張賽楠，蘇治軍，高聚林，于曉芳，王志剛，孫繼穎，胡樹平，屈佳偉，包海柱

（內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010019）

內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國的產(chǎn)糧大省,2017年耕地面積達(dá)926.67萬hm2,其中玉米種植面積為313.77萬hm2,約占總耕地面積的33.86%。但內(nèi)蒙古自治區(qū)地處內(nèi)陸,屬干旱半干旱地區(qū),干旱頻繁發(fā)生,且常發(fā)生于玉米生長中期,易造成玉米花期不遇,結(jié)實(shí)率降低,玉米大幅減產(chǎn)甚至絕收,嚴(yán)重制約了本地區(qū)的玉米生產(chǎn)[1]。

創(chuàng)制抗旱品種是玉米抵御干旱的有效途徑,其中篩選抗旱自交系是玉米抗旱育種的前提。因此,嚴(yán)格篩選、準(zhǔn)確評價(jià)玉米種質(zhì)資源的抗旱性,進(jìn)而培育新型玉米抗旱自交系,對于提高玉米雜交種的抗旱能力、保證玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義[2]。

作物對干旱脅迫的適應(yīng)表現(xiàn)在多個方面,利用單一指標(biāo)無法對抗旱性做出準(zhǔn)確評價(jià),須通過多指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)[3]。眾多學(xué)者提出了各種鑒定篩選指標(biāo),包括生長發(fā)育指標(biāo)、形態(tài)指標(biāo)、生理生化指標(biāo)、產(chǎn)量指標(biāo)等,但生理生化指標(biāo)的測定在育種實(shí)際工作中常常難以實(shí)現(xiàn),因此從農(nóng)藝性狀和便于大田操作的指標(biāo)入手,研究各性狀指標(biāo)與產(chǎn)量和抗旱性之間的關(guān)系,能夠?yàn)橛衩卓购涤N提供直接且簡單易行的選擇依據(jù)[4]。

抗旱性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)大體可分為直接評價(jià)和間接評價(jià)兩類。以產(chǎn)量指標(biāo)為主的直接評價(jià)參數(shù)有抗旱系數(shù)、敏感指數(shù)、抗旱指數(shù)、干旱傷害指數(shù)等。在抗旱育種中,玉米產(chǎn)量的高低反映的是作物本身的一種協(xié)調(diào)能力,而協(xié)調(diào)能力的差異即為抗旱性總體意義上的差異,是與多種抗旱性狀綜合作用的結(jié)果[5]。間接綜合評價(jià)法有抗旱總級值法、五級評分法、灰色關(guān)聯(lián)分析法、抗旱性聚類分析法、抗旱性隸屬函數(shù)法等?？购敌栽u價(jià)中除產(chǎn)量外,還可采用相關(guān)次級性狀進(jìn)行間接選擇。次級性狀是指除產(chǎn)量以外的其他作物特征,它可以間接提供干旱脅迫條件下產(chǎn)量變化的一些信息,具有在脅迫條件下與產(chǎn)量存在遺傳相關(guān)、遺傳力高、遺傳變異豐富、容易快速鑒定且表現(xiàn)相對穩(wěn)定的特點(diǎn)。本試驗(yàn)通過產(chǎn)量和次級性狀指標(biāo),綜合產(chǎn)量抗旱指數(shù)隸屬度值和次級性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)的平均隸屬度值對供試材料劃分抗旱等級,鑒選既具有抗旱性,又具有高產(chǎn)潛力的玉米自交系,以期建立準(zhǔn)確、簡單的適用于大田大規(guī)模鑒定的抗旱評價(jià)體系,從而為玉米抗旱育種及種質(zhì)材料創(chuàng)制提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

2012年引進(jìn)3份雜交種,結(jié)合南繁北育,經(jīng)5年8代自交選育,最終從86份玉米自交系中篩選出40份表現(xiàn)穩(wěn)定、性狀優(yōu)良的玉米自交系進(jìn)行抗旱性鑒定。具體編號及名稱見表1。

