丁建文，杜 錦，郭勝微，向春陽(yáng)，張曉辰，楊 興

（1.天津中天潤(rùn)農(nóng)科技有限公司，天津 300000；2.天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300392）

玉米作為中國(guó)主要的糧食作物，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性且用途廣泛，在糧食生產(chǎn)上是必不可少的一部分。玉米對(duì)水分脅迫比較敏感，由于我國(guó)水資源分布不平衡，許多地區(qū)會(huì)受到干旱脅迫影響造成玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的降低。如何提高作物抗旱能力、改善干旱區(qū)作物品質(zhì)、提高產(chǎn)量是全球?qū)W者不斷努力的課題與方向。前人對(duì)玉米抗旱性進(jìn)行了大量研究，在玉米自交系和雜交種的抗旱性篩選、抗旱生理生化指標(biāo)測(cè)定、分子標(biāo)記等方面取得了一定的進(jìn)展。通過(guò)科學(xué)方法篩選抗旱性強(qiáng)的玉米品種，對(duì)于玉米生產(chǎn)具有重要意義。單一評(píng)價(jià)方法進(jìn)行玉米萌芽期抗旱性篩選具有一定的片面性，沒(méi)有綜合考慮各個(gè)指標(biāo)對(duì)抗旱性的貢獻(xiàn)率。本研究以在天津市推廣的10 個(gè)玉米品種為研究對(duì)象，通過(guò)PEG-6000 模擬干旱脅迫，通過(guò)抗旱系數(shù)主成分分析和聚類(lèi)分析法，對(duì)供試品種玉米的抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為干旱與半干旱地區(qū)玉米的栽培及抗旱育種研究提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料見(jiàn)表1。

表1 10 個(gè)供試玉米品種

1.2 試驗(yàn)方法

將玉米種子用2%次氯酸鈉消毒10 min，然后用蒸餾水沖洗干凈，備用。按照《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行種子標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)，將50 粒玉米種子放在發(fā)芽紙上，加15% PEG-6000（-0.40 MPa）模擬干旱脅迫，以清水作為對(duì)照，每個(gè)處理重復(fù)4 次。將各處理放入25 ℃光照發(fā)芽箱內(nèi)培養(yǎng)，每天記錄發(fā)芽個(gè)數(shù)，7 d 發(fā)芽結(jié)束后將幼苗取出，分別對(duì)植株進(jìn)行苗高、根長(zhǎng)測(cè)定；稱(chēng)量苗鮮質(zhì)量和根鮮質(zhì)量。

式中，Gt 為第t 天的發(fā)芽種子數(shù)；Dt 為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

式中，GI 為發(fā)芽指數(shù)；S 為規(guī)定日期內(nèi)幼苗的長(zhǎng)度（cm）。

式中，干旱測(cè)定值為干旱脅迫下種子的萌發(fā)指標(biāo)；對(duì)照測(cè)定值為非干旱脅迫下的萌發(fā)指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)不同玉米品種萌發(fā)的影響

不同玉米品種各指標(biāo)的抗旱系數(shù)方差分析表明（表2），不同玉米品種在干旱脅迫下種子發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率等8 個(gè)指標(biāo)間差異均達(dá)到極顯著水平，可以進(jìn)行新復(fù)極差測(cè)驗(yàn)。

表2 不同玉米品種各項(xiàng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)（DC）方差分析

由表3 可知，10 個(gè)玉米品種發(fā)芽勢(shì)的變化范圍為在0.343～0.680 之間，其中發(fā)芽勢(shì)抗旱系數(shù)最高的是N8，與N2、N7、N9 差異不顯著而顯著高于N1、N3、N4、N5、N6、N10；發(fā)芽勢(shì)抗旱系數(shù)最低的是N6，其數(shù)值為0.343。這表明玉米品種間的耐旱性存在一定差異。10 個(gè)玉米品種發(fā)芽率的抗旱系數(shù)值同樣存在差異，變化范圍在0.467～0.823 之間，N8 品種發(fā)芽率抗旱系數(shù)值高于其他品種；N6、N4、N10 的發(fā)芽率抗旱系數(shù)低于其他玉米品種，其中N10 發(fā)芽率抗旱系數(shù)最低。

