玉米幼苗响应低铁胁迫的根系形态与干物质积累特征

任 云 刘 静 李哲馨 李 强

（重庆文理学院园林与生命科学学院（特色植物研究院），402160，重庆）

铁（Fe）是植物生长发育所需的关键微量营养元素，可参与一系列重要的生理生化过程[1]。Fe参与叶绿素合成，约80%的Fe集中在植物叶绿体中，Fe除了参与光合作用外，也参与细胞解毒作用，是过氧化氢酶和过氧化物酶活性中心的组成成分[2]。植物能够通过2种方式从根际中获取Fe，即基于螯合和还原的双重机制[3]。尽管Fe在地壳中含量丰富，但由于Fe在氧化环境、中性和碱性土壤条件下趋向形成氧化态和氢氧化态，土壤中可被植物直接利用的离子态Fe含量很低[4]，从而导致作物缺Fe黄化，影响产量[5]。

不同植物或同一植物不同品种对Fe胁迫的适应能力存在显著差异[6-7]。Dellÿ Orto等[8]研究发现，大豆在缺Fe时，叶绿素含量明显减少。不同Fe效率大豆品种的划分是相对的，不仅由自身特性所决定，也与胁迫程度紧密相关[9]。Ciaf fi等[10]和Zamboni等[11]指出低Fe胁迫对小麦生长有显著影响，小麦幼苗表现出植物缺Fe的典型症状（如叶绿素降低）以及其他矿物营养的不均衡积累，地上部分和根的生长均减少30%。Jia等[12]发现3种苹果砧木对低Fe胁迫存在明显的抗性差异，且苹果砧木地上部生物量、株高、叶绿素含量、总根长和侧根数与耐低Fe能力呈显著正相关。章爱群等[13]和龙文靖等[14]发现低Fe胁迫下玉米幼苗地上部与根系Fe含量均明显下降，且存在显著的基因型差异，且Fe处理和基因型之间存在显著互作效应。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为西南地区主要玉米杂交种32个，品种编号及名称见表1。

表1 供试玉米品种编号及名称Table 1 Number and name of maize varieties in test

1.2 培养方法

于2017年10月在重庆市永川区重庆文理学院温室大棚内进行水培试验，采用两因素完全随机设计。用清水漂洗玉米种子并除去包衣，用70%酒精消毒30s，蒸馏水清洗并浸泡10h，待种子露白转移至粒径为1～2mm的湿润石英砂盒发芽，早晚浇蒸馏水1次，放置于光强12 000lx、昼夜长短及温度14h（26℃）/10h（22℃）、相对湿度60%的人工培养箱内催芽。设置100μmol/L Fe(Ⅲ)-EDTA（正常，NFe）和10μmol/L Fe(Ⅲ)-EDTA（低铁，LFe）2个Fe水平处理，营养液pH值5.8±0.2。幼苗2叶1心时除去胚乳后移至改良Hoagland营养液中培养，待幼苗长至3叶1心时进行低Fe胁迫处理（LFe营养液），以Hoagland营养液（NFe）作为对照。水培容器为45cm×33cm×20cm的黑色塑料盆，覆2cm厚含20个孔的泡沫板，每孔定植1株玉米苗，用海绵包茎以固定植株。幼苗在14h/10h（28℃/22℃）的光温周期的生长室中培养，每隔3d更换1次营养液，用NaOH调节营养液pH值至5.8，并使用通气泵通气。

1.3 指标测定

所有指标均在处理后7d测定，形态指标、根系性状和生物量的测定均为3次重复，每重复10株幼苗。

1.3.1 形态指标 株高为胚芽鞘节至最长叶叶尖的长度，用直尺测量。茎粗为玉米幼苗基部离根1cm处的最大直径和最小直径，用游标卡尺测量，取平均值。可见叶数为包括心叶在内的所有可见叶片数。展叶数为叶枕已伸出下一叶叶鞘的叶片数。测量每片绿叶的最大叶长和最大叶宽。若在一片叶中有部分是黄色的，则同样测量绿叶部分的最大叶长、最大叶宽，采用长宽系数法计算绿叶面积。

