玉米幼苗響應(yīng)低鐵脅迫的根系形態(tài)與干物質(zhì)積累特征

任 云 劉 靜 李哲馨 李 強(qiáng)

（重慶文理學(xué)院園林與生命科學(xué)學(xué)院（特色植物研究院），402160，重慶）

鐵（Fe）是植物生長發(fā)育所需的關(guān)鍵微量營養(yǎng)元素，可參與一系列重要的生理生化過程[1]。Fe參與葉綠素合成，約80%的Fe集中在植物葉綠體中，F(xiàn)e除了參與光合作用外，也參與細(xì)胞解毒作用，是過氧化氫酶和過氧化物酶活性中心的組成成分[2]。植物能夠通過2種方式從根際中獲取Fe，即基于螯合和還原的雙重機(jī)制[3]。盡管Fe在地殼中含量豐富，但由于Fe在氧化環(huán)境、中性和堿性土壤條件下趨向形成氧化態(tài)和氫氧化態(tài)，土壤中可被植物直接利用的離子態(tài)Fe含量很低[4]，從而導(dǎo)致作物缺Fe黃化，影響產(chǎn)量[5]。

不同植物或同一植物不同品種對Fe脅迫的適應(yīng)能力存在顯著差異[6-7]。Dell? Orto等[8]研究發(fā)現(xiàn)，大豆在缺Fe時(shí)，葉綠素含量明顯減少。不同F(xiàn)e效率大豆品種的劃分是相對的，不僅由自身特性所決定，也與脅迫程度緊密相關(guān)[9]。Ciaf fi等[10]和Zamboni等[11]指出低Fe脅迫對小麥生長有顯著影響，小麥幼苗表現(xiàn)出植物缺Fe的典型癥狀（如葉綠素降低）以及其他礦物營養(yǎng)的不均衡積累，地上部分和根的生長均減少30%。Jia等[12]發(fā)現(xiàn)3種蘋果砧木對低Fe脅迫存在明顯的抗性差異，且蘋果砧木地上部生物量、株高、葉綠素含量、總根長和側(cè)根數(shù)與耐低Fe能力呈顯著正相關(guān)。章愛群等[13]和龍文靖等[14]發(fā)現(xiàn)低Fe脅迫下玉米幼苗地上部與根系Fe含量均明顯下降，且存在顯著的基因型差異，且Fe處理和基因型之間存在顯著互作效應(yīng)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為西南地區(qū)主要玉米雜交種32個(gè)，品種編號及名稱見表1。

表1 供試玉米品種編號及名稱Table 1 Number and name of maize varieties in test

1.2 培養(yǎng)方法

于2017年10月在重慶市永川區(qū)重慶文理學(xué)院溫室大棚內(nèi)進(jìn)行水培試驗(yàn)，采用兩因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)。用清水漂洗玉米種子并除去包衣，用70%酒精消毒30s，蒸餾水清洗并浸泡10h，待種子露白轉(zhuǎn)移至粒徑為1～2mm的濕潤石英砂盒發(fā)芽，早晚澆蒸餾水1次，放置于光強(qiáng)12 000lx、晝夜長短及溫度14h（26℃）/10h（22℃）、相對濕度60%的人工培養(yǎng)箱內(nèi)催芽。設(shè)置100μmol/L Fe(Ⅲ)-EDTA（正常，NFe）和10μmol/L Fe(Ⅲ)-EDTA（低鐵，LFe）2個(gè)Fe水平處理，營養(yǎng)液pH值5.8±0.2。幼苗2葉1心時(shí)除去胚乳后移至改良Hoagland營養(yǎng)液中培養(yǎng)，待幼苗長至3葉1心時(shí)進(jìn)行低Fe脅迫處理（LFe營養(yǎng)液），以Hoagland營養(yǎng)液（NFe）作為對照。水培容器為45cm×33cm×20cm的黑色塑料盆，覆2cm厚含20個(gè)孔的泡沫板，每孔定植1株玉米苗，用海綿包莖以固定植株。幼苗在14h/10h（28℃/22℃）的光溫周期的生長室中培養(yǎng)，每隔3d更換1次營養(yǎng)液，用NaOH調(diào)節(jié)營養(yǎng)液pH值至5.8，并使用通氣泵通氣。

