非生物脅迫對不同玉米雜交種苗期生長的影響

艾麗曼·阿布來孜，趙海菊，塔伊爾·買買提江，阿拉依·哈那提，王長海，蘭海燕

(1. 新疆大學生命科學與技術學院新疆生物資源基因工程重點實驗室，烏魯木齊 830046；2.北京九圣禾農(nóng)業(yè)科學研究院有限公司，北京 100081)

0 引 言

【研究意義】玉米(ZeamaysL.)作為我國第一大農(nóng)作物已被廣泛用于食品、工業(yè)及新能源開發(fā)等各個領域[1]。隨著全球氣候的變化，各種非生物脅迫 (干旱、鹽漬、低溫等) 已成為限制玉米產(chǎn)量的主要因素[2]。研究顯示，干旱降低玉米產(chǎn)量25%～30%，嚴重年份導致絕收[3]。不同玉米品種對脅迫的應答和適應能力有顯著差異。分析不同雜交種對各種非生物脅迫的適應能力，在合適地域栽培不同的品種對提高玉米產(chǎn)量具有重要意義。【前人研究進展】玉米原產(chǎn)于熱帶地區(qū)，植株高大，葉片發(fā)達，因此，需水量較多。圍繞旱脅迫對玉米形態(tài)和生理生化的影響已展開了研究[6,7]。而鹽脅迫成為玉米生長和產(chǎn)量的主要限制因素，研究表明，鹽脅迫導致植物細胞水勢過低、葉片失水、氣孔導度下降，致使多種代謝失調、光合速率受阻、特定酶活性降低等[8]。由于鹽脅迫是一個持續(xù)的并且不斷惡化的影響，因此，選育抗鹽性強，高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的玉米新品種就顯得尤為重要和迫切。玉米是喜溫而耐寒性較差的作物，全生育期要求較高的溫度，而且其耐冷性在不同種質間，同一種質的不同生長階段表現(xiàn)出明顯的差異。低溫引起幼苗萎蔫，甚至死亡，導致巨大的產(chǎn)量損失[9,10]。而北方春玉米區(qū)時常發(fā)生的早春低溫冷害是玉米生產(chǎn)上主要的氣象災害之一，給玉米生產(chǎn)帶來嚴重影響[11]。苗期抗逆性是玉米育種的重要性狀[12]?！颈狙芯壳腥朦c】前人對玉米抗逆性已進行了研究，然而更多的是玉米自交系之間的抗逆性差異研究[4,5]，對雜交種抗逆性差異研究還相對較少。玉米還是喜光作物，前人從光對玉米的生長發(fā)育、形態(tài)建成、光合生理、產(chǎn)量等方面進行了研究，但大部分是弱光脅迫，對強光的影響研究還相對較少[12]。研究以種植在不同地區(qū) (新疆、東北、山西南部) 的3個玉米雜交種為材料，通過分析幼苗在不同脅迫條件下的表型變化趨勢，比較幼苗抗逆性并比較不同雜交種間的區(qū)別?！緮M解決的關鍵問題】分析玉米雜交種在不同脅迫條件下的株高、莖粗、葉面積、相對含水量的變化，研究干旱、鹽、低溫、強光等4種非生物脅迫對玉米幼苗形態(tài)的影響，比較不同雜交種的苗期抗逆性，為玉米生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

新玉47、九玉J03、九圣禾2468 3個雜交種由九圣禾種業(yè)股份有限公司提供。表1

表1 供試玉米雜交種特征
Table 1 Characteristics of tested maize varieties

品種名稱Name株高Height (cm)穗長Ear length (cm)籽粒形狀Seed shape籽粒顏色Seed color千粒重Thousand seed weight (g)生育期Growthperiod (d)審定地域Adaptive region新玉47號Xinyu 47 29024半馬齒型金黃色335125～127新疆九玉J03Jiuyu J0331720～22半馬齒形黃色410127～129東北九圣禾2468Jiusheng he246826617半馬齒形黃色307103～105山西南部

