新疆自然高温环境下玉米自交系开花期耐热性鉴定与评价

杨 杰，韩登旭，阿布来提·阿布拉，梁晓玲，王 莹，徐明良

(1 中国农业大学，北京 100193；2 新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091；3 新疆维吾尔自治区农业规划研究院，乌鲁木齐 830000)

随着全球气候变暖，高温干旱天气持续时间长、分布范围广，已严重影响到世界粮食安全[1]。玉米是中国第一大粮食作物，起源于中南美洲热带亚热带高原地区，其生殖生长的最适温度为25～28 ℃，高温会对玉米的生长发育造成伤害，导致减产[2]。新疆位于中国西北、欧亚大陆腹地，属于典型的干旱半干旱大陆性气候，光热资源丰富，昼夜温差大。近年来，新疆降雨稀少、蒸发量极大，在玉米生长季节日最高气温35 ℃以上的酷热天数逐年增加，高温胁迫日趋严重。2015年7月中旬，酷热高温造成新疆伊犁河谷12.8万hm2农作物不同程度受灾，占春播总面积的29%，经济损失达7亿元，其中玉米出现大面积减产，减产幅度达40%以上。伊犁河谷地区的伊宁、昭苏、新源、霍城等县市玉米制种遭受重大损失，昭苏县大面积玉米制种田绝收，对整个新疆玉米产业的发展造成巨大影响。因此，开展玉米种质资源耐热性研究，筛选挖掘耐高温种质，培育耐高温杂交种是减少高温热害损失的有效途径，对促进新疆玉米产业发展具有非常重要的意义。

近年来，众多学者在玉米耐高温方面的研究结果表明：高温对玉米生物量、根冠比、株高、茎粗、叶面积、叶绿素含量、雌雄开花期、籽粒灌浆和产量形成等影响较大[3]。开花授粉期是玉米对高温胁迫最为敏感的时期，此时遭遇高温会造成籽粒败育率增加[4]、灌浆持续期缩短[5]、源库协调能力降低[6]，导致单位面积穗数、穗粒数及粒重三者失衡，产生大量空秆，籽粒产量大幅下降。也有学者认为开花当天是玉米对温度最敏感的时期，此时遇到高温会造成严重减产[7-9]。杨国虎等[10]研究认为，高温除了对玉米花粉活力造成影响以外，还显著影响花丝发育、花丝受精能力。此外，高温胁迫会破坏玉米叶片细胞中的抗氧化系统平衡，积累较多的丙二醛(MDA)，致使膜脂过氧化加重，细胞渗透调节物质含量减少，加快了衰老进程，造成光合产物减少，干物质积累降低[11-12]。李铭东等[13]利用温室对灌浆期耐热性研究显示，不同基因型玉米自交系间耐热性存在显著差异，灌浆期遭遇高温胁迫导致千粒重显著下降，是造成玉米自交系产量下降的主要原因。

以往的相关研究常通过温室人工控温，模拟自然环境进行高温胁迫，达到耐热鉴定的效果[14]。然而，人工温室模拟的高温胁迫终究与自然环境存在差异，如：温室内的光照强度、空气温湿度、CO2浓度以及玉米光合与呼吸环境等均与大田自然环境不同；此外，温室也仅限于少量材料的鉴定，不便于开展大批量鉴定。为此，本研究在新疆夏季田间自然高温条件下，以玉米株高、穗位高、果穗空秆率、果穗结实率、相对结实率以及部分穗部性状和籽粒产量为主要评价指标，初步对新疆自育和国内外部分骨干自交系进行耐热性鉴定与评价，以期鉴定出耐热性强、结实好、综合农艺性状优良的耐热自交系，为挖掘耐热玉米种质资源、选育耐热玉米新品种奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料与试验地概况

试验材料为26份自育及部分国内外骨干玉米自交系，由新疆农业科学院粮食作物研究所提供，材料名称及来源见表1。试验地位于新疆农业科学院安宁渠综合试验场，地处乌鲁木齐市城北新市区，属于中温带大陆性干旱气候，春秋两季较短，冬夏两季较长，昼夜温差大。年平均降水量为194 mm，最暖的7、8月份平均气温为25.7 ℃，持续超过35 ℃高温20 d以上，全年极端气温最高达47.8 ℃，最低达-41.5 ℃。试验地为沙壤土，地势平坦，地力均匀一致。

