土培条件下玉米萌发期耐旱鉴评技术体系研究

张春宵，李淑芳，刘旭洋，刘杰，刘文平，刘学岩，李春辉，王天宇，李晓辉

土培条件下玉米萌发期耐旱鉴评技术体系研究

张春宵1，李淑芳1，刘旭洋2，刘杰1，刘文平1，刘学岩1，李春辉2，王天宇2，李晓辉1

（1吉林省农业科学院作物资源研究所，吉林公主岭 136100；2中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

【目的】中国玉米主产区多为干旱、半干旱地区，播种后遇旱问题时常发生，生产上实现良好的出苗与成苗率是保障玉米高产稳产的基础。鉴于不同的玉米品种对萌发期干旱胁迫反应不一，构建玉米萌发期耐旱评价技术体系，鉴定不同品种萌发期耐旱性，为玉米品种筛选与应用奠定基础。【方法】以从田间耕层采集的土壤为介质，设置从种子不能发芽到全部发芽的土壤含水量13个梯度，在25℃光照培养箱条件下测定5个代表性品种种子发芽率，建立不同土壤水分胁迫条件与发芽率的Logistic拟合方程，确立50%种子发芽率时土壤含水量（GW50）；在此基础上，以5个品种GW50平均值作为干旱处理强度，对32份品种的发芽率等11个性状进行测定，通过相关性分析、聚类分析和主成分分析等方法，解析种子发芽率与其他相关性状间的关系。【结果】在13个水分梯度下5个品种的发芽率拟合Logistic方程的决定系数2为0.978—0.992，基于Logistic方程估算GW50为18.2%—18.7%，GW50平均值为18.5%。以18.5%土壤含水量作为干旱胁迫处理水平，对32份品种的发芽率等11个性状的分析结果显示，发芽率与胚芽鲜重、胚根鲜重、贮藏物质转运率具有显著的相关性，但相关系数均小于0.5，分别为0.36、0.40和0.38，而发芽率与胚根数等7个性状没有显著的相关性。聚类分析结果表明，基于发芽率以外10个性状的聚类分析将32个品种分为三类，分别包含13、10和9个品种，但这三类品种间的发芽率均值没有显著差异，说明这10个性状不能反映胁迫条件下的发芽率水平。对11个性状的主成分分析表明发芽率、胚芽干重和贮藏物质转运率在第一主成分具有较高的特征值，第一主成分对总方差的贡献率达到36.3%，这三个性状可以作为萌发期耐旱性评价的关键指标。基于建立的萌发期耐旱鉴定技术体系，所鉴定的32个品种中有4个属于萌发期耐旱型，22个属于为中间型，7个属于萌发期干旱敏感型。【结论】明确了限制种子发芽率50%的土壤干旱胁迫强度，提出种子发芽率、胚芽干重和贮藏物质转运率可作为萌发期耐旱鉴定的关键指标，构建了玉米萌发期耐旱鉴定技术方法体系。

