高密度胁迫下玉米自交系耐密性鉴定指标筛选及综合评价

王富贵 于晓芳 李懿璞 苏治军 包海柱 胡树平 刘剑 王志刚 高聚林

摘要：  为探讨不同玉米自交系的耐密性，筛选耐密性鉴定指标，选取20份玉米自交系材料，设置12万株/hm2 和15万株/hm2 2个种植密度，调查玉米单株产量、生物量、形态及光合特性等指标，用指标归一化分析、模糊隶属函数法分析及聚类分析对自交系耐密性进行综合评价。结果表明，不同指标在玉米自交系间呈显著差异；以各指标相对值的变异系数≥15%作为筛选标准，选出相对单株产量、相对茎粗、相对干物质积累量、相对叶绿素相对含量、相对秃尖长和相对行粒数6个指标作为耐密性评价指标；利用指标归一化的变异系数作为权重，采用模糊隶属函数综合指数对玉米自交系进行耐密性评价，发现其综合指数差异较大；进一步利用综合指数进行聚类分析，将20份自交系材料分为强耐密、中度耐密和弱耐密3个类型，且不同类型玉米自交系间6个主要指标差异显著。在相同处理条件下，通过测定相对单株产量、相对茎粗、相对干物质积累量、相对叶绿素相对含量、相对秃尖长和相对行粒数6个指标，可以对玉米自交系耐密性进行评价。

关键词： 高密度胁迫；玉米自交系；耐密性；模糊隶属函数；综合评价

中图分类号：S513.037  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2024）02-0040-06

玉米是我国重要的粮食作物，同时也是集饲料、油料和 加工为一体的多种用途作物，其高产稳产对发展国民经济和保障粮食安全至关重要［1］。合理增密是目前生产中实现玉米高产的主要措施之一［2-3］。通过选择种植耐密性强的玉米杂交种，增加群体密度来实现产量的再提升［4-5］，而创制和推广耐密型杂交种成为玉米育种的关键。玉米自交系是育种基础种质资源，其耐密性强弱决定了玉米杂交种的耐密性［6］，因此，优良耐密性强的自交系是培育高产耐密植玉米杂交种的关键，也是玉米耐密性育种工作的难点所在［7-8］。

关于玉米耐密性的研究很多，主要集中在杂交种上，但评价指标也因研究目的不同而不一致。前人提出单株产量耐密系数可以将玉米耐密性进行量化处理，可初步对玉米的耐密性进行评价［9］。李晓鹏等的研究表明，穗位高、穗位系数、茎秆基部节间强度、棒三叶茎叶夹角、棒三叶叶面积、田间倒伏率等6个指标，可以对玉米耐密自交系进行筛选［10］。雷志刚等采用36份国内骨干玉米自交系对不同年代玉米自交系的产量及产量构成因素与散粉—吐丝间隔期（ASI）的关系进行了研究，ASI与产量显著负相关，ASI可作为自交系耐密性选择的重要参考［11］。齐建双等认为，对玉米自交系耐密性的预测可以采用耐密系数与ASI、空秆率、单株产量相结合的方法［12］。任小燕等的研究表明，耐密性强的玉米自交系随着密度的增加，穗三叶叶向值增大，株高、穗位高和茎秆强度变化小，产量有上升趋势［13］。还有很多类似关于玉米自交系耐密性的研究报道［14-18］。进一步说明，玉米自交系耐密性的筛选与评价是一个比较复杂的问题［19］，并且在玉米育种领域也还没形成一致的标准［11］。因此，必须在高种植密度压力下，从玉米自交系的单株产量、生物量、形态和光合性状等多方面进行评价，进一步认识玉米自交系耐密性［20-22］。

不同玉米自交系的生长发育对种植密度变化从不同方面进行响应，因此，玉米自交系对高密度胁迫的响应及其耐密性强弱的正确评价难以用单指标客观、准确地反映。对耐密性玉米自交系有效准确地筛选与评价需采用综合评价方法以及适宜的指标。对玉米自交系耐密性综合评价与筛选采用隶属函数法［23-24］，可避免单个指标评价的不足，使各自交系耐密性差异具有可比性。

