新培育玉米自交系苗期生理生化指标与其抗旱性综合评价

孙欢欢，韩兆雪，谭登峰，张小燕

(1.西北农林科技大学农学院， 陕西 杨凌 712100； 2.西北农林科技大学生命科学学院， 陕西 杨凌 712100)



新培育玉米自交系苗期生理生化指标与其抗旱性综合评价

孙欢欢1，韩兆雪2，谭登峰1，张小燕1

(1.西北农林科技大学农学院， 陕西 杨凌 712100； 2.西北农林科技大学生命科学学院， 陕西 杨凌 712100)

以73份新培育的玉米自交系和7份已知玉米抗旱自交系为材料，采用培养间自然干旱胁迫处理方法，研究相关生理生化指标与玉米抗旱性的关系。通过玉米叶片失水率(WLR)和相对含水量(RWC)的测定分析，筛选出15份自交系进行脯氨酸(Pro)含量、丙二醛(MDA)含量以及超氧化物岐化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性共5项生理生化指标的测定，对5项指标的耐旱系数分级，对玉米自交系的抗旱性进行综合评价。结果表明，干旱胁迫下大多数自交系表现出相对含水量下降趋势，失水率、脯氨酸含量、丙二醛含量和三个抗氧化酶类活性均表现出升高趋势。筛选出高抗旱自交系4份，抗旱自交系3份，中抗旱自交系2份，敏感自交系3份，高敏自交系3份。

玉米；自交系；抗旱性；指标

干旱是影响玉米产量的主要因素，玉米是对水分敏感的作物之一[1]。我国干旱半干旱耕地约占全国总耕地面积的51%[2]。研究发现，不同玉米种质的抗旱性存在明显差异[3]。抗旱玉米品种的选育、推广和种植是控制因干旱导致的玉米减产的重要手段[4]。

水分缺乏会引起植物形态、生理及生化上相应的变化[5]，苗期干旱会导致玉米幼苗生长受阻，进而引起减产。植株对干旱的综合反应体现在生长受到抑制，其主要是由体内各种生理代谢反应所决定的[6-10]，生理生化特性形成了一系列抵御干旱胁迫的机制[11]。因此，对其中典型生理指标的研究有助于对抗旱性的深入了解，以及抗旱种质的选育。

本研究以7份已知玉米抗旱自交系和本课题组新培育的73份玉米自交系为试验材料，采用失水率和相对含水量两个指标进行玉米抗旱自交系的初筛，筛选出叶片失水率低、相对含水量高的玉米自交系12份和失水率高、相对含水量低的材料3份，进一步通过对正常和干旱条件下玉米脯氨酸、丙二醛和抗氧化酶活性等生理生化指标的测定，对玉米自交系进行抗旱性综合评价，为抗旱玉米自交系的选育提供依据。

1　材料与方法

1.1供试材料

80份玉米自交系，其中73份玉米材料为本课题组新培育的玉米自交系，7份已知抗旱性的材料来自中国农业科学院(ZM74-ZM80)(表1)。

表1　玉米自交系及编号

1.2材料培养和干旱胁迫处理

所选玉米自交系材料培养于西北农林科技大学生命科学学院组织培养间，培养间温度28/26℃(白天/晚上)，16/8h光照。供试材料种植于盛有蛭石的小圆盆中(高8 cm×半径3.5 cm，每个自交系至少20株，每盆4株，置于黑色方盘中(40×20×15 cm)，正常浇水，幼苗长至一叶一心期开始浇灌1/2 Hoagland营养液保持幼苗长势良好。待幼苗长至三叶一心期时，每个自交系选取整齐一致的三盆幼苗，滤纸上进行空气干旱处理12 h(失水率和相对含水量两个指标的测定是选取两叶一心期幼苗进行处理)。

