不同铁效率玉米品种苗期适应低铁胁迫的根系特征与铁积累差异

任 云，刘 静，李哲馨，李会合，李 强

（重庆经济植物生物技术重点实验室/重庆市特种植物协调创新中心/特色植物研究院，园林与生命科学学院，重庆文理学院，重庆 402160）

铁 (Fe) 作为影响作物生长发育及品质产量形成的关键微量营养元素，具有重要的生物学功能[1]。铁参与叶绿素的合成，影响叶绿体的构造，是植株合成叶绿素及完成光合作用的必要条件，缺铁将会导致细胞膜系统和胞内细胞器的畸变或破坏[2]。另外，它还参与植物呼吸作用、生物固氮和细胞解毒等重要生物学过程[3]。土壤中可被植物直接利用的离子态铁含量很少，特别是荒漠干旱内陆地区，土壤钙质化严重，盐分含量高，pH高，导致土壤有效铁含量更低，作物缺铁黄化，进而严重影响产量[4]。铁高效作物品种的推广应用是保障石灰性土壤作物高产稳产的重要途径。

根系是植物从土壤中吸收养分的重要器官，良好的根系构型和空间分布有利于提高植株对铁素的吸收与积累，铁的供给水平同样影响植物根系的发育[5-6]。牛乐等[7]发现低铁胁迫下玉米苗期根系形态直接与铁效率相关，良好的根系形态和生理活性是铁高效利用的重要特征。Ciaffi等[8]和Zamboni等[9]指出低铁胁迫对小麦幼苗根的生长影响显著，从而使其表现出植物缺铁的典型症状 (如叶绿素含量降低) 以及其他矿物营养的不均衡积累。Jia等[10]发现苹果砧木对低铁胁迫存在明显的基因型差异，且苹果砧木地上部生物量、总根长和侧根数与耐低铁能力呈显著正相关。龙文靖[11]发现低铁胁迫下玉米苗期干物质积累量显著下降，同时根系活力和单株溶铁能力降低，导致地上、地下部铁含量和积累量也降低，但铁素向地上部转移分配能力增强，铁素的生理效率提高。作物的根系形态及铁积累特性与作物品种的铁利用效率密切相关。

玉米是世界第一大粮食作物，占世界粮食总产量的41%，玉米生产对全球粮食安全起着举足轻重的作用[12]。西南地区是我国玉米主产区，该区旱地以石灰性紫色土为主，土壤有效铁含量低，严重制约着该区玉米的高产稳产[13]。前人[14-15]研究表明，玉米对铁的吸收利用存在明显的基因型差异，不同玉米品种铁效率差异显著，铁高效玉米品种的推广应用是保障石灰性土壤玉米高产稳产的重要途径。尽管已有大量研究证实作物对低铁胁迫的适应能力存在显著的品种差异，但关于不同铁效率玉米品种适应低铁胁迫的根系形态与铁积累特征差异的报道还较鲜见。本研究采用室内砂培的方法，以不同铁效率玉米品种为材料，研究不同铁效率玉米品种适应低铁胁迫的根系形态特征，铁与物质积累及铁吸收利用差异，以丰富玉米铁素营养理论，为铁高效玉米种质资源的挖掘利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为前期试验筛选的铁高效玉米品种正红2号 (ZH2，四川农大正红种子有限公司)、正大619 (ZD619，襄樊正大农业开发有限公司) 和铁低效玉米品种川单418 (CD418，四川川单种业有限公司)、先玉508 (XY508，铁岭先锋科技有限公司)[16]。

1.2 试验设计

于2018年10月和2019年5月分两次在重庆文理学院温室大棚 (光温条件为自然环境) 内进行砂培试验，采用两因素完全随机设计。因素A为不同铁效率玉米品种：铁高效玉米品种正红2号 (ZH2)、正大 619 (ZD619) 和铁低效玉米品种川单 418 (CD418)、先玉508 (XY508)；因素B为不同铁素水平：极低铁处理 Fe0 (低铁 Hoagland营养液，Fe浓度为 0 μmol/L)、低铁处理 Fe10 (低铁 Hoagland营养液，Fe 浓度为 10 μmol/L)、正常供铁 Fe100 (正常铁Hoagland完全营养液，Fe浓度为 100 μmol/L)。共12个处理，每处理6盆，共72盆。

砂培基质为石英砂 (1～2 mm)，10%盐酸浸泡4 h，自来水冲洗后蒸馏水洗净，装盆 (22 cm×25 cm)。选取大小均匀、籽粒饱满的玉米种子用70%酒精消毒，蒸馏水洗净，置于铺有湿润纱布的发芽盘中28℃催芽，出芽后转移到珍珠岩中。玉米幼苗2叶1心时选取长势一致的玉米幼苗，去除胚乳后移栽至砂培基质定苗。定苗后每隔2天用各Fe浓度营养液 (每盆1 L) 进行浇灌，培养14天后进行取样测定。

1.3 样品采集与测定

处理后第14天，每重复取10株，每处理3次重复，测定玉米根系形态、干物质积累及铁含量，并计算根系铁吸收效率与生理效率。

根系形态指标：利用根系扫描仪 (Epson Expression 1000xl，WinRHIZO) 测定根表面积、根体积、总根长、根直径。

干物质积累：将幼苗分为根系和地上部分，105℃杀青30 min，80℃烘至恒重，称量干重。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。

