玉米自交系花期耐热性分析

摘要：花期是玉米对高温最敏感的时期，此阶段遭受高温会使玉米产量急剧下降。耐热玉米品种的应用是缓解高温胁迫最简单有效的措施。鉴定玉米自交系的耐热性，对耐热玉米品种选育尤为重要。以45个玉米自交系为试材，研究高温对不同玉米自交系的电导率、叶绿素含量、丙二醛含量以及产量构成因素的影响，并对45个玉米自交系品种花期耐热性进行综合评价。结果表明，各玉米自交系在高温胁迫下，电导率、丙二醛含量均增加；穗长、穗粗、行粒数和穗行数等产量相关指标显著下降（P<0.05）。且不同基因型玉米间存在显著差异。综合不同玉米自交系各性状耐热系数的相关性分析、隶属函数分析、主成分分析及聚类分析筛选出17个耐高温自交系，分别为亲本7、OPVZM305、OPVZM105、P0646、P94、P89-4、P220、Pac46、P98、PH3、543.178、P283、X1132XA、P4584、P599、SAIBL8、SA9。最后根据各指标与综合评价D值的相关性分析和灰色关联度分析，确定穗长、穗粗、行粒数、穗行数、粒长和丙二醛含量可作为玉米自交系花期耐热能力的鉴定指标。本研究选出的耐热种质和耐热指标可为今后耐热玉米育种提供重要依据和材料基础。

关键词：花期；玉米；高温胁迫；筛选

中图分类号：S513.01；S428 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）18-0113-08

收稿日期：2023-10-25

基金项目：河北省自然科学基金（编号：C2021301070）；引进留学人员资助项目（编号：C20210361）。

作者简介：张思琪（1999—），女，河北承德人，硕士研究生，主要从事作物抗逆研究。E-mail：3397872239@qq.com。

通信作者：赵 璞，博士，副研究员，主要从事作物遗传育种研究，E-mail：zhaopu2009@126.com；杨 晴，硕士，教授，主要从事玉米栽培技术研究，E-mail：yangqingxy@163.com。

随着全球变暖趋势的加剧，高温已成为作物生产中最重要的影响因子^［1］。高温胁迫造成了世界粮食作物产量明显减少。玉米在我国三大粮食作物中居于首位，是关系到我国粮食安全的主要农作物。高温胁迫造成玉米叶绿素含量和叶面积指数减少，细胞膜及抗氧化系统损伤，光合速率减弱，从而影响玉米的生长发育，并最终影响产量^［2-5］。玉米在不同生育期对高温的敏感程度也有所不同。玉米的开花期对高温最为敏感^［6］。张川等研究发现，花期高温导致玉米穗粒数减少62.53%，产量降幅高达45.87%^［7］；单晶等也研究发现，花期高温显著降低夏玉米净光合速率，干物质积累速率^［8］。

相较于其他栽培措施，应用耐热玉米品种是防御高温胁迫最为经济、高效的途径^［9］。分析玉米自交系的耐热性将有利于耐热玉米育种。滕元旭等对21个玉米自交系的耐热性进行了深入研究，并构建了一个玉米自交系的耐热评估体系，这为耐热玉米自交系的培养和鉴定提供了坚实的理论支撑^［10］。杨杰连续2年对26个来自国内外的玉米骨干自交系进行耐热性的鉴定和评估发现了4个表现出极高耐高温特性的自交系，都是国外的优质种质，这些种质可以用于玉米耐高温的基础研究和遗传改良^［11］。耐热性是一个复杂的性状，很难通过单一指标表现，需要多个指标进行多元统计分析，包括主成分分析、隶属函数分析、聚类分析等方法。目前，多元统计分析已经在植物的耐逆性评价中得到大量应用，例如小麦的耐热性、大豆的耐阴性以及绿豆的耐盐性等^［12-14］。宋旭东等对10个糯玉米品种进行花期增温处理，采用主成分分析、隶属函数法、聚类分析和逐步回归分析相结合的方法，筛选出3个耐高温品种^［15］；朱亚迪通过多元统计分析大喇叭口期35个品种的耐热型，筛选出了6个耐高温品种^［16］。筛选到的耐热品种可更好地抵御高温带来的危害，降低产量损失，为今后的育种提供理论依据。

目前，有关高温的研究主要集中于高温胁迫对玉米生长发育、籽粒建成和生理的影响，针对不同基因型玉米自交系进行耐热分析筛选的研究相对较少，因此，本试验以45个包括引进种质在内的玉米自交系为材料，在花期采用大棚加温进行高温胁迫处理。通过对玉米自交系生理指标和产量相关指标的测定，筛选出耐高温自交系品种，为选育和推广耐高温品种提供支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试玉米自交系为包括引进种质的45个生育期相近的引进玉米自交系（表1），种子由河北省农林科学院生物技术与食品科学研究所提供。