表3 不同玉米品種各項(xiàng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)（DC）

在干旱脅迫下，10 個(gè)玉米品種發(fā)芽指數(shù)的抗旱系數(shù)值存在較大的差異，變化范圍在0.38～0.685 之間，N8 和N3 都在0.60 以上，顯著高于N6、N4、N10，說(shuō)明干旱脅迫抑制了發(fā)芽指數(shù)。此外，干旱脅迫降低了活力指數(shù)，10 個(gè)玉米品種的活力指數(shù)抗旱系數(shù)差異較小，其抗旱系數(shù)值的變化范圍在0.120～0.458之間，N3 最高，顯著高于其他品種；其他品種間（N5除外）差異不顯著。

根是玉米吸收水分，為植物生長(zhǎng)輸入營(yíng)養(yǎng)成分的重要器官，通過(guò)吸收水分和溶解水中的營(yíng)養(yǎng)成分以此達(dá)到輸送養(yǎng)分的目的，根長(zhǎng)和根鮮質(zhì)量與萌發(fā)期的抗旱能力密切相關(guān)。10 個(gè)玉米品種根長(zhǎng)的抗旱系數(shù)值變化范圍在0.142～0.584 之間，N3、N5 和N6顯著高于N1 和N2。根鮮質(zhì)量的抗旱系數(shù)值變化范圍為0.086～0.540，10 個(gè)玉米品種根鮮質(zhì)量抗旱系數(shù)大小依次為N5＞N3＞N6＞N8＞N7＞N4＞N9＞N10＞N1＞N2，N5 和N3 品種顯著高于N9、N10、N1 和N2。

苗鮮質(zhì)量是自然狀態(tài)下幼苗的重量，其中水分在苗鮮質(zhì)量中占有重要的比重，當(dāng)土壤水分缺乏時(shí)，會(huì)對(duì)玉米的出苗和地上部生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。苗高抗旱系數(shù)值變化范圍在0.286～0.870 之間，最高的為N3，高于N5，差異未達(dá)到顯著水平，但顯著高于其他8 個(gè)玉米品種；N2 苗高抗旱系數(shù)最低。10 個(gè)品種苗鮮質(zhì)量的抗旱系數(shù)值變化范圍在0.268～0.837，N3 和N5 較高，顯著高于其他玉米品種；N6 最低。

2.2 干旱脅迫對(duì)不同玉米品種各指標(biāo)間的相關(guān)性分析

由表4 可知，不同玉米品種發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的抗旱系數(shù)間除發(fā)芽勢(shì)和活力指數(shù)不顯著相關(guān)外，其他指標(biāo)間均達(dá)到顯著相關(guān)水平；根長(zhǎng)、苗高、根鮮質(zhì)量和苗鮮質(zhì)量間，除根長(zhǎng)和苗鮮質(zhì)量、根長(zhǎng)和苗高的抗旱系數(shù)間達(dá)到顯著相關(guān)水平，其他均達(dá)到極顯著相關(guān)水平。

表4 不同玉米品種各項(xiàng)指標(biāo)抗旱系數(shù)的相關(guān)性

2.3 干旱脅迫對(duì)不同玉米品種抗旱性的主成分分析

對(duì)10 個(gè)玉米品種萌發(fā)期8 個(gè)指標(biāo)的抗旱系數(shù)進(jìn)行KMO 和Bartlett 球形度檢驗(yàn)，KMO 為0.358，Sig.=0.000＜0.05，不同玉米品種萌發(fā)期抗旱性各項(xiàng)指標(biāo)可以進(jìn)行因子分析和主成分分析。