1.3 指標(biāo)測定

所有指標(biāo)均在處理后7d測定，形態(tài)指標(biāo)、根系性狀和生物量的測定均為3次重復(fù)，每重復(fù)10株幼苗。

1.3.1 形態(tài)指標(biāo) 株高為胚芽鞘節(jié)至最長葉葉尖的長度，用直尺測量。莖粗為玉米幼苗基部離根1cm處的最大直徑和最小直徑，用游標(biāo)卡尺測量，取平均值?？梢娙~數(shù)為包括心葉在內(nèi)的所有可見葉片數(shù)。展葉數(shù)為葉枕已伸出下一葉葉鞘的葉片數(shù)。測量每片綠葉的最大葉長和最大葉寬。若在一片葉中有部分是黃色的，則同樣測量綠葉部分的最大葉長、最大葉寬，采用長寬系數(shù)法計(jì)算綠葉面積。

1.3.2 根系性狀 用根系掃描儀（Expression 10000XL，Epson）及圖像分析軟件（WinRhizo Pro 2009）測定分析根表面積、根體積、總根長、根平均直徑和根數(shù)。

1.3.3 生物量 將幼苗分為地上部分和根系，于120℃殺青30min，80℃烘至恒重，稱量干重。分別計(jì)算根冠比和單株干重，根冠比=根系干重/地上部干重，單株干重=地上部干重+根系干重。

1.3.4 Fe含量 采用原子吸收光譜法測定幼苗地上部和根系Fe含量[17]?；钚訤e含量：葉片鮮樣切碎后用1mol/L HCl按1∶10的比例浸提（連續(xù)振蕩5h），過濾后，用原子吸收分光光度計(jì)測定浸提液中Fe的含量。含F(xiàn)e量：稱取1.00g經(jīng)烘干粉碎的玉米植株樣品于塑料瓶中，加入25.0mL Vc-HCl（0.40g VC溶解后，加入166.0mL濃HCl定容至1L），置于80℃恒溫振蕩器上振蕩2h，用蒸餾水補(bǔ)至原重后過濾，用原子吸收分光光度計(jì)測定浸提液中Fe的含量。Fe積累量=含F(xiàn)e量×單株干重；根系Fe吸收效率=Fe積累量/根系干重；Fe生理效率=單株干重/Fe積累量。

60例患者，隨機(jī)分為中藥治療組和西藥治療組?；颊呔?次或3次以上流產(chǎn)史，年齡24～36歲，夫妻雙方染色體檢查正常，無感染性疾病，無先天性生殖系統(tǒng)畸形。兩組患者在年齡構(gòu)成、觀察指標(biāo)等方面比較，無顯著性差異（P＞0.05），具有可比性。

變異系數(shù)=標(biāo)準(zhǔn)偏差/均值×100%；低Fe效應(yīng)=（LFe條件下性狀值-NFe條件下性狀值）/NFe條件下性狀值×100%。

1.4 數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel 2010整理測定的數(shù)據(jù)。利用SPSS 21.0軟件對整理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用“相關(guān)”和“雙變量”函數(shù)對16個(gè)性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，利用“降維”和“因子分析”函數(shù)對16個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析，利用“比較均值”和“ANOVE”方差分析函數(shù)進(jìn)行差異顯著性分析。采用Min-Max方法對各性狀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用變換公式：（n-最小值）/（最大值-最小值），使所有性狀值在0～1的特定區(qū)間，其中n是自變量，然后使用TBtools軟件基于最長距離法和歐氏距離法進(jìn)行層次聚類，并繪制聚類熱圖[18]。

