磷对玉米自交系及其杂交种苗期形态的影响

马建华，王玉国，孙毅，2，3，牛常青

（1.山西农业大学 农学院，山西 太谷030801；2.山西省农业科学院 生物技术研究中心，山西 太原030031；

3.农业部黄土高原作物基因资源创制重点实验室，山西 太原030031；4.晋中学院 生物科学与技术学院，山西 晋中030600）

磷是植物生长发育必需的营养元素之一，以磷酸盐的形式被植物吸收，但土壤中磷酸盐分布不均，世界上多于30%的耕地需要施用磷肥来供植物生长［1］。大量施用磷肥，造成磷矿资源的耗竭和严重的环境污染，破坏了生态平衡［2］。多数土壤缺磷是“遗传学缺磷”［3］，鉴于不同基因型作物对低磷胁迫的自身调节能力存在显著差异，研究作物对磷的高效吸收运输和利用机制，挖掘利用磷高效植物的基因资源，成为全球性的重要攻关课题［4］。玉米是全球主要的粮食和饲料作物之一，也是典型的对低磷敏感性作物，近年来，国内外关于玉米耐低磷种质资源筛选、鉴定与遗传改良的相关研究较多，但大多以玉米自交系为研究对象，对玉米杂交种报道较少。将Mo17和B73及其作为亲本的正反交杂交种作为试验材料，研究不同磷浓度下玉米苗期各形态指标的变化，确定适合玉米苗期耐低磷种质筛选的磷浓度，探讨玉米正反交杂交种较亲本在低磷下的表现，为玉米耐低磷品种选育提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

选用Mo17、B73及其作为亲本的正交杂交种Mo17×B73和反交杂交种B73×Mo17作为试验材料。

1.2 试验方法

挑选大小及饱满度一致的上述玉米基因型种子，用10%H2O2消毒30 min后，去离子水洗掉表面残留的H2O2，在室温黑暗下催芽。待种子露白，将种子均匀地播入装满蛭石（蛭石基本理化性状：p H 8.58，有 效 磷 2.13 mg·kg－1，有 机 质0.175%，速 效 钾 75.4 mg·kg－1，碱 解 氮 57.1 mg·kg－1，全磷0.209%）的苗钵中培养，每钵留苗10株，苗钵上口径30 c m、下口径22 c m、高30 c m，每钵装干蛭石约10 kg，待幼苗为三叶一心时用不同磷浓度的Hoagland营养液浇灌，每次每钵浇营养液500 mL，每周浇1次。设5个不同的浓度处理，分别为P1（0.0005 m M）、P2（0.001 m M）、P3（0.25 m M）、P4（0.5 m M）、P5（1 m M），K H2PO4为磷源，以0.85 mol·L－1的K2SO4补足K的量，每个处理3次重复，于日光温室培养，温度为22～28℃，日均光照时间14 h。

1.3 测定项目

出苗后30 d取样，取样前调查株高、成活叶数及缺磷症状。缺磷症状调查标准，参考张丽梅等［5］的研究，采用目测分级法，将缺素症状划分为5级：5级，植株生长健壮，无缺磷症状；4级，植株生长健壮，叶缘或叶背面能见少数紫红色；3级，植株生长较良好，叶缘及叶背面有较明显的紫红色；2级，植株生长瘦弱，叶片上有明显的紫红色；1级，植株长势很差，叶片发紫严重。调查后取生长一致的幼苗地上部分，105℃杀青，70℃恒温烘干称重，地上部分干物质样品采用钼第比色法分析植株含磷量［6］。

1.4 数据处理

数据采用Excel和SPSS（16.0）软件进行分析，Tukey法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 磷浓度对玉米苗期株高的影响

由图1可见，磷浓度对玉米苗期株高的影响不大，反交杂交种B73×Mo17的株高在不同磷浓度间没有显著性差异，正交杂交种Mo17×B73在0.0005 mM时，株高显著低于0.5 mM时，与其它浓度差异不显著。2个亲本Mo17和B73的株高一致表现为0.25 mM时最低，显著低于0.5 mM时。

图1 磷浓度对玉米苗期株高的影响Fig.1 Effect of P concentration on plantheight of maize seedlings

