283份玉米田间抗旱性鉴定与筛选

唐怀君,谢小清,张 磊,孙宝成,杨 杰,刘 成

(新疆农业科学院粮食作物研究所,乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】玉米是重要的粮食作物,同时也是重要的饲料、工业及生物质能源的原料[1]。干旱已成为制约我国玉米生产的主要非生物胁迫因素之一,严重时会造成大幅减产和绝收[2]。2015年新疆持续半个多月的干旱导致玉米的制种产量损失30%～50%,部分制种田绝收[3]。因此,开展抗旱玉米品种的选育,增强其抗旱性是提高玉米产量的重要途径[4]。不同材料对干旱逆境的适应性和抵抗能力存在差异,准确鉴定与评价材料的抗旱性是培育抗旱高产品种的重要前提[5]。【前人研究进展】目前有从不同方面开展玉米田间抗旱性鉴定方法和鉴定指标的研究,提出了玉米苗期[6]、拔节期[7]、开花期[8]、灌浆期[9]等某一阶段性的缺次灌溉胁迫和全生育期欠量灌溉胁迫[10]抗旱鉴定方法;抗旱性鉴定指标主要包括株高、ASI等形态指标[11],穗长、穗重等穗部指标[5]和光合特性、叶绿素含量等生理生化指标[11]。【本研究切入点】目前研究多集中以阶段性的抗旱系数、敏感指数、抗旱指数和干旱伤害指数为评价参数,而针对玉米整个生育期欠量灌水胁迫下利用水区产量和抗旱性双选择方法的研究相对较少,有关抗旱丰产材料水区表型特征的研究报道更是少见。一些玉米材料的抗旱性鉴定研究只局限于抗旱性、忽略了丰产性,结论有一定的局限性。需研究欠量灌水胁迫下,综合评价不同玉米材料抗旱系数和水区产量进行抗旱性。【拟解决的关键问题】以283份玉米(255份玉米自交系和28份玉米杂交种)为材料,设置田间欠量灌溉胁迫处理试验,利用水区产量和抗旱系数双选择法进行抗旱综合评价分析,筛选出丰产和抗旱性兼顾的玉米材料,并通过筛选出的抗旱材料探明抗旱优异材料在水区的表型特征,为玉米抗旱育种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料由新疆农业科学院粮食作物研究所玉米研究室提供255份玉米自交系和28份杂交组合,共计283份。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2021年在新疆农业科学院综合试验场进行(E 87.49°,N 43.95°,海拔590 m)。试验区土壤肥力水平中等,2021年玉米生育期内共降雨29次,合计降雨77.8 mm,日均气温9.7～31.38℃,蒸发量1 500～1 700 mm,大气和土壤双重干旱。

采用滴灌覆膜种植,设干旱胁迫(WS)和正常灌水对照(WW)2个处理区,每个处理内2次重复,随机区组排列,水旱两区完全对称种植。处理间及四周均设置5 m以上的水分隔离区,每排之间设置0.8 m宽的观察道。每个材料2行,行长4 m ,行距0.55 m,株距0.2 m,种植密度90 909株/hm2。

正常灌水处理和干旱胁迫处理在播种后均充分灌出苗水,其余6次干旱胁迫处理区的灌水量分别为水区的40%、50%、50%、40%、0%和50%。在整个玉米生长季5～9月降雨量分别为7.6、16.4、18.6、24.8和10.4 mm,总降雨量为77.8 mm,相当于778 m3/ hm2灌水量。在整个玉米生育期内,干旱胁迫处理的灌溉量是对照区灌溉量的54%。图1

注:(a)不同处理在各生育阶段的灌水量。WW, 正常灌水处理;WS,干旱胁迫处理;Sowing, 播种;V6,6叶期;VT, 抽雄期; R1,散粉期, R2, 灌浆期, R3, 乳熟期, R4, 蜡熟期.(b)玉米生育期(5～9月)内降雨次数和降雨量

1.2.2 指标测定

记载正常灌溉对照区和干旱胁迫处理区的散粉和吐丝天数,收获前测定株高、穗位高、株数;收获后测定穗粒数、单株粒重、百粒重。单株粒重和百粒重折算为14%含水量的标准水分数据,用抗旱系数评价自交系的抗旱性(DRC),品种耐旱指数(VDRC)评价杂交种的抗旱性。

抗旱系数DRC=Ya/Ym.

式中,Ya为待测材料干旱胁迫条件下的产量;Ym为待测材料正常灌水条件下的产量;

品种耐旱指数VDRC= (Ya×Ym)/(Ymw×Ymt).

式中,Ya为待测材料干旱胁迫条件下的产量;Ym为待测材料正常灌水条件下的产量;Ymw为所有参试品种水区平均产量;Ymt为所有材料干旱胁迫处理条件下平均产量。

1.3 数据处理

采用 Excel2010对测定的数据进行整理,用STATISTICA10.28统计软件进行数据分析和作图。

2 结果与分析

2.1 玉米自交系产量和抗旱系数的分布

研究表明,正常灌水和干旱胁迫处理下自交系的产量均呈现正态分布;水区单株产量为16.83～117.40 g, 平均单株产量59.17 g; 干旱胁迫后单株产量为3.87～82.77 g, 平均单株产量36.50 g; 平均单株产量下降了38.3%,玉米表观胁迫强度为0.383。抗旱系数呈现偏态分布,材料的平均抗旱系数为0.617;抗旱系数0.2以下的材料只有1份,而抗旱系数大于0.8的则有20份,抗旱系数分布的峰值在0.7左右,较抗旱系数0～1的中间数0.5偏大0.2,该批自交系的抗旱性普遍较高。图2

