140份甜玉米自交系耐鋁性鑒定

林雪瓊，劉曉敏，朱 維，王 欣，劉 宇，李小琴，黃 君

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 廣州 510642)

鋁屬于非必需的金屬元素，目前并未發(fā)現(xiàn)其在植物生長發(fā)育與新陳代謝中發(fā)揮任何的己知功能。但是，鋁是酸性(pH<5)土壤中限制植物生長的主要因素，微摩爾級(jí)水平的Al3+就能迅速抑制植物根的生長[1]。由于受到地帶性的生物氣候條件的影響，加上環(huán)境污染導(dǎo)致的酸雨問題，鋁毒害早已成為我國各種作物生長主要的限制因子之一，每年導(dǎo)致作物減產(chǎn)20%～80%[2]。玉米是世界第三大糧食作物，與其他作物相比較，玉米是一種較為耐鋁的作物，但不同基因型品種在耐鋁毒性能上存在著明顯的差異[3]。解決酸性土壤中鋁對(duì)植物的毒害主要有兩種途徑：一種是通過施用石灰等堿性材料來改良土壤的酸堿度，但是成本太高，在生產(chǎn)上很難被廣泛應(yīng)用；另一種是培育耐鋁性新品種。實(shí)踐證明，篩選耐鋁性較強(qiáng)的作物品種是經(jīng)濟(jì)有效的途徑，目前已經(jīng)有多種耐鋁性農(nóng)作物品種被研發(fā)出來。本試驗(yàn)對(duì)140個(gè)K自交系玉米材料進(jìn)行營養(yǎng)液培養(yǎng)，研究了鋁脅迫下不同材料生長指標(biāo)特性的變化，旨在探明該批材料對(duì)鋁脅迫應(yīng)答自交系間的差異，從中篩選出耐鋁毒的甜玉米材料。這將有助于新型耐鋁毒的甜玉米品種的培育，解決我國南方酸性土壤限制甜玉米種植生產(chǎn)的實(shí)際問題，擴(kuò)大玉米的種植帶，對(duì)提高糧食產(chǎn)量具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選取華南農(nóng)業(yè)大學(xué)甜玉米實(shí)驗(yàn)室篩選出的K自交系材料，K 1～K 140，共140個(gè)。

1.2 試驗(yàn)方法

140份甜玉米材料每份選取大小一致30粒種子，將營養(yǎng)土分裝于140個(gè)花盆中，每個(gè)花盆中分散放入30粒種子，再用土壤輕輕覆蓋，最后澆適量水，使土壤濕潤。待種子發(fā)芽后，每份材料選取長勢(shì)良好且一致的16株幼苗，每8株為一組，分別移栽到裝有2 L霍格蘭(Hoagland’s)營養(yǎng)液(pH=6)的水培桶中，用海綿固定。培養(yǎng)1 d后更換培養(yǎng)液，其中一組用0.4 mmol·L-1的AlCl3處理。之后每天定時(shí)通氣10 min，每隔3 d換一次營養(yǎng)液，培養(yǎng)7 d后測(cè)定不同甜玉米自交系生長和生理指標(biāo)，以不處理為對(duì)照組。試驗(yàn)重復(fù)3次。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

1.3.1根伸長量、株高、鮮重和干重測(cè)定

將玉米幼苗放于霍格蘭營養(yǎng)液培養(yǎng)1 d后分別測(cè)量2個(gè)處理的主根長度，更換培養(yǎng)液后培養(yǎng)1 d再次測(cè)量2個(gè)處理的主根長度，鋁毒處理前后根系的長度差為根系生長量，將幼苗去掉胚乳后，從植株底部開始一直到葉尖的距離為株高；

用吸水紙吸干甜玉米幼苗葉片上的水分，用萬分之一分析天平稱量其鮮重；將稱取鮮重后的植株放入烘箱中，105 ℃殺青20 min后80 ℃烘干48 h至恒重，稱量干重。

1.3.2葉綠素含量測(cè)定

使用便攜式葉綠素儀(SPAD-502 Plus)測(cè)量SPAD值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

分別測(cè)量并計(jì)算出140個(gè)甜玉米K自交系材料的相對(duì)根伸長量、相對(duì)株高、相對(duì)葉綠素含量、相對(duì)鮮重和相對(duì)干重。

