张赛楠，苏治军，高聚林，于晓芳，王志刚，孙继颖，胡树平，屈佳伟，包海柱

（内蒙古农业大学农学院,内蒙古呼和浩特 010019）

内蒙古自治区是我国的产粮大省,2017年耕地面积达926.67万hm2,其中玉米种植面积为313.77万hm2,约占总耕地面积的33.86%。但内蒙古自治区地处内陆,属干旱半干旱地区,干旱频繁发生,且常发生于玉米生长中期,易造成玉米花期不遇,结实率降低,玉米大幅减产甚至绝收,严重制约了本地区的玉米生产[1]。

创制抗旱品种是玉米抵御干旱的有效途径,其中筛选抗旱自交系是玉米抗旱育种的前提。因此,严格筛选、准确评价玉米种质资源的抗旱性,进而培育新型玉米抗旱自交系,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[2]。

作物对干旱胁迫的适应表现在多个方面,利用单一指标无法对抗旱性做出准确评价,须通过多指标进行综合评价[3]。众多学者提出了各种鉴定筛选指标,包括生长发育指标、形态指标、生理生化指标、产量指标等,但生理生化指标的测定在育种实际工作中常常难以实现,因此从农艺性状和便于大田操作的指标入手,研究各性状指标与产量和抗旱性之间的关系,能够为玉米抗旱育种提供直接且简单易行的选择依据[4]。

抗旱性评价标准大体可分为直接评价和间接评价两类。以产量指标为主的直接评价参数有抗旱系数、敏感指数、抗旱指数、干旱伤害指数等。在抗旱育种中,玉米产量的高低反映的是作物本身的一种协调能力,而协调能力的差异即为抗旱性总体意义上的差异,是与多种抗旱性状综合作用的结果[5]。间接综合评价法有抗旱总级值法、五级评分法、灰色关联分析法、抗旱性聚类分析法、抗旱性隶属函数法等。抗旱性评价中除产量外,还可采用相关次级性状进行间接选择。次级性状是指除产量以外的其他作物特征,它可以间接提供干旱胁迫条件下产量变化的一些信息,具有在胁迫条件下与产量存在遗传相关、遗传力高、遗传变异丰富、容易快速鉴定且表现相对稳定的特点。本试验通过产量和次级性状指标,综合产量抗旱指数隶属度值和次级性状指标抗旱系数的平均隶属度值对供试材料划分抗旱等级,鉴选既具有抗旱性,又具有高产潜力的玉米自交系,以期建立准确、简单的适用于大田大规模鉴定的抗旱评价体系,从而为玉米抗旱育种及种质材料创制提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

2012年引进3份杂交种,结合南繁北育,经5年8代自交选育,最终从86份玉米自交系中筛选出40份表现稳定、性状优良的玉米自交系进行抗旱性鉴定。具体编号及名称见表1。

表1 40份玉米自交系编号及名称

1.2 试验方法

试验于2017年在内蒙古包头市土默特右旗沟门镇北只图村（110°31′E,40°33′N,海拔 1 008.62 m）内蒙古农业大学科技园区进行。前茬作物为玉米,地力情况见表2。

试验采用裂区设计,主区为水分控制处理,设置正常灌溉和干旱胁迫2个处理,正常灌溉处理是在播种前、出苗后20 d、出苗后40 d、吐丝期、授粉完成后10 d各充分灌溉1次,共5次；干旱胁迫处理在吐丝间隔前后各20 d共40 d不灌溉（视材料抗旱能力调节干旱胁迫天数）,其余时期与正常灌溉处理一致,共4次；副区为玉米自交系,每份试验材料双行种植,行长5 m,行距0.6 m。水旱区设置5 m水分隔离区。种植密度为90 000株/hm2。施肥量及其他田间管理按农户模式进行。

表2 土壤含水量及养分状况

1.3 测定指标

于吐丝期测定玉米花期间隔（ASI）、穗位叶SPAD值、穗位叶荧光参数、穗位叶叶面积,成熟期测定株高、穗位高,玉米收获后进行考种,测定玉米含水量、百粒重、穗长、穗粗、穗行数、行粒数、秃尖长,并进行产量测定。

土壤含水量：于吐丝期正常灌溉区灌水后,干旱胁迫10 d取正常灌溉区和干旱胁迫区耕层100 cm的土壤测定含水量,采用烘干法测定。测定结果见表2。按照HSIAO[6]的划分标准可知,本研究土壤干旱胁迫区较正常灌溉区含水量降低1.61百分点,属中度干旱胁迫。

