玉米抗旱性指标研究进展

杨瑞晗，许海涛*，王文文

（1.驻马店市农业科学院/河南玉米产业技术体系驻马店综合试验站，河南驻马店463000；2.驻马店市平舆县农业科学技术试验站，河南平舆463400）

干旱是农业气象灾害之一，因较长时期内降水量偏少，空气干燥，土壤中含水量不足造成缺水，致使植物体内发生水分亏缺不能正常生长发育，导致产量下降[1]。我国干旱、半干旱地区约占全国总面积的47%，而耕地总面积43%的区域则属于干旱、半干旱区，该区域降水无规律且降水量偏少，时空分配不均衡，干旱及阶段性的干旱时常发生[2-3]。据国家气象局预测，未来10～50 年干旱有逐年扩大的趋势，连续季节性、区域性及阶段性干旱发生的频率有所增加[4]。据报道，干旱已导致我国粮食减产700 亿～800 亿kg[4-5]。玉米（Zea mays L.）是河南省常年种植的主要粮食作物之一[6]。干旱与水资源匮乏制约了玉米生产发展和稳产增产，原因在于干旱胁迫显著抑制了玉米正常的生长发育。干旱现已成为限制玉米产量形成的关键生态因素，是玉米生产发展过程中需要面对的主要非生物逆境之一。轻度干旱可使产量减少约25%，重度干旱可减产30%～35%，而严重干旱则使玉米产量几乎绝收。玉米对干旱胁迫比较敏感且需水量较大，而我国大部分区域没有灌溉条件或条件不足，易受干旱影响致使产量降低。玉米播种50 d 后干旱每增加1 d，减产可达3%；而抽雄吐丝阶段干旱每增加1 d，减产6%～7%；灌浆期平均减产可达4%[7-8]。玉米抗旱性由多种基因共同控制，能够通过多种途径进行御旱及耐旱，保障玉米在土壤干旱、气候干燥环境下对干旱的耐受、抵抗及适应能力，使其受害程度减轻，产量降低有所减缓[9-10]。玉米抗旱性受结构形态、生理生化、特异基因诱导表达，以及生育进程与气候变化配合程度的共同作用，进而在产量和形态方面集中体现出来[2]。目前，国内外诸多学者日益重视玉米抗旱性的相关研究[11-17]。本文对玉米抗旱性最新研究进展进行综述，为玉米研究者提供借鉴和参考。

1 玉米抗旱性鉴定方法

玉米抗旱性鉴定方法主要有盆栽法、旱棚旱池法、人工气候室模拟环境法、田间直接鉴定法。盆栽法主要有土培、水培、沙培，即可用盆栽先培育出玉米幼苗，再通过高渗溶液对正常生长幼苗进行脱水，测定生理及形态指标的变化，通过鉴定幼苗恢复能力对其进行抗旱性鉴定，此法适宜大批量抗旱性鉴定，但不适合生育后期的抗旱鉴定[16]；也可通过调控盆栽土壤含水量对玉米植株造成水分胁迫对抗旱性进行鉴定，此法可靠简单，但结果针对的不是玉米群体而是个体，鉴定任务量大，并且与大田实际表现有一定差异[8,15]。旱棚旱池法及人工气候模拟环境法主要通过人工控制旱棚旱池或人工气候室内温度、湿度、水分、光照，形成土壤干旱及大气干旱，模拟不同程度的干旱胁迫，分析其对玉米形态结构、生理生化及产量的影响，从而对其抗旱性进行评价，该法结果可靠且重复性较好，易于比较，方便调节干旱胁迫时间、强度及重复次数，克服田间直接鉴定存在的某些缺点，但投资成本较大，能源耗费大，不能进行大批量鉴定[9,16]。田间直接鉴定法在自然条件下利用地形、灌溉设施、自然降水形成多种水分差异，制造不同程度的干旱胁迫，对玉米抗旱性进行鉴定，此法对大量作物鉴定效果明显，不需要特殊设备，简单易行，结果接近田间实际情况，但自然环境对该法进行抗旱性鉴定影响较大，要求试验地所处区域气候干旱，降雨少，能够通过灌水调节水分胁迫，并且耗费时间长，工作量大，难以重复[9,16]。