采用Microsoft Excel 2013、IBM SPSS Statistics 19和GraphPad Prism 7軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋁脅迫對(duì)玉米苗期幼苗葉綠素含量的影響

由圖1可知，不同基因型玉米鋁處理與對(duì)照組相比，葉綠素含量有較大差異，最大相對(duì)葉綠素含量與最小相對(duì)葉綠素含量相差0.692 8。140個(gè)自交系中相對(duì)葉綠素含量最大的10個(gè)自交系為K 86、K 48、K 42、K 127、K 38、K 14、K 82、K 47、K 31、K 96，其相對(duì)葉綠素含量分別為1.475 8、1.428 0、1.356 7、1.290 1、1.281 1、1.225 4、1.216 2、1.178 5、1.154 4、1.148 32。相對(duì)葉綠素含量最小的10個(gè)自交系分別為K 2、K 9、K 30、K 13、K 97、K 81、K 69、K 7、K 74、K 24，其相對(duì)葉綠素含量分別為0.783 0、0.816 2、0.821 1、0.829 0、0.837 7、0.856 0、0.872 9、0.873 2、0.875 6、0.890 8。

2.2 鋁脅迫對(duì)甜玉米幼苗相對(duì)根伸長率的影響

根系生長受到抑制是植物最容易被識(shí)別的鋁脅迫形態(tài)癥狀，其生長抑制能在很短的時(shí)間內(nèi)被測(cè)量出來[4]。因此，比較鋁脅迫下根系的相對(duì)伸長率可以鑒定材料的耐鋁性[5]。由圖2可知，在0.04 mmol·L-1的AlCl3溶液處理下，不同基因型的甜玉米幼苗相對(duì)根伸長量有很大的差異，大部分的甜玉米自交系受到鋁毒害后根系伸長受到抑制，但自交系K 111、K 107、K 118、K 128受到鋁脅迫后根伸長率較對(duì)照有所增加。受抑制程度最輕的10個(gè)自交系為K 111、K 107、K 118、K 128、K 124、K 129、K 108、K 95、K 42、K 51，其相對(duì)根伸長率分別為1.047 4、1.036 9、1.033 9、1.005 1、0.990 8、0.968 6、0.966 9、0.962 9、0.961 5、0.960 6。根伸長受抑制程度最嚴(yán)重的10個(gè)自交系為K 1、K 76、K 35、K 48、K 73、K 121、K 80、K 41、K 46、K 132，其相對(duì)根伸長率分別為0.218 7、0.245 3、0.258 4、0.268 1、0.306 1、0.311 2、0.322 9、0.382 2、0.382 9、0.414 4。

2.3 鋁脅迫對(duì)甜玉米幼苗相對(duì)株高的影響

玉米地上部分營養(yǎng)體的生長發(fā)育在一定程度上受到鋁毒害的影響，通過阻礙其水分和養(yǎng)分的輸送和積累，影響玉米植株的株高。因此，可以將株高用作篩選不同耐鋁性植物自交系的指標(biāo)。由圖3可知，鋁脅迫對(duì)玉米株高增長率的影響較小，且隨自交系不同影響情況也有所不同。一部分玉米自交系受鋁脅迫后地上部分生長受抑制，苗高較對(duì)照組低。另一部分玉米自交系受鋁脅迫后苗高生長不受抑制，反而較對(duì)照組有所增加。其中苗高受抑制程度最輕的10個(gè)自交系為K 19、K 91、K 48、K 92、K 44、K 56、K 127、K 94、K 55、K 77，其相對(duì)苗高增長率分別為1.242 0、1.224 5、1.189 7、1.188 2、1.155 4、1.144 0、1.138 9、1.136 1、1.114 9、1.111 4。苗高受抑制程度最嚴(yán)重的10個(gè)自交系為K 125、K 28、K 81、K 47、K 31、K 103、K 131、K 106、K 107、K 62，其相對(duì)苗高增長率分別為0.774 1、0.779 7、0.790 0、0.853 2、0.858 6、0.858 8、0.863 7、0.875 7、0.879 0、0.887 3。

