西南地区玉米苗期抗旱品种筛选

田山君，杨世民，孔凡磊，袁继超*

(1.四川农业大学农学院，四川温江611130;2.农业部西南作物生理生态与耕作重点实验室，四川温江611130)

众多作物中，玉米(Zea mays)不仅可作口粮消费，也是畜牧业、饲料业发展的基础［1］，同时还是医药、化工的重要原料［2］，人均占有玉米数量已是衡量国家畜牧业发达水平和生活水平高低的一个重要标志。我国西南地区的玉米种植方式主要为春播，此时旱情严重［3-4］，而玉米全生育期内需水量大，水分胁迫是导致其减产最主要的因子之一［5-8］。作物的抗旱性是由多基因控制的数量性状［9-10］，前人研究表明干旱对玉米生育过程中各项指标均存在不同程度的影响。水分亏缺显著抑制细胞分裂，对细胞体积增长的抑制尤为明显，导致玉米植株矮小，叶片生长缓慢;且脱水破坏了细胞膜的有序结构，导致膜出现龟裂及空隙，透性大增［11］。在叶片含水量下降过程中，叶肉细胞中的脱落酸以低速率持续合成，并趋向集中于叶绿体，引起气孔关闭并抑制其开放［12-13］，虽降低了蒸腾作用，但CO2的吸收也一并被抑制;同时水分胁迫使叶绿体的片层结构受损，光系统Ⅱ活力下降，电子传递和磷酸化作用减弱，最终抑制了光合作用［14］。干旱胁迫下的植物能通过渗透调节来维持较低细胞水势，达到持续吸收水分的目的;这些渗透调节物质通常包括脯氨酸、糖类和甜菜碱等［15］。根系作为植物直接吸水的器官，受水分胁迫的影响很大。较干燥的土壤能促进玉米根系伸长［14］，在干旱胁迫下，抗旱品种相比敏感品种，其根与植株地上部干重的比率更高［16］。以上研究表明使用单个指标来评价玉米抗旱性并不准确，需要综合多个干旱相关指标进行研究;而隶属函数法能消除单一指标片面性［17］，较好的评价玉米杂交品种的抗旱能力［18］。

目前作物生产可利用水资源逐渐减少，抗旱性强的玉米品种将在农业生产中发挥重要作用。前人在玉米品种抗旱性的鉴定评价上做了大量工作，但进展依然缓慢，其中一个重要原因是对抗旱性相关的指标缺乏系统研究。在以产量作为最重要筛选指标的基础上，也应注意干旱胁迫后植株众多生理生化性状的变化，找出表现敏感的二级筛选指标。本研究从西南地方资源和引进材料中收集了30个遗传来源不同的玉米杂交品种，以抗旱系数为参数，使用隶属函数法评价供试品种苗期的抗旱性，并分析多个形态、生理性状与抗旱性之间的联系，以期筛选出抗旱性较强的杂交玉米品种推广应用于生产，并对抗旱性指标进行评价，总结出一套方便快捷的抗旱鉴定技术体系，为玉米资源抗旱性的鉴定和筛选以及农业生产实践提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

西南地区生产中较大面积应用的30个玉米杂交品种:鼎玉818、东单88、绿单50、三北2号、黔北2号、金玉608、川单428、正红115、北玉16、中单808、先玉508、泰玉3号、敦玉518、川单418、登海3339、正红6号、资玉1号、绵单12、正红505、资玉2号、成单30、迪卡007、奥玉28、雅玉2号、农大95、正红311、长玉19、万玉2号、华龙玉8号和雅玉10号。

1.2 试验设计

1)2011年3－4月进行第1次盆栽试验。采用二因素随机区组设计，A因素为30个品种，B因素为PEG胁迫，对照为正常浇水培养，重复3次，共计180盆。在塑料盆内装混合均匀的蛭石和珍珠岩(2∶1)，每盆施用复合肥10 g，置于大棚内培养。对照在整个生长期间正常浇水，相对含水量控制在60% ～70%。待测植株在正常浇水生长至四叶一心期后进行处理，每盆浇2 L PEG溶液模拟干旱胁迫;并提前采用称重法测定土壤相对含水量，根据土壤水分计算PEG浓度，使浇灌后土壤水溶液的PEG浓度为20%。于胁迫表型明显时期(约7 d)取样进行测定。