2.2 磷浓度对玉米苗期地上干重的影响

由图2可见，磷浓度过高过低都不利于地上干重的积累，4个玉米基因型一致表现为磷浓度为0.5 m M时地上干重最大，磷浓度0.0005 m M时，地上干重最小。磷浓度大于0.5 m M，即为1 m M时，Mo17和 Mo17×B73地上干重显著降低，而B73和B73×Mo17地上干重低于0.5 m M时，差异不显著。当磷浓度小于0.5 m M，4个玉米基因型地上干重均显著降低。可见，磷浓度过高会产生磷毒害，地上干重降低，磷浓度过低则不能满足生长的营养需求，不利于地上干重积累。

图2 磷浓度对玉米苗期地上干重的影响Fig.2 Effect of P concentration on dr y weight of shoot of maize seedlings

2.3 磷浓度对玉米苗期地下干重的影响

在缺磷逆境中植物会通过根系适应性反应提高对磷的吸收，低磷下根系形态较高磷下细而长。低磷对根重的影响见图3，4个玉米基因型在磷浓度为0.5 m M时地下干重最大，且在磷浓度低于0.5 m M时，地下干重显著降低，磷浓度高于0.5 m M时，亲本Mo17和B73地下干重降低，但不显著，而杂交种Mo17×B73和B73×Mo17地下干重显著降低。Mo17、B73和B73×Mo17在磷浓度为0.0005 m M时地下干重最低，而Mo17×B73在磷浓度为1 m M时，地下干重最低，与其他各浓度差异显著。

图3 磷浓度对玉米苗期地下干重的影响Fig.3 Effect of P concentration on dry weight of root of maize seedlings

2.4 磷浓度对玉米苗期缺磷症状的影响

玉米苗期在低磷胁迫下，叶片出现红色条纹且发黄，随磷浓度的降低，玉米苗期缺磷症状加重。由图4可见，4个玉米基因型苗期缺磷症状对磷浓度的反应一致，浓度大于0.25 m M时，症状差异不显著，但低于0.25 m M时，症状较高浓度下显著加重，可见，磷浓度低到一定程度才表现缺磷症状。

图4 磷浓度对玉米苗期缺磷症状的影响Fig.4 Effect of P concentration on P－deficiency symptom of maize seedlings

2.5 磷浓度对玉米苗期植株含磷量的影响

植株含磷量与培养介质中磷浓度有关。由图5可见，4个玉米基因型在磷浓度为0.5 m M时植株含磷量最高，低于0.5 m M时植株含磷量显著降低，磷浓度为0.001 m M时植株含磷量最低。

2.6 磷浓度对玉米苗期根冠比的影响

不同玉米基因型在不同磷浓度下根冠比的变化不同（图6）。B73和Mo17根冠比随磷浓度的降低而降低，而其杂交种在低磷下根冠比却升高，B73×Mo17在磷浓度为0.25 m M时根冠比最大，且较0.001 m M、0.0005 m M和1 m M时均显著增大，而Mo17×B73在磷浓度为0.0005 m M时，根冠比较其他4个浓度显著升高。

图5 磷浓度对玉米苗期植株地上部含磷量的影响Fig.5 Effect of P concentration on P content of shoot of maize seedlings

图6 磷浓度对玉米苗期根冠比的影响Fig.6 Effect of P concentration on r oot to shoot ratio of maize seedlings