表1 参试玉米自交系名称及来源

1.2 试验设计与高温天气确定

试验材料种植4行区，行长2 m，平均行距0.55 m，株距0.2 m,种植密度90 000 株/hm2，3次重复，2019-2020连续两年重复试验。每年于4月30日、5月6日、5月12日分3期播种，以期让试验材料在开花期遭遇持续稳定的高温胁迫。田间全部采用膜下滴灌并安装水表，精准控制灌水量，大田2 m(冠层)高处安装电子大气温湿度自动记录仪，在地表0.2 m深处安装电子土壤温湿度和含水量自动记录仪。

2019-2020连续两年，5月6日播种的试验材料开花期刚好遇上7月1-31日持续的高温天气。其中，2019年7月，高温>30 ℃的天数有28 d，占90.32%；高温>35 ℃的天数有 21 d，占67.7%。2020年7月，高温>30 ℃的天数有30 d，占96.8%；高温>35 ℃的天数有20 d，占64.5%；特别是2020年7月17-27日期间，高温>40 ℃的天数有8 d(图1)。2020年7月的持续高温天气与往年相比温度更高、时间更久，为鉴定玉米自交系耐高温特性提高了充分的高温胁迫条件。

图1 2019(上)和2020(下)年乌鲁木齐市新市区7月份的日高温、低温及日均气温分布图Fig.1 Distribution diagram of high, low temperature and average daily air temperature in New Urban district of Urumqi in July 2019 (up) and 2020 (down)

1.3 性状调查及耐热性鉴定评价

1.3.1 主要农艺性状调查8月底选取中间2行连续10株，调查株高、穗位高等性状；9月底调查空秆率、倒伏率、倒折率等性状；收获后考种，测量果穗长、果穗粗、秃尖长、穗行数、行粒数、百粒重、籽粒含水量(使用LDS-IH 金点谷物水分测定仪测定)、相对结实率和单株产量(统一折算为14%含水量)。

1.3.2 自交系耐热性鉴定与评价按照贺正华等研究方法[15]，在玉米成熟期调查小区总株数、空秆率、收获果穗进行考种，根据籽粒发育痕迹考察理论行数和行粒数，计算植株空秆率和果穗结实率。其中植株空秆率=空秆株数/总株数×100%，结实率=结实粒数/(理论行数×理论行粒数) ×100%。并用相对结实率来综合评价材料耐热性。相对结实率=(1-空秆率)×果穗结实率。

1.4 数据处理与统计分析

使用Excel2010对数据进行处理，用R语言软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下玉米自交系结实性状的差异

开花期是玉米对高温、干旱等自然环境最为敏感的时期，此时遭遇持续的高温天气将导致玉米花粉不育或致死，严重时造成大幅减产。本研究利用2020年7月持续35 ℃以上的高温对参试玉米自交系进行耐热性鉴定。结果(表2)显示，不同遗传背景或不同来源的自交系空秆率、果穗结实率、相对结实率差异较大，均达到极显著水平。

2.1.1 空秆率在高温胁迫条件下，大部分材料雄穗花粉败育或致死，受精结实不良，籽粒干瘪，出现大量空秆。参试材料两年的空秆率分别介于13.39%～74.47%(2019)和18.25%～91.25%(2020)之间，说明自然高温胁迫下不同基因型自交系耐热性表现差异较大，且高温强度越高、持续时间越长，其空秆率越大。2019年空秆率最低的是GW7F(13.39%)，最高的是B73(74.47%)，空秆率居10%～50%的材料有23份，空秆率超过50%的材料有3份；2020年空秆率最低的是PH6WC(18.25%)，最高的是吉63(91.25%)，有超过1/2的材料空秆率大于50%。不同年份相比，虽两年7月份35 ℃以上高温日数相近(图1)，但2020年有8 d持续高温达到了40 ℃以上，属超强极端高温天气，导致玉米出现大量空秆和瘪粒，玉米产量损失更为严重。不同熟期相比，早熟材料两年平均空秆率分别为32.94%(2019)和53.44%(2020)，中晚熟材料平均空秆率分别为33.24%(2019)和60.19%(2020)，早熟材料低于中晚熟材料。这是因为早熟自交系在7月上旬已经开始散粉和吐丝，处于高温胁迫的前期，日均最高气温相对较低，对玉米花粉活力及结实影响相对较小；而中晚熟材料开花期在7月中下旬，刚好遭遇35～40 ℃的极端高温胁迫，大量花粉致死，结实不良。因此，开花期遭遇高温热害胁迫对玉米授粉和籽粒结实影响较大，鉴定和筛选熟期较早且耐热性较强的自交系是选育耐高温玉米杂交种的重要前提。

