2個(gè)指標(biāo)的信息; 主成分3的貢獻(xiàn)率為7.6%, 反映Fv/Fm(X6)指標(biāo)的信息。

表3 各性狀主成分的特征向量及貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvectors and percentage of accumulated contribution of principal components

2.4 鮮食糯玉米耐高溫綜合評(píng)價(jià)方法的建立

2.4.1 隸屬函數(shù)分析 根據(jù)公式(3)計(jì)算各品種綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及各綜合指標(biāo)的權(quán)重(表4),對(duì)于同一綜合指標(biāo)CI1, 在高溫脅迫下, 隸屬函數(shù)值u(X1)最大的是中糯2號(hào)為0.95, 表明此品種在該綜合指標(biāo)下耐熱性最強(qiáng), 而蘇玉糯11的u(X1)值最小為0.13, 表明此品種在這一綜合指標(biāo)下對(duì)高溫最敏感。

表4 各參試材料綜合指標(biāo)值、權(quán)重、u(Xj)、D值及綜合評(píng)價(jià)Table 4 The value of each variety’s comprehensive index (CI), index weight, u(Xj), D value and comprehensive valuation

2.4.2 權(quán)重確定 根據(jù)各綜合指標(biāo)貢獻(xiàn)率計(jì)算得出3個(gè)主成分綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.739、0.173和0.089。

2.4.3 綜合評(píng)價(jià)及分類 根據(jù)指標(biāo)權(quán)重和隸屬函數(shù)計(jì)算耐高溫的綜合評(píng)價(jià)值(D), 并根據(jù)D的大小劃分不同品種的耐熱性(表4和圖4)。由表4可知, 中糯2號(hào)的D值最大, 為0.950, 表明其耐熱性最強(qiáng); 蘇玉糯11的D值最小, 僅為0.228, 表明此品種對(duì)高溫最敏感。按綜合評(píng)價(jià)D值進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn), 可將10個(gè)糯玉米品種分成3類, 其中中糯2號(hào)、蘇玉糯2號(hào)和蘇玉糯901被劃分為第1類, 屬于耐熱型; 蘇玉糯1803、蘇玉糯802、蘇玉糯1502和蘇玉糯1704為第2類, 屬于中等耐熱型; 蘇玉糯517、蘇玉糯639和蘇玉糯11屬于第3類, 為高溫敏感型。

圖4 基于D值的鮮食糯玉米品種耐熱性系統(tǒng)聚類分析圖Fig. 4 Fuzzy clustering dendrogram of heat resistance in tested maize cultivars based on D-value

2.5 回歸模型建立及耐熱性指標(biāo)的選擇

本研究將耐熱性綜合評(píng)價(jià)值(D)作為因變量,把各單項(xiàng)指標(biāo)的耐熱系數(shù)作為自變量進(jìn)行逐步回歸分析, 建立了最優(yōu)回歸方程: PV (預(yù)測(cè)值) = ?9.766+3.874X12+5.116X6+1.603X1+0.962X11(R2=0.999,P<0.0001)。利用該回歸方程對(duì)各品種耐熱性進(jìn)行預(yù)測(cè),其預(yù)測(cè)精度均在98%以上(表5), 說(shuō)明利用該方程預(yù)測(cè)糯玉米花期的耐熱性準(zhǔn)確度較高, 同時(shí)證明方程中的4個(gè)指標(biāo), 產(chǎn)量(X12)、Fv/Fm(X6)、葉面積指數(shù)(X1)和花粉活力(X11)可作為糯玉米花期耐熱性鑒定指標(biāo)。

表5 回歸方程的精度分析Table 5 Analysis of evaluation accuracy of equation

2.6 各品種耐熱類別的特征分析

根據(jù)上述聚類分析和逐步回歸方程結(jié)果, 分析不同處理下各類別糯玉米品種的4個(gè)重要的評(píng)鑒指標(biāo)發(fā)現(xiàn)(圖5), 耐熱型品種的產(chǎn)量、Fv/Fm、葉面積指數(shù)和花粉活力在高溫處理下與對(duì)照相比降幅最小,高溫敏感型品降幅最大, 中等耐熱型品種的降幅居中; 在4個(gè)鑒定評(píng)價(jià)指標(biāo)中, 產(chǎn)量和花粉活力的變幅最大, 除耐熱型品種外, 其他類型2個(gè)指標(biāo)的降低幅度與對(duì)照相比均達(dá)極顯著水平(P<0.01)。

圖5 聚類結(jié)果中不同耐熱型糯玉米品種各性狀的表現(xiàn)特征Fig. 5 Description of different waxy maize types to high temperature tolerance in hierarchical cluster result

