20個玉米品種發(fā)芽期抗旱性鑒定與評價

周 芳， 曹國璠， 楊 娟， 宋 碧， 張 軍， 曾永德， 劉冬梅， 田山君,2

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 貴陽 550025； 2.教育部山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 貴陽 550025；3.貴州志遠(yuǎn)航天農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所， 貴陽 550025； 4.江油市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局， 四川 江油 621700)

干旱逆境是限制全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最主要因素之一，它所造成的損失高居多種非生物脅迫的首位[1,2]。玉米(ZeamaysL.)是重要的糧、飼、經(jīng)作物，人均占有玉米數(shù)量是衡量生活水平高低的一個重要標(biāo)志[3-4]。玉米在萌動至出苗期對水分的需求較為敏感，這個生育時期若遭遇干旱脅迫將嚴(yán)重阻礙植株幼莖與幼根的正常發(fā)育，最終導(dǎo)致產(chǎn)量與品質(zhì)下降[5]。研究表明，PEG模擬干旱脅迫能延緩植物種子的萌發(fā)，且隨著PEG濃度的升高，種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均逐漸降低，干旱脅迫對根系的生長影響弱于對發(fā)芽率的影響，玉米的根長呈先降低后增加的趨勢，可能是因?yàn)楦繉λ置{迫因子敏感，一旦遇到干旱，其根部會很快出現(xiàn)應(yīng)激反應(yīng)[6-8]。

當(dāng)前世界可利用水資源逐漸減少，強(qiáng)抗旱的玉米品種將在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用[9]。篩選一批抗旱性強(qiáng)的品種在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用，對玉米抗旱栽培和育種都具有現(xiàn)實(shí)意義[10]。綜合國內(nèi)外玉米抗旱研究的現(xiàn)狀與趨勢，本試驗(yàn)搜集了生產(chǎn)中大面積應(yīng)用的20個品種，使用 PEG-6000模擬干旱脅迫進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)，系統(tǒng)分析了玉米發(fā)芽期形態(tài)變化響應(yīng)不同水分虧缺強(qiáng)度的生理機(jī)制，以期為玉米抗旱多世代性狀改良提供理論依據(jù)，并篩選出抗旱性較強(qiáng)且具有高產(chǎn)潛力的玉米品種推廣應(yīng)用于生產(chǎn)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

生產(chǎn)中大面積應(yīng)用的20個玉米品種，具體信息見表1。

表1 20個供試玉米品種信息

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)為單因素隨機(jī)區(qū)組實(shí)驗(yàn)，使用PEG-6000模擬干旱脅迫。分別配置PEG濃度為10%(輕度干旱脅迫T 1)、15%(中度干旱脅迫T 2)、20%(中度干旱脅迫T 3)、25%(重度干旱脅迫T 4)、30%(重度干旱脅迫T 5)的溶液，對照(ck)為清水培養(yǎng)，重復(fù)3次。操作過程按照《國際種子檢驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行[11]，精選大小一致、籽粒飽滿的種子，75%的酒精消毒3 min后用無菌蒸餾水沖洗干凈。自然風(fēng)干后將種子置于培養(yǎng)皿中，底部放兩層濾紙作為發(fā)芽床(培養(yǎng)皿和濾紙均高壓滅菌)。每個培養(yǎng)皿中14粒種子，種子距離為粒長的1倍，皿中液體到達(dá)種子厚度的2/3，然后置于24 ℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。每天補(bǔ)給適量蒸餾水，以保持脅迫液的滲透勢不變。

1.3 指標(biāo)觀察和測定

每24 h記錄一次種子萌發(fā)數(shù)(以胚根長2 mm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn))，直至第192小時。處理96 h計(jì)算發(fā)芽勢，168 h計(jì)算發(fā)芽率，192 h剪下胚根、胚芽，測量胚根，胚芽長(每個培養(yǎng)皿取4粒長勢接近的求平均值)，然后把胚芽、胚根分別用濾紙包好，置于烘箱中105 ℃殺青，并于70 ℃烘干至恒重稱量干重。