2.1.2 结实率在连续两年的试验中，特别是2020年7月中下旬，高温强度已远超玉米花粉和花丝等生殖器官生长发育耐受高温的临界值，造成大部分玉米自交系雌穗发育受阻或发育不良，结实率受到极大的影响。由表2可见，在12份玉米早熟自交系中，结实率居0～10%的1份，10%～20%的2份，20%～30%的5份，30%～50%的4份；其中，‘吉63’的耐热性最差(5.3%)，GW4F、GW5F、PHBA6等自交系的耐热性较强，它们的结实率均在40%以上，并以GW4F耐热性最强，结实率达到46.25%。在14份中晚熟组自交系中，结实率居10%～20%的7份，20%～30%的6份，30%～50%的1份，其中的Mo17结实率最低(12.1%)， PH6WC、GW7F、郑58、新玉47M、GW6F、(PH4CV/昌7-2) -1等自交系结实率较高(20%)， PH6WC结实率最高(37.45%)。

2.1.3 相对结实率表2显示，在12份早熟自交系中，相对结实率在0～10%、10%～20%、20%～30%、30%～50%的自交系在2019年分别筛选到1、4、1和5 份，在2020年分别筛选到5、5、1和1份；相对结实率50%的自交系只在2019年获得了1份。就具体自交系而言，GW5F和FW4M相对结实率最高，分别达到50.18%(2019)和32.92%(2020)。在14份中晚熟自交系中，相对结实率在0～10%、10～20%、20～30%、30～50%的自交系在2019年分别筛选到3、3、1和5 份，在2020年分别筛选到8、5、0和1份；相对结实率50%的自交系只在2019年获得了2份。就具体自交系而言，GW7F相对结实率最高，分别达到54.03%(2019)和13.80%(2020)。

表2 参试玉米自交系空秆率与结实率统计表

综合两年的试验数据，依据空秆率、果穗结实率以及相对结实率对参试材料进行耐热性综合评价与分析，早熟组材料中的‘吉63’、‘GW2M’、‘新玉110F’、‘新自3113’等4份自交系可被认定为高温敏感型种质，‘GW1F’、‘GW1M’、‘新自351’、‘PHBA6’、‘LH82’等5份自交系可被认定为耐高温种质，‘GW5F’、‘GW4M’、‘GW3F’可被认定为极耐高温种质。中晚熟组材料中的‘B73’、‘新自6423’、‘MO17’、‘昌7-2’、‘郑58’、‘(PH4CV/昌7-2)-2’等6份自交系可被认定为高温敏感型材料，‘GW8F’、‘(PH4CV/昌7-2)-1’、‘新农玉6390F’、‘新玉47M’、‘新农玉6390M’等5份自交系可认定为耐高温种质，而‘PH6WC’、‘GW6F’、‘GW7F’可认定为极耐高温种质。

2.2 开花期高温胁迫对玉米自交系籽粒产量及其构成因素的影响

2.2.1 籽粒产量高温胁迫导致玉米自交系花粉活力下降，严重时致死造成不育或败育，从而影响正常受精结实，最终造成减产。方差分析结果表明(表3)，不同年份、不同熟期材料产量差异均达到极显著水平，年份与材料互作也达到显著水平，说明不同基因型玉米自交系耐热性表现出较大的差异。综合两年的产量数据(表4)可知，早熟玉米自交系籽粒小区产量分别介于0.26～2.02 kg(2019)和0.11～1.05 kg(2020)之间，小区产量均值排前三位的依次是GW5F、GW4M和GW1F，均为国外自交系，且籽粒产量与其他自交系差异显著；新自351、LH82、GW1M、GW3F、PHBA6等自交系小区产量之间差异不显著，耐热性与籽粒结实性较强，小区产量较高；新自3113、新玉110F、吉63、GW2M等4份自交系产量差异不显著，耐热性和籽粒结实性较差，产量水平也较低。中晚熟自交系小区产量分别介于0.20～2.52 kg(2019)和0.02～0.67 kg(2020)之间，小区产量均值排前二位的依次是PH6WC和GW6F，耐热性较强，籽粒结实性较好；新玉47M、(PH4CV/昌7-2)-1、新农玉6390M、郑58之间产量差异不显著，其耐热性与籽粒结实性较强，产量水平较高；Mo17、昌7-2、B73、GW8F、新自6423等5份自交系产量差异也不显著，耐热性与籽粒结实性较差，产量水平较低。