以特征值大于1 為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行主成分分析，如表5 所示，共提取出2 個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到86.252%。第1 主成分的貢獻(xiàn)率為52.515%，特征值為4.201。由表6 可知，活力指數(shù)、苗鮮質(zhì)量、苗高、根鮮質(zhì)量、根長(zhǎng)具有較高的載荷，反映了幼苗生長(zhǎng)的綜合指標(biāo)；第2 主成分的貢獻(xiàn)率為33.736%，特征值為2.699，發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)具有較高的載荷（表6），反映了萌發(fā)相關(guān)的綜合指標(biāo)。

表5 各成分的特征值及貢獻(xiàn)率

表6 2 個(gè)主成分載荷矩陣、特征值及貢獻(xiàn)率

設(shè)變量發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、根長(zhǎng)、苗高、根鮮質(zhì)量、苗鮮質(zhì)量分別為X-X，根據(jù)主成分分析結(jié)果（表7），得出主成分表達(dá)式：

表7 主成分特征向量矩陣

以2 個(gè)主成分得出綜合評(píng)價(jià)函數(shù)，Y=0.525Y+0.337Y。綜合評(píng)價(jià)函數(shù)值(Y)與抗旱性呈正相關(guān)，即Y 值越大說(shuō)明該自交系的抗旱性越強(qiáng)。由表8 可知，N3、N8、N5 的Y 值較高，說(shuō)明這3 個(gè)玉米品種具有較強(qiáng)的抗旱性；N4、N10、N6 的Y 值均很低，說(shuō)明這3 個(gè)玉米品種的抗旱性弱，是干旱敏感型材料。

表8 不同玉米品種主成分值及綜合值

2.4 不同玉米品種抗旱性聚類(lèi)分析

根據(jù)玉米品種的Y 值進(jìn)行聚類(lèi)分析，利用組間連接法，取歐式距離＞5，將10 個(gè)玉米品種的抗旱性分為3 類(lèi)（圖1）。第I 類(lèi)包含3 個(gè)品種，分別是N5、N8 和N3，屬于抗旱型品種；第II 類(lèi)包含4 個(gè)品種，分別是N7、N9、N1 和N2，屬于中等抗旱型品種；第III 類(lèi)包含3 個(gè)品種，分別是N4、N10、N6，屬于干旱敏感型品種。

圖1 10 個(gè)玉米品種抗旱性聚類(lèi)分析

3 結(jié)論與討論

玉米種子萌發(fā)是從玉米種子吸脹開(kāi)始并逐漸生長(zhǎng)成為正常形態(tài)幼苗的過(guò)程，苗期遇到干旱會(huì)導(dǎo)致玉米出苗不全，出苗率降低且苗勢(shì)較弱。不同玉米自交系、雜交種對(duì)干旱脅迫的耐受能力不同，玉米種子萌發(fā)期耐旱能力的強(qiáng)弱對(duì)玉米最終產(chǎn)量至關(guān)重要。黃愛(ài)花等研究不同濃度PEG-6000 對(duì)玉米萌發(fā)特性的影響，結(jié)果表明，在玉米干旱脅迫中建議選用的PEG 濃度為15%或20%。本研究通過(guò)預(yù)備試驗(yàn)，確定選用15%的PEG-6000 模擬干旱脅迫，對(duì)玉米品種苗期耐旱性篩選具有較好的效果。