發(fā)芽勢(%)=(處理96 h發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(處理168 h發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

相對發(fā)芽勢(%)=(PEG處理發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢)×100%；

相對發(fā)芽率(%)=(PEG處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率)×100%；

根冠比=胚根干質(zhì)量/胚芽干質(zhì)量；

干物質(zhì)積累量(g)=胚根干重+胚芽干重。

1.4 抗旱性綜合評價

參照田山君等[4]、王沛琦等[12]的方法，使用萌發(fā)抗旱指數(shù)和隸屬函數(shù)對玉米各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。

種子萌發(fā)指數(shù)=1.00×nd 2+0.75×nd 4+0.5×nd 6+0.25×nd 8，nd 2、nd 4、nd 6、nd 8分別為第2、4、6、8天的種子萌發(fā)率；

種子萌發(fā)抗旱指數(shù)=處理萌發(fā)指數(shù)/對照萌發(fā)指數(shù)；

隸屬函數(shù)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)，X為各品種某一指標(biāo)的抗旱系數(shù)。Xmin和Xmax分別為所有品種此指標(biāo)的最小和最大抗旱系數(shù)。累加各品種各指標(biāo)的隸屬值，并求其平均值，用平均值大小評價品種抗旱性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG溶液對玉米相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率的影響

種子相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率反映種子萌發(fā)期的活力。由表2可見，隨著PEG濃度升高，玉米相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率總體呈下降趨勢。結(jié)合相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率及不同脅迫濃度下的均值得出不同PEG濃度下綜合表現(xiàn)最好的3個品種：T 1條件下，表現(xiàn)最好的3個品種是C 7、C 17、C 5；T 2條件下，表現(xiàn)最好的3個品種是C 7、C 19、C 2；T 3條件下表現(xiàn)最好的3個品種是C 7、C 19、C 17；T 4條件下表現(xiàn)最好的3個品種是C 19、C 18、C 20；T 5條件下表現(xiàn)最好的3個品種是C 19、C 18、C 7。

表2 不同濃度PEG脅迫后20份玉米品種相對發(fā)芽勢和相對發(fā)芽率的變化

2.2 不同濃度PEG溶液對玉米胚根長和胚芽長的影響

由表3可知，隨著PEG濃度升高，玉米的根長總體呈先升高后降低的趨勢，而玉米的芽長總體呈下降的趨勢。在T 1條件下，C 5、C 17和C 2的根長增加幅度最大，分別較ck增大115.53%、109.43%和46.07%，C 17、C 19和C 13的芽長增加幅度最大，分別較ck增大42.74%、31.53%和20.91%；在T 2條件下，C 17、C 14和C 13的根長增加幅度最大，分別為62.29%、39.81%和39.38%，C 2、C 9和C 7的芽長增加幅度最大，分別為-4.60%、-5.33%和-8.38%；在T 3條件下，C 17、C 6和C 14的根長增加幅度最大，分別為73.05%、6.91%和-0.97%，C 9、C 17和C 1的芽長增加幅度最大，分別為128.88%、-24.26%和-25.28%；在T 4條件下，C 7、C 17和C 14的根長增加幅度最大，分別為33.92%、-8.16%和-16.50%，C 7、C 9和C 19的芽長增加幅度最大，分別為17.66%、-12.29%和-45.69%；在T 5條件下，C 1、C 2和C 13的根長增加幅度最大，分別為-87.11%、-88.60%和-89.09%，C 7、C 19和C 2的芽長增加幅度最大，分別為-64.07%、-83.19%和-91.76%。