2.7 不同耐熱型糯玉米品種產(chǎn)量表現(xiàn)

由表6可以看出, 花期高溫處理對(duì)所有品種產(chǎn)量都造成損失, 但耐熱能力不同的品種對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)不同。對(duì)耐熱型品種而言, 高溫處理下產(chǎn)量平均下降比例為7.55%～11.19%; 熱敏感類型品種在高溫處理下產(chǎn)量平均下降范圍在17.15%～19.15%之間, 中等耐熱類型品種產(chǎn)量平均下降范圍為14.53%～14.84%。分析上述篩選出的3個(gè)耐熱品種發(fā)現(xiàn), 中糯2號(hào)和蘇玉糯2號(hào)產(chǎn)量平均降幅均低于10%, 表現(xiàn)出高溫下穩(wěn)產(chǎn)的特性; 蘇玉糯901在高溫處理下產(chǎn)量的降幅為11.19%, 但在對(duì)照和高溫處理下的產(chǎn)量均高于中糯2號(hào)和蘇玉糯2號(hào), 表明該品種在高溫脅迫下也可獲得相對(duì)較高的產(chǎn)量。

3 討論

3.1 花期高溫對(duì)糯玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響

花期是玉米受精結(jié)實(shí)、產(chǎn)量建成的關(guān)鍵時(shí)期,亦是對(duì)高溫脅迫最為敏感的時(shí)期。本研究結(jié)果表明,花期高溫導(dǎo)致花粉活力下降, 結(jié)實(shí)率降低, 穗行數(shù)和行粒數(shù)減少, 禿尖長(zhǎng)度增加。產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的損失可能主要是由于高溫?zé)岷ζ茐牧斯夂蠙C(jī)構(gòu),限制了光合同化產(chǎn)物的積累和分配造成的, 導(dǎo)致干物質(zhì)積累不足, 造成產(chǎn)量降低[34-36]。本研究也發(fā)現(xiàn),高溫脅迫下葉片的葉面積指數(shù)、葉綠素含量(葉綠素a、葉綠素b和葉綠素a+b)以及PSII結(jié)構(gòu)和功能(Fv/Fm和Fv/Fo)均出現(xiàn)了不同程度的下降, 這與前期的研究結(jié)果相似[36-38]。綜上所述, 高溫脅迫影響糯玉米生長(zhǎng)發(fā)育可能主要是通過(guò)影響花粉活力, 降低結(jié)實(shí)率、限制光合和熒光效率, 影響光合同化產(chǎn)物的積累, 最終導(dǎo)致產(chǎn)量和產(chǎn)量構(gòu)成因素的降低。

3.2 糯玉米花期耐高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)的篩選

作物耐熱性是復(fù)雜的數(shù)量性狀, 受多種機(jī)制、眾多因素共同影響, 最終通過(guò)形態(tài)、生理生化、產(chǎn)量等一系列指標(biāo)表現(xiàn)出來(lái)。不同指標(biāo)對(duì)高溫脅迫的響應(yīng)也不盡相同, 因此, 選擇合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)是作物耐熱性鑒定的關(guān)鍵因素。以往研究中, 國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用隸屬函數(shù)等方法以多指標(biāo)、多性狀對(duì)飼料玉米耐熱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià), 篩選到不同的耐熱評(píng)價(jià)指標(biāo)[25-26,35]。朱亞迪等[25]通過(guò)逐步回歸分析、相關(guān)性分析等方法確定籽粒產(chǎn)量、穗粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、穗長(zhǎng)、穗粗、雄穗主軸著生小穂長(zhǎng)度和雄穗分枝長(zhǎng)度可作為玉米大喇叭口期耐熱能力的鑒定指標(biāo)。于康珂等[26]利用多元統(tǒng)計(jì)分析方法確定了以產(chǎn)量、百粒重、穗長(zhǎng)、穗粗和結(jié)實(shí)率可作為鑒定玉米花期耐熱性的主要指標(biāo)。文廷剛等[35]通過(guò)多元回歸分析等方法篩選出百粒重、結(jié)實(shí)率、氣生根數(shù)和穗上節(jié)長(zhǎng)占株高比作為玉米開(kāi)花期耐熱能力評(píng)價(jià)指標(biāo)。關(guān)媛等[38]對(duì)485份玉米自交系進(jìn)行耐熱性鑒定, 確定了以空稈率、穗位系數(shù)、單株籽粒重量和雌雄間差作為耐熱種質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。然而, 在糯玉米方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道, 缺乏耐高溫能力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究選取與糯玉米花期高溫相關(guān)的13個(gè)重要指標(biāo), 發(fā)現(xiàn)不同性狀受高溫脅迫影響的程度有所不同, 且大多數(shù)指標(biāo)間存在顯著或極顯著的相關(guān)性,說(shuō)明各指標(biāo)之間存在一定的信息重疊度, 因此, 直接利用這些指標(biāo)很難客觀、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)各品種的耐熱性, 也會(huì)影響耐高溫鑒定的結(jié)果。通過(guò)主成分分析, 將原來(lái)13個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換成3個(gè)新的相互獨(dú)立、代表性強(qiáng)的綜合指標(biāo), 并在此基礎(chǔ)上利用逐步回歸分析, 建立了最優(yōu)回歸方程: PV (預(yù)測(cè)值) =?9.766+3.874X12+5.116X6+1.603X1+0.962X11, 驗(yàn)證了方程的PV與綜合評(píng)價(jià)值(D)結(jié)果基本一致(精度在98%以上), 證明了該方程可有效地預(yù)測(cè)糯玉米品種耐高溫能力, 也進(jìn)一步明確了產(chǎn)量、Fv/Fm、葉面積指數(shù)和花粉活力可作為糯玉米花期耐熱性鑒定指標(biāo)。在糯玉米耐高溫品種(系)選育與鑒定過(guò)程中, 可以有針對(duì)性地測(cè)定與綜合評(píng)價(jià)值(D)密切相關(guān)的指標(biāo), 作為鑒定不同糯玉米品種(系)耐高溫能力的核心指標(biāo)。

