賈鈺瑩，劉欣芳，劉曉麗，齊 欣，馬 駿，姜 敏，王延波，葉雨盛

(遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，沈陽(yáng) 110161)

玉米是我國(guó)最重要的糧食和飼料作物，居三大作物之首。但是我國(guó)的2個(gè)玉米主產(chǎn)區(qū)頻遭旱災(zāi)影響，東北干旱區(qū)經(jīng)常發(fā)生春夏干旱，黃淮海干旱區(qū)經(jīng)常發(fā)生春夏秋連旱，即使在雨水充足的西南山地區(qū)、南方丘陵區(qū)也時(shí)常發(fā)生(7—9月)干旱[1]。玉米生育期耗水較多且對(duì)水分脅迫反應(yīng)敏感[2]，干旱作為主要的非生物脅迫之一，已對(duì)我國(guó)的玉米生產(chǎn)和產(chǎn)量造成較大的影響。預(yù)測(cè)表明，如果我國(guó)對(duì)干旱災(zāi)害不給予重視和有效的應(yīng)對(duì)，到2030年中國(guó)東北地區(qū)農(nóng)民的農(nóng)業(yè)收入將會(huì)損失一半以上[3]。因此，如何有效地利用有限的降水資源，提高水分利用效率，成為提高玉米生產(chǎn)力水平的關(guān)鍵。目前，耐旱品種的培育和應(yīng)用已成為解決玉米減產(chǎn)的有效途徑。

作物的耐旱性是指作物在有限的水分供給或周期性水分虧缺的條件下，表現(xiàn)出優(yōu)異的生存、生長(zhǎng)和繁殖的能力，尤其強(qiáng)調(diào)作物在干旱條件下其植株生產(chǎn)可收獲產(chǎn)量的能力或形成經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的能力[4]。玉米耐旱性鑒定是對(duì)其在水分虧缺條件下的生存繁衍能力進(jìn)行評(píng)價(jià)和篩選的過(guò)程。目前，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展玉米耐旱鑒定的報(bào)道較多，特別是有關(guān)耐旱性鑒定的指標(biāo)篩選等。根據(jù)玉米耐旱性鑒定的不同方法和時(shí)期，鑒定指標(biāo)可分為直接鑒定指標(biāo)和間接鑒定指標(biāo)[1]。直接鑒定指標(biāo)即單位面積的籽粒產(chǎn)量，間接鑒定指標(biāo)是指形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化和生長(zhǎng)發(fā)育等指標(biāo)。目前遼寧省的干旱趨勢(shì)逐漸加重，本研究旨在通過(guò)直接鑒定從遼寧省主栽及新審定品種中篩選出與遼西春玉米區(qū)自然生態(tài)條件相適應(yīng)的耐旱玉米新品種，為生產(chǎn)上推廣應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。此外，篩選出可靠、簡(jiǎn)單的形態(tài)生理指標(biāo)作為間接鑒定指標(biāo)，以期為玉米雜交種的耐旱性評(píng)價(jià)及耐旱材料的發(fā)掘利用等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用21份遼寧省主推及新審定的玉米雜交種(表1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年和2018年將試驗(yàn)材料種于遼寧省建平縣黑水試驗(yàn)基地(半干旱地區(qū))。試驗(yàn)分自然干旱區(qū)和正常澆水灌溉區(qū)，每區(qū)3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每材料2行，5 m行長(zhǎng)，密度4 000株·(667 m2)-1，兩區(qū)之間及四周均設(shè)置5 m水分隔離帶。2019年將供試材料種于遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院盆栽試驗(yàn)場(chǎng)的旱棚內(nèi)，干旱處理在玉米全生育期控制土壤含水量在田間持水量的55%左右，達(dá)到中度脅迫水平[5]；對(duì)照處理使土壤含水量保持在田間持水量的75%左右，保證玉米全生育期水分充足。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)重復(fù)。

