玉米杂交种及其亲本自交系抗旱性综合分析

黄 保， 曹丽茹， 王振华， 鲁晓民

(河南省农业科学院粮食作物研究所，河南郑州 450002)

玉米对保障我国粮食安全和农民增收起着重要的作用。黄淮海是我国玉米最大主产区，然而近几年该地区高温、干旱天气频发，严重影响了玉米生长发育及其产量，干旱已成为限制我国玉米生产发展的重要影响因素之一[1-2]。鉴于玉米种植条件限制，高效使用有限的灌水资源成为农业可持续发展的长久之计，其中发掘、创制具有抗旱潜力的玉米新品系是保证玉米高产稳产的重要途径。我国抗旱玉米种质资源较为狭窄，通过作物抗旱育种，鉴定现有种质资源并培育创制新型抗旱材料，可有效缓解干旱对玉米产量的影响[3-4]。解析玉米的抗旱机理，鉴定筛选抗旱种质材料，进而培育突破性抗旱玉米品种是关键。

作物的抗旱性质是由多基因共同调控的，干旱胁迫对作物造成的危害是作物形态发育、生长代谢等过程的综合结果[5-6]。与干旱胁迫相关的生理指标已经被大量报道，如细胞膜通透性变大，导致细胞失水，细胞的分裂受到抑制从而导致植株矮小，植株作为有机生命体会增加体内渗透调节物质脯氨酸、可溶性糖等的含量，增强细胞对水分的吸收能力；干旱胁迫还会导致活性氧自由基增加，破坏细胞膜磷脂双分子层，旱胁迫下植物体内抗氧化酶系统会被激活，提高超氧化物歧化酶、过氧化物酶活性，消除过度的活性氧自由基[7]。不同基因型玉米株系对干旱的耐受性不同，严格筛选、准确评价玉米种质资源的抗旱性，进而培育抗旱玉米新品系，对于提高玉米杂交种的抗旱能力、保证玉米高产稳产具有重要意义。较单一的指标而言，隶属函数在作物抗逆研究中得到众多学者的认可[8-9]。

前人对玉米响应干旱胁迫的研究多集中在玉米苗期[10-11]或是抽雄期[12-13]，而针对玉米拔节期的研究相对较少，且同一作物不同品种或者自交系的抗旱性存在差异。 因此，本试验以12份玉米自交系及其组配的6个组合为材料，在拔节期干旱胁迫和正常灌溉条件下，根据其生理相关性状评价玉米抗旱性，以期为培育抗旱性较强的玉米新品种提供优异种质资源和杂交组合，并初步阐述抗旱自交系和杂交组合响应干旱的生理变化趋势，给玉米抗旱育种工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料及种植方式

材料为河南省主推的栽培品种郑单819、秋乐368、郑单958、萧玉1号、金海5号和京单58共6个品种，及其亲本郑8713、郑K9713、郑58、昌7-2、SN0702、SN0798、JH78-2、JH3372、NK11、NK17-8、CH3、京2416共12个自交系(表1)。2020年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，设对照和胁迫(拔节期)2个处理，处理间设以3 m水分隔离带。每个材料种植1行，每行16株，行长4.0 m，行距0.6m，株距0.25 m。

表1 亲本材料

1.2 胁迫处理

玉米拔节期进行处理，对照组：土壤田间持水量一直保持在75%以上。处理组：对田间持水量控水5 d后达到40%左右，进行为期15 d的干旱胁迫。15 d后取对照组和处理组的倒数第2片叶进行生理指标的测定，而后进行复水使田间土壤持水量与对照处理一致至收获。

1.3 生理指标的测定

叶绿素含量采用丙酮法测定；SOD活性采用氮蓝四唑法测定；POD活性采用愈创木酚法测定；MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定；Pro含量采用磺基水杨酸提取-茚三酮法测定。每个指标3次生物学重复。

1.4 隶属函数值的计算

隶属函数值的计算公式如下：

X(uj)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

如果某一指标与耐旱性呈负相关则采用以下公式计算：

X(uj)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)。

式中：X为干旱胁迫下各供试材料某一指标的测定值，Xmin和Xmax分别为所有供试材料某一指标的最小值和最大值。将所有供试材料的隶属函数值加起来求其平均值后综合评价各供试材料的耐旱性强弱。根据抗旱隶属函数的平均值分为5级：平均隶属度<0.3为不抗，定为Ⅴ级；0.3≤平均隶属度<0.4为抗，定为Ⅳ级；0.4≤平均隶属度<0.6 为中抗，定为Ⅲ级；0.6≤平均隶属度<0.7为强抗，定为Ⅱ级；平均隶属度≥0.7为极强抗，定为Ⅰ级。

