齊 帥, 秦偉娜, 焦 婷, 師尚禮, 高永權(quán), 王虎寧, 李淑艷

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

我國是農(nóng)業(yè)大國，但與發(fā)達(dá)國家相比，草食畜牧業(yè)發(fā)展相對(duì)落后，優(yōu)質(zhì)飼草供應(yīng)不足是其主要原因之一[1]。青貯玉米由于其產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、適口性好和易消化等特點(diǎn)，近年來受到了廣泛關(guān)注[2-4]。玉米是甘肅的第一大糧食作物，也是種植面積最廣的糧飼兼用作物，2017年甘肅玉米種植面積達(dá)到9.667×105hm2，占全省糧食種植面積的35%[5]。然而，甘肅地形復(fù)雜，氣候條件差異較大，在中部及隴東雨養(yǎng)玉米區(qū)，干旱是限制該區(qū)青貯玉米生產(chǎn)安全的重要因素之一[6-7]。

研究表明，干旱脅迫下，玉米的光合作用減弱，蒸騰作用和作物產(chǎn)量也會(huì)受到影響[8]。在生產(chǎn)實(shí)踐中，植物的生理對(duì)光、熱、水分等環(huán)境條件的變化比較敏感，在不利環(huán)境條件下，玉米植株內(nèi)部細(xì)胞會(huì)遭受不同程度的損傷，生理生化方面也會(huì)隨之變化，并最終作用于產(chǎn)量[9]。水分利用率是評(píng)價(jià)玉米耐旱能力的重要指標(biāo)之一，反映作物生產(chǎn)過程中單位水分的能量轉(zhuǎn)化效率[10-11]。為了適應(yīng)干旱逆境，玉米超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)和過氧化物酶(Peroxidase，POD)活性增強(qiáng)，能有效清除一定量的活性氧，避免膜脂過氧化[12]。滲透調(diào)節(jié)也是玉米適應(yīng)干旱的一種重要方式，葉片細(xì)胞通過積累可溶性糖(soluble suger，SS)、可溶性蛋白(Soluble protein，SP)，維持較低的滲透勢(shì)，從而抵抗水分脅迫給細(xì)胞造成的傷害[13]。于文穎等[14]研究表明，水分脅迫提高了玉米的水分利用率，增強(qiáng)葉片對(duì)水分的利用能力。高杰等[15]研究表明，干旱脅迫下，玉米的SOD，POD活性顯著增加，保護(hù)酶對(duì)玉米抵御干旱脅迫起到了積極作用。李嬌等[16]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會(huì)提高玉米的POD和SOD活性及丙二醛(Malondialdehyde，MDA)含量，并且抗旱性好的玉米品種的POD活性、SOD活性變化幅度大于抗旱性差的玉米品種，抗旱性差的玉米品種的MDA含量變化幅度大于抗旱品種。

相比其它葉片，穗位葉因其葉面積大、功能期長、葉綠素含量高等特點(diǎn)對(duì)玉米雌穗發(fā)育及產(chǎn)量形成的影響最為重要[17]。目前市場(chǎng)上青貯玉米品種較少，同一個(gè)品種玉米在不同水熱條件下對(duì)逆境反應(yīng)程度和產(chǎn)量差距較大，尤其是在干旱缺水地區(qū)在選擇青貯玉米品種時(shí)具有很大盲目性[18]。因此，本研究通過對(duì)種植在會(huì)寧20個(gè)青貯玉米品種乳熟末期穗位葉取樣，對(duì)其進(jìn)行相關(guān)生理參數(shù)比較，并在收獲后對(duì)比分析供試品種的水分利用率，為進(jìn)一步選取優(yōu)良抗旱的青貯玉米品種提供一定的理論依據(jù)，為選育栽培提供實(shí)踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

白銀會(huì)寧縣位于甘肅中部(35°69′ N，105°09′ E)，溫帶季風(fēng)性氣候，年均降水量332.6 mm，蒸發(fā)量1 800 mm，年均氣溫7.9℃，無霜期155 d左右。該區(qū)水資源短缺，干旱是造成該區(qū)農(nóng)業(yè)減產(chǎn)的主要自然災(zāi)害。該地土壤以黃綿土、灰鈣土和黑轤土為主，土層深厚。其土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)地基礎(chǔ)理化性質(zhì)Table 1 Basic properties of soil in experimental areas

