干旱胁迫下玉米自交系抗旱性评价及筛选

周玉乾，杨彦忠，周文期，连晓荣，张彦军，王兴荣，寇思荣，何海军，刘忠祥，王晓娟

(甘肃省农业科学院作物研究所，甘肃 兰州 730070)

干旱是全球影响范围广、持续时间长、损失巨大的气象灾害之一。干旱对农作物造成的损失在所有非生物胁迫中占首位，每年因干旱造成的农业损失巨大[1-2]。我国是一个干旱灾害频繁发生的国家，干旱缺水地区面积占国土总面积的52.5%，每年因旱灾造成的粮食损失约300亿公斤，约占全部灾害损失的60%[3]。可见，干旱是我国乃至全球农业可持续发展面临的重要问题。因此，筛选和培育抗旱农作物新品种对我国粮食生产可持续发展具有重要意义。

玉米是重要的粮食、饲料、工业原料和生物能源作物，目前玉米已经成为我国种植面积最大的作物。干旱是影响玉米产量最主要的非生物胁迫因素[4]，开展玉米抗旱育种是对抗干旱的迫切需要。不同玉米自交系对干旱的适应性和抵抗能力不同，准确地鉴定与评价玉米自交系抗旱性是培育抗旱玉米杂交种的重要前提[5]。因此，本研究选取39份当前国内玉米育种和生产中的骨干自交系为材料，通过大田干旱胁迫处理试验，参考祁旭升等[6]的加权抗旱系数法进行抗旱综合评价分析，利用筛选到的穗干重、籽粒干重和出籽率3个指标对玉米自交系抗旱性进行综合评价，并筛选强抗旱自交系，为玉米抗旱育种提供宝贵的耐干旱胁迫资源。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究选取的39份供试材料由中国农业科学院作物科学研究所提供，具体见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 试验地概况 试验地位于甘肃省农业科学院张掖试验站，该地区年平均降水量129 mm，蒸发量2 047.9 mm，≥10℃年积温2 870℃，降雨稀少、蒸发量大，光热条件充足，其独特的气候条件，非常有利于开展作物田间抗旱鉴定试验。试验地0～20 cm土层含有机质18.45 g·kg-1、碱解氮76.62 mg·kg-1、速效磷22.76 mg·kg-1、速效钾244.53 mg·kg-1。

表1 39份玉米骨干自交系编号及名称

1.2.2 试验材料种植 试验于2017—2018年在甘肃省农业科学院张掖试验站进行，试验设干旱胁迫处理和灌水对照区，处理和对照间有3.5 m的防渗隔离带。处理和对照均为完全随机区组设计，3次重复，每份材料种2行，行长4.0 m，行距0.6 m，株距0.3 m。采用“干播湿出法”播种，即播种前不灌水，播种后利用滴灌灌水600 m3·hm-2保证正常出苗，干旱处理全生育期根据干旱程度控制少量灌水，或者不再灌水，对照处理在苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期各灌1次水，每次灌水量300 m3·hm-2，保证全生育期正常生长的需水量。

1.2.3 指标测定 记载生育期内降雨量，采用5点法测定各生育阶段0～40 cm土壤含水量，记载散粉至吐丝间隔时间(Ahthesis silking interval, ASI)，成熟收获后每小区取样5株测量株高、穗位高、穗长、穗粗、穗干重(5穗)、籽粒干重(5穗)、出籽率及百粒重，以其平均值代表考察指标值。

1.2.4 抗旱性评价 参照祁旭升等[7]的方法对39个参试自交系的抗旱性进行评价，抗旱级别划分参照路贵和等[5]的逐级分类法，将39个品种的抗旱性划分为极强、强、中等、弱、极弱5个级别，见表2，具体评价方法如下：

