从玉米自交系吐丝期光合特性适应干旱环境的角度, 探索玉米自交系的耐旱性。2012年在土默川平原灌区和河套平原灌区以及2013年河套平原灌区, 利用耐旱性不同的51个玉米自交系, 在吐丝期采取干旱胁迫处理, 研究分析了叶片光合相关参数对干旱胁迫的响应及其与耐旱性的关系。结果表明, 玉米自交系在吐丝期干旱胁迫与正常灌溉条件下
To explore drought resistance of maize inbred lines, based on leaf photosynthetic parameters at silking stage, we treated 51 maize inbred lines with drought stress at silking stage in the irrigation area of Tumochuan and Hetao Plain in 2012 and 2013 to analyze response of leaf photosynthetic parameters to drought stress and the relationship between photosynthetic parameters and drought tolerance. The result indicated that at silking stage, no matter under drought and the condition of irrigation,
我国西北地区属于干旱、半干旱地区, 受水文气象条件的制约, 旱灾严重, 每年有亿亩农田和牧草受到干旱的侵袭[ 1]。玉米是我国西北主要粮食作物之一, 干旱也成为影响玉米生长发育和产量提高的第一限制因素[ 2]。
玉米的耐旱性是复杂的数量遗传性状[ 3], 应通过若干个与耐旱性有关的指标综合评价, 从中挑选出与耐旱性关系最为密切的指标, 作为耐旱品种选育的鉴定指标[ 4]。干旱对作物的影响广泛而深刻, 它影响着作物的光合作用、呼吸作用、水分和养分的吸收运输等各种生理过程[ 5]。光合作用是植株生长的生理基础, 可以反映植株的耐旱性[ 6]。吐丝期是玉米生长发育的关键时期, 此时遇到干旱直接导致植株生长受阻、叶绿素含量减少、光合作用下降[ 5, 6, 7], 最后影响玉米籽粒产量形成[ 8]。研究表明, 干旱使得气孔关闭[ 9], 阻碍CO2进入叶片并降低光合速率。干旱引起光合速率降低, 又可能增加PSII中过剩的光能, 导致PSII的活性和卡尔文循环电子需求间能量的不平衡, 最终损伤光合机构[ 9, 10]。叶绿素荧光参数是在干旱逆境下研究光合作用的有效工具, 它所包含丰富的信息可以反映PSII的原初光化学反应和光合机构状态的变化[ 11, 12]。随着耐旱性研究的不断深入, 玉米品种或自交系抗旱指标的筛选和鉴定也日益受到重视, 但由于鉴定方法受环境条件限制, 苗期的鉴定方法和鉴定指标较多[ 13, 14], 而玉米的耐旱性以吐丝期最为敏感。
因此, 从光合特性角度, 在玉米自交系吐丝期进行干旱胁迫处理, 探讨玉米自交系吐丝期叶片光合参数指标及其与耐旱性的关系, 明确玉米自交系吐丝期耐旱性评价的光合参数指标, 综合评价玉米自交系的耐旱性。可为选育耐旱玉米自交系提供理论与实践依据。
选用沈137 (1)、H21 (2)、中黄204 (3) 、金黄96B (4)、中451 (5)、杂C546 (6) 、E28 (7)、东46 (8)、丹340 (9) 、冀53 (10)、K22 (11)、材11-8 (12)、200B (13)、吉412 (14)、吉8415 (15)、辽3053 (16)、辽5114 (17) 、丹3130 (18)、合344 (19)、3189 (20)、196 (21)、835 (22)、黄野四(23)、5213 (24)、获唐黄(25)、关17 (26)、8002 (27)、吉818 (28)、吉842 (29)、龙抗11 (30)、7884 (31)、甸11 (32)、M14 (33)、英64 (34)、郑22 (35)、临系11 (36)、铁7922 (37)、S7913 (38)、65232宽(39)、CA156 (40)、89-1 (41)、SH15 (42)、8902 (43)、Y75 (44)、H201 (45)、X178 (46)、7537-1 (47)、早49 (48)、四至四(49)、种苗28 (50)和PI10 (51)玉米自交系。