2 結(jié)果與分析

2.1 2個(gè)Fe水平下玉米苗期性狀及相關(guān)性分析

方差分析結(jié)果（表2）顯示，除了品種與Fe處理的互作對莖粗的影響不顯著外，其余性狀在品種、Fe處理、品種與Fe處理的互作上均存在極顯著差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，在NFe條件下，16個(gè)性狀中以根體積、總根長和根表面積的變異系數(shù)較大，分別達(dá)到30.46%、27.34%和27.33%，葉綠素含量的變異系數(shù)最小，僅有6.34%，其余12個(gè)性狀的變異范圍為7.71%～27.27%。而在LFe條件下，根尖數(shù)的變異系數(shù)最大，為43.62%，可見葉數(shù)的變異系數(shù)最小，僅為8.32%，其余14個(gè)性狀的變異系數(shù)范圍為11.85%～39.73%；在LFe效應(yīng)上，僅有根直徑和根冠比表現(xiàn)出正效應(yīng)，其余14個(gè)性狀均為負(fù)效應(yīng)，其中以根尖數(shù)負(fù)效應(yīng)值最大（–42.04%），說明低Fe脅迫對玉米幼苗的生長影響較大，對根尖數(shù)的影響最大。

表2 2個(gè)Fe水平下不同玉米雜交種性狀Table 2 Seedling traits of different maize inbred lines at two Fe application levels

相關(guān)性分析結(jié)果（表3）表明，在NFe處理下，地上部和單株干重與葉綠素含量、根直徑和根冠比相關(guān)性不顯著，根干重與葉綠素含量、根長和根直徑相關(guān)性不顯著，分別與其余12個(gè)性狀呈顯著或極顯著相關(guān)，而在LFe處理下，地上部干重、根干重和單株干重除與根直徑相關(guān)性不顯著外，與其余14個(gè)性狀均極顯著相關(guān)。在NFe處理下，與株高、莖粗、可見葉、展葉、葉面積、葉綠素含量、根長、總根長、根尖數(shù)、根表面積、根直徑、根體積、莖葉干重、總干重和根冠比相關(guān)性顯著或極顯著的性狀分別有12、13、9、7、11、1、9、11、11、12、3、11、12、12 和 2 個(gè)；而在LFe處理下，與上述性狀相關(guān)性顯著或極顯著的性狀分別有 14、14、14、13、14、12、14、14、13、13、2、13、14、14和 7個(gè)（ 表 3）。 由此可見，玉米幼苗各性狀在2種Fe處理下的變異來源具有明顯差異。

表3 2個(gè)Fe水平下不同玉米品種苗期16個(gè)性狀間相關(guān)性分析Table 3 Correlative analysis of sixteen traits at seedling stage among different maize varieties under two Fe levels

2.2 2個(gè)Fe水平下玉米幼苗性狀的主成分分析和聚類分析

主成分分析結(jié)果表明，4個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率在NFe和LFe處理下分別達(dá)到88.53%和84.26%，說明這4個(gè)成分在2個(gè)Fe水平下均具有較強(qiáng)的代表性（圖1）。NFe處理主成分1的方差貢獻(xiàn)率為52.40%，在主成分1中，除了根平均直徑和根冠比為負(fù)向載荷外，其余性狀均為正向載荷，且相關(guān)系數(shù)均大于0.3，主要反映“幼苗長勢因子”；主成分2和主成分3分別反映所有變異的15.07%和10.47%，相關(guān)性狀包括根直徑、根冠比、總根長、根尖數(shù)和根表面積，可定義為“根系生長因子”；主成分4可以解釋全部變異的6.31%，相關(guān)性狀有可見葉數(shù)、展葉數(shù)和葉綠素含量，主要體現(xiàn)“葉片生長因子”；在LFe條件下，主成分1的方差貢獻(xiàn)率為61.79%，同樣除了根直徑和根冠比為負(fù)向載荷外，其余性狀均為正向載荷，且相關(guān)系數(shù)均大于0.6，主要反映“幼苗長勢因子”；主成分2和主成分3分別解釋全部變異的11.19%和9.48%，相關(guān)性狀有總根長、根尖數(shù)、根表面積、根直徑、根冠比、根體積和根干重，也可定義為“根系生長因子”；主成分4反映了全部變異的6.07%，較大相關(guān)性的性狀只有可見葉數(shù)和展葉數(shù)，主要體現(xiàn)“葉片生長因子”。2個(gè)Fe水平處理下主成分的主要因子相對穩(wěn)定，但性狀的相關(guān)程度存在變化。