1.5 抗旱系数

抗旱系数=干旱胁迫指标值/对照处理指标值。

1.6 数据分析

利用Excle 2010进行数据分析并做图，利用SPSS 25进行相关性和主成分分析。

2 结果分析

2.1 干旱胁迫对玉米叶片叶绿素含量的影响

叶绿素将光能转变成生物能，是植物生长的能量工厂。从图1-A可以看出胁迫后各自交系的叶绿素含量均出现了下降，但是不同自交系叶绿素含量下降幅度不同。其中昌7-2叶绿素含量下降幅度最大，为29.20%；SN0702 叶绿素含量下降得最少，为7.27%，但是仍然达到了显著水平。从图1-B可以看出，同自交系一样，杂交种的叶绿素含量受到干旱胁迫的抑制，郑单819、秋乐368和萧玉1号胁迫前与胁迫后的叶绿素含量均高于郑单958、金海5号和京单58对应的叶绿素含量，可能与不同自交系或品种自身特性有关。

2.2 干旱胁迫对玉米叶片MDA含量的影响

从图2可以看出，干旱胁迫促进了植株内MDA含量的积累，对于自交系来说京2416MDA的增幅最大，为50.83%，其次为SN0798叶片中MDA含量增幅，为33.57%，SN0702的MDA含量增幅最少，为16.67%。对于杂交种，郑单958叶片中MDA含量增幅最大，为78.43%，且在正常生长下MDA含量最低，干旱胁迫后MDA含量最高；郑单819叶片中MDA含量增幅最小，为23.59%，正常生长和干旱胁迫处理后MDA含量在6个杂交种均处于中间位置。MDA的大量积累破坏了膜结构，改变了膜透性，阻止了正常的生理生化活动，自交系SN0702和杂交种郑单819 MDA含量变化较小，推测与材料的抗旱能力有关。

2.3 干旱胁迫对玉米叶片Pro含量的影响

作为渗透调节物质之一的Pro，在维持细胞渗透压、保证干旱胁迫下细胞的正常吸水具有重要作用。正常生长条件下，12个自交系的Pro含量为19.93～30.67 μg/g，干旱胁迫之后Pro含量为35.83～85.13 μg/g，干旱胁迫后Pro含量最高的为郑8713，其余依次为昌7-2、京2416及郑K9713(图3-A)。同自交系一样，6个杂交种在干旱胁迫后Pro含量大量积累，含量最高的为郑单819，其次为秋乐368。郑单958、萧玉1号、金海5号和京单58的Pro含量也出现了极显著增加，但是明显低于郑单819和秋乐368的Pro含量(图3-B)。综上所述，自交系郑8713、昌7-2和京2416以及杂交种郑单819和秋乐368在干旱胁迫下具有较好的适应性。

2.4 干旱胁迫对玉米叶片SOD活性的影响

干旱胁迫下玉米体内会积累大量的活性氧，破坏细胞膜脂结构从而能影响植物的正常生长，植物会提高体内SOD活性，消除过多的活性氧，维持玉米植株的生长。图4显示，正常生长情况下，玉米植株的SOD活性处于一个较低的水平，干旱胁迫后SOD活性极显著升高。自交系郑8713、SN0798、JH3372和京2416干旱胁迫后SOD活性分别是正常情况下的1.25、1.21、1.19、1.15倍(图4-A)。正常生长条件下和干旱胁迫后，杂交种郑单819、秋乐368、京单58和金海5号的SOD活性均明显高于郑单958和萧玉1号(图4-B)，表明郑单819、秋乐368、京单58和金海5号清除活性氧的能力较强。

2.5 干旱胁迫对玉米叶片POD活性的影响

POD是一种抗氧化物酶，与SOD协同清除植物体内有害自由基。从图5可知，干旱胁迫后各植株的POD活性显著性提高，郑K9713、郑58、昌7-2、SN0702、JH3372、NK11、CH3和京2416叶片中POD活性出现了提高均超过了100%，分别为128.20%、112.97%、121.03%、125.26%、117.33%、202.40%、 115.34%和138.77%。干旱胁迫后杂交种郑单819、秋乐368、郑单958、萧玉1号、金海5号和京单58的POD活性分别提高了66.81%、80.57%、36.42%、42.93%、36.34%和34.35%。

2.6 不同玉米抗旱性综合分析

利用隶属函数，综合叶绿素含量、MDA含量、Pro含量，以及SOD、POD活性等抗旱指标对12个自交系进行抗旱性评价，结果显示12个玉米自交系抗旱性评价分布在Ⅱ～Ⅳ 3个等级，其中Ⅱ级抗旱的有郑8713和NK17-8。Ⅲ级抗旱的有郑K9713、郑58、昌7-2、SN0702、JH3372、NK11、CH3和京2416。Ⅳ级抗旱的有SN0798和JH78-2(表2)。

在杂交种中，郑单819和秋乐368的抗旱等级为Ⅰ级，表现出极强抗旱性。萧玉1号抗旱等级为Ⅲ级，抗旱性适中。郑单958、金海5号和京单58的抗旱等级为Ⅴ，抗旱性最差(表3)。