2)为验证品种筛选的结果，从第1次盆栽结果中筛选出24个抗旱性差异较明显的品种，设计了重复盆栽试验，于2011年5－6月进行。采用二因素随机区组设计，A因素为24个品种，B因素为PEG胁迫，对照为正常浇水培养，重复3次，共计144盆。处理方法和取样时期同上。

3)为深入研究玉米叶及根系性状对干旱胁迫的响应，筛选出抗旱相关指标，从前2次试验结果中筛选出9个抗旱性有显著差异的品种，设计了水培试验，于2011年9－10月进行。采用二因素随机区组设计，A因素为9个品种，B因素为PEG胁迫，对照为Hoagland营养液正常培养，重复3次，共计54桶。将种子消毒后清洗干净，放入铺有湿润滤纸的育种盒，在人工气候箱中培养(湿度60% ～70%，22℃黑暗)2～3 d。待种子萌动后将其转入底部不透光的桶中，于气候箱中(湿度60% ～70%，25℃16 h光照、20℃8 h黑暗)培养。3 d换1次营养液，并使用抽气泵通气。正常培养幼苗至三叶一心期时进行处理，待测植株使用含有20%PEG的营养液模拟干旱胁迫，于胁迫表型明显时期(约3 d)取样进行测定。

1.3 测定指标

苗高:直尺测定。叶面积:长宽系数法。叶绿素:使用SPAD-502型叶绿素仪，测定心叶下第一片展开叶。叶绿素荧光指标:Technologica CF Imager叶绿素荧光成像仪测定。根系形态指标:WinRHIZO根系扫描仪测定。干物质积累量:杀青后80℃烘干称重。根冠比(%)=(根系干重/地上部分干重)×100。相对电导率:取去除叶脉的叶片0.3 g，使用YSI 30-25型电导率仪测定。离体叶片失水速率:将心叶下第1片展开叶完整剪下，称取鲜重a;将其置于空气中(22℃，湿度60% ～70%)7 h后再次称取重量b;杀青后80℃烘干至恒重c;失水速率(%)=(b－c)×100/［(a－c)×7］。脯氨酸:取去除叶脉的叶片0.3 g，磺基水杨酸法测定。

1.4 抗旱性评价指标

式中，Id为某一指标在干旱胁迫下的测定值，Iw为此指标在正常培养下的测定值［19］。隶属值:

式中，X为各品种某一指标的抗旱系数。Xmin和Xmax分别为所有品种此指标的最小和最大抗旱系数;除相对电导率和离体叶片失水速率用(2)式，其余指标用(1)式。累加各品种各指标的隶属值，并求其平均值，用平均值大小评价品种抗旱性［20］。

变异系数反映了性状在不同基因型玉米品种间存在的差异。植株在遭受干旱胁迫后，相关指标必然会产生变化;某一指标变异系数改变的幅度越大，说明它对干旱胁迫越敏感。为了衡量这种变化幅度，用胁迫和对照处理下的指标变异系数的差值除以均值消除量纲，引入干旱变异指数，其计算方法如下:

干旱变异指数:VId=|CVd－ CVw|/［(CVd+CVw)/2］

式中，CVd为所有品种某一指标在干旱胁迫下的变异系数，CVw为所有品种此指标在正常培养下的变异系数。

1.5 统计分析

使用Excel 2010软件进行数据分析和统计。

2 结果与分析

2.1 抗旱品种筛选

2.1.1 第1次盆栽筛选 对30个供试玉米品种进行盆栽模拟干旱胁迫的试验，并对相对电导率、叶绿素等6个指标的抗旱系数进行隶属值的分析，结果见表1。

表1 第1次盆栽试验中供试品种的抗旱隶属值Table 1 Drought membership value of tested varieties in the first pot experiment

由表1可见，6个指标:相对电导率、叶绿素、离体叶片失水速率、苗高、叶面积、干物重，抗旱隶属值最大的对应品种是金玉608、川单418、成单30、雅玉2号、雅玉2号、正红311，分别比平均值高48.4%，91.9%，40.4%，106.6%，60.0%，68.9%。供试品种抗旱隶属值的均值为0.601，将抗旱隶属值大于0.651的雅玉10号、华龙玉8号、万玉2号、长玉19、正红311、农大95、雅玉2号、奥玉28、迪卡007和成单30归为抗旱品种;将在0.551～0.651范围内的资玉2号、正红505、绵单12号、资玉1号、正红6号、登海3339、川单418、敦玉518、泰玉3号和先玉508归为中等抗旱品种;将小于0.551的鼎玉818、东单88、绿单50、三北2号、黔北2号、金玉608、川单428、正红115、北玉16号和中单808归为不抗旱品种。