1.3生理生化指标测定

1.3.1失水率测定将待处理材料每盆各选取一株，剪取第二片叶，立即称量样品鲜重，将叶片置于铺有干燥滤纸的培养皿中，于22℃，相对湿度70±5%的温室放置，24 h后，称取失水后的质量，然后继续置于70℃烘箱中处理24 h，称取干重。失水率计算公式如下：WLR(%)=(FW-W24)/(DW·24)×100%(FW：样品的鲜重，W24：离体叶片24 h失水重，DW：样品干重)。方法参照《植物生理学实验》[12]。

1.3.2相对含水量测定两叶一心期玉米幼苗被分为两组：对照组正常浇水避免干旱，干旱处理组滤纸干旱处理12 h。剪取对照和处理幼苗的第二片叶，立即称量样品的鲜重，随后将其漂浮于盛满蒸馏水的三角瓶中，放置于4℃冰箱中24 h后取出，用滤纸吸去叶片表面的水滴后，立即称取叶片的吸胀重。将叶片置于干燥滤纸的培养皿中，继续置于70℃的烘箱24 h后，称取干重。

相对含水量按如下公式计算：RWC(%)=[(FW-DW)/(TW-DW)]×100%(FW：样品的鲜重，TW：叶片24 h吸水重，DW：样品干重)。方法参照《植物生理学实验》[12]。

1.3.3脯氨酸、丙二醛和三种抗氧化酶活性测定选择失水率和相对含水量差异大的15份玉米自交系材料进一步进行脯氨酸(Pro)、丙二醛(MDA)及三种抗氧化酶活性测定。同一植株的第二片叶和第三片叶分别用于脯氨酸和丙二醛含量测定；同一植株的第二片和第三片叶混合用于三种酶类SOD、CAT和POD的提取和分别测定，每个指标均进行三个生物学重复测定。

采用茚三酮法测定离体叶片游离脯氨酸的含量；采用硫代巴比妥酸法测定离体叶片丙二醛含量，具体方法参考《植物生理学研究技术》[13]； SOD活性、CAT活性、POD活性按Donahue，Okapodu和Aebi等方法测定[14-16]。

1.4数据分析

数据处理与作图分析使用Excel软件；统计分析使用SPSS软件。

脯氨酸含量、SOD活性、CAT活性和POD活性的耐旱系数计算公式如下[17]：

耐旱系数=(干旱测定值-对照测定值)/对照测定值

MDA含量的耐旱系数计算公式如下：

耐旱系数=1-(干旱测定值-对照测定值)/对照测定值

2　结果与分析

2.1干旱胁迫对玉米幼苗WLR和RWC的影响

本研究结果表明，80份玉米自交系的失水率差异较大，在0.073%～0.357%范围之间，失水率较低的材料主要有ZM13和ZM41，失水率较高的材料主要有ZM7、ZM14和ZM61。

正常浇水条件下，80份玉米自交系的相对含水量变化幅度不大，在85.473%～98.102%之间，经过12 h干早处理后，80份玉米材料的相对含水量均明显下降，下降程度较低的主要有ZM41、ZM77和ZM79等。此外，有些失水率较低的玉米自交系在干旱处理后相对含水量下降幅度也较小，如ZM13、ZM41和ZM49。

根据失水率和相对含水量的测定结果，初步筛选出失水率低相对含水量高的材料12份(ZM11、ZM13、ZM21、ZM25、ZM41、ZM49、ZM52、ZM75、ZM76、ZM77、ZM78、ZM79)、失水率高相对含水量低的材料3份(ZM7、ZM14、ZM61)，再次进行WLR和RWC的3个生物学重复测定，结果表明，与最初的WLR和RWC测定结果基本吻合(图1和图2)，由此说明WLR与RWC是抗旱性初步筛选的可靠指标。将筛选出来的15份自交系材料进一步进行脯氨酸、丙二醛、SOD、CAT和POD指标的测定分析。

