韓登旭 ，楊 杰，王業(yè)建，郗浩江，梁曉玲，李銘東，阿布來提·阿布拉

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】近10年來，極端天氣的變化引起了廣泛的關(guān)注[1]。玉米(ZeamaysL.)起源于熱帶亞熱帶，是低溫敏感型作物，近年來北方春玉米主產(chǎn)區(qū)玉米出苗期間低溫冷害極端天氣頻發(fā)[2]，導(dǎo)致玉米種子萌發(fā)速率減緩，發(fā)芽出苗率較低，整齊度下降、幼苗生長勢弱，影響玉米品質(zhì)和產(chǎn)量[3]，假如遭遇低溫冷害，玉米將減產(chǎn)20%以上[4]，隨著玉米機(jī)械化單粒精量播種技術(shù)的普及和大面積推廣應(yīng)用，玉米生產(chǎn)中對種子質(zhì)量、田間出苗率和整齊度的要求越來越高，而種子快速萌發(fā)是苗全、苗齊、苗勻和苗壯的前提[5]。目前，在新疆早熟區(qū)和東北早熟區(qū)，大面積推廣的玉米品種，大部分都是德國KWS公司和美國先鋒公司的品種。篩選耐低溫種質(zhì)，選育耐低溫萌發(fā)能力強(qiáng)的雜交種是我國北方玉米品種選育的迫切需求?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】崔婷茹等[6]研究表明，25℃條件下玉米種子發(fā)芽率顯著高于4和10℃低溫環(huán)境下玉米種子的發(fā)芽率。玉米種子在遭受低溫脅迫后，會影響種子的出苗整齊度，減少成苗，甚至使種子完全喪失發(fā)芽能力，并且溫度越低，對種子發(fā)芽勢的影響越嚴(yán)重。不同玉米品種在低溫下的發(fā)芽能力顯著不同，發(fā)芽數(shù)和發(fā)芽速度也因品種不同而表現(xiàn)出較大差異。李波等[7]對91份玉米自交系種子耐低溫等級的評價表明，不同玉米自交系在發(fā)芽期和苗期也極易受低溫危害，低溫條件下發(fā)芽能力及玉米芽和玉米幼苗抗低溫能力存在差異。孟軍萍等[8]以4個玉米自交系為試材，在玉米發(fā)芽期間，分別用-4、0、4和8℃處理0、4、8和12 h，研究其對玉米幼苗生長的影響，結(jié)果表明，低溫對玉米自交系幼苗鮮重和干重影響顯著。扈光輝[9]研究表明，在創(chuàng)造耐冷新種質(zhì)時，應(yīng)重視外來耐冷種質(zhì)，尤其是耐冷種質(zhì)資源衍生地種質(zhì)資源的收集和導(dǎo)入，并結(jié)合地方種質(zhì)綜合選系，以獲得GCA高、抗逆性、適應(yīng)性強(qiáng)的自交系?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】近年來，北方春玉米區(qū)玉米播種出苗期間低溫冷害等極端天氣頻發(fā)，造成種子出苗緩慢，整齊度差，影響玉米品質(zhì)和產(chǎn)量，新疆早春低溫頻發(fā)，而市場上推廣的玉米品種，大部分都是國外品種，國內(nèi)品種因苗期耐低溫萌發(fā)能力弱無競爭優(yōu)勢，目前，我國新疆玉米苗期耐低溫的研究鮮有報道。為了更準(zhǔn)確地評價玉米自交系種子的耐低溫萌發(fā)能力，利用模糊隸屬函數(shù)法評價的同時，引入綜合系數(shù)法對耐低溫萌發(fā)能力進(jìn)行綜合評價。隸屬函數(shù)法是首先分別計(jì)算了10個鑒定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，然后用10個鑒定指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值L，代表每個自交系的耐低溫萌發(fā)能力，平均隸屬函數(shù)值越小，表示該玉米自交系種子耐低溫能力越弱，反之，則耐低溫萌發(fā)能力越強(qiáng)?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選用來自美國、德國、前南斯拉夫、加拿大和中國的玉米種質(zhì)進(jìn)行耐低溫萌發(fā)能力鑒定研究，篩選耐低溫萌發(fā)能力強(qiáng)的種質(zhì)，為耐低溫種質(zhì)改良和新品種選育提供材料基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料共計(jì)74份，材料包括國內(nèi)外收集的主推玉米品種的親本、解密的美國玉米自交系、改良的德國、前南斯拉夫和加拿大玉米自交系，以及新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究選育的核心玉米自交系。2017年春季將74份自交系種植在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所安寧渠綜合試驗(yàn)場基地，每個材料2行，5 m行長，統(tǒng)一套袋人工授粉繁殖試驗(yàn)種子，統(tǒng)一收獲，自然晾干至標(biāo)準(zhǔn)水分后，精選大小一致的種子作為試驗(yàn)樣品。表1