表1 40份玉米自交系編號及名稱

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2017年在內(nèi)蒙古包頭市土默特右旗溝門鎮(zhèn)北只圖村（110°31′E,40°33′N,海拔 1 008.62 m）內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園區(qū)進(jìn)行。前茬作物為玉米,地力情況見表2。

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì),主區(qū)為水分控制處理,設(shè)置正常灌溉和干旱脅迫2個處理,正常灌溉處理是在播種前、出苗后20 d、出苗后40 d、吐絲期、授粉完成后10 d各充分灌溉1次,共5次；干旱脅迫處理在吐絲間隔前后各20 d共40 d不灌溉（視材料抗旱能力調(diào)節(jié)干旱脅迫天數(shù)）,其余時期與正常灌溉處理一致,共4次；副區(qū)為玉米自交系,每份試驗(yàn)材料雙行種植,行長5 m,行距0.6 m。水旱區(qū)設(shè)置5 m水分隔離區(qū)。種植密度為90 000株/hm2。施肥量及其他田間管理按農(nóng)戶模式進(jìn)行。

表2 土壤含水量及養(yǎng)分狀況

1.3 測定指標(biāo)

于吐絲期測定玉米花期間隔（ASI）、穗位葉SPAD值、穗位葉熒光參數(shù)、穗位葉葉面積,成熟期測定株高、穗位高,玉米收獲后進(jìn)行考種,測定玉米含水量、百粒重、穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖長,并進(jìn)行產(chǎn)量測定。

土壤含水量：于吐絲期正常灌溉區(qū)灌水后,干旱脅迫10 d取正常灌溉區(qū)和干旱脅迫區(qū)耕層100 cm的土壤測定含水量,采用烘干法測定。測定結(jié)果見表2。按照HSIAO[6]的劃分標(biāo)準(zhǔn)可知,本研究土壤干旱脅迫區(qū)較正常灌溉區(qū)含水量降低1.61百分點(diǎn),屬中度干旱脅迫。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

1.4.1 抗旱系數(shù)（DC）

1.4.2 產(chǎn)量抗旱指數(shù)（YDI）抗旱指數(shù)按照蘭巨生等[7]的方法計(jì)算：

式中,Yd為脅迫環(huán)境品系產(chǎn)量,Yp為非脅迫環(huán)境品系產(chǎn)量,Ymd為所有參試玉米脅迫環(huán)境產(chǎn)量的平均值。

1.4.3 抗旱隸屬函數(shù)法（SV）先求出各指標(biāo)在材料中的具體隸屬值,公式如下：

式中,X為各品種某指標(biāo)的測定值,Xmax和Xmin分別為所有品種此指標(biāo)的最大測定值和最小測定值。如果所測指標(biāo)和抗旱性成正相關(guān)用（4）式,反之則用（5）式。再累加指定品種各指標(biāo)的抗旱隸屬值,求其平均值,根據(jù)各品種平均值大小確定抗旱性強(qiáng)弱[8]。

隸屬度5級劃分標(biāo)準(zhǔn)[9]：平均隸屬度＜0.3為不抗,定為Ⅴ級；0.3≤平均隸屬度＜0.4為弱抗,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(qiáng)抗,定為Ⅱ級；平均隸屬度≥0.7為極強(qiáng)抗,定為Ⅰ級。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析和逐步回歸分析,Microsoft Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,抗旱系數(shù)、抗旱指數(shù)、隸屬度的計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米自交系各性狀方差分析

