玉米耐低磷基因型的篩選

史向遠(yuǎn)，王秀紅，韓彥青，胡婉平，白建榮，劉惠民

（1.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心，山西太原 030031；2.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原 030032；3.山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，山西太原 030006）

磷是植物生長(zhǎng)發(fā)育中必不可少的大量元素之一，是產(chǎn)量和質(zhì)量形成的重要組成成分。有效磷低是我國(guó)土壤普遍存在的問(wèn)題[1-4]，盡管磷肥的施用能滿足植物生長(zhǎng)的需要，但是同時(shí)也帶來(lái)諸如磷礦資源缺乏、水資源富營(yíng)養(yǎng)化等一系列環(huán)境問(wèn)題[5]。王慶仁等[6]認(rèn)為，選育磷高效植物品種是提高土壤潛在磷利用率的一條重要途徑。已有研究表明，不同植物在低磷條件下對(duì)磷的利用存在基因型差異，如水稻、小麥、油菜、玉米等[7-12]。充分發(fā)掘和利用植物自身的抗低磷能力，從中篩選對(duì)磷吸收利用效率高的基因型和磷高效利用基因資源，對(duì)于選育磷高效品種、降低生產(chǎn)成本、節(jié)約磷礦資源、保護(hù)環(huán)境具有重要意義。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本研究對(duì)36個(gè)玉米自交系進(jìn)行磷高效利用的初步鑒定，以期為玉米磷高效利用基因資源的挖掘奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

選用的36個(gè)玉米自交系（表1）均來(lái)自山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究中心玉米育種研究室，試驗(yàn)在日光溫室內(nèi)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子處理及催芽 精選的玉米種子用75%的酒精表面消毒30 s，沖洗干凈后用蒸餾水浸泡24 h，播種至濕潤(rùn)的珍珠巖中，25℃暗處發(fā)芽。一葉一心（苗高20 mm）時(shí)，選出整齊的幼苗，去掉胚乳后用海綿將所選幼苗固定在帶孔塑料泡沫板上，后移植于盛有1.5 L，pH值為6.0±0.1的全磷營(yíng)養(yǎng)液的盆缽中。每盆移栽3株，隨機(jī)擺放于溫室中。相對(duì)濕度控制在65%～70%之間。

表1 參試的36個(gè)玉米自交系

1.2.2 不同磷處理水平 基本營(yíng)養(yǎng)液成分參照文獻(xiàn)[13]配置，并設(shè)置2個(gè)磷處理水平，即1mmol/L KH2PO4為全磷處理（＋P），0.1 mmol/L KH2PO4為低磷脅迫處理（－P）。在低磷營(yíng)養(yǎng)液中，減少的部分K＋用KCl補(bǔ)齊，用1 mol/LHCl調(diào)節(jié)pH值。幼苗在全磷營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)7 d后，進(jìn)行低磷處理，全磷培養(yǎng)為對(duì)照，每盆3株，3次重復(fù)。每隔3 d換1次營(yíng)養(yǎng)液，并更換盆缽的位置，用玻璃棒攪動(dòng)營(yíng)養(yǎng)液調(diào)節(jié)換氣，每天2次。共處理30 d，收獲植株時(shí)要分別收獲植株冠部和根部。

1.2.3 指標(biāo)測(cè)定

1.2.3.1 植株干物質(zhì)量 采樣時(shí)將植株按莖葉（冠部）、根系分開(kāi)，放入鼓風(fēng)干燥恒溫箱中，于105℃殺青30 min，然后70℃烘干至恒質(zhì)量，分別用1/10 000電子天平稱(chēng)質(zhì)量。稱(chēng)冠部干物質(zhì)量和根部干物質(zhì)量，計(jì)算根冠比。