1.2 方 法

1.2.1 玉米幼苗培養(yǎng)及脅迫處理

選取大小一致且成熟飽滿的玉米種子播種于育苗缽里，置于16 h光照/8 h黑暗、100～110 μmol/(m2·s)光強、24～28℃、10%～20%相對濕度下進行培養(yǎng)。于兩葉一心期篩選長勢一致的幼苗進行以下處理：

干旱處理：對照植株正常澆1/2 Hoagland營養(yǎng)液，旱處理植株用1/2 Hoagland營養(yǎng)液配制的不同濃度的PEG 6000溶液 (10%、20%、30%)進行澆灌。

鹽處理：對照植株正常澆1/2 Hoagland營養(yǎng)液，鹽處理植株用1/2 Hoagland營養(yǎng)液配制的不同濃度的NaCl溶液 (100、200、250、300、400、500 mmol/L)進行澆灌。

低溫處理：幼苗分別放置于25℃ (對照)或4℃ (處理)下培養(yǎng)5 d，澆1/2 Hoagland營養(yǎng)液。

光照處理：幼苗分別放置于正常光 (100～110 μmol/(m2·s) )或強光 (180～190 μmol/(m2·s))下培養(yǎng)7 d，澆1/2 Hoagland營養(yǎng)液。

上述各處理每隔3 d澆灌，每次充分澆透后倒去多余的液體，確保花盆底部不積水，每天觀察各處理的生長差異。

1.2.2 植株性狀測量

將處理7 d后的玉米幼苗取出，分別測量其株高、莖粗、葉寬、葉長；

株高 (cm)：用直尺測量植株從土壤表面到最高生長點的長度；

莖粗 (mm)：用游標卡尺測量植株從土壤上面2～3 cm部分的莖稈粗細；

葉寬 (mm)：用直尺測量植株最寬葉的寬度；

葉長 (cm)：用直尺測量植株最長葉的長度；

葉面積 (cm2)=葉長×葉寬×0.75[6]。

1.2.3 鮮重、干重及相對含水量的測定

鮮重、干重 (g)：取植株地上部分，稱其鮮重，然后在105℃下殺青15 min，轉入80℃烘箱烘至恒重，稱其重量；

植株相對含水量 (%)=(鮮重-干重)/鮮重×100%。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003對數(shù)據(jù)進行處理，Prism 5、SPSS 19.0軟件處理試驗數(shù)據(jù)并做統(tǒng)計分析：處理間顯著性差異用單因素方差分析，品種間顯著性差異及相互作用用雙因素方差分析法及Duncan多重比較檢驗法。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對不同雜交種幼苗生長的影響

2.1.1 幼苗形態(tài)

研究表明，在旱脅迫下，3個品種的幼苗生長都受到了不同程度的抑制，隨著PEG濃度的增加其株高降低、莖粗變細、葉面積變小 。3個品種各測量指標與PEG濃度呈負相關。10% PEG脅迫對新玉47號，九玉J03的幼苗株高影響不大，但是九圣禾2468的幼苗株高比對照株高減少了18.5%；在20% PEG脅迫下3種雜交種幼苗的株高比各自的對照減少的幅度差異不大；30% PEG脅迫使新玉47號，九玉J03和九圣禾2468的株高分別比各自的對照減少了39.6%、44.2%、29.3%。由雙因素方差分析得出，PEG濃度對幼苗株高影響極顯著 (P<0.001)，而不同雜交種之間差異不顯著 。10% PEG脅迫對新玉47號、九玉J03幼苗的莖粗影響不大；在20% PEG脅迫下新玉47號、九玉J03的莖粗分別比各自的對照減少了23.4%、26.2%；當PEG濃度達到30%時新玉47號、九玉J03的莖粗分別比各自的對照減少了39.5%、47.2%；九圣禾2468的10%、20%、30%脅迫處理組幼苗莖粗都比對照莖粗減少了25%左右。PEG濃度對幼苗莖粗有顯著影響 (P<0.01)，而不同雜交種之間差異不顯著。10% PEG脅迫對新玉47號、九玉J03幼苗的葉面積影響不大，但是九圣禾2468的葉面積比對照減少了24.1%；在20% PEG脅迫下新玉47號、九玉J03和九圣禾2468的葉面積分別比對照減少了34.2%、35.2%、31.9%；當PEG濃度達到30%時新玉47號、九玉J03和九圣禾2468的葉面積分別比各自的對照減少了51.1%、62.5%、38.2%。PEG濃度對幼苗葉面積有極顯著影響 (P<0.001)，而不同雜交種之間差異不顯著 。表2，圖1

