隶属函数分析法对25份贵州玉米种质抗旱性评价研究

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(1.贵州大学生命科学学院/农业生物工程研究院， 山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室， 贵阳 550025; 2.贵州省农业科学院， 贵阳 550006)

玉米不仅是世界上主要的粮食和饲料作物之一,也是旱地作物中需水量最大的经济作物,土壤水分含量严重制约了玉米的品质和产量[1]。有研究表明,我国东北和西南地区,玉米自播种到苗期均会受到干旱胁迫的影响[2];另外,在玉米籽粒的发育形成期,特别是在孕穗期至灌浆期,土壤水分条件供给显著影响了玉米的籽粒产量[3]。贵州地处云贵高原,属典型的以雨养农的耕作模式,玉米种植地约80%是旱地,极易受干旱的危害。据调查,全省每年因旱灾造成的直接损失达2亿～3亿元,重灾年份高达5亿～6亿元[4]。尽管贵州的特殊气候和地质环境制约了玉米的产量,但同时也蕴藏着丰富的地方抗旱玉米种质,因此鉴定和筛选这些优良玉米种质,对于培育抗旱玉米新种质具有重要意义。准确的鉴定和评价玉米品种的抗旱性是培育抗旱品种的必要前提条件[5]。目前,已有研究报道有多个指标性状可用来表征玉米植株的抗旱性,如植物鲜重、根冠比、叶片相对含水率等[6],但以单一指标测定玉米抗旱性通常较片面,且多个指标评价的抗旱性不一定完全一致,导致实验结果误差较大[7]。近年来报道的隶属函数分析(subordinate functional analysis,SFA)是一种基于通过多指标测定、分析,进而对作物特质(如抗旱、抗寒等)综合评价的评估法,该法是以多个测定指标的加权平均值(D值)为基础对评价指标进行较为全面系统的评估,不仅消除个别指标测定带来的片面性,同时还使得各参试材料抗旱性差异具有可比性，是一种简单、快捷、准确度较高的评价方法[8-9]。本研究通过对贵州种植的25份玉米种质的抗旱相关指标的测定, 并结合隶属函数分析法对25份玉米种质的抗旱性进行评价, 以期为快速鉴定和选育抗旱玉米种质以及培育抗旱玉米新种质提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

25份玉米种质由贵州省农业科学院提供, 包括8个杂交种(金玉819、黔526、金玉838、金玉506、金玉818、金单999、黔单18号、黔单16号)和17个自交系(QB 948、黄C、CML 171、18599、QB 506、QB 446、J 106、T 32、QB 516、S 273、QB 191、S 611、QB 1018、QB 48、QB 1013、QB 662、QB 39)。

1.2 方 法

1.2.1 干旱处理

玉米苗干旱处理参照吴妍等[10]的方法, 分别挑选各玉米品种中籽粒饱满、大小一致的种子, 分2组撒播于盛有珍珠岩的塑料盘中, 置于(25±2)℃人工气候培养箱中培养数天。光强为500～700μm/(m2·s),光周期为10 h光照/14 h黑暗, 相对湿度为60%～70%。当幼苗长至第3片叶完全展开时, 以10%的PEG-6000进行水分胁迫处理, 每个品种分别处理6株幼苗, 每个处理设置3次重复, 以正常浇水处理为对照。干旱胁迫处理7 d后, 分别对不同玉米幼苗的抗旱相关生理指标及形态指标进行测定并记录。

1.2.2 抗旱相关生理及形态指标测定

叶片相对含水量的测定参照高俊凤[11]的方法; 植株最大根长测定参照李德顺[12]的方法;耐旱系数、根冠比、植株干重、相对地上部苗干重、根干重测定参照刘贤德等[13]的方法, 其中耐旱系数按下式进行计算:

耐旱系数=100×干旱处理(植株干重+根干重)/正常供水处理(植株干重+根干重)。

1.2.3 隶属函数法对抗旱性评估

以抗旱相关生理及形态指标测定结果为依据, 参照郝小琴等[14]的隶属函数分析法对25份玉米种质的抗旱相关的平均隶属函数值进行计算, 并分别评价各品种的抗旱等级。隶属函数分析中涉及的相关参数的计算参照下式:

若指标值与耐旱性呈正相关, 则用U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)计算; 若指标值与耐旱(耐寒)性负相关,则用U(Xj)=1-(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)计算。式中,Xj表示第j个指标的测定值,Xmax表示第j个指标的最大值,Xmin表示第j个指标的最小值。隶属函数D值为各参试材料在干旱胁迫下耐旱性的综合评价值。

抗旱等级评定参照张卫星等[15]的定级标准, 隶属度≥0.7为强抗,定为Ⅰ级;≥0.6为抗，定为Ⅱ级;≥0.4为中抗,定为Ⅲ级;≥0.3为弱抗,定为Ⅳ级;<0.3为不抗,定为Ⅴ级。

2 结果与分析

2.1 抗旱相关形态及生理指标测定

研究通过利用10%的PEG-6000处理不同玉米幼苗, 测定不同玉米植株在应答干旱胁迫条件下的抗旱相关生理及形态指标的差异变化。结果表明, 在干旱处理后与对照组比较，金单999的植株鲜重比最高, 达109.83%,CML 171植株鲜重比最低, 仅为32.12%;而干旱处理后的黔单16号与对照组的根冠比之比最大,为266.73%,QB 1013根冠比最小，为93.62%。另外,金玉818的相对含水量比最高,为99.26%,CML 171的相对含水量比最低,为22.47%。此外,QB 506的最大根长比为98.11,J 106的最大根长比最小,为10.36;金单999的根鲜重比最高,为147.73,CML 171的根鲜重比最低，为38.52,以上测定数据表明不同玉米品种(抗旱或不抗旱)在应答PEG介导干旱胁迫处理时,其抗旱相关生理及形态指标也会不同,反映出抗旱品种在干旱胁迫的逆境条件下的生理及形态应答模式。

2.2 不同抗旱指标隶属函数值的确定及抗旱评级

通过对上述9个抗旱相关生理及形态指标进行测定,结合隶属函数法分析各指标的权重可知，玉米种质金玉818和金单999各指标的平均隶属函数权重值较高(>0.6),而S 273、T 32、CML 171、J 106、QB 662的平均隶属函数值较低(<0.3);以各测定指标的权重值为基础, 参照张卫星等[15]的抗旱评定标准对25份玉米种质进行抗旱性评定, 结果表明金玉818和金单999为抗旱较强的品种; 黔单18号、金玉506、金玉819、金玉838、黔526、QB 48、S 611、QB 1018、QB 1013、黄C、QB 516、18599、QB 506、QB 446对干旱有中等程度的抗性; 黔单16号、QB 39、QB 948、QB 191对干旱胁迫的抗性较弱;S 273、T 32、CML 171、J 106、QB 662为不抗旱品种,以上研究结果为早期鉴定和筛选贵州抗旱玉米种质奠定理论基础。

2.3 各指标隶属函数与平均隶属函数的相关性分析

为了分析各抗旱相关生理及形态指标隶属函数值与平均隶属函数值之间的关系, 以进一步评估隶属函数分析在评价抗旱等级中的准确性, 本研究利用SPSS 19.0对各指标的隶属函数值与平均隶属函数对含水量的隶属函数值; X10代表平均隶属函数值。

