不同生育时期干旱胁迫下玉米自交系生理指标与产量的关系及抗旱性评价

郭金生，鲁晓民，曹丽茹，2，张前进，魏 昕，王振华，胡艳霞，张 新*

(1.河南省农业科学院 粮食作物研究所，河南 郑州 450002； 2.河南农业大学/河南粮食作物协同创新中心，河南 郑州 450002； 3.原阳县农林畜牧局，河南 原阳 453500)

干旱胁迫能够改变植物的生理机制，破坏植物的光合作用、细胞膨压、库源关系和各种代谢，影响植物的生长发育、农艺性状和产量形成。目前，干旱已成为影响玉米产量的第一限制性因素[1-2]。我国玉米主要种植在北方的干旱和半干旱地区，玉米各个生育时期都会遭受不同程度的干旱胁迫，并最终影响产量。近年来，黄淮海地区受极端天气的影响，在玉米生长的关键时期出现长时间的高温干旱，对玉米生长及产量形成造成了严重影响，因此，全生育期内抗旱种质的筛选、抗旱新品种的培育对玉米生产和粮食安全至关重要。目前，玉米的抗旱性研究多体现在生理方面。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等保护酶活性，叶片水势，叶片相对含水量(RWC)，渗透调节物、叶绿素含量等均已被作为植物在干旱胁迫下的生理响应指标[3-7]。干旱胁迫下，植物的膜系统被破坏，但可以通过提高SOD和POD的活性来缓解干旱胁迫对膜系统的伤害[8]。李广敏等[9]用不同浓度的PEG对抗旱性不同的玉米杂交种及相应自交系幼苗进行处理，结果显示，干旱胁迫提高了玉米幼苗叶片的SOD、CAT、POD活性。干旱胁迫时，植物体内游离脯氨酸(Pro)成倍增加，保护细胞结构免受损伤，维持细胞内水分平衡，从而提高作物的抗旱能力，研究表明，Pro积累量与玉米叶片含水量有明显的相关性[10-14]。PEG胁迫下，玉米自交系叶片RWC均呈下降趋势，但SOD、POD活性和 Pro含量有较大幅度升高，以此来应对干旱胁迫[15]。

不同的生理指标对玉米产量有不同程度的影响，由于不同生育时期生理指标与产量的关系难以准确判定，越来越多的研究采用灰色关联法进行分析。灰色关联分析可以反映各因子间互相影响的程度，亦可以评价各因子对母因子的贡献程度[16-19]，运用灰色关联度分析，可以客观地评价与玉米产量密切相关的生理指标，提高筛选的可信度。拔节期和抽雄期是玉米生长的关键时期，分析玉米拔节期和抽雄期生理指标与产量的关联度，探明其对籽粒产量影响的主次和依存关系，对抗旱评价体系的建立、抗旱种质的筛选具有重要意义。鉴于此，以我国18份玉米优良骨干自交系及自选系为材料，采用人工可控移动抗旱棚，在玉米拔节期和抽雄期进行人工控水模拟中度干旱处理，测定叶片SOD活性、POD活性、Pro含量、RWC及叶绿素含量等生理指标，利用灰色关联度对不同时期各指标与产量之间的关系进行分析，筛选与产量密切相关的生理指标，同时计算各自交系的抗旱系数，采用模糊隶属函数法对各自交系的抗旱性进行综合评价，以期筛选出拔节期、抽雄期抗旱能力强的自交系，为玉米抗旱育种提供种质基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料及种植方式

18份玉米骨干自交系及自选系(表1)在河南省农业科学院原阳基地人工可控移动抗旱棚内种植，设对照(正常水分)、拔节期干旱、抽雄期干旱3个处理。对照的土壤田间最大持水量一直保持在75%以上；拔节期干旱和抽雄期干旱处理分别于拔节期、抽雄期前控制水量5 d，使土壤田间最大持水量保持在35%左右，而后进行15 d干旱胁迫。处理间设以3 m水分隔离带。每材料种植1行，每行16株，行长4.0 m，行距 0.6 m，株距 0.25 m。干旱胁迫后进行生理指标取样和测定，3次重复，干旱胁迫后复水，与对照一致，田间管理水平同一般大田管理。

表1 供试玉米骨干自交系及自选系编号及名称

1.2 试验方法

1.2.1 生理指标测定 拔节期取样部位为倒数第2片展开叶，抽雄期取样部位为穗位叶。主要测定指标为叶绿素含量、SOD活性、POD活性、Pro含量和RWC。叶绿素含量测定采用丙酮法，SOD活性测定采用氮蓝四唑法，POD活性测定采用愈创木酚法，RWC测定采用烘干法，Pro含量测定采用磺基水杨酸提取-茚三酮法。

1.2.2 抗旱性评价 抗旱系数=干旱胁迫下性状值/对照性状值；隶属函数值U(X)=(X-a1)/(a2-a1)，X为某一指标的抗旱系数，a1、a2为所有材料某一指标的最小抗旱系数和最大抗旱系数。根据各生理指标的隶属函数平均值(X)分为4级：X≥0.7 属于1级，强抗旱型；0.5≤X<0.7 属于2级，抗旱型；0.4≤X<0.5 属于3级，中抗旱型；0≤X<0.4属于4级，弱抗旱型。

