玉米雜交種及其親本自交系抗旱性綜合分析

黃 保， 曹麗茹， 王振華， 魯曉民

(河南省農業科學院糧食作物研究所，河南鄭州 450002)

玉米對保障我國糧食安全和農民增收起著重要的作用。黃淮海是我國玉米最大主產區，然而近幾年該地區高溫、干旱天氣頻發，嚴重影響了玉米生長發育及其產量，干旱已成為限制我國玉米生產發展的重要影響因素之一[1-2]。鑒于玉米種植條件限制，高效使用有限的灌水資源成為農業可持續發展的長久之計，其中發掘、創制具有抗旱潛力的玉米新品系是保證玉米高產穩產的重要途徑。我國抗旱玉米種質資源較為狹窄，通過作物抗旱育種，鑒定現有種質資源并培育創制新型抗旱材料，可有效緩解干旱對玉米產量的影響[3-4]。解析玉米的抗旱機理，鑒定篩選抗旱種質材料，進而培育突破性抗旱玉米品種是關鍵。

作物的抗旱性質是由多基因共同調控的，干旱脅迫對作物造成的危害是作物形態發育、生長代謝等過程的綜合結果[5-6]。與干旱脅迫相關的生理指標已經被大量報道，如細胞膜通透性變大，導致細胞失水，細胞的分裂受到抑制從而導致植株矮小，植株作為有機生命體會增加體內滲透調節物質脯氨酸、可溶性糖等的含量，增強細胞對水分的吸收能力；干旱脅迫還會導致活性氧自由基增加，破壞細胞膜磷脂雙分子層，旱脅迫下植物體內抗氧化酶系統會被激活，提高超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性，消除過度的活性氧自由基[7]。不同基因型玉米株系對干旱的耐受性不同，嚴格篩選、準確評價玉米種質資源的抗旱性，進而培育抗旱玉米新品系，對于提高玉米雜交種的抗旱能力、保證玉米高產穩產具有重要意義。較單一的指標而言，隸屬函數在作物抗逆研究中得到眾多學者的認可[8-9]。

前人對玉米響應干旱脅迫的研究多集中在玉米苗期[10-11]或是抽雄期[12-13]，而針對玉米拔節期的研究相對較少，且同一作物不同品種或者自交系的抗旱性存在差異。 因此，本試驗以12份玉米自交系及其組配的6個組合為材料，在拔節期干旱脅迫和正常灌溉條件下，根據其生理相關性狀評價玉米抗旱性，以期為培育抗旱性較強的玉米新品種提供優異種質資源和雜交組合，并初步闡述抗旱自交系和雜交組合響應干旱的生理變化趨勢，給玉米抗旱育種工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料及種植方式

材料為河南省主推的栽培品種鄭單819、秋樂368、鄭單958、蕭玉1號、金海5號和京單58共6個品種，及其親本鄭8713、鄭K9713、鄭58、昌7-2、SN0702、SN0798、JH78-2、JH3372、NK11、NK17-8、CH3、京2416共12個自交系(表1)。2020年在河南省農業科學院原陽基地人工可控移動抗旱棚內種植，設對照和脅迫(拔節期)2個處理，處理間設以3 m水分隔離帶。每個材料種植1行，每行16株，行長4.0 m，行距0.6m，株距0.25 m。

表1 親本材料

1.2 脅迫處理

玉米拔節期進行處理，對照組：土壤田間持水量一直保持在75%以上。處理組：對田間持水量控水5 d后達到40%左右，進行為期15 d的干旱脅迫。15 d后取對照組和處理組的倒數第2片葉進行生理指標的測定，而后進行復水使田間土壤持水量與對照處理一致至收獲。

1.3 生理指標的測定

葉綠素含量采用丙酮法測定；SOD活性采用氮藍四唑法測定；POD活性采用愈創木酚法測定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法測定；Pro含量采用磺基水楊酸提取-茚三酮法測定。每個指標3次生物學重復。

1.4 隸屬函數值的計算

隸屬函數值的計算公式如下：

X(uj)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

如果某一指標與耐旱性呈負相關則采用以下公式計算：

X(uj)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

式中：X為干旱脅迫下各供試材料某一指標的測定值，Xmin和Xmax分別為所有供試材料某一指標的最小值和最大值。將所有供試材料的隸屬函數值加起來求其平均值后綜合評價各供試材料的耐旱性強弱。根據抗旱隸屬函數的平均值分為5級：平均隸屬度<0.3為不抗，定為Ⅴ級；0.3≤平均隸屬度<0.4為抗，定為Ⅳ級；0.4≤平均隸屬度<0.6 為中抗，定為Ⅲ級；0.6≤平均隸屬度<0.7為強抗，定為Ⅱ級；平均隸屬度≥0.7為極強抗，定為Ⅰ級。

