不同鐵效率玉米品種苗期適應(yīng)低鐵脅迫的根系特征與鐵積累差異

任 云，劉 靜，李哲馨，李會合，李 強

（重慶經(jīng)濟植物生物技術(shù)重點實驗室/重慶市特種植物協(xié)調(diào)創(chuàng)新中心/特色植物研究院，園林與生命科學(xué)學(xué)院，重慶文理學(xué)院，重慶 402160）

鐵 (Fe) 作為影響作物生長發(fā)育及品質(zhì)產(chǎn)量形成的關(guān)鍵微量營養(yǎng)元素，具有重要的生物學(xué)功能[1]。鐵參與葉綠素的合成，影響葉綠體的構(gòu)造，是植株合成葉綠素及完成光合作用的必要條件，缺鐵將會導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)和胞內(nèi)細(xì)胞器的畸變或破壞[2]。另外，它還參與植物呼吸作用、生物固氮和細(xì)胞解毒等重要生物學(xué)過程[3]。土壤中可被植物直接利用的離子態(tài)鐵含量很少，特別是荒漠干旱內(nèi)陸地區(qū)，土壤鈣質(zhì)化嚴(yán)重，鹽分含量高，pH高，導(dǎo)致土壤有效鐵含量更低，作物缺鐵黃化，進而嚴(yán)重影響產(chǎn)量[4]。鐵高效作物品種的推廣應(yīng)用是保障石灰性土壤作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑。

根系是植物從土壤中吸收養(yǎng)分的重要器官，良好的根系構(gòu)型和空間分布有利于提高植株對鐵素的吸收與積累，鐵的供給水平同樣影響植物根系的發(fā)育[5-6]。牛樂等[7]發(fā)現(xiàn)低鐵脅迫下玉米苗期根系形態(tài)直接與鐵效率相關(guān)，良好的根系形態(tài)和生理活性是鐵高效利用的重要特征。Ciaffi等[8]和Zamboni等[9]指出低鐵脅迫對小麥幼苗根的生長影響顯著，從而使其表現(xiàn)出植物缺鐵的典型癥狀 (如葉綠素含量降低) 以及其他礦物營養(yǎng)的不均衡積累。Jia等[10]發(fā)現(xiàn)蘋果砧木對低鐵脅迫存在明顯的基因型差異，且蘋果砧木地上部生物量、總根長和側(cè)根數(shù)與耐低鐵能力呈顯著正相關(guān)。龍文靖[11]發(fā)現(xiàn)低鐵脅迫下玉米苗期干物質(zhì)積累量顯著下降，同時根系活力和單株溶鐵能力降低，導(dǎo)致地上、地下部鐵含量和積累量也降低，但鐵素向地上部轉(zhuǎn)移分配能力增強，鐵素的生理效率提高。作物的根系形態(tài)及鐵積累特性與作物品種的鐵利用效率密切相關(guān)。

玉米是世界第一大糧食作物，占世界糧食總產(chǎn)量的41%，玉米生產(chǎn)對全球糧食安全起著舉足輕重的作用[12]。西南地區(qū)是我國玉米主產(chǎn)區(qū)，該區(qū)旱地以石灰性紫色土為主，土壤有效鐵含量低，嚴(yán)重制約著該區(qū)玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[13]。前人[14-15]研究表明，玉米對鐵的吸收利用存在明顯的基因型差異，不同玉米品種鐵效率差異顯著，鐵高效玉米品種的推廣應(yīng)用是保障石灰性土壤玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的重要途徑。盡管已有大量研究證實作物對低鐵脅迫的適應(yīng)能力存在顯著的品種差異，但關(guān)于不同鐵效率玉米品種適應(yīng)低鐵脅迫的根系形態(tài)與鐵積累特征差異的報道還較鮮見。本研究采用室內(nèi)砂培的方法，以不同鐵效率玉米品種為材料，研究不同鐵效率玉米品種適應(yīng)低鐵脅迫的根系形態(tài)特征，鐵與物質(zhì)積累及鐵吸收利用差異，以豐富玉米鐵素營養(yǎng)理論，為鐵高效玉米種質(zhì)資源的挖掘利用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為前期試驗篩選的鐵高效玉米品種正紅2號 (ZH2，四川農(nóng)大正紅種子有限公司)、正大619 (ZD619，襄樊正大農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司) 和鐵低效玉米品種川單418 (CD418，四川川單種業(yè)有限公司)、先玉508 (XY508，鐵嶺先鋒科技有限公司)[16]。