2.4 鋁脅迫對(duì)甜玉米幼苗相對(duì)干重的影響

鋁脅迫下，植物的生物量受到影響，干重會(huì)有所減少。如圖4所示，140個(gè)不同玉米自交系在受到0.4 mmol·L-1的AlCl3脅迫后相對(duì)干重差異較大，部分自交系相對(duì)干重較對(duì)照組減少，另一部分卻有所增加，最大相對(duì)干重與最小相對(duì)干重相差1.445 9。140個(gè)自交系中相對(duì)干重最大的10個(gè)自交系為K 77、K 117、K 56、K 92、K 83、K 99、K 35、K 19、K 138、K 94，其相對(duì)干重分別為1.818 4、1.732 1、1.484 9、1.419 3、1.411 0、1.401 3、1.395 7、1.374 9、1.367 9、1.367 2。相對(duì)干重最小的10個(gè)自交系為K 137、K 131、K 05、K 31、K 47、K 12、K 103、K 30、K 62、K 98，其相對(duì)干重分別為0.372 5、0.675 0、0.716 6、0.719 5、0.742 0、0.757 0、0.758 4、0.774 6、0.778 2、0.808 7。

2.5 不同基因型玉米種子耐鋁性綜合評(píng)價(jià)

使用SPSS 19.0軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。將140個(gè)玉米自交系的相對(duì)根伸長量、相對(duì)株高、相對(duì)干重、相對(duì)鮮重、相對(duì)葉綠素含量5個(gè)指標(biāo)輸入SPSS軟件中，進(jìn)行聚類分析，把140個(gè)自交系分成四類(圖5)：類群Ⅰ：K 1、K 2、K 35、K 41、K 46、K 47、K 48、K 73、K 76、K 80、K 84、K 121、K 122；類群Ⅱ：K 2-K 34、K 36-K 40、K 42-K 45、K 49-K 72、K 74、K 77、K 78、K 79、K 81、K 82、K 83、K 85-K 100、K 101-K 113、K 115-K 120、K 123-K 132、K 134、K 135、K 136；類群Ⅲ：K 75、K 114；類群Ⅳ：K 133。不同基因型的甜玉米在其苗期對(duì)鋁毒的敏感性和耐性存在差異，類群Ⅲ中自交系大部分具有較強(qiáng)的耐鋁性，通過計(jì)算所有指標(biāo)比值的匯總值(圖6)，140個(gè)基因型玉米中，匯總值最大的10個(gè)自交系為K 117、K 77、K 83、K 56、K 91、K 99、K 138、K 86、K 92、K 94，其總比值分別為6.390 5、6.336 8、5.849 5、5.812 0、5.791 5、5.786 0、5.686 9、5.667 7、5.654 3、5.652 6，表明這10個(gè)自交系對(duì)鋁毒有較強(qiáng)的抗性。匯總值最小的10個(gè)自交系分別為K 137、K 47、K 62、K 36、K 30、K 103、K 05、K 12、K 125、K 97，其匯總值分別為3.650 9、3.910 1、3.934 3、3.956 5、4.038 2、4.089 6、4.091 3、4.164 1、4.168 7、4.183 0。表明這10個(gè)甜玉米基因型對(duì)鋁脅迫較為敏感，對(duì)鋁毒的抗性較低。在140個(gè)甜玉米自交系中有48個(gè)自交系的總比值大于5，表明該自交系的甜玉米有較強(qiáng)的耐鋁性，而剩下的92個(gè)自交系的總比值都小于5，說明這些基因型的甜玉米對(duì)鋁脅迫較為敏感。

3 討論與結(jié)論

植物在酸性土壤上受到毒害時(shí)，其根系生長首先受到抑制，根系生長發(fā)育不良將導(dǎo)致地上部器官的營養(yǎng)不足，影響葉綠素含量和干重等各項(xiàng)指標(biāo)，最終導(dǎo)致作物的產(chǎn)量和品質(zhì)降低[6-7]。許多植物的根系在短時(shí)間內(nèi)接觸低濃度的Al3+后即可表現(xiàn)出毒害癥狀，因此通常用植物根系的相對(duì)伸長量來衡量植物受鋁毒害程度。

本研究結(jié)果顯示，在用含鋁離子的營養(yǎng)液處理24 h后，甜玉米根系相對(duì)伸長量明顯下降，表明其根系伸長受到鋁離子的明顯抑制,而耐鋁性較強(qiáng)的甜玉米自交系，其根系的相對(duì)伸長量有所上升。