2 玉米抗旱性鉴定指标研究

如何提高及合理利用玉米品种的抗旱性已是玉米研究中的重要问题之一，抗旱性鉴定指标是准确科学评价玉米抗旱性的依据。为便于鉴定玉米抗旱能力的高低，在研究抗旱性鉴定方法的基础上更需要创建合理的数量化鉴定指标。目前，众多学者已经建立起多种抗旱鉴定指标，使玉米抗旱性鉴定日益形成完善的综合评价鉴定体系[17]。

2.1 形态指标

早期学者对玉米抗旱性的研究主要集中在形态指标方面，分地上和地下2 部分：地上部分主要有玉米生育进度、株高、茎粗、叶片大小、叶片形状、叶片角度、叶片卷曲程度、叶色、气孔数、气孔指数、输导组织、蜡质层厚度、表皮细胞形状、受精及籽粒发育、雌雄穗大小、干物质积累状况等；地下部分主要有根数、胚根数、根长、根粗、根冠比、根系发育、根层分布、根干质量、根内维管束数、根导管等，地下根系从土壤中吸收水分并直接感受水分信号[10,18]。

株高与耐旱性在一定条件下呈正相关，水分胁迫使玉米生育受阻，生物质含量降低，对水分的吸收和运输能力下降，抑制株高的增长，使植株变矮[19]。玉米茎秆内部维管束担负着不同器官间的水分运输，以免水分失衡。茎秆越粗，茎组织吸水阻力越小，吸水率越大，水分运输能力越强，抗旱能力越强[20]。叶片的形态指标对玉米的抗旱性均能产生一定影响。叶片厚、茸毛密集、蜡质多、小叶以及直立株型玉米更易于抵御干旱[10]。黄绿及淡绿色叶片能够反射较多的光，叶温维持较低水平从而减少水分散失，使玉米耐旱性增强[8]。吴子恺认为，理想叶片形态指标为深绿色、直立且具有蜡质层，能在低水势条件下保持基本的功能，胁迫能快速缓解，干旱胁迫环境下基本不卷叶[21]。胡荣海则认为，以叶片的卷曲萎蔫强度鉴定品种耐旱性不够准确，某些作物叶片卷曲、下垂萎蔫是自身对干旱胁迫的抗逆反应，易于提高其耐旱性能[19]。王泽立等研究了玉米耐旱品种的形态解剖结构，认为抗旱品种具有叶片厚、气孔数及气孔指数大等特征[22]。唐连顺等对干旱胁迫下叶片超微结构进行了研究，结果表明，水分胁迫能够扭曲叶绿体基粒片层结构，损伤线粒体外膜，增大类囊体腔[23]。根系是玉米吸收水分的重要器官。陈立松等研究表明，发达根系能够对水分有效利用，进而推迟或阻止干旱伤害，与抗旱能力呈现正相关作用[24]。Fischer 等研究表明，玉米根系质量与多少对产量有一定影响，但与根系深度无关，耐旱品种的根系和植株干物质的质量比更高[25]。有些学者认为，初生根数多、苗期根苗比较高的品种耐旱性更强[19,21]。

2.2 生理生化指标

干旱环境条件下，作物为缓解水分胁迫形成压力，生理代谢快速做出调整来保障细胞正常的生理功能[18]。抗旱性是玉米植物体内细胞在水分胁迫下生理生化产生的适应性改变及自身抗逆反应的结果。干旱胁迫能够使玉米产生一系列生理生化变化，对其生理生化变化的研究可从分子生物学方面进一步探明玉米耐旱机理，从而对玉米种质材料的抗旱性进行鉴定[2]。