2.7 不同基因型玉米苗期耐低磷多重比较

以0.5 m M和0.0005 m M分别作为正常磷（HP）和低磷（LP）处理水平，对 Mo17、B73及其杂交种在正常磷和低磷下各性状值及其耐低磷指数进行了多重比较，结果见表1。由表1可见，低磷下各指标值均较正常磷下降低，其中株高、成活叶数和缺磷症状耐低磷指数在基因型间没有显著差异，干重、根冠比和植株含磷量耐低磷指数在基因型间存在显著差异。正常磷和低磷条件下，亲本Mo17各指标值较B73高（除根冠比），但各指标耐低磷指数在两亲本间无显著性差异。杂交种间，正常磷下正交杂交种Mo17×B73各指标值均高于B73×Mo17（除根冠比）。低磷下，Mo17×B73的地下干重、成活叶数和根冠比均高于B73×Mo17，其他指标低于B73×Mo17。Mo17×B73地上干重耐低磷指数显著低于B73×Mo17，而根冠比耐低磷指数显著高于B73×Mo17，其他指标耐低磷指数在两杂交种间无显著差异。亲本与杂交种间，正常磷和低磷下杂交种株高、成活叶数和地下干重的值均大于两亲本平均值，Mo17×B73的地上干重在正常磷下大于两亲本平均值，低磷下则小于两亲本平均值，而B73×Mo17的地上干重表现与Mo17×B73相反；各指标耐低磷指数多重比较结果显示，Mo17×B73地下干重和根冠比显著高于两亲本，植株地上部含磷量和地上干重显著低于其亲本，其他指标与亲本无显著差异；B73×Mo17根冠比和地下干重均显著高于双亲，其他指标与亲本无显著差异。

3 结论与讨论

磷是植物体内代谢过程的调节者，缺磷必然影响作物各阶段的生长发育。结果显示，磷浓度在0.5 m M时，各指标值较高，低于此浓度时，各指标值均显著下降，高于此浓度时，除缺磷症状外其他各指标值均下降。其中，某些基因型的地下干重在高于0.5 m M时显著下降，可见磷浓度过高或过低都不利于玉米苗期生长。Ja mes［7］用溶液培养研究了低磷对玉米生长的影响，结果表明玉米苗期生物量在10 m M较1 m M磷浓度下小。

试验中磷浓度大于0.5 m M时，玉米苗期各指标（除缺磷症状）都降低，可见，磷浓度过高对玉米苗期生长产生毒害作用，但不同基因型对磷毒害的耐受力不同，Mo17×B73在磷浓度大于0.5 m M时，地上干重、地下干重显著降低，甚至低于最低浓度时的值，而其他3个玉米基因型的降幅不显著。在耐低磷研究中磷浓度的选择决定耐低磷筛选的成败，选择压力过大过小都难以判断不同品种间的差异［5］。

已报道的玉米耐低磷研究中，不同研究者磷浓度的选择不同，James等［7］认为0.025 m M 磷足以供玉米苗期正常生长，袁硕等［8］用0.25 m M作为玉米耐低磷筛选的正常磷处理水平，本试验以0.5 m M的磷作为玉米盆栽蛭石培养的正常供磷水平。不同研究者间差异的原因有两方面，一方面是试验方法不同，以上研究者采用的是溶液培养法，本试验为蛭石培养法。Marschner［9］指出溶液培养实验中磷的需求较土培中少。James［7］也认为溶液培养的正常磷和低磷处理水平较土壤不同。这可能由于溶液培养利于植物根系与营养元素的接触，而蛭石或土壤培养中部分营养元素被固定于蛭石或土壤上，不能与植物根系充分接触。另一方面，不同材料正常生长所需磷可能不同。对于低磷胁迫水平，有研究者采用0 m M［10］，有的用0.001 m M［11］，张丽梅等［5］研究结果显示不加磷时，无论耐低磷还是低磷敏感自交系都表现严重缺磷症状，无法正常生长。本试验以0.0005 m M作为玉米蛭石培养的低磷胁迫水平，此浓度下各指标值均较低，且与正常磷浓度下有显著性差异。

干重是玉米幼苗受缺磷影响的累积结果，同时也是产量形成的基础［5］。研究者们一致认为，干重作为耐低磷能力评价指标能客观反映不同基因型玉米受低磷胁迫的影响程度。试验中4个基因型玉米苗期株高、成活叶数和缺磷症状的耐低磷指数均无显著差异，而地上干重、地下干重、根冠比和植株含磷量在基因型间表现出显著差异。以干重来分析，试验结果显示，低磷下地上、地下干重均较正常磷下降低，但不同基因型玉米地上干重和地下干重的变化不同，Mo17×B73地上干重降幅（51.9%）较地下干重降幅（35.1%）大，根冠比增加，而其他基因型地下干重较地上干重降幅大，根冠比降低。袁硕等［8］指出正常磷下，光合产物更多分配给地上部分，但缺磷时光合产物更多分配到根系，优先保证根系生长，以获得限制其生长的养分资源，所以缺磷对地上干重影响较地下干重大。结果显示，地上和地下干重受低磷胁迫的程度与基因型有关。耐低磷型的在低磷下，光合产物优先分配给根系，以获取更多限制其生长的养分，因此，地下干重受影响较地上干重小，而低磷敏感型则相反。