图2 玉米自交系产量和抗旱系数的分布

2.2 玉米抗旱性鉴定筛选

研究表明,正常灌溉处理下自交系单株产量应不小于60 g,而抗旱性则应当达到抗旱系数0.8以上的高抗要求。如果抗旱系数0.8的自交系在正常灌水条件下达到60 g单株产量,那么节水50%的旱胁迫条件下可达到48 g,可确保有一定的旱地制种产量,对于密度90 909株/hm2制种田,旱地可获得近4 500 kg/hm2的制种产量,水区可获得近5 400 kg/hm2的制种产量。在抗旱系数0.8以上水区单株产量60 g以上的条件下鉴定筛选,获得了15份产量和抗旱性兼顾的自交系。材料编号分别为21NHL018、 21NHL033、21NHL034、21NHL037、21NHL038、21NHL040、21NHL049、21NHL064、21NHL101、21NHL104、21NHL105、21NHL106、21NHL112、21NHL147、21NHL202。

品种耐旱指数大于1.5的品种有3个。21VNH23、21VNH24和21VNH25三个杂交组合的水区单株产量均在160 g以上, 旱区单株产量均在140 g以上,在90 909株/hm2的种植密度下,水区产量大于14 545.44 kg/hm2,旱区在节水约50%的情况下产量仍可获得12 727.26 kg/hm2。品种耐旱指数在大于1.5下,杂交组合的抗旱性和丰产性均优异。图3

图3 玉米水区产量与抗旱性的二维分布散点图

2.3 抗旱性优异丰产的材料在水区的表型特性变化

研究表明,抗旱性和丰产性兼顾的材料吐丝天数集中在58.5～71.0 d、株高150.0～208.1 cm、穗位高的44.6～77.5 cm、穗粒数在295～502 粒/穗、百粒重16.5～36.0 g、单株粒重60.4～90.5 g、抗旱系数0.81～1.00。抗旱丰产的杂交组合在水区应具有以下特性:吐丝天数集中在61.5～63.0 d、株高275.6～287.8 cm、穗位高103.8～115.0 cm、穗粒数538～692 粒/穗、百粒重34.9～38.9 g、单株粒重165.7～186.8 g、抗旱系数大于0.8。表1

2.4 受旱后18份玉米材料的相对表现

研究表明,15份自交系和3份杂交组合在受旱后,其散粉至吐丝的天数(ASI)为 -2.0～1.5 d,平均天数为0.3 d,而全部283份材料的平均天数为0.6 d, 18份材料ASI的平均天数较所有材料平均天数减少0.3 d。

受旱后18份材料的株高、穗位高、单株产量、穗粒数和百粒重的平均下降率为8.9%、10.8%、13.1%、1.4%和7.5%,283份材料下降率则分别是12.9%、15.0%、36.0%、10.7%和7.3%。与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,其植株高度和产量下降明显减少。产量下降少的主要原因是穗粒数下降少,该18份优选材料在穗粒数方面具有较强的抗旱性。表2

表2 受旱后15份自交系和3份杂交组合相对表型值的增减

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

3 讨 论

3.1玉米的抗旱性鉴定是一项复杂的工作,长期以来,多采用田间拔节期、开花期或灌浆期进行阶段性干旱胁迫[7-9],以评价玉米的抗旱性。而抗旱性的形成涉及玉米生长的各个时期以及各个生命活动层面,因此单一时期抗旱性不能反应玉米整个生育期的抗旱性。唐怀君等[10]利用欠量灌水胁迫进行全生育期抗旱鉴定,优化了单一阶段抗旱性鉴定存在的不足。试验结果表明,在水分胁迫强度为0.54的欠量灌水干旱胁迫下,自交系的平均抗旱系数为0.617,表型胁迫强度为0.383,与文献研究[12-13]提出的半产需水量(水分胁迫0.5)鉴定模型和刘化涛等[7]研究认为抗旱性鉴定的表型干旱胁迫强度约0.3的结果一致。

3.2在玉米抗旱鉴定过程中,分析玉米抗旱性的鉴定指标尤其重要。关于抗旱指标的筛选研究报道较多,主要包括吐丝天数、株高、穗位高、穗粒数、百粒重、产量等形态指标[14,5]。且抗旱性鉴定的评价指标多为抗旱系数[5,15]、敏感指数、抗旱指数、耐旱指数[7]和几何平均产量。这些抗旱性鉴定评价的试验结果只能反映材料抗旱性变化,而不能体现丰产性和水区表型特性的变化。试验结果表明,18份材料除百粒重下降率基本持平外,其植株高度和产量下降明显减少。产量下降少的主要原因是穗粒数下降少。

4 结 论

筛选出兼顾丰产性和抗旱性的优异玉米材料18份。其中,水区单株产量不低于60 g, 抗旱系数不低于0.8的自交系15份,分别为21NHL018、 21NHL033、21NHL034、21NHL037、21NHL038、21NHL040、21NHL049、21NHL064、21NHL101、21NHL104、21NHL105、21NHL106、21NHL112、21NHL147、21NHL202,可以在选育抗旱新品种中利用;水区单株产量不低于160 g, 品种耐旱指数大于1.5的杂交组合3份,分别为21VNH23、21VNH24、21VNH25。18份材料在正常灌水条件下具有较高的产量,在穗粒数方面具有较强的抗旱性,可供育种应用。