表1 21份玉米雜交種

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

2017年和2018年5-9月份降水量為基地氣象設(shè)備自測(cè)。土壤體積含水量用TDR 300土壤水分儀測(cè)定，多次測(cè)定取平均值。

2017年和2018年收獲小區(qū)全部果穗，測(cè)定小區(qū)籽粒產(chǎn)量(折含水量14%)作為產(chǎn)量衡量指標(biāo)。2019年測(cè)定植株各性狀：于授粉后測(cè)量株高、穗位、各莖節(jié)節(jié)間長(zhǎng)度、節(jié)間粗，節(jié)間長(zhǎng)度及節(jié)間粗取各節(jié)平均值；于授粉后，用葉面積儀測(cè)定整株葉面積，用量角器測(cè)量棒三葉葉片與莖部夾角并取平均值，用葉片厚度計(jì)測(cè)量棒三葉葉片厚度并取平均值，用葉綠素測(cè)量?jī)x測(cè)定棒三葉葉綠素含量并取平均值；于授粉后，調(diào)查氣生根層數(shù)、氣生根數(shù)量、每層氣生根與莖部夾角并取平均值；在成熟期，調(diào)查葉片衰老程度即綠色葉片數(shù)量；在成熟期，分別測(cè)定莖稈、葉片、根系、雄穗、苞葉、葉鞘和穗軸干重；在成熟期，測(cè)定單株粒重作為產(chǎn)量衡量指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

各指標(biāo)計(jì)算方法：

土壤相對(duì)含水量(%)=[(對(duì)照土壤含水量-干旱土壤含水量)/對(duì)照土壤含水量]×100%;

耐旱系數(shù)=干旱脅迫值/正常對(duì)照值;

減產(chǎn)率(%)=[(正常對(duì)照產(chǎn)量-干旱脅迫產(chǎn)量)/正常對(duì)照產(chǎn)量]×100%;

根冠比(%)=(地下干重/地上干重)×100%;

收獲指數(shù)=籽粒干重/生物產(chǎn)量。

耐旱性綜合評(píng)價(jià)：通過(guò)權(quán)重分配，采用五級(jí)評(píng)分法[5]對(duì)鑒定指標(biāo)的耐旱系數(shù)進(jìn)行定量表示，消除各性狀因數(shù)值大小和變化幅度的不同而產(chǎn)生的差異，換算公式為(1)和(2)：

D=(Hmax-Hmin)/5 ……(1)

E=(H-Hmin)/D+1 ……(2)

式中Hmax為各指標(biāo)的最大值，Hmin為各指標(biāo)的最小值，H為各指標(biāo)的測(cè)定值，D為得分極差，E為各指標(biāo)應(yīng)得分。

再根據(jù)各指標(biāo)的變異系數(shù)確定各指標(biāo)參與綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重系數(shù)矩陣，其公式為(3)。

任一指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)=任一指標(biāo)的變異系數(shù)/各指標(biāo)變異系數(shù)之和 ……(3)

用矩陣A表示各指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)矩陣，用R表示品種各指標(biāo)所達(dá)到水平(應(yīng)得分E)的鑒評(píng)矩陣，然后進(jìn)行矩陣的復(fù)合運(yùn)算，即B=AR，矩陣B值即品種的綜合評(píng)價(jià)值[6]。

采用Microsoft Excel 2010軟件和DPS 7.05軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，SigmaPlot 12.5軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米生育期氣候條件及土壤含水量

玉米整個(gè)生育時(shí)期的需水量大約在400 mm以上[7]，當(dāng)降雨量低于400 mm時(shí)會(huì)導(dǎo)致不同程度的干旱脅迫。試驗(yàn)所在地建平縣位于遼寧西部，屬于半干旱半濕潤(rùn)易旱地區(qū)，該地區(qū)溫度資源較好，但降水和日照資源在逐年下降，是遼寧省干旱災(zāi)害最易發(fā)生且受災(zāi)強(qiáng)度最大的區(qū)域[8]。氣象數(shù)據(jù)表明(圖1)，2017年5月至9月降水量為338.7 mm，苗期降雨極少，影響種子萌發(fā)和苗期生長(zhǎng)；拔節(jié)期降雨較少，對(duì)玉米的雌雄穗分化發(fā)育產(chǎn)生了一定的影響；抽雄吐絲期降雨充沛，利于雌穗授粉；籽粒灌漿期降水適宜，利于籽粒充分灌漿。2018年5月至9月降水量為222.1 mm，除了灌漿期外，其他時(shí)期降雨都較少，干旱條件對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生了較大的影響。