2.1.2 第2次盆栽筛选 对24个供试玉米品种进行盆栽模拟干旱胁迫的试验，并对根冠比、干物重、根系体积和脯氨酸4个指标的抗旱系数进行隶属值的分析，结果见表2。

表2 第2次盆栽试验中供试品种的抗旱隶属值Table 2 Drought membership value of tested varieties in the second pot experiment

由表2可见，4个指标:根冠比、干物重、根系体积、脯氨酸，抗旱隶属值最大的对应品种是雅玉2号、雅玉10号、雅玉10号、登海3339，分别比平均值高60.0%，169.5%，117.4%，34.4%。供试品种抗旱隶属值的均值为0.550，将抗旱隶属值大于0.6的雅玉10号、正红311、长玉19、华龙玉8号、农大95、登海3339、雅玉2号、迪卡007和正红6号归为抗旱品种;将在0.5～0.6范围内的资玉2号、川单418、先玉508、正红115、奥玉28、资玉1号和成单30归为中等抗旱品种;将小于0.5的北玉16号、金玉608、东单88、鼎玉818、川单428、绿单50、三北2号和中单808归为不抗旱品种。

2.1.3 第3次水培筛选 对9个供试玉米品种进行水培模拟干旱胁迫的试验，并对苗高、干物重等14个指标的抗旱系数进行隶属值的分析，结果见表3。

表3 第3次水培试验中供试品种的抗旱隶属值Table 3 Drought membership value of tested varieties in the third hydroponic experiment

由表3可见，14个指标:苗高、干物重、根冠比、根长、根表面积、根系体积、根分支数、叶面积、叶绿素、最大光化学效率、非光化学淬灭系数、原初光能捕获效率、光化学淬灭系数、实际光化学效率，抗旱隶属值最大的对应品种是鼎玉818、正红311、雅玉10号、正红311、正红311、正红311、正红311、成单30、正红311、成单30、正红311、雅玉10 号、川单 428、雅玉 10 号，分别比平均值高 106.9%，110.9%，150.5%，95.2%，242.4%，377.9%，180.7%，80.5%，91.0%，41.2%，49.3%，71.8%，116.9%，119.6%。供试品种抗旱隶属值的均值为 0.477，将抗旱隶属值大于0.527的正红311、雅玉10号、华龙玉8号和成单30归为抗旱品种;将在0.427～0.527范围内的先玉508和奥玉28归为中等抗旱品种;将小于0.427的川单428、鼎玉818和绿单50归为不抗旱品种。

2.2 抗旱指标的筛选和评价

对3次筛选所用的形态、生理指标进行变异系数的分析，结果见表4。由表4可见，不同基因型玉米品种经过PGE模拟干旱胁迫后，各个指标的对照和处理间均有一定程度的变化。为了量化这种变化幅度，提出干旱变异指数这个计算方法。将干旱变异指数大于20%的指标定为对干旱胁迫敏感的指标，第1、2次盆栽试验筛选出的指标由高到低分别是根冠比、根系体积、脯氨酸、相对电导率和叶面积;第3次水培试验筛选出的指标由高到低分别是最大光化学效率、叶面积、光化学淬灭系数、原初光能捕获效率、根分支数、根冠比、实际光化学效率、叶绿素和根长。

表4 3次试验中供试指标的变异系数和干旱变异指数Table 4 Coefficient of variation and drought variability index of tested varieties in three experiments

