2個農(nóng)單玉米新品種及親本的苗期抗旱性分析

尹冰雨， 王子銘， 劉伊凡， 李建平， 王海穎， 李青青， 郭晉杰

(河北農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院/國家玉米改良中心河北分中心/河北省作物種質(zhì)資源實驗室，河北 保定 071001)

0 引言

【研究意義】玉米是我國重要的農(nóng)糧作物，國民需求量極大，而保證其穩(wěn)定產(chǎn)量乃至增產(chǎn)變得尤為重要[1]。水資源短缺是限制玉米產(chǎn)量的主要非生物脅迫因素之一[2-3]，近年來，全球范圍內(nèi)出現(xiàn)極端干旱天氣而影響作物生長的頻數(shù)較其他自然災害更為突出[4]。因此，選育玉米抗旱新品種越來越受到人們的重視。【前人研究進展】前人對玉米雜交種與自交系的抗旱性進行了較多的探究，并取得一定進展，玉米抗旱性是受多基因控制的數(shù)量性狀已被認可[5]。羅淑平等[6]研究認為，在中等脅迫條件下可使更多耐旱基因重組，創(chuàng)造豐富的遺傳變異，為培育抗旱優(yōu)良品種提供選擇機會。霍仕平等[7]認為，在遺傳行為上，抗旱性主要表現(xiàn)為加性效應，表明抗旱性具有可遺傳性，對其進行選擇是有效的。但玉米抗旱性不能通過單一指標來準確評估，需要較為完整的綜合評價體系。【研究切入點】目前，抗氧化酶等保護性酶活性的變化和膜脂過氧化作用已被廣泛用作研究干旱脅迫和其他逆境損害植物的指標[8]，唐連順等[9]研究表明，適當干旱脅迫下，超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性增高，膜脂相對透性加大，丙二醛(MDA)含量增高，抗旱性較強的雜交種及其母本比抗旱性較弱的雜交種及其母本變化幅度小，且母本對雜交種的保護酶活性和抗膜脂過氧化傷害能力的影響更大。王軍輝等[10]研究表明，干旱脅迫加劇玉米幼苗膜脂過氧化，自由基清除相關酶活性在脅迫初期會上升。本試驗將根據(jù)這些指標研究雜交種與其父本的抗旱遺傳關系。【擬解決的關鍵問題】選用河北農(nóng)業(yè)大學新選育的國審玉米品種農(nóng)單476(抗旱鑒定極強)和河北省審定的玉米品種農(nóng)單145為研究對象，對照雜交種為先鋒公司選育的玉米品種先玉335，通過PEG脅迫模擬干旱處理，在苗期測定3個雜交種及其親本表型和生理生化指標，鑒定其抗旱性差異，以期為玉米抗旱育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料均為河北農(nóng)業(yè)大學國家玉米改良中心河北分中心提供。農(nóng)單476：2017年國審玉米品種，通過自交系PH6WC×農(nóng)系3435組配獲得；農(nóng)單145：2018年河北省審定玉米品種，通過自交系PH6WC×農(nóng)系376組配獲得；先玉335：先鋒公司通過自交系PH6WC×PH4CV組配獲得。3個雜交種的母本均為PH6WC，父本農(nóng)系3435和農(nóng)系376為PH4CV遺傳改良系。農(nóng)單476經(jīng)河北省農(nóng)林科學院旱作所鑒定，表現(xiàn)為極強抗旱性。

1.2 試驗設計

試驗在河北農(nóng)業(yè)大學的人工氣候室內(nèi)進行。選取大小均一、飽滿、完好的不同品種種子各60粒，分別用濃度為75%的酒精溶液消毒滅菌10 min，再用無菌蒸餾水沖洗3次，用濾紙吸干附著水。種子放在無孔塑料花盆中進行盆栽種植，盆缽直徑20 cm，高16 cm。每盆裝風干土2 kg，土壤過30目分樣篩，風干、混合均勻后用于盆栽。每盆播種10粒玉米，出苗后定苗，留5株長勢良好的幼苗。2葉一心期開始處理，試驗設正常水分(CK)和干旱脅迫2個處理，CK組保持幼苗正常生長的水分含量，每日每盆澆蒸餾水50 mL，干旱脅迫處理為在花盆中澆等量的15%PEG-6000溶液。每天同時間澆水，每個處理重復3次。待幼苗長到3葉一心期開始取樣，測定指標。

