尹冰雨， 王子铭， 刘伊凡， 李建平， 王海颖， 李青青， 郭晋杰

(河北农业大学 农学院/国家玉米改良中心河北分中心/河北省作物种质资源实验室，河北 保定 071001)

0 引言

【研究意义】玉米是我国重要的农粮作物，国民需求量极大，而保证其稳定产量乃至增产变得尤为重要[1]。水资源短缺是限制玉米产量的主要非生物胁迫因素之一[2-3]，近年来，全球范围内出现极端干旱天气而影响作物生长的频数较其他自然灾害更为突出[4]。因此，选育玉米抗旱新品种越来越受到人们的重视。【前人研究进展】前人对玉米杂交种与自交系的抗旱性进行了较多的探究，并取得一定进展，玉米抗旱性是受多基因控制的数量性状已被认可[5]。罗淑平等[6]研究认为，在中等胁迫条件下可使更多耐旱基因重组，创造丰富的遗传变异，为培育抗旱优良品种提供选择机会。霍仕平等[7]认为，在遗传行为上，抗旱性主要表现为加性效应，表明抗旱性具有可遗传性，对其进行选择是有效的。但玉米抗旱性不能通过单一指标来准确评估，需要较为完整的综合评价体系。【研究切入点】目前，抗氧化酶等保护性酶活性的变化和膜脂过氧化作用已被广泛用作研究干旱胁迫和其他逆境损害植物的指标[8]，唐连顺等[9]研究表明，适当干旱胁迫下，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性增高，膜脂相对透性加大，丙二醛(MDA)含量增高，抗旱性较强的杂交种及其母本比抗旱性较弱的杂交种及其母本变化幅度小，且母本对杂交种的保护酶活性和抗膜脂过氧化伤害能力的影响更大。王军辉等[10]研究表明，干旱胁迫加剧玉米幼苗膜脂过氧化，自由基清除相关酶活性在胁迫初期会上升。本试验将根据这些指标研究杂交种与其父本的抗旱遗传关系。【拟解决的关键问题】选用河北农业大学新选育的国审玉米品种农单476(抗旱鉴定极强)和河北省审定的玉米品种农单145为研究对象，对照杂交种为先锋公司选育的玉米品种先玉335，通过PEG胁迫模拟干旱处理，在苗期测定3个杂交种及其亲本表型和生理生化指标，鉴定其抗旱性差异，以期为玉米抗旱育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料均为河北农业大学国家玉米改良中心河北分中心提供。农单476：2017年国审玉米品种，通过自交系PH6WC×农系3435组配获得；农单145：2018年河北省审定玉米品种，通过自交系PH6WC×农系376组配获得；先玉335：先锋公司通过自交系PH6WC×PH4CV组配获得。3个杂交种的母本均为PH6WC，父本农系3435和农系376为PH4CV遗传改良系。农单476经河北省农林科学院旱作所鉴定，表现为极强抗旱性。

1.2 试验设计

试验在河北农业大学的人工气候室内进行。选取大小均一、饱满、完好的不同品种种子各60粒，分别用浓度为75%的酒精溶液消毒灭菌10 min，再用无菌蒸馏水冲洗3次，用滤纸吸干附着水。种子放在无孔塑料花盆中进行盆栽种植，盆钵直径20 cm，高16 cm。每盆装风干土2 kg，土壤过30目分样筛，风干、混合均匀后用于盆栽。每盆播种10粒玉米，出苗后定苗，留5株长势良好的幼苗。2叶一心期开始处理，试验设正常水分(CK)和干旱胁迫2个处理，CK组保持幼苗正常生长的水分含量，每日每盆浇蒸馏水50 mL，干旱胁迫处理为在花盆中浇等量的15%PEG-6000溶液。每天同时间浇水，每个处理重复3次。待幼苗长到3叶一心期开始取样，测定指标。

1.3 测定指标

1.3.1 苗期表型性状 株高：每盆取5株，测量正常水分与模拟干旱胁迫下幼苗的自然株高，取平均值。叶面积：每盆取5株叶片，用直尺测量叶片长度、叶片最大宽度，取平均值，计算叶面积。地上部干鲜重：取每盆玉米植株地上部分，测定其鲜重。之后将收集到的地上部分放入烘箱内，烘干至恒重，测定干重。根系干鲜重：将根系周围土壤用清水冲洗干净，用滤纸吸干水分，称鲜重，之后将根系烘干后测定其干重。根据相应指标计算干旱伤害率[11]、叶面积[12]和根冠比。