表2 12个自交系的抗旱隶属度

表3 6个杂交系的抗旱隶属度

2.7 自交系各指标抗旱系数相关性分析

选用12个自交系各指标抗旱系数进行相关性分析，结果(表4)显示Pro含量与MDA含量相关性较高，相关系数为0.52，其次为POD活性与叶绿素含量相关性，相关系数为0.41。叶绿素与Pro含量和MDA含量呈现负相关性，相关系数分别为 -0.69、-0.44。表明玉米的生长多生理生化过程互相影响、协同合作的结果。

表4 自交系各指标抗旱系数相关性分析

2.8 自交系各指标抗旱系数主成分分析

主成分分析发现主成分1(45.58%)、主成分2(21.87%)和主成分3(20.45%)对总方差的累积贡献度达到了87.8%。主成分1的贡献率远远大于主成分2和主成分3的贡献率，在主成分1中Pro含量和MDA含量载荷系数较大，反映出Pro含量和MDA含量与植株的抗旱性有更紧密的关联性(表5)。

表5 自交系各指标抗旱系数主成分分析

3 讨论

玉米自交系抗旱指标的研究表明，玉米抗旱性受诸多因素影响且性状复杂，导致研究指标、方向、手段等未达统一标准，研究难度较大，进展缓慢[14-15]。目前得到一致认可的是，玉米抗旱性是由多基因决定的复杂数量性状，单一指标说服力较低，应由多指标综合评价来提高鉴定结果的准确性[16-17]。

研究发现，植物的生理指标对干旱胁迫的响应较为剧烈，其较大的波动对干旱胁迫的研究提供极大的便利[8，18-19]。叶绿素是研究植物抗旱的一个重要指标[20]。本研究中，干旱胁迫后，无论是自交系还是杂交种，各玉米株系中叶绿素含量均下降，但是不同的株系间下降幅度存在着差异，推测是不同株系抗旱性不同造成的。植物受到胁迫后膜脂发生过氧化作用产生大量的MDA，MDA又进一步加剧膜脂的氧化，对植物造成巨大伤害[21]。本研究中自交系SN0702和杂交种郑单819叶片中MDA含量变化较小，隶属函数显示SN0702和郑单819均具有较好抗旱性，与李凤海研究的结果一致[22]，且主成分分析显示MDA含量与植株的抗旱性有着更紧密的联系。渗透调节能够维持细胞持续对外界水分的吸收[23]。本研究显示干旱胁迫下，Pro含量显著性增加，增强了玉米对干旱胁迫的适应性，且与植株的抗旱性有着更加紧密的联系。植物受到胁迫后体内活性氧增加，破坏细胞正常的膜脂结构、导致部分酶活性失活[24-25]，激活体内过氧化酶清除系统，清除植物体内多余的活性氧，减弱胁迫对植物造成的危害。本研究中，干旱胁迫后玉米株系内的SOD和POD酶活性升高，缓解了干旱胁迫对玉米的伤害。

李鸿雁等将合成Pro的AtP5CS1基因导入到羽衣甘蓝中，羽衣甘蓝植株内积累了大量的Pro，增强了转基因羽衣甘蓝对干旱胁迫的耐受性[26]。胡景江等施用外源活性氧清除剂，降低了MDA的含量，提高了植株的抗旱性[27]。本研究利用相关性分析得出Pro含量与MDA含量相关性较高，主成分分析显示Pro含量与MDA含量与植株的抗旱性具有更加紧密的联系，与前人研究一致。

较多的研究者利用隶属函数综合多个抗旱性指标对植物的抗旱性进行评价，通过该方法在玉米[9]、小豆[28]、大麦[29]、小麦[30]、高粱[31]等多种作物中筛选到多个优良的抗旱材料。本研究利用隶属函数法筛选到了郑8713和NK17-8抗旱较好的自交系，并证明了郑单819和秋乐368具有极强的抗旱性。郑单819的亲本郑8713抗旱等级为Ⅱ级，郑K9713抗旱等级为Ⅲ级，秋乐368的亲本NK11抗旱等级为Ⅲ级，NK17-8抗旱等级为Ⅱ级，表现出了杂种优势。京单58的抗旱等级为Ⅴ级，然而其亲本的抗旱等级分别为Ⅲ级、Ⅱ级，杂种优势现象消失。郑单958和金海5号也出现了杂种优势消失的现象，推测是由于样本量小，导致杂交种间出现了较大的差距导致的。

4 结论

本研究测定干旱胁迫下12个自交系和6个杂交种的叶绿素含量、POD活性、SOD活性、Pro含量和MDA含量。主成分分析显示Pro含量和MDA含量与干旱胁迫的紧密性更高，并筛选出抗旱性较好的自交系郑8713、NK17-8和抗旱性极强的杂交种郑单819、秋乐368。本研究为抗旱型玉米品种的综合筛选提供了参考，以后进行作物抗旱性评价时，要将抗旱基因是否存在、形态指标、生理指标和代谢物质等纳入评价体系，以建立更加完善、准确的评价体系。