TR=Xd/Xw

表2 抗旱性分级标准

1.2.5 数据分析 采用Excel 2007进行数据处理，利用DPS 9.50软件进行描述性统计、相关数据分析。

2 结果与分析

2.1 2017—2018年玉米主要生育期土壤含水量变化

2017和2018年在玉米整个生育期内降水量分别为120.2 mm和140.6 mm，由于气候原因，2018年降雨偏多，主要集中在苗期，抽雄期和成熟期降雨量很少，由图1可以看出，2018年苗期土壤含水量明显高于2017年，但抽雄期和成熟期土壤含水量2a数据无显著差异。数据分析表明，抽雄期土壤含水量最低，其次是成熟期和苗期，抽雄期是玉米对水分较为敏感的时期，而且恰逢高温天气且降雨量较少，干旱胁迫条件充分，土壤含水量差异较小。因此，在此环境下，进行自交系抗旱性综合评价和筛选结果准确可靠。

图1 2017—2018年玉米主要生育期土壤含水量Fig.1 Soil moisture content during the main growth period of maize in 2017-2018

2.2 玉米自交系主要农艺性状指标的差异和相关性分析

对39份自交系的粉丝间隔时间、株高(Plant height, PH)、穗位高 (Ear position height, EPH)、穗长(Ear length, EH)、穗粗(Ear diameter, ED)、穗干重(Ear dry weight, EDW)、籽粒干重(Seed dry weight, SDW)、出籽率(Seed producing percentage, SPP)和百粒重(100-seed weight, 100-SW)，9个主要农艺性状指标进行遗传多样性分析，从表3中可以看出，在不同处理下，9个指标的变异系数介于6.16%～97.7%之间，其中粉丝间隔时间变异系数最大，籽粒干重、穗干重、穗位高和百粒重次之，说明39份自交系之间遗传差异比较大，具有代表性。数据分析表明：与正常灌水相比，干旱胁迫使得供试材料粉丝间隔时间变长，增加1.5～2 d，其余8个指标均降低，2017年干旱处理的穗干重、籽粒干重和出籽率3个指标分别降低到正常灌水的83%、80%和89%，差异极显著(P<0.01)。2018年干旱处理的穗干重、籽粒干重和出籽率分别降低到正常灌水的80%、78%和88%，差异极显著(P<0.01)。说明干旱胁迫对玉米自交系的生长发育、形态特征及最终产量均有较大的影响。

同时，对39份自交系的9个主要农艺性状指标进行相关性分析(表4)，结果表明，粉丝间隔时间、株高和穗位高与其他指标间相关性较小，没有显著性；穗粗与穗干重、籽粒干重间呈极显著正相关(P<0.01)；穗干重与籽粒干重、出籽率、穗长和穗粗呈极显著正相关，同时与百粒重呈显著正相关(P<0.05)；ADC与ASI呈极显著正相关，这种现象说明延迟吐丝的自交系接受到周围自交系的花粉，表现出了抗旱的假象；平均抗旱系数与穗干重、籽粒干重和出籽率3个指标呈显著正相关，而穗干重、籽粒干重、出籽率是产量的主要指标并且与产量呈正相关，因此穗干重、籽粒干重和出籽率可作为玉米自交系抗旱性综合评价的主要指标。

2.3 玉米自交系抗旱性综合评价

作物抗旱性是一个极其复杂的机体代谢过程，评价抗旱性时需要进行多性状的综合考虑，为了能够准确评价玉米自交系的抗旱性，本研究利用筛选到的穗干重、籽粒干重、出籽率3个与平均抗旱系数相关的指标，采用加权抗旱系数法对其抗旱性进行综合评价，其加权抗旱系数值越大表示抗旱性越强(表5)。