在2012年分别于土默川平原灌区(包头市土默特右旗, 东经110.52°, 北纬40.57°, 简称“2012TMC”)和河套平原灌区(巴彦淖尔市临河区, 东经107.6°, 北纬40.31°, 简称 “2012HT”)及2013年于河套平原灌区(巴彦淖尔市临河区, 东经107.6°, 北纬40.31°, 简称 “2013HT”), 鉴定51份玉米自交系的耐旱性。采用α-lattice设计(3×17), 设干旱胁迫和正常灌溉2个处理, 正常灌溉处理是在播种前、出苗后20 d和40 d、吐丝期、授粉完成后10 d后各充分灌溉一次, 共5次; 干旱胁迫处理除在吐丝期不灌溉外, 其余时期与正常灌溉处理一致, 共4次, 2个处理之间相隔4 m, 每个处理3次重复。单行种植试验材料, 行长4 m, 行距为宽窄行0.7 m和0.3 m, 种植密度为82 500株 hm-2, 施肥量及其他田间管理按农户模式进行。
1.2.1 降雨量分布 供试51份玉米自交系的吐丝期主要集中在7月中下旬, 从2年3点降雨量分布图(图1)可以看出, 2012TMC 7月中下旬降雨3.6 mm, 2012HT在这期间没有降雨, 而2013HT的降雨量为7.9 mm。可见, 2年3点在玉米自交系吐丝期(7月中下旬)降雨量不足8 mm, 不会影响该期干旱胁迫处理的试验结果。
1.2.2 土壤含水量 Hsiao[ 15]曾将干旱胁迫的程度划分为轻度胁迫, 中度胁迫, 重度胁迫3种类型, 它们的区分标准是土壤含水量减低8%~10%、10%~20%和20%以上。本试验于吐丝期(正常灌溉后5 d)分别测得2012TMC、2012HT以及2013HT的土壤含水量变化(图2), 2年3块试验田土壤含水量以干旱胁迫处理较正常灌溉处理分别下降16.44%、14.99%和11.15%, 均属于中度干旱胁迫。
1.3.1 叶片光合速率 利用Li-6400XT便携式光合作用测定系统(Li-Cor, 美国)设定人工光源光强1500 μmol m-2 s-1, 于吐丝期晴天9:00至17:00时, 选取各自交系生育进程一致、照光均匀的健康植株, 测定穗位叶光合速率( Pn, μmol CO2 m-2 s-1)、气孔导度( Gs, mmol m-2 s-1)、胞间CO2浓度( Ci, μmol mol-1) 、蒸腾速率( Tr, mmol H2O m-2 s-1), 计算水分利用效率(WUE, µmol CO2 mmol-1H2O) = 光合速率( Pn, μmol CO2 m-2 s-1)蒸腾速率-1 ( Tr, mmol H2O m-2 s-1)。每个自交系测定3株。
1.3.2 叶绿素荧光参数 采用Handy PEA植物效率仪(Hanstatech, 英国), 于吐丝期晴天9:00至17:00时, 测定穗位叶, 测定之前设定程序, 先暗适应30 min, 测定暗适应下的初始荧光 ( Fo)、最大荧光( Fm)。设置600 μmol m-2s-1的光强, 测定光适应下的最大荧光( Fm')、最小荧光( Fo')、稳态荧光( Fs)等荧光参数; 参照Demming-Adams等[ 16]方法, 最大光化学效率 Fv/ Fm= ( Fm - Fo)/ Fm, 实际量子产量 ΦPSII= ( Fm' - Fs)/ Fm', 光化学猝灭系数 qP= ( Fm' - Fs)/( Fm' - Fo'), 非光化学猝灭系数 qN=( Fm- Fm')/( Fm - Fo)。每个自交系测定3株。
1.3.3 叶绿素含量(SPAD值) 在玉米吐丝期上午10:00时左右, 使用叶绿素SPAD仪对穗位叶进行测量, 每个自交系测3株。
