刁玉霖 朱 敏 李鳳海 呂香玲 王宏偉 杜萬里 鐘雪梅 史振聲 朱康寧

（沈陽農(nóng)業(yè)大學特種玉米研究所，沈陽110866）

玉米是典型的C4喜溫植物[1]，在生長發(fā)育的各個時期對低溫冷害均表現(xiàn)較為敏感。玉米生育前期遭遇低溫冷害是造成玉米減產(chǎn)的重要原因[2]。Janda等[3]研究表明，當環(huán)境溫度低于10℃時就容易誘發(fā)低溫冷害。大量研究表明，低溫冷害導(dǎo)致玉米出苗率降低、幼苗生長緩慢、生育期延遲，最終導(dǎo)致產(chǎn)量下降[4-5]。中國東北地區(qū)是我國玉米主產(chǎn)區(qū)，低溫冷害已經(jīng)成為影響該地區(qū)玉米早期生長發(fā)育的主要非生物逆境因素[6]，播種期易出現(xiàn)“倒春寒”現(xiàn)象，使玉米在萌芽階段遭受低溫危害，致使玉米產(chǎn)量下降。與普通玉米相比，甜玉米對栽培及氣候條件都更加敏感，在各個時期更易遭受低溫冷害的影響。低溫冷害導(dǎo)致甜玉米的成活率低，延長了出苗時間、抑制了幼苗生長發(fā)育、降低了幼苗活力，從而導(dǎo)致后期產(chǎn)量下降[7-9]。選育耐冷玉米新品種是應(yīng)對東北地區(qū)低溫冷害的主要途徑，而鑒定和篩選甜玉米耐冷種質(zhì)是選育耐冷品種的重要前提。以往學者對玉米種質(zhì)進行耐冷性鑒定主要是利用人工氣候箱控制溫光條件，測定相關(guān)形態(tài)指標進行耐冷性評價，選用10℃左右作為玉米耐冷性鑒定的臨界溫度。趙玉田等[10]研究表明，玉米芽期耐冷性與苗期呈顯著正相關(guān)。因此，芽期篩選耐冷性強的甜玉米自交系對選育耐冷玉米品種具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外研究者利用普通玉米開展了耐冷性相關(guān)的遺傳基礎(chǔ)、分子機制及生理生化等方面的研究。然而，關(guān)于東北地區(qū)甜玉米耐冷性的研究則報道較少。本研究利用30份甜玉米自交系，通過在芽期進行低溫脅迫處理，測定苗長、根長、苗干重、苗鮮重、根干重、根鮮重等指標，并計算發(fā)芽率、活力指數(shù)、各耐冷性評價指標相對值及綜合D值，采用聚類分析法快速有效地評價甜玉米自交系的耐冷性。為建立甜玉米耐冷種質(zhì)鑒定技術(shù)體系奠定基礎(chǔ)，從而為甜玉米耐冷育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料供試甜玉米自交系為沈陽農(nóng)業(yè)大學特種玉米研究所提供的30份甜玉米自交系（編號：T1~T30）。

1.2 試驗方法在30份自交系中選取飽滿、成熟度高的種子，分別用0.5%的次氯酸鈉消毒10min，然后用蒸餾水沖洗3次，吸干種子表面的水。將砂子高溫消毒處理，恢復(fù)至室溫備用。試驗分為低溫處理組（溫度12℃、濕度75%、培養(yǎng)14d）和對照組（溫度25℃、濕度75%、培養(yǎng)7d），種子播于加等量水混勻的砂床中，3次重復(fù)。將2組發(fā)芽盒分別放入恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)發(fā)芽，調(diào)查2組種子發(fā)芽情況，測量苗長、根長、苗鮮重、根鮮重、苗干重、根干重。耐冷性評價指標計算：發(fā)芽率（%）=（發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100，活力指數(shù)=發(fā)芽率（%）×根長（cm），指標相對值＝XL/XN，式中XL為低溫組下各指標值，XN為對照組各指標值[11]。綜合評價D值D=[μ（Xj）·（rj/∑|rj|）]（j=1，2，3…n），式 中，D值為各自交系在低溫下用綜合生理指標體系評價所得的耐冷性度量值；μ（Xj）為第j個指標的隸屬函數(shù)值；rj為自交系第j個指標與耐冷指數(shù)間的相關(guān)系數(shù)[12]。

1.3 數(shù)據(jù)分析本試驗的顯著性、聚類分析和相關(guān)性分析均利用SPSS統(tǒng)計軟件分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對甜玉米自交系發(fā)芽率及活力指數(shù)的影響低溫脅迫處理時不同玉米自交系發(fā)芽率和活力指數(shù)不同。30份自交系低溫脅迫后供試材料T6、T9、T11、T25、T26、T28發(fā)芽率較對照組下降；T3、T15、T24和T27與對照組相同，其余自交系發(fā)芽率均比對照組升高。與對照組相比發(fā)芽率未發(fā)生明顯變化、發(fā)芽率提高的材料耐冷性較強。因此，低溫脅迫下，從相對發(fā)芽率較高的自交系來看（圖1），耐冷性強的自交系為T2、T18、T19、T22（相對發(fā)芽率≥ 2.00），耐冷性弱的自交系為 T9、T11、T26（相對發(fā)芽率≤0.90）。

