小麦缺铁胁迫对苗期相关性状的影响

樊庆琦 隋新霞 黄承彦 崔德周 李永波 楚秀生

摘要：为考察铁营养元素对普通小麦苗期生长发育的影响，以保存的86份山东省1950年以来搜集、引进和育成的小麦品种为研究对象，在缺铁胁迫下营养液培养15 d，考察根系数量、主根系长度、根干重、地上部分干重和根冠比与正常培养（对照）的关系以及不同年代供试品种的演变规律。结果表明，除根系长度外，其余4个性状缺铁胁迫下与对照相比，差异达极显著水平；根系数量、根系长度和地上部分干重品种间差异也达极显著水平。对上述性状进行方差分析和胁迫指数分析发现，多数小麦品种在缺铁胁迫下表现为根系数量减少，根干重和根冠比增加，地上部分干重明显降低。研究还发现，临麦4号、潍麦8号和山农27等小麦品种具有较强的缺铁耐受能力，可用于小麦铁营养高效的遗传改良。

关键词：小麦；苗期；缺铁胁迫；根系；胁迫指数

中图分类号：S512.101文献标识号：A文章编号：1001-4942（2018）05-0028-06

Abstract In order to investigate the effect of iron nutrition on growth and development of common wheat at seedling stage， 86 wheat germplasms from Shandong Province under normal culture and iron deficiency treatment were used as material to study the number of roots， length of main root， dry weight of root， dry weight of shoot and root/shoot ratio. Their evolution rules of different times were also studied. The results showed that except root length， the other 4 traits were significantly different between iron deficiency and control treatments. The root number， root length and dry weight of shoots were also significantly different between varieties. Furthermore， the variance and stress index analyses were performed， and the results indicated that most wheat varieties showed decrease in root number and shoot dry weight and increase in root dry weight and root/shoot ratio under iron deficiency treatment. This study also found that the wheat varieties such as Linmai 4， Weimai 8 and Shannong 27 had strong iron tolerance， so they could be used for genetic improvement of wheat iron nutrition.

Keywords Wheat； Seedling stage； Iron deficiency stress； Roots；Stress index

根系是小麥吸收生长发育必需矿物元素的器官。铁作为小麦必需的微量营养元素，具有重要的生物学功能。它参与叶绿素的合成，影响叶绿体的构造，是合成叶绿素的先决条件[1]。缺铁将导致细胞膜系统和胞内细胞器的畸变或破坏[2-4]，表型上则表现为黄化失绿现象[5]。另外，铁还具有参与作物呼吸作用和生物固氮等重要生物学功能[6-9]。

铁的供给水平和存在形式同样影响小麦根系的发育。铁浓度增加，可促进根系生长、根长和根重增加，但铁供给过量，则会导致毒害，抑制其生长[10，11]。同时，不同的铁离子存在形式对根系生长及根系酶活性产生不同的影响，EDTA-Fe2+形式的铁源优于EDTA-Fe3+和FeCl3等铁源，缺铁处理下根系ATPase活性略好于其它处理[12]。另外，铁还影响小麦体内蛋白的变化，可引起诸如金属耐受蛋白MTP的差异表达[13]，还能导致大量未知蛋白的差异性表达[14]。

由此看出，铁具有重要的细胞生物学功能，对小麦根系的生长发育具有重大影响。然而，有关铁元素对小麦苗期生长发育的影响以及品种间的差异，研究相对较少。另外，山东省作为我国重要的小麦主产区，历经8次品种更换，育成了200余个遗传来源丰富、类型多样、用途广泛的小麦品种[15]，为小麦品种的更新换代和保障国家粮食安全做出了突出贡献。因此，本研究旨在考察山东省1950年以来搜集、引进和育成的小麦品种缺铁胁迫对其苗期根系性状的影响，为铁营养高效小麦优异种质的挖掘和利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

山东省农业科学院作物研究所小麦种质资源库保存品种86份，系根据系谱剔除亲缘关系较近品种如姊妹系等的结果，见表1。

1.2 试验方法

挑选每份材料籽粒饱满种子15粒，重复3次。种子经1.5%次氯酸钠消毒5 min后，腹沟朝下，均匀摆放至珍珠棉和纱网缝制的发芽盘，然后将其放入盛有1 L超纯水的培养盒（15 cm×15 cm×20 cm）中，在人工智能温室中发芽，光照16h/黑暗8h，光强12 000 lx，温度25℃，3 d换水1次。