1.5 抗旱系數

抗旱系數=干旱脅迫指標值/對照處理指標值。

1.6 數據分析

利用Excle 2010進行數據分析并做圖，利用SPSS 25進行相關性和主成分分析。

2 結果分析

2.1 干旱脅迫對玉米葉片葉綠素含量的影響

葉綠素將光能轉變成生物能，是植物生長的能量工廠。從圖1-A可以看出脅迫后各自交系的葉綠素含量均出現了下降，但是不同自交系葉綠素含量下降幅度不同。其中昌7-2葉綠素含量下降幅度最大，為29.20%；SN0702 葉綠素含量下降得最少，為7.27%，但是仍然達到了顯著水平。從圖1-B可以看出，同自交系一樣，雜交種的葉綠素含量受到干旱脅迫的抑制，鄭單819、秋樂368和蕭玉1號脅迫前與脅迫后的葉綠素含量均高于鄭單958、金海5號和京單58對應的葉綠素含量，可能與不同自交系或品種自身特性有關。

2.2 干旱脅迫對玉米葉片MDA含量的影響

從圖2可以看出，干旱脅迫促進了植株內MDA含量的積累，對于自交系來說京2416MDA的增幅最大，為50.83%，其次為SN0798葉片中MDA含量增幅，為33.57%，SN0702的MDA含量增幅最少，為16.67%。對于雜交種，鄭單958葉片中MDA含量增幅最大，為78.43%，且在正常生長下MDA含量最低，干旱脅迫后MDA含量最高；鄭單819葉片中MDA含量增幅最小，為23.59%，正常生長和干旱脅迫處理后MDA含量在6個雜交種均處于中間位置。MDA的大量積累破壞了膜結構，改變了膜透性，阻止了正常的生理生化活動，自交系SN0702和雜交種鄭單819 MDA含量變化較小，推測與材料的抗旱能力有關。

2.3 干旱脅迫對玉米葉片Pro含量的影響

作為滲透調節物質之一的Pro，在維持細胞滲透壓、保證干旱脅迫下細胞的正常吸水具有重要作用。正常生長條件下，12個自交系的Pro含量為19.93～30.67 μg/g，干旱脅迫之后Pro含量為35.83～85.13 μg/g，干旱脅迫后Pro含量最高的為鄭8713，其余依次為昌7-2、京2416及鄭K9713(圖3-A)。同自交系一樣，6個雜交種在干旱脅迫后Pro含量大量積累，含量最高的為鄭單819，其次為秋樂368。鄭單958、蕭玉1號、金海5號和京單58的Pro含量也出現了極顯著增加，但是明顯低于鄭單819和秋樂368的Pro含量(圖3-B)。綜上所述，自交系鄭8713、昌7-2和京2416以及雜交種鄭單819和秋樂368在干旱脅迫下具有較好的適應性。

2.4 干旱脅迫對玉米葉片SOD活性的影響

干旱脅迫下玉米體內會積累大量的活性氧，破壞細胞膜脂結構從而能影響植物的正常生長，植物會提高體內SOD活性，消除過多的活性氧，維持玉米植株的生長。圖4顯示，正常生長情況下，玉米植株的SOD活性處于一個較低的水平，干旱脅迫后SOD活性極顯著升高。自交系鄭8713、SN0798、JH3372和京2416干旱脅迫后SOD活性分別是正常情況下的1.25、1.21、1.19、1.15倍(圖4-A)。正常生長條件下和干旱脅迫后，雜交種鄭單819、秋樂368、京單58和金海5號的SOD活性均明顯高于鄭單958和蕭玉1號(圖4-B)，表明鄭單819、秋樂368、京單58和金海5號清除活性氧的能力較強。

2.5 干旱脅迫對玉米葉片POD活性的影響

POD是一種抗氧化物酶，與SOD協同清除植物體內有害自由基。從圖5可知，干旱脅迫后各植株的POD活性顯著性提高，鄭K9713、鄭58、昌7-2、SN0702、JH3372、NK11、CH3和京2416葉片中POD活性出現了提高均超過了100%，分別為128.20%、112.97%、121.03%、125.26%、117.33%、202.40%、 115.34%和138.77%。干旱脅迫后雜交種鄭單819、秋樂368、鄭單958、蕭玉1號、金海5號和京單58的POD活性分別提高了66.81%、80.57%、36.42%、42.93%、36.34%和34.35%。

2.6 不同玉米抗旱性綜合分析

利用隸屬函數，綜合葉綠素含量、MDA含量、Pro含量，以及SOD、POD活性等抗旱指標對12個自交系進行抗旱性評價，結果顯示12個玉米自交系抗旱性評價分布在Ⅱ～Ⅳ 3個等級，其中Ⅱ級抗旱的有鄭8713和NK17-8。Ⅲ級抗旱的有鄭K9713、鄭58、昌7-2、SN0702、JH3372、NK11、CH3和京2416。Ⅳ級抗旱的有SN0798和JH78-2(表2)。

在雜交種中，鄭單819和秋樂368的抗旱等級為Ⅰ級，表現出極強抗旱性。蕭玉1號抗旱等級為Ⅲ級，抗旱性適中。鄭單958、金海5號和京單58的抗旱等級為Ⅴ，抗旱性最差(表3)。