1.2 试验设计

试验于2022年在河北省石家庄市鹿泉区河北省农林科学院农业综合实验园区进行。试验采用随机区组设计，5行区，行长3 m，行距0.6 m，周围设大田对照（CK）、高温胁迫（HT）2个处理。试验采用50 m×16 m×5 m（长×宽×高）高温棚高温处理，增温时覆盖95%透光率的树脂膜，顶部密封90%，并均匀留有10%的间隙，便于气体交换。播种时按生育期微调播种时间，以便所有参试自交系在相同时间段进入花期。从抽雄阶段开始实施增温措施，使得棚内的温度比外部环境高出3～5 ℃，直至抽雄吐丝阶段完结。在此期间，每天08：30—17：30用覆膜来提高温度，并使用温湿计来记录整个群体的穗位温度和相对湿度。以棚外正常生长的玉米作为比较。当高温胁迫结束后，需要移除高温棚膜，确保玉米在自然环境中正常生长。在高温处理过程中，光照度和相对湿度等生长环境与高温棚外的环境保持一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 相对电导率的测定

用清水冲洗叶片3次，然后用蒸馏水冲洗，用滤纸吸干表面水分，将叶片切成1 cm²的叶块。将样品放入装有10 mL去离子水的样品管中，盖紧密封，在室温下浸泡12 h。使用电导率仪测定提取物的电导率（R₁），然后将样品在沸水浴中加热30 min，冷却至室温，摇匀，再次测定提取物的电导率（R₂）。相对电导率=R₁/R₂×100%。

1.3.2 叶绿素含量的测定

于花期用叶绿素测定仪（托普云农）测定穗位叶叶片SPAD值。

1.3.3 丙二醛含量的测定

丙二醛含量的测定按照苏州科铭生物技术有限公司提供的丙二醛试剂盒的测定方法进行。

1.3.4 产量相关性状的测定

在成熟期，每个小区随机选取有代表性的20个果穗，测定粒长、粒宽、穗长、穗粗、穗行数、行粒数、穗粒重等产量指标。

1.4 统计方法

采用 Microsoft Excel 2019 进行数据处理和分析，SPSS软件进行主成分分析、隶属函数分析、聚类分析及灰色关联度分析。相关指标计算公式如下^［16-18］：

各个指标性状的耐热系数（HTC）：

HTC=热胁迫性状值/对照性状值。（1）

主成分分析：根据特征值大于1的准则提取主成分（与抗逆性负相关的指标，取倒数进行主成分分析）。

隶属函数值：U（X_j）=（X_j-X_min）/（X_max-X_min）；j=1，2，3，…，n。（2）

式中：X_j 表示第j个综合指标；X_min和X_max分别表示每个主成分上各性状指标得分值的最小值和最大值。

权重：W_j = P_j/∑nj=1P_j。（3）

式中：W_j 表示第j个主成分的权重；P_j表示提取的主成分所对应的特征值；

综合耐热评价值：D=∑nj=1［U（X_j）×W_j］。（4）

2 结果与分析

2.1 花期高温对玉米自交系主要性状的影响

由图1可知，花期高温导致不同玉米自交系产量相关性状和生理指标发生改变。在生理指标方面，高温胁迫下各自交系与CK相比，叶绿素相对含量（SPAD值）平均下降了0.02%，相对电导率（REC）和丙二醛（MDA）含量较CK分别增加4.2%和8.2%。在产量构成因素方面，与CK相比，高温胁迫导致粒长（GL）、粒宽（GD）、穗长（EL）、穗粗（ED）、行粒数（KPR）、穗行数（ERN）和穗干重（EDW）的均值分别降低5.7%、1.4%、8.1%、3.5%、12.6%、1.9%和51.6%。综上，花期高温使45个自交系品种的粒长、粒宽、穗长、穗粗、穗粒数、行粒数和穗干重与CK相比均减少，相对电导率和丙二醛含量较CK均增加。

2.2 花期高温对玉米自交系各性状耐热系数的影响

由表2可知，花期高温明显影响玉米品种各项指标的耐热系数。高温处理下，大多数指标耐热系数降低。在各项指标的耐热系数中，穗干重的耐热系数较小，平均值为0.5。 从各性状耐热系数的相关性（表3）来看，除了丙二醛含量、粒宽外，各性状的耐热系数与其他1个或多个性状显著或极显著相关。相对电导率与叶绿素含量显著负相关。产量相关指标间的相关性较高，粒长与穗长、穗粗、行粒数、穗行数和穗干重呈极显著正相关关系，穗长与穗粗、行粒数、穗行数极显著正相关，穗粗与行粒数和穗行数极显著正相关，行粒数与穗行数极显著正相关，穗干重与粒长、穗长、穗行数和行粒数极显著正相关。由于各项指标间存在或大或小的相关性，导致它们所提供的信息发生重叠，直接利用单项指标难以准确地评价各玉米自交系的耐热性，需在此基础上利用多元统计方法进一步分析。