图1　干旱胁迫对15份玉米自交系材料失水率的影响

图2干旱胁迫对15份玉米自交系材料相对含水量的影响

Fig.2Effects of drought stress on RWC of 15 inbred lines

2.2各指标的方差分析

通过对15个玉米自交系进行干旱胁迫处理，测定3个生物学重复的5个生理及生化指标，对测定结果进行方差分析。从表2可以看出，5个指标在品种间和处理间的差异都达到了极显著水平，表明不同玉米自交系的抗旱性不同，且玉米对干旱胁迫处理比较敏感。5个指标在品种与处理间的交互作用中除MDA含量为显著水平，其余4个指标均达到极显著水平，说明在干旱处理下不同自交系呈现出不同程度的抗旱性。即在干旱胁迫下，不同玉米自交系的5个指标的测定结果主要取决于自交系、干旱胁迫及其互作。

表2　5个指标品种间与不同处理的方差分析

注： **表示P<0.01，*表示P<0.05。

2.3干旱胁迫对Pro和MDA含量的影响

与对照组相比，干旱胁迫下15份玉米自交系的Pro含量均明显上升，其中ZM11和ZM77Pro含量升高明显(图3)。

图3干旱胁迫对Pro含量的影响

Fig.3Effects of drought stressed on Proline content

干旱处理后15份自交系材料MDA含量呈现不同程度上升。除ZM25外，其余14个自交系MDA含量升高倍数均小于2，其中自交系ZM61和ZM7MDA含量约为对照组的1.01倍，表明这两份材料受干旱胁迫影响较小(图4)。

图4干旱胁迫对MDA含量的影响

Fig.4Effects of drought stress on MDA

2.4干旱胁迫对三种抗氧化酶活性的影响

图5～图7显示，与对照组相比，干旱胁迫下15份玉米自交系三种抗氧化酶活性均呈现不同程度的上升，其中ZM25和ZM76在干旱处理后SOD、CAT和POD活性上升水平高，ZM13、ZM7、ZM75和ZM79中抗氧化酶活性上升水平低。干旱处理后，SOD活性上升超过对照组3倍的自交系有ZM25和ZM76；CAT活性上升超过对照组3倍的自交系有ZM11、ZM25、ZM52和ZM76；POD活性上升超过对照组3倍的自交系有ZM14。

图5　干旱胁迫对SOD活性的影响

图6　干旱胁迫对CAT活性的影响

图7干旱胁迫对POD活性的影响

Fig.7Effects of drought stress on POD

2.5耐旱系数及抗旱性综合评价

耐旱系数可用于评价作物抗旱性，在一定程度上反映了作物的抗旱水平。对15个自交系的生理指标测定结果进行耐旱系数分析，结果表明，各自交系间、各生理指标耐旱系数不同，但不同生理指标的耐旱系数水平基本相当(表3)，而同一自交系不同指标的耐旱系数或同一指标不同自交系的耐旱系数均有较大变幅，用单项指标的耐旱系数来评价玉米自交系的抗旱性具有片面性，不能准确评价各自交系的抗旱性[18]。因此，为从总体上准确把握玉米的抗旱性，避免从单一指标上片面地判断玉米抗旱性，将每个指标下15个自交系的耐旱系数分为五级，再将同一自交系所有指标的分级数累加得到其抗旱性的总评价结果，即为该自交系的分级结果，最终将所有自交系的分级结果进行统一观察比较。结果表明，本研究中15份自交系材料的抗旱性可以分为5级，即高抗、抗、中抗、敏感和高感(表4)，据此筛选出高抗旱自交系4份，抗旱自交系3份，中抗旱自交系2份，干旱敏感自交系3份，干旱高敏感自交系3份。其中ZM76、ZM11、ZM25、ZM77为高抗旱自交系，ZM14、ZM21、ZM75为高敏感自交系。

3　讨　论

根据生理生化指标对玉米自交系的抗旱性进行综合评价，以若干个可靠指标结合科学的统计分析考察材料抗旱性的评价方法，适用于植物自交系抗旱鉴定[7]。本研究采用自交系抗旱性分级方法，将各个指标综合联系起来，避免单一指标评价产生的片面性，15个自交系5个生理生化指标下的分级结果显示出明显的差异。