1.3 数据分析

采用Excel 2003对试验数据进行处理并作图；利用SPSS 16.0软件进行差异显著性分析；以DPS 7.05进行灰色关联度分析，先将指标的抗旱系数值进行均值化，输入母个数为1，分辨系数为0.1，参数Δmin不为0；利用隶属函数平均值鉴定材料所属的抗旱类型。

2 结果与分析

2.1 拔节期和抽雄期干旱胁迫对不同玉米自交系的生理影响

2.1.1 RWC和Pro含量抗旱系数 由图1可见，玉米自交系RWC抗旱系数均小于1，Pro含量抗旱系数均大于1，即干旱胁迫下，叶片RWC下降，Pro含量升高。拔节期，自交系郑K9713、郑375、郑D7325、郑K9721、利民33F、DK517M的RWC抗旱系数较高；自交系郑T5341、郑9712、郑641、郑58、利民33F、DK517F、郑D7314、昌7-2的Pro含量抗旱系数较高。抽雄期，自交系郑9712、利民33F、DK517M、郑375、郑K9721、PH6WC、PH4CV、郑K9713、昌7-2、郑58的RWC抗旱系数较高；自交系郑H71、利民33F、DK517M、郑T5341、郑641、DK517F、郑D7325、郑K9721、昌7-2的Pro含量抗旱系数较高。可见，郑K9713、郑375、郑K9721、利民33F、DK517M在2个生育时期RWC抗旱系数均较高，郑T5341、郑641、利民33F、DK517F、昌7-2在2个生育时期的Pro含量抗旱系数均较高。另外，大部分自交系拔节期的Pro含量抗旱系数高于抽雄期。

图1 拔节期和抽雄期干旱胁迫对不同玉米自交系RWC和Pro含量抗旱系数的影响

2.1.2 抗氧化酶活性抗旱系数 由图2可见，干旱胁迫下，玉米自交系SOD、POD活性的抗旱系数均大于1。拔节期，自交系DK517M、利民33F、昌7-2、郑K9713、郑D7314的SOD活性抗旱系数较高；自交系昌7-2、郑58、PH4CV、郑T5341、郑D7325、郑T5372、郑K9713、DK517F的POD活性抗旱系数很高。抽雄期，自交系昌7-2、DK517F、郑H71、郑W411、郑9712、郑D7314的SOD活性抗旱系数较高；自交系郑H71、郑D7314、昌7-2、PH6WC、利民33F、DK517M、郑641、DK517F的POD活性抗旱系数很高。可见，昌7-2在2个生育时期SOD活性抗旱系数均较高，昌7-2、DK517F在2个生育时期的POD活性抗旱系数均较高。同时发现，干旱胁迫下大多数玉米自交系拔节期SOD活性抗旱系数较高，抽雄期POD活性抗旱系数较高。

图2 拔节期和抽雄期干旱胁迫对不同玉米自交系抗氧化酶活性抗旱系数的影响

2.1.3 叶绿素含量抗旱系数 叶绿素是光合作用的能量传递体，从光中吸收能量，将二氧化碳转变为碳水化合物。由图3可见，干旱胁迫下，玉米自交系的叶绿素含量抗旱系数均小于1。拔节期，自交系DK517M、郑W411、郑T5372、DK517F、昌7-2的叶绿素含量抗旱系数较高；抽雄期，自交系昌7-2、郑D7314、郑641、郑9712、郑T5341的叶绿素含量抗旱系数较高。

图3 拔节期和抽雄期干旱胁迫对不同玉米自交系叶绿素含量抗旱系数的影响

2.2 干旱胁迫下不同玉米自交系生理指标与产量的灰色关联分析

2.2.1 各生理指标的标准化 拔节期和抽雄期各生理指标与收获产量的量纲化不一致，对原始数据进行无量纲化处理。设产量(X0)为母序列，RWC(X1)、SOD活性(X2)、Pro含量(X3)、叶绿素含量(X4)、POD活性(X5)为子序列，对各指标数值进行标准化，结果见表2。

2.2.2 生理指标与产量的灰色关联分析 由表3可见，拔节期各生理指标与产量的关联度大小顺序为POD活性>Pro含量>RWC=叶绿素含量>SOD活性，POD活性与产量的关联度高达0.389；抽雄期各生理指标与产量的关联度顺序为POD活性>Pro含量>SOD活性>叶绿素含量>RWC，POD活性与产量关联度高达0.394。综合2个生育时期看，抽雄期生理指标与产量的关联度大于拔节期，即抽雄期生理指标对产量的影响程度较高。分析各生理指标与产量的关联序，POD活性和Pro含量无论是拔节期还是抽雄期都与产量关联度较高，这2个生理指标可为玉米自交系拔节期和抽雄期抗旱筛选提供有效参考。