表2 玉米品種耐旱性直接評(píng)價(jià)

圖1 2017年和2018年月降水量

Hsiao[9]曾將干旱脅迫的程度劃分為輕度脅迫、中度脅迫、重度脅迫3種類型，它們的區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)是土壤相對(duì)含水量減低8%～10%、10%～20%、20%以上。在苗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期、灌漿期測(cè)定了建平試驗(yàn)地土壤體積含水量，結(jié)果表明：相對(duì)于對(duì)照灌溉區(qū)，干旱區(qū)2017年4個(gè)時(shí)期的土壤含水量分別降低了42.10%、18.43%、6.73%、5.38%(圖2)，苗期達(dá)到了重度干旱脅迫，拔節(jié)期達(dá)到了中度干旱脅迫；2018年土壤含水量分別降低35.43%、14.86%、56.75%、7.59%(圖2)，苗期和開(kāi)花期達(dá)到了重度干旱脅迫，拔節(jié)期達(dá)到了中度干旱脅迫。土壤含水量的測(cè)定結(jié)果與降水量基本一致，表明2017年和2018年建平試驗(yàn)地的玉米遭受了不同程度的干旱脅迫。

圖2 2017年和2018年土壤相對(duì)含水量

2.2 不同玉米品種耐旱性直接評(píng)價(jià)

基于減產(chǎn)率對(duì)不同玉米品種進(jìn)行耐旱性直接評(píng)價(jià)，根據(jù)2017年、2018年大田和2019年旱棚測(cè)產(chǎn)結(jié)果(表2)，表明干旱造成所有品種的產(chǎn)量降低，不同品種受影響程度不同，反映了品種間耐旱性的差異。由于建平大田試驗(yàn)?zāi)觌H間自然干旱時(shí)期和程度不同，年際間同一品種的減產(chǎn)率不同，2018年的減產(chǎn)率高于2017年。對(duì)21份品種的減產(chǎn)率進(jìn)行聚類分析及差異顯著性分析，將耐旱性劃分為5級(jí)，3年的數(shù)據(jù)表明，耐旱性等級(jí)極強(qiáng)、強(qiáng)、中、弱、極弱的品種略有差異，綜合來(lái)看迪卡516和遼單588在3年都表現(xiàn)為耐旱性極強(qiáng)，遼單575、遼單586、遼單1281和東單1331在3年都表現(xiàn)出耐旱性較強(qiáng)，這些品種適于在遼西半干旱地區(qū)種植。

表3 各指標(biāo)之間的相關(guān)性分析

2.3 不同器官耐旱性形態(tài)生理指標(biāo)鑒定

2019年測(cè)定了旱棚中正常灌水和中度干旱脅迫下玉米各品種莖部生長(zhǎng)、葉片生長(zhǎng)、根系生長(zhǎng)等相關(guān)性狀，對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)的耐旱系數(shù)與減產(chǎn)率進(jìn)行相關(guān)性分析。結(jié)果表明：株高、穗位、根系干重、氣生根層數(shù)、氣生根數(shù)、葉綠素含量與減產(chǎn)率呈極顯著負(fù)相關(guān)，葉面積與減產(chǎn)率呈顯著負(fù)相關(guān)(表3)。此外，與減產(chǎn)率呈現(xiàn)顯著或極顯著相關(guān)的各項(xiàng)指標(biāo)之間也存在一定的相關(guān)性，表明植株在適應(yīng)干旱脅迫中各器官的協(xié)調(diào)生長(zhǎng)。由此可將莖部生長(zhǎng)指標(biāo)株高和穗位，根系生長(zhǎng)指標(biāo)根系干重、氣生根層數(shù)、氣生根數(shù)，葉片生長(zhǎng)指標(biāo)葉綠素含量和葉面積作為玉米雜交種耐旱性鑒定的簡(jiǎn)單、可靠形態(tài)生理指標(biāo)。