圖1 2個(gè)Fe水平下玉米幼苗性狀的主成分分析Fig.1 Principal components analysis of maize seedling traits at two Fe application levels

對32個(gè)玉米品種的上述16個(gè)性狀進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)在NFe和LFe處理下16個(gè)性狀均可以聚為7組（圖2）。NFe處理下，1組為可見葉數(shù)和展葉數(shù)（葉片生長因子），2組為根直徑和根冠比（根系生長因子），3組為地上部干重和單株干重（幼苗長勢因子），4組為根體積、根表面積和根干重（根系生長因子），5組為總根長和根尖數(shù)（根系生長因子），6組為株高、莖粗和葉面積（幼苗長勢因子），7組為根長和葉綠素含量。LFe條件下，NFe處理的1、2、3和6組的性狀仍聚為一組，相對穩(wěn)定，其余組的性狀在2個(gè)Fe水平下存在明顯的組別變化。綜上可以看出，各個(gè)性狀在2個(gè)Fe水平下的不同主成分間和聚類間的主要因子相對穩(wěn)定，聚類和主成分間的變化可能與其在2個(gè)Fe水平下相關(guān)性的差異存在一定關(guān)系。

2.3 2個(gè)Fe水平下不同玉米品種的聚類分析

對32個(gè)玉米品種上述16個(gè)性狀進(jìn)行聚類分析（圖2），發(fā)現(xiàn)在NFe處理下，32個(gè)玉米品種聚為6組，分別包含6、5、5、5、7和4個(gè)品種；而在LFe處理下，聚為7組，分別包含5、5、5、3、5、3和6個(gè)品種，玉米品種在2個(gè)Fe水平下存在明顯的組別變化。

圖2 2種Fe素水平下32個(gè)玉米品種基于不同性狀的聚類分析Fig.2 Clustering analysis of 32 maize varieties based on different traits at two Fe application levels

對在2個(gè)Fe水平下聚類結(jié)果中各組在不同性狀上的差異進(jìn)行進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在NFe處理下，第1組中的6個(gè)品種除根直徑和根冠比低于其余品種外，其余14個(gè)性狀均有更好的表現(xiàn)；第2組中的5個(gè)品種根冠比低于其余品種，其余性狀表現(xiàn)相對較好；第3組和第4組除可見葉數(shù)、展葉數(shù)和根長相對較好，其余性狀表現(xiàn)相對較差；而第5組和第6組中除展葉和根直徑相對較好外，其余性狀上均劣于其余組中的品種（圖2）。在LFe處理下，第1組和第2組的10個(gè)品種的根直徑和根冠比相對較差，而其余性狀表現(xiàn)一般或較好；第3組的5個(gè)品種在根直徑和根冠比上表現(xiàn)相對較好，而在其余性狀上表現(xiàn)一般或較差；第4、5和6組的11個(gè)品種的葉綠素含量、可見葉數(shù)和展葉數(shù)表現(xiàn)相對較好，而其余性狀表現(xiàn)較差；第7組的6個(gè)品種除葉綠素含量、可見葉數(shù)、展葉數(shù)和根直徑表現(xiàn)相對較好，其他性狀表現(xiàn)均較差（圖2）。綜上可以看出，不同玉米品種的同一性狀對NFe和LFe處理的響應(yīng)存在明顯差異。