1.4 统计方法

1.4.1 抗旱系数（DC）

1.4.2 产量抗旱指数（YDI）抗旱指数按照兰巨生等[7]的方法计算：

式中,Yd为胁迫环境品系产量,Yp为非胁迫环境品系产量,Ymd为所有参试玉米胁迫环境产量的平均值。

1.4.3 抗旱隶属函数法（SV）先求出各指标在材料中的具体隶属值,公式如下：

式中,X为各品种某指标的测定值,Xmax和Xmin分别为所有品种此指标的最大测定值和最小测定值。如果所测指标和抗旱性成正相关用（4）式,反之则用（5）式。再累加指定品种各指标的抗旱隶属值,求其平均值,根据各品种平均值大小确定抗旱性强弱[8]。

隶属度5级划分标准[9]：平均隶属度＜0.3为不抗,定为Ⅴ级；0.3≤平均隶属度＜0.4为弱抗,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 数据处理

采用SPSS 17.0进行方差分析、相关分析和逐步回归分析,Microsoft Excel 2016进行数据整理,抗旱系数、抗旱指数、隶属度的计算。

2 结果与分析

2.1 不同玉米自交系各性状方差分析

对40份玉米自交系抗旱性状进行方差分析,结果见表3。

表3 40份玉米自交系各性状方差分析

由表3可知,各材料在正常灌溉和干旱胁迫处理下,花期间隔（ASI）、穗位高、叶绿素相对含量（SPAD 值）、最大光化学效率（Fv/Fm）、百粒重、穗粗、穗长、行粒数、秃尖长、单穗产量差异达显著或极显著水平,叶面积、株高、穗行数、籽粒含水量、出籽率差异不显著。结果表明：ASI、穗位高等10个差异显著的指标对水分胁迫较为敏感,干旱胁迫对其影响较大,故可对筛选出的指标做进一步分析。

2.2 不同玉米自交系主要性状相关分析

选取方差分析中不同处理差异达显著的指标进行相关分析。由表4可知,各单项指标间存在一定的相关性,说明玉米抗旱性是一个综合性状。其中,百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm和穗位高与单穗产量相关性达显著或极显著水平,各主要性状与单穗产量相关系数大小为：ASI＞百粒重＞穗位高＞穗粗＞Fv/Fm＞SPAD值。行粒数、穗长、秃尖长与单穗产量相关性未达显著。

表4 40份玉米自交系主要性状相关分析

2.3 不同玉米自交系主要性状逐步回归分析

逐步回归法是按照一定的步骤依次将自变量带入回归方程进行检验,最后选出对因变量影响最大的自变量建立回归方程。本试验将产量抗旱指数（YDI）作为因变量,与产量抗旱指数相关性达显著水平的百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm和穗位高作为自变量进行逐步回归分析。

表5 回归系数标准化检验

由表5可确立逐步回归方程为：

YDI=0.299-0.238X1+0.606X2+0.327X3（F=37.941**,R2=0.872）即为最优回归模型。自变量ASI、百粒重和穗位高可作为玉米自交系抗旱性鉴定的次级性状筛选指标。该方法通过筛选重要的抗旱性指标从而建立抗旱性评价数学模型,可对不同玉米材料进行抗旱性预测。

2.4 不同玉米自交系抗旱性鉴选

计算由上述指标鉴选方法筛选所得次级性状指标（产量、ASI、百粒重、穗位高）抗旱系数的隶属度值,同时计算产量抗旱指数的隶属度值。按照模糊隶属函数法原理,隶属度越大,抗旱性越强。由表6可知,不同材料的同一性状及同一性状在不同材料间隶属度值差异较大,因此无法用单一隶属度值来准确评价自交系的抗旱性,应运用各材料目标性状的平均隶属度值来综合评价材料的抗旱性。

依抗旱隶属法划分标准,可将材料划分为Ⅰ～Ⅴ共5个等级,即抗旱性极强（HR）、强（R）、中等（MR）、弱（S）和极弱（HS）。

由表7可知,运用次级性状指标抗旱系数的平均隶属度值和产量抗旱指数的隶属度值所得材料排序和等级的划分存在差异。前者对40份玉米自交系抗旱性分类得：抗旱性强或极强的玉米自交系编号为2,6等22份；抗旱性中等的玉米自交系编号为1,3等14份；抗旱性弱和极弱的玉米自交系编号为10,33等4份。后者对40份玉米自交系产量抗旱性分类得：抗旱性强或极强的玉米自交系编号为2,7等13份；抗旱性中等的玉米自交系编号为4,5等15份；抗旱性弱或极弱的玉米自交系编号为1,3等12份。

