高密度脅迫下玉米自交系耐密性鑒定指標篩選及綜合評價

王富貴 于曉芳 李懿璞 蘇治軍 包海柱 胡樹平 劉劍 王志剛 高聚林

摘要： ?為探討不同玉米自交系的耐密性，篩選耐密性鑒定指標，選取20份玉米自交系材料，設置12萬株/hm2 和15萬株/hm2 2個種植密度，調查玉米單株產(chǎn)量、生物量、形態(tài)及光合特性等指標，用指標歸一化分析、模糊隸屬函數(shù)法分析及聚類分析對自交系耐密性進行綜合評價。結果表明，不同指標在玉米自交系間呈顯著差異；以各指標相對值的變異系數(shù)≥15%作為篩選標準，選出相對單株產(chǎn)量、相對莖粗、相對干物質積累量、相對葉綠素相對含量、相對禿尖長和相對行粒數(shù)6個指標作為耐密性評價指標；利用指標歸一化的變異系數(shù)作為權重，采用模糊隸屬函數(shù)綜合指數(shù)對玉米自交系進行耐密性評價，發(fā)現(xiàn)其綜合指數(shù)差異較大；進一步利用綜合指數(shù)進行聚類分析，將20份自交系材料分為強耐密、中度耐密和弱耐密3個類型，且不同類型玉米自交系間6個主要指標差異顯著。在相同處理條件下，通過測定相對單株產(chǎn)量、相對莖粗、相對干物質積累量、相對葉綠素相對含量、相對禿尖長和相對行粒數(shù)6個指標，可以對玉米自交系耐密性進行評價。

關鍵詞： 高密度脅迫；玉米自交系；耐密性；模糊隸屬函數(shù)；綜合評價

中圖分類號：S513.037 ?文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）02-0040-06

玉米是我國重要的糧食作物，同時也是集飼料、油料和 加工為一體的多種用途作物，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對發(fā)展國民經(jīng)濟和保障糧食安全至關重要［1］。合理增密是目前生產(chǎn)中實現(xiàn)玉米高產(chǎn)的主要措施之一［2-3］。通過選擇種植耐密性強的玉米雜交種，增加群體密度來實現(xiàn)產(chǎn)量的再提升［4-5］，而創(chuàng)制和推廣耐密型雜交種成為玉米育種的關鍵。玉米自交系是育種基礎種質資源，其耐密性強弱決定了玉米雜交種的耐密性［6］，因此，優(yōu)良耐密性強的自交系是培育高產(chǎn)耐密植玉米雜交種的關鍵，也是玉米耐密性育種工作的難點所在［7-8］。

關于玉米耐密性的研究很多，主要集中在雜交種上，但評價指標也因研究目的不同而不一致。前人提出單株產(chǎn)量耐密系數(shù)可以將玉米耐密性進行量化處理，可初步對玉米的耐密性進行評價［9］。李曉鵬等的研究表明，穗位高、穗位系數(shù)、莖稈基部節(jié)間強度、棒三葉莖葉夾角、棒三葉葉面積、田間倒伏率等6個指標，可以對玉米耐密自交系進行篩選［10］。雷志剛等采用36份國內(nèi)骨干玉米自交系對不同年代玉米自交系的產(chǎn)量及產(chǎn)量構成因素與散粉—吐絲間隔期（ASI）的關系進行了研究，ASI與產(chǎn)量顯著負相關，ASI可作為自交系耐密性選擇的重要參考［11］。齊建雙等認為，對玉米自交系耐密性的預測可以采用耐密系數(shù)與ASI、空稈率、單株產(chǎn)量相結合的方法［12］。任小燕等的研究表明，耐密性強的玉米自交系隨著密度的增加，穗三葉葉向值增大，株高、穗位高和莖稈強度變化小，產(chǎn)量有上升趨勢［13］。還有很多類似關于玉米自交系耐密性的研究報道［14-18］。進一步說明，玉米自交系耐密性的篩選與評價是一個比較復雜的問題［19］，并且在玉米育種領域也還沒形成一致的標準［11］。因此，必須在高種植密度壓力下，從玉米自交系的單株產(chǎn)量、生物量、形態(tài)和光合性狀等多方面進行評價，進一步認識玉米自交系耐密性［20-22］。

不同玉米自交系的生長發(fā)育對種植密度變化從不同方面進行響應，因此，玉米自交系對高密度脅迫的響應及其耐密性強弱的正確評價難以用單指標客觀、準確地反映。對耐密性玉米自交系有效準確地篩選與評價需采用綜合評價方法以及適宜的指標。對玉米自交系耐密性綜合評價與篩選采用隸屬函數(shù)法［23-24］，可避免單個指標評價的不足，使各自交系耐密性差異具有可比性。