1.2 試驗(yàn)地降水量和氣溫概況

氣象數(shù)據(jù)來自于當(dāng)?shù)貧庀笳?。白銀會(huì)寧縣2020年降水量主要集中在6，7，8月份，全生育期降水量為359.4 mm，全生育期日均氣溫為21.6℃，苗期遭遇冰雹。

1.3 供試材料

供試材料為20個(gè)專用型青貯玉米品種，其品種信息見表2。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究選用20個(gè)品種的青貯玉米種植于會(huì)寧地區(qū)，田間種植采用隨機(jī)區(qū)組排列，共20個(gè)處理，田間種植不設(shè)重復(fù)，即共20個(gè)小區(qū)采用分行種植，每個(gè)品種種植3行，行距為0.4 m，每個(gè)小區(qū)約100 m2，各小區(qū)間距為0.6 m。

表2 青貯玉米品種Table 2 Varieties of silage maize

于2020年的4月15日播種，采用覆膜栽培措施，按當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣，播種前施基肥，拔節(jié)期追施磷肥1 800 kg·hm-2，不進(jìn)行灌水處理，其他管理方式均同大田管理。

在玉米乳熟末期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取5株玉米的穗位葉，保存在液氮罐中，帶回實(shí)驗(yàn)室分析比較其生理參數(shù)。統(tǒng)一收獲后，分析比較其水分利用率。

1.5 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.5.1生理指標(biāo)測(cè)定 參考李仲芳《植物生理學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)》，用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定SP含量[19]，蒽酮比色法測(cè)定SS含量[20]，硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA含量[21]；采用NBT(氮藍(lán)四唑)光化還原法測(cè)定SOD活性[22]；愈創(chuàng)木酚顯色法測(cè)定POD活性[23]。

1.5.2水分利用率測(cè)定 根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，計(jì)算其當(dāng)年降雨量，并計(jì)算供水利用率，計(jì)算公式如下[24]：

WUE=Y/(P+I)

式中：I(mm)為全生育期灌水量；P(mm)為整個(gè)生育期降水量；當(dāng)Y(kg·m-2)為鮮重時(shí)，得到鮮重水分利用率(Fresh weight water use efficiency，WUEf)，Y(kg·m-2)為干重時(shí)，得到干重水分利用率(Dry weight water use efficiency，WUEd)。

1.6 綜合評(píng)價(jià)

首先對(duì)干旱脅迫下青貯玉米的 7個(gè)指標(biāo)變化進(jìn)行歸一化處理，然后比較各指標(biāo)間的相關(guān)性。最后利用主成分分析法對(duì) 20份青貯玉米材料的7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

不同青貯玉米材料指標(biāo)的歸一化處理：對(duì)與干旱脅迫呈正相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)采用公式Fij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)；對(duì)與干旱脅迫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的指標(biāo)(MDA)采用公式Fij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。式中，F(xiàn)ij為i品種的j性狀測(cè)定的具體隸屬值；Xij為i品種j性狀測(cè)定值；Xjmin為j性狀中測(cè)定的最小值；Xjmax為j性狀中測(cè)定的最大值。

主成分分析的綜合評(píng)價(jià)參照何文鑄等[25]的方法。

1.7 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2019處理數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸一化處理，使用SPSS 26.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析及主成分分析，差異顯著性用Dancan法進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 各青貯玉米生理指標(biāo)含量比較

由表3可知，品種對(duì)玉米穗位葉SS，SP，MDA含量和SOD，POD活性有顯著影響(P<0.05)。各品種SS含量為2.01%～3.42%，其中‘金穗715’SS含量為3.42%，‘延科288’SS含量為3.37%，較‘文玉3號(hào)’分別提高了70.27%和68.16%。各品種SP含量為5.09～6.29 mg·g-1，SOD活性為319.64～378.71 U·g-1，不同品種SP含量具有較大差異，但不同品種SOD活性差異較小，其中‘利農(nóng)368’具有高的SP含量和SOD活性，分別為6.29 mg·g-1和355.64 U·g-1。各品種的POD活性為13.76～25.50 U·(g·min)-1，不同品種POD活性存在較大差異，其中‘利農(nóng)368’POD活性最高，為25.50 U·(g·min)-1，其次為‘隴單339’和‘晉單73’，其POD活性均超過了23.00 U·(g·min)-1，但‘金凱3號(hào)’和‘豫青貯23’的POD活性均低于了15.00 U·(g·min)-1。各品種MDA含量為0.2～0.45 μmol·g-1，其中‘延科288’的MDA含量最高，為0.41 μmol·g-1，顯著高于其他品種(P<0.05)，較‘和盛5288’增加了103.77%。