1.3.2 根系性状 用根系扫描仪（Expression 10000XL，Epson）及图像分析软件（WinRhizo Pro 2009）测定分析根表面积、根体积、总根长、根平均直径和根数。

1.3.3 生物量 将幼苗分为地上部分和根系，于120℃杀青30min，80℃烘至恒重，称量干重。分别计算根冠比和单株干重，根冠比=根系干重/地上部干重，单株干重=地上部干重+根系干重。

1.3.4 Fe含量 采用原子吸收光谱法测定幼苗地上部和根系Fe含量[17]。活性Fe含量：叶片鲜样切碎后用1mol/L HCl按1∶10的比例浸提（连续振荡5h），过滤后，用原子吸收分光光度计测定浸提液中Fe的含量。含Fe量：称取1.00g经烘干粉碎的玉米植株样品于塑料瓶中，加入25.0mL Vc-HCl（0.40g VC溶解后，加入166.0mL浓HCl定容至1L），置于80℃恒温振荡器上振荡2h，用蒸馏水补至原重后过滤，用原子吸收分光光度计测定浸提液中Fe的含量。Fe积累量=含Fe量×单株干重；根系Fe吸收效率=Fe积累量/根系干重；Fe生理效率=单株干重/Fe积累量。

60例患者，随机分为中药治疗组和西药治疗组。患者均有3次或3次以上流产史，年龄24～36岁，夫妻双方染色体检查正常，无感染性疾病，无先天性生殖系统畸形。两组患者在年龄构成、观察指标等方面比较，无显著性差异（P＞0.05），具有可比性。

变异系数=标准偏差/均值×100%；低Fe效应=（LFe条件下性状值-NFe条件下性状值）/NFe条件下性状值×100%。

1.4 数据整理与统计分析

利用Excel 2010整理测定的数据。利用SPSS 21.0软件对整理好的数据进行统计分析，利用“相关”和“双变量”函数对16个性状进行相关性分析，利用“降维”和“因子分析”函数对16个性状进行主成分分析，利用“比较均值”和“ANOVE”方差分析函数进行差异显著性分析。采用Min-Max方法对各性状统计数据进行标准化处理，利用变换公式：（n-最小值）/（最大值-最小值），使所有性状值在0～1的特定区间，其中n是自变量，然后使用TBtools软件基于最长距离法和欧氏距离法进行层次聚类，并绘制聚类热图[18]。

2 结果与分析

2.1 2个Fe水平下玉米苗期性状及相关性分析

方差分析结果（表2）显示，除了品种与Fe处理的互作对茎粗的影响不显著外，其余性状在品种、Fe处理、品种与Fe处理的互作上均存在极显著差异。进一步分析发现，在NFe条件下，16个性状中以根体积、总根长和根表面积的变异系数较大，分别达到30.46%、27.34%和27.33%，叶绿素含量的变异系数最小，仅有6.34%，其余12个性状的变异范围为7.71%～27.27%。而在LFe条件下，根尖数的变异系数最大，为43.62%，可见叶数的变异系数最小，仅为8.32%，其余14个性状的变异系数范围为11.85%～39.73%；在LFe效应上，仅有根直径和根冠比表现出正效应，其余14个性状均为负效应，其中以根尖数负效应值最大（–42.04%），说明低Fe胁迫对玉米幼苗的生长影响较大，对根尖数的影响最大。

表2 2个Fe水平下不同玉米杂交种性状Table 2 Seedling traits of different maize inbred lines at two Fe application levels