2.2.1 叶片水势（leaf water potential，LWP）。叶片水势是玉米叶片的水分状态与需水状况，反映了叶片细胞对水分吸收潜力的大小，与抗旱性的强弱显著相关，水势值稳定性及大小能够成为衡量玉米耐旱性强弱的生理指标。叶片细胞内部水分亏缺时，水势下降，水势值越低，吸水能力相对越强[5,8]。不同品种之间叶片水势存在较大差异。裴英杰等研究发现，强抗旱性玉米品种叶片水势值较低，变幅较小，究其原因，可能是干旱胁迫时易使细胞内水势保持平衡，降低组织损伤，增强抗旱性能[26]。侯建华等试验发现，干旱胁迫能使全部玉米叶片水势降低，而抗旱性品种降低不明显[27]；但罗淑平认为，叶片水势与玉米品种抗旱指数呈现极显著的正相关性[28]。

2.2.2 叶片相对含水量（relative water content，RWC）。叶片相对含水量是实际含水量占植物组织中饱和含水量的百分比，能够反映干旱胁迫时植株水分亏损的水平[29]。水分胁迫相同条件下，耐旱性差的品种，其叶片相对含水量降低幅度较大。黄莺等研究了玉米干旱胁迫24 h 后叶片相对含水量的变化，发现相对含水量均下降明显，但耐旱性较弱的玉米品种降低程度较大[30]。席章营等研究认为，强抗旱性品种叶片相对含水量下降较低，是由于其组织细胞内黏性较强、亲水能力较高，在水分胁迫环境下抗脱水的能力也就越强[29]。而张宝石等指出，基因型不同的玉米品种叶片保水性能与各自交系抗旱系数呈现出极显著的相关性[31]。

2.2.3 相对电导率（relative electric conductivity，REC）。相对电导率能够作为评价植物营养盈亏状况及抗逆性能强弱的关键参数。原生质膜对水分的变化反应较为敏感，干旱胁迫会使原生质膜受到损伤，降低质膜的稳定性，增加透性，导致细胞内含物易于外渗，外溶离子相应增多，相对电导率增大[5]。水分胁迫后相对电导率与抗旱性呈现出负相关性，干旱胁迫程度越重，细胞膜质系统受伤越重，相对电导率值也就越大，下降幅度相对较小而耐旱性较强，相对电导率稳定性好的基因型也就属于抗旱性基因型[31-32]。玉米幼苗干旱胁迫后相对电导率增加明显[33]。裴英杰等分析了67 个玉米品种的幼苗叶片电解质渗透（膜透性）和耐旱性（抗旱级别）的关系，结果呈现极显著负相关性，且电解质渗透率具有较高灵敏度，可以对玉米幼苗抗旱性能进行鉴定[26]。

2.2.4 气孔扩散阻力（stomatal resistance，RS）。气孔扩散阻力是指阻碍叶肉细胞中水蒸气向大气扩散过程中的作用力。经过气孔扩散损失的水分量占总水分损失量的80%～90%[8]。玉米最初通过调整气孔口开合度的大小来反映干旱胁迫，阻碍玉米体内水分的损失。水分胁迫常使玉米吸水不足导致组织发生脱水，此时通过调节气孔减少水分蒸腾而避免或降低干旱损伤。王晓琴等研究表明，不同玉米品种在水分胁迫时气孔扩散阻力均明显增大，但品种间增幅不同，抗旱性强的品种增幅较大而不耐旱品种增幅较小[34]。罗淑平研究测定了玉米自交系RS 值，结果显示，水分胁迫时抗旱性强的自交系材料敏感指数比较低，不耐干旱自交系材料敏感指数相对较高[28]。王忠华等认为：气孔关闭对玉米光合作用效率具有一定影响，致使玉米生长发育受阻；耐旱与生育二者间应保持协调，使玉米既具有一定耐旱性又要有一定的生长势[35]。池书敏等研究表明，水分胁迫轻度环境下主要以气孔调节限制为主，重度环境下光合作用将受到抑制，究其原因，核酮糖二磷酸羧化酶和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶活性可能大幅降低[36]。