表3 各青貯玉米品種生理指標(biāo)含量比較Table 3 Comparison of physiological indexes of silage maize varieties

2.2 各青貯玉米水分利用率比較

由表4可知，品種對(duì)WUEf和WUEd均有顯著影響(P<0.05)。各品種的WUEf為109.58～193.58 kg·hm-2·mm-1，‘豫青貯23’的WUEf最高，為193.58 kg·hm-2·mm-1，其次為‘隴單10號(hào)’‘屯玉168’‘桂青貯1號(hào)’和‘禾佳源鐵研53’，較‘晉單73’分別提高了76.66%，76.35%，66.43%，61.11%和49.24%。各品種WUEd為32.41～55.85 kg·hm-2·mm-1，‘豫青貯23’‘隴單10號(hào)’‘金穗715’‘豫玉22’‘利單295’和‘北農(nóng)青貯208’具有較高的WUEd，均超過了46.00 kg·hm-2·mm-1。

表4 各青貯玉米水分利用效率Table 4 Water use efficiency of silage maize varieties

2.3 各青貯玉米品種指標(biāo)的相關(guān)性分析

對(duì)供試材料的7個(gè)抗旱性相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)性分析。由表5可知，SS含量與SP含量和SOD，POD活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(α=0.05)，與MDA含量，WUEf，WUEd呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(α=0.05)。即玉米中SS，SP含量和SOD，POD活性越高，WUEf與WUEd越低，MDA含量越小。由此可見，這些指標(biāo)之間聯(lián)系較為密切，也存在普遍的相關(guān)性和相對(duì)獨(dú)立性。

2.4 各青貯玉米指標(biāo)的主成分分析

通過主成分分析共提取了3個(gè)主成分，各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率見表6。所提取的3個(gè)主成分中所包含的信息可以反映出評(píng)價(jià)指標(biāo)總體信息的71%，滿足了進(jìn)行后續(xù)分析的要求。

表5 各青貯玉米品種指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 5 Correlations between indexes of silage maize varieties

表6 各青貯玉米品種指標(biāo)的主成分分析Table 6 Principal component analysis of silage maize varieties

由表7各特征向量值可以看出，決定第1主成分大小的主要指標(biāo)有WUEf，WUEd和MDA，因此第1主成分主要與水分利用率和膜脂過氧化物有關(guān)；決定第2主成分大小的主要指標(biāo)為SOD和SS，因此第2主成分主要與抗氧化酶和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)有關(guān)；決定第3主成分大小的主要指標(biāo)為MDA和SOD，因此第3主成分主要與膜脂過氧化物和抗氧化酶有關(guān)。另外水分利用率指標(biāo)和MDA在3個(gè)主成分中均有出現(xiàn)，表明水分利用率和膜脂過氧化物對(duì)評(píng)定玉米抗旱性具有十分重要的作用。

表7 各青貯玉米品種指標(biāo)3個(gè)主成分的成分矩陣Table 7 Component matrix of three principal components of indexes of silage maize varieties

2.5 各青貯玉米品種抗旱性綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各玉米品種各生理指標(biāo)和水分利用率的值與主成分1，2，3的特征向量的乘積累加，并用貢獻(xiàn)率與累加之和相乘進(jìn)行加權(quán)，將同一種植物的各個(gè)指標(biāo)加權(quán)值求和，就可得出各植物的主成分綜合得分，得分高的植物抗旱性強(qiáng)。由表8可知，干旱脅迫下會(huì)寧地區(qū)20 個(gè)玉米品種的抗旱性由強(qiáng)到弱依次為：‘豫青貯23’‘隴單10號(hào)’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號(hào)’‘屯玉168’‘桂青貯1號(hào)’‘利單295’‘北農(nóng)青貯208’‘豫玉22’‘文玉3號(hào)’‘潞鑫66號(hào)’‘蜀玉201’‘和盛5288’‘寧單34號(hào)’‘金穗715’‘TW 268’‘隴單339’‘延科288’‘利農(nóng)368’‘晉單73’。