2.1.2 相對含水量

研究表明,旱脅迫導致幼苗的相對含水量呈現(xiàn)先升高后下降趨勢。30% PEG處理下九圣禾2468的含水量下降幅度大，比對照減少了24.7%，新玉47號和九玉J03的表現(xiàn)優(yōu)于九圣禾2468。PEG濃度對幼苗相對含水量有極顯著影響 (P<0.001)，不同雜交種之間也差異極顯著 (P<0.001) 。表2，圖1

注：(A) 株高; (B) 莖粗; (C) 葉面積; (D) 相對含水量

Note:(A) Plant height; (B) Stem thickness; (C) Leaf area; (D) Relative water content

圖1 PEG脅迫下幼苗形態(tài)和相對含水量變化.
Fig. 1 Effects of PEG stress on seedling morphology and relative water content

旱脅迫后，幼苗形態(tài)指標發(fā)生了明顯變化。各處理幼苗形態(tài)指標中葉面積受傷害最嚴重，而相對含水量受到的影響最小，3個玉米品種耐旱性強弱順序為九圣禾2468>新玉47號>九玉J03。圖2

注：PEG 濃度 (%): 0、10、20、30 (從左到右左)

Note: PEG concentration (%): 0，10，20，30 (From left to right)

圖2 PEG脅迫處理下不同玉米雜交種幼苗形態(tài)變化
Fig. 2 Seedling morphology of different maize varieties under PEG stress

表2 不同處理濃度和不同玉米雜交種幼苗生長雙因素方差
Table 2 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under PEG treatment

差異來源Source of difference株高 Plant height (cm)莖粗 Stem diameter (mm)葉面積Leaf area (cm2)相對含水量Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFPPEG濃度PEG Concentration3713.6728.48<0.0012.875.65<0.01742.8821.08<0.0010.0436.52<0.001玉米品種Maize Variation20.76 0.03 0.9700.630.120.885 39.601.120.3370.0217.80<0.001交互作用Interactian effect6 47.03 1.88 0.1130.771.510.205 43.36 1.230.3150.0214.51<0.001

2.2 NaCl脅迫對不同雜交種幼苗生長的影響

2.2.1 形態(tài)觀察

在鹽脅迫下，3個品種的幼苗生長均受到不同程度的抑制，隨鹽濃度的增加其株高降低、莖稈變細、葉面積變小 ，3個品種各測量指標與NaCl濃度呈負相關。在100 mmol/L NaCl脅迫下，新玉47號和九玉J03的株高下降幅度都很小，但是九圣禾2468比對照減少了41.7%。由雙因素方差分析得出，NaCl濃度對幼苗株高有極顯著影響 (P<0.001)，不同雜交種之間差異也極顯著 (P<0.01) 。在大于100 mmol/L NaCl脅迫下3種玉米幼苗莖粗的下降趨勢和幅度差異不大，都比對照減少了30%左右；新玉47號的莖粗受NaCl脅迫的影響比其余2個品種大，其莖粗在300、400、500 mmol/L NaCl脅迫下比對照分別減少了35.3%、50.4%、60%。由雙因素方差分析得出，NaCl濃度對幼苗莖粗有極顯著影響 (P<0.001)，不同雜交種之間差異也極顯著 (P<0.001) 。在200～500 mmol/L NaCl脅迫下新玉47號的葉面積下降幅度增大，均比對照減少了40%左右；九玉J03葉面積在200～300 mmol/L NaCl下比對照減少了45%左右，400～500 mmol/L下減少了60%左右；在200～500 mmol/L NaCl脅迫下九圣禾2468的葉面積比對照減少了50.5%。NaCl濃度對幼苗葉面積有極顯著影響 (P<0.001)，不同雜交種之間差異顯著 (0.01