表3 不同年份、不同熟期玉米自交系籽粒产量方差分析表

表4 各玉米自交系籽粒产量及其构成因素多重比较

2.2.2 产量构成因素两年试验结果(表4)表明，高温胁迫降低了玉米自交系的果穗长、果穗粗、穗行数、行粒数、果穗重、百粒重，最终导致单株产量降低。而高温胁迫对不同熟期、不同基因型自交系小区产量及其穗部结实性状的影响差异各不相同。其中，早熟材料中GW5F与GW3F、GW4M、GW1M，GW1F与PHBA6，新自3113与GW2M、LH82，新玉110F与吉63的小区产量差异均不显著；晚熟材料中GW7F与GW6F、新农玉6390M，PH6WC与新玉47M、新农玉6390F、GW8F，(PH4CV/昌7-2)-1与新自6423、(PH4CV/昌7-2)-2，郑58与B73、昌7-2、Mo17的小区产量差异也不显著。而各自交系穗长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒重等穗部性状相互之间表现较大的差异。其百粒重除GW5F与GW4F，GW2F与吉63，GW1F与新玉110F之间差异不显著外，其余各自交系间差异均达到极显著。说明在高温胁迫下以上材料之间产量相差不大，其耐热性强度相近，但高温胁迫对不同基因型自交系果穗籽粒结实性状及产量构成影响差异较大。

2.3 高温胁迫下自交系主要农艺性状表现

2.3.1 主要农艺性状变化由表5可见，自然高温胁迫下，不同年份、不同熟期玉米自交系主要农艺性状平均观测值及变异系数差异较大。早熟材料农艺性状变异系数分布介于9.99%～63.74%(2019)、4.95%～48.44%(2020)之间，晚熟材料农艺性状变异系数分布介于10.07%～69.01%(2019)、8.01%～51.02%(2020)之间。其中，果穗秃尖长、粒重和果穗重3个性状受高温影响造成的变幅最大，变异系数均超过30%以上；行粒数、穗位高、穗行数、百粒重、果穗长、株高等性状次之，变异系数介于10%～30%之间；籽粒含水量受高温胁迫影响较小，其变异系数小于10%。另外，综合两年数据方差分析可知，自然高温胁迫下不同熟期玉米自交系株高、穗位高、穗长、秃尖长、穗行数、行粒数、果穗重、百粒重、产量等9个指标差异均达到极显著水平，果穗粗和籽粒含水量差异达到显著水平。

表5 玉米自交系主要农艺性状差异显著性比较

2.3.2 主要农艺性状、结实性状及产量相关性对不同熟期自交系主要农艺性状、果穗性状及产量构成因素相关性分析结果(表6)表明，株高、穗位高与穗部性状及产量因子呈显著或极显著正相关，与秃尖长呈极显著负相关，其中株高和穗位高与果穗长相关系数最高(分别为0.973**和0.993**)。说明株高和穗位高与其穗部性状及产量因子关系较为密切，高温胁迫下株高和穗位高的增加受到抑制，干物质运输和积累受阻，最终造成玉米籽粒产量下降。同时，早熟材料中与产量呈显著或极显著正相关的产量构成因子有6个，其相关性大小依次为果穗重(0.993**)>穗行数(0.989**)>果穗长(0.967**)>果穗粗(0.963**)>百粒重(0.952**)>行粒数(0.873*)，秃尖长与产量(-0.941**)呈极显著负相关；晚熟材料中与产量呈显著或极显著正相关的产量构成因子也有6个，其相关性大小依次为果穗重(0.997**)>穗行数(0.987**)>行粒数(0.983**)>果穗长(0.977**)>果穗粗(0.900*)>百粒重(0.857*)，其中籽粒含水量(0.606)与产量相关性不显著，秃尖长与产量(-0.825*)显著负相关；穗长与穗重(0.989**)、穗重与穗行数(0.988**)、穗行数与穗粗(0.985**)相关系数明显较高，穗部各性状间关系较为密切。可见，高温胁迫是通过影响玉米果穗重、穗行数、行粒数、果穗长、果穗粗、百粒重以及籽粒含水量等穗部结实性状，抑制果穗生长发育和籽粒形成，最终造成籽粒产量大幅降低，并以果穗重、穗行数、行粒数的变化对玉米产量的影响较大。