2.2.5 抗氧化酶活性。抗氧化酶主要有超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT），它们是生物体内膜系统保护酶，具有清除生物活性氧自由基的重要功能，降低或阻止对细胞膜系统结构的损害。SOD 能够去除生物体内活性氧积累，降低对膜结构的损害；CAT 可以把SOD 形成的H2O2转变成H2O，让活性氧保持较低水平，保障玉米生命活动能够正常进行[5,15]。孙彩霞等对玉米进行干旱胁迫的研究显示，SOD、POD 和CAT 活性在干旱胁迫初期均有所升高，但随胁迫时间的增加及强度的提高，活性又有不同程度的降低[37]。王茅雁等研究认为，耐旱性强的品种SOD 活性比较高，水分胁迫时活性降幅低于耐旱性弱的品种，品种耐旱性与SOD 活性呈现显著正相关性，在水分胁迫时能够阻碍或降低形成羟基自由基从而使膜系统免受损害[38]。POD 在干旱胁迫下没有SOD、CAT 反应敏感，并且和玉米品种抗旱性相关不密切，SOD 活性与玉米抗旱性相关更紧密[39-40]。王振镒等对水分胁迫下玉米叶片酶活性变化进行了研究，耐旱性玉米叶片SOD 活性上升明显，不耐旱玉米变化较小，POD 活性虽有上升，但不耐旱玉米上升较小或者虽有上升但后又下降[40]。而李广敏等对不同耐旱性玉米杂交种和相对应的自交系幼苗进行聚乙二醇（PEG）处理，幼苗叶片SOD、CAT 和POD 活性提高显著[41]。

2.2.6 丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量。丙二醛是干旱胁迫使植物体内各种代谢产生变化，活性氧自由基（reactive oxygen species，ROS）的含量升高，不饱和脂肪酸过氧化形成的产物。MDA 含量的高低表现出质膜的过氧化损伤程度[4-5]。膜脂过氧化使膜中蛋白质引起交联、聚合及类脂的变化，膜上孔隙增大，通透性升高，大量离子外泄致使细胞代谢产生紊乱，重度时植物受伤甚至死亡[34]。王思思等研究表明，干旱胁迫环境下各基因型玉米叶片MDA 含量均有较大提升，但不同基因型之间增幅有一定差异，耐旱性能相对较强的品种MDA 累积增加量低于不耐旱品种[42]。张海明等对耐旱性不同的玉米幼苗MDA 含量在水分胁迫条件下的变化进行研究，发现正常水分环境下MDA 含量差别不明显，水分胁迫环境下不耐旱玉米品种MDA 含量升幅高于耐旱性品种，升高幅度和玉米品种抗旱性能呈现负相关性[43]，与谢美华等研究结论[44]基本相同，玉米不同品种幼苗组织中MDA 含量正常水分条件下存在的差异不明显，但随干旱胁迫时间持续延长，其含量升高，且耐旱品种MDA 含量升幅低于不耐旱玉米品种。

2.2.7 脯氨酸（proline，Pro）含量。脯氨酸具有较强的水合能力，能够结合大量水分而降低水分损失[2]。玉米组织内水势降低到一定阈值时，细胞开始大量积累游离Pro，Pro 的累积对生物大分子结构与功能不会造成损坏，而亲和性表现较好，具有渗透调节作用，可以使水势降低，细胞质能够保持较高渗透压，这也被认为逆境表现特征之一[45]。鲍巨松等通过盆栽试验研究了不同水分胁迫强度对玉米叶片Pro积累速度的影响，发现随胁迫强度的增加游离Pro含量也增加，但超过一定强度反而使Pro 含量降低；复水后抗旱能力不同的品种游离Pro 含量降幅差异明显，抗旱性强的品种降幅最大[46]。王静等研究了不同程度水分胁迫条件下不同杂交玉米叶片Pro 含量变化，结果表明，随胁迫程度的增加Pro 含量成倍提升，但与品种抗旱性能联系不明显[47]。杜金友等在干旱胁迫环境下研究了自交系的生理变化，表明水分胁迫可以提高自交系Pro 含量，且自交系间差异大，使Pro 能够作为玉米抗旱性筛选指标之一[48]。薛吉全等研究认为，游离Pro 积累量和干旱胁迫强度及生育期相关，而和玉米品种耐旱性能没有一致性，但复水后Pro 下降比值和耐旱性具有相关性[49]。张宝石等研究指明，不能把Pro 含量作为检测玉米品种抗旱性强弱的一种指标[31]。目前学者对玉米抗旱性与Pro 累积关系结论不一，存在一定分歧，尚待更深入研究探讨。