本研究采用课题组前期试验筛选出的耐密性不同的10个玉米杂交种的20份亲本自交系为供试材料［25-26］，研究13个与玉米耐密性密切相关的指标，并进行指标归一化分析、模糊隶属函数法分析及聚类分析，探寻高密度胁迫下玉米自交系耐密性鉴定和评价指标，筛选出耐密性强的玉米种质资源，为玉米自交系耐密性的筛选及评价和创制耐密性玉米新种质资源提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点及肥力状况

2020—2021年，试验在内蒙古农业大学职业技术学院的中国·敕勒川现代农业博览园（40°35′N，110°34′E）进行；试验地前茬作物为玉米，土质为沙壤土，耕层（0～30 cm）土壤基础肥力见表1。

1.2 试验材料

供试材料为20份玉米自交系（表2），来源于笔者 所在课题组玉米研究中心种质资源库及其他育 种单位馈赠。

1.3 试验设计

采用裂区试验设计，种植密度为主区，分别为12万株/hm2（D1）和15万株/hm2（D2），不同玉米自交系为副区；9行区，行长6 m，等行距种植，行距为0.6 m，面积为32.4 m2，重复3次；分别于2020年4月28日和2021年4月25日播种，2020年10月4日和2021年10月3日收获测产。施纯N 225 kg/hm2、P2O5 150 kg/hm2、K2O 105 kg/hm2；其中，磷钾肥作基肥播种时一次性施入，氮肥按质量比为3 ∶ 7于拔节期和大喇叭口期施用，其他田间管理方式与大田生产一致。

1.4 测定指标

灌浆期，测定株高（X1）、穗位高（X2）及茎秆基部以上第3節茎粗（X3）；吐丝期，测定穗位叶片叶绿素相对含量（X4）、净光合速率（X5）、干物质积累量（X6）；成熟收获后，在考种时测定果穗样品的穗长（X7）、穗粗（X8）、秃尖长（X9）、穗行数（X10）、行粒数（X11）、千粒质量（X12）及单株产量（X13）。

1.5 数据统计与分析

采用Excel 2016及DPS软件对数据进行统计和分析，采用t检验和LSD法进行显著性比较；采用SPSS 25.0进行聚类分析（欧氏距离-离差平方和法）；2年玉米自交系产量数据差异不显著（表3），因此其他性状指标分析时采用2年平均值。相关性状计算如下［26-27］：

Xij=高密度处理指标值/低密度处理指标值；  （1）

Pij= （Xij-Xijmin） （Xijmax-Xijmin） ；  （2）

或 Pij= （Xijmax-Xij） （Xijmax-Xijmin） ；  （3）

Wj= CVj ∑ 13 j=1 CVj ；  （4）

Pi=∑ 13 j=1 Pij×Wj。  （5）

式中，Pij 为第i个供试材料第j个性状的隶属函数值；Xijmax为供试材料第 j个性状的最大值；Xijmin为供试材料第 j 个性状的最小值； Wj为供试材料第 j 个性状值归一化变异系数的权重；CVj为供试材料第j个指标的变异系数；Pi为第i个供试材料的耐密性综合评价指数。公式（2）适用于性状值大反映耐密性强的性状指标，公式（3）则相反。

2 结果与分析

2.1 不同玉米自交系籽粒产量差异

对20份玉米自交系籽粒产量在年份、密度和自交系之间的方差分析结果（表3）表明，籽粒产量在密度和自交系间均呈极显著差异，在试验年份间差异不显著，在密度与自交系互作间差异极显著，在其他互作间差异不显著。

2.2 玉米自交系形态和光合特性方差分析

对20份玉米自交系植株形态、生物量、光合特性及单株产量等13个相关指标进行方差分析，结果（表4）表明，D2与D1处理相比，株高、净光合速率和穗行数均差异显著，其他各性状指标差异极显著；不同玉米自交系间各性状指标均差异极显著；密度与自交系对株高、穗位高和穗行数无互作效应，对其他各性状指标互作显著或极显著。