表2 拔节期、抽雄期玉米自交系各指标原始数据均值的标准化结果

注：X0、X1、X2、X3、X4、X5分别代表产量、RWC、SOD活性、Pro含量、叶绿素含量、POD活性。

表3 拔节期、抽雄期生理指标与产量的关联度及关联序

2.3 拔节期和抽雄期干旱胁迫下不同玉米自交系的抗旱性综合评价

对干旱胁迫下不同玉米自交系拔节期抗旱性进行综合分析发现，昌7-2和郑T5372生理指标和产量的隶属函数值均较高，属于抗旱型玉米自交系；其次为郑D7325、郑W411、郑9712、DK517M、郑375、郑58、PH4CV、郑K9713、郑T5341，属于中抗旱型玉米自交系(表4)。

对干旱胁迫下不同玉米自交系抽雄期抗旱性进行综合分析发现，郑H71和昌7-2生理指标和产量的隶属函数值均较高，属于强抗旱型玉米自交系；DK517M、郑375、利民33F、DK517F、郑D7314、郑641、郑9712、郑D7325为抗旱型玉米自交系；郑58、PH6WC为中抗旱型玉米自交系；其余为弱抗旱型玉米自交系(表5)。

表4 拔节期不同玉米自交系的抗旱性综合评价

表5 抽雄期不同玉米自交系的抗旱性综合评价

3 结论与讨论

干旱是制约玉米经济增长和产量提高的主要因素之一，筛选抗旱种质、培育抗旱玉米新品种对降低农民损失、保障粮食安全至关重要[20]。本研究在玉米拔节期和抽雄期进行中度干旱处理，对玉米叶片SOD活性、POD活性、Pro含量、RWC及叶绿素含量等生理指标进行测定，研究不同时期各指标与产量之间的关系，筛选拔节期、抽雄期抗旱能力强的自交系，为玉米抗旱育种提供种质基础。研究发现，不同玉米自交系在干旱胁迫下的生理反应不同，说明不同玉米自交系的抗旱生理机制不同。

干旱胁迫下，Pro的积累能够平衡植物体内pH值、保护细胞大分子物质、清除体内有害自由基，从而增强植物的抗旱性[21-22]。许多研究表明，干旱胁迫下，渗透调节物质可以不同程度地提高植物的抗旱性[23-25]。本研究结果表明，干旱胁迫下，自交系不同时期Pro均有不同程度的积累。拔节期和抽雄期，自交系郑T5341、郑641、利民33F、DK517F、昌7-2的Pro迅速积累，表明这些自交系在2个生育时期通过调节渗透物质来缓解胁迫，从而更好地适应干旱胁迫。另外，大部分自交系拔节期Pro积累量高于抽雄期，推测在拔节期干旱胁迫时，玉米自交系主要通过积累Pro调节渗透势，降低对细胞膜的伤害，以增强自交系的抗旱能力，这与前人研究结果[21-22]基本一致。

干旱胁迫下，植物体内活性氧的产生和代谢不平衡导致活性氧积累增多，造成膜脂氧化。抗氧化酶如SOD、POD可以协同抵抗干旱胁迫诱导的氧化伤害，清除植物体内过量的活性氧，确保植物正常生长和代谢。本研究中，干旱胁迫下不同自交系拔节期和抽雄期SOD、POD活性均不同程度地提高，尤其是昌7-2在2个生育时期的SOD、POD活性和叶绿素含量均较高，推测昌7-2在这2个时期的抗旱性主要通过保护光合系统和提高抗氧化酶活性来清除体内活性氧，保护细胞膜免受过氧化伤害，从而提高抗旱能力。同时发现，不同自交系在不同生育时期的抗旱机制也不相同，拔节期SOD起主要清除有害自由基进而缓解胁迫的作用，而抽雄期则是POD起主要作用。

玉米生理生化的变化在一定程度上影响产量。本研究中，干旱胁迫下不同玉米自交系拔节期和抽雄期各生理指标对产量均有不同程度的影响。目前，很多学者研究认为，RWC、抗氧化酶活性、渗透调节物质含量、叶片水势等都可以作为抗旱性评价的指标。耐旱性是一个复杂的性状，且基因多样性是导致玉米干旱适应能力多样的主要因素。因此，以单独的某一两个指标鉴定玉米在生产中的抗旱性不可靠，需要根据多个生理生化指标和产量的多次测定，结合有效的分析方法综合评价。鲍巨松等[26]研究表明，综合多种生理生化指标测定可有效评价玉米的耐旱性。本研究利用灰色关联度分析玉米自交系干旱胁迫下生理指标与产量的关联度，结果发现，POD活性和Pro含量在拔节期和抽雄期与产量的关联度均较高，这2个生理指标可为玉米品种抗旱筛选提供较为有效的参考。

综上可知，拔节期和抽雄期玉米自交系POD活性与产量关联度均最大，且抽雄期大于拔节期；筛选得到抗旱型玉米自交系昌7-2、郑58、DK517M、郑375、郑9712、郑D7325，可为选育抗旱型玉米品种提供种质资源。