2.2.8 脱落酸（abscisic acid，ABA）含量。正常情况下植物体内脱落酸含量极少，其为植物体内源激素。干旱胁迫能够使ABA 含量增加，进而使细胞膜特性发生改变，气孔关闭，蒸腾降低维持水分[50]。玉米内源激素ABA 和抗旱性具有相关性，干旱胁迫时ABA 含量水平升高显著，可对细胞内的离子浓度进行调节，控制气孔开放程度，进一步对干旱产生反应[51]。江龙研究显示，水分胁迫能够使玉米叶片内ABA 含量升高数十倍，耐旱性玉米品种ABA 积累量更多[52]。丁雷等研究认为，干旱胁迫可增加叶片中ABA 含量，使细胞质Ca2+浓度增加从而间接达到降低保卫细胞K+浓度的目的，致使膨压降低，促进气孔关闭，抑制气孔开放[53]。刘金刚等研究了外源ABA 和玉米耐旱机制的关系，土壤干旱环境下外施ABA 能够使蒸腾失水速度显著降低，降低干旱条件下产量减幅[54]。而李霞等则认为，干旱胁迫产生ABA与玉米抗旱性能没有直接联系，ABA 有可能是水分亏损时玉米植株产生的化学信号，其传递启动干旱适应性蛋白质的表达[55]。

2.2.9 干旱诱导蛋白。玉米的抗旱性受基因表达控制[2]，干旱胁迫条件下胚胎发生后期富集蛋白（Lea蛋白）具有保护生物大分子，使特定细胞结构得以维持的作用，并且缓解干旱环境胁迫，能够使组织细胞不受损伤[8,56]。张秀海等研究认为，干旱胁迫能够使水通道蛋白基因诱导得以表达，这类蛋白质具有运输水分功能，可以产生选择性的水分运输通道，拒绝其他有机物质及离子通过，但水能够自由出入，因此能够增加玉米的抗旱性能[57]。赵天宏等研究了干旱胁迫条件下抗旱性不同的玉米幼苗叶片蛋白质的变化，结果表明，干旱胁迫能够使蛋白质合成产生变化，而且形成干旱诱导蛋白，抗旱性较强玉米品种诱导蛋白的形成晚于耐旱性较弱品种[58]。2.2.10 抗坏血酸（vitamin C,Vc）。抗坏血酸是糖代谢过程中玉米植物体内广泛存在的一种正常产物，属于细胞抗氧化剂，能够去除活性氧对生物膜的损害，具有保护作用，降低膜质过氧化，利于细胞膜稳定透性[2]。裴英杰等研究表明，水分胁迫使幼苗叶片Vc 含量降低，不同耐旱品种间Vc 变化率有差异，在水势下降到一定值时其变化率和水势达显著相关水平[26]。王金胜等研究了干旱胁迫环境下幼苗Vc变化与玉米品种耐旱性的关系，表明叶片水势降低至一定值后Vc 含量下降才显著，与玉米品种耐旱性具显著相关性[59]，这与裴英杰等的研究结果[26]一致。

2.2.11 硝酸还原酶（nitrate reductase，NR）。硝酸还原酶参与玉米植株体内氧化态硝态氮代谢过程，是对干旱胁迫较为敏感的酶，在干旱环境下叶片内硝酸还原酶活性增加显著，耐旱性强的玉米品种NR活性降低较少，耐旱较弱品种降低明显[60]。顾慰连等研究了不同玉米品种在不同生育时期对干旱胁迫产生的生理反应，结果表明，抗旱性强的品种NR 活性降幅较少[61]。邹成林等通过对苗期抗旱性与生理生化指标综合评价表明，干旱胁迫下叶片NR 活性比对照降低，耐旱性品种降幅较小，NR 活性与抗旱性具有极显著相关性，能够作为玉米苗期抗旱性鉴定指标之一[62]。李金洪等在干旱环境下叶施抗蒸腾剂研究玉米耐旱性的变化，结果表明，其抗旱性增加，叶片NR 活性增加显著[63]。