1.3 測定指標

1.3.1 苗期表型性狀 株高：每盆取5株，測量正常水分與模擬干旱脅迫下幼苗的自然株高，取平均值。葉面積：每盆取5株葉片，用直尺測量葉片長度、葉片最大寬度，取平均值，計算葉面積。地上部干鮮重：取每盆玉米植株地上部分，測定其鮮重。之后將收集到的地上部分放入烘箱內(nèi)，烘干至恒重，測定干重。根系干鮮重：將根系周圍土壤用清水沖洗干凈，用濾紙吸干水分，稱鮮重，之后將根系烘干后測定其干重。根據(jù)相應指標計算干旱傷害率[11]、葉面積[12]和根冠比。

干旱傷害率=(對照-干旱)/對照×100%。

葉面積=長×寬×0.75

根冠比=植株的根干重/地上生物量干重

1.3.2 苗期生理生化指標 超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑光化還原法測定[13]，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[14]，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定[15]，脯氨酸(Pro)含量采用磺基水楊酸法測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用 Excel 2010進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計學分析，利用SPSS 21進行相關性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對玉米植株株高與葉面積的傷害

從表1看出，干旱脅迫對玉米植株的株高傷害率在10.36%～35.45%。玉米雜交種株高傷害率排序為農(nóng)單145>農(nóng)單476>先玉335；父本自交系株高傷害率排序為農(nóng)系376>農(nóng)系3453>PH4CV；母本自交系PH6WC的株高傷害率為18.99%，干旱脅迫傷害程度一般。

表1 玉米雜交種及其親本的株高與葉面積

干旱脅迫對玉米植株的葉面積傷害率在28.64%～52.36%。雜交種葉面積傷害率排序為農(nóng)單145>農(nóng)單476>先玉335；父本自交系葉面積傷害率排序為農(nóng)系376>農(nóng)系3453>PH4CV；母本自交系PH6WC的葉面積傷害率為38.03%。

有研究表明[17]，玉米苗期株高和葉面積與品種抗旱相關性最大，說明表型性狀的大小較大程度上可表示品種的抗旱性強弱，可作為評價品種抗旱性的一項主要指標。通過株高傷害率和葉面積傷害率指標綜合分析，玉米品種間或自交系間的抗旱性存在差異。綜合看，雜交種以先玉335受干旱脅迫傷害程度低，抗旱性最強；其次是農(nóng)單476，而農(nóng)單145抗旱性相對較差。父本自交系中，PH4CV抗旱性最強，農(nóng)系3453其次，農(nóng)系376相對較差。母本自交系PH6WC抗旱能力一般。

2.2 干旱脅迫對玉米根冠比的影響

從圖1看出，干旱脅迫下雜交種先玉335、農(nóng)單145和農(nóng)單476根冠比分別為0.963 4、0.676 0和0.611 6，分別比其相應對照(正常水分管理)增加87.94%、68.66%和77.48%。增幅依次為先玉335>農(nóng)單476>農(nóng)單145。父本自交系農(nóng)系376、PH4CV和農(nóng)系3435的根冠比分別為1.255 8、0.873 9和0.608 1，分別比相應對照增加110.54%、138.31%和117.12%，增幅依次為PH4CV>農(nóng)系3435>農(nóng)系376；母本自交系PH6WC在干旱脅迫下根冠比為0.815 5，比相應對照增加61.35%。