1.2 方 法

1.2.1 田間耐低溫能力萌發(fā)能力鑒定

將2017年繁殖的74份材料的自交系種子2018年種植于新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所安寧渠綜合試驗(yàn)場基地，2行區(qū)，每行25株，行長2.5 m，株距0.1 m，行距0.55 m，2次重復(fù)，分2期播種，第1期于4月10日播種，播種后13 d統(tǒng)計(jì)田間低溫發(fā)芽勢，之后每天統(tǒng)計(jì)每小區(qū)出苗數(shù)，直至全部穩(wěn)定出苗，計(jì)算田間低溫發(fā)芽指數(shù)和田間低溫出苗率。每個小區(qū)取幼苗根上部分植株10株，烘干后測單株幼苗干重W1，計(jì)算田間低溫活力指數(shù)。第2期于5月3日播種，播種后12 d統(tǒng)計(jì)田間常溫發(fā)芽勢，每天統(tǒng)計(jì)每小區(qū)出苗數(shù)，直至全部穩(wěn)定出苗，計(jì)算田間常溫發(fā)芽指數(shù)和田間常溫出苗率。每個小區(qū)取幼苗根上部分植株10株，烘干后測單株幼苗干重W2，計(jì)算田間常溫活力指數(shù)。

田間低溫出苗勢(LFEP)%=田間低溫播種第13 d的出苗數(shù)/小區(qū)總株數(shù)×100%；

田間低溫出苗率(LFER)%=田間低溫播種后小區(qū)最終出苗數(shù)/小區(qū)總株數(shù)×100%；

田間低溫發(fā)芽指數(shù)(LFGI)=∑(Gt/Dt)，Dt—低溫發(fā)芽日數(shù)，Gt—與Dt相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)；

田間低溫活力指數(shù)(LFVI)=田間低溫出苗率(LFER)%×幼苗干重(W1)；

田間常溫出苗勢(NFEP)%=田間常溫播種第12 d的出苗數(shù)/小區(qū)總株數(shù)×100%；

田間常溫出苗率(NFER)%=田間常溫播種后小區(qū)最終出苗數(shù)/小區(qū)總株數(shù)×100%；

田間常溫發(fā)芽指數(shù)(NFGI)=∑(Gt/Dt)，Dt—常溫發(fā)芽日數(shù)，Gt—與Dt相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)；

田間常溫活力指數(shù)(NFVI)=田間常溫出苗率(NFER)%×幼苗干重(W2)。

玉米種植方式采用無膜化滴灌栽培，滴灌系統(tǒng)灌水，灌水均勻一致，單粒播種，采用單位自主設(shè)計(jì)的點(diǎn)播器人工種植，播種深度一致。第1期播種后第2 d降中量雪5 h左右。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率測定

采用卷紙發(fā)芽法，發(fā)芽紙?jiān)?21℃高壓滅菌鍋消毒30 min，用去離子水浸泡24 h備用。每個材料挑選大小一致，無破損的種子150粒，用1.0%次氯酸鈉消毒3～5 min，沖洗至無味即可；分3次重復(fù)，每重復(fù)50粒種子，用人工智能氣候箱在25℃下發(fā)芽，第4 d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，第7 d統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率。

1.2.3 冷浸發(fā)芽率測定

每個材料挑取大小均勻無破損的種子150粒，分3份，每份50粒，將每份種子用1.0%次氯酸鈉消毒后，沖洗至無味，將每份種子浸泡在250 mL燒杯中，在4℃下處理3 d，取出后用常溫去離子水終止冷害，吸干表面水分后，用卷紙法在25℃下發(fā)芽，第7 d統(tǒng)計(jì)冷浸發(fā)芽率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對調(diào)查的數(shù)據(jù)進(jìn)行基本計(jì)算和處理，每個指標(biāo)的測定值均為各重復(fù)的平均值。采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對參試玉米自交系耐低溫萌發(fā)能力進(jìn)行評價，利用下列公式來計(jì)算各測定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin).