2.4 不同玉米品種耐旱性綜合評(píng)價(jià)

將已篩選出的7個(gè)耐旱性鑒定指標(biāo)采用5級(jí)評(píng)分法進(jìn)行定量表示(E值)，得到鑒評(píng)矩陣R，各指標(biāo)實(shí)際得到的權(quán)重系數(shù)矩陣A為(0.129，0.173，0.186，0.054，0.076，0.060，0.057)，然后進(jìn)行復(fù)合運(yùn)算得到B值，即各指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，對(duì)其進(jìn)行聚類分析將耐旱性劃分為5級(jí)，并與耐旱性直接評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，各指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)與產(chǎn)量的直接評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了篩選指標(biāo)的適宜性，僅有編號(hào)5和10的品種綜合評(píng)價(jià)與直接評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大，相差兩級(jí)(表4)。

2.5 干旱脅迫對(duì)根冠比和收獲指數(shù)的影響

干旱對(duì)地上和地下部分的生長(zhǎng)會(huì)造成一定的影響，根冠比反映了地上與地下干物質(zhì)分配狀況。如圖3所示，干旱脅迫造成10個(gè)品種的根冠比顯著增加，11個(gè)品種變化不顯著，表明干旱脅迫傾向于促使植株根系干重比例增加。收獲指數(shù)反映了作物同化產(chǎn)物在籽粒和營(yíng)養(yǎng)器官上的分配比例。如圖4所示，不同玉米品種的收獲指數(shù)存在顯著差異，干旱脅迫下14個(gè)品種的收獲指數(shù)顯著降低，7個(gè)品種降低不顯著，表明干旱造成收獲指數(shù)下降，這與干旱脅迫下植株同化產(chǎn)物積累減少及籽粒干物質(zhì)分配比例降低有直接關(guān)系。

注：“*”表示不同處理間的差異達(dá)到顯著(p<0.05)。下同。圖3 21份玉米品種的根冠比

表4 不同品種各指標(biāo)的評(píng)分結(jié)果及綜合評(píng)價(jià)

圖4 21份玉米品種的收獲指數(shù)

3 結(jié)論與討論

作物耐旱性被認(rèn)為是作物對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)或抵御，在水分虧缺條件下維持一定的生長(zhǎng)發(fā)育，并可收獲產(chǎn)量的能力[4]。玉米耐旱性鑒定的方法很多，包括田間自然鑒定法、人工模擬鑒定法、實(shí)驗(yàn)室模擬鑒定法等[10-11]，已有很多學(xué)者應(yīng)用這些方法鑒定出了一批耐旱品種和資源[12-14]，但是每種方法都具有其優(yōu)缺點(diǎn)，將不同方法相結(jié)合綜合評(píng)價(jià)玉米耐旱性的研究較少。本研究一方面采用田間自然干旱鑒定，在遼寧半干旱地區(qū)，以氣象資料和土壤含水量為依據(jù)進(jìn)行了2年的田間干旱脅迫試驗(yàn)，能夠較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)品種的耐旱性，鑒定結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)情況更接近，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)實(shí)踐具有指導(dǎo)意義；另一方面采用旱棚模擬干旱脅迫，精確控制植株在苗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期和成熟期等各階段的干旱脅迫程度，鑒定結(jié)果可靠性較高，也適宜開(kāi)展耐旱指標(biāo)篩選評(píng)價(jià)研究。

