唐懷君,謝小清,張 磊,孫寶成,楊 杰,劉 成

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】玉米是重要的糧食作物,同時(shí)也是重要的飼料、工業(yè)及生物質(zhì)能源的原料[1]。干旱已成為制約我國玉米生產(chǎn)的主要非生物脅迫因素之一,嚴(yán)重時(shí)會造成大幅減產(chǎn)和絕收[2]。2015年新疆持續(xù)半個(gè)多月的干旱導(dǎo)致玉米的制種產(chǎn)量損失30%～50%,部分制種田絕收[3]。因此,開展抗旱玉米品種的選育,增強(qiáng)其抗旱性是提高玉米產(chǎn)量的重要途徑[4]。不同材料對干旱逆境的適應(yīng)性和抵抗能力存在差異,準(zhǔn)確鑒定與評價(jià)材料的抗旱性是培育抗旱高產(chǎn)品種的重要前提[5]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前有從不同方面開展玉米田間抗旱性鑒定方法和鑒定指標(biāo)的研究,提出了玉米苗期[6]、拔節(jié)期[7]、開花期[8]、灌漿期[9]等某一階段性的缺次灌溉脅迫和全生育期欠量灌溉脅迫[10]抗旱鑒定方法;抗旱性鑒定指標(biāo)主要包括株高、ASI等形態(tài)指標(biāo)[11],穗長、穗重等穗部指標(biāo)[5]和光合特性、葉綠素含量等生理生化指標(biāo)[11]。【本研究切入點(diǎn)】目前研究多集中以階段性的抗旱系數(shù)、敏感指數(shù)、抗旱指數(shù)和干旱傷害指數(shù)為評價(jià)參數(shù),而針對玉米整個(gè)生育期欠量灌水脅迫下利用水區(qū)產(chǎn)量和抗旱性雙選擇方法的研究相對較少,有關(guān)抗旱豐產(chǎn)材料水區(qū)表型特征的研究報(bào)道更是少見。一些玉米材料的抗旱性鑒定研究只局限于抗旱性、忽略了豐產(chǎn)性,結(jié)論有一定的局限性。需研究欠量灌水脅迫下,綜合評價(jià)不同玉米材料抗旱系數(shù)和水區(qū)產(chǎn)量進(jìn)行抗旱性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以283份玉米(255份玉米自交系和28份玉米雜交種)為材料,設(shè)置田間欠量灌溉脅迫處理試驗(yàn),利用水區(qū)產(chǎn)量和抗旱系數(shù)雙選擇法進(jìn)行抗旱綜合評價(jià)分析,篩選出豐產(chǎn)和抗旱性兼顧的玉米材料,并通過篩選出的抗旱材料探明抗旱優(yōu)異材料在水區(qū)的表型特征,為玉米抗旱育種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所玉米研究室提供255份玉米自交系和28份雜交組合,共計(jì)283份。

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院綜合試驗(yàn)場進(jìn)行(E 87.49°,N 43.95°,海拔590 m)。試驗(yàn)區(qū)土壤肥力水平中等,2021年玉米生育期內(nèi)共降雨29次,合計(jì)降雨77.8 mm,日均氣溫9.7～31.38℃,蒸發(fā)量1 500～1 700 mm,大氣和土壤雙重干旱。

采用滴灌覆膜種植,設(shè)干旱脅迫(WS)和正常灌水對照(WW)2個(gè)處理區(qū),每個(gè)處理內(nèi)2次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,水旱兩區(qū)完全對稱種植。處理間及四周均設(shè)置5 m以上的水分隔離區(qū),每排之間設(shè)置0.8 m寬的觀察道。每個(gè)材料2行,行長4 m ,行距0.55 m,株距0.2 m,種植密度90 909株/hm2。

正常灌水處理和干旱脅迫處理在播種后均充分灌出苗水,其余6次干旱脅迫處理區(qū)的灌水量分別為水區(qū)的40%、50%、50%、40%、0%和50%。在整個(gè)玉米生長季5～9月降雨量分別為7.6、16.4、18.6、24.8和10.4 mm,總降雨量為77.8 mm,相當(dāng)于778 m3/ hm2灌水量。在整個(gè)玉米生育期內(nèi),干旱脅迫處理的灌溉量是對照區(qū)灌溉量的54%。圖1

注:(a)不同處理在各生育階段的灌水量。WW, 正常灌水處理;WS,干旱脅迫處理;Sowing, 播種;V6,6葉期;VT, 抽雄期; R1,散粉期, R2, 灌漿期, R3, 乳熟期, R4, 蠟熟期.(b)玉米生育期(5～9月)內(nèi)降雨次數(shù)和降雨量

1.2.2 指標(biāo)測定

記載正常灌溉對照區(qū)和干旱脅迫處理區(qū)的散粉和吐絲天數(shù),收獲前測定株高、穗位高、株數(shù);收獲后測定穗粒數(shù)、單株粒重、百粒重。單株粒重和百粒重折算為14%含水量的標(biāo)準(zhǔn)水分?jǐn)?shù)據(jù),用抗旱系數(shù)評價(jià)自交系的抗旱性(DRC),品種耐旱指數(shù)(VDRC)評價(jià)雜交種的抗旱性。

抗旱系數(shù)DRC=Ya/Ym.