表6 高温胁迫处理下玉米自交系主要农艺性状相关系数

2.4 参试玉米自交系耐热性聚类分析

用R语言统计软件对参试玉米自交系相对结实率进行层次聚类，结果(图2)显示，26份自交系可分为两大类，其中GW5F、PH6WC、GW4M等3份来自国外的玉米自交系聚为第Ⅰ大群，其遗传背景丰富，并聚合了较多的抗逆优异基因，均表现出极强耐高温特性；特别是PH6WC是中国种植面积最大、适应性和抗逆性最强的美国玉米杂交种先玉335的母本，其综合抗逆性极强。其余自交系被聚为第Ⅱ大群。其中，第Ⅱ大群又被分成3个小的亚群，吉63、Mo17、昌7-2等6份来自国外的老自交系和中国东北选育的自交系聚为第1亚群；PHBA6、LH82、新自351等6份国外最新引进和新疆自然高温环境选育的自交系聚为第2亚群；郑58、新农育6390M、新自3113等11份黄改系和新疆自然高温环境选育的自交系聚为第3亚群。这个分类结果与空秆率、果穗结实率、相对结实率等综合鉴定分析的结果相互印证，能较好反映出不同基因型玉米种质材料之间耐热性的差异。

图2 不同基因型玉米自交系耐热性层次聚类分析图Fig 2 Hierarchical clustering analysis of heat resistance of maize inbred lines with different genotypes

3 结论与讨论

全球气候变暖、高温天气频发[16]，对粮食安全造成严重影响[17]。玉米属C4作物，生长季节相对较高的温度有助于玉米增产，但温度超过一定范围则会对产量造成不利影响[18]。据新疆气象部门数据显示，2019和2020连续两年，在玉米开花授粉时正好赶上持续性强、稳定性好的35 ℃以上的高温胁迫，其中2020年7月17-27日，乌鲁木齐连续8 d的高温均在40 ℃以上，期间也没有降雨的影响，完全达到了试验所需的高温胁迫条件，其高温胁迫强度高、持续时间长、稳定性好，为试验材料高温处理和试验数据采集奠定了较好的试验基础。

玉米开花期遭遇高温，会引起生殖器官发育异常，破坏玉米自交系正常的生长发育进程，增加了籽粒败育数，最终导致产量下降。于康珂[19]研究表明，开花授粉前后高温造成玉米减产，主要是因高温对籽粒数的影响严重，导致玉米穗部性状和结实率降低，且品种间存在差异。杨欢[20]研究表明，高温胁迫显著影响玉米百粒重、粒重和穗粒数，进而降低产量，且随着胁迫时间延长，产量降幅增加。本研究结果表明，高温胁迫降低了玉米的果穗结实率和相对结实率，造成大量空秆，最终导致单株产量降低，且品种间差异显著。高温胁迫后不同耐热性玉米自交系产量与产量构成因子受到严重的影响，其中穗重、穗行数、行粒数所受影响最大，这与前人研究结果一致。此外，笔者认为在高温干旱条件下籽粒产量降幅较低、抗旱和耐热性较强的材料，在正常灌溉条件下其籽粒产量不一定高，而正常条件下产量很高的材料，在遭遇高温和干旱胁迫时其产量也有可能表现出较大的降幅。因此，在大田自然环境条件下进行耐热和抗旱性鉴定试验，其结果受大气环境、土壤地力和肥力、田间综合管理等诸多因素影响，需多年多点重复试验来验证。

众所周知，植物的生态环境适应性与长期所处的自然环境相关，玉米的耐热性也是如此[21]。本研究鉴定出的GW5F、GW4F、GW7F、PH6WC等4份表现极耐高温的自交系均为国外优异种质，其遗传基础较为广泛，可用于玉米耐高温基础研究和遗传改良。同时，表现较强耐热性的新玉47M、新自351等8份品系多来自于新疆本地选育的材料，适应当地的高温环境，结实率相对较高，耐热性较强，可作为优异的玉米耐热育种资源。

综上所述，开花期高温热害已经成为威胁玉米生产安全的主要因素之一[22]。因此，挖掘耐高温特异种质，遗传改良创制耐热育种新材料，培育耐热玉米新品种是解决新疆玉米高温热害的重要途径。本研究结合新疆当地高温干燥的气候特点，建立了一套适宜玉米种质资源大田耐热性鉴定的评价体系，为中国玉米耐热种质资源的遗传改良和新品种选育提供参考。