表3　玉米自交系生理生化指标的耐旱系数分析

表4　玉米自交系苗期抗旱性综合评价

许多研究表明WLR、RWC、Pro含量、MDA含量、SOD、CAT及POD活性是玉米苗期抗旱性鉴定的可靠指标[19-21]。其中，RWC与所受干旱胁迫呈负相关，WLR、MDA含量与干旱胁迫呈正相关，它们的变化幅度越小抗旱性越强；Pro含量、SOD、CAT、POD活性与干旱胁迫呈正相关，且一定范围内变化幅度越大抗旱性越强[7]。本研究结果也说明了各生理生化指标与自交系所受干旱胁迫的相关性是吻合的。

SOD是机体内天然存在的超氧自由基清除因子，它将有害的超氧自由基转化为过氧化氢，尔后过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)会立即将其分解为完全无害的水，三种酶组成了一个完整的防氧化链条。而丙二醛(MDA)是常用的膜脂过氧化指标，推测干旱处理下MDA含量的相对变化程度，可能与SOD、CAT、POD三种酶活性存在负相关关系。但本研究结果表明，在实验室条件下自交系MDA含量指标与SOD、CAT、POD活性指标较吻合的只有ZM76和ZM79，吻合程度较低。其原因可能来自不同自交系的膜透性；脯氨酸作为植物细胞质内渗透调节物质，推测其与WLR可能存在负相关的关系，本研究中并未能体现两者明显的吻合度，其原因可能是不同自交系苗期材料的气孔开度存在差异。结合15个自交系苗期抗旱性的综合评价结果与它们失水率和相对含水量结果比较，表明在ZM76、ZM11、ZM25、ZM77、ZM52、ZM78、ZM49和ZM14自交系中这些结果较吻合。

综上所述，采用分级方法对自交系抗旱性进行综合评价，结果表明玉米自交系间的抗旱性存在明显差异。该方法中筛选得到的高抗旱自交系ZM76、ZM11、ZM25、ZM77在干旱地区具有一定推广价值，其中ZM76与ZM77为已知的玉米抗旱自交系，ZM11和ZM25为本课题组新培育的玉米自交系。

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Comprehensive evaluation of physiological and biochemical indexes and drought resistance of new maize inbred lines during seedling stage

SUN Huan-huan1, HAN Zhao-xue2, TAN Deng-feng1, ZHANG Xiao-yan1

(1.College of Agronomy, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China;2.ColegeofLifeSciences,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China)

Seventy-three new maize inbred lines cultivated by our research group and seven known lines were cultivated under simulated drought-stress condition in greenhouse to investigate the relationships between drought tolerance related physiological and resistance and drought. Through testing and analyzing their WLR and RWC, 15 inbred lines were selected. Five physiological and biochemical indexes of these inbred lines were examined including proline content, malondialdehyde (MDA) content, SOD activity, CAT activity, and POD activity. Based on the classification of five physiological and biochemical indexes, drought tolerance of the inbred lines was evaluated. The results indicated that WLR, proline content, MDA content, SOD activity, CAT activity and POD activity were increased, but relative water content became decreased. The comprehensive evaluation on drought tolerance of these lines classified them into high drought tolerance (four lines), drought tolerance (three lines), medium drought tolerance (two lines), drought susceptibleness (three lines), and high drought susceptibleness (three lines).

maize; inbred line; drought tolerance; index

1000-7601(2016)05-0009-06

10.7606/j.issn.1000-7601.2016.05.02

2015-04-10

国家自然科学基金(31201268)；陕西省自然科学基金(2011JQ3005)；中央高校基本科研业务费专项资金(QN2011114和2452015412)

孙欢欢(1992—)，女，硕士研究生，主要从事玉米抗旱研究。 E-mail:sunhuanhuan000@gmail.com。

张小燕，教授，主要从事品种资源与品种生态研究。 E-mail: zhangxiang8504@126.com。

S332.1

A