2.3 玉米自交系耐密性指标筛选

由表5可知，与D1处理相比，D2处理下玉米自交系单株产量、生物量、形态和光合性状呈显著或者极显著差异。随着密度胁迫的进一步提高，玉米自交系株高和穗位高分别升高了4.6%和6.7%，茎粗降低了22.3%；叶绿素相对含量和净光合速率分别降低了21.1%和20.9%；干物质积累量随着种植密度的增大而下降，下降幅度为21.8%；由于密度的增加自交系穗部性状发生变化，穗长、穗粗、穗行数、行粒数和千粒质量呈降低趋势，分别降低8.8%、7.1%、3.7%、22.6% 和6.9%，而秃尖长增大140.0%；单株产量降低了28.2%。

由表5可知，高密度胁迫下，单株产量、株高、穗位高、茎粗、干物质积累量、叶绿素相对含量、净光合速率、秃尖长、行粒数、千粒质量等10个指标在不同玉米自交系之间的变异系数较大，均高于15%，分别为25.20%、17.24%、27.54%、15.37%、24.04%、19.07%、19.61%、83.43%、21.56%和17.73%；而单株产量、茎粗、干物质积累量、叶绿素相对含量、秃尖长和行粒数6个性状指标的相对值的变异系数也较大（变异系数≥15%），分别为19.15%、16.17%、16.17%、15.59%、40.32%、17.35%；因此，选择玉米自交系耐密性评价指标可以采用上述6个性状指标的相对值。

2.4 玉米自交系耐密性评价

2.4.1 玉米自交系耐密性评价指标的权重 由表6可知，将指标相对值变异系数进行归一化处理后，6个变异系数较大的指标权重大小不同，权重最大的是相对秃尖长，为32.3%，相对单株产量次之，为15.4%，相对叶绿素相对含量最小，为12.5%。

2.4.2 玉米自交系模糊隶属函数综合评价 不同玉米自交系耐密性模糊隶属函数综合指数高低差异较大（表7），分布在0.008～0.963范围之内，耐密性较强的前5个自交系分别为PH4CV、L269、郑58、昌7-2、KW7M14，耐密性较弱的5个自交系分别为k12、Mo17、M5168、R37和PH6WC。

2.5 玉米自交系聚类分析

由图1可知，对玉米自交系模糊隶属函数综合指数采用离差平方和法进行聚类分析，发现20份玉米自交系在距离为5时可分成3类。第Ⅰ类是强耐密型，包括郑58、昌7-2、L201、KW7M14、PH4CV、L269、KW4M029，共7份自交系材料；第Ⅱ类为中间型，共7份自交系材料，包括M3401、DH382、浚92-8、P2、DH351、444和巴816；第Ⅲ类是弱耐密型，包括k12、Mo17、R37、M5168、9058、PH6WC，共6份自交系材料；表明不同玉米自交系对增加种植密度的反应差异较大。

2.6 不同耐密类型玉米自交系主要指标对高密度胁迫的响应

根据玉米自交系耐密性聚类分析的结果，通过比较不同耐密类型的玉米自交系6个筛选指标的相对值（表8）发现，各指标相对值差异显著。与D1处理相比，在D2处理条件下，强耐密型玉米自交系茎粗、干物质积累量、叶绿素相对含量、行粒数的相对值分别降低了6.3%、6.9%、7.1%、6.6%，秃尖增大了59.9%；弱耐密型玉米自交系茎粗、干物质积累量、叶绿素相对含量、行粒数和单株产量相对值分别降低了33.9%、35.1%、34.4%、36.0%，秃尖增大了294.0%。与弱耐密型玉米自交系相比，强耐密型玉米自交系茎粗、干物质积累量、 叶绿素相对 含量、行粒数和单株产量的相对值分别提高了41.8%、43.5%、41.6%、45.9%、52.6%，相对秃尖长降低了59.4%，以相对秃尖长的变化最大，说明高密度胁迫下强耐密型玉米自交系秃尖的增长幅度小于弱耐密型。