式中,Ya為待測材料干旱脅迫條件下的產(chǎn)量;Ym為待測材料正常灌水條件下的產(chǎn)量;

品種耐旱指數(shù)VDRC= (Ya×Ym)/(Ymw×Ymt).

式中,Ya為待測材料干旱脅迫條件下的產(chǎn)量;Ym為待測材料正常灌水條件下的產(chǎn)量;Ymw為所有參試品種水區(qū)平均產(chǎn)量;Ymt為所有材料干旱脅迫處理?xiàng)l件下平均產(chǎn)量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel2010對測定的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,用STATISTICA10.28統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米自交系產(chǎn)量和抗旱系數(shù)的分布

研究表明,正常灌水和干旱脅迫處理下自交系的產(chǎn)量均呈現(xiàn)正態(tài)分布;水區(qū)單株產(chǎn)量為16.83～117.40 g, 平均單株產(chǎn)量59.17 g; 干旱脅迫后單株產(chǎn)量為3.87～82.77 g, 平均單株產(chǎn)量36.50 g; 平均單株產(chǎn)量下降了38.3%,玉米表觀脅迫強(qiáng)度為0.383?？购迪禂?shù)呈現(xiàn)偏態(tài)分布,材料的平均抗旱系數(shù)為0.617;抗旱系數(shù)0.2以下的材料只有1份,而抗旱系數(shù)大于0.8的則有20份,抗旱系數(shù)分布的峰值在0.7左右,較抗旱系數(shù)0～1的中間數(shù)0.5偏大0.2,該批自交系的抗旱性普遍較高。圖2

圖2 玉米自交系產(chǎn)量和抗旱系數(shù)的分布

2.2 玉米抗旱性鑒定篩選

研究表明,正常灌溉處理下自交系單株產(chǎn)量應(yīng)不小于60 g,而抗旱性則應(yīng)當(dāng)達(dá)到抗旱系數(shù)0.8以上的高抗要求。如果抗旱系數(shù)0.8的自交系在正常灌水條件下達(dá)到60 g單株產(chǎn)量,那么節(jié)水50%的旱脅迫條件下可達(dá)到48 g,可確保有一定的旱地制種產(chǎn)量,對于密度90 909株/hm2制種田,旱地可獲得近4 500 kg/hm2的制種產(chǎn)量,水區(qū)可獲得近5 400 kg/hm2的制種產(chǎn)量。在抗旱系數(shù)0.8以上水區(qū)單株產(chǎn)量60 g以上的條件下鑒定篩選,獲得了15份產(chǎn)量和抗旱性兼顧的自交系。材料編號分別為21NHL018、 21NHL033、21NHL034、21NHL037、21NHL038、21NHL040、21NHL049、21NHL064、21NHL101、21NHL104、21NHL105、21NHL106、21NHL112、21NHL147、21NHL202。

品種耐旱指數(shù)大于1.5的品種有3個(gè)。21VNH23、21VNH24和21VNH25三個(gè)雜交組合的水區(qū)單株產(chǎn)量均在160 g以上, 旱區(qū)單株產(chǎn)量均在140 g以上,在90 909株/hm2的種植密度下,水區(qū)產(chǎn)量大于14 545.44 kg/hm2,旱區(qū)在節(jié)水約50%的情況下產(chǎn)量仍可獲得12 727.26 kg/hm2。品種耐旱指數(shù)在大于1.5下,雜交組合的抗旱性和豐產(chǎn)性均優(yōu)異。圖3

圖3 玉米水區(qū)產(chǎn)量與抗旱性的二維分布散點(diǎn)圖

2.3 抗旱性優(yōu)異豐產(chǎn)的材料在水區(qū)的表型特性變化

研究表明,抗旱性和豐產(chǎn)性兼顧的材料吐絲天數(shù)集中在58.5～71.0 d、株高150.0～208.1 cm、穗位高的44.6～77.5 cm、穗粒數(shù)在295～502 粒/穗、百粒重16.5～36.0 g、單株粒重60.4～90.5 g、抗旱系數(shù)0.81～1.00?？购地S產(chǎn)的雜交組合在水區(qū)應(yīng)具有以下特性:吐絲天數(shù)集中在61.5～63.0 d、株高275.6～287.8 cm、穗位高103.8～115.0 cm、穗粒數(shù)538～692 粒/穗、百粒重34.9～38.9 g、單株粒重165.7～186.8 g、抗旱系數(shù)大于0.8。表1