表3 不同濃度PEG溶液對玉米胚根長和胚芽長的影響

2.3 不同濃度PEG溶液對玉米根冠比和干物質(zhì)積累量的影響

由表4可見，玉米的根冠比隨著PEG濃度升高總體呈上升趨勢，而玉米的干物質(zhì)積累量在響應(yīng)干旱脅迫時表現(xiàn)出兩種方式，一種是隨PEG濃度升高逐漸降低，另一種是隨PEG濃度升高先升后降，表明干旱脅迫促進(jìn)根系生長，降低干物質(zhì)分配到地上部分的比例?？傮w而言，適度干旱與玉米根冠比性狀呈正相關(guān)，但若過度干旱也可能造成種子無法萌發(fā)，導(dǎo)致根冠比為0。不同品種的抗旱性也存在一定差異。如輕中度干旱脅迫能促進(jìn)C 7的干物質(zhì)積累，說明C 7通過形態(tài)變化能較好的響應(yīng)一定程度的水分虧缺。但對C 2和C 10而言，僅在輕度脅迫強(qiáng)度下，抗旱機(jī)制與C 7一致，在中度脅迫時，就通過調(diào)節(jié)代謝進(jìn)程延緩生長發(fā)育速度，以達(dá)到度過干旱逆境的目地。對C 3、C 6、C 11等品種而言，在輕度脅迫之下，干物質(zhì)就呈下降趨勢，干物重與脅迫強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，說明這些品種在水分虧缺條件下不具備生產(chǎn)潛力。

表4 不同濃度PEG脅迫后20份玉米品種根冠比和干物質(zhì)積累量的變化

2.4 種子萌發(fā)抗旱指數(shù)

由表5和表6可知，在T 1條件下，供試品種的種子抗旱指數(shù)均值為0.77，將萌發(fā)抗旱指數(shù)大于0.82的C 17、C 7、C 5、C 19、C 2、C 8、C 12、C 9、C 18、C 16和C 1歸為抗旱品種；將在0.72～0.82范圍內(nèi)的C 10、C 13和C 4歸為中等抗旱品種；將小于0.72的C 11、C 6、C 15、C 3、C 14和C 20歸為不抗旱品種。在T 2條件下，供試品種的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)均值為0.74，將萌發(fā)抗旱指數(shù)大于0.79的C 2、C 19、C 5、C 18、C 12、C 7和C 20歸為抗旱品種；將在0.69～0.79范圍內(nèi)的C 1和C 13歸為中等抗旱品種；將小于0.69的C 4、C 6、C 8、C 10、C 14、C 9、C 11、C 17、C 3、C 15和C 16歸為不抗旱品種。在T 3條件下，供試品種的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)均值為0.57，將萌發(fā)抗旱指數(shù)大于0.62的C 7、C 20、C 19、C 5、C 17和C 2歸為抗旱品種；將在0.52～0.62范圍內(nèi)的C 18、C 13和C 12歸為中等抗旱品種；將小于0.52的C 1、C 4、C 9、C 10、C 14、C 3、C 15、C 8、C 11、C 6和C 16歸為不抗旱品種。在T 4條件下，供試品種的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)均值為0.47，將萌發(fā)抗旱指數(shù)大于0.52的C 19、C 18和C 20歸為抗旱品種；將在0.42～0.52范圍內(nèi)的C 17、C 1、C 7和C 12歸為中等抗旱品種；將小于0.42的C 8、C 14、C 9、C 10、C 5、C 4、C 13、C 2、C 3、C 6、C 11、C 15和C 16歸為不抗旱品種。在T 5條件下，供試品種的種子萌發(fā)抗旱指數(shù)均值為0.16，將萌發(fā)抗旱指數(shù)大于0.21的C 19、C 18、C 7和C 17歸為抗旱品種；將在0.11～0.21范圍內(nèi)的C 12和C 1歸為中等抗旱品種；將小于0.11的C 2、C 10、C 6、C 13、C 20、C 8、C 14、C 9、C 5、C 4、C 3、C 15、C 11和C 16歸為不抗旱品種。

表5 不同PEG濃度下種子萌發(fā)抗旱指數(shù)

表6 不同PEG濃度下種子萌發(fā)抗旱指數(shù)