种子发芽7 d后，仔细将种子从幼苗根部去除，加入培养液培养。其中，对照处理（Fe+）营养液配方为：0.7 mmol/L K2SO4，0.1 mmol/L KCl，2 mmol/L Ca（NO3）2，0.5 mmol/L MgSO4，0.1 mmol/L KH2PO4，1 μmol/L H3BO4，0.5 μmol/L MnSO4，0.2 μmol/L CuSO4，0.5 μmol/L ZnSO4，0.01 μmol/L （NH4）6Mo7O24，100 μmol/L FeEDTA。缺铁胁迫（Fe-）营养液配方除无FeEDTA外，其余如对照处理。营养液3 d换1次，培养15 d。

小麦幼苗在营养液中培养15 d后，挑选长相均匀粗壮幼苗10株，以单株为单位采集测定根系数量、根系长度、根干重和地上部分干重。根系数量以根系伸长1 cm为标准计数，根系长度则为根基部至最长根系顶点的长度。从根系基部用剪刀分离，将根系和地上部分分别放至牛皮纸袋中，于烘箱中105℃杀青30 min，以85℃恒温烘48 h至完全干燥，并用1%电子电平称重，计算根冠比。根据对照和缺铁胁迫处理的相关性状值计算胁迫指数。公式为：

1.3 数据处理

小麦性状数据均值、标准差以及图表制作均在Microsoft Excel中进行，方差分析利用DPS高级版处理。

2 结果与分析

2.1 小麦苗期相关性状的均值及变异系数

统计根系数量、根系长度、根干重、地上部分干重和根冠比共5个性状在正常铁营养、缺铁下性状值的变幅，以及胁迫指数的变幅，并计算平均值、标准差和变异系数，结果列于表2。表明，小麦根系数量、根系长度和根冠比在不同处理下的最大值和最小值相对比较接近，变幅相对较小；而根干重和地上部分干重不同处理下变幅略大，尤其是地上部分干重，缺铁胁迫后干重无论最大值或最小值，均明显降低。

从平均值结果也可看出相似趋势。缺铁胁迫与对照相比，根系数量和根系长度相差不大，其平均值略低于对照；根干重和根冠比则略高于对照；仅有地上部分干重，较对照下降明显，达8.72 mg/株。

胁迫指数能反映出缺铁胁迫各性状的变化。从平均值来看，地上部分干重和根冠比等性状均值均<0，表明多数小麦品种在缺铁胁迫下数值较对照降低。根系数量、根系长度胁迫指数平均值分别为-0.06和0.02，说明不同处理下小麦品种间的总体变化并不明显。根干重胁迫指数平均值达0.38，与其它性状的绝对值相比，表现为最大，可认为小麦品种在缺铁胁迫下根干物质具有不同程度的增加。

变异系数可以衡量品种间的差异，一般认为超过15%，表明差异过大。从结果来看，除根系数量外，其余4个性状在不同处理下以及胁迫指数均超过15%，表明均存在较大的品种间差异。这种差异以根干重、地上部分干重和根冠比最为明显。就胁迫指数而言，绝对值变幅为95.33～970.82，变异尤其明显，特别是根系长度，说明在不同处理水平下，小麦品种间的差异巨大。

根据上述结果，缺铁可以导致根干重和根冠比的提高，但却明显延缓地上部分生长。

2.2 方差分析

以不同缺铁处理为因素A，品种为因素B，分别对根系数量、根系长度、根干重、地上部分干重和根冠比等5个性状进行方差分析，结果见表3。

方差分析结果显示，不同铁处理水平下，除根系长度无差异外，其余4个性状均存在极显著差异。就品种而言，除根干重、根冠比外，其余3个性状也存在极显著差异。

对86个小麦品种的苗期性状，利用LSD法进行不同铁处理5%显著水平多重比较。根系数量，仅有蚰子麦、济麦23和鑫麦296共3个品种在对照和缺铁处理下差异不显著，其余品种均差异显著；根系长度，64个品种处理与对照间差异达显著水平，22个品种差异不显著，分别占供试品种的74.42%和25.58%；根干重，75个品种处理与对照间差异达显著水平，11个品种差异不显著，分别占87.21%和12.79%；地上部分干重，仅有复壮30、泰山21和山农27处理与对照间差异不显著，其余品种均差异显著；根冠比，78个品种处理与对照间差异达显著水平，8个品种差异不显著，分别占90.70%和9.30%。

