玉米自交系花期耐熱性分析

摘要：花期是玉米對高溫最敏感的時期，此階段遭受高溫會使玉米產(chǎn)量急劇下降。耐熱玉米品種的應用是緩解高溫脅迫最簡單有效的措施。鑒定玉米自交系的耐熱性，對耐熱玉米品種選育尤為重要。以45個玉米自交系為試材，研究高溫對不同玉米自交系的電導率、葉綠素含量、丙二醛含量以及產(chǎn)量構成因素的影響，并對45個玉米自交系品種花期耐熱性進行綜合評價。結果表明，各玉米自交系在高溫脅迫下，電導率、丙二醛含量均增加；穗長、穗粗、行粒數(shù)和穗行數(shù)等產(chǎn)量相關指標顯著下降（P<0.05）。且不同基因型玉米間存在顯著差異。綜合不同玉米自交系各性狀耐熱系數(shù)的相關性分析、隸屬函數(shù)分析、主成分分析及聚類分析篩選出17個耐高溫自交系，分別為親本7、OPVZM305、OPVZM105、P0646、P94、P89-4、P220、Pac46、P98、PH3、543.178、P283、X1132XA、P4584、P599、SAIBL8、SA9。最后根據(jù)各指標與綜合評價D值的相關性分析和灰色關聯(lián)度分析，確定穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)、粒長和丙二醛含量可作為玉米自交系花期耐熱能力的鑒定指標。本研究選出的耐熱種質和耐熱指標可為今后耐熱玉米育種提供重要依據(jù)和材料基礎。

關鍵詞：花期；玉米；高溫脅迫；篩選

中圖分類號：S513.01；S428 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2024）18-0113-08

收稿日期：2023-10-25

基金項目：河北省自然科學基金（編號：C2021301070）；引進留學人員資助項目（編號：C20210361）。

作者簡介：張思琪（1999—），女，河北承德人，碩士研究生，主要從事作物抗逆研究。E-mail：3397872239@qq.com。

通信作者：趙 璞，博士，副研究員，主要從事作物遺傳育種研究，E-mail：zhaopu2009@126.com；楊 晴，碩士，教授，主要從事玉米栽培技術研究，E-mail：yangqingxy@163.com。

隨著全球變暖趨勢的加劇，高溫已成為作物生產(chǎn)中最重要的影響因子^［1］。高溫脅迫造成了世界糧食作物產(chǎn)量明顯減少。玉米在我國三大糧食作物中居于首位，是關系到我國糧食安全的主要農(nóng)作物。高溫脅迫造成玉米葉綠素含量和葉面積指數(shù)減少，細胞膜及抗氧化系統(tǒng)損傷，光合速率減弱，從而影響玉米的生長發(fā)育，并最終影響產(chǎn)量^［2-5］。玉米在不同生育期對高溫的敏感程度也有所不同。玉米的開花期對高溫最為敏感^［6］。張川等研究發(fā)現(xiàn)，花期高溫導致玉米穗粒數(shù)減少62.53%，產(chǎn)量降幅高達45.87%^［7］；單晶等也研究發(fā)現(xiàn)，花期高溫顯著降低夏玉米凈光合速率，干物質積累速率^［8］。

相較于其他栽培措施，應用耐熱玉米品種是防御高溫脅迫最為經(jīng)濟、高效的途徑^［9］。分析玉米自交系的耐熱性將有利于耐熱玉米育種。滕元旭等對21個玉米自交系的耐熱性進行了深入研究，并構建了一個玉米自交系的耐熱評估體系，這為耐熱玉米自交系的培養(yǎng)和鑒定提供了堅實的理論支撐^［10］。楊杰連續(xù)2年對26個來自國內外的玉米骨干自交系進行耐熱性的鑒定和評估發(fā)現(xiàn)了4個表現(xiàn)出極高耐高溫特性的自交系，都是國外的優(yōu)質種質，這些種質可以用于玉米耐高溫的基礎研究和遺傳改良^［11］。耐熱性是一個復雜的性狀，很難通過單一指標表現(xiàn)，需要多個指標進行多元統(tǒng)計分析，包括主成分分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析等方法。目前，多元統(tǒng)計分析已經(jīng)在植物的耐逆性評價中得到大量應用，例如小麥的耐熱性、大豆的耐陰性以及綠豆的耐鹽性等^［12-14］。宋旭東等對10個糯玉米品種進行花期增溫處理，采用主成分分析、隸屬函數(shù)法、聚類分析和逐步回歸分析相結合的方法，篩選出3個耐高溫品種^［15］；朱亞迪通過多元統(tǒng)計分析大喇叭口期35個品種的耐熱型，篩選出了6個耐高溫品種^［16］。篩選到的耐熱品種可更好地抵御高溫帶來的危害，降低產(chǎn)量損失，為今后的育種提供理論依據(jù)。