1.2 試驗設(shè)計

于2018年10月和2019年5月分兩次在重慶文理學(xué)院溫室大棚 (光溫條件為自然環(huán)境) 內(nèi)進行砂培試驗，采用兩因素完全隨機設(shè)計。因素A為不同鐵效率玉米品種：鐵高效玉米品種正紅2號 (ZH2)、正大 619 (ZD619) 和鐵低效玉米品種川單 418 (CD418)、先玉508 (XY508)；因素B為不同鐵素水平：極低鐵處理 Fe0 (低鐵 Hoagland營養(yǎng)液，F(xiàn)e濃度為 0 μmol/L)、低鐵處理 Fe10 (低鐵 Hoagland營養(yǎng)液，F(xiàn)e 濃度為 10 μmol/L)、正常供鐵 Fe100 (正常鐵Hoagland完全營養(yǎng)液，F(xiàn)e濃度為 100 μmol/L)。共12個處理，每處理6盆，共72盆。

砂培基質(zhì)為石英砂 (1～2 mm)，10%鹽酸浸泡4 h，自來水沖洗后蒸餾水洗凈，裝盆 (22 cm×25 cm)。選取大小均勻、籽粒飽滿的玉米種子用70%酒精消毒，蒸餾水洗凈，置于鋪有濕潤紗布的發(fā)芽盤中28℃催芽，出芽后轉(zhuǎn)移到珍珠巖中。玉米幼苗2葉1心時選取長勢一致的玉米幼苗，去除胚乳后移栽至砂培基質(zhì)定苗。定苗后每隔2天用各Fe濃度營養(yǎng)液 (每盆1 L) 進行澆灌，培養(yǎng)14天后進行取樣測定。

1.3 樣品采集與測定

處理后第14天，每重復(fù)取10株，每處理3次重復(fù)，測定玉米根系形態(tài)、干物質(zhì)積累及鐵含量，并計算根系鐵吸收效率與生理效率。

根系形態(tài)指標(biāo)：利用根系掃描儀 (Epson Expression 1000xl，WinRHIZO) 測定根表面積、根體積、總根長、根直徑。

干物質(zhì)積累：將幼苗分為根系和地上部分，105℃殺青30 min，80℃烘至恒重，稱量干重。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。

鐵含量：采用原子吸收法測定玉米幼苗地上部和根系鐵含量[17]。稱取1.00 g經(jīng)烘干粉碎的玉米植株樣品于塑料瓶中，加入 25.0 mL Vc-HCl 溶液 (0.40 g維生素C溶解后，加入166.0 mL濃鹽酸定容至1 L)，置于80℃恒溫振蕩器上振蕩2 h，用蒸餾水補至原重后過濾，用原子吸收分光光度計測定浸提液中鐵的含量。地上部鐵積累量=鐵含量×地上部干重；根系鐵積累量=鐵含量×根系干重；單株鐵積累量=地上部鐵積累量+根系鐵積累量；根冠鐵分配比=根系鐵積累量/地上部鐵積累量；根系鐵吸收效率=單株鐵積累量/根系干重；鐵素生理效率=單株干重/鐵積累量[15]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

測定的數(shù)據(jù)用Excel 2010進行整理，利用SPSS 21.0軟件對整理好的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，并用GraphPad Prism 5 作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種根系形態(tài)特征的影響

根系是玉米從土壤中吸收養(yǎng)分的重要器官，良好的根系形態(tài)有利于提高玉米對鐵素的吸收與積累。方差分析結(jié)果 (表1) 顯示，除了年份×鐵、年份×鐵×品種的互作對總根長的影響以及年份×品種的互作對總根長、根直徑和根體積的影響不顯著外，其余性狀在年份、品種、鐵、年份×鐵、年份×品種、品種×鐵和年份×鐵×品種的互作上均存在極顯著差異。進一步分析發(fā)現(xiàn)，低鐵脅迫對玉米苗期總根長、根表面積等根系形態(tài)特征有重要影響，且不同鐵效率玉米品種根系形態(tài)特征差異明顯。與Fe100正常供鐵相比，在極低鐵和低鐵 (Fe0和Fe10)脅迫下，鐵低效玉米品種 (XY508和CD418) 總根長、根表面積和根體積均顯著降低，根直徑顯著增加，而鐵高效玉米品種 (ZH2和ZD619) 總根長和根表面積均有所增加，根體積在極低鐵和低鐵處理下均顯著增加，根直徑在極低鐵Fe0處理下顯著降低，低鐵Fe10處理下差異不顯著。由此可見，與鐵低效玉米品種相比，鐵高效玉米品種在低鐵脅迫下根系性狀總根長、根表面積和根體積受影響較小，對低鐵環(huán)境具有較強的適應(yīng)性。