圖1 不同基因型甜玉米自交系相對發(fā)芽率

活力指數(shù)反映的是發(fā)芽率和根長的綜合指標，能反映出自交系發(fā)芽率和胚根的生長情況。從30份甜玉米自交系的相對活力指數(shù)看（圖2），相對活力指數(shù)≥2.00的占30%，相對活力指數(shù)＜1.00的占20%，相對活力指數(shù)高的種子對低溫具有較強的抵抗能力。因此根據(jù)相對活力指數(shù)篩選的耐冷性強的自交系為T16、T18、T19、T22（相對活力指數(shù)≥ 2.60），冷敏感的自交系為 T9、T11、T25、T26、T27（相對活力指數(shù)≤0.90）。

圖2 不同基因型甜玉米自交系相對活力指數(shù)

2.2 低溫脅迫對甜玉米自交系形態(tài)指標的影響

2.2.1 苗長與根長30份自交系低溫處理和對照組苗長和根長的變化均很大，說明不同材料對低溫耐受能力差異較大，自交系之間的基因型豐富。低溫脅迫下，大部分自交系的苗長比對照組降低，占總材料的83%，只有少部分自交系的苗長未發(fā)生明顯變化或苗長增加，說明該部分的自交系耐冷性較強。因此根據(jù)相對苗長篩選的耐冷性強的自交系為T8、T12、T16、T19、T29（相對苗長≥1.00），冷敏感的自交系為 T9、T10、T11、T26（相對苗長≤ 0.72）（圖 3）。

圖3 不同基因型甜玉米自交系相對苗長

由相對根長的測定結(jié)果可知（圖4），低溫脅迫下T3、T16、T17、T19、T21的相對根長均≥1.50，T13、T26、T27的相對根長均≤0.90。因此根據(jù)相對根長篩選的耐冷性強的自交系為T3、T16、T17、T19、T21，冷敏感的自交系為 T13、T26、T27。

圖4 不同基因型甜玉米自交系相對根長

圖5 不同基因型甜玉米自交系相對苗干重

2.2.2 苗干重與根干重苗干重和根干重反映的是植株干物質(zhì)積累量。冷敏感的甜玉米自交系的苗干重和根干重較對照組呈下降趨勢，而抗性甜玉米自交系的苗干重和根干重較對照組呈上升趨勢。從苗干重來看（圖5），低溫脅迫下，相較于對照組，大部分自交系的苗干重下降，占總材料的73.3%，還有26.7%的自交系的苗干重反而上升，說明這部分材料的耐冷性較強，低溫脅迫后其干物質(zhì)的積累有所提高。因此根據(jù)相對苗干重篩選出的耐冷性強自交系為T3、T8、T12、T25（相對苗干重≥1.05），冷敏感的自交系為T2、T9、T11、T18、T28（相對苗干重≤ 0.70）。

低溫脅迫下根干重的測定結(jié)果表明（圖6），相比于對照組，63.3%的甜玉米自交系的根干重增加，36.7%的自交系根干重下降，其中T1、T22相對根干重≥1.90，T8、T27相對根干重≤0.70。說明低溫脅迫下增加玉米的干物質(zhì)積累量能夠在一定程度上在玉米芽期有效地抵抗冷害。

圖6 不同基因型甜玉米自交系相對根干重

2.2.3 苗鮮重與根鮮重相較于對照組，低溫脅迫下冷敏感甜玉米自交系的苗鮮重和根鮮重呈下降趨勢，而抗性甜玉米自交系的苗鮮重和根鮮重呈上升趨勢。從相對苗鮮重來看，T1、T3、T8、T12、T19的相對苗鮮重均≥1.15，T9、T10、T11、T18的相對苗鮮重均≤0.70。相對苗鮮重較大的自交系屬于耐冷型，較小的則屬于冷敏感型（圖7）。

圖7 不同基因型甜玉米自交系相對苗鮮重

低溫脅迫下根鮮重的測定結(jié)果表明，相比于對照組 T1、T3、T12、T21相對根鮮重≥ 2.40，T8、T10、T27、T30相對根鮮重≤0.70（圖8），表明相對根鮮重大的自交系對低溫的耐受性較強，低溫對其在芽期胚根的生長影響并不是很大，而相對根鮮重較小的自交系則屬于冷敏感型，低溫影響了該類型自交系的植株生長。