3 讨论与结论

前人在耐密型玉米自交系的评价和耐密性差异性比较方面做了大量有价值的研究，在指标选取方面，茎秆基部节间强度、棒三叶形态特性、ASI、穗位系数、田间倒伏率、空秆率、单株产量、耐密系数等均可作为耐密性评价指标［9-13］，但大部分評价采用单个或少数几个指标进行，存在一定的片面性，而玉米自交系的耐密性评价是多系统的综合性问题，须采用适宜指标综合评价其耐密性的强弱。因此，笔者所在课题组前期在玉米高产品种耐密性生理机制研究中，提出了利用指标归一化变异系数作为权重后，再采用模糊隶属函数综合指数对玉米品种进行耐密性综合比较分析的方法，该方法考虑了各评价指标的优先序，克服了传统方法利用单一指标评价的局限性，弥补了单一或少数几个指标评价的不足；但此方法对玉米耐密性的评价是在10.5万株/hm2密度下进行的，是对杂交种的耐密性评价［27-28］。而耐密自交系的选择需要高密度、强胁迫，密度越高指标的差异越大［29］，现有杂交种的指标显然不适宜自交系的评价，须进一步建立玉米自交系耐密性评价的指标体系。

本研究在15万株/hm2高密度胁迫下，对株高、茎粗、干物质积累量、叶绿素相对含量、光合速率等指标进行了分析，并利用各个指标的相对值对自交系的耐密性进行了评价，各指标对高密度胁迫的敏感程度可以通过其相对值（高低密度水平下的比值）来反映，高密度胁迫对不同玉米自交系各指标的影响程度可以通过其相对值的变异系数来反映，变异系数越大，各性状指标对种植密度胁迫的响应差异越明显［26］。因此，本试验通过比较各指标相对值及其变异系数的大小，得到玉米自交系耐密性强弱的评价指标，分别为单株产量、茎粗、干物质积累量、叶绿素相对含量、秃尖长和行粒数的相对值。

种植密度对玉米自交系生长发育的影响是多方面的，其耐密性是一个综合的生理反应，容易受到自身综合性状及外界环境的干扰，导致玉米自交系间耐密性存在显著差异［12］，应该对其进行综合分析和评价。本研究中采用指标归一化变异系数作为权重，进一步利用模糊隶属函数对玉米进行耐密性综合评价，玉米自交系耐密性模糊隶属函数综合指数大小差异较大，进一步利用综合指数进行聚类分析，将20份自交系材料分为3类，第Ⅰ类是耐密性强的玉米自交系，共7份自交系材料，占比为35%，第Ⅱ类为中间型，共7份自交系材料，占比为35%，第Ⅲ类是耐密性弱的自交系，共6份自交系材料，占比为30%。玉米自交系是育种基础种质资源，其耐密性强弱决定了玉米杂交种的耐密性［6］。利用本试验建立的综合评价指标筛选出7份优良的強耐密型自交系，分别为郑58、昌7-2、L201、KW7M14、PH4CV、L269、KW4M029，已培育出很多耐密性强的玉米审定品种［30-31］；进一步验证了本研究筛选方法的准确及有效性和筛选指标的代表性。

将20份玉米自交系分为强耐密、中度耐密和弱耐密3个类型；在相同处理情况下，可以通过测定相对单株产量、相对茎粗、相对干物质积累量、相对叶绿素相对含量、相对秃尖长和相对行粒数6个指标对玉米自交系耐密性进行评价；在高密度胁迫下，与弱耐密型相比，强耐密型自交系耐密性强的主要原因可能是其茎粗下降幅度低，干物质积累量高，穗位叶较高的叶绿素相对含量能保证光合同化物的合成，减少秃尖的产生，稳定穗粒数，减缓单株产量的下降。

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收 稿日期：2023-07-06

基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究项目（编号：NJZY21521）；内蒙古自治区直属高校基本科研业务费项目（编号：BR220151）；内蒙古自治区自然科学基金（编号：2023QN03042）；内蒙古农业大学动植物品种培育（选育）专项（编号：YZGC2017005）；国家玉米产业技术体系项目（编号：CARS-02-63）；农业农村部华北黄土高原地区作物栽培科学观测实验站项目（编号：25204120）；内蒙古自治区作物栽培与遗传改良重点实验室项目。

作者简介：王富贵（1985—），男，甘肃会宁人，博士，讲师，从事作物生理生态研究。E-mail：fgwang2008@163.com。

通信作者：高聚林，博士，教授，从事作物生理生态研究，E-mail：nmgaojulin@163.com；王志刚，博士，教授，从事寒旱区作物栽培生理生态研究，E-mail：imauwzg@163.com。