王一昊等以69 份玉米品種作為試驗(yàn)材料，將萌發(fā)期和苗期抗旱性評(píng)價(jià)結(jié)果與田間評(píng)價(jià)進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明，盆栽和田間的抗旱性評(píng)價(jià)結(jié)果基本相同。本研究針對(duì)玉米萌發(fā)期耐旱性進(jìn)行鑒定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫使10 個(gè)玉米品種萌發(fā)指標(biāo)受到不同程度的抑制。原因可能是在干旱脅迫下，玉米種子的吸水受到抑制，影響了玉米萌發(fā)期的一些代謝途徑，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)。由于干旱脅迫，一些品種萌發(fā)后甚至出現(xiàn)了不正常的幼苗。干旱脅迫抑制玉米胚根胚芽的生長(zhǎng)，減少干物質(zhì)積累和貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率，尤其植株根部會(huì)很快出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn)，10 個(gè)玉米品種苗高抗旱系數(shù)變化范圍為0.286～0.870，根長(zhǎng)的抗旱系數(shù)變化范圍為0.142～0.584，N3、N5 苗高和根長(zhǎng)高于其他品種，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。

前人采用了多種方法對(duì)玉米抗旱性進(jìn)行篩選和評(píng)價(jià)，作物抗旱性是由多基因控制的，單個(gè)指標(biāo)分析很難準(zhǔn)確鑒定玉米抗旱性。宮亞南等通過(guò)測(cè)定發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、抗旱萌發(fā)指數(shù)、胚芽鞘長(zhǎng)、胚根長(zhǎng)、貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)率性狀等指標(biāo)研究干旱脅迫對(duì)玉米雜交種萌發(fā)影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同品種間抗旱能力差異顯著，并篩選出2 個(gè)萌發(fā)期抗旱品種。朱志明等認(rèn)為，種子萌發(fā)抗旱指數(shù)(GDRI)是評(píng)價(jià)種子萌芽期抗旱性的可靠指標(biāo)。郭效龍等以抗旱和不抗旱自交系為試驗(yàn)材料，結(jié)果表明萌發(fā)抗旱系數(shù)是較適合鑒定自交系抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo)。本研究通過(guò)萌發(fā)和生長(zhǎng)指標(biāo)的抗旱系數(shù)來(lái)篩選玉米雜交種的抗旱性，消除了品種本身特征對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)造成的影響。

通過(guò)抗旱指標(biāo)評(píng)價(jià)玉米抗旱性的方法較多，主要包括主成分分析法、隸屬函數(shù)法、聚類(lèi)分析法等。劉青松等通過(guò)分析各小麥品種不同處理下的性狀指標(biāo)，計(jì)算其抗旱指數(shù)以及抗旱隸屬度，結(jié)果表明其聚類(lèi)分析結(jié)果同隸屬度分析結(jié)果較為統(tǒng)一。楊小英等采用加權(quán)隸屬函數(shù)法計(jì)算綜合評(píng)價(jià)值(D 值)和UPGMA 聚類(lèi)劃分抗旱等級(jí)，發(fā)現(xiàn)2 種方法所得結(jié)果基本一致。張雪婷等將抗旱系數(shù)進(jìn)行多重分析，綜合評(píng)價(jià)了玉米品種的抗旱能力。本研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)主成分分析建立玉米綜合評(píng)價(jià)函數(shù)分析結(jié)果和隸屬函數(shù)分析結(jié)果基本一致，可以用于玉米萌發(fā)期抗旱性的篩選和鑒定。

本研究利用主成分分析提取出2 個(gè)主成分，第1 主成分中活力指數(shù)、苗鮮質(zhì)量、苗高、根鮮質(zhì)量、根長(zhǎng)具有較高的載荷，是評(píng)價(jià)萌發(fā)期抗旱性的主要指標(biāo)；第2 主成分中發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)具有較高的載荷，是評(píng)價(jià)萌發(fā)期抗旱性的次要指標(biāo)。通過(guò)將綜合評(píng)價(jià)值Y 值進(jìn)行聚類(lèi)分析將10 個(gè)玉米品種按抗旱性強(qiáng)弱分為3 類(lèi)，包括抗旱型材料3 份（N5、N8和N3），中等抗旱型材料4 份（N7、N9、N1 和N2），干旱敏感型材料3 份（N4、N10、N6）。