3 討論

3.1 干旱對(duì)各青貯玉米生理指標(biāo)的影響

研究表明，干旱脅迫對(duì)生理指標(biāo)的影響大于農(nóng)藝性狀[26]。在干旱脅迫時(shí)，植物代謝旺盛，細(xì)胞內(nèi)SS，SP等溶質(zhì)能主動(dòng)積累，維持植物體較低的滲透勢(shì)，利于植物體在干旱逆境下維持正常生長所需水分[27-28]。SOD可以通過歧化反應(yīng)使超氧陰離子轉(zhuǎn)化為無毒的氧氣和毒性較輕的過氧化氫，過氧化氫酶(Catalase,CAT)和POD共同作用能夠把CAT分解成氧氣和水，保護(hù)細(xì)胞免受活性氧的傷害，維持正常的生命活動(dòng)[29-32]。MDA是植物在逆境下遭受傷害脂膜過氧化最重要的產(chǎn)物之一，MDA含量的高低表現(xiàn)出質(zhì)膜的過氧化損傷程度[33]。

表8 各青貯玉米品種抗旱性排序Table 8 Order of drought resistance of silage maize varieties

莊克章等[34]研究表明，干旱脅迫能提高玉米SS，MDA含量，中度干旱處理下玉米主要通過SOD，POD和CAT的協(xié)同作用來清除活性氧。楊娟等[35]研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致玉米的MDA含量升高，玉米的SOD，POD活性提高，且抗旱性強(qiáng)的玉米品種SS，SP含量在干旱脅迫后變化不顯著，而抗旱性弱的玉米品種在后期才出現(xiàn)顯著變化。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫時(shí)，不同品種的生理水平存在響應(yīng)差異，強(qiáng)抗旱品種‘豫青貯23’‘隴單10號(hào)’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號(hào)’和‘桂青貯1號(hào)’均具有較高的SS含量、SOD活性和較低的MDA含量，表明在玉米受到干旱脅迫時(shí)，葉片中會(huì)主動(dòng)積累SS，降低細(xì)胞滲透勢(shì)，維持細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)和膜的穩(wěn)定性。同時(shí)細(xì)胞內(nèi)的溶質(zhì)能主動(dòng)積累，維持植物體較低的滲透勢(shì)，利于植物體在干旱逆境下維持正常生長所需水分，并且較低的MDA含量也有效降低了膜脂過氧化對(duì)植物細(xì)胞的危害，這與杜彩艷[36]、王仲林[37]等人的研究結(jié)果一致。但本研究中強(qiáng)抗旱品種‘豫青貯23’‘隴單10號(hào)’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號(hào)’和‘桂青貯1號(hào)’也表現(xiàn)出低的SP含量和低的POD活性，與王智威[28]、張旭東[38]等人研究結(jié)果不一致，其具體機(jī)理需進(jìn)一步研究論證。

3.2 干旱對(duì)各青貯玉米水分利用率的影響

作物水分利用率指消耗單位水分所生產(chǎn)的同化物質(zhì)的量，它反映了作物耗水與其干物質(zhì)生產(chǎn)之間的關(guān)系，是評(píng)價(jià)作物生長適宜程度的綜合生理生態(tài)指標(biāo)[39]。在干旱、半干旱地區(qū)保持土壤水分、提高水分利用效率是作物生產(chǎn)中的關(guān)鍵。本研究中‘豫青貯23’‘隴單10號(hào)’‘禾佳源鐵研53’‘金凱3號(hào)’‘屯玉168’和‘桂青貯1號(hào)’均具有較高的WUEf和WUEd，表明高抗旱性的玉米品種，其水分利用率也高,可推薦作為該區(qū)域的主干型品種，在生產(chǎn)上進(jìn)一步驗(yàn)證和應(yīng)用。

4 結(jié)論

本研究采用主成分分析法篩選出影響植物抗旱性的主要生理指標(biāo)：WUEf，WUEd和MDA，根據(jù)各植物得分綜合評(píng)定出適宜干旱區(qū)種植的抗旱性青貯玉米品種有：‘豫青貯23’‘隴單10號(hào)’和‘禾佳源鐵研53’。