玉米；萌发期；土壤干旱；耐旱性；鉴评体系

0 引言

【研究意义】玉米是中国重要的粮食作物，在保障国家粮食安全方面具有举足轻重的作用[1]。然而，中国玉米种植面积的三分之二分布在雨养农业地区，频发的干旱严重阻碍玉米生产的发展[2]，特别是在中国的北方春玉米区，播种期是干旱少雨的季节，时常受到春旱的威胁[3]，而且近年来机械单粒播种的快速推广应用，由萌发期干旱引起的缺苗断垄对玉米生产造成的损失表现尤为明显[4]。因此，确立玉米萌发期耐旱鉴评的干旱处理方法和技术指标，科学鉴定评价玉米品种萌发期的耐旱性，对新品种鉴定、筛选与应用具有重要的实际意义。【前人研究进展】以往玉米耐旱研究多集中在大田干旱法、土壤盆栽法和PEG模拟干旱胁迫等方法。大田干旱法通过控制灌水量进行干旱处理，贴合生产实际中的干旱胁迫，多应用于苗后全生育期的耐旱鉴评[5-7]。盆栽土壤干旱胁迫易于控制土壤水分，是玉米苗后借助设施耐旱研究中常用的干旱处理方法，适合玉米苗期耐旱鉴评[8-9]。通过聚乙二醇（PEG）或甘露醇（mannitol）的水分胁迫处理是实验室常用的一种模拟干旱方式，然而这种方法会导致植物组织快速脱水，而且PEG、甘露醇本身会被植物吸收[10]。针对玉米的不同生长发育时期耐旱性评价，研究者采用不同的性状指标。玉米的苗期耐旱性多以存活率、叶片相对含水量、叶绿素含量、光合速率等指标进行评价[8-9,11]。在玉米的开花期及全生育期多以散粉-吐丝间隔、产量等为指标评价耐旱性[5-7]。自Hall等[12]在1983年首次提出干旱下玉米的散粉-吐丝间隔（anthesis-silking interval，ASI）与产量显著关联，ASI成为了评价玉米耐旱性的经典性状指标[13-16]。【本研究切入点】纵观国内外玉米耐旱鉴定研究，萌发期耐旱性受到的关注较少，目前，少数报道采用PEG模拟干旱研究萌发期耐旱，所开展的PEG胁迫发芽率、发芽势等性状耐旱性评价[17-22]，虽然与耐旱性有密切的关系，但是与玉米实际生产中的大田土壤干旱还有差别[10]。【拟解决的关键问题】本研究以耕层土壤为介质，设置13个土壤含水量梯度测定代表性玉米品种萌发期的发芽率，建立拟合Logistic模型估算50%种子萌发率时的土壤含水量（50% germination rate soil water content，GW50）水平，确定进行玉米萌发期耐旱性鉴定适宜胁迫强度，并以GW50为干旱处理强度，对32份玉米杂交种的发芽率等11个性状进行分析，进一步确定萌发期耐旱鉴定的关键指标，构建土培条件下玉米萌发期耐旱鉴定评价技术体系，从而为大规模的萌发期耐旱材料鉴定和后续研究奠定基础、提供方法参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为32份商业化玉米品种（表1），除吉单系列品种由吉林省农业科学院玉米研究所和吉农高新技术发展股份有限公司提供外，其余均从吉林省公主岭市种子市场购买。

1.2 干旱处理方法

试验采用土壤干旱法，挖取吉林省农业科学院公主岭试验基地（124°48′34″E、43°30′23″N）0—20 cm耕层土壤，风干粉碎过筛，105℃烘干8 h，使其完全干燥，根据所需处理胁迫强度于土壤中加入定量水，充分混匀后放入塑料桶（内径16.5 cm、高20 cm）至14.5 cm。将玉米种子均匀播于2 cm深，覆盖3 cm干土，每个桶播种50粒种子，加盖阻止水分蒸发。放入培养箱中25℃避光萌发。

1.3 不同水分梯度下的发芽率拟合分析

以玉米品种郑单958、吉农大819、登海605、吉单551、优迪919为试验材料，设置15.0%、15.5%、16.0%、16.5%、17.0%、17.5%、18.0%、18.5%、19.0%、19.5%、20.0%、20.5%和21.0%共13个土壤含水量梯度（绝对土壤含水量，即加水重量/土壤干重×100%）。水分梯度处理方法与材料种植同上，每个处理50粒种子，采用完全随机设计，并且每2 d随机交换位置。处理第8天测定种子发芽率（germination rate，GR），发芽的标准为萌发出的幼根达到粒长、幼芽达到粒长1/2[23]。利用Curve Expert 1.4软件对各玉米品种在13个土壤含水量梯度及其获得的发芽率进行基于Logistic模型方程=/(1+Be-CX)[24]拟合，式中为发芽率，为最大发芽率，为土壤含水量，B和C为常数。根据模型估算GW50。