2.4 玉米苗期性狀對低Fe脅迫的響應(yīng)差異

進(jìn)一步對32個(gè)玉米品種各性狀的低Fe效應(yīng)值進(jìn)行聚類分析（圖3），結(jié)果顯示32個(gè)玉米品種可以聚為5組，1～5組中分別包含8、7、5、6和6個(gè)品種，且每一組各性狀對低Fe脅迫的響應(yīng)存在明顯差異（圖3A）。在LFe處理下，根直徑在5組中均顯著增加，而根冠比在第1、2組中顯著降低，第4組差異不顯著，第3、5組中顯著增加（圖3B）。據(jù)此推測，不同組別的品種對低Fe脅迫的響應(yīng)可能受品種與Fe處理互作的影響。

低Fe效應(yīng)值聚類分析（圖3）顯示，第1組和第2組的品種適應(yīng)低Fe能力較強(qiáng)，包含15個(gè)品種，結(jié)合2個(gè)Fe水平下基于不同性狀的聚類（圖2），正紅 2號、漢單999和荃玉9號在NFe（第1組和第2組）和LFe（第1組和第2組）條件下性狀都表現(xiàn)較好，為Fe高效品種；第3組和第5組對低Fe表現(xiàn)最敏感，包含11個(gè)品種，結(jié)合2個(gè)Fe水平下基于不同性狀32個(gè)玉米品種的聚類（圖2），川單 455、川單 189和成單30在NFe（第5組和第6組）和LFe（第3組和第7組）條件下性狀都表現(xiàn)較差，為Fe低效品種。

圖3 基于LFe 效應(yīng)值的32個(gè)玉米品種的聚類分析及性狀變異Fig.3 Clusters of 32 maize varieties and the variations analysis between different traits based on LFe condition

2.5 不同玉米品種Fe吸收和利用差異

對以上低Fe效應(yīng)聚類成的5組玉米品種的Fe吸收及利用效率進(jìn)行分析，結(jié)果（表4）表明，低Fe脅迫下，5組玉米品種的Fe積累量均顯著降低，其中對低Fe表現(xiàn)敏感的第3組降幅最大，達(dá)到72.88%。根冠比相對降幅較小或增加，由此造成5組玉米品種的根系Fe吸收效率在LFe處理下較NFe處理均顯著降低，其中也以第3組降幅最大，降低了61.48%。5組32個(gè)玉米品種在LFe處理下的Fe生理效率均顯著提高，其中適應(yīng)低Fe能力較強(qiáng)的第1組增加幅度最大，達(dá)到160.62%；其余依次為第2組、第4組、第3組和第5組。

對上述Fe高效（正紅2號、漢單999與荃玉9號）/Fe低效（川單455、川單189與成單30）品種的Fe吸收及利用效率單獨(dú)進(jìn)行分析，結(jié)果（表5）顯示，在LFe脅迫下，所有Fe高效/Fe低效品種的單株Fe積累量和根系Fe吸收效率較NFe處理下均顯著降低而Fe生理效率均顯著提高。Fe高效品種中單株Fe積累量、根系Fe吸收效率的降幅與根冠比的增幅均低于Fe低效品種，而Fe生理效率的增幅高于Fe低效品種。

3 討論

Fe高效玉米品種的評價(jià)和選擇是緩解玉米低Fe脅迫，保障石灰性土壤玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)最簡單有效的措施之一。徐健欽等[21]指出，地上部與根系生物量、葉片SPAD值是表征玉米幼苗Fe利用效率的最佳指標(biāo)，根冠比及葉片活性Fe含量是良好指標(biāo)。龍文靖等[23]將展葉數(shù)、葉面積、根長、根干重、Fe積累量作為玉米苗期Fe高效篩選的重要指標(biāo)。本研究分析了32個(gè)玉米品種各性狀的變異系數(shù)，發(fā)現(xiàn)總根長、根表面積、地上部和單株干重的變異系數(shù)在2個(gè)Fe水平下均較大，且這些性狀

表4 玉米品種物質(zhì)積累與Fe吸收利用差異Table 4 Differences of matter accumulation and Fe absorption and utilization in maize varieties