参照路贵和等[5]的逐级分类法，将39份自交系的抗旱性划分为极强、强、中等、弱、极弱5个级别(表2)，其中E28、DH351、陇1222、浚92-8和黄早四5份自交系抗旱等级属1级，京92、黄野四、多229、郑58 和D1798Z 5份自交系属抗旱性2级，陇1107、陇1233等18份属3级，M5972、掖488等7份属4级，PH6WC、DH392等4份属5级(表5)。从玉米自交系抗旱性综合评价结果来看，我国玉米杂种优势群体中代表性的DH351、郑58属改良Reid群，E28属旅大红骨类群，黄早四和浚92-8属黄改群，均表现出极强或强抗旱性，这些自交系可在以后抗旱育种中加强利用。

表5 39份玉米自交系的抗旱性综合评价值

3 讨 论

作物的抗旱性受基因型和环境因素两方面影响[8-9]。抗旱鉴定条件直接影响抗旱鉴定结果的准确性，田间自然干旱条件下鉴定作物抗旱性结果更接近大田生产，但降雨量难以控制。目前作物抗旱性研究较多集中在芽期和苗期，因为此生育阶段更适宜实验室内或抗旱温棚中进行，虽然可有效控制水分，但受空间限制和小气候影响，与大田生产相脱离，一定程度上影响了作物抗旱性鉴定与评价工作的广泛开展和深入研究[10-11]。田间自然鉴定作物抗旱性简单易行，可进行大批量的种质资源鉴定，且获得的结果接近大田种植，可服务于生产应用，因此，符合条件的田间自然抗旱性鉴定是最理想的方法[12]，但大多数地区的降雨量、干燥度等气象因素无法满足抗旱研究要求，鉴于此，本研究在降雨量稀少、空气干燥的张掖绿洲灌溉农业区，以我国玉米骨干自交系和当前生产中大面积推广品种的亲本为试验材料，在干旱胁迫下进行了田间抗旱性研究，为探明干旱条件下玉米自交系的不同抗旱类型提供一定的理论依据。

抗旱指标的选择对抗旱性综合评价至关重要，关于抗旱指标的筛选研究报道较多，但没有形成统一的标准，因此本研究对9个主要农艺性状指标的相对值进行相关性分析，以便筛选出与玉米抗旱性密切相关的指标。Pagano等[12]研究报道，ASI受干旱胁迫影响最敏感，抽雄及散粉期遇到高温及干旱天气，导致ASI明显拉长，严重影响雌花发育、授粉及结实，导致产量降低。株高及穗位高受到苗期或者拔节期干旱胁迫的影响，对玉米生长也会形成不可逆的抑制作用，它们也被作为权衡玉米抗旱性的重要指标[13]。有研究认为干旱胁迫下，植物叶片的下垂及卷曲程度也能作为玉米抗早指标。张振平等[14]通过对13个玉米品种的抗旱性鉴定，认为平均产量、几何平均产量和耐旱指数作为玉米抗旱性鉴定的评价指标是合理的。路贵和等[5]研究表明干旱胁迫造成的玉米产量变幅及旱地产量是评价玉米抗旱性最重要和最终的2项指标。而本研究通过对玉米全生育期的干旱胁迫，筛选出穗干重、籽粒干重和出籽率这3个与产量紧密相关的指标，与平均抗旱系数呈正相关。