1.3.4 土壤含水量 在吐丝期(2012TMC于7月25日, 2012HT于7月20日, 2013HT于年7月21日)灌溉5 d后, 田间随机取100 cm土深20个点, 测量土壤含水量。土壤含水量 = (原土重-烘干土重)/烘干土重×100%。
1.3.5 耐旱系数DTC Bouslama[ 17]提出的耐旱系数=胁迫下的平均单株产量/非胁迫下的平均单株产量。单株产量为考种实测籽粒重(g 株-1)。
1.3.6 光合参数相对值 光合参数相对值 = 干旱胁迫下玉米自交系光合参数值/正常灌溉下玉米自交系光合参数值。
1.3.7 耐旱性聚类分析法 根据多项指标所测数据, 建成聚类图。根据聚类图将参试材料分成耐旱性强的、耐旱性较强的、耐旱性弱的等不同等级[ 18]。
采用 Microsoft Excel 2003计算试验数据平均值, SAS8.0、SPSS11.0和DPS7.05软件进行统计分析。
从表1可以看出, 玉米自交系在吐丝期干旱胁迫下, 其单株产量均较正常灌溉下降低, 由于自交系间耐旱性的差异, 其产量下降的幅度不同。对正常灌溉与干旱胁迫处理下单株产量差异的 t测验结果表明, 2012TMC差异不显著的有10份, 达到显著水平的有23份, 达到极显著差异的有18份; 2012HT差异不显著的有11份, 达到显著水平的有24份, 达到极显著水平的有16份; 2013HT差异不显著的16份, 达到显著差异的有24份, 达到极显著差异的自交系有11份。
2年3点单株产量差异表现一致的自交系有32份, 其中8份自交系(H201、H21、英64、吉842、早49、吉8415、东46和沈137)差异不显著, 15份自交系(龙抗11、CA156、835、3189、吉818、S7913、K22、辽3053、7537-1、种苗28、Y75、8902、8002、甸11和郑22)差异显著, 9份自交系(7884、200B、H15、M14、丹3130、X178、丹340、196和E28)差异极显著。
对2012TMC和2012HT的51份玉米自交系各光合参数进行方差分析(表2)表明, 所有参数在地点、自交系×地点间差异均不显著; 而 qP和 qN在地点、处理、自交系、自交系×地点和自交系×处理间差异均不显著, 其余参数在处理、自交系和自交系×处理间均达到显著或极显著水平, 尤其在自交系×处理间均达到极显著水平。
对2012HT和2013HT的51份玉米自交系各光合参数进行方差分析(表3)表明, 所有参数在年份和自交系×年份间差异均不显著; 而 qP和 qN在年份、处理、自交系、自交系×年份和自交系×处理间差异均不显著, 其余参数在处理、自交系和自交系×处理间均达到显著或极显著水平, 尤其在自交系×处理间均达到极显著水平。
玉米自交系吐丝期各光合参数相对值与耐旱系数的线性回归分析结果(表4)表明, 玉米自交系在吐丝期干旱胁迫下, Pn、 Gs、 Ci、 Tr、 Fv/ Fm、 ΦPSII和SPAD值的相对值与DTC均极显著正相关; WUE的相对值与DTC极显著负相关; 而 qP、 qN的相对值与DTC的相关性不显著。
相关分析表明, Pn、 Ci、 Gs、 Tr、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII、SPAD的相对值与DTC极显著相关, 进一步对2012TMC、2012HT和2013HT 2年3点的 Pn、 Ci、 Gs、 Tr、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII、SPAD 8个光合参数的相对值与DTC进行逐步回归分析, 建立如下回归方程。