表6 40份玉米自交系主要性状抗旱系数隶属度值

由表8可知,综合运用次级性状抗旱系数的平均隶属度值和产量抗旱指数隶属度值对40份玉米自交系抗旱性及产量潜力分类结果一致的自交系编号为2,7,8,11,22,25,27,29,30,35,39,共11份属高产抗旱型玉米自交系；编号为4,5,13,15,17,20,21,31,共8份属中等抗旱型玉米自交系；编号为33和36的2份属低产不抗旱型玉米自交系。其余编号为1,3,14,16,18,19,23,24,26,28的玉米自交系抗旱级别为中等以上,但其干旱条件下产量较低；编号为6,9,10,32,34,38,40的玉米自交系抗旱性较强,而产量处于中等水平；编号12,37的玉米自交系抗旱等级分别为中等和弱,但旱地产量较高。通过对40份玉米自交系进行分类,可在后期组合组配时有针对性地应用具有不同特性的材料。

3 讨论

3.1 玉米自交系抗旱指标的研究

玉米抗旱性是一个复杂的综合性状,为了正确、全面地确定自交系的抗旱性,应由多指标综合评价,但并非指标越多评价效果越好,一些相关性很小或不相关指标的引入,不但增加了计算分析的复杂程度,有时还会带来偏差,甚至导致结果的错误。因此,应根据指标抗旱性及产量的相关程度和性状本身与产量的关系进行分析比较,从中挑选出与抗旱性显著相关的指标,作为抗旱品种选育中的抗旱指标[10]。因此,本试验首先通过方差分析筛选不同水分处理下达显著水平的指标进行相关分析,选择与产量相关性达显著的指标进行逐步回归分析,最终通过回归方程的建立筛选可评价玉米抗旱性最有效的指标。

表7 不同评价参数隶属度值的比较

表8 40份玉米自交系分类

BOLANOS等[11]研究表明,在非水分胁迫环境下,ASI、单株穗数与籽粒产量之间的遗传相关性较低,但随着胁迫程度加强,二者遗传相关均达极显著水平。李新海等[12]通过对我国37份主要玉米自交系两年的开花期抗旱性鉴定表明,干旱胁迫下玉米果穗吐丝期延迟,ASI增大,结穗率和籽粒产量严重下降,且ASI、结穗率与籽粒产量呈极显著相关,可在干旱胁迫条件对产量进行间接选择时利用其作为抗旱指示性状。本试验由逐步回归方程首先筛选出ASI为方程因变量,说明相对于其他指标ASI对产量贡献率最大,与前人研究结果一致。苏治军等[13]于2007年冬季和2008年春季分别在海南三亚和新疆乌鲁木齐对196份玉米自交系进行抗旱性评价得出,株高、ASI、单穗粒重和结实株数百分率 4个性状可以作为玉米自交系抗旱性评价指标。胡树平等[14]通过两年两地对51份玉米自交系抗旱性指标研究得出,两地指标一致的为水分利用效率、产量性状和ASI,对干旱敏感程度较大。刘玉涛等[15]对玉米抗旱性鉴定研究表明,干旱条件下,株高和穗位高降低、穗粒数减少、穗粒重变轻、产量降低,这些性状指标均与玉米抗旱性关系密切。本试验研究表明,ASI、百粒重、穗位高可作为玉米抗旱性评价指标,与前人研究结果基本一致,但本试验中不同水分处理下株高差异未达显著水平。焦建伟等[16]研究表明,在干旱情况相对严重的基础上,玉米的株高在生长过程中由于缺乏水分,其会在不同程度上影响玉米各组织之间的生长,从而使玉米的株高受到抑制,所以本试验株高结果与前人研究结果不一致,可能是由于胁迫程度未达严重且材料本身的株高性状对干旱胁迫敏感程度不同所致。宋凤斌等[17]研究表明,叶面积与玉米抗旱性密切相关,可以用来评价玉米抗旱性,而徐蕊[18]的研究结果中叶面积与抗旱性无相关性。本试验研究结果与徐蕊研究结果一致,可能是由于种植条件不同、胁迫程度不同和取样部位不同所得结果不尽相同,叶面积可否作为抗旱指标还有待于进一步研究。