對40份玉米自交系抗旱性狀進(jìn)行方差分析,結(jié)果見表3。

表3 40份玉米自交系各性狀方差分析

由表3可知,各材料在正常灌溉和干旱脅迫處理下,花期間隔（ASI）、穗位高、葉綠素相對含量（SPAD 值）、最大光化學(xué)效率（Fv/Fm）、百粒重、穗粗、穗長、行粒數(shù)、禿尖長、單穗產(chǎn)量差異達(dá)顯著或極顯著水平,葉面積、株高、穗行數(shù)、籽粒含水量、出籽率差異不顯著。結(jié)果表明：ASI、穗位高等10個差異顯著的指標(biāo)對水分脅迫較為敏感,干旱脅迫對其影響較大,故可對篩選出的指標(biāo)做進(jìn)一步分析。

2.2 不同玉米自交系主要性狀相關(guān)分析

選取方差分析中不同處理差異達(dá)顯著的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析。由表4可知,各單項(xiàng)指標(biāo)間存在一定的相關(guān)性,說明玉米抗旱性是一個綜合性狀。其中,百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm和穗位高與單穗產(chǎn)量相關(guān)性達(dá)顯著或極顯著水平,各主要性狀與單穗產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)大小為：ASI＞百粒重＞穗位高＞穗粗＞Fv/Fm＞SPAD值。行粒數(shù)、穗長、禿尖長與單穗產(chǎn)量相關(guān)性未達(dá)顯著。

表4 40份玉米自交系主要性狀相關(guān)分析

2.3 不同玉米自交系主要性狀逐步回歸分析

逐步回歸法是按照一定的步驟依次將自變量帶入回歸方程進(jìn)行檢驗(yàn),最后選出對因變量影響最大的自變量建立回歸方程。本試驗(yàn)將產(chǎn)量抗旱指數(shù)（YDI）作為因變量,與產(chǎn)量抗旱指數(shù)相關(guān)性達(dá)顯著水平的百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm和穗位高作為自變量進(jìn)行逐步回歸分析。

表5 回歸系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)化檢驗(yàn)

由表5可確立逐步回歸方程為：

YDI=0.299-0.238X1+0.606X2+0.327X3（F=37.941**,R2=0.872）即為最優(yōu)回歸模型。自變量ASI、百粒重和穗位高可作為玉米自交系抗旱性鑒定的次級性狀篩選指標(biāo)。該方法通過篩選重要的抗旱性指標(biāo)從而建立抗旱性評價(jià)數(shù)學(xué)模型,可對不同玉米材料進(jìn)行抗旱性預(yù)測。

2.4 不同玉米自交系抗旱性鑒選

計(jì)算由上述指標(biāo)鑒選方法篩選所得次級性狀指標(biāo)（產(chǎn)量、ASI、百粒重、穗位高）抗旱系數(shù)的隸屬度值,同時計(jì)算產(chǎn)量抗旱指數(shù)的隸屬度值。按照模糊隸屬函數(shù)法原理,隸屬度越大,抗旱性越強(qiáng)。由表6可知,不同材料的同一性狀及同一性狀在不同材料間隸屬度值差異較大,因此無法用單一隸屬度值來準(zhǔn)確評價(jià)自交系的抗旱性,應(yīng)運(yùn)用各材料目標(biāo)性狀的平均隸屬度值來綜合評價(jià)材料的抗旱性。

依抗旱隸屬法劃分標(biāo)準(zhǔn),可將材料劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個等級,即抗旱性極強(qiáng)（HR）、強(qiáng)（R）、中等（MR）、弱（S）和極弱（HS）。

由表7可知,運(yùn)用次級性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)的平均隸屬度值和產(chǎn)量抗旱指數(shù)的隸屬度值所得材料排序和等級的劃分存在差異。前者對40份玉米自交系抗旱性分類得：抗旱性強(qiáng)或極強(qiáng)的玉米自交系編號為2,6等22份；抗旱性中等的玉米自交系編號為1,3等14份；抗旱性弱和極弱的玉米自交系編號為10,33等4份。后者對40份玉米自交系產(chǎn)量抗旱性分類得：抗旱性強(qiáng)或極強(qiáng)的玉米自交系編號為2,7等13份；抗旱性中等的玉米自交系編號為4,5等15份；抗旱性弱或極弱的玉米自交系編號為1,3等12份。