表 1 低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種根系形態(tài)特征的影響Table 1 Effects of low-Fe stress on root traits of maize varieties with different Fe efficiencies

2.2 低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種干物質(zhì)積累與分配的影響

低鐵脅迫下玉米幼苗地上部干重和單株干重均顯著降低，而根冠比顯著升高，且隨著脅迫程度的增加變幅增大，兩年試驗結(jié)果一致 (表2)。兩年4品種平均，與Fe100處理相比，極低鐵和低鐵處理(Fe0和Fe10) 下地上部干重分別降低了34.75%和18.54%，單株干重分別降低了9.39%和14.44%，而根冠比分別提高了64.29%和31.82%。方差分析結(jié)果(表2) 顯示，除了年份×品種的互作對根干重、根冠比的影響以及年份對根冠比的影響不顯著外，其余干物質(zhì)積累與分配指標(biāo)在年份、品種、鐵、年份×鐵、年份×品種、品種×鐵和年份×鐵×品種的互作上均存在極顯著差異。進一步分析發(fā)現(xiàn)不同鐵效率玉米品種上述指標(biāo)對低鐵脅迫的響應(yīng)也存在明顯差異。兩年平均，與Fe100處理相比，極低鐵和低鐵脅迫下 (Fe0和Fe10)，鐵低效品種地上部干重降低幅度分別為52.63%和28.95% (XY508)、51.43%和30.00% (CD418)，單株干重分別降低44.48%和22.71% (XY508)、43.24%和25.53% (CD418)，而鐵高效品種地上部干重分別降低21.28%和8.75%(ZH2)、16.79%和7.63% (ZD619)，單株干重分別降低 17.80%和5.85% (ZH2)、14.47%和5.47%(ZD619)，降幅均低于鐵低效品種；鐵低效品種(XY508和CD418) 的根冠比分別提高107.79% (Fe0)和 46.75% (Fe10)，而鐵高效品種 (ZH2和ZD619)分別提高 20.78% (Fe0)和16.88% (Fe10)。由此可見，與鐵低效品種相比，鐵高效品種在低鐵脅迫下地上部生長受到的影響小，表明其對低鐵環(huán)境具有更強的適應(yīng)性。

表 2 低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種干物質(zhì)積累與分配的影響Table 2 Effects of low-Fe stress on the dry matter accumulation and distribution of maize varieties with different Fe efficiencies

2.3 低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種鐵積累與分配的影響

低鐵脅迫下，玉米幼苗單株鐵積累量顯著降低，且隨脅迫程度增加降幅增大 (表3)。兩年4品種平均，極低鐵和低鐵 (Fe0和Fe10) 處理下的單株鐵積累量較Fe100分別降低了38.73%和21.84%。方差分析結(jié)果 (表3) 顯示，除了年份及年份×品種的互作對根冠鐵分配比的影響不顯著外，其余鐵積累與分配指標(biāo)在年份、品種、鐵、年份×鐵、年份×品種、品種×鐵和年份×鐵×品種的互作上均存在極顯著差異。進一步對比發(fā)現(xiàn)低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種鐵積累量的影響程度存在明顯差異。兩年平均，極低鐵和低鐵 (Fe0和Fe10) 處理下，鐵高效品種鐵積累量較Fe100分別降低25.42%和11.94%，地上部鐵分配比例較Fe100分別降低5.98%和4.13%，根系鐵分配比例較Fe100分別提高17.36%和11.96%；而鐵低效品種鐵積累量較Fe100分別降低53.77%和33.02%，地上部鐵分配比例較Fe100則分別降低18.08%和10.24%，根系鐵分配比例較Fe100分別提高53.97%和30.11%。極低鐵和低鐵處理下，鐵高效品種鐵積累量的降幅、地上部鐵分配比例的降幅與根系鐵分配比例的增幅均明顯低于鐵低效品種，且根冠鐵分配比受的影響更小，能更好地維持植株的正常生長，提高其對低鐵環(huán)境的適應(yīng)性。