表1 抗旱相关生理及形态指标干旱处理后与处理前的比值比较

品种植株鲜重(%)根鲜重(%)上部鲜重(%)根冠比(%)植株干重(%)根干重(%)上部干重(%)最大根长(%)叶片相对含水量(%)黔单16号45.13±2.8679.17±1.8330.00±0.98266.73±1.5682.66±0.14198.97±0.0844.07±0.0661.48±1.1428.57±0.27黔单18号78.34±8.7498.36±4.7166.24±2.43148.34±1.05157.19±0.22253.63±0.11112.97±0.1171.99±8.1361.61±5.47金单999109.83±7.40147.73±5.6492.01±3.12156.07±1.00153.21±0.24221.05±0.12117.55±0.1263.30±2.1489.64±6.69金玉818107.89±4.07118.66±6.23101.25±3.89110.34±0.97162.67±0.28248.34±0.14122.05±0.1485.22±2.5599.26±10.47金玉50696.73±5.2997.62±4.2188.89±2.7797.57±7.4179.26±4.51101.38±5.2352.27±8.7160.29±1.9792.10±2.77金玉83846.50±4.5145.05±3.8946.31±1.3696.49±6.2262.39±4.1271.34±8.7455.01±2.1279.32±3.6845.41±6.35黔52680.59±5.0087.32±3.4774.19±2.33124.01±7.99104.19±8.55134.47±2.1482.33±2.3379.57±6.3473.32±2.37金玉81977.52±4.9189.67±2.8971.39±2.78126.12±6.5493.32±7.55128.20±2.7777.39±5.4479.40±2.9370.80±7.84QB3980.58±6.7776.36±3.2165.22±3.51117.09±9.2062.19±0.1757.81±9.3681.25±2.5555.56±2.7763.86±2.74QB4872.64±1.3080.25±4.2261.65±3.22117.68±6.55107.35±2.10136.32±8.7477.33±5.1764.91±1.4759.49±5.58S61166.67±1.6482.69±3.6755.61±0.99130.73±3.25248.92±5.88143.16±10.5858.62±7.9864.29±6.2855.31±6.32S27350.77±2.7178.35±2.9733.74±0.75251.36±4.5159.96±5.9972.17±2.1445.01±7.4746.67±0.2632.50±2.54T3250.41±2.1758.26±2.9345.63±1.45127.39±7.2465.72±7.5183.18±7.1955.99±5.4267.82±1.6644.67±5.87QB44680.98±2.4470.10±3.0988.72±4.3385.86±2.22136.60±1.24148.23±7.47113.28±10.8769.76±4.5885.79±9.59QB94869.36±2.3281.70±3.0459.95±3.74132.23±3.6491.88±6.6999.86±8.5075.84±2.5870.81±3.5758.55±6.69黄C73.16±2.6994.42±4.3257.73±2.33170.89±7.41100.97±11.47149.57±10.5865.25±76362.81±7.8456.86±5.50QB66244.76±1.4755.59±2.7538.39±1.54140.29±8.6966.07±8.5776.28±1.4759.94±0.9663.65±2.7436.45±2.41QB101370.21±1.3765.38±2.4375.36±3.5293.62±4.23108.84±13.98130.54±17.8494.24±5.5997.66±2.3973.48±1.24QB101879.20±1.6080.31±3.7777.85±4.32128.74±10.282.64±2.58130.69±7.8440.91±4.2849.48±4.9183.71±8.84QB19163.55±5.9068.62±1.0360.16±3.00121.90±9.1082.67±7.54123.19±8.9439.03±2.5789.58±3.9762.03±9.56QB51692.86±2.1896.76±3.2187.15±3.78112.22±5.33135.86±7.84168.70±3.47103.05±5.3261.00±1.4785.81±6.35J10664.09±2.6275.32±4.3355.88±7.44137.99±4.1297.00±13.69118.73±8.9563.60±6.2110.36±1.1055.20±7.23QB50664.83±2.6566.99±1.3261.65±0.90108.65±5.28125.03±5.89121.73±16.32136.56±17.2598.11±1.0459.13±8.561859966.86±2.3470.10±3.4262.38±6.33117.23±6.31153.19±9.68126.42±8.58208.20±9.6377.20±6.3056.58±8.97CML17132.12±5.0238.52±0.5423.56±5.45176.26±7.5888.41±10.36156.68±11.3932.36±2.5967.99±3.5022.47±0.47

表2 抗旱相关指标隶属函数权重值及抗旱性评价

品种X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10评级黔单16号0.190.380.101.000.120.720.330.580.150.40弱抗黔单18号0.590.550.550.360.511.000.460.700.510.58中抗金单9991.001.000.880.410.490.830.480.600.870.73强抗金玉8180.980.731.000.140.540.970.510.851.000.75强抗金玉5060.830.540.840.070.100.220.110.570.910.47中抗金玉8380.440.450.330.540.220.290.310.790.310.41中抗黔5260.620.450.650.220.230.390.280.790.660.48中抗金玉8190.580.470.620.230.180.360.260.790.630.46中抗QB390.620.350.540.180.010.000.280.510.540.34弱抗QB480.520.380.490.180.250.400.260.620.480.40中抗S6110.440.400.410.261.000.440.150.610.430.46中抗S2730.240.360.130.960.000.070.070.410.130.26不抗T320.240.180.280.240.030.130.130.650.290.24不抗QB4460.630.290.840.000.410.460.460.680.820.51中抗QB9480.480.400.470.270.170.210.250.690.470.38弱抗黄C0.530.510.440.490.220.470.190.600.450.43中抗QB6620.160.160.190.310.030.090.160.610.180.21不抗QB10130.490.250.670.040.260.370.350.990.660.45中抗QB10180.610.380.700.250.120.370.050.450.800.41中抗QB1910.400.280.470.210.120.330.040.900.520.36弱抗QB5160.780.530.820.150.400.570.400.580.820.56中抗J1060.410.340.420.300.200.310.180.000.430.29不抗QB5060.420.260.490.130.340.330.591.000.480.45中抗18599 0.450.290.500.180.490.351.000.760.440.50中抗CML1710.000.000.000.520.150.500.000.660.000.20不抗