其中X為某一指標(biāo)的測定值，Xmax為該指標(biāo)的最大值，Xmin為最小值，再將各個活力指標(biāo)的隸屬值累加，求總平均值[10]。根據(jù)各自交系平均隸屬函數(shù)值大小確定其耐低溫萌發(fā)能力強(qiáng)弱，平均值越大，耐低溫萌發(fā)能力越強(qiáng)，反之，耐低溫萌發(fā)能力越弱。

采用SPSS 19.0軟件進(jìn)行主成分分析、相關(guān)性分析、方差分析和多元線性回歸分析，其中因子分析選用Kaiser 標(biāo)準(zhǔn)化的正交旋轉(zhuǎn)法，活力綜合評價值用下列公式計(jì)算[11]。

其中j=1，2，…，n，F(xiàn)j表示第j個主因子，Pj表示第j個公因子的貢獻(xiàn)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 參試玉米自交系耐低溫萌發(fā)指標(biāo)

研究表明，參試玉米自交系耐低溫萌發(fā)能力存在豐富的遺傳變異，各鑒定指標(biāo)的變異系數(shù)均超過了10%，其中，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率在63.00%～100.00%，平均值為89.12%，變異系數(shù)為10.10%；冷浸發(fā)芽率在7.94%～99.00%，平均值為47.89%，變異系數(shù)為49.97%；參試玉米自交系冷浸發(fā)芽率顯著低于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率。田間常溫出苗勢在4.00%～92.00%，平均值為44.32%，變異系數(shù)為44.75%，田間常溫出苗率在46.00%～98.00%，平均值為82.35%，變異系數(shù)為12.25%；田間低溫出苗勢在0～42.00%，平均值為5.28%，變異系數(shù)為145.47%，田間低溫出苗率在22.00%～90.00%，平均值為66.92%，變異系數(shù)為12.57%；參試玉米自交系田間低溫出苗勢和出苗率顯著低于田間常溫出苗勢和出苗率。田間常溫發(fā)芽指數(shù)在5.55～22.21，平均值為14.89，變異系數(shù)為21.65%；田間常溫活力指數(shù)在0.01～0.14，平均值為0.08，變異系數(shù)為33.29%；田間低溫發(fā)芽指數(shù)在1.61～16.24，平均值為7.86，變異系數(shù)為33.81%；田間低溫活力指數(shù)在0.02～0.21，平均值為0.08，變異系數(shù)為42.65%；玉米自交系的耐低溫萌發(fā)能力存在顯著差異，在低溫脅迫環(huán)境下，不同玉米自交系在出苗速率、整齊出苗能力上存在顯著差異。表2

表2 玉米自交系耐低溫萌發(fā)能力相關(guān)指標(biāo)Table 2 Correlation index analysis of low temperature germination resistance of maize inbred lines

2.2 參試玉米自交系各耐低溫萌發(fā)鑒定指標(biāo)相關(guān)性

研究表明，參試玉米自交系各耐低溫萌發(fā)鑒定指標(biāo)之間相互獨(dú)立又存在緊密聯(lián)系，各指標(biāo)相關(guān)性分析結(jié)果表明，相關(guān)系數(shù)在0.329～0.698；冷浸發(fā)芽率和田間常溫活力指數(shù)存在顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.262，和其它鑒定指標(biāo)存在極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.327～0.479；田間常溫出苗勢和其它鑒定指標(biāo)存在極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.454～0.935；田間常溫出苗率和田間低溫出苗勢存在顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.260，和其它鑒定指標(biāo)存在極顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)在0.328～0.859。田間低溫出苗勢、出苗率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和田間常溫發(fā)芽指數(shù)及活力指數(shù)與其它指標(biāo)間均存在極顯著的相關(guān)性。表3

表3 玉米自交系各耐低溫萌發(fā)能力指標(biāo)間相關(guān)性Table 3 Correlation analysis of low temperature germination tolerance of maize inbred lines

2.3 參試玉米自交系各耐低溫萌發(fā)鑒定指標(biāo)主成分

研究表明，KMO值=0.754，P值<0.001，各鑒定指標(biāo)之間存在相關(guān)性，適合做主成分分析。根據(jù)旋轉(zhuǎn)后的因子載荷矩陣結(jié)果及初始特征值大于1的要求做主成分分析，得到2個公因子，這2個綜合評價指標(biāo)的貢獻(xiàn)率分別為59.806%和13.748%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為73.554%，將原來的10個耐低溫萌發(fā)單項(xiàng)鑒定指標(biāo)轉(zhuǎn)換為3個新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，第一主成分相當(dāng)于5.981個原始指標(biāo)的作用，主要包括田間常溫出苗率、田間常溫發(fā)芽指數(shù)、田間常溫出苗勢、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、田間常溫活力指數(shù)?？煞从吃艰b定指標(biāo)信息量的59.806%；第二主成分相當(dāng)于1.375個原始鑒定指標(biāo)的作用，主要包括田間低溫發(fā)芽指數(shù)、田間低溫活力指數(shù)、田間低溫出苗勢、田間低溫出苗率；這2個因子代表了原始鑒定指標(biāo)攜帶的73.554%的信息。表4