目前，有關高溫的研究主要集中于高溫脅迫對玉米生長發(fā)育、籽粒建成和生理的影響，針對不同基因型玉米自交系進行耐熱分析篩選的研究相對較少，因此，本試驗以45個包括引進種質在內的玉米自交系為材料，在花期采用大棚加溫進行高溫脅迫處理。通過對玉米自交系生理指標和產(chǎn)量相關指標的測定，篩選出耐高溫自交系品種，為選育和推廣耐高溫品種提供支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試玉米自交系為包括引進種質的45個生育期相近的引進玉米自交系（表1），種子由河北省農(nóng)林科學院生物技術與食品科學研究所提供。

1.2 試驗設計

試驗于2022年在河北省石家莊市鹿泉區(qū)河北省農(nóng)林科學院農(nóng)業(yè)綜合實驗園區(qū)進行。試驗采用隨機區(qū)組設計，5行區(qū)，行長3 m，行距0.6 m，周圍設大田對照（CK）、高溫脅迫（HT）2個處理。試驗采用50 m×16 m×5 m（長×寬×高）高溫棚高溫處理，增溫時覆蓋95%透光率的樹脂膜，頂部密封90%，并均勻留有10%的間隙，便于氣體交換。播種時按生育期微調播種時間，以便所有參試自交系在相同時間段進入花期。從抽雄階段開始實施增溫措施，使得棚內的溫度比外部環(huán)境高出3～5 ℃，直至抽雄吐絲階段完結。在此期間，每天08：30—17：30用覆膜來提高溫度，并使用溫濕計來記錄整個群體的穗位溫度和相對濕度。以棚外正常生長的玉米作為比較。當高溫脅迫結束后，需要移除高溫棚膜，確保玉米在自然環(huán)境中正常生長。在高溫處理過程中，光照度和相對濕度等生長環(huán)境與高溫棚外的環(huán)境保持一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 相對電導率的測定

用清水沖洗葉片3次，然后用蒸餾水沖洗，用濾紙吸干表面水分，將葉片切成1 cm²的葉塊。將樣品放入裝有10 mL去離子水的樣品管中，蓋緊密封，在室溫下浸泡12 h。使用電導率儀測定提取物的電導率（R₁），然后將樣品在沸水浴中加熱30 min，冷卻至室溫，搖勻，再次測定提取物的電導率（R₂）。相對電導率=R₁/R₂×100%。

1.3.2 葉綠素含量的測定

于花期用葉綠素測定儀（托普云農(nóng)）測定穗位葉葉片SPAD值。

1.3.3 丙二醛含量的測定

丙二醛含量的測定按照蘇州科銘生物技術有限公司提供的丙二醛試劑盒的測定方法進行。

1.3.4 產(chǎn)量相關性狀的測定

在成熟期，每個小區(qū)隨機選取有代表性的20個果穗，測定粒長、粒寬、穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒重等產(chǎn)量指標。

1.4 統(tǒng)計方法

采用 Microsoft Excel 2019 進行數(shù)據(jù)處理和分析，SPSS軟件進行主成分分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析及灰色關聯(lián)度分析。相關指標計算公式如下^［16-18］：