由此看出，缺铁确实影响根系的增加、伸长和小麦苗期干物质的积累，而且这种影响存在品种间的差异。

2.3 胁迫指数

对特定品种某一性状而言，胁迫指數>0，可以理解为该品种在此性状上，缺铁胁迫的影响较小，具有一定程度的耐受；反之，则可认为对缺铁胁迫较为敏感。以0为分界线，统计86个小麦品种胁迫指数>0和<0的分布频率，结果如图1所示。

根系数量胁迫指数>0和<0的频率分别为19.77%和80.23%。胁迫指数>0的小麦品种中，只有淄麦12、山农27和良星77胁迫指数在0.1以上。

根系长度胁迫指数>0和<0的频率分别为45.35%和54.65%。其中，潍麦8号和济麦19胁迫指数分别达到0.97和0.87，表现出较强的铁耐受。

根干重胁迫指数>0和<0的频率分别为62.79%和37.21%。胁迫指数>0的品种中，17个品种胁迫指数>1，值得注意的是，扁穗麦和烟辐188分别高达2.76和2.41。

地上部分干重胁迫指数>0和<0的频率分别为10.47%和89.53%。胁迫指数>0的品种相对较少，其中临麦4号、烟农15和潍麦8号的数值均在0.2以上。

根冠比胁迫指数>0和<0的频率分别为82.56%和17.44%。临麦4号、济南16、扁穗麦、山农27、济南17、烟2415、鲁麦11、矮丰3号和莱阳4671共9个品种的胁迫指数均超过2，尤其是临麦4号和济南16，其胁迫指数分别为4.53和4.34。

根据胁迫指数的分布频率，多数小麦品种缺铁胁迫条件下可导致根系数量的减少、地上部分干重的降低，以及根干重的增加。对于根系长度，因品种而异，其分布频率相差不大。

2.4 不同年代小麦品种铁胁迫性状间的演变规律

对20世纪50年代以来的供试小麦品种，以10年为标准计算平均值和标准差，绘制演变趋势柱状图如图2，并以每10个品种的性状值为重复进行方差分析和多重比较。

结果表明，根系数量，除2010年代的小麦品种平均值在缺铁胁迫下高于对照外，其余年代的品种均低于对照。方差分析表明，对照处理下，供试品种年代间差异极显著，以70年代小麦品种表现最高；缺铁处理下，年代间品种差异不显著。

根系长度，不同年代间在缺铁和对照处理下表现出不同趋势，如20世纪50年代和2010年以后的小麦品种平均值缺铁胁迫低于对照，而70年代的品种则高于对照，方差分析结果显示，处理与对照在年代间均不显著。

根干重，除2010年以后审定品种缺铁胁迫低于对照外，其余年代品种均高于对照，而且缺铁胁迫处理年代间品种差异呈显著水平，但对照则差异不显著。

地上部分干重，所有年代品种缺铁胁迫均低于对照。方差分析表明，缺铁处理年代间品种差异呈极显著水平，而对照则差异不显著。

根冠比，所有年代品种缺铁胁迫均高于对照，且两处理年代间品种均差异不显著。

3 讨论

小麦等禾本科单子叶植物通过根系分泌的麦根酸，螯合根际土壤的铁离子，然后转运至体内供生长发育所需的铁营养元素[16，17]，因此，研究不同铁处理小麦根系等相关性状的发育规律，显得尤为重要。

根据本研究结果，小麦幼苗在营养液中培养15 d后，根系数量多在6～12条之间，平均为8～9条，无论在缺铁胁迫和对照情况下，品种间均存在极显著差异。多数品种（80%以上）缺铁胁迫下的根系数值低于对照。不同年代间小麦品种比较，也显示2010年以后的审定品种平均值高于对照，其余年代的品种均低于对照。由此认为，缺铁胁迫可导致小麦根系数量的减少，但存在品种间的差异，根系数量较高的品种可能具有较强的缺铁耐受能力。

根系长度缺铁胁迫和对照处理下差异不显著，但品种间存在极显著差异。而从胁迫指数的分布频率或不同年代品种的平均值来看，该性状变化规律不明显。似乎表明，缺铁胁迫并未对该性状产生明显的影响，品种间的差异可能是由基因型的差异所决定的。

根干重虽然在品种间差异不显著，但缺铁胁迫与对照呈极显著差异。胁迫指数超过60%的品种>0，表明较多品种在缺铁胁迫下根干重较对照增加。除2010年以后的审定品种外，其余年代品种平均值也均高于对照。因此，虽然品种间差异不明显，但缺铁胁迫具有诱导根系干物质积累的趋势。