相关性分析结果（表3）表明，在NFe处理下，地上部和单株干重与叶绿素含量、根直径和根冠比相关性不显著，根干重与叶绿素含量、根长和根直径相关性不显著，分别与其余12个性状呈显著或极显著相关，而在LFe处理下，地上部干重、根干重和单株干重除与根直径相关性不显著外，与其余14个性状均极显著相关。在NFe处理下，与株高、茎粗、可见叶、展叶、叶面积、叶绿素含量、根长、总根长、根尖数、根表面积、根直径、根体积、茎叶干重、总干重和根冠比相关性显著或极显著的性状分别有12、13、9、7、11、1、9、11、11、12、3、11、12、12 和 2 个；而在LFe处理下，与上述性状相关性显著或极显著的性状分别有 14、14、14、13、14、12、14、14、13、13、2、13、14、14和 7个（ 表 3）。 由此可见，玉米幼苗各性状在2种Fe处理下的变异来源具有明显差异。

表3 2个Fe水平下不同玉米品种苗期16个性状间相关性分析Table 3 Correlative analysis of sixteen traits at seedling stage among different maize varieties under two Fe levels

2.2 2个Fe水平下玉米幼苗性状的主成分分析和聚类分析

主成分分析结果表明，4个主成分的累积贡献率在NFe和LFe处理下分别达到88.53%和84.26%，说明这4个成分在2个Fe水平下均具有较强的代表性（图1）。NFe处理主成分1的方差贡献率为52.40%，在主成分1中，除了根平均直径和根冠比为负向载荷外，其余性状均为正向载荷，且相关系数均大于0.3，主要反映“幼苗长势因子”；主成分2和主成分3分别反映所有变异的15.07%和10.47%，相关性状包括根直径、根冠比、总根长、根尖数和根表面积，可定义为“根系生长因子”；主成分4可以解释全部变异的6.31%，相关性状有可见叶数、展叶数和叶绿素含量，主要体现“叶片生长因子”；在LFe条件下，主成分1的方差贡献率为61.79%，同样除了根直径和根冠比为负向载荷外，其余性状均为正向载荷，且相关系数均大于0.6，主要反映“幼苗长势因子”；主成分2和主成分3分别解释全部变异的11.19%和9.48%，相关性状有总根长、根尖数、根表面积、根直径、根冠比、根体积和根干重，也可定义为“根系生长因子”；主成分4反映了全部变异的6.07%，较大相关性的性状只有可见叶数和展叶数，主要体现“叶片生长因子”。2个Fe水平处理下主成分的主要因子相对稳定，但性状的相关程度存在变化。

图1 2个Fe水平下玉米幼苗性状的主成分分析Fig.1 Principal components analysis of maize seedling traits at two Fe application levels

对32个玉米品种的上述16个性状进行聚类分析，发现在NFe和LFe处理下16个性状均可以聚为7组（图2）。NFe处理下，1组为可见叶数和展叶数（叶片生长因子），2组为根直径和根冠比（根系生长因子），3组为地上部干重和单株干重（幼苗长势因子），4组为根体积、根表面积和根干重（根系生长因子），5组为总根长和根尖数（根系生长因子），6组为株高、茎粗和叶面积（幼苗长势因子），7组为根长和叶绿素含量。LFe条件下，NFe处理的1、2、3和6组的性状仍聚为一组，相对稳定，其余组的性状在2个Fe水平下存在明显的组别变化。综上可以看出，各个性状在2个Fe水平下的不同主成分间和聚类间的主要因子相对稳定，聚类和主成分间的变化可能与其在2个Fe水平下相关性的差异存在一定关系。

2.3 2个Fe水平下不同玉米品种的聚类分析

对32个玉米品种上述16个性状进行聚类分析（图2），发现在NFe处理下，32个玉米品种聚为6组，分别包含6、5、5、5、7和4个品种；而在LFe处理下，聚为7组，分别包含5、5、5、3、5、3和6个品种，玉米品种在2个Fe水平下存在明显的组别变化。

图2 2种Fe素水平下32个玉米品种基于不同性状的聚类分析Fig.2 Clustering analysis of 32 maize varieties based on different traits at two Fe application levels