表6 40份玉米自交系主要性狀抗旱系數(shù)隸屬度值

由表8可知,綜合運(yùn)用次級性狀抗旱系數(shù)的平均隸屬度值和產(chǎn)量抗旱指數(shù)隸屬度值對40份玉米自交系抗旱性及產(chǎn)量潛力分類結(jié)果一致的自交系編號為2,7,8,11,22,25,27,29,30,35,39,共11份屬高產(chǎn)抗旱型玉米自交系；編號為4,5,13,15,17,20,21,31,共8份屬中等抗旱型玉米自交系；編號為33和36的2份屬低產(chǎn)不抗旱型玉米自交系。其余編號為1,3,14,16,18,19,23,24,26,28的玉米自交系抗旱級別為中等以上,但其干旱條件下產(chǎn)量較低；編號為6,9,10,32,34,38,40的玉米自交系抗旱性較強(qiáng),而產(chǎn)量處于中等水平；編號12,37的玉米自交系抗旱等級分別為中等和弱,但旱地產(chǎn)量較高。通過對40份玉米自交系進(jìn)行分類,可在后期組合組配時有針對性地應(yīng)用具有不同特性的材料。

3 討論

3.1 玉米自交系抗旱指標(biāo)的研究

玉米抗旱性是一個復(fù)雜的綜合性狀,為了正確、全面地確定自交系的抗旱性,應(yīng)由多指標(biāo)綜合評價(jià),但并非指標(biāo)越多評價(jià)效果越好,一些相關(guān)性很小或不相關(guān)指標(biāo)的引入,不但增加了計(jì)算分析的復(fù)雜程度,有時還會帶來偏差,甚至導(dǎo)致結(jié)果的錯誤。因此,應(yīng)根據(jù)指標(biāo)抗旱性及產(chǎn)量的相關(guān)程度和性狀本身與產(chǎn)量的關(guān)系進(jìn)行分析比較,從中挑選出與抗旱性顯著相關(guān)的指標(biāo),作為抗旱品種選育中的抗旱指標(biāo)[10]。因此,本試驗(yàn)首先通過方差分析篩選不同水分處理下達(dá)顯著水平的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析,選擇與產(chǎn)量相關(guān)性達(dá)顯著的指標(biāo)進(jìn)行逐步回歸分析,最終通過回歸方程的建立篩選可評價(jià)玉米抗旱性最有效的指標(biāo)。