玉米是否耐旱最終表現(xiàn)在產(chǎn)量方面，許多學(xué)者認(rèn)為評(píng)價(jià)耐旱性應(yīng)以其在干旱條件下能否穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)為依據(jù)，應(yīng)以產(chǎn)量指標(biāo)作為直接評(píng)價(jià)指標(biāo)[15,16]，雖然能夠較準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)玉米的耐旱性，但是在玉米育種的實(shí)踐中由于受到試驗(yàn)地氣候環(huán)境、面積及灌溉條件的限制，研究人員難以在育種過(guò)程中進(jìn)行直接鑒定。玉米的耐旱性是多因素互作的復(fù)雜的綜合性狀，眾多學(xué)者也提出了各種鑒定篩選指標(biāo)。譚靜等認(rèn)為，可以對(duì)多個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，通過(guò)水分和干旱處理下各性狀的比較，應(yīng)用方差分析和相關(guān)分析，比較干旱對(duì)玉米性狀的影響，分析性狀與產(chǎn)量和耐旱性的相關(guān)性，從而篩選用于耐旱選擇的鑒定指標(biāo)，可以在玉米生育期間進(jìn)行耐旱性評(píng)價(jià)[17]。杜彩艷等認(rèn)為，多指標(biāo)評(píng)價(jià)法雖然可從不同的層面反映作物耐旱或耐旱性的特點(diǎn)，但彼此獨(dú)立，難以對(duì)具體材料進(jìn)行綜合的耐旱性分析。因此，在作物耐旱性強(qiáng)弱的實(shí)際分析評(píng)價(jià)中，多采用“基于統(tǒng)計(jì)分析的方法”[18]。本研究以莖部生長(zhǎng)、葉片生長(zhǎng)、根系生長(zhǎng)等四方面形態(tài)生理性狀，涵蓋了玉米在干旱脅迫后植株的整體表現(xiàn)，進(jìn)一步將其與產(chǎn)量進(jìn)行相關(guān)性分析，從中挑選出與耐旱性有密切關(guān)系的指標(biāo)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證這些指標(biāo)的可靠性并綜合評(píng)價(jià)品種的耐旱性，本研究采用五級(jí)評(píng)分法[5,11,19]，將各鑒定指標(biāo)測(cè)得的數(shù)據(jù)按照五級(jí)換算成定量的值，再根據(jù)各鑒定指標(biāo)的變異系數(shù)確定其參與綜合評(píng)價(jià)的權(quán)重系數(shù)矩陣，通過(guò)權(quán)重分析綜合評(píng)價(jià)待測(cè)材料的耐旱性強(qiáng)弱，為育種者鑒定出簡(jiǎn)單、易測(cè)、可靠的形態(tài)生理指標(biāo)，以提高耐旱性鑒定的速度和效率。

干旱脅迫影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的物質(zhì)積累和分配。根系在根冠關(guān)系中扮演著更為重要的角色，根系對(duì)土壤水分的吸收和利用也在一定程度上決定了冠層的生長(zhǎng)情況[20-21]。大多研究表明，在受到干旱脅迫時(shí)，植物根冠比會(huì)增大[22-23]，植物生物量?jī)A向于分配到根系，以增加吸收和利用土壤中的水分，滿足地上部分的蒸騰需求，也使根系保持一定的活力[24]。本研究中，干旱脅迫增加了品種的根冠比，植株節(jié)省地上部的生長(zhǎng)能量，以便形成更龐大的根系吸收充足水分，再反饋給地上部分需求。干旱脅迫對(duì)各品種的收獲指數(shù)影響程度不同，總體來(lái)看各品種收獲指數(shù)均降低，干旱脅迫減少了物質(zhì)積累并打破了物質(zhì)分配的平衡，物質(zhì)向籽粒的分配減少，造成減產(chǎn)。綜上，干旱對(duì)不同品種的根冠比和收獲指數(shù)的影響存在一定差異，表明不同品種應(yīng)對(duì)干旱脅迫所產(chǎn)生的物質(zhì)分配規(guī)律不同，在此過(guò)程中各品種通過(guò)調(diào)整根冠關(guān)系及器官間干物質(zhì)配置應(yīng)對(duì)干旱脅迫，以形成一定的產(chǎn)量，最大程度的減少產(chǎn)量損失。