各個指標性狀的耐熱系數(shù)（HTC）：

HTC=熱脅迫性狀值/對照性狀值。（1）

主成分分析：根據(jù)特征值大于1的準則提取主成分（與抗逆性負相關的指標，取倒數(shù)進行主成分分析）。

隸屬函數(shù)值：U（X_j）=（X_j-X_min）/（X_max-X_min）；j=1，2，3，…，n。（2）

式中：X_j 表示第j個綜合指標；X_min和X_max分別表示每個主成分上各性狀指標得分值的最小值和最大值。

權重：W_j = P_j/∑nj=1P_j。（3）

式中：W_j 表示第j個主成分的權重；P_j表示提取的主成分所對應的特征值；

綜合耐熱評價值：D=∑nj=1［U（X_j）×W_j］。（4）

2 結果與分析

2.1 花期高溫對玉米自交系主要性狀的影響

由圖1可知，花期高溫導致不同玉米自交系產(chǎn)量相關性狀和生理指標發(fā)生改變。在生理指標方面，高溫脅迫下各自交系與CK相比，葉綠素相對含量（SPAD值）平均下降了0.02%，相對電導率（REC）和丙二醛（MDA）含量較CK分別增加4.2%和8.2%。在產(chǎn)量構成因素方面，與CK相比，高溫脅迫導致粒長（GL）、粒寬（GD）、穗長（EL）、穗粗（ED）、行粒數(shù)（KPR）、穗行數(shù)（ERN）和穗干重（EDW）的均值分別降低5.7%、1.4%、8.1%、3.5%、12.6%、1.9%和51.6%。綜上，花期高溫使45個自交系品種的粒長、粒寬、穗長、穗粗、穗粒數(shù)、行粒數(shù)和穗干重與CK相比均減少，相對電導率和丙二醛含量較CK均增加。

2.2 花期高溫對玉米自交系各性狀耐熱系數(shù)的影響

由表2可知，花期高溫明顯影響玉米品種各項指標的耐熱系數(shù)。高溫處理下，大多數(shù)指標耐熱系數(shù)降低。在各項指標的耐熱系數(shù)中，穗干重的耐熱系數(shù)較小，平均值為0.5。 從各性狀耐熱系數(shù)的相關性（表3）來看，除了丙二醛含量、粒寬外，各性狀的耐熱系數(shù)與其他1個或多個性狀顯著或極顯著相關。相對電導率與葉綠素含量顯著負相關。產(chǎn)量相關指標間的相關性較高，粒長與穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)和穗干重呈極顯著正相關關系，穗長與穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)極顯著正相關，穗粗與行粒數(shù)和穗行數(shù)極顯著正相關，行粒數(shù)與穗行數(shù)極顯著正相關，穗干重與粒長、穗長、穗行數(shù)和行粒數(shù)極顯著正相關。由于各項指標間存在或大或小的相關性，導致它們所提供的信息發(fā)生重疊，直接利用單項指標難以準確地評價各玉米自交系的耐熱性，需在此基礎上利用多元統(tǒng)計方法進一步分析。

2.3 玉米自交系單項指標的耐熱系數(shù)主成分分析

通過對10個性狀的耐熱系數(shù)進行主成分分析（表4），并根據(jù)特征值大于1的準則，識別出3個主要成分，累計貢獻率達到64.11%，這3個主成分具有很高的信息代表性，因此它們可以用于總結和分析不同玉米品種的耐熱性。主成分1的貢獻率達到了38.25%，它主要反映了穗干重、粒長、穗長、穗粗、行粒數(shù)和穗行數(shù)這6個性狀分量。而主成分2的貢獻率為15.23%，它主要揭示了相對電導率、葉綠素含量和粒寬這3個性狀分量的特性。主成分3的貢獻率達到了10.63%，這主要是反映丙二醛含量。

2.4 玉米自交系耐熱性綜合評價

依據(jù)“1.4”節(jié)中的公式，計算不同綜合指標條件下各個自交系的隸屬函數(shù)值以及各個綜合指標的權重，3個綜合指標權重分別是0.60、0.24、0.17（表5）。 用公式（4）計算耐熱性綜合評價D值，根據(jù)D值大小判斷不同品種的耐熱性。由表5可知，親本7的D值最大，為0.710，表明其耐熱性較強；P58的D值最小，為 0.206，說明其對高溫脅迫敏感。