表7 不同評價(jià)參數(shù)隸屬度值的比較

表8 40份玉米自交系分類

BOLANOS等[11]研究表明,在非水分脅迫環(huán)境下,ASI、單株穗數(shù)與籽粒產(chǎn)量之間的遺傳相關(guān)性較低,但隨著脅迫程度加強(qiáng),二者遺傳相關(guān)均達(dá)極顯著水平。李新海等[12]通過對我國37份主要玉米自交系兩年的開花期抗旱性鑒定表明,干旱脅迫下玉米果穗吐絲期延遲,ASI增大,結(jié)穗率和籽粒產(chǎn)量嚴(yán)重下降,且ASI、結(jié)穗率與籽粒產(chǎn)量呈極顯著相關(guān),可在干旱脅迫條件對產(chǎn)量進(jìn)行間接選擇時利用其作為抗旱指示性狀。本試驗(yàn)由逐步回歸方程首先篩選出ASI為方程因變量,說明相對于其他指標(biāo)ASI對產(chǎn)量貢獻(xiàn)率最大,與前人研究結(jié)果一致。蘇治軍等[13]于2007年冬季和2008年春季分別在海南三亞和新疆烏魯木齊對196份玉米自交系進(jìn)行抗旱性評價(jià)得出,株高、ASI、單穗粒重和結(jié)實(shí)株數(shù)百分率 4個性狀可以作為玉米自交系抗旱性評價(jià)指標(biāo)。胡樹平等[14]通過兩年兩地對51份玉米自交系抗旱性指標(biāo)研究得出,兩地指標(biāo)一致的為水分利用效率、產(chǎn)量性狀和ASI,對干旱敏感程度較大。劉玉濤等[15]對玉米抗旱性鑒定研究表明,干旱條件下,株高和穗位高降低、穗粒數(shù)減少、穗粒重變輕、產(chǎn)量降低,這些性狀指標(biāo)均與玉米抗旱性關(guān)系密切。本試驗(yàn)研究表明,ASI、百粒重、穗位高可作為玉米抗旱性評價(jià)指標(biāo),與前人研究結(jié)果基本一致,但本試驗(yàn)中不同水分處理下株高差異未達(dá)顯著水平。焦建偉等[16]研究表明,在干旱情況相對嚴(yán)重的基礎(chǔ)上,玉米的株高在生長過程中由于缺乏水分,其會在不同程度上影響玉米各組織之間的生長,從而使玉米的株高受到抑制,所以本試驗(yàn)株高結(jié)果與前人研究結(jié)果不一致,可能是由于脅迫程度未達(dá)嚴(yán)重且材料本身的株高性狀對干旱脅迫敏感程度不同所致。宋鳳斌等[17]研究表明,葉面積與玉米抗旱性密切相關(guān),可以用來評價(jià)玉米抗旱性,而徐蕊[18]的研究結(jié)果中葉面積與抗旱性無相關(guān)性。本試驗(yàn)研究結(jié)果與徐蕊研究結(jié)果一致,可能是由于種植條件不同、脅迫程度不同和取樣部位不同所得結(jié)果不盡相同,葉面積可否作為抗旱指標(biāo)還有待于進(jìn)一步研究。

3.2 玉米自交系鑒定方法及時期評價(jià)

抗旱系數(shù)DC（脅迫處理值/正常處理值）反映了不同材料對水分脅迫的敏感程度,能較為客觀真實(shí)地評價(jià)不同材料的抗旱性。因此,本試驗(yàn)在對材料進(jìn)行抗旱性鑒定時,將篩選所得次級性狀指標(biāo)以抗旱系數(shù)作為鑒定評價(jià)參數(shù)；而抗旱指數(shù)=DC×（脅迫處理值/所有材料脅迫處理值的平均值）,與抗旱系數(shù)及所有參試材料脅迫處理測定值有關(guān),既反映了材料在脅迫條件下的敏感程度,又體現(xiàn)材料在干旱脅迫條件下測定值水平,因此,在對材料的產(chǎn)量評估時選用產(chǎn)量抗旱指數(shù)（YDI）作為評價(jià)參數(shù),可同時兼顧水旱處理下材料的產(chǎn)量水平。即本試驗(yàn)以玉米自交系次級性狀指標(biāo)抗旱系數(shù)來衡量抗旱性的強(qiáng)弱,把各指標(biāo)的應(yīng)用價(jià)值落實(shí)到產(chǎn)量抗旱指數(shù)上。