表4 玉米自交系各耐低溫萌發(fā)能力指標(biāo)的主成分Table 4 Principal component analysis of low temperature germination tolerance of maize inbred lines

2.4 參試玉米自交系耐低溫萌發(fā)能力綜合評價

隸屬函數(shù)值能鑒定植物的耐冷性[12]，為了更準(zhǔn)確的評價玉米自交系種子的耐低溫萌發(fā)能力，利用模糊隸屬函數(shù)法評價的同時，引入綜合系數(shù)法對耐低溫萌發(fā)能力進(jìn)行綜合評價。

隸屬函數(shù)法是首先分別計(jì)算了10個鑒定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，用10個鑒定指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值L，代表每個自交系的耐低溫萌發(fā)能力，平均隸屬函數(shù)值越小，表示該玉米自交系種子耐低溫能力越弱，反之，則耐低溫萌發(fā)能力越強(qiáng)。

研究表明，綜合系數(shù)法是根據(jù)主成分分析獲得的2個公因子，計(jì)算種子耐低溫萌發(fā)能力綜合評價值D，2種方法獲得的結(jié)果基本一致，相關(guān)性達(dá)到0.965。根據(jù)D值排序，數(shù)值越小，表示耐低溫萌發(fā)能力越弱，數(shù)值越大，表明種子耐低溫萌發(fā)能力越強(qiáng)，最終將參試玉米自交系分成5個等級，1級表示種子耐低溫萌發(fā)能力極弱，包含3份自交系，分別是Shen137、D3M、JSH2402，占參試自交系的4%，5級代表種子耐低溫萌發(fā)能力極強(qiáng)，包含1份自交系Xinzi3113，占參試自交系的1%，耐低溫萌發(fā)能力較弱(2級)的自交系13份，占參試自交系的18%，耐低溫萌發(fā)能力較強(qiáng)的(4級)的12份，占參試自交系的16%，耐低溫萌發(fā)能力中等(3級)自交系45份，占參試自交系的61%。

2.5 耐低溫萌發(fā)能力鑒定指標(biāo)的篩選

為篩選可靠的耐低溫萌發(fā)鑒定指標(biāo)，建立可用于玉米自交系種子耐低溫萌發(fā)能力評價的數(shù)學(xué)模型，把耐低溫萌發(fā)能力綜合評價值(D值)作因變量，把各單項(xiàng)鑒定指標(biāo)作自變量，采用逐步回歸方法建立最優(yōu)回歸方程：

Y耐低溫=0.162+0.250XNFGI+0.246XLFGI(R2=0.999，P<0.001)。

研究表明，常溫田間發(fā)芽指數(shù)和低溫田間發(fā)芽指數(shù)這2個指標(biāo)對自交系種子耐低溫萌發(fā)能力評價有顯著影響，在自交系耐低溫能力鑒定中可以選擇性地測定這些指標(biāo)使工作流程簡化。用該回歸方程對自交系種子耐低溫能力進(jìn)行預(yù)測，其預(yù)測值(Y)與綜合評價值(D)相關(guān)系數(shù)為0.999，預(yù)測值(Y)與隸屬函數(shù)值(L)相關(guān)系數(shù)為0.956，三者高度相關(guān)，而且評價排序結(jié)果基本一致?？梢杂迷摶貧w方程對玉米自交系種子耐低溫萌發(fā)能力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。