注:X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9分别代表植株鲜重、根鲜重、上部鲜重、根冠比、植株干重、根干重、上部干重、最大根长、叶片相

表3 各抗旱相关指标隶属函数值与平均隶属函数值的相关性分析

X1X2X3X4X5X6X7X8X9X10X11X20.854**1X30.948**0.679**1X4-0.415*0.051-0.612**1X50.417*0.432*0.397*-0.2051X60.457*0.615**0.3860.1460.597**1X70.428*0.2980.468*-0.3610.505**0.3211X80.059-0.0870.189-0.3560.1470.1530.3471X90.940**0.666**0.994**-0.607**0.3530.3500.3840.1591X100.833**0.792**0.807**-0.2830.637**0.726**0.594**0.3260.769**1

注:“*”代表p<0.05水平上显著相关;“**”代表p<0.01水平上显著相关。

值进行了相关分析, 结果表明, 干旱处理后除根冠比和最大根长指标外, 其余7个指标(植物鲜重、根鲜重、上部鲜重、植株干重、相对含水量、根干重、上部干重)与平均隶属函数均呈极显著正相关。其中,植株鲜重、根鲜重、上部鲜重、叶片相对含水量等4个指标的函数值与平均隶属函数值的相关性最高, 说明这几个指标的隶属函数值能较好的表征玉米植株的抗旱程度, 可用于综合评价作物的抗旱性。

3 讨 论

干旱对农业生产的威胁是一个世界性问题, 旱灾常使玉米大面积减产, 特别是玉米吐丝散粉至灌浆蜡熟期, 持续干旱常引起严重减产, 甚至颗粒无收。同时, 干旱也是许多玉米产区产量不稳不高的重要制约因素[16]。因此, 选育和利用抗旱品种是降低旱灾损失最经济有效的措施。之前的研究报道, 多个指标的测定可用于玉米种质的早期抗旱性鉴定[17-19],这对于快速分析玉米植株抗旱性、筛选培育抗旱新种质具有重要意义。本研究以贵州广泛种植的25份玉米品种为材料, 分析干旱处理对不同抗旱相关形态及生理指标的影响, 计算这些指标的隶属函数值和平均隶属函数值, 并利用SPSS分析两者之间的相关性。结果表明, 通过对25份玉米品种干旱处理后的表型观察及抗旱相关指标测定显示9个指标中的7个, 即植物鲜重、根鲜重、上部鲜重、植株干重、相对含水量、根干重、上部干重等用于评价玉米种质的抗旱性可靠度较高。罗淑平等[20]的研究结果也表明, 叶片相对含水率可作为鉴定玉米抗旱性的重要生理指标。同时, 根据各抗旱相关生理指标的隶属函数计算得出平均隶属函数值, 并以此作为对玉米种质抗旱性的评价依据, 可得知抗旱较强的品种有金玉818和金单999; 中等抗旱的品种有黔单18号、金玉506、金玉819、金玉838、黔526、QB 48、S 611、QB 1018、QB 1013、黄C、QB 516、18599、QB 506和QB 446;弱抗旱品种有黔单16号、QB 39、QB 948和QB 191;而不抗旱的品种有S 273、T 32、CML 171、J 106和QB 662。

本研究通过对不同玉米品种的多个抗旱相关形态及生理指标的测定, 并结合隶属函数分析法综合评价了25份玉米种质的抗旱性, 得出的抗旱评级与玉米植株干旱处理后的抗旱表型结果基本一致, 说明通过这些指标的测定并结合隶属函数分析法能够较为准确地评价和鉴定玉米植株的抗旱性。本文以多个指标测定值为基础, 对玉米的抗旱性进行较为全面的评估, 不仅避免了早期利用单一指标评定玉米抗旱品种的片面性和不精确性[21],同时也分析了这些指标在抗旱性中的权重, 为早期鉴定和快速筛选抗旱玉米品种、培养抗旱玉米新品种提供一定参考。