2.5 抗旱隸屬值

由圖1和表7可知，相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、胚根長、胚芽長、根冠比和干物質(zhì)積累量，在不同PEG濃度下抗旱隸屬值最大對應(yīng)的品種如下：在T 1條件下，供試品種的抗旱隸屬值均值是0.38，將抗旱隸屬值大于0.43的C 8、C 17、C 2、C 18、C 1和C 10歸為抗旱品種；將在0.33～0.43范圍內(nèi)的C 13、C 12、C 19、C 5、C 3和C 7歸為中等抗旱品種；小于0.33的C 9、C 16、C 11、C 15、C 6、C 20、C 4和C 14歸為不抗旱品種。在T 2條件下，供試品種的抗旱隸屬值均值是0.38，抗旱隸屬值大于0.43的C 18、C 8、C 2、C 1、C 13和C 17歸為抗旱品種；將在0.33～0.43范圍內(nèi)的C 12、C 19、C 10、C 6和C 20歸為中等抗旱品種；小于0.33的C 5、C 3、C 14、C 11、C 7、C 4、C 15、C 9和C 16歸為不抗旱品種。在T 3條件下，供試品種的抗旱隸屬值均值是0.38，將抗旱隸屬值大于0.43的C 17、C 2、C 18、C 1、C 20、C 13、C 19和C 7歸為抗旱品種；將在0.33～0.43范圍內(nèi)的C 3、C 4和C 8歸為中等抗旱品種；小于0.33的C 14、C 6、C 12、C 9、C 5、C 11、C 10、C 15和C 16歸為不抗旱品種。在T 4條件下，供試品種的抗旱隸屬值均值是0.27，將抗旱隸屬值大于0.32的C 18、C 19、C 8、C 1、C 17、C 20、C 14和C 7歸為抗旱品種；將在0.22～0.32范圍內(nèi)的C 12和C 10歸為中等抗旱品種；小于0.22的C 9、C 5、C 13、C 4、C 6、C 2、C 3、C 11、C 15和C 16歸為不抗旱品種。在T 5條件下，供試品種的抗旱隸屬值均值是0.16，將抗旱隸屬值大于0.21的C 19、C 18、C 1、C 2、C 12、C 10、C 13和C 7歸為抗旱品種；在0.11～0.21范圍內(nèi)的C 20和C 17歸為中等抗旱品種；抗旱隸屬值小于0.11的C 6、C 8、C 14、C 9、C 5、C 4、C 3、C 11、C 15和C 16歸為不抗旱品種。

注：A、B、C、D、E分別表示濃度為10%、15%、20%、25%、30%的PEG溶液。

表7 抗旱隸屬值

3 結(jié)論與討論

綜合比較種子萌發(fā)抗旱指數(shù)和抗旱隸屬值得出：在T 1條件下的抗旱品種有C 17、C 2、C 8、C 18和C 1；中等抗旱品種有C 10、C 13、C 12、C 19、C 5和C 7；不抗旱品種有C 3、C 9、C 16、C 11、C 15、C 6、C 20、C 4和C 14。在T 2條件下的抗旱品種有C 18和C 2；中等抗旱品種有C 1、C 13、C 19、C 12和C 20；不抗旱品種有C 8、C 17、C 10、C 6、C 5、C 3、C 14、C 11、C 7、C 4、C 15、C 9和C 16。在T 3條件下的抗旱品種有C 17、C 2、C 20、C 19和C 7；中等抗旱品種有C 18和C 13；不抗旱品種有C 1、C 4、C 12、C 3、C 14、C 6、C 9、C 5、C 11、C 10、C 15、C 16和C 8。在T 4條件下的抗旱品種有C 18、C 19和C 20；中等抗旱品種有C 1、C 17、C 7和C 12；不抗旱品種有C 8、C 14、C 9、C 10、C 5、C 4、C 13、C 2、C 3、C 6、C 11、C 15和C 16。在T 5條件下的抗旱品種有C 18、C 19和C 7；中等抗旱品種有C 1、C 17和C 12；不抗旱品種有C 2、C 10、C 6、C 13、C 16、C 11、C 15、C 3、C 4、C 5、C 9、C 14、C 8和C 20。輕度干旱脅迫下的抗旱品種有C 17、C 2、C 8、C 18和C 1；中等抗旱品種有C 10、C 13、C 12、C 19、C 5和C 7；不抗旱品種有C 3、C 9、C 16、C 11、C 15、C 6、C 20、C 4和C 14。中度干旱脅迫下的抗旱品種是C 2、C 18、C 17、C 20、C 19和C 7；中等抗旱品種有C 1、C 13、C 19和C 12；不抗旱品種有C 8、C 10、C 6、C 5、C 3、C 14、C 11、C 4、C 15和C 16；在重度脅迫下的抗旱品種有C 18、C 19、C 7和C 20；中等抗旱品種有C 1、C 17和C 12；不抗旱品種有C 5、C 13、C 8、C 14、C 10、C 9、C 4、C 6、C 16、C 15、C 11、C 3和C 2。