本研究采用課題組前期試驗篩選出的耐密性不同的10個玉米雜交種的20份親本自交系為供試材料［25-26］，研究13個與玉米耐密性密切相關的指標，并進行指標歸一化分析、模糊隸屬函數(shù)法分析及聚類分析，探尋高密度脅迫下玉米自交系耐密性鑒定和評價指標，篩選出耐密性強的玉米種質資源，為玉米自交系耐密性的篩選及評價和創(chuàng)制耐密性玉米新種質資源提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點及肥力狀況

2020—2021年，試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學職業(yè)技術學院的中國·敕勒川現(xiàn)代農(nóng)業(yè)博覽園（40°35′N，110°34′E）進行；試驗地前茬作物為玉米，土質為沙壤土，耕層（0～30 cm）土壤基礎肥力見表1。

1.2 試驗材料

供試材料為20份玉米自交系（表2），來源于筆者 所在課題組玉米研究中心種質資源庫及其他育 種單位饋贈。

1.3 試驗設計

采用裂區(qū)試驗設計，種植密度為主區(qū)，分別為12萬株/hm2（D1）和15萬株/hm2（D2），不同玉米自交系為副區(qū)；9行區(qū)，行長6 m，等行距種植，行距為0.6 m，面積為32.4 m2，重復3次；分別于2020年4月28日和2021年4月25日播種，2020年10月4日和2021年10月3日收獲測產(chǎn)。施純N 225 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2；其中，磷鉀肥作基肥播種時一次性施入，氮肥按質量比為3 ∶ 7于拔節(jié)期和大喇叭口期施用，其他田間管理方式與大田生產(chǎn)一致。

1.4 測定指標

灌漿期，測定株高（X1）、穗位高（X2）及莖稈基部以上第3節(jié)莖粗（X3）；吐絲期，測定穗位葉片葉綠素相對含量（X4）、凈光合速率（X5）、干物質積累量（X6）；成熟收獲后，在考種時測定果穗樣品的穗長（X7）、穗粗（X8）、禿尖長（X9）、穗行數(shù)（X10）、行粒數(shù)（X11）、千粒質量（X12）及單株產(chǎn)量（X13）。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2016及DPS軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析，采用t檢驗和LSD法進行顯著性比較；采用SPSS 25.0進行聚類分析（歐氏距離-離差平方和法）；2年玉米自交系產(chǎn)量數(shù)據(jù)差異不顯著（表3），因此其他性狀指標分析時采用2年平均值。相關性狀計算如下［26-27］：

Xij=高密度處理指標值/低密度處理指標值； ?（1）

Pij= （Xij-Xijmin） （Xijmax-Xijmin） ； ?（2）

或 Pij= （Xijmax-Xij） （Xijmax-Xijmin） ； ?（3）

Wj= CVj ∑ 13 j=1 CVj ； ?（4）

Pi=∑ 13 j=1 Pij×Wj。 ?（5）

式中，Pij 為第i個供試材料第j個性狀的隸屬函數(shù)值；Xijmax為供試材料第 j個性狀的最大值；Xijmin為供試材料第 j 個性狀的最小值； Wj為供試材料第 j 個性狀值歸一化變異系數(shù)的權重；CVj為供試材料第j個指標的變異系數(shù)；Pi為第i個供試材料的耐密性綜合評價指數(shù)。公式（2）適用于性狀值大反映耐密性強的性狀指標，公式（3）則相反。

2 結果與分析

2.1 不同玉米自交系籽粒產(chǎn)量差異

對20份玉米自交系籽粒產(chǎn)量在年份、密度和自交系之間的方差分析結果（表3）表明，籽粒產(chǎn)量在密度和自交系間均呈極顯著差異，在試驗年份間差異不顯著，在密度與自交系互作間差異極顯著，在其他互作間差異不顯著。

2.2 玉米自交系形態(tài)和光合特性方差分析

對20份玉米自交系植株形態(tài)、生物量、光合特性及單株產(chǎn)量等13個相關指標進行方差分析，結果（表4）表明，D2與D1處理相比，株高、凈光合速率和穗行數(shù)均差異顯著，其他各性狀指標差異極顯著；不同玉米自交系間各性狀指標均差異極顯著；密度與自交系對株高、穗位高和穗行數(shù)無互作效應，對其他各性狀指標互作顯著或極顯著。