3 总结与展望

盆栽法适宜大批量抗旱性鉴定，但不适合生育后期的抗旱鉴定。通过调控盆栽土壤含水量对玉米植株造成水分胁迫来对抗旱性进行鉴定，此法可靠简单，但结果针对的不是玉米群体而是个体，鉴定任务量大，并且与大田实际表现有一定差异。旱棚旱池法及人工气候模拟环境法鉴定结果可靠且重复性较好，易于比较，方便调节干旱胁迫时间、强度及重复次数，克服了田间直接鉴定的某些缺点，但投资成本较大，能源耗费大，不能进行大批量鉴定。田间直接鉴定法对大批量鉴定效果明显，不需要特殊设备，简单易行，结果接近田间实际情况，但自然环境对该法影响较大。叶片细胞内部水分亏缺时，水势下降，水势值越低，吸水能力相对越强，不同品种之间叶片水势存在较大差异。叶片相对含水量能够反映干旱胁迫时植株水分亏损的水平，水分胁迫相同条件下，耐旱性差的品种，其叶片相对含水量降低幅度较大。原生质膜对水分的变化反应较为敏感，干旱胁迫会使原生质膜受到损伤，降低质膜的稳定性，增加透性，导致细胞内含物易于外渗，外溶离子相应增多，相对电导率增强。不同玉米品种在水分胁迫时气孔扩散阻力均明显增大，抗旱性强的品种增幅较大而不耐旱品种增幅较小。抗氧化酶具有清除生物活性氧自由基的重要功能，降低或阻止对细胞膜系统结构的损害。干旱胁迫环境下各基因型玉米叶片丙二醛含量均有较大提升，耐旱性能相对较强品种累积增加量低于不耐旱品种。脯氨酸具有较强的水合能力，能够结合大量水分，降低水分损失，玉米组织内水势降低到一定阈值时细胞开始大量积累游离脯氨酸，脯氨酸的累积对生物大分子结构与功能不会造成损坏，而亲和性表现较好，具有渗透调节作用，经渗透调节可以使水势降低，细胞质能够保持较高渗透压。干旱胁迫能够使脱落酸含量增加，进而使细胞膜特性发生改变，气孔关闭，蒸腾降低，维持水分。干旱胁迫能够使水通道蛋白基因诱导得以表达，这类蛋白质具有运输水分功能，其可以产生选择性的水分运输通道，拒绝其他有机物质及离子通过，但水能够自由出入，因此能够增加玉米的抗旱性能。抗坏血酸是糖代谢过程中玉米体内广泛存在的一种正常产物，属于细胞抗氧化剂，能够去除活性氧对生物膜的损害，具有保护作用，降低膜质过氧化，利于细胞膜稳定透性。硝酸还原酶参与玉米植株体内氧化态硝态氮代谢过程，是对干旱胁迫较为敏感的酶，在干旱环境下叶片内硝酸还原酶活性增加显著，耐旱性强的玉米品种硝酸还原酶活性降低较少，耐旱较弱品种降低明显。

水资源短缺与干旱已经成为世界农业发展的制约因素，也是农业发展受到制约的主要障碍，对农业生产健康有序发展产生严重威胁[64]。因此，如何合理利用玉米品种的抗旱性成为今后玉米研究的重要方向之一。玉米抗旱性是水分胁迫条件下表现出的一种复杂综合特性，细胞在结构及多种生理指标变化综合表现出的一系列适应性改变后的结果，不同生育时期均可发生。对玉米造成干旱的外部因素较多，诸多学者对玉米抗旱性机理及应用已经取得系列研究进展，有关抗旱性鉴定方法、鉴定指标方面积累较多资料。应把诸多指标综合应用于抗旱育种工作，为创制选育新的耐旱种质提供平台支撑，最终提升玉米抵御干旱胁迫的能力。对于干旱问题的有效解决途径主要是利用耐旱性品种，选育耐旱性品种完全可能大幅减少干旱对玉米造成的产量损失[65]。筛选耐旱性自交系，选育抗旱性杂交种，成为我国玉米生产迫切需求及抗旱性育种关键目标。发展抗旱性玉米研究对于保障玉米可持续生产，解决粮食安全具有重要意义。