綜上所述，京科968、NK 718、MC 738和成單30在各種干旱脅迫下都表現(xiàn)出強(qiáng)抗旱性，被歸類為萌發(fā)期抗旱性強(qiáng)的玉米品種；貴單8號和京科665在中度脅迫下抗旱性也較佳，但抵御較強(qiáng)水分虧缺的能力尚顯不足；金貴單3號和正紅311在輕度脅迫下對水分虧缺具有較好的適應(yīng)性。其中成單30和正紅311與田山君等[4]、王國娟等[13]研究結(jié)果一致，均屬于抗旱品種；馮小妮等研究表明，京科968在旱地上栽培，相較其他品種具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的性質(zhì)[14]；金貴單3號在大田生產(chǎn)中抗旱性強(qiáng)，綜合表現(xiàn)良好[15]，實(shí)際生產(chǎn)再次證明了室內(nèi)篩選是可行的，其余品種的相關(guān)研究均未見報道。

種子萌發(fā)是作物整個生命周期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，種子萌發(fā)從吸脹開始，水分是限制種子萌發(fā)的主要生態(tài)因子之一，在干旱脅迫下，脅迫因子會延遲甚至破壞種子內(nèi)部生理生化反應(yīng)，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)[9]。采用 PEG 引發(fā)種子可促進(jìn)不同土壤水分逆境下糯玉米種子的萌發(fā)，增強(qiáng)其發(fā)芽性能[16]，本試驗(yàn)結(jié)果也表明，當(dāng)處于輕度干旱脅迫時，黔單16號、貴單8號、黔豐18號等部分玉米品種的發(fā)芽率均高于ck，當(dāng)脅迫程度逐漸增大后，這些玉米品種的發(fā)芽率較ck呈降低趨勢，說明較低濃度的PEG能通過滲透作用影響種子細(xì)胞的吸水速率，對種子萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用。

干旱脅迫時，根系獲得的有限水分被優(yōu)先用于較近器官的生長發(fā)育，使根系受害較地上部分輕，故根冠比增大，所以根冠比也可反映植物的抗旱能力。本研究結(jié)果表明，京科968的根冠比隨PEG濃度的增加而增大，在輕中度脅迫下干物質(zhì)的重量仍在增加，在重度干旱脅迫下其干物質(zhì)逐漸降低，說明一定程度的干旱脅迫可促進(jìn)根部的生長，使地上部分的生長變慢，與李彪等[17]的研究結(jié)果一致。適度的干旱有利于增強(qiáng)根系的發(fā)育，控制地上部分旺長，提高植株抗旱能力。金貴單3號的根冠比也隨干旱脅迫的加重而逐漸增大，在輕中度干旱脅迫下干物重就開始緩慢下降，間于中度脅迫和重度脅迫時，能保持干物重不變，處于重度脅迫時干物重減少，但仍能保持生長，說明金貴單3號對干旱脅迫具有一定的適應(yīng)性，在干旱條件下具有一定的產(chǎn)量潛力。