表1 不同基因型玉米形态性状相对耐低磷指数（%）多重比较Table 1 Multiple comparison of lo w P tolerance index（%）of plant morphology characters among maize cultivars

以往关于玉米耐低磷研究的报道中，试验材料大多为玉米自交系，很少有杂交种的报道。Mo17和B73是从国外引入我国的玉米自交系，它们具有配合力高、繁殖系数高、抗病性好等优点，是其它自交系无法比拟的，在全国玉米生产中起到了不可估量的作用［12］。选用Mo17和B73及其作为亲本的正反交杂交种作为试验材料，以研究杂交种与亲本在低磷条件下的表现差异，结果表明，正常磷和低磷下杂交种株高、成活叶数和地下干重均大于双亲平均值，且杂交种根冠比和地下干重耐低磷指数均显著高于双亲。普晓英等［13］在大麦研究中指出，磷高效型植物，低磷下有较大的根冠比，是对逆境胁迫的适应性机制，有助更好吸收土壤中的磷。初步认为杂交种较其亲本耐低磷，而正交杂交种较反交杂交种相对耐低磷。但一个材料对低磷胁迫的耐性高低，需在大田低磷和对照条件下对其产量性状进行考察和比较［14］。试验结果仍需通过大田试验进一步验证。

［1］Vance CP，Uhde－Stone C，Allan DL，etal.Phosphor us acquisition and use：critical adaptations by plants for securing a nonrenewable resource［J］.New Phytol，2003，157：423－447.

［2］全为民，严力蛟.农业面源污染对水体富营养化的影响及其防治措施［J］.生态学报，2002，22（3）：291－299.

［3］郭玉春，林文雄，石秋梅，等.水稻苗期磷高效基因型筛选研究［J］.应用生态学报，2002，13（12）：1587－1591.

［4］高方远，陆贤军，康海岐，等.水稻耐低磷种质的苗期筛选与鉴定［J］.作物学报，2006，32（8）：1151－1155.

［5］张丽梅，贺立源，李建生，等.玉米自交系耐低磷材料苗期筛选研究［J］.中国农业科学，2004，37（12）：1955－1959.

［6］南京农业大学.土壤农化分析［M］.北京：农业出版社，1996：216－219.

［7］Sachay J E，Wallace R L，Johns M A.Phosphate stress response in hydr oponically gro wn maize［J］.Plant and Soil，1991，132：85－90.

［8］袁硕，李春俭，彭正萍，等.磷对不同玉米品种生长、体内磷循环和分配的影响［J］.植物营养与肥料学报，2011，17（2）：310－316.

［9］Marschner H，Kir kby E，Cak mak I.Effect of mineral nutritional status on shoot－root partitioning of photoassi milates and cycling of mineral nutrients［J］.Jour nal of Experi mental Botany，1996，47（Special issue）：1255－1263.

［10］丁艳，韩卓，王泽港，等.不同基因型玉米幼苗对低磷条件的响应［J］.中国农学通报，2011，27（30）：32－34.

［11］杨永，石海春，柯永培，等.几个玉米自交系和杂交种耐低磷能力的研究［J］.玉米科学，2007，15（5）：12－16.

［12］单明珠，胡必德，任志龙，等.Mo17在我国玉米育种和生产中的作用［J］.西北农业学报，1998，7（1）：95－97.

［13］普晓英，赵大伟，曾亚文，等.低磷胁迫下大麦磷高效基因型的筛选［J］.生态环境学报，2010，19（6）：1329－1333.

［14］任永哲.低磷胁迫对不同基因型小麦品种苗期性状的影响［J］.中国农学通报，2012，28（18）：40－44.