采取平方歐氏距離法對綜合評價D值進行系統(tǒng)聚類，在距離為10處可將45個玉米自交系分成3類，其中耐熱型品種有17個，分別為親本7、OPVZM305、OPVZM105、P0646、P94、P89-4、P220、Pac46、P98、PH3、543.178、P283、X1132XA、P4584、P599、SAIBL8、SA9；中等耐熱品種有19個，分別為P477-H、南非2、P0882、P10-77、P758、P4404-1、HHL、P755、SAIBL5、SAIBL9、SA5、SA14、南非6、Pac0887、P36、P445-1、P91、P298、K34。熱敏品種有9個，為P416-1、P767、P58 、SA23、OPVZM621、OPVZM6479、親本16、SAIBL16、鄭58。

2.5 各指標耐熱系數(shù)與綜合評價D值的相關性分析

通過對各個單項指標的耐熱系數(shù)以及綜合評價D值的相關性分析發(fā)現(xiàn)，D值與各玉米自交系的穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)、粒長和丙二醛含量的相關性最高，這6個指標可以用于評估玉米自交系在花期的耐熱性（表6）。

2.6 各指標耐熱系數(shù)與綜合評價D值的灰色關聯(lián)度分析

通過灰色關聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，在花期高溫脅迫下，行粒數(shù)與綜合評價D值之間的關聯(lián)度最高，達到0.765，而干重與綜合評價D值的關聯(lián)度最低，僅為0.636（表7）。綜合來看，與D值的綜合評估緊密相關的指標包括行粒數(shù)、穗長、穗粗、MDA含量、粒長、穗行數(shù)以及粒寬。

3 討論

植物對高溫脅迫的響應是一個復雜而協(xié)調的生物調控過程，會引起植物形態(tài)結構的改變。開花期高溫脅迫對玉米生長發(fā)育和產(chǎn)量都有不利影響。本研究結果表明，花期高溫顯著降低了不同玉米品種的穗長、穗粗和穗行數(shù)等產(chǎn)量構成要素，與朱亞迪等的研究結果^［16］一致；增加了相對電導率及丙二醛含量，這與Shao等的研究結果^［19］一致。

作物耐熱性是個復雜性狀，需要通過多個性狀指標綜合表現(xiàn)出來，同時每個性狀在特定品種上貢獻度也不相同^{［201cabe75923caae26601048f98e39696c5920390245ab6a9e8ee4178766aa60f1］}，且性狀間具有一定相關性，因此為進一步綜合評價各品種的耐熱性，需通過多元分析的方法建立起一個相對可靠的評價體系^［21-24］。為此，本研究選用多元統(tǒng)計分析對45個玉米自交系在開花期耐熱程度進行評價。用主成分分析法找出3個具有代表性主成分，然后根據(jù)每個自交系品種的綜合指標值，通過隸屬函數(shù)法計算每個品種的隸屬函數(shù)值，最后再結合權重計算D值。根據(jù)D值進行聚類分析，篩選出17個耐高溫自交系品種。通過把主成分分析和隸屬函數(shù)分析方法相結合，不但考察了單一性狀的重要性，還兼顧到指標之間關系以及指標與耐熱性的交叉聯(lián)系，并由此進行了比較全面的評述^［16］。但是，利用主成分分析得出的綜合指數(shù)并沒有充分顯示原始指數(shù)中所蘊涵的全部信息，這代表著其總貢獻率低于100%。為了使D值的綜合評估更為準確，未來的研究應當測量更多的指標并增加主成分的信息量。

花期是對高溫最敏感的時期，此階段經(jīng)受高溫會影響玉米生長發(fā)育及授粉結實，嚴重威脅玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)^［25-26］，而耐熱性強的品種可以使玉米承受較少的傷害。本研究篩選到的耐高溫自交系親本7、OPVZM305、OPVZM105、P0646、P94、P89-4、P220、Pac46、P98、PH3、543.178、P283、X1132XA、P4584、P599、SAIBL8、SA9可為今后耐熱品種的選育提供依據(jù)。

4 結論

通過對45個玉米自交系的10個生理指標和產(chǎn)量相關指標的多元統(tǒng)計分析，篩選到17個耐熱性較強的自交系品種，分別為親本7、OPVZM305、OPVZM105、P0646、P94、P89-4、P220、Pac46、P98、PH3、543.178、P283、X1132XA、P4584、P599、SAIBL8、SA9。根據(jù)各指標與綜合評價D值的相關性分析和灰色關聯(lián)度分析，確定穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)、粒長和丙二醛含量可作為玉米自交系花期耐熱能力的鑒定指標。

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