本研究篩選到的耐高溫鑒定指標(biāo)與前人研究結(jié)果相比發(fā)現(xiàn)[25-26,35], 以產(chǎn)量為核心的農(nóng)藝性狀始終是玉米耐高溫能力的重要體現(xiàn), 而高溫條件下光合熒光特性和花粉活力也與花期糯玉米耐熱性密切相關(guān)。由此可見(jiàn), 除豐產(chǎn)性是糯玉米耐高溫能力的重要外在表現(xiàn)外, 良好的光合熒光特性、較高的花粉活力也是衡量糯玉米耐熱能力的重要指標(biāo)。

3.3 糯玉米品種花期耐高溫能力的鑒定

作物耐高溫鑒定的最終目的是劃分供試材料的耐熱等級(jí), 篩選耐高溫品種, 以此來(lái)降低高溫?zé)岷?duì)糯玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響。本研究中以耐高溫綜合評(píng)價(jià)值(D)為依據(jù), 對(duì)供試糯玉米品種進(jìn)行耐高溫能力排序, 并通過(guò)聚類分析將所測(cè)的品種分成三大類:其中中糯2號(hào)、蘇玉糯2號(hào)和蘇玉糯901為耐熱型品種, 蘇玉糯11、蘇玉糯639和焦點(diǎn)糯517為高溫敏感型品種, 蘇玉糯1803、蘇玉糯802、蘇玉糯1502和蘇玉糯1704為中等耐熱型品種。前人對(duì)多個(gè)耐熱指標(biāo)篩選中發(fā)現(xiàn), 產(chǎn)量被認(rèn)為是評(píng)價(jià)玉米耐熱性的關(guān)鍵指標(biāo)[25-26]。本研究發(fā)現(xiàn), 高溫處理下耐熱品種的產(chǎn)量下降比例最小, 而敏感型品種產(chǎn)量下降幅度最大, 這一結(jié)果與多元統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果基本一致, 同樣也說(shuō)明我們選用的這種評(píng)價(jià)方法是可行的。

本研究篩選到的耐熱性較好的品種可能是通過(guò)維持高溫下較高的葉面積指數(shù)和PSII最大光化學(xué)效率來(lái)積累較多的光合同化產(chǎn)物以提供足夠的“源”供應(yīng); 同時(shí)確保較高的花粉活力保證正常授粉受精過(guò)程, 維持較大的“庫(kù)”容量, 最終降低了高溫脅迫對(duì)耐熱型品種產(chǎn)量的負(fù)面影響。此外, 本研究篩選到的耐高溫品種中糯2號(hào)、蘇玉糯2號(hào)和蘇玉糯901可在長(zhǎng)江中下游地區(qū)特別是高溫年份進(jìn)行推廣種植,以減輕高溫?zé)岷?duì)糯玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)10個(gè)糯玉米品種的13個(gè)農(nóng)藝、生理指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)分析, 篩選到3個(gè)耐熱性較強(qiáng)的品種,分別為蘇玉糯2號(hào)、中糯2號(hào)和蘇玉糯901。通過(guò)主成分分析、隸屬函數(shù)法、聚類分析等方法綜合分析得出產(chǎn)量、Fv/Fm、葉面積指數(shù)和花粉活力可作為糯玉米花期耐熱性評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。

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