2.2.2 相對含水量

鹽脅迫對3種玉米的生長都產(chǎn)生了不同程度的抑制，使幼苗的相對含水量下降。含水量在400、500 mmol/L NaCl脅迫下比對照分別減少了22.8%和38.8%。即隨著鹽處理時間延長和鹽處理濃度增大，3種玉米幼苗的相對含水量逐漸降低，但新玉47號的下降幅度比九玉J03和九圣禾2468大。圖3

鹽脅迫后，幼苗形態(tài)指標發(fā)生了明顯變化。其中莖稈受傷害最嚴重，而相對含水量受影響最小。不同品種莖粗和相對含水量受影響的差異較大。鹽脅迫的調節(jié)適應能力九玉J03最強，九圣禾2468次之，而新玉47號較為敏感。圖4

注：(A) 株高; (B) 莖粗; (C) 葉面積; (D) 相對含水量

Note: (A) Plant height; (B) Stem thickness; (C) Leaf area; (D) Relative water content

圖3 NaCl脅迫下幼苗形態(tài)和相對含水量變化
Fig. 3 Effects of NaCl stress on seedling morphology and relative water content

注：從左到右為0、100、200、250、300、400、500 mmol/L

Note:Left to right 0，100，200，250，300，400，500 mmol/L

圖4 NaCl脅迫處理下不同玉米雜交種的幼苗形態(tài)變化
Fig. 4 Seedling morphology of different maize varieties under NaCl stress

表3 不同NaCl濃度和不同玉米雜交種幼苗生長雙因素方差
Table 3 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under NaCl treatment

差異來源Source of difference株高 Plant height (cm)莖粗 Stem diameter (mm)葉面積 Leaf area (cm2)相對含水量 Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFPNaCl濃度NaCl concentration6606.8469.32<0.0012.5614.46<0.001600.3438.97<0.0010.0674.04<0.001玉米品種Maize variation 2 63.38 7.24<0.012.4313.71<0.001 67.21 4.36<0.050.2026.52<0.001交互作用Interaction effect12 50.01 5.71<0.0010.45 2.55<0.01 45.23 2.94<0.010.0113.67<0.001

2.3 低溫脅迫對不同雜交種幼苗生長的影響

2.3.1 形態(tài)觀察

在低溫脅迫下，3個品種的幼苗生長均受到不同程度的抑制，其株高降低、莖粗變細、葉面積變小、植株易倒伏。經(jīng)4℃處理后新玉47號、九玉J03、九圣禾2468的株高比對照分別減少了26.1%、30%、45.4%。由雙因素方差分析得出，低溫對幼苗株高有極顯著影響 (P<0.001)，而不同雜交種之間差異不顯著。莖粗分別減少了48.2%、44%、25.2%。低溫對幼苗莖粗無顯著影響，且雜交種之間差異不顯著。葉面積分別減少了41.1%、38.6%、53.1%。由雙因素方差分析得出，低溫對幼苗葉面積有顯著影響 (P<0.01)，并且不同雜交種之間差異不顯著。表4，圖5

2.3.2 相對含水量

低溫脅迫導致幼苗的相對含水量下降，3種雜交種幼苗相對含水量下降趨勢及幅度相似。由雙因素方差分析得出，低溫對幼苗相對含水量有極顯著影響 (P<0.001)，且不同雜交種之間差異不顯著。表4，圖5