3 討 論

種子活力涉及的性狀多，遺傳基礎(chǔ)復(fù)雜，并且受到發(fā)育、收獲及貯藏期間環(huán)境因素的影響，尋找?guī)讉€有效的單一性狀來評價種子活力還需要大量的研究[13]。研究以耐低溫為突破口，分析不同玉米自交系的耐低溫萌發(fā)能力，在評價不同自交系的低溫發(fā)芽能力的同時，用簡易活力指數(shù)分析了種子的自身活力，可以有效克服自交系種子本身活力差異所產(chǎn)生的影響。耐低溫種質(zhì)資源的鑒定主要包括田間鑒定法和室內(nèi)鑒定法。田間鑒定直接利用自然低溫環(huán)境，一般以調(diào)整播期來創(chuàng)造低溫脅迫環(huán)境，通過對耐低溫相關(guān)性狀指標(biāo)的觀測來鑒定耐低溫種質(zhì)資源，此鑒定方法接近大田實(shí)際情況[14]。不同玉米自交系種子萌芽期的耐低溫能力不同，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等常作為評價種子發(fā)芽的指標(biāo)[12]，玉米自交系種子在萌發(fā)過程中，可以反映種子的發(fā)芽速度、發(fā)芽整齊度及種子的發(fā)芽活力，可用于萌芽期耐低溫材料的篩選。研究利用田間和室內(nèi)2種方式，評價自交系的耐低溫能力，結(jié)果表明，不同玉米自交系種子在不同溫度處理下反應(yīng)不一，發(fā)芽受損率有明顯變化，這與吳建慧[15]研究結(jié)論一致。試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)5份自交系(分別是D3M、3376F、3564F、29MIBZ2、PHP02)在田間低溫出苗率反而高于田間常溫出苗率，這可能由于自交系種子在是低溫脅迫環(huán)境下種子吸水速率降低，有利于細(xì)胞通過自我修復(fù)來提高玉米種子活力和出苗率[16]。

研究對74份具有豐富遺傳多樣性的玉米自交系種子進(jìn)行了耐低溫能力檢測，結(jié)果表明，參試玉米自交系的耐低溫萌發(fā)能力存在顯著差異，在低溫脅迫環(huán)境下，不同玉米自交系在出苗速率，整齊出苗能力上存在顯著差異。10個鑒定指標(biāo)之間存在顯著或極顯著的相關(guān)性，通過逐步回歸建立了玉米自交系種子活力評價的數(shù)學(xué)模型，篩選出常溫田間發(fā)芽指數(shù)和低溫田間發(fā)芽指數(shù)2個顯著影響種子耐低溫萌發(fā)能力的單項(xiàng)指標(biāo)，為苗期耐低溫萌發(fā)鑒定提供了科學(xué)依據(jù)。

研究中，主成分分析中篩選出的2個主因子包含了所有的10個指標(biāo)，但只能解釋73.554%的差異，這是由于除研究所用的指標(biāo)，仍存在其他一些影響種子活力的因素。細(xì)胞內(nèi)氧化和抗氧化系統(tǒng)的平衡在種子活力保持和修復(fù)過程中起著至關(guān)重要的作用，與之相關(guān)的脯氨酸含量、丙二醛含量、抗氧化酶活性、電導(dǎo)率等生理指標(biāo)常用來評價種子活力[17-18]。

篩選出種子耐低溫萌發(fā)能力極弱自交系3份，田間低溫發(fā)芽率在22.00%～56.00%，冷浸發(fā)芽率在10.55%～29.00%，篩選出耐低溫萌發(fā)能力極強(qiáng)的自交系1份，田間低溫發(fā)芽率87.00%，冷浸發(fā)芽率在99.00%，篩選出的特異性材料，可以作為耐低溫QTL定位，遺傳研究、種質(zhì)創(chuàng)新和新品種選育的基礎(chǔ)材料。

4 結(jié) 論

通過對74份玉米自交系耐低溫萌發(fā)能力綜合分析評價，篩選出耐低溫萌發(fā)能力極弱自交系3份，分別是Shen137、D3M、JSH2402，田間低溫發(fā)芽率在22.00%～56.00%，冷浸發(fā)芽率在10.55%～29.00%，篩選出耐低溫萌發(fā)能力極強(qiáng)的自交系是Xinzi3113，田間低溫發(fā)芽率87.00%，冷浸發(fā)芽率在99.00%，這些材料將應(yīng)用于耐低溫QTL定位，種質(zhì)創(chuàng)新及新品種選育研究中。通過耐低溫萌發(fā)鑒定指標(biāo)的篩選，篩選出常溫田間發(fā)芽指數(shù)和低溫田間發(fā)芽指數(shù)2個顯著影響種子耐低溫萌發(fā)能力的單項(xiàng)指標(biāo)。建立了1個數(shù)學(xué)模型，利用該回歸方程Y耐低溫=0.162+0.250XNFGI+0.246XLFGI，有效的對玉米自交系種子耐低溫萌發(fā)能力進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。