表 3 低鐵脅迫下玉米不同部位鐵積累量及根冠鐵分配比Table 3 Fe accumulation in different parts of maize and the distribution ratio of root to shoot under low Fe stress

2.4 低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種鐵吸收利用的影響

單位重量根系的鐵吸收量 (單株鐵積累量/根系干重) 可以反映根系的相對鐵吸收能力。由圖1可知，玉米幼苗根系相對鐵吸收能力 (根系鐵吸收效率) 隨低鐵脅迫程度的增加而降低，兩年4品種平均，在極低鐵和低鐵 (Fe0和Fe10) 處理下，根系鐵吸收效率較Fe100處理分別降低了38.66%和26.52%。不同鐵效率玉米品種根系鐵吸收效率對低鐵脅迫的響應(yīng)差異明顯，兩年平均，在極低鐵和低鐵 (Fe0和Fe10) 處理下，鐵高效品種根系鐵吸收效率分別較Fe100降低了23.95%和18.19%，鐵低效品種分別降低了53.61%和34.98%。鐵高效品種根系鐵吸收效率降幅明顯低于鐵低效品種，表明低鐵脅迫下鐵高效品種根系具有更強的鐵吸收能力。

圖 1 低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種根系鐵吸收效率的影響Fig.1 Effects of low-Fe stress on the root Fe absorption capacity of maize varieties with different Fe efficiencies

低鐵脅迫下，玉米幼苗鐵生產(chǎn)能力 (鐵素生理效率) 顯著提高，且隨脅迫程度增加增幅加大 (圖2)。兩年4品種平均，F(xiàn)e0和Fe10處理鐵生理效率較Fe100處理分別提高17.14%和9.78%。不同鐵效率玉米品種鐵生理效率對低鐵脅迫的響應(yīng)程度也有較大差異。兩年平均，在極低鐵和低鐵 (Fe0和Fe10)處理下，鐵高效品種的鐵生理效率較Fe100處理分別提高了21.50%和12.72%，而鐵低效品種較Fe100處理分別提高了12.69%和6.78%。低鐵脅迫下，鐵高效品種鐵生理效率增幅大于鐵低效品種，表明低鐵脅迫下鐵高效品種的鐵利用效率更優(yōu)。

圖 2 低鐵脅迫對不同鐵效率玉米品種鐵素生理效率的影響Fig.2 Effects of low-Fe stress on Fe physiological efficiency of maize varieties with different Fe efficiencies

2.5 根系性狀與鐵積累量的相關(guān)性分析

玉米幼苗根系性狀與鐵積累量的相關(guān)性分析結(jié)果表明，玉米幼苗鐵積累量與總根長、根表面積、根體積和根干重均呈顯著正相關(guān)，而與根冠比之間呈負(fù)相關(guān) (圖 3)，其中與總根長 (R2=0.8546，圖 3A)和根表面積 (R2=0.8983，圖 3B) 相關(guān)性最強，表明總根長和根表面積是影響玉米幼苗鐵吸收積累最重要的根系性狀。進一步分析表明，兩年平均，鐵高效品種平均較鐵低效品種平均在正常鐵Fe100、低鐵Fe10和極低鐵Fe0處理下總根長分別高出1.49%、24.29%和35.44%，根表面積分別高2.12%、43.40%和70.59%。與鐵低效品種相比，鐵高效品種總根長和根表面積的增長優(yōu)勢均隨脅迫程度的增加而增加，表明保持較高的根長和根表面積是鐵高效品種具有更強的低鐵適應(yīng)能力的重要根系特征。

圖 3 玉米幼苗根系性狀與鐵積累的相關(guān)性分析Fig.3 Correlation analysis of root traits and iron accumulation in maize seedlings