注：(A) 株高; (B) 莖粗; (C) 葉面積; (D) 相對含水量

Note:(A) Plant height; (B) Stem diameter; (C) Leaf area; (D) Relative water content

圖5 低溫脅迫下幼苗形態(tài)和相對含水量變化
Fig. 5 Effects of low temperature on seedling morphology and relative water content

表4 不同溫度和不同玉米雜交種幼苗生長雙因素方差
Table 4 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under various temperatures

差異來源Source of difference株高 Plant height (cm)莖粗 Stem diameter (mm)葉面積 Leaf area (cm2)相對含水量 Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFP溫度Temperature 11 435.02159.79<0.0013.871.420.053977.8412.58<0.010.0561.90<0.001玉米品種Maize variation 239.044.330.3002.820.840.0690.520.010.9930.00 3.020.076交互作用 Interaction effect2 47.675.310.1601.423.970.234 95.931.230.3150.00 0.740.492

低溫脅迫后，幼苗形態(tài)指標發(fā)生了明顯變化。其中葉面積受傷害最為嚴重，而相對含水量受到的影響最小，不同品種受到影響的差異也較小。綜合各項指標初步判斷九玉J03耐低溫能力最強，新玉47號次之，九圣禾2468最弱。圖6

注：25℃ (左)；4℃ (右)

Note: 25℃ (left); 4℃ (right)

圖6 不同溫度處理下不同玉米品種幼苗形態(tài)變化
Fig. 6 Seedling morphology of different maize varieties under different temperature

2.4 強光脅迫對不同玉米雜交種幼苗生長影響

2.4.1 形態(tài)觀察

從外部形態(tài)看，處理組比對照莖稈更粗壯、莖稈和葉脈呈紫紅色、不易倒伏、生長受抑制程度也較低 。經(jīng)強光脅迫后新玉47號、九玉J03、九圣禾2468的株高比對照分別減少了13.5%、18.5%、6.1%。強光對幼苗株高沒有顯著影響，并且不同雜交種之間差異也不顯著 。莖粗分別增加了17.8%、17.6%、55.2%，由雙因素方差分析得出，強光對幼苗莖粗有極顯著影響 (P<0.001)，而不同雜交種之間差異不顯著 。新玉47號、九玉J03葉面積分別減少了18.3%、27%；九圣禾2468葉面積增大了12.4%，強光對幼苗葉面積沒有顯著影響，并且不同雜交種之間差異不顯著 。表5，圖7

2.4.2 相對含水量

強光脅迫后幼苗的相對含水量有增大趨勢，但沒有顯著差異 。光強度對3種玉米幼苗相對含水量有提升效果。表5，圖7

注：(A) 株高; (B) 莖粗; (C) 葉面積; (D) 相對含水量

Note:(A) Plant height; (B) Stem thickness; (C) Leaf area; (D) Relative water content

圖7 強光下幼苗形態(tài)和相對含水量變化
Fig. 7 Effects of higher illumination on seedling morphology and relative water content

注：正常光 (左)； 強光(右)

Note: Normal illumination (left); Higher illumination (right)

圖8 不同光強處理下不同玉米雜交種幼苗形態(tài)變化
Fig. 8 Seedling morphology of different maize varieties under light stress

強光脅迫后，幼苗形態(tài)指標發(fā)生了明顯變化，而不同品種間差異較小。九圣禾2468和新玉47號強光脅迫響應較小，而九玉J03則對強光脅迫較為敏感。圖8

表5 不同光強處理和不同玉米雜交種幼苗生長雙因素方差
Table 5 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under different light intensities

差異來源Source of difference株高 Plant height (cm)莖粗Stem diameter (mm)葉面積 Leaf area (cm2)相對含水量Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFP光強Light intensity 1 25.630.260.61420.7817.15<0.0012.180.0170.8970.082.640.122玉米品種Maize variation2195.802.020.162 1.38 1.140.341200.681.600.2300.210.710.507交互作用 Interaction effect2 45.220.470.635 2.70 2.230.13763.570.510.6120.061.930.174