对在2个Fe水平下聚类结果中各组在不同性状上的差异进行进一步分析，发现在NFe处理下，第1组中的6个品种除根直径和根冠比低于其余品种外，其余14个性状均有更好的表现；第2组中的5个品种根冠比低于其余品种，其余性状表现相对较好；第3组和第4组除可见叶数、展叶数和根长相对较好，其余性状表现相对较差；而第5组和第6组中除展叶和根直径相对较好外，其余性状上均劣于其余组中的品种（图2）。在LFe处理下，第1组和第2组的10个品种的根直径和根冠比相对较差，而其余性状表现一般或较好；第3组的5个品种在根直径和根冠比上表现相对较好，而在其余性状上表现一般或较差；第4、5和6组的11个品种的叶绿素含量、可见叶数和展叶数表现相对较好，而其余性状表现较差；第7组的6个品种除叶绿素含量、可见叶数、展叶数和根直径表现相对较好，其他性状表现均较差（图2）。综上可以看出，不同玉米品种的同一性状对NFe和LFe处理的响应存在明显差异。

2.4 玉米苗期性状对低Fe胁迫的响应差异

进一步对32个玉米品种各性状的低Fe效应值进行聚类分析（图3），结果显示32个玉米品种可以聚为5组，1～5组中分别包含8、7、5、6和6个品种，且每一组各性状对低Fe胁迫的响应存在明显差异（图3A）。在LFe处理下，根直径在5组中均显著增加，而根冠比在第1、2组中显著降低，第4组差异不显著，第3、5组中显著增加（图3B）。据此推测，不同组别的品种对低Fe胁迫的响应可能受品种与Fe处理互作的影响。

低Fe效应值聚类分析（图3）显示，第1组和第2组的品种适应低Fe能力较强，包含15个品种，结合2个Fe水平下基于不同性状的聚类（图2），正红 2号、汉单999和荃玉9号在NFe（第1组和第2组）和LFe（第1组和第2组）条件下性状都表现较好，为Fe高效品种；第3组和第5组对低Fe表现最敏感，包含11个品种，结合2个Fe水平下基于不同性状32个玉米品种的聚类（图2），川单 455、川单 189和成单30在NFe（第5组和第6组）和LFe（第3组和第7组）条件下性状都表现较差，为Fe低效品种。

图3 基于LFe 效应值的32个玉米品种的聚类分析及性状变异Fig.3 Clusters of 32 maize varieties and the variations analysis between different traits based on LFe condition

2.5 不同玉米品种Fe吸收和利用差异

对以上低Fe效应聚类成的5组玉米品种的Fe吸收及利用效率进行分析，结果（表4）表明，低Fe胁迫下，5组玉米品种的Fe积累量均显著降低，其中对低Fe表现敏感的第3组降幅最大，达到72.88%。根冠比相对降幅较小或增加，由此造成5组玉米品种的根系Fe吸收效率在LFe处理下较NFe处理均显著降低，其中也以第3组降幅最大，降低了61.48%。5组32个玉米品种在LFe处理下的Fe生理效率均显著提高，其中适应低Fe能力较强的第1组增加幅度最大，达到160.62%；其余依次为第2组、第4组、第3组和第5组。

对上述Fe高效（正红2号、汉单999与荃玉9号）/Fe低效（川单455、川单189与成单30）品种的Fe吸收及利用效率单独进行分析，结果（表5）显示，在LFe胁迫下，所有Fe高效/Fe低效品种的单株Fe积累量和根系Fe吸收效率较NFe处理下均显著降低而Fe生理效率均显著提高。Fe高效品种中单株Fe积累量、根系Fe吸收效率的降幅与根冠比的增幅均低于Fe低效品种，而Fe生理效率的增幅高于Fe低效品种。

3 讨论

Fe高效玉米品种的评价和选择是缓解玉米低Fe胁迫，保障石灰性土壤玉米高产稳产最简单有效的措施之一。徐健钦等[21]指出，地上部与根系生物量、叶片SPAD值是表征玉米幼苗Fe利用效率的最佳指标，根冠比及叶片活性Fe含量是良好指标。龙文靖等[23]将展叶数、叶面积、根长、根干重、Fe积累量作为玉米苗期Fe高效筛选的重要指标。本研究分析了32个玉米品种各性状的变异系数，发现总根长、根表面积、地上部和单株干重的变异系数在2个Fe水平下均较大，且这些性状