3.2 玉米自交系鉴定方法及时期评价

抗旱系数DC（胁迫处理值/正常处理值）反映了不同材料对水分胁迫的敏感程度,能较为客观真实地评价不同材料的抗旱性。因此,本试验在对材料进行抗旱性鉴定时,将筛选所得次级性状指标以抗旱系数作为鉴定评价参数；而抗旱指数=DC×（胁迫处理值/所有材料胁迫处理值的平均值）,与抗旱系数及所有参试材料胁迫处理测定值有关,既反映了材料在胁迫条件下的敏感程度,又体现材料在干旱胁迫条件下测定值水平,因此,在对材料的产量评估时选用产量抗旱指数（YDI）作为评价参数,可同时兼顾水旱处理下材料的产量水平。即本试验以玉米自交系次级性状指标抗旱系数来衡量抗旱性的强弱,把各指标的应用价值落实到产量抗旱指数上。

抗旱隶属法是一种较好的抗旱性综合评价方法,配合恰当的评价参数,可较准确地评定不同材料的抗旱性。因其是一个无量纲纯数,可将抗旱系（指）数扩展到［0,1］闭合区间上,而使得各材料抗旱性的差异具有可比性。因此,本试验运用产量抗旱指数的隶属度值对材料丰产性进行评价,选择水分胁迫下与抗旱性密切相关性状的抗旱系数隶属度值对材料抗旱性进行评价。因玉米抗旱性为多基因综合作用结果,单一指标无法准确评价玉米抗旱性,因此,本试验运用各指标隶属度的平均值对材料抗旱性进行综合评价。张卫星等[19]在对100份杂交组合进行抗旱性与丰产性研究时,以ASI、株高、穗位高等10个性状抗旱系（指）数平均隶属度来作为抗旱性评价的综合指标,筛选出11个抗旱高产杂交组合。从生产实践的角度看,抗旱玉米品种的选择最终是对干旱条件下玉米产量的选择,对亲本自交系高产的选择是培育高产玉米杂交种的重要前提。因此,本试验将40份材料划分为高、中、低三类,鉴选在干旱胁迫条件下既具抗旱性,又具丰产性的玉米自交系,以期为后期培育高产杂交种提供材料。

霍仕平等[20]认为,与抗旱性有关的性状在很大程度上受加性基因效应的影响,在遗传上抗旱性主要表现为加性效应,这就是说抗旱性是可以遗传的,对其进行选择是有效的。韩登旭等[21]对抗旱性遗传参数估计表明,玉米抗旱性的广义遗传力较高,狭义遗传力较低,所以自交系性状的选择宜在高代进行,因此,在玉米抗旱育种程序中,无需从低代就进行干旱胁迫选择,只需在常规育种的基础上加强对高代自交系抗旱性的鉴定筛选。本试验中玉米自交系已繁育多年,属高代材料,适宜进行玉米抗旱性的研究。为了得到更为准确可靠的试验结果,本试验将会继续对材料进行多年多点抗旱性鉴定,并进行更深入的研究。

4 结论

通过方差分析表明,在正常灌溉和干旱胁迫处理下,植株 ASI、穗位高、SPAD 值、Fv/Fm、百粒重、穗粗、穗长、行粒数、秃尖长和单株产量差异达显著或极显著水平；将不同处理下差异达显著的指标进行相关分析,筛选出百粒重、穗粗、ASI、SPAD值、Fv/Fm、穗位高与产量的相关性达显著或极显著；与产量相关性达显著的指标通过逐步回归分析筛选出ASI、百粒重和穗位高可作为玉米抗旱性鉴定的次级性状筛选指标。

综合运用次级性状抗旱系数的平均隶属度值和产量抗旱指数隶属度值对40份玉米自交系抗旱性及产量潜力分类结果一致的自交系编号为2,7,8,11,22,25,27,29,30,35,39,共11份属高产抗旱型玉米自交系；编号为4,5,13,15,17,20,21,31,共8份属中等抗旱型玉米自交系；编号为33和36的2份属低产不抗旱型玉米自交系。其余编号为1,3,14,16,18,19,23,24,26,28的玉米自交系抗旱级别为中等以上,但其干旱条件下产量较低；编号为6,9,10,32,34,38,40的玉米自交系抗旱性较强,而产量处于中等水平；编号12,37的玉米自交系抗旱等级分别为中等和弱,但旱地产量均较高。