干旱伤害率=(对照-干旱)/对照×100%。

叶面积=长×宽×0.75

根冠比=植株的根干重/地上生物量干重

1.3.2 苗期生理生化指标 超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑光化还原法测定[13]，过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法测定[14]，丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定[15]，脯氨酸(Pro)含量采用磺基水杨酸法测定[16]。

1.4 数据分析

利用 Excel 2010进行数据统计学分析，利用SPSS 21进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对玉米植株株高与叶面积的伤害

从表1看出，干旱胁迫对玉米植株的株高伤害率在10.36%～35.45%。玉米杂交种株高伤害率排序为农单145>农单476>先玉335；父本自交系株高伤害率排序为农系376>农系3453>PH4CV；母本自交系PH6WC的株高伤害率为18.99%，干旱胁迫伤害程度一般。

表1 玉米杂交种及其亲本的株高与叶面积

干旱胁迫对玉米植株的叶面积伤害率在28.64%～52.36%。杂交种叶面积伤害率排序为农单145>农单476>先玉335；父本自交系叶面积伤害率排序为农系376>农系3453>PH4CV；母本自交系PH6WC的叶面积伤害率为38.03%。

有研究表明[17]，玉米苗期株高和叶面积与品种抗旱相关性最大，说明表型性状的大小较大程度上可表示品种的抗旱性强弱，可作为评价品种抗旱性的一项主要指标。通过株高伤害率和叶面积伤害率指标综合分析，玉米品种间或自交系间的抗旱性存在差异。综合看，杂交种以先玉335受干旱胁迫伤害程度低，抗旱性最强；其次是农单476，而农单145抗旱性相对较差。父本自交系中，PH4CV抗旱性最强，农系3453其次，农系376相对较差。母本自交系PH6WC抗旱能力一般。

2.2 干旱胁迫对玉米根冠比的影响

从图1看出，干旱胁迫下杂交种先玉335、农单145和农单476根冠比分别为0.963 4、0.676 0和0.611 6，分别比其相应对照(正常水分管理)增加87.94%、68.66%和77.48%。增幅依次为先玉335>农单476>农单145。父本自交系农系376、PH4CV和农系3435的根冠比分别为1.255 8、0.873 9和0.608 1，分别比相应对照增加110.54%、138.31%和117.12%，增幅依次为PH4CV>农系3435>农系376；母本自交系PH6WC在干旱胁迫下根冠比为0.815 5，比相应对照增加61.35%。

图1 农单玉米杂交种及其亲本的根冠比

2.3 干旱胁迫对玉米抗氧化酶活性的影响

从表2看出干旱胁迫下玉米 SOD、POD活性较其相应对照的变化情况。

表2 玉米杂交及其亲本的过氧化酶活性

2.3.1 SOD活性 干旱胁迫下，除先玉335杂交种及其母本自交系PH6WC外，其余玉米种质材料的SOD活性较其对照增高。玉米SOD抗旱系数在0.707～1.220，杂交种SOD抗旱系数排序为农单476>农单145>先玉335；父本自交系SOD抗旱系数排序为农系376>农系3435=PH4CV；母本自交系PH6WC的SOD抗旱系数为0.707。

2.3.2 POD活性 干旱胁迫下，除先玉335杂交种及其母本自交系PH6WC和父本自交系PH4CV外，其余玉米种质材料的POD活性均较其对照增高。玉米POD抗旱系数在0.719～1.326，杂交种POD抗旱系数排序为农单476>农单145>先玉335；父本自交系POD抗旱系数排序为农系3435>农系376>PH4CV；母本自交系PH6WC的POD抗旱系数为0.935。

2.3.3 综合表现 在干旱胁迫下，POD和SOD的活力变化趋势基本相同[18]。综合看，杂交种以农单476清除自由基能力强，抗旱性最强，其次是农单145，而先玉335的抗氧化酶活性与正常处理组对比呈下降趋势，变化相对较小，推测可能与母本变化有关。母本自交系PH6WC的抗氧化酶活性均有下降。

2.4 干旱胁迫对玉米膜脂透性的影响

2.4.1 丙二醛 干旱胁迫会使细胞膜系统受到破坏，使膜透性增大[19]。细胞膜透性与丙二醛(MDA)含量呈正相关。MDA是脂质膜过氧化的产物，其含量反应膜质过氧化作用和质膜被破坏程度[16]。MDA含量越多，说明膜质发生过氧化作用程度越大。从表3看出，干旱胁迫后玉米MDA含量均较其相应对照增加。先玉335、农单145、农单476MDA干旱伤害率分别为41.49%、37.36%和36.38%。