2012TMC: DTC = 0.354 Pn+0.187 Ci+0.204 Gs+ 0.256 Tr-0.382WUE+0.0.274 Fv/ Fm+0.268 ΦPSII+0.337SPAD, F1=9.825, P1=0.007;2012HT: DTC=0.324 Pn+0.216 Tr-0.374WUE+0.286 Fv/ Fm+0.243 ΦPSII+0.369SPAD, F2=9.186, P2=0.006;2013HT: DTC=0.367 Pn-0.391WUE+0.256 Fv/ Fm+ 0.225 ΦPSII+0.342SPAD, F3=9.937, P3=0.004;2012TMC的 Pn、 Ci、 Gs、 Tr、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII、SPAD 8个光合参数相对值与耐旱系数均极显著相关, 2012HT的 Pn、 Tr、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII和SPAD 6个光合参数相对值与耐旱系数极显著相关, 而2013HT的 Pn、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII和SPAD 5个光合参数相对值与耐旱系数极显著相关。综合2年3点逐步回归分析结果表明, Pn、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII和SPAD 5个光合参数更具有一致性, 可将这5个光合参数作为评价玉米自交系吐丝期耐旱性的光合参数。
表5表明, Pn、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII和SPAD 5个光合参数相对值决定了单株产量变异的98.73%, 其中以WUE相对值对耐旱系数的直接贡献最大, 其Pi达到0.9825; 其次为 Pn, 其Pi达到0.6312; 再次为SPAD, 其Pi达到0.4276; 而 Fv/ Fm和 ΦPSII相对值对耐旱系数的直接贡献则很小, 其对耐旱系数的贡献主要通过WUE和 Pn来实现, 其间接通径系数分别为 P1-2-y=0.5728, P3-2-y=0.3726, P4-2-y=0.1825, P5-2-y=0.4125。由此可以看出, 玉米自交系耐旱育种主要应注重WUE、 Pn和SPAD的选择。由于 Fv/ Fm和 ΦPSII对WUE、 Pn和SPAD有间接贡献, 所以对 Fv/ Fm和 ΦPSII进行间接选择也是很有效的。
用 Pn、WUE、SPAD、 Fv/ Fm、 ΦPSII值5个光合参数的相对值, 通过最短距离法对所选用的51个玉米自交系进行聚类分析, 可将其划分为3类(表6)。
2012TMC、2012HT和2013HT 2年3点表现均一致的自交系有32份, 其中第1类8份(沈137、H21、东46、吉8415、吉842、英64、H201、早49), 耐旱性强; 第2类15份(K22、辽3053、3189、835、8002、吉818、龙抗11、甸11、郑22、S7913、CA156、8902、Y75、种苗28、7537-1), 耐旱性较强; 第3类10份(E28、丹340、200B、丹3130、196、7884、M14、SH15、X178), 耐旱性弱。其余19份自交系在2年3点表现不一致。
耐旱系数[ 19]可反映植物对干旱的敏感程度。一个品种耐旱系数高, 耐旱性强, 稳产性好, 即在水分胁迫条件下, 减产的幅度较小。由于植物的耐旱性是由多种因素相互作用而构成的一个较为复杂的综合性状, 不同指标对耐旱性的贡献也不一样[ 20]。植物的耐旱机制很复杂, 不同品种其耐旱机制及同一品种在不同环境不同生育时期其耐旱机制都存在差异[ 21]。因此, 在耐旱性鉴定中, 应从形态、生理、生化等众多指标中筛选出对耐旱性有显著影响的几个重要指标, 综合分析判断才能更合理有效。
本试验利用玉米自交系吐丝期干旱胁迫与正常灌溉处理下产量及光合参数的相对值综合分析, 可以消除自交系间固有的差异, 更有效评价耐旱性。
综合分析51份玉米自交系2年3点的单株产量差异, 表现均一致的自交系共有32份, 其中8份自交系(H201、H21、英64、吉842、早49、吉8415、东46和沈137)差异不显著, 自交系耐旱性强, 耐旱系数大; 15份自交系(龙抗11、CA156、835、3189、吉818、S7913、K22、辽3053、7537-1、种苗28、Y75、8902、8002、甸11和郑22)差异显著, 自交系耐旱性较强, 耐旱系数较大; 9份自交系(7884、200B、H15、M14、丹3130、X178、丹340、196和E28)差异极显著, 自交系耐旱性弱, 耐旱系数小。