2.3 玉米自交系单项指标的耐热系数主成分分析

通过对10个性状的耐热系数进行主成分分析（表4），并根据特征值大于1的准则，识别出3个主要成分，累计贡献率达到64.11%，这3个主成分具有很高的信息代表性，因此它们可以用于总结和分析不同玉米品种的耐热性。主成分1的贡献率达到了38.25%，它主要反映了穗干重、粒长、穗长、穗粗、行粒数和穗行数这6个性状分量。而主成分2的贡献率为15.23%，它主要揭示了相对电导率、叶绿素含量和粒宽这3个性状分量的特性。主成分3的贡献率达到了10.63%，这主要是反映丙二醛含量。

2.4 玉米自交系耐热性综合评价

依据“1.4”节中的公式，计算不同综合指标条件下各个自交系的隶属函数值以及各个综合指标的权重，3个综合指标权重分别是0.60、0.24、0.17（表5）。 用公式（4）计算耐热性综合评价D值，根据D值大小判断不同品种的耐热性。由表5可知，亲本7的D值最大，为0.710，表明其耐热性较强；P58的D值最小，为 0.206，说明其对高温胁迫敏感。

采取平方欧氏距离法对综合评价D值进行系统聚类，在距离为10处可将45个玉米自交系分成3类，其中耐热型品种有17个，分别为亲本7、OPVZM305、OPVZM105、P0646、P94、P89-4、P220、Pac46、P98、PH3、543.178、P283、X1132XA、P4584、P599、SAIBL8、SA9；中等耐热品种有19个，分别为P477-H、南非2、P0882、P10-77、P758、P4404-1、HHL、P755、SAIBL5、SAIBL9、SA5、SA14、南非6、Pac0887、P36、P445-1、P91、P298、K34。热敏品种有9个，为P416-1、P767、P58 、SA23、OPVZM621、OPVZM6479、亲本16、SAIBL16、郑58。

2.5 各指标耐热系数与综合评价D值的相关性分析

通过对各个单项指标的耐热系数以及综合评价D值的相关性分析发现，D值与各玉米自交系的穗长、穗粗、行粒数、穗行数、粒长和丙二醛含量的相关性最高，这6个指标可以用于评估玉米自交系在花期的耐热性（表6）。

2.6 各指标耐热系数与综合评价D值的灰色关联度分析

通过灰色关联度分析发现，在花期高温胁迫下，行粒数与综合评价D值之间的关联度最高，达到0.765，而干重与综合评价D值的关联度最低，仅为0.636（表7）。综合来看，与D值的综合评估紧密相关的指标包括行粒数、穗长、穗粗、MDA含量、粒长、穗行数以及粒宽。

3 讨论

植物对高温胁迫的响应是一个复杂而协调的生物调控过程，会引起植物形态结构的改变。开花期高温胁迫对玉米生长发育和产量都有不利影响。本研究结果表明，花期高温显著降低了不同玉米品种的穗长、穗粗和穗行数等产量构成要素，与朱亚迪等的研究结果^［16］一致；增加了相对电导率及丙二醛含量，这与Shao等的研究结果^［19］一致。

作物耐热性是个复杂性状，需要通过多个性状指标综合表现出来，同时每个性状在特定品种上贡献度也不相同^{［201cabe75923caae26601048f98e39696c5920390245ab6a9e8ee4178766aa60f1］}，且性状间具有一定相关性，因此为进一步综合评价各品种的耐热性，需通过多元分析的方法建立起一个相对可靠的评价体系^［21-24］。为此，本研究选用多元统计分析对45个玉米自交系在开花期耐热程度进行评价。用主成分分析法找出3个具有代表性主成分，然后根据每个自交系品种的综合指标值，通过隶属函数法计算每个品种的隶属函数值，最后再结合权重计算D值。根据D值进行聚类分析，筛选出17个耐高温自交系品种。通过把主成分分析和隶属函数分析方法相结合，不但考察了单一性状的重要性，还兼顾到指标之间关系以及指标与耐热性的交叉联系，并由此进行了比较全面的评述^［16］。但是，利用主成分分析得出的综合指数并没有充分显示原始指数中所蕴涵的全部信息，这代表着其总贡献率低于100%。为了使D值的综合评估更为准确，未来的研究应当测量更多的指标并增加主成分的信息量。

花期是对高温最敏感的时期，此阶段经受高温会影响玉米生长发育及授粉结实，严重威胁玉米的高产稳产^［25-26］，而耐热性强的品种可以使玉米承受较少的伤害。本研究筛选到的耐高温自交系亲本7、OPVZM305、OPVZM105、P0646、P94、P89-4、P220、Pac46、P98、PH3、543.178、P283、X1132XA、P4584、P599、SAIBL8、SA9可为今后耐热品种的选育提供依据。

4 结论

通过对45个玉米自交系的10个生理指标和产量相关指标的多元统计分析，筛选到17个耐热性较强的自交系品种，分别为亲本7、OPVZM305、OPVZM105、P0646、P94、P89-4、P220、Pac46、P98、PH3、543.178、P283、X1132XA、P4584、P599、SAIBL8、SA9。根据各指标与综合评价D值的相关性分析和灰色关联度分析，确定穗长、穗粗、行粒数、穗行数、粒长和丙二醛含量可作为玉米自交系花期耐热能力的鉴定指标。

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