表5 不同耐低Fe玉米品種性狀Table 5 Traits of different lowiron-tolerant maize varieties

優(yōu)先分配給根系，利于根系維持生長[21]。低Fe脅迫下玉米的苗干重、根干重和總根長均減少、根體積和根表面積也有不同程度的降低，而根質(zhì)量比與平均根直徑明顯提高[22]。本研究表明，低Fe脅迫導(dǎo)致玉米幼苗的總根長減小，根體積、根系干重均顯著降低，而根直徑和根冠比顯著增加（表2），這與前人研究結(jié)果基本一致[22]。對32個(gè)玉米品種的16個(gè)性狀進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)在NFe和LFe處理下主要代表“根系生長因子”的第4和5組（根體積、根表面積、根干重、總根長和根尖數(shù)）的性狀存在明顯的組別差異，表明低Fe脅迫對玉米幼苗的影響主要表現(xiàn)在根系間存在極顯著的相關(guān)性。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，品種總根長、根表面積、地上部干重和單株干重在Fe高效和Fe低效品種間的差異也十分顯著（表5），表明總根長、根表面積、地上部干重和單株干重可以作為玉米Fe效應(yīng)能力的參考評價(jià)指標(biāo)。

Fe是影響植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素之一[19]。低Fe脅迫可以誘導(dǎo)地上部同化產(chǎn)物向根系轉(zhuǎn)運(yùn)，促進(jìn)根系代償性伸長[13]。低Fe脅迫會導(dǎo)致玉米幼苗的根長、根體積、根系活力、干物質(zhì)量、Fe含量、Fe積累量、相對吸Fe能力降低[20]。低Fe脅迫下，玉米幼苗地上部將光合作用產(chǎn)物性狀上。

植株對Fe的吸收利用是一個(gè)復(fù)雜的過程，不同植株在低Fe條件下表現(xiàn)不同[24-25]。徐健欽等[21]研究表明，低Fe脅迫下Fe高效品種Ye478根冠比較Fe低效品種根冠比更高，認(rèn)為提高根冠比是玉米提高低Fe脅迫適應(yīng)性的原因。陳旭蕾等[26]發(fā)現(xiàn)，低Fe脅迫下，玉米品種的株高、SPAD值、地上部生物量、根部生物量以及總生物量均顯著降低，而根冠比顯著增加，且根冠比與Fe吸收效率呈顯著的負(fù)相關(guān)。本研究也得出類似的結(jié)果，低Fe脅迫下，玉米幼苗單株干重、單株Fe積累量、根系Fe吸收效率和葉片活性Fe含量均顯著下降，而根冠比和Fe生理效率顯著增加，與前人研究結(jié)果一致[14]。但進(jìn)一步對比發(fā)現(xiàn)：Fe高效品種（正紅2號、漢單999和荃玉9號）單株干重、單株Fe積累量和Fe吸收效率的降幅與根冠比的增幅均低于Fe低效品種（川單455、川單189和成單30），而Fe生理效率的增幅高于Fe低效品種，因此推測提高Fe生理效率是玉米幼苗適應(yīng)低Fe脅迫的重要生理機(jī)制。這與徐健欽等[21]的研究結(jié)果不一致，主要是因?yàn)楸狙芯吭谄贩N篩選過程中涉及較多根系性狀，所篩選出的高效品種為Fe高效吸收型，而Ye478的Fe高效是根向地上部轉(zhuǎn)運(yùn)效率以及Fe在體內(nèi)的再分配引起的。

4 結(jié)論

低Fe脅迫對玉米幼苗影響較大，根干重、地上部干重、單株干重、總根長、葉綠素含量、葉面積、根表面積、根體積、株高、根尖數(shù)、可見葉數(shù)、展葉數(shù)和莖粗均顯著降低，根平均直徑和根冠比顯著增加，單株Fe積累量和Fe吸收效率顯著下降，而Fe生理效率顯著增加。32個(gè)玉米品種對低Fe脅迫的敏感程度存在較大差異，其中正紅2號、川單999與荃玉9號耐低Fe能力相對較強(qiáng)，可以作為玉米Fe高效育種的種質(zhì)資源。