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为应对干旱对玉米产量的影响,研究人员评估玉米杂交种,发现 H3 表现优异,对育种意义重大。
干旱下的玉米困境与希望:探寻耐旱高产杂交种之路
在全球农业的大舞台上,干旱和水资源短缺如同无情的 “大反派”,正严重威胁着农作物的生长,尤其是在那些水资源本就匮乏的干旱和半干旱地区。玉米(Zea mays L.)作为重要的粮食作物,也深受其害。想象一下,玉米在生长过程中,遭遇干旱就像是人在沙漠中缺水一样,各种生理过程都被打乱。干旱会让玉米的产量大幅下降,根据干旱的严重程度和发生时间不同,减产幅度从 15% 到超过 50% 不等。要是在开花期遇到严重干旱,玉米的籽粒产量损失甚至能高达 80%,这主要是因为干旱破坏了玉米的籽粒形成和生物量积累过程。
玉米的耐旱性是一个复杂的 “谜题”,涉及生理、分子和遗传等多个层面的机制。比如,玉米可以通过改变根系结构和水通道蛋白活性,来提高水分吸收能力,就像给植物装上了更高效的 “吸水器”,让它能从更深的土壤层获取水分。同时,干旱还会影响玉米的光合作用效率,气孔关闭虽然能减少水分散失,但也限制了二氧化碳的吸收,进而降低了光合作用,还会增加氧化应激。为了应对这些问题,玉米会启动一系列防御机制,像上调抗氧化防御系统,激活转录因子来调节与渗透调节、细胞保护和应激反应相关的基因等。
对于育种者来说,培育出在干旱和适宜条件下都能保持稳定产量的玉米品种至关重要。然而,高产量潜力的玉米品种在干旱条件下往往表现不佳,这就像是鱼和熊掌难以兼得。所以,育种工作需要在高产量潜力和耐旱性之间找到平衡。
为了解决这些问题,来自巴提阿克德尼兹农业研究中心(Bati Akdeniz Agricultural Research Institute)的研究人员 Senem Sabanc? Bal、Alper Adak 和?ekip Erdal 开展了一项重要研究。他们的研究成果发表在《Tropical Plant Biology》杂志上,为玉米育种带来了新的希望。
研究的技术 “武器库”
研究人员采用了多种技术方法来开展研究。首先,通过种植 20 种不同的自交系,在灌溉和非灌溉条件下进行试验,运用特定的基因型 - 环境模型计算干旱恢复指数(Drought Resilience Index,DRI),以此筛选出耐旱的亲本自交系。接着,他们对 4 个候选杂交种和 3 个商业对照杂交种,在多个地点和年份的灌溉与非灌溉条件下进行评估,收集了包括开花天数(Days to Anthesis,DTA)、吐丝天数(Days to Silking,DTS)、雌雄开花间隔(Anthesis-Silking Interval,ASI)等 8 个表型数据。最后,运用 AMMI 模型(Additive Main Effects and Multiplicative Interaction model,加性主效应和乘积交互作用模型)、GGE 双标图分析(Genotype and Genotype-By-Environment biplot analysis,基因型和基因型与环境互作双标图分析)等统计工具,对杂交种的产量稳定性和适应性进行分析。
研究结果大揭秘
- 亲本自交系的筛选:研究人员通过方差分解分析发现,在非灌溉条件下,环境和试验特定因素对产量变异的影响很大,其中试验嵌套在环境中的因素(Trial [Env])解释了总变异的 75.66%,基因型仅解释了 11.36%。通过 Wilcoxon 秩和检验,证实了不同水分条件下自交系产量表现存在显著差异。根据 DRI 值,Ant-69 和 Ant-24,702 这两个自交系表现出色,具有作为干旱条件下杂交育种亲本的潜力。
- 杂交种的耐旱性评估:对杂交种的研究发现,产量与衰老相关性状(Senescence traits,Sen.1 和 Sen.2)之间存在显著的负相关关系,尤其是在非灌溉条件下。这表明,延缓衰老的 Stay-green 性状对维持干旱条件下的产量稳定非常重要。
- 最佳线性无偏预测(BLUP)结果:通过 BLUP 计算各杂交种在不同环境下的产量,发现 C1 和 H3 在多个环境中产量排名靠前。进一步的回归分析表明,C2 和 H4 对有利(灌溉)环境响应较高,但在非灌溉环境下表现较差;H2 对环境变化敏感性较低,在有利环境中表现不佳;而 H3 在不同环境下都表现出较高的产量稳定性。
- AMMI 分析结果:AMMI 分析显示,H3 和 C1 位于产量 - WAAS 双标图的第四象限,具有高生产力和高稳定性。WAASBY 指数排名也表明,H3 和 C1 在产量和稳定性方面表现优异,是综合性能最佳的杂交种。
- GGE 双标图分析结果:GGE 双标图分析结果表明,C1 和 H3 在多个环境下表现出高稳定性。在不同环境中,H3、H4 和 C2 在某些环境中产量表现突出,而 H1 在另一些环境中表现最佳。
研究结论与重大意义
这项研究有诸多重要发现。首先,确定了 ASI、衰老进程(Sen.1 和 Sen.2)和籽粒产量等性状受干旱胁迫影响较大,其中衰老与籽粒产量的负相关关系凸显了 Stay-green 性状在维持干旱条件下产量稳定的关键作用。其次,方差分解表明环境因素对产量影响巨大,强调了多环境试验在评估基因型表现中的必要性。再者,筛选出的亲本自交系 Ant-69 和 Ant-24,702 具有优异的 DRI 值和 Stay-green 特性,为培育耐旱杂交种提供了优质亲本。最后,综合多种分析结果,H3 被证明是表现最出色的杂交种,在灌溉和非灌溉条件下都具有高度稳定性,是干旱抗性育种项目的理想选择。
这些研究成果为玉米育种提供了重要的理论依据和实践指导。在全球气候变化、干旱问题日益严重的背景下,有助于培育出更适应干旱环境的玉米品种,提高玉米产量,保障粮食安全。未来,研究人员可以基于这些发现,进一步深入研究玉米耐旱的分子机制,开展更精准的育种工作,让玉米在干旱的 “挑战” 面前更具 “抵抗力”,为农业的可持续发展贡献更多力量。
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