圖8 不同基因型甜玉米自交系相對根鮮重

2.3 不同基因型甜玉米自交系綜合D值通過計算得出各個甜玉米自交系的綜合D值，并進行排序，根據(jù)綜合D值的大小來綜合評價各甜玉米自交系耐冷性的強弱，綜合D值越大表明其耐冷性越強，反之越弱。從圖9中可以看出T19、T22、T2、T1、T29、T3、T12綜合D值較大，為耐冷性強的自交系，T24、T26、T27、T10、T9、T11綜合D值較小，表明其對低溫脅迫敏感，耐冷性弱。

圖9 不同基因型甜玉米自交系綜合D值

圖10 30份甜玉米自交系聚類圖

2.4 不同基因型甜玉米自交系耐冷性聚類分析對30份甜玉米自交系各項指標進行聚類分析（圖10），在歐式距離為7.51處將供試甜玉米自交系分為3大類群。第Ⅰ類群：T29、T1、T3、T12、T16、T21、T18、T8、T4、T2，該類群在低溫脅迫下發(fā)芽率受影響較小，植株生長較為正常，該類群屬于強耐冷型。第Ⅱ類群：T20、T19、T30、T17、T22、T5、T23、T14、T7，此類自交系中在低溫脅迫條件下有多個測定指標高于其他自交系，但其余指標表現(xiàn)不佳，該類群屬于中等耐冷型。第Ⅲ類群：T11、T9、T10、T13、T28、T25、T15、T24、T6、T26、T27，該類群受低溫影響明顯，個別指標高于對照組，但其余指標較對照組較低，植株生長受到抑制，該類群屬于冷敏感型。

對聚類分析后的3類耐冷性甜玉米自交系各個指標相對值取平均值，從表1中可以看出，除相對根長、相對根鮮重外其他指標在強耐冷型與中等耐冷型間無顯著性差異，但與冷敏感類型存在顯著差異；相對根長、相對根鮮重在強耐冷型、中等耐冷型以及冷敏感類型間均存在顯著差異，表明這2個指標對冷脅迫較敏感。

低溫脅迫下甜玉米自交系各指標相關(guān)性分析表明（表2），綜合D值與其余各項指標都達到了極顯著相關(guān)；相對發(fā)芽率與相對活力指數(shù)極顯著相關(guān)；相對根鮮重與相對根干重、相對根長極顯著相關(guān)；相對苗干重與相對苗長、相對根長極顯著相關(guān)；相對苗長與相對根長、相對活力指數(shù)極顯著相關(guān)；相對根長與相對活力指數(shù)極顯著相關(guān)。除了相對根干重、相對發(fā)芽率，相對苗鮮重與其余各項指標均達到顯著或極顯著相關(guān)。

表1 3類甜玉米自交系各指標平均相對值的相關(guān)分析

表2 不同基因型甜玉米自交系各指標相對值和綜合D值間的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

玉米芽苗期冷害程度主要取決于溫度和低溫時間的長短。玉米耐冷性的研究主要集中在耐冷生理指標的鑒定上。大量研究表明，多指標的綜合篩選是鑒定玉米耐冷性的有效途徑。張紅穎等[11]通過發(fā)芽率、胚根長度、活力指數(shù)、相對活力指數(shù)、相對發(fā)芽率等5個指標對多個玉米自交系進行了耐冷性的鑒定，篩選出9個耐冷性強的甜玉米自交系和一些對冷敏感的甜玉米自交系，為甜玉米耐冷性的研究提供了特異種質(zhì)資源。楊光等[13]則用相對發(fā)芽率作為資源耐冷性鑒定指標，篩選出3個抗冷自交系。鄭昀曄等[14]認為相對發(fā)芽率、相對幼苗總干重、相對地上部苗干重、相對根干重之間顯著相關(guān)，均可以較好地反映品種耐冷性。這些研究均驗證了多指標耐冷性鑒定的可靠性。

本研究表明，低溫脅迫條件下，部分甜玉米自交系從某單一指標來看表現(xiàn)出較強的耐冷性，但綜合指標鑒定結(jié)果表明，該自交系的耐冷性表現(xiàn)一般。試驗對30個甜玉米自交系在芽期進行了聚類分析，將自交系對低溫的表現(xiàn)劃分為耐冷性強、中等、冷敏感3 大類，結(jié)果表明：T29、T1、T3、T12、T16、T21、T18、T8、T4、T2是耐冷性強自交系；T20、T19、T30、T17、T22、T5、T23、T14、T7是 耐 冷 型 中等 自 交 系；T11、T9、T10、T13、T28、T25、T15、T24、T6、T26、T27是冷敏感型自交系；同時，根據(jù)綜合D值結(jié)果表明T19、T22、T2、T1、T29、T3、T12為耐冷性強的自交系，T24、T26、T27、T10、T9、T11為冷敏感自交系；綜合2個評價體系及對照組發(fā)芽率（對照組發(fā)芽率≥80%），本研究得出T12為耐冷性強自交系，T27是冷敏感自交系，為后續(xù)研究甜玉米耐冷生理生化、遺傳機理提供了試材，進而為甜玉米耐冷品種的選育與改良提供了理論依據(jù)。