1.2.3.2 磷含量 烘干的植物樣品磨碎后用濃H2SO4-H2O2消煮，用釩鉬黃比色法測(cè)定磷含量[14]。

1.3 不同耐低磷基因型的評(píng)價(jià)指標(biāo)及計(jì)算方法

參照Lynch[15]對(duì)養(yǎng)分效率和植物施肥的反應(yīng)程度分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)不同基因型的磷利用情況進(jìn)行分類(lèi)。即：Ⅰ.磷低效不敏感型。冠部干物質(zhì)量或冠部磷積累量低于在高、低磷處理下的平均值；Ⅱ.磷低效高敏感型。冠部干物質(zhì)量或冠部磷積累量在低磷處理下低于平均值，但在高磷處理下高于平均值；Ⅲ.磷高效高敏感型。高、低磷處理下，冠部干物質(zhì)量或冠部磷積累量均高于在高、低磷處理下的平均值；Ⅳ.磷高效不敏感型。冠部干物質(zhì)量或冠部磷積累量在低磷處理下高于平均值，但在高磷處理下低于平均值。

相對(duì)干物質(zhì)量＝低磷下干物質(zhì)量/高磷下干物質(zhì)量。

相對(duì)根冠比、相對(duì)磷含量和相對(duì)磷利用效率的計(jì)算方法同相對(duì)干物質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel整理并采用SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 低磷處理對(duì)36個(gè)自交系的干物質(zhì)量和磷積累量的影響

植株干物質(zhì)量是磷利用情況的直接反映。對(duì)36個(gè)自交系在2個(gè)供磷水平下的苗期冠部干物質(zhì)量進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，在低磷處理30 d后，所有玉米自交系的干物質(zhì)量較全磷處理都有降低。低磷處理下，自交系冠部干物質(zhì)量平均為0.489 g/株，變幅為 0.166～1.179 g/株；對(duì)照（全磷）自交系冠部干物質(zhì)量平均為0.616 g/株，變幅為 0.263～1.518 g/株（表 2）。

表2 不同磷水平下36個(gè)自交系的冠部干物質(zhì)量和磷積累量

續(xù)表2

冠部磷積累量說(shuō)明了植株對(duì)磷的吸收情況。本研究對(duì)36個(gè)自交系在2個(gè)供磷水平下的冠部磷積累量分析（表2）表明，在低磷處理下，自交系冠部磷含量平均為0.789mg/株，變幅為0.249～2.522 mg/株；對(duì)照（全磷）自交系冠部磷含量平均為6.170 mg/株，變幅為3.156～16.091 mg/株。

2.2 低磷處理對(duì)不同基因型玉米不同指標(biāo)相對(duì)值的影響

為了消除不同基因型玉米自交系間固有生物學(xué)特征的差異，采用低磷條件下與全磷條件下的相對(duì)值來(lái)衡量不同基因型玉米間的耐低磷脅迫能力差異。本研究分別計(jì)算了相對(duì)干物質(zhì)量、相對(duì)根冠比、相對(duì)磷積累量和相對(duì)磷利用效率。結(jié)果（表3）表明，各基因型間相對(duì)值的差異較大，其根冠比變幅為0.383～1.779，平均0.915；干物質(zhì)量變幅為0.413～0.996，平均0.778；磷積累量變幅為0.058～0.220，平均0.133；磷利用效率變幅為0.164～11.411，平均6.339。

表3 36個(gè)自交系各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)值（-P/+P）比較

從標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)（表4）可以看出，植株的根冠比、干物質(zhì)量、磷積累量和磷利用效率均存在顯著差異，且不同自交系各指標(biāo)相對(duì)值對(duì)低磷脅迫反應(yīng)的變異幅度較大。