2.3 玉米自交系耐密性指標篩選

由表5可知，與D1處理相比，D2處理下玉米自交系單株產(chǎn)量、生物量、形態(tài)和光合性狀呈顯著或者極顯著差異。隨著密度脅迫的進一步提高，玉米自交系株高和穗位高分別升高了4.6%和6.7%，莖粗降低了22.3%；葉綠素相對含量和凈光合速率分別降低了21.1%和20.9%；干物質積累量隨著種植密度的增大而下降，下降幅度為21.8%；由于密度的增加自交系穗部性狀發(fā)生變化，穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)和千粒質量呈降低趨勢，分別降低8.8%、7.1%、3.7%、22.6% 和6.9%，而禿尖長增大140.0%；單株產(chǎn)量降低了28.2%。

由表5可知，高密度脅迫下，單株產(chǎn)量、株高、穗位高、莖粗、干物質積累量、葉綠素相對含量、凈光合速率、禿尖長、行粒數(shù)、千粒質量等10個指標在不同玉米自交系之間的變異系數(shù)較大，均高于15%，分別為25.20%、17.24%、27.54%、15.37%、24.04%、19.07%、19.61%、83.43%、21.56%和17.73%；而單株產(chǎn)量、莖粗、干物質積累量、葉綠素相對含量、禿尖長和行粒數(shù)6個性狀指標的相對值的變異系數(shù)也較大（變異系數(shù)≥15%），分別為19.15%、16.17%、16.17%、15.59%、40.32%、17.35%；因此，選擇玉米自交系耐密性評價指標可以采用上述6個性狀指標的相對值。

2.4 玉米自交系耐密性評價

2.4.1 玉米自交系耐密性評價指標的權重 由表6可知，將指標相對值變異系數(shù)進行歸一化處理后，6個變異系數(shù)較大的指標權重大小不同，權重最大的是相對禿尖長，為32.3%，相對單株產(chǎn)量次之，為15.4%，相對葉綠素相對含量最小，為12.5%。

2.4.2 玉米自交系模糊隸屬函數(shù)綜合評價 不同玉米自交系耐密性模糊隸屬函數(shù)綜合指數(shù)高低差異較大（表7），分布在0.008～0.963范圍之內(nèi)，耐密性較強的前5個自交系分別為PH4CV、L269、鄭58、昌7-2、KW7M14，耐密性較弱的5個自交系分別為k12、Mo17、M5168、R37和PH6WC。

2.5 玉米自交系聚類分析

由圖1可知，對玉米自交系模糊隸屬函數(shù)綜合指數(shù)采用離差平方和法進行聚類分析，發(fā)現(xiàn)20份玉米自交系在距離為5時可分成3類。第Ⅰ類是強耐密型，包括鄭58、昌7-2、L201、KW7M14、PH4CV、L269、KW4M029，共7份自交系材料；第Ⅱ類為中間型，共7份自交系材料，包括M3401、DH382、浚92-8、P2、DH351、444和巴816；第Ⅲ類是弱耐密型，包括k12、Mo17、R37、M5168、9058、PH6WC，共6份自交系材料；表明不同玉米自交系對增加種植密度的反應差異較大。

2.6 不同耐密類型玉米自交系主要指標對高密度脅迫的響應

根據(jù)玉米自交系耐密性聚類分析的結果，通過比較不同耐密類型的玉米自交系6個篩選指標的相對值（表8）發(fā)現(xiàn)，各指標相對值差異顯著。與D1處理相比，在D2處理條件下，強耐密型玉米自交系莖粗、干物質積累量、葉綠素相對含量、行粒數(shù)的相對值分別降低了6.3%、6.9%、7.1%、6.6%，禿尖增大了59.9%；弱耐密型玉米自交系莖粗、干物質積累量、葉綠素相對含量、行粒數(shù)和單株產(chǎn)量相對值分別降低了33.9%、35.1%、34.4%、36.0%，禿尖增大了294.0%。與弱耐密型玉米自交系相比，強耐密型玉米自交系莖粗、干物質積累量、 葉綠素相對 含量、行粒數(shù)和單株產(chǎn)量的相對值分別提高了41.8%、43.5%、41.6%、45.9%、52.6%，相對禿尖長降低了59.4%，以相對禿尖長的變化最大，說明高密度脅迫下強耐密型玉米自交系禿尖的增長幅度小于弱耐密型。