3 討 論

干旱、高鹽、低溫等是影響植物生長和產(chǎn)量的最重要的非生物脅迫因素[13]。試驗通過PEG 6000模擬干旱脅迫比較3種玉米雜交種發(fā)現(xiàn)九圣禾2468耐旱能力較強； NaCl脅迫發(fā)現(xiàn)九玉J03耐鹽能力較強； 4℃脅迫發(fā)現(xiàn)九玉J03耐低溫能力較強；幼苗對強光脅迫的適應方面九圣禾2468較強，研究結果表明，不同來源的玉米雜交種具有不同的抗逆特性。

干旱脅迫對玉米的影響最終體現(xiàn)在植株生長方面[14,15]。在干旱條件下，玉米能夠通過降低生長速率和葉片衰老等途徑減少葉面積，尤其是在重度干旱下，生物量積累顯著降低，導致玉米生長受到顯著抑制[16,17]。結果顯示，九圣禾2468的株高、莖粗、葉面積降低幅度比其他2個品種小，表明其耐旱性較強。張仁和等[18]對鄭單958和陜單902材料開展的試驗結果也表明，干旱脅迫造成葉面積等指標下降。

玉米是鹽敏感作物[19,20]，近年來在鹽脅迫對玉米生長、生理響應等方面的影響開展了廣泛研究[21]。試驗對3個不同地區(qū)的玉米雜交種的鹽脅迫結果顯示，不同品種的幼苗株高、莖粗、葉面積、相對含水量均隨鹽濃度的升高而降低，結果跟秦雪峰等[22]以鄭單958(甘)、鄭單958(東)、東單14材料得到的結果，以及祭秀亭等[23]以鄭單958、農(nóng)大108材料得到的結果類似，但是上述研究比較側重于幼苗生理指標的變化，研究側重于形態(tài)指標的變化。

研究中，3種玉米雜交種幼苗在低溫脅迫下的生長受到嚴重抑制。玉米苗期冷害程度主要取決于低溫及處理時間的長短[24]。玉米耐寒性在不同時期受不同的基因控制，隨著植株的生長發(fā)育，耐寒性會有所變化[25]。試驗僅對玉米雜交種的苗期進行了鑒定，只代表雜交種在這個時期的耐低溫的特性。

光照強度會影響玉米正常的生長發(fā)育和形態(tài)建成[26,27]，玉米對弱光的響應前人已有了大量的研究[28]，但不同基因型的玉米對強光處理的響應差異則報道較少。對所研究的3種玉米雜交種進行強光脅迫并發(fā)現(xiàn)其能作出不同的響應。證實了強光對玉米生長發(fā)育的影響存在基因型差異。

各種非生物脅迫成為限制玉米產(chǎn)量的因素[3,28]，苗期抗逆性不能完全代表品種的抗逆水平，要全面了解不同品種抗逆性，還需要對成株期，即開花授粉期和灌漿期進行全面分析，對玉米品種抗逆性得出合理的評價。對糧食作物生產(chǎn)而言，其抗逆性的大小主要體現(xiàn)在產(chǎn)量方面[30,31]。有必要進一步以產(chǎn)量為鑒定指標，對3個玉米品種進行全生育期的抗逆性鑒定。

4 結 論

九玉J03號的耐鹽、耐低溫能力較強；九圣禾2468號的耐旱性，耐強光性較強；新玉47號的抗性一般，表現(xiàn)出玉米雜交種間苗期抗逆性存在差異。九圣禾2468適應種植在東北，黃淮海等地區(qū)；九玉J03適合黃淮海地區(qū)種植，但更適合東北地區(qū)種植；新玉47號適合在內蒙古部分地區(qū)種植。