1.4 GW50胁迫强度下的表型鉴定

以GW50为胁迫处理强度、土壤含水量22.0%为正常对照，每个处理设3次重复，每个重复50粒种子，采用完全随机设计，并且每2 d随机交换位置。对32份玉米品种在处理第8天测定发芽率、胚根长（radicle length，RL）、胚芽长（germ length，GL）、种子鲜重（seed fresh weight，SFW）、胚芽鲜重（germ fresh weight，GFW）、胚根鲜重（radical fresh weight，RFW）、种子干重（seed dry weight，SDW）、胚芽干重（germ dry weight，GDW）、胚根干重（radicle dry weight，RDW）、胚根数（radicle number，RN）和贮藏物质转运率（storage material transport rate，SMTR）。其中，发芽率的鉴定标准同上；使用游标卡尺测量胚根长和胚芽长；种子鲜重、胚芽鲜重、胚根鲜重在去土洗净擦干后使用天平测定；种子干重、胚芽干重、胚根干重在取样后105℃杀青20 min，80℃烘干至恒重，使用天平测定重量；人工调查胚根数；贮藏物质转运率=（芽干重＋根干重）/（芽干重＋根干重＋种子干重）×100%[25]。耐旱系数（drought tolerance coefficient，DTC）=（干旱处理性状值/正常对照性状值）×100%[26]。

表1 32份商业化玉米品种

1.5 表型数据统计分析

利用Excel 2010、SPSS 21.0和R 3.5.3软件，对32份玉米品种在GW50和对照下的表型数据进行各性状相关性分析、聚类分析和主成分分析。采用Z-score标准化归一化方法，对干旱胁迫下的发芽率和贮藏物质转运率进行标准化处理，公式为Z=(X-X)/X，其中Z为样品归一化处理后的数据，X为样品原始数据，X为所有样品的性状的平均值，x为所有样品数据的标准差。

2 结果

2.1 5份玉米品种在不同土壤含水量梯度下的发芽率变化及GW50的确定

以郑单958、吉农大819、登海605、吉单551、优迪919共5份品种为试验材料，在13个土壤含水量梯度下进行种子发芽率测定。结果表明，土壤含水量低于16.5%时，所有材料的发芽率为0；土壤含水量达到20.5%时，所有材料的发芽率为100%（图1）。对不同土壤含水量梯度与所测定的5份品种发芽率进行基于回归方程Logistic拟合，其拟合度（2）变化区间为0.978—0.992，可以较好地模拟种子发芽率随土壤含水量的变化过程（图1和表2）。本试验条件下5份品种的GW50值为18.2%—18.7%，平均为18.5%。

图1 不同土壤含水量下种子发芽率拟合的Logistic回归曲线

表2 5份玉米品种在不同土壤含水量下的发芽率拟合Logistic方程

GW50：50%种子萌发率时的土壤含水量 GW50: 50% germination rate soil water content

2.2 GW50胁迫强度下32份品种的萌发相关性状鉴定

以GW50为旱胁迫强度，以土壤含水量22.0%为非胁迫对照，对32份品种的发芽率等11个性状进行测定和分析显示，在正常条件下，所有材料的发芽率≥96%（表3）。与对照相比，GW50干旱胁迫下除种子鲜重、种子干重外其余性状均值都呈现降低，并且种子发芽率、胚芽鲜重、胚芽干重、胚芽长、胚根鲜重和贮藏物质转运率的表型变异系数均呈现增加，其中种子发芽率的变异系数增加幅度最大（表3）。基于胚芽鲜重、胚芽干重、胚芽长、胚根鲜重、胚根干重、胚根长、胚根数、贮藏物质转运率的耐旱系数平均值都小于100%，说明干旱胁迫下胚芽和胚根的生长、贮藏物质转运都受到了不同程度的抑制作用。其中，种子发芽率耐旱系数的平均值为60.17%；胚芽鲜重、胚芽干重和胚芽长这三个性状耐旱系数的平均值均小于30%，贮藏物质运转率耐旱系数的平均值为35.87%；而胚根鲜重、胚根干重、胚根长和胚根数耐旱系数平均值变化范围是39.46%—86.26%，表明萌发期干旱对胚芽的生长影响更大。