表4 玉米品种物质积累与Fe吸收利用差异Table 4 Differences of matter accumulation and Fe absorption and utilization in maize varieties

表5 不同耐低Fe玉米品种性状Table 5 Traits of different lowiron-tolerant maize varieties

优先分配给根系，利于根系维持生长[21]。低Fe胁迫下玉米的苗干重、根干重和总根长均减少、根体积和根表面积也有不同程度的降低，而根质量比与平均根直径明显提高[22]。本研究表明，低Fe胁迫导致玉米幼苗的总根长减小，根体积、根系干重均显著降低，而根直径和根冠比显著增加（表2），这与前人研究结果基本一致[22]。对32个玉米品种的16个性状进行聚类分析，发现在NFe和LFe处理下主要代表“根系生长因子”的第4和5组（根体积、根表面积、根干重、总根长和根尖数）的性状存在明显的组别差异，表明低Fe胁迫对玉米幼苗的影响主要表现在根系间存在极显著的相关性。进一步分析发现，品种总根长、根表面积、地上部干重和单株干重在Fe高效和Fe低效品种间的差异也十分显著（表5），表明总根长、根表面积、地上部干重和单株干重可以作为玉米Fe效应能力的参考评价指标。

Fe是影响植物生长发育的重要营养元素之一[19]。低Fe胁迫可以诱导地上部同化产物向根系转运，促进根系代偿性伸长[13]。低Fe胁迫会导致玉米幼苗的根长、根体积、根系活力、干物质量、Fe含量、Fe积累量、相对吸Fe能力降低[20]。低Fe胁迫下，玉米幼苗地上部将光合作用产物性状上。

植株对Fe的吸收利用是一个复杂的过程，不同植株在低Fe条件下表现不同[24-25]。徐健钦等[21]研究表明，低Fe胁迫下Fe高效品种Ye478根冠比较Fe低效品种根冠比更高，认为提高根冠比是玉米提高低Fe胁迫适应性的原因。陈旭蕾等[26]发现，低Fe胁迫下，玉米品种的株高、SPAD值、地上部生物量、根部生物量以及总生物量均显著降低，而根冠比显著增加，且根冠比与Fe吸收效率呈显著的负相关。本研究也得出类似的结果，低Fe胁迫下，玉米幼苗单株干重、单株Fe积累量、根系Fe吸收效率和叶片活性Fe含量均显著下降，而根冠比和Fe生理效率显著增加，与前人研究结果一致[14]。但进一步对比发现：Fe高效品种（正红2号、汉单999和荃玉9号）单株干重、单株Fe积累量和Fe吸收效率的降幅与根冠比的增幅均低于Fe低效品种（川单455、川单189和成单30），而Fe生理效率的增幅高于Fe低效品种，因此推测提高Fe生理效率是玉米幼苗适应低Fe胁迫的重要生理机制。这与徐健钦等[21]的研究结果不一致，主要是因为本研究在品种筛选过程中涉及较多根系性状，所筛选出的高效品种为Fe高效吸收型，而Ye478的Fe高效是根向地上部转运效率以及Fe在体内的再分配引起的。

4 结论

低Fe胁迫对玉米幼苗影响较大，根干重、地上部干重、单株干重、总根长、叶绿素含量、叶面积、根表面积、根体积、株高、根尖数、可见叶数、展叶数和茎粗均显著降低，根平均直径和根冠比显著增加，单株Fe积累量和Fe吸收效率显著下降，而Fe生理效率显著增加。32个玉米品种对低Fe胁迫的敏感程度存在较大差异，其中正红2号、川单999与荃玉9号耐低Fe能力相对较强，可以作为玉米Fe高效育种的种质资源。