圖1 農(nóng)單玉米雜交種及其親本的根冠比

2.3 干旱脅迫對玉米抗氧化酶活性的影響

從表2看出干旱脅迫下玉米 SOD、POD活性較其相應對照的變化情況。

表2 玉米雜交及其親本的過氧化酶活性

2.3.1 SOD活性 干旱脅迫下，除先玉335雜交種及其母本自交系PH6WC外，其余玉米種質(zhì)材料的SOD活性較其對照增高。玉米SOD抗旱系數(shù)在0.707～1.220，雜交種SOD抗旱系數(shù)排序為農(nóng)單476>農(nóng)單145>先玉335；父本自交系SOD抗旱系數(shù)排序為農(nóng)系376>農(nóng)系3435=PH4CV；母本自交系PH6WC的SOD抗旱系數(shù)為0.707。

2.3.2 POD活性 干旱脅迫下，除先玉335雜交種及其母本自交系PH6WC和父本自交系PH4CV外，其余玉米種質(zhì)材料的POD活性均較其對照增高。玉米POD抗旱系數(shù)在0.719～1.326，雜交種POD抗旱系數(shù)排序為農(nóng)單476>農(nóng)單145>先玉335；父本自交系POD抗旱系數(shù)排序為農(nóng)系3435>農(nóng)系376>PH4CV；母本自交系PH6WC的POD抗旱系數(shù)為0.935。

2.3.3 綜合表現(xiàn) 在干旱脅迫下，POD和SOD的活力變化趨勢基本相同[18]。綜合看，雜交種以農(nóng)單476清除自由基能力強，抗旱性最強，其次是農(nóng)單145，而先玉335的抗氧化酶活性與正常處理組對比呈下降趨勢，變化相對較小，推測可能與母本變化有關。母本自交系PH6WC的抗氧化酶活性均有下降。

2.4 干旱脅迫對玉米膜脂透性的影響

2.4.1 丙二醛 干旱脅迫會使細胞膜系統(tǒng)受到破壞，使膜透性增大[19]。細胞膜透性與丙二醛(MDA)含量呈正相關。MDA是脂質(zhì)膜過氧化的產(chǎn)物，其含量反應膜質(zhì)過氧化作用和質(zhì)膜被破壞程度[16]。MDA含量越多，說明膜質(zhì)發(fā)生過氧化作用程度越大。從表3看出，干旱脅迫后玉米MDA含量均較其相應對照增加。先玉335、農(nóng)單145、農(nóng)單476MDA干旱傷害率分別為41.49%、37.36%和36.38%。

表3 玉米雜交種的丙二醛(MDA)含量

2.4.2 脯氨酸 玉米在干旱脅迫下，其體內(nèi)會產(chǎn)生過多的脯氨酸(Pro)，作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)降低細胞的滲透能力，且不同品種的滲透調(diào)節(jié)能力存在一定差異[18]。從圖2看出，干旱脅迫下雜交種的Pro含量為農(nóng)單476>農(nóng)單145>先玉335，農(nóng)單476抗旱性最強，先玉335抗旱性相對較差。父本自交系的Pro含量為農(nóng)系3435>農(nóng)系376>PH4CV，其抗旱能力依次為農(nóng)系3435>農(nóng)系376>PH4CV。

圖2 玉米雜交及其親本的脯氨酸(Pro)含量

2.5 玉米雜交種與父本抗旱指標的相關性

由于3個玉米雜交種的母本均為PH6WC，因此，雜交種表現(xiàn)的抗旱性差異在遺傳上與其父本有關，故利用以上抗旱性評價指標對雜交種及其父本進行相關性分析。從表4看出，雜交種與其父本自交系間均存在一定相關性，雜交種與其父本在株高、葉面積和Pro含量方面均存在正相關關系，在根冠比指標上呈負相關關系。先玉335在SOD、POD指標中與其父本PH4CV呈正相關，而農(nóng)單476與農(nóng)系3435、農(nóng)單145與農(nóng)系376在此2項指標中呈負相關，其可能的原因是先玉335母本PH6WC在雜種F1代表現(xiàn)。