2.3 GW50胁迫强度下发芽率与其他性状的相关性分析

在GW50胁迫强度下，发芽率与胚芽鲜重、胚根鲜重、贮藏物质转运率具有显著的相关性（＜0.05），但相关系数（）均小于0.5，分别为0.36、0.40和0.38（图2-A）。胚芽鲜重和胚芽长有显著（=0.87，＜0.05）的相关性。此外，胚根鲜重、胚根干重和胚根数显著（＜0.05）正相关，但胚根长与胚根鲜重、胚根干重、胚根数均没有显著的相关性（＞0.05）。由于贮藏物质转运率是由胚芽干重、胚根干重和种子干重计算而来，这些性状间具有显著（＜0.05）的相关性。对以上性状的耐旱系数进行分析，发现发芽率耐旱系数与其他10个性状耐旱系数的相关系数也均小于0.5（图2-B），表明在干旱下玉米种子的萌发能力和萌发后的生长能力是2种不同的抗旱性状。贮藏物质转运率与胚芽干重、胚根干重和种子干重间的耐旱系数具有显著的相关性（＜0.05）。

表3 GW50胁迫强度和非胁迫对照下32份品种的萌发相关性状变异分析

Mean GW50：平均50%萌发率土壤含水量；DTC：耐旱系数；GR：种子发芽率；GFW：胚芽鲜重；GDW：胚芽干重；GL：胚芽长；RFW：胚根鲜重；RDW：胚根干重；RL：胚根长；RN：胚根数；SFW：种子鲜重；SDW：种子干重；SMTR：贮藏物质转运率。下同

Mean GW50: Mean 50% germination rate soil water content; DTC: drought tolerance coefficient; GR: germination rate; GFW: germ fresh weight; GDW: germ dry weight; GL: germ length; RFW: radical fresh weight; RDW: radicle dry weight; RL: radicle length; RN: radicle number; SFW: seed fresh weight; SDW: seed dry weight; SMTR: storage material transport rate. The same as below

2.4 GW50胁迫强度下萌发相关性状的聚类分析

根据GW50处理条件下除发芽率外其他10个性状的聚类分析结果，32个玉米品种可以分为3种类型，分别包含13、10和9个品种（图3-A），以上3种类型品种在GW50下的发芽率的平均值没有显著（＞0.05）差异（图3-B）。根据这10个性状耐旱系数的聚类分析结果，32个品种可以分为2种类型，分别包含19和13个品种（图3-C），这2种类型品种在GW50下的发芽率的平均值也没有显著（＞0.05）差异（图3-D）。结果表明，玉米在干旱胁迫下的萌发能力和萌发后的生长势是由不同的遗传和生理机制控制的，没有明显关联。

2.5 GW50胁迫强度下影响萌发期耐旱性性状的主成分分析

为了确定11个性状中的关键耐旱评价性状，对GW50下的32个品种的11个性状进行主成分分析，结果表明第一主成分和第二主成分对总方差的贡献率分别为36.3%和19.1%（图4），发芽率、胚芽干重和贮藏物质转运率对干旱处理下样品PCA分析的第一主成分具有较高的特征向量和特征值，表明这三个指标是玉米萌发期耐旱鉴定的关键指标。

A、B分别代表平均半萌发土壤含水量处理下表型的相关分析结果和性状耐旱系数的相关分析结果。GR：种子发芽率；GFW：胚芽鲜重；GDW：胚芽干重；GL：胚芽长；RFW：胚根鲜重；RDW：胚根干重；RL：胚根长；RN：胚根数；SFW：种子鲜重；SDW：种子干重；SMTR：贮藏物质转运率。下同

2.6 对32份品种的萌发期耐旱性评价

对发芽率、胚芽干重和 贮藏物质转运率3个指标计算Z值（Z-score）进行归一化处理，以3个指标的平均Z值综合评价玉米品种的萌发期耐旱性（表4）。结果显示，以32个品种平均Z值的平均值±标准差为分界点，将全部品种分为萌发期耐旱型、中间型和干旱敏感型3种类型，其中吉单511、东农254等4个品种属于萌发期耐旱型，郑单958、先玉335等22个品种属于中间型，吉单53、吉单631等7个品种属于萌发期干旱敏感型。