3 討論

鐵是植物生長發(fā)育的重要營養(yǎng)元素，缺鐵脅迫對植物根系的形態(tài)指標(biāo)和生物量均有重要影響[18-19]。龍文靖等[20]指出玉米幼苗根長、根體積、根系活力、干物質(zhì)、鐵含量、鐵積累量、相對吸鐵能力均隨鐵濃度的降低逐漸降低。牛樂等[7]研究發(fā)現(xiàn)，低鐵脅迫下，玉米幼苗的單株干重、根干重、總根長、根體積和根表面積均降低，但根冠比與平均根直徑明顯增加。本試驗結(jié)果表明，低鐵脅迫導(dǎo)致鐵低效玉米品種幼苗的總根長、根表面積、根體積、干物質(zhì)重均顯著或極顯著降低，所有玉米品種幼苗根冠比均顯著增加，這與前人[5, 14]的研究結(jié)果基本一致。但鐵高效品種在低鐵脅迫下總根長與根表面積未降低反而有所增加，且根體積與干物質(zhì)重的降幅及根冠比的增幅均明顯低于鐵低效品種，這與章愛群等[14]和徐健欽等[21]指出的適當(dāng)?shù)丸F對玉米幼苗根系生長具有促進作用的結(jié)果一致。龍文靖等[15]研究指出，玉米鐵高效品種根長、根體積及根系干物質(zhì)均高于鐵低效品種，根系發(fā)達是鐵高效品種鐵積累量顯著高于鐵低效品種的重要原因。本試驗中鐵高效品種總根長、根表面積、根體積和根干重也均明顯高于鐵低效品種。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)玉米幼苗鐵積累量與總根長、根表面積、根體積和根干重均呈顯著正相關(guān)，而與根冠比之間呈負(fù)相關(guān)，且玉米幼苗鐵積累量與總根長 (R2=0.8546) 和根表面積 (R2=0.8983) 相關(guān)性最高。與正常鐵Fe100處理相比，低鐵處理下鐵低效品種的總根長、根表面積和根體積顯著降低，而鐵高效品種的總根長和根表面積差異不顯著，因此較高的總根長和根表面積可能是鐵高效品種對低鐵脅迫具有更強適應(yīng)性的重要根系性狀。

植株對鐵的吸收利用是一個復(fù)雜的過程，低鐵脅迫下植物根系特性與鐵高效品種的鐵素吸收能力密切相關(guān)[22-23]。陳旭蕾等[24]發(fā)現(xiàn)低鐵脅迫下，各基因型玉米的根冠比與鐵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，低鐵脅迫下玉米幼苗的根冠比顯著增加而根系相對鐵吸收效率顯著降低，呈明顯的負(fù)相關(guān)；此外，本研究還發(fā)現(xiàn)低鐵脅迫下玉米幼苗鐵素生理效率顯著增加，可能是作物適應(yīng)低鐵脅迫的重要生理機制，與前人[15, 25]研究結(jié)果一致。石榮麗等[26]研究小麥鐵營養(yǎng)效率發(fā)現(xiàn)基因型鐵吸收差異與根表面積差異密切相關(guān)。趙婧等[27]研究表明，低鐵脅迫下鐵高效大豆品種根系的鐵平均積累速率高于鐵低效品種，以此來抵抗低鐵對生長所造成的傷害。本試驗結(jié)果表明，低鐵脅迫下由于鐵供應(yīng)受限使玉米幼苗根系鐵吸收效率顯著下降，但鐵高效品種的降幅明顯低于鐵低效品種，使得鐵高效品種的根系鐵吸收效率顯著高于鐵低效品種，這與前人[25-27]的研究結(jié)果基本一致。同時，玉米幼苗為了適應(yīng)低鐵環(huán)境，鐵生理效率顯著升高，但鐵高效品種的增幅明顯高于鐵低效品種。因此，較高的根系鐵吸收效率和鐵生理效率是鐵高效品種較鐵低效品種對低鐵脅迫具有更強適應(yīng)性的重要生理特征。

4 結(jié)論

低鐵脅迫下，不同鐵效率玉米品種幼苗的根干重、單株干重、鐵積累量、根系相對鐵吸收效率均顯著降低，而根冠比與鐵素生理效率均顯著升高，且隨脅迫程度的增加變幅加大，鐵高效品種各指標(biāo)的變幅均明顯低于鐵低效品種；鐵低效品種根體積、總根長和根表面積均顯著降低，而鐵高效品種均有所增加。玉米幼苗鐵積累量與總根長、根表面積、根體積和根干重均呈顯著正相關(guān)，與根冠比呈負(fù)相關(guān)，但與總根長和根表面積相關(guān)性最高。與鐵低效玉米品種相比，鐵高效玉米品種低鐵脅迫下具有較大的總根長與根表面積及較高的根系鐵吸收效率與鐵生理效率，促進其對鐵素的高效吸收和利用，提高了其對低鐵環(huán)境的適應(yīng)性。