3 讨论

3.1 抗旱玉米品种筛选

本研究对第1次盆栽培养筛选出的抗旱玉米品种再次进行了盆栽和水培方式的验证，对玉米地上部分和根系组织进行了较全面的分析，增加了结论的可信度。3次试验的筛选结果较为一致，将其综合对第2次盆栽试验的供试品种进行分类，抗旱品种是雅玉10号、正红311、长玉19、华龙玉8号、农大95、雅玉2号、迪卡007和成单30;中等抗旱品种是资玉2号、川单418、先玉508、奥玉28和资玉1号;不抗旱品种是中单808、三北2号、绿单50、川单428、鼎玉818、东单88、金玉608和北玉16号。其中成单30和迪卡007与前人研究一致，被归类为抗旱品种［21-22］。前人使用成熟期产量、产量构成因素、光合参数、抗氧化酶、膜透性及膜衰老产物等指标评价这2个品种的抗旱性，它们中绝大部分和本次研究所使用的指标相异;能得到相同的结果，进一步说明玉米抗旱性是一个复杂的综合性状，不能用单个指标简单评价，且苗期鉴定结果与大田产量保持一致，说明若需大批量评价玉米品种抗旱性，室内筛选是可行之法。农大95在前人研究中属于抗旱性较强的品种［23］，这可能是因为供试品种差异及研究者对抗旱性分类级别的详略不同所导致;其余品种的相关研究均未见报道。

3.2 抗旱指标筛选

分析各性状的干旱变异指数发现，3次试验中，生理指标相对于形态指标，总体呈现出对干旱胁迫较为敏感的规律，这可能是因为胁迫首先引起了植株体内生理水平上的变化，其次才反映在外部形态特征上。在形态指标中，叶面积、根冠比和某些根系性状如根系体积、根分支数、根长，也能较好评价玉米苗期的抗旱性，这可能是因为干旱胁迫引起植株体内膨压降低，直接影响了依赖膨压的生理活动，如叶片的扩展，所以导致叶面积的干旱变异指数较大;而根系作为直接感受胁迫信号的器官，较之其他形态指标也能较灵敏的反映干旱胁迫效应。

干物质积累量是产量的直接来源，对其进行分析发现，前2次试验中，它的干旱变异指数均明显低于同期其他指标，第3次试验中虽有大幅上升，但仍低于其他指标。这种上升趋势是由于供试材料逐步减少，增大了品种间的变异系数所造成的。而它的干旱变异指数相对低于其他指标，可能是因为干物质积累量是众多性状的综合表现;不同指标对干旱胁迫的响应程度不同，与其他指标相比，作为综合指标的干物质积累量在胁迫下的变化幅度较为平缓。黎裕等［24］认为抗旱性和产量均是由数量性状位点所控制，由于遗传网络系统不同，育种工作需对这2个系统进行综合考虑;在筛选抗旱性鉴定评价指标时，重点考虑抗旱性本身而不是产量潜力［25］。为了在玉米苗期进行抗旱品种的大批量筛选，选择对胁迫敏感的指标显然更为方便。可将受干旱胁迫影响明显的根系和生理指标作为玉米苗期抗旱性评价的指标，条件允许下，最好结合干物质积累量，关联分析玉米苗期抗旱性。

另外，不同植物在遭受干旱胁迫后，体内脯氨酸累积程度并不一致，且作为植物响应逆境的一种生理机制，其与品种抗旱性有无必然联系一直存在争议［26-27］。本次研究结果显示水分亏缺会导致玉米苗期脯氨酸含量上升，品种间差异明显，这与近年来大部分相关研究结果一致［5，28］，然而前人亦提出脯氨酸的积累与叶绿体的发育程度关系密切［29］，而轻度干旱胁迫甚至可能降低脯氨酸含量等观点，虽然这可能与脯氨酸氧化、蛋白质合成增强［30］及品种基因型有关，但至少说明了脯氨酸的累积速率及累积量，与玉米抗旱性之间的相关性还有待进一步研究。不过随着干旱胁迫程度加深，不同玉米品种的脯氨酸含量均呈明显上升的趋势，综合看来，笔者认为若要将脯氨酸作为抗旱性评价指标，需在较强干旱胁迫这个前提下进行。

4 结论

综合3次试验分析表明，西南地区生产中较大面积应用的杂交玉米品种:雅玉10号、正红311、长玉19、华龙玉8号、农大95、雅玉2号、迪卡007和成单30在模拟干旱胁迫试验中表现良好，被归类为抗旱品种。对多个指标进行干旱变异指数分析，其中叶面积、根冠比、根系性状(根系体积、根分支数、根长)、相对电导率、离体叶片失水速率、脯氨酸、叶绿素和叶绿素荧光参数(最大光化学效率、实际光化学效率、原初光能捕获效率、光化学淬灭系数)对干旱胁迫较为敏感，可作为玉米苗期抗旱性的评价指标。

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