抗旱隸屬法是一種較好的抗旱性綜合評價(jià)方法,配合恰當(dāng)?shù)脑u價(jià)參數(shù),可較準(zhǔn)確地評定不同材料的抗旱性。因其是一個無量綱純數(shù),可將抗旱系（指）數(shù)擴(kuò)展到［0,1］閉合區(qū)間上,而使得各材料抗旱性的差異具有可比性。因此,本試驗(yàn)運(yùn)用產(chǎn)量抗旱指數(shù)的隸屬度值對材料豐產(chǎn)性進(jìn)行評價(jià),選擇水分脅迫下與抗旱性密切相關(guān)性狀的抗旱系數(shù)隸屬度值對材料抗旱性進(jìn)行評價(jià)。因玉米抗旱性為多基因綜合作用結(jié)果,單一指標(biāo)無法準(zhǔn)確評價(jià)玉米抗旱性,因此,本試驗(yàn)運(yùn)用各指標(biāo)隸屬度的平均值對材料抗旱性進(jìn)行綜合評價(jià)。張衛(wèi)星等[19]在對100份雜交組合進(jìn)行抗旱性與豐產(chǎn)性研究時,以ASI、株高、穗位高等10個性狀抗旱系（指）數(shù)平均隸屬度來作為抗旱性評價(jià)的綜合指標(biāo),篩選出11個抗旱高產(chǎn)雜交組合。從生產(chǎn)實(shí)踐的角度看,抗旱玉米品種的選擇最終是對干旱條件下玉米產(chǎn)量的選擇,對親本自交系高產(chǎn)的選擇是培育高產(chǎn)玉米雜交種的重要前提。因此,本試驗(yàn)將40份材料劃分為高、中、低三類,鑒選在干旱脅迫條件下既具抗旱性,又具豐產(chǎn)性的玉米自交系,以期為后期培育高產(chǎn)雜交種提供材料。

霍仕平等[20]認(rèn)為,與抗旱性有關(guān)的性狀在很大程度上受加性基因效應(yīng)的影響,在遺傳上抗旱性主要表現(xiàn)為加性效應(yīng),這就是說抗旱性是可以遺傳的,對其進(jìn)行選擇是有效的。韓登旭等[21]對抗旱性遺傳參數(shù)估計(jì)表明,玉米抗旱性的廣義遺傳力較高,狹義遺傳力較低,所以自交系性狀的選擇宜在高代進(jìn)行,因此,在玉米抗旱育種程序中,無需從低代就進(jìn)行干旱脅迫選擇,只需在常規(guī)育種的基礎(chǔ)上加強(qiáng)對高代自交系抗旱性的鑒定篩選。本試驗(yàn)中玉米自交系已繁育多年,屬高代材料,適宜進(jìn)行玉米抗旱性的研究。為了得到更為準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)結(jié)果,本試驗(yàn)將會繼續(xù)對材料進(jìn)行多年多點(diǎn)抗旱性鑒定,并進(jìn)行更深入的研究。

4 結(jié)論

通過方差分析表明,在正常灌溉和干旱脅迫處理下,植株 ASI、穗位高、SPAD 值、Fv/Fm、百粒重、穗粗、穗長、行粒數(shù)、禿尖長和單株產(chǎn)量差異達(dá)顯著或極顯著水平；將不同處理下差異達(dá)顯著的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析,篩選出百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm、穗位高與產(chǎn)量的相關(guān)性達(dá)顯著或極顯著；與產(chǎn)量相關(guān)性達(dá)顯著的指標(biāo)通過逐步回歸分析篩選出ASI、百粒重和穗位高可作為玉米抗旱性鑒定的次級性狀篩選指標(biāo)。

綜合運(yùn)用次級性狀抗旱系數(shù)的平均隸屬度值和產(chǎn)量抗旱指數(shù)隸屬度值對40份玉米自交系抗旱性及產(chǎn)量潛力分類結(jié)果一致的自交系編號為2,7,8,11,22,25,27,29,30,35,39,共11份屬高產(chǎn)抗旱型玉米自交系；編號為4,5,13,15,17,20,21,31,共8份屬中等抗旱型玉米自交系；編號為33和36的2份屬低產(chǎn)不抗旱型玉米自交系。其余編號為1,3,14,16,18,19,23,24,26,28的玉米自交系抗旱級別為中等以上,但其干旱條件下產(chǎn)量較低；編號為6,9,10,32,34,38,40的玉米自交系抗旱性較強(qiáng),而產(chǎn)量處于中等水平；編號12,37的玉米自交系抗旱等級分別為中等和弱,但旱地產(chǎn)量均較高。