2.4 受旱后18份玉米材料的相對表現(xiàn)

研究表明,15份自交系和3份雜交組合在受旱后,其散粉至吐絲的天數(shù)(ASI)為 -2.0～1.5 d,平均天數(shù)為0.3 d,而全部283份材料的平均天數(shù)為0.6 d, 18份材料ASI的平均天數(shù)較所有材料平均天數(shù)減少0.3 d。

受旱后18份材料的株高、穗位高、單株產(chǎn)量、穗粒數(shù)和百粒重的平均下降率為8.9%、10.8%、13.1%、1.4%和7.5%,283份材料下降率則分別是12.9%、15.0%、36.0%、10.7%和7.3%。與283份材料平均值相比,18份材料除百粒重下降率基本持平外,其植株高度和產(chǎn)量下降明顯減少。產(chǎn)量下降少的主要原因是穗粒數(shù)下降少,該18份優(yōu)選材料在穗粒數(shù)方面具有較強(qiáng)的抗旱性。表2

表2 受旱后15份自交系和3份雜交組合相對表型值的增減

Tab.2 Increase and decrease of relative phenotypic values of 15 inbred lines and 3 crosses screened after drought exposure (%)

3 討 論

3.1玉米的抗旱性鑒定是一項(xiàng)復(fù)雜的工作,長期以來,多采用田間拔節(jié)期、開花期或灌漿期進(jìn)行階段性干旱脅迫[7-9],以評價(jià)玉米的抗旱性。而抗旱性的形成涉及玉米生長的各個(gè)時(shí)期以及各個(gè)生命活動層面,因此單一時(shí)期抗旱性不能反應(yīng)玉米整個(gè)生育期的抗旱性。唐懷君等[10]利用欠量灌水脅迫進(jìn)行全生育期抗旱鑒定,優(yōu)化了單一階段抗旱性鑒定存在的不足。試驗(yàn)結(jié)果表明,在水分脅迫強(qiáng)度為0.54的欠量灌水干旱脅迫下,自交系的平均抗旱系數(shù)為0.617,表型脅迫強(qiáng)度為0.383,與文獻(xiàn)研究[12-13]提出的半產(chǎn)需水量(水分脅迫0.5)鑒定模型和劉化濤等[7]研究認(rèn)為抗旱性鑒定的表型干旱脅迫強(qiáng)度約0.3的結(jié)果一致。

3.2在玉米抗旱鑒定過程中,分析玉米抗旱性的鑒定指標(biāo)尤其重要。關(guān)于抗旱指標(biāo)的篩選研究報(bào)道較多,主要包括吐絲天數(shù)、株高、穗位高、穗粒數(shù)、百粒重、產(chǎn)量等形態(tài)指標(biāo)[14,5]。且抗旱性鑒定的評價(jià)指標(biāo)多為抗旱系數(shù)[5,15]、敏感指數(shù)、抗旱指數(shù)、耐旱指數(shù)[7]和幾何平均產(chǎn)量。這些抗旱性鑒定評價(jià)的試驗(yàn)結(jié)果只能反映材料抗旱性變化,而不能體現(xiàn)豐產(chǎn)性和水區(qū)表型特性的變化。試驗(yàn)結(jié)果表明,18份材料除百粒重下降率基本持平外,其植株高度和產(chǎn)量下降明顯減少。產(chǎn)量下降少的主要原因是穗粒數(shù)下降少。

4 結(jié) 論

篩選出兼顧豐產(chǎn)性和抗旱性的優(yōu)異玉米材料18份。其中,水區(qū)單株產(chǎn)量不低于60 g, 抗旱系數(shù)不低于0.8的自交系15份,分別為21NHL018、 21NHL033、21NHL034、21NHL037、21NHL038、21NHL040、21NHL049、21NHL064、21NHL101、21NHL104、21NHL105、21NHL106、21NHL112、21NHL147、21NHL202,可以在選育抗旱新品種中利用;水區(qū)單株產(chǎn)量不低于160 g, 品種耐旱指數(shù)大于1.5的雜交組合3份,分別為21VNH23、21VNH24、21VNH25。18份材料在正常灌水條件下具有較高的產(chǎn)量,在穗粒數(shù)方面具有較強(qiáng)的抗旱性,可供育種應(yīng)用。