A、B为GW50下基于除发芽率外其他10个性状的聚类分析结果和不同分类材料的发芽率；C、D为基于这10个性状耐旱系数的聚类分析结果和不同分类材料的发芽率

图4 GW50胁迫下性状的主成分分析

3 讨论

中国的玉米主产区大多分布在干旱、半干旱地区，且多为雨养农业地区，萌发期干旱导致的减产严重影响玉米生长发育进程和产量[2]。目前，玉米萌发期耐旱相关的研究多采用PEG胁迫模拟干旱。余贵海等[22]采用20%的PEG溶液模拟干旱，以发芽率、发芽势等性状对14个玉米杂交种进行了耐旱性评价。任杨柳等[21]以PEG处理254份玉米自交系，通过隶属函数法对发芽率、苗高等性状综合评价苗期耐旱性。除玉米外，许多植物的萌发期耐旱研究也多使用PEG处理开展相关研究[27-29]。尽管PEG模拟干旱是常用的萌发期干旱处理方法，但与实际生产的土壤干旱有一定的差异[10]。为了研究玉米种子在不同水分胁迫条件下的萌发响应、构建萌发期耐旱性鉴定方法体系，本研究以大田土壤为介质，设置13个土壤含水量梯度，对不同玉米品种的发芽率等相关性状进行测定和分析，建立不同土壤含水量梯度与所测发芽率的Logistic拟合模型，计算限制种子发芽率50%的土壤含水量GW50，为以土壤为介质进行萌发期耐旱鉴定的胁迫强度奠定了基础，验证性试验表明所确立的胁迫强度可有效用于玉米萌发期耐旱鉴定评价。

表4 32份玉米品种发芽率、胚芽干重和贮藏物质转运率的结果及均一化值列表

玉米萌发期耐旱鉴评的相关研究多采用隶属函数法等方法以多指标、多性状进行综合评价，并取得了显著的进展。例如，余贵海等[22]通过隶属函数法以PEG胁迫条件下发芽率、发芽势、胚根长等性状对14个玉米杂交种进行萌发期耐旱评价。张倩等[18]以PEG胁迫条件下发芽势、发芽率、胚根长等性状通过隶属函数法对9个玉米杂交种进行萌发期耐旱评价。成锴等[20]以PEG胁迫条件下发芽率等10个指标的隶属函数值对52个玉米杂交种进行萌发期耐旱的综合评价。任杨柳等[21]对254份玉米自交系，通过隶属函数法以PEG胁迫条件下发芽率、苗高等性状综合评价苗期耐旱性。针对以上研究提出的性状，进一步探索土壤水分胁迫条件下有效、实用的评价指标显得十分重要。本研究在土壤水分GW50胁迫条件下，对萌发相关的11个性状进行分析，发现发芽率、胚芽干重和贮藏物质转运率具有较高的特征向量和特征值，提出玉米萌发期的发芽率是重要的评价指标性状，结合胚芽干重和贮藏物质转运率就可以较全面地评价玉米萌发期的耐旱性，为确定土培条件下选择适合种子萌发期耐旱性测定性状提供了参考依据。

建立科学实用的玉米抗旱性鉴定评价技术规范，是筛选玉米抗旱种质资源、培育玉米抗旱品种、布局新品种适宜区域的前提和基础。针对玉米苗期、花期、灌浆期的耐旱性已有较多的研究报道，育种家选出了一批耐旱品种，基础研究工作者研究者们挖掘了一些控制耐旱性的遗传位点和基因[8-16]，取得了显著的进展。萌发期是玉米耐旱的重要时期，本研究构建的玉米品种萌发期耐旱性鉴定评价方法体系，为后续玉米转种质资源及品种的批量规模化鉴定具有重要的意义。同时，所采取的研究思路、试验设计、胁迫处理与条件控制、性状调查、统计分析、鉴定评价指标等方面为后续规范或标准的制定奠定了工作基础。当然，玉米的耐旱性是复杂的数量性状，涉及多种生理机制，又受到不同生育时期、干旱时间、干旱强度的影响，对多个时期的耐旱性进行综合评价鉴定、找出其相互关系及共性机制对全面解析玉米耐旱性，是今后应该加强的重点工作。随着对玉米抗旱性研究的深入和水平的提高，必将对玉米产业产生巨大的推动作用。