表4 雜交種與其父本抗旱指標性狀的相關系數(shù)

3 討論

對3個玉米雜交種及其相應親本(農(nóng)單476，母本PH6WC、父本農(nóng)系3435；農(nóng)單145，母本PH6WC，父本農(nóng)系376；先玉335，母本PH6WC、父本PH4CV)的苗期株高、葉面積、地上部干鮮重、根系干鮮重、根冠比和抗氧化酶(SOD和POD)活性、MDA含量和Pro含量等與抗旱性相關的指標進行干旱脅迫研究，探明干旱脅迫下玉米各抗旱指標的變化，為玉米抗旱育種提供理論支撐。

玉米籽粒萌發(fā)時對環(huán)境變化較為敏感，機體內(nèi)部自動產(chǎn)生對干旱缺水環(huán)境的適應性變化，從而保證種子在水分脅迫條件下仍能吸收和保持一定的水分。植株為了增強抗旱能力，在苗期根系量變化較大，主要表現(xiàn)在根冠比增大，以吸收更多的地下水分。研究表明，先玉335及其父本PH4CV在干旱脅迫下根冠比較正常水分管理條件的變化量最大，農(nóng)單145及其父本農(nóng)系376根冠比變化量最小，雜交種變化隨父本變化而變化，說明反映植株抗旱性指標的根冠比性狀能穩(wěn)定遺傳給子代。超氧化物歧化酶(SOD)是機體內(nèi)天然存在的抗氧化酶之一，可以保護機體免受超氧陰離子自由基的傷害，因此抗旱研究中，酶活性大小可直觀反映品種對水分脅迫的抵抗能力。農(nóng)單476和農(nóng)單145雜交種的SOD、POD活性明顯高于先玉335雜交種，其各自父本的活性也比先玉335的父本PH4CV高，說明2個農(nóng)單玉米品種的保護酶清除自由基的能力更強，抗旱性更強。

與正常水分相比，干旱脅迫下父本的株高和根系干鮮重變化為農(nóng)系376>農(nóng)系3435>PH4CV，葉面積和地上部干鮮重變化為農(nóng)系3435>農(nóng)系376>PH4CV；根冠比變化表現(xiàn)為雜交種先玉335>農(nóng)單476>農(nóng)單145，父本PH4CV>農(nóng)系376>農(nóng)系3435；SOD活性變化為雜交種農(nóng)單476>農(nóng)單145>先玉335，父本農(nóng)系376>農(nóng)系3435>PH4CV；POD變化為雜交種農(nóng)單145>農(nóng)單476>先玉335，父本農(nóng)系3435>農(nóng)系376>PH4CV；Pro含量變化雜交種與父本一致，即雜交種農(nóng)單476>農(nóng)單145>先玉335，父本農(nóng)系3435>農(nóng)系376>PH4CV。綜合各指標看，抗旱性較強的雜交種及其父本比抗旱性較弱的雜交種及其父本在水分脅迫過程中具有較高的SOD、POD活性，較低的膜脂過氧化水平和膜脂相對透性。

4 結(jié)論

綜合分析玉米苗期的抗旱性表明，雜交種農(nóng)單476與父本農(nóng)系3435苗期抗旱性極強，農(nóng)單145及其父本農(nóng)系376苗期抗旱性表現(xiàn)中等。雜交種農(nóng)單476抗旱性狀表現(xiàn)優(yōu)異，與其父本農(nóng)系3435各性狀的優(yōu)良表現(xiàn)相吻合，其雜交種的抗旱優(yōu)良基因來源于父本農(nóng)系3435。玉米父本對雜交種的保護酶活性以及抗膜脂過氧化作用的能力的影響較大，這對于有效快速地選配親本自交系及其抗旱雜交種的篩選具有一定的參考意義。