作物抗旱性是由多个基因控制的较为复杂的综合表现，通过某个单一指标对其抗旱性进行评价，很难获得准确有效的结果，从形态、生理生化指标中筛选出有显著影响的几个主要指标进行综合评价才更有效[15-16]。因此本研究对9个主要农艺性状指标的相对值进行相关性分析，发现平均抗旱系数与ASI呈极显著正相关，这与前人研究结论不同[16]，一般而言，干旱条件下，抗旱性好和差的品种相比较，强抗旱品种的ASI明显减小，吐丝及散粉期相对集中，对结实率影响较小；而抗旱性较差的品种，干旱条件下ASI明显拉长，我们在田间表型鉴定及生育期记载中也能说明这一点。但是数据分析的结果表明平均抗旱系数与ASI呈极显著正相关，分析原因可能由于吐丝较晚的自交系接受到了周围其他自交系花粉，未表现出结实差的现象，造成了一种抗旱假象。在干旱条件下，株高、穗位高明显降低，这与Jansen等[17]研究结果一致。抗旱性好的玉米可以通过降低株高及穗位高适应逆境环境，减少能量损耗，从而提高抗旱性。苏治军等[18]通过相关抗旱系数分析说明了玉米株高、穗位高、穗粒重等与抗旱性呈显著正相关。本研究干旱条件下穗长、穗粗、穗干重、籽粒干重、出籽率及百粒重均不同程度降低，与杨国虎等[19]通过对玉米农艺和产量性状进行综合因子评价结果基本吻合，说明株高、穗长、成穗率和出籽率对抗旱性具有显著影响。黎裕等[20]认为抗旱性和产量性状都属于数量性状，由多位点多基因综合控制，其遗传网络不尽相同，因此在选择抗旱评价指标时，重点考虑抗旱性本身而不是产量潜力，但是育种工作需对这两个系统进行综合考虑。本研究结果表明平均抗旱系数与穗干重、籽粒干重、出籽率呈显著正相关，说明这3个农艺性状指标可作为玉米自交系抗旱性综合评价的主要指标，这与孟庆立、王喜慧等[21-22]的研究结果相似。

前人对不同作物的抗旱性评价方法研究较多[23-25]，通过分析前人的评价方法，可归纳为四大类，第一类是利用抗旱系数进行直接评价抗旱性，根据抗旱系数大小及所划分等级比较不同品种抗旱性的强弱。第二类是利用某一指标在所有指标中所起的重要程度来综合评价抗旱性。第三类是聚类分析[26]，根据多项指标所测数据对供试材料进行系统聚类，用聚类图对材料抗旱性进行分级；第四类是灰色关联度分析，根据灰色关联度筛选出高效指标并综合评价其抗旱性。本研究参考祁旭升等人[6-7]的加权抗旱系数法，结合第二种和第三种评价方法，将39份玉米自交系进行抗旱等级分类，利用筛选到的穗干重、籽粒干重、出籽率3个农艺性状指标对玉米自交系抗旱性进行综合评价，该方法根据不同指标贡献程度的大小对其赋予了不同权重，评价更加合理准确。本研究结果表明，改良Reid群的自交系DH351、郑58，旅大红骨类群的E28，黄改群的黄早四和浚92-8，这几个骨干系都具有强抗旱性。王绍新等[25]认为，瑞德系、部分黄改系和热带种质等含这类血缘的自交系抗旱性较强，抗旱性较强的杂交种杂优模式为瑞德系×黄改系，育种家在品种选育过程中应保留本地的瑞德系血缘，以提高品种的抗旱性。余奎军等[27]研究表明，Reid和Lancaster两大类群的抗旱性较强，P群的抗旱性次之。这些研究结果与本研究具有相似之处，同时也有区别，可能与抗旱鉴定环境有关系，前人试验多在抗旱棚内进行，而本研究在田间自然条件下进行，抗旱结果及筛选到的抗旱自交系可应用在田间鉴定及生产的参考价值更大。因此，本研究所筛选到的强抗旱且亲缘关系较远的玉米骨干自交系可作为亲本在抗旱育种中选择应用，这为育种工作提供了新的思路。后续试验将在多生态环境干旱条件下，应用目前所鉴定出的抗旱自交系分别进行验证，并从其生理、生化指标、产量性状和存活率测定等多方面综合评价抗旱性。

4 结 论

在田间自然条件下对玉米自交系进行抗旱鉴定，通过加权抗旱系数评价其抗旱性，将39份自交系划分为5个抗旱级别，筛选出了一些抗旱自交系，其中代表性的DH351、郑58属改良Reid群，E28属旅大红骨类群，黄早四及浚92-8属黄改群，表现出极强或强抗旱性，这些自交系可在以后抗旱育种中加强利用。