表2 12個自交系的抗旱隸屬度

表3 6個雜交系的抗旱隸屬度

2.7 自交系各指標抗旱系數相關性分析

選用12個自交系各指標抗旱系數進行相關性分析，結果(表4)顯示Pro含量與MDA含量相關性較高，相關系數為0.52，其次為POD活性與葉綠素含量相關性，相關系數為0.41。葉綠素與Pro含量和MDA含量呈現負相關性，相關系數分別為 -0.69、-0.44。表明玉米的生長多生理生化過程互相影響、協同合作的結果。

表4 自交系各指標抗旱系數相關性分析

2.8 自交系各指標抗旱系數主成分分析

主成分分析發現主成分1(45.58%)、主成分2(21.87%)和主成分3(20.45%)對總方差的累積貢獻度達到了87.8%。主成分1的貢獻率遠遠大于主成分2和主成分3的貢獻率，在主成分1中Pro含量和MDA含量載荷系數較大，反映出Pro含量和MDA含量與植株的抗旱性有更緊密的關聯性(表5)。

表5 自交系各指標抗旱系數主成分分析

3 討論

玉米自交系抗旱指標的研究表明，玉米抗旱性受諸多因素影響且性狀復雜，導致研究指標、方向、手段等未達統一標準，研究難度較大，進展緩慢[14-15]。目前得到一致認可的是，玉米抗旱性是由多基因決定的復雜數量性狀，單一指標說服力較低，應由多指標綜合評價來提高鑒定結果的準確性[16-17]。

研究發現，植物的生理指標對干旱脅迫的響應較為劇烈，其較大的波動對干旱脅迫的研究提供極大的便利[8，18-19]。葉綠素是研究植物抗旱的一個重要指標[20]。本研究中，干旱脅迫后，無論是自交系還是雜交種，各玉米株系中葉綠素含量均下降，但是不同的株系間下降幅度存在著差異，推測是不同株系抗旱性不同造成的。植物受到脅迫后膜脂發生過氧化作用產生大量的MDA，MDA又進一步加劇膜脂的氧化，對植物造成巨大傷害[21]。本研究中自交系SN0702和雜交種鄭單819葉片中MDA含量變化較小，隸屬函數顯示SN0702和鄭單819均具有較好抗旱性，與李鳳海研究的結果一致[22]，且主成分分析顯示MDA含量與植株的抗旱性有著更緊密的聯系。滲透調節能夠維持細胞持續對外界水分的吸收[23]。本研究顯示干旱脅迫下，Pro含量顯著性增加，增強了玉米對干旱脅迫的適應性，且與植株的抗旱性有著更加緊密的聯系。植物受到脅迫后體內活性氧增加，破壞細胞正常的膜脂結構、導致部分酶活性失活[24-25]，激活體內過氧化酶清除系統，清除植物體內多余的活性氧，減弱脅迫對植物造成的危害。本研究中，干旱脅迫后玉米株系內的SOD和POD酶活性升高，緩解了干旱脅迫對玉米的傷害。

李鴻雁等將合成Pro的AtP5CS1基因導入到羽衣甘藍中，羽衣甘藍植株內積累了大量的Pro，增強了轉基因羽衣甘藍對干旱脅迫的耐受性[26]。胡景江等施用外源活性氧清除劑，降低了MDA的含量，提高了植株的抗旱性[27]。本研究利用相關性分析得出Pro含量與MDA含量相關性較高，主成分分析顯示Pro含量與MDA含量與植株的抗旱性具有更加緊密的聯系，與前人研究一致。

較多的研究者利用隸屬函數綜合多個抗旱性指標對植物的抗旱性進行評價，通過該方法在玉米[9]、小豆[28]、大麥[29]、小麥[30]、高粱[31]等多種作物中篩選到多個優良的抗旱材料。本研究利用隸屬函數法篩選到了鄭8713和NK17-8抗旱較好的自交系，并證明了鄭單819和秋樂368具有極強的抗旱性。鄭單819的親本鄭8713抗旱等級為Ⅱ級，鄭K9713抗旱等級為Ⅲ級，秋樂368的親本NK11抗旱等級為Ⅲ級，NK17-8抗旱等級為Ⅱ級，表現出了雜種優勢。京單58的抗旱等級為Ⅴ級，然而其親本的抗旱等級分別為Ⅲ級、Ⅱ級，雜種優勢現象消失。鄭單958和金海5號也出現了雜種優勢消失的現象，推測是由于樣本量小，導致雜交種間出現了較大的差距導致的。

4 結論

本研究測定干旱脅迫下12個自交系和6個雜交種的葉綠素含量、POD活性、SOD活性、Pro含量和MDA含量。主成分分析顯示Pro含量和MDA含量與干旱脅迫的緊密性更高，并篩選出抗旱性較好的自交系鄭8713、NK17-8和抗旱性極強的雜交種鄭單819、秋樂368。本研究為抗旱型玉米品種的綜合篩選提供了參考，以后進行作物抗旱性評價時，要將抗旱基因是否存在、形態指標、生理指標和代謝物質等納入評價體系，以建立更加完善、準確的評價體系。