表3 玉米杂交种的丙二醛(MDA)含量

2.4.2 脯氨酸 玉米在干旱胁迫下，其体内会产生过多的脯氨酸(Pro)，作为渗透调节物质降低细胞的渗透能力，且不同品种的渗透调节能力存在一定差异[18]。从图2看出，干旱胁迫下杂交种的Pro含量为农单476>农单145>先玉335，农单476抗旱性最强，先玉335抗旱性相对较差。父本自交系的Pro含量为农系3435>农系376>PH4CV，其抗旱能力依次为农系3435>农系376>PH4CV。

图2 玉米杂交及其亲本的脯氨酸(Pro)含量

2.5 玉米杂交种与父本抗旱指标的相关性

由于3个玉米杂交种的母本均为PH6WC，因此，杂交种表现的抗旱性差异在遗传上与其父本有关，故利用以上抗旱性评价指标对杂交种及其父本进行相关性分析。从表4看出，杂交种与其父本自交系间均存在一定相关性，杂交种与其父本在株高、叶面积和Pro含量方面均存在正相关关系，在根冠比指标上呈负相关关系。先玉335在SOD、POD指标中与其父本PH4CV呈正相关，而农单476与农系3435、农单145与农系376在此2项指标中呈负相关，其可能的原因是先玉335母本PH6WC在杂种F1代表现。

表4 杂交种与其父本抗旱指标性状的相关系数

3 讨论

对3个玉米杂交种及其相应亲本(农单476，母本PH6WC、父本农系3435；农单145，母本PH6WC，父本农系376；先玉335，母本PH6WC、父本PH4CV)的苗期株高、叶面积、地上部干鲜重、根系干鲜重、根冠比和抗氧化酶(SOD和POD)活性、MDA含量和Pro含量等与抗旱性相关的指标进行干旱胁迫研究，探明干旱胁迫下玉米各抗旱指标的变化，为玉米抗旱育种提供理论支撑。

玉米籽粒萌发时对环境变化较为敏感，机体内部自动产生对干旱缺水环境的适应性变化，从而保证种子在水分胁迫条件下仍能吸收和保持一定的水分。植株为了增强抗旱能力，在苗期根系量变化较大，主要表现在根冠比增大，以吸收更多的地下水分。研究表明，先玉335及其父本PH4CV在干旱胁迫下根冠比较正常水分管理条件的变化量最大，农单145及其父本农系376根冠比变化量最小，杂交种变化随父本变化而变化，说明反映植株抗旱性指标的根冠比性状能稳定遗传给子代。超氧化物歧化酶(SOD)是机体内天然存在的抗氧化酶之一，可以保护机体免受超氧阴离子自由基的伤害，因此抗旱研究中，酶活性大小可直观反映品种对水分胁迫的抵抗能力。农单476和农单145杂交种的SOD、POD活性明显高于先玉335杂交种，其各自父本的活性也比先玉335的父本PH4CV高，说明2个农单玉米品种的保护酶清除自由基的能力更强，抗旱性更强。

与正常水分相比，干旱胁迫下父本的株高和根系干鲜重变化为农系376>农系3435>PH4CV，叶面积和地上部干鲜重变化为农系3435>农系376>PH4CV；根冠比变化表现为杂交种先玉335>农单476>农单145，父本PH4CV>农系376>农系3435；SOD活性变化为杂交种农单476>农单145>先玉335，父本农系376>农系3435>PH4CV；POD变化为杂交种农单145>农单476>先玉335，父本农系3435>农系376>PH4CV；Pro含量变化杂交种与父本一致，即杂交种农单476>农单145>先玉335，父本农系3435>农系376>PH4CV。综合各指标看，抗旱性较强的杂交种及其父本比抗旱性较弱的杂交种及其父本在水分胁迫过程中具有较高的SOD、POD活性，较低的膜脂过氧化水平和膜脂相对透性。

4 结论

综合分析玉米苗期的抗旱性表明，杂交种农单476与父本农系3435苗期抗旱性极强，农单145及其父本农系376苗期抗旱性表现中等。杂交种农单476抗旱性状表现优异，与其父本农系3435各性状的优良表现相吻合，其杂交种的抗旱优良基因来源于父本农系3435。玉米父本对杂交种的保护酶活性以及抗膜脂过氧化作用的能力的影响较大，这对于有效快速地选配亲本自交系及其抗旱杂交种的筛选具有一定的参考意义。