通过相关分析显示, 玉米自交系吐丝期叶片光合参数中, Pn、 Ci、 Gs、 Tr、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII、SPAD 8个光合参数相对值与耐旱系数极显著相关; 对这8个指标进一步进行逐步回归分析显示, Pn、WUE、SPAD、 Fv/ Fm、 ΦPSII 5个光合参数作为评价玉米自交系吐丝期耐旱性的光合参数更具一致性; 同时, 利用5个光合参数对51个自交系进行聚类分析, 评价分类结果与实际产量差异评价结果完全一致。
作物受到干旱胁迫直接导致产量下降, 而产量主要来源于光合产物的积累, 因此干旱影响着作物的光合作用、呼吸作用、水分和养分的吸收运输等各种生理过程[ 22]。光合作用是植株生长的生理基础, 可以反映植株的耐旱性[ 23]。前人研究表明, 在吐丝期干旱胁迫下气孔导度下降, 使光合速率和蒸腾速率都下降, 蒸腾作用降低的程度比光合作用降低的程度大, 利于水分利用效率的提高[ 24, 25]。陈建民等研究认为在干旱条件下玉米叶片的光合作用受抑制, 光合速率下降, 耐旱性较强的品种能维持较高的光合速率, 玉米叶片的叶绿素含量较耐旱性较差的品种下降幅度小[ 21, 22, 23, 24, 25, 26]。相关性分析表明, 在干旱处理中, 叶绿素含量的降幅与品种耐旱性显著相关[ 27]。本试验结果表明, 玉米自交系吐丝期 Pn、SPAD、 Fv/ Fm、 ΦPSII与其耐旱系数极显著正相关, 而WUE相对值与其耐旱系数极显著负相关; Pn、WUE、SPAD相对值对耐旱系数有直接贡献, 而 Fv/ Fm和 ΦPSII对耐旱系数起间接作用。将2年3点抗旱类型表现一致的32份玉米自交系吐丝期 Pn、SPAD、 Fv/ Fm、 ΦPSII 5个光合参数相对值与耐旱系数进行多元回归分析, 回归方程如下。
第一类(耐旱性最强的): DTC=0.425 Pn-0.526 WUE+0.0.314 Fv/ Fm+0.275 ΦPSII+0.396SPAD, F1=9.936, P1=0.004;第二类(耐旱性较强的): DTC=0.386 Pn-0.437 WUE+0.315 Fv/ Fm+0.296 ΦPSII+0.364SPAD, F2=9.912, P2=0.007;第三类(耐旱性最弱的): DTC=0.463 Pn-0.501 WUE+0.364 Fv/ Fm+0.301 ΦPSII+0.425SPAD, F3=9.982, P3=0.003;结果表明, 回归方程在0.01水平上均达到显著, 这5个光合参数的相对值对玉米自交系耐旱性更有预见性。
玉米自交系吐丝期 Pn、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII、SPAD的相对值和耐旱系数可作为其耐旱性评价指标。玉米自交系吐丝期 Pn、SPAD、 Fv/ Fm、 ΦPSII与其耐旱系数极显著正相关, 而WUE相对值与其耐旱系数极显著负相关; Pn、WUE、SPAD相对值对耐旱系数有直接贡献, 而 Fv/ Fm和 ΦPSII对耐旱系数起间接作用。同时, 明确了耐旱性强的、耐旱性较强的、耐旱性弱的三类玉米自交系吐丝期 Pn、WUE、 Fv/ Fm、 ΦPSII、SPAD的相对值和耐旱系数阈值范围。51份玉米自交系中, 有8份(H201、H21、英64、吉842、早49、吉8415、东46和沈137)是耐旱性强的。
[1] |
|
[2] |
|
[3] |
|
[4] |
|
[5] |
|
[6] |
|
[7] |
|
[8] |
|
[9] |
|
[10] |
|
[11] |
|
[12] |
|
[13] |
|
[14] |
|
[15] |
|
[16] |
|
[17] |
|
[18] |
|
[19] |
|
[20] |
|
[21] |
|
[22] |
|
[23] |
|
[24] |
|
[25] |
|
[26] |
|
[27] |
|
[28] |
|
[29] |
|