3 討論與結論

前人在耐密型玉米自交系的評價和耐密性差異性比較方面做了大量有價值的研究，在指標選取方面，莖稈基部節(jié)間強度、棒三葉形態(tài)特性、ASI、穗位系數(shù)、田間倒伏率、空稈率、單株產(chǎn)量、耐密系數(shù)等均可作為耐密性評價指標［9-13］，但大部分評價采用單個或少數(shù)幾個指標進行，存在一定的片面性，而玉米自交系的耐密性評價是多系統(tǒng)的綜合性問題，須采用適宜指標綜合評價其耐密性的強弱。因此，筆者所在課題組前期在玉米高產(chǎn)品種耐密性生理機制研究中，提出了利用指標歸一化變異系數(shù)作為權重后，再采用模糊隸屬函數(shù)綜合指數(shù)對玉米品種進行耐密性綜合比較分析的方法，該方法考慮了各評價指標的優(yōu)先序，克服了傳統(tǒng)方法利用單一指標評價的局限性，彌補了單一或少數(shù)幾個指標評價的不足；但此方法對玉米耐密性的評價是在10.5萬株/hm2密度下進行的，是對雜交種的耐密性評價［27-28］。而耐密自交系的選擇需要高密度、強脅迫，密度越高指標的差異越大［29］，現(xiàn)有雜交種的指標顯然不適宜自交系的評價，須進一步建立玉米自交系耐密性評價的指標體系。

本研究在15萬株/hm2高密度脅迫下，對株高、莖粗、干物質積累量、葉綠素相對含量、光合速率等指標進行了分析，并利用各個指標的相對值對自交系的耐密性進行了評價，各指標對高密度脅迫的敏感程度可以通過其相對值（高低密度水平下的比值）來反映，高密度脅迫對不同玉米自交系各指標的影響程度可以通過其相對值的變異系數(shù)來反映，變異系數(shù)越大，各性狀指標對種植密度脅迫的響應差異越明顯［26］。因此，本試驗通過比較各指標相對值及其變異系數(shù)的大小，得到玉米自交系耐密性強弱的評價指標，分別為單株產(chǎn)量、莖粗、干物質積累量、葉綠素相對含量、禿尖長和行粒數(shù)的相對值。

種植密度對玉米自交系生長發(fā)育的影響是多方面的，其耐密性是一個綜合的生理反應，容易受到自身綜合性狀及外界環(huán)境的干擾，導致玉米自交系間耐密性存在顯著差異［12］，應該對其進行綜合分析和評價。本研究中采用指標歸一化變異系數(shù)作為權重，進一步利用模糊隸屬函數(shù)對玉米進行耐密性綜合評價，玉米自交系耐密性模糊隸屬函數(shù)綜合指數(shù)大小差異較大，進一步利用綜合指數(shù)進行聚類分析，將20份自交系材料分為3類，第Ⅰ類是耐密性強的玉米自交系，共7份自交系材料，占比為35%，第Ⅱ類為中間型，共7份自交系材料，占比為35%，第Ⅲ類是耐密性弱的自交系，共6份自交系材料，占比為30%。玉米自交系是育種基礎種質資源，其耐密性強弱決定了玉米雜交種的耐密性［6］。利用本試驗建立的綜合評價指標篩選出7份優(yōu)良的強耐密型自交系，分別為鄭58、昌7-2、L201、KW7M14、PH4CV、L269、KW4M029，已培育出很多耐密性強的玉米審定品種［30-31］；進一步驗證了本研究篩選方法的準確及有效性和篩選指標的代表性。

將20份玉米自交系分為強耐密、中度耐密和弱耐密3個類型；在相同處理情況下，可以通過測定相對單株產(chǎn)量、相對莖粗、相對干物質積累量、相對葉綠素相對含量、相對禿尖長和相對行粒數(shù)6個指標對玉米自交系耐密性進行評價；在高密度脅迫下，與弱耐密型相比，強耐密型自交系耐密性強的主要原因可能是其莖粗下降幅度低，干物質積累量高，穗位葉較高的葉綠素相對含量能保證光合同化物的合成，減少禿尖的產(chǎn)生，穩(wěn)定穗粒數(shù)，減緩單株產(chǎn)量的下降。

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收 稿日期：2023-07-06

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學校科學研究項目（編號：NJZY21521）；內(nèi)蒙古自治區(qū)直屬高?；究蒲袠I(yè)務費項目（編號：BR220151）；內(nèi)蒙古自治區(qū)自然科學基金（編號：2023QN03042）；內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學動植物品種培育（選育）專項（編號：YZGC2017005）；國家玉米產(chǎn)業(yè)技術體系項目（編號：CARS-02-63）；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北黃土高原地區(qū)作物栽培科學觀測實驗站項目（編號：25204120）；內(nèi)蒙古自治區(qū)作物栽培與遺傳改良重點實驗室項目。

作者簡介：王富貴（1985—），男，甘肅會寧人，博士，講師，從事作物生理生態(tài)研究。E-mail：fgwang2008@163.com。

通信作者：高聚林，博士，教授，從事作物生理生態(tài)研究，E-mail：nmgaojulin@163.com；王志剛，博士，教授，從事寒旱區(qū)作物栽培生理生態(tài)研究，E-mail：imauwzg@163.com。