4 结论

通过13个土壤含水量梯度与所测定的发芽率拟合的Logistic模型，确定了限制玉米发芽率50%的土壤含水量GW50为18.5%，为适宜的胁迫处理强度；以此为胁迫条件，对32份玉米品种的11个性状进行分析，确立了发芽率、胚芽干重和贮藏物质转运率是萌发期耐旱鉴定的关键指标，可用于通量化玉米萌发期的耐旱鉴定。

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Establishment of Evaluation System for Drought Tolerance at Maize Germination Stage under Soil Stress

ZHANG ChunXiao1, LI ShuFang1, LIU XuYang2, LIU Jie1, LIU WenPing1, LIU XueYan1, LI ChunHui2, WANG TianYu2, LI XiaoHui1

(1Crop Germplasm Resources Institute, Jilin Academy of Agricultural Sciences, Gongzhuling 136100, Jilin;2Institute of Crop Science, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081)

【Objective】The main maize-producing areas in China are mostly arid and semi-arid areas, in which drought often occurred after sowing. The sufficient germination rate is key precondition for maize production. However, the decreasing germination rate caused by drought threatens the production of maize. Thus, it is of great importance to discover the drought tolerant maize varieties at germination stage, which relies on the establishment of evaluation system for drought tolerant maize at germination stage. 【Method】In the present study, 13 soil water content treatments, which represented the maize germination rates from 0 to 100%, were set using field soil and the germination rates of five representative maize hybrids were analyzed. The 50% germination rate soil water content (GW50) was determined based on the Logistic formula of germination rate and soil water content in five representative maize hybrids. Subsequently, 32 maize hybrids were treated with GW50as drought condition. The relationships between germination rates of 32 hybrids and other 10 traits were investigated using correlation, cluster and principal component analyses. 【Result】The fitting degree (2) of Logistic regression between germination rate of five representative maize hybrids and thirteen soil water contentsranged from 0.978 to 0.992. The GW50of five representative hybrids, which were estimated by the Logistic regression formulas, ranged from 18.2%-18.7%, with mean of 18.5%. Under drought treatments of 18.5% soil water content, the germination rates of 32 hybrids showed significant correlation with germ fresh weight, radical fresh weight and storage material transport rate, but the correlation coefficients were all lower than 0.5, which was 0.36, 0.40 and 0.38, respectively. While the germination rates under GW50showed no significant correlation with other seven traits such as radicle number. Besides, cluster analysis based on 10 other traits divided 32 hybrids to three clusters, each containing thirteen, ten and nine hybrids, respectively. However, the mean germination rates of the three clusters showed no significant difference. PCA analysis revealed germination rate, germ dry weight and storage material transport rate had highest eigenvalue in first principal component, which could explain 36.3% of the total variance. These three traits could be considered as key targets for drought tolerance evaluation at germination stage. Using the soil drought method and key traits for evaluation of drought tolerance at germination stage, four, twenty-two and seven of the thirty-four hybrids were identified as drought tolerant, intermedium and drought susceptible types, respectively. 【Conclusion】In this study, soil drought treatment method of GW50was established for maize drought tolerance evaluation at germination stage. The germination rate, germ dry weight and storage material transport rate were identified as the key traits for high-throughput drought tolerance evaluation. Thus, an evaluation system for drought tolerance at maize germination stage was established.

maize (L.); germination stage; soil drought; drought tolerance; evaluation system

2019-11-03；

2020-04-08

农业农村部国家玉米良种重大科研联合攻关绿色品种鉴定评价（NB29-1）、国家重点研发项目（2016YFD0100103）

张春宵，E-mail：chunxiao1000@126.com。李淑芳，E-mail：xlsf@163.com。刘旭洋，E-mail：1021247118@qq.com。张春宵、李淑芳和刘旭洋为同等贡献作者。通信作者王天宇，E-mail：wangtianyu@caas.cn。通信作者李晓辉，E-mail：lixiaohui2002lix@163.com

（责任编辑 李莉）