植物通過光合作用將光能轉(zhuǎn)變?yōu)樽陨砜梢岳玫哪芰浚夂献饔眯枰~綠素的參與，其含量在一定程度上反映植物光合作用的強(qiáng)度[8]，但植物葉綠素含量常受外界環(huán)境的影響，在逆境條件下植株的葉片會(huì)呈現(xiàn)出不同程度的變化，因此可以通過葉片中葉綠素含量作為鋁敏感性的指標(biāo)之一，來預(yù)測(cè)植株損害程度。研究表明，短期鋁脅迫使一些草本植物葉綠素含量明顯增加，長期的鋁脅迫對(duì)其含量沒有明顯影響。本研究結(jié)果表明，140個(gè)甜玉米自交系幼苗的葉綠素在鋁脅迫處理后，只有27個(gè)基因型的葉綠素含量有所增加，而有59個(gè)基因型的葉綠素含量明顯下降，其余基因型的幼苗葉綠素含量沒有明顯變化。有研究表明，葉綠素含量隨根尖鋁含量的增加而顯著降低。但是本實(shí)驗(yàn)中一部分自交系表現(xiàn)為葉綠素含量升高，說明這段時(shí)間鋁脅迫對(duì)該自交系甜玉米幼苗的光合作用尚未產(chǎn)生明顯的破壞性影響。

重金屬脅迫會(huì)抑制植物器官和組織的生長與分化，從而使植物發(fā)育變得緩慢，嚴(yán)重時(shí)甚至死亡。但也有研究表明，低濃度的鋁對(duì)某些植物的生長發(fā)育具有一定的促進(jìn)作用，只有當(dāng)鋁離子的濃度超過植物的耐受臨界值之后才會(huì)表現(xiàn)出毒害作用[9]。但不同自交系的植物，對(duì)鋁濃度的臨界值是不同的。本研究結(jié)果表明，大部分甜玉米自交系在鋁脅迫下株高與干重受到抑制，但是鋁脅迫對(duì)一部分甜玉米自交系的生長有一定的促進(jìn)作用，這一結(jié)果表明，同一作物不同自交系，其鋁的臨界值都會(huì)有所不同。

本試驗(yàn)僅對(duì)甜玉米自交系在鋁脅迫下的表型變化進(jìn)行了研究，而生理生化指標(biāo)以及耐鋁機(jī)理相關(guān)的研究并未涉及。目前許多研究已從分子水平上驗(yàn)證了植物響應(yīng)鋁毒害的生理及遺傳機(jī)制，植物對(duì)鋁毒害的響應(yīng)機(jī)制較為復(fù)雜，不同植物已經(jīng)形成了不同的耐受機(jī)制來抵消鋁毒害。這些機(jī)制可以分為兩種形式：外排機(jī)制主要是通過避免或減少Al3+進(jìn)入細(xì)胞；內(nèi)部解毒機(jī)制主要是將Al隔離或螯合以抑制鋁毒害[10]。外部排斥機(jī)制包括根際pH值的升高、有機(jī)酸分泌、細(xì)胞壁組成和質(zhì)膜性質(zhì)的變化，以及螯合分子的排放機(jī)制等[11]。內(nèi)部抗性機(jī)制包括細(xì)胞液泡對(duì)Al3+的儲(chǔ)存、胞液中有機(jī)酸與Al的絡(luò)合，以及蛋白質(zhì)與Al形成復(fù)合物等[12]。

本試驗(yàn)所用的Al3+溶液濃度較低，一些指標(biāo)植物受到鋁脅迫的影響較小，對(duì)照和處理組的數(shù)據(jù)值差值較小。之后可通過對(duì)特定自交系進(jìn)行多濃度梯度試驗(yàn)，研究其耐受程度，選擇具有實(shí)際生產(chǎn)意義的濃度進(jìn)行耐性研究，提升實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

甜玉米根尖伸長量、葉綠素、株高、鮮重、干重在鋁脅迫處理下受到一定影響。根尖伸長量在鋁脅迫處理下明顯受到抑制，而地上部分的生理指標(biāo)如葉綠素含量、株高、鮮重、干重等響應(yīng)鋁脅迫具有差異，不同基因型玉米對(duì)鋁處理的反應(yīng)有所不同。在本研究中，部分自交系耐鋁性較強(qiáng)，可以為后續(xù)耐鋁品種的選育提供材料，豐富耐鋁毒的玉米種質(zhì)。