地上部分干重缺铁胁迫品种间均存在极显著差异，无论从总平均值还是不同年代品种平均值，缺铁胁迫均低于对照，胁迫指数超过80%的品种均<0。由此说明，缺铁胁迫显著降低地上部分干物质的积累，影响了苗期地上部分的生长，导致地上部分干重的降低。

根冠比是地下和地上生长综合影响的结果，根据上述分析，缺铁胁迫可诱导根干重的增加，而降低地上部分干重。因此，从总平均值和不同年代品种平均值来看，缺铁胁迫均高于对照，80%以上品种胁迫指数均>0也说明了这一点。

值得注意的是，根据本研究结果，在缺铁胁迫下，小麦根系数量有所减少，根系长度无明显变化，而根干重却增加明显。究其原因，一是可能由于根系长度只是采集最长主根系的长度，根干重的增加可能来自于次根系的贡献；二是可能由于根毛的增加所致。因此，仍需对其进一步研究以明确原因。

另外，本研究筛选的临麦4号、潍麦8号和山农27等小麦品种表现出较强的缺铁耐受能力，而且具有较好的农艺性状，可充分利用这些小麦种质资源，以提高小麦铁营养高效新种质创新。

4 结论

多数小麦品种在缺铁胁迫下导致根系数量减少、根干重增加和地上部分干重降低，并显著影响地上部分的正常生长，而小麦主根系的伸长则因品种而异，受缺铁胁迫的影响不明显。

参 考 文 献：

[1] Dekock P C，Hall A，Inkson R H E. Active iron in plant leaves[J]. Annals of Botany， 1979，43（6）：737-740.

[2] Spiller S ，Terry N. Limiting factors in photosynthesis：Ⅱ.Iron stress diminishes photochemical capacity by reducing the number of photosynthetic units[J]. Plant Physiology，1980，65（1）：121-125.

[3] James C P，Miller G W. The effect of iron and light treatments on chloroplast composition ultrastructure in iron-deficient barley leaves[J]. Journal of Plant Nutrition，1982，5（4-7）：311-321.

[4] 洪剑明，汪洪杰，邱泽生. 缺铁对玉米根和叶细胞超微结构的影响[J]. 电子显微学报，1999，18（6）：590-595.

[5] 沈阿林，王朝辉. 小麦营养失调症状图谱及调控技术[M]. 北京：科学出版社，2010.

[6] Su L Y，Miller G W. Chlorosis in higher plants as related to organic acid content[J]. Plant Physiology，1961，36（4）：415-420.

[7] Tong Y A，Fan F，Korcak R F. Effect of micronutrients phosphorous and chelator to iron ratio on growth chlorosis and nutrition of apple seedlings[J]. Journal of Plant Nutrition，1986，9（1）：23-41.

[8] 邹春琴，张福锁，毛达如. 铁对玉米体内氮代谢的影响[J]. 中国农业大學学报，1998，3（5）： 45-49.

[9] 吕选忠，于宙，王广仪. 元素生物学[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，2011.

[10]蒿宝珍，李万昌，姜丽娜，等.Fe2+对小麦籽粒萌发及幼苗铁积累和分配的影响[J]. 江苏农业科学， 2008（3）：19-22.

[11]李晓妮. 锌、铁、铜复合胁迫对小麦种子萌发及幼苗生理生化特性的影响[D]. 兰州：西北师范大学，2014.

[12]裴凌鹏. 铁在小麦中的生理作用以及AVR9基因的克隆研究[D]. 北京：首都师范大学，2002.

[13]Vatansever R，Filiz E，Eroglu S. Genome-wide exploration of metal tolerance protein （MTP） genes in common wheat（Triticum aestivum）：insights into metal homeostasis and biofortification[J]. Biometals，2017，30（2）：217-235.

[14]王文平，胡昊，赵晓萌，等. 小麦根系在不同铁营养水平条件下的蛋白质组差异表达分析[J]. 中国农学通报，2012，28（15）：19-23.

[15]陆懋曾. 山东小麦遗传改良[M]. 北京：中国农业出版社，2007.

[16]Hell R，Stephan U W. Iron uptake，trafficking and homeostasis in plants[J]. Planta，2003，216（4）：541-551.

[17]Kobayashi T，Nakanishi H，Nishizawa N K. Recent insights into iron homeostasis and their application in graminaceous crops[J]. Proceedings of the Japan Academy，2010，86（9）：900-913.