2.3 不同磷利用效率基因型的篩選

分別以干物質(zhì)量和磷積累量（表2）作為衡量不同玉米自交系總磷效率和磷吸收效率的指標(biāo)，根據(jù)Lynch的評(píng)價(jià)方式，將供試玉米自交系劃分為4種不同的類(lèi)型。從冠部干物質(zhì)量（圖1A）可以看出，36個(gè)自交系中大部分為磷低效不敏感型（圖1A－Ⅰ），27號(hào)材料為磷低效高敏感型（圖 1A－Ⅱ）。2，3，4，5，10，17，20，22，31 號(hào)材料則屬于磷高效高敏感型（圖1A－Ⅲ）。15，34號(hào)材料屬于磷高效不敏感型（圖1A－Ⅳ）。而從冠部磷累積量（圖1B）可以看出，大部分自交系同樣屬于Ⅰ區(qū)，為磷低效不敏感型，屬于Ⅱ區(qū)磷低效高敏感型的自交系有15，20號(hào)材料，屬于Ⅲ區(qū)磷高效高敏感型的自交系有 2，3，4，5，10，17，22，29，31號(hào)材料，屬于Ⅳ區(qū)磷高效不敏感型的自交系有 16，23，30，33，36 號(hào)材料。

同時(shí)，以根冠比、干物質(zhì)量、磷積累量和磷利用效率相對(duì)值為篩選指標(biāo)（表3），以平均值為標(biāo)準(zhǔn)，將全部參試玉米自交系劃分為2類(lèi)，高于平均值的材料為磷高效基因型，低于平均值的材料為磷低效基因型（表4）。綜合以上4個(gè)指標(biāo)，初步篩選確定3，10，31號(hào)材料為磷高效基因型，19，24，32號(hào)材料為磷低效基因型。

再通過(guò)Lynch評(píng)價(jià)方式和平均值劃分標(biāo)準(zhǔn)綜合分析得出，自交系 3（478）、10（太系 113）和31（丹 340）為磷高效基因型，而 19（P138）和 24（F349）為磷低效基因型。

表4 各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)值分析

3 結(jié)論與討論

苗期是大多數(shù)作物磷素營(yíng)養(yǎng)的敏感期和臨界期，該期吸收的磷素大體占全生育期的2/3以上，而后期主要為體內(nèi)磷的再轉(zhuǎn)移和重復(fù)利用。玉米是低磷敏感作物，對(duì)低磷脅迫反應(yīng)在不同基因型間存在顯著差異[16]。李紹長(zhǎng)等[17]研究認(rèn)為，在苗期和成熟期對(duì)不同基因型玉米磷效率的篩選結(jié)果基本一致，可在苗期進(jìn)行磷效率的早期選擇。本研究在苗期采用液體培養(yǎng)試驗(yàn)，通過(guò)不同玉米基因型對(duì)低磷脅迫的反應(yīng)，說(shuō)明玉米自交系之間的干物質(zhì)量和磷積累量存在基因型差異。

要獲得典型的磷利用效率不同的基因型，篩選指標(biāo)的確定非常重要。迄今為止，前人已對(duì)不同的篩選指標(biāo)進(jìn)行了對(duì)比分析。龔江等[18]認(rèn)為，相對(duì)生物量和植株相對(duì)磷濃度作為玉米磷高效指標(biāo)篩選更合適。這2個(gè)指標(biāo)不僅反映了干物質(zhì)生產(chǎn)能力受低磷脅迫的影響，而且反映了單位干物質(zhì)量吸磷能力對(duì)低磷脅迫的反應(yīng)。研究也表明，根冠比是篩選耐低磷品種的指標(biāo)之一。在低磷脅迫下，植物耐低磷類(lèi)型常常通過(guò)根系適應(yīng)性反應(yīng)來(lái)提高植物對(duì)土壤磷的吸收能力。由于耐低磷品種光合同化物向地下部分轉(zhuǎn)移量增加，而低磷敏感品種則下降，耐低磷品種根冠比增加的程度大于低磷敏感品種[19]。而磷利用效率則是我們的育種目的。本研究從生物量和磷積累量方面進(jìn)行了對(duì)比分析，而且通過(guò)結(jié)合相對(duì)值的分析，初步獲得了磷高效（耐低磷）基因型材料478、太系113和丹340，磷低效基因型材料P138和F349。

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