铁含量：采用原子吸收法测定玉米幼苗地上部和根系铁含量[17]。称取1.00 g经烘干粉碎的玉米植株样品于塑料瓶中，加入 25.0 mL Vc-HCl 溶液 (0.40 g维生素C溶解后，加入166.0 mL浓盐酸定容至1 L)，置于80℃恒温振荡器上振荡2 h，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铁的含量。地上部铁积累量=铁含量×地上部干重；根系铁积累量=铁含量×根系干重；单株铁积累量=地上部铁积累量+根系铁积累量；根冠铁分配比=根系铁积累量/地上部铁积累量；根系铁吸收效率=单株铁积累量/根系干重；铁素生理效率=单株干重/铁积累量[15]。

1.4 数据统计分析

测定的数据用Excel 2010进行整理，利用SPSS 21.0软件对整理好的数据进行统计分析，并用GraphPad Prism 5 作图。

2 结果与分析

2.1 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种根系形态特征的影响

根系是玉米从土壤中吸收养分的重要器官，良好的根系形态有利于提高玉米对铁素的吸收与积累。方差分析结果 (表1) 显示，除了年份×铁、年份×铁×品种的互作对总根长的影响以及年份×品种的互作对总根长、根直径和根体积的影响不显著外，其余性状在年份、品种、铁、年份×铁、年份×品种、品种×铁和年份×铁×品种的互作上均存在极显著差异。进一步分析发现，低铁胁迫对玉米苗期总根长、根表面积等根系形态特征有重要影响，且不同铁效率玉米品种根系形态特征差异明显。与Fe100正常供铁相比，在极低铁和低铁 (Fe0和Fe10)胁迫下，铁低效玉米品种 (XY508和CD418) 总根长、根表面积和根体积均显著降低，根直径显著增加，而铁高效玉米品种 (ZH2和ZD619) 总根长和根表面积均有所增加，根体积在极低铁和低铁处理下均显著增加，根直径在极低铁Fe0处理下显著降低，低铁Fe10处理下差异不显著。由此可见，与铁低效玉米品种相比，铁高效玉米品种在低铁胁迫下根系性状总根长、根表面积和根体积受影响较小，对低铁环境具有较强的适应性。

表 1 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种根系形态特征的影响Table 1 Effects of low-Fe stress on root traits of maize varieties with different Fe efficiencies

2.2 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种干物质积累与分配的影响

低铁胁迫下玉米幼苗地上部干重和单株干重均显著降低，而根冠比显著升高，且随着胁迫程度的增加变幅增大，两年试验结果一致 (表2)。两年4品种平均，与Fe100处理相比，极低铁和低铁处理(Fe0和Fe10) 下地上部干重分别降低了34.75%和18.54%，单株干重分别降低了9.39%和14.44%，而根冠比分别提高了64.29%和31.82%。方差分析结果(表2) 显示，除了年份×品种的互作对根干重、根冠比的影响以及年份对根冠比的影响不显著外，其余干物质积累与分配指标在年份、品种、铁、年份×铁、年份×品种、品种×铁和年份×铁×品种的互作上均存在极显著差异。进一步分析发现不同铁效率玉米品种上述指标对低铁胁迫的响应也存在明显差异。两年平均，与Fe100处理相比，极低铁和低铁胁迫下 (Fe0和Fe10)，铁低效品种地上部干重降低幅度分别为52.63%和28.95% (XY508)、51.43%和30.00% (CD418)，单株干重分别降低44.48%和22.71% (XY508)、43.24%和25.53% (CD418)，而铁高效品种地上部干重分别降低21.28%和8.75%(ZH2)、16.79%和7.63% (ZD619)，单株干重分别降低 17.80%和5.85% (ZH2)、14.47%和5.47%(ZD619)，降幅均低于铁低效品种；铁低效品种(XY508和CD418) 的根冠比分别提高107.79% (Fe0)和 46.75% (Fe10)，而铁高效品种 (ZH2和ZD619)分别提高 20.78% (Fe0)和16.88% (Fe10)。由此可见，与铁低效品种相比，铁高效品种在低铁胁迫下地上部生长受到的影响小，表明其对低铁环境具有更强的适应性。

表 2 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种干物质积累与分配的影响Table 2 Effects of low-Fe stress on the dry matter accumulation and distribution of maize varieties with different Fe efficiencies

2.3 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种铁积累与分配的影响

低铁胁迫下，玉米幼苗单株铁积累量显著降低，且随胁迫程度增加降幅增大 (表3)。两年4品种平均，极低铁和低铁 (Fe0和Fe10) 处理下的单株铁积累量较Fe100分别降低了38.73%和21.84%。方差分析结果 (表3) 显示，除了年份及年份×品种的互作对根冠铁分配比的影响不显著外，其余铁积累与分配指标在年份、品种、铁、年份×铁、年份×品种、品种×铁和年份×铁×品种的互作上均存在极显著差异。进一步对比发现低铁胁迫对不同铁效率玉米品种铁积累量的影响程度存在明显差异。两年平均，极低铁和低铁 (Fe0和Fe10) 处理下，铁高效品种铁积累量较Fe100分别降低25.42%和11.94%，地上部铁分配比例较Fe100分别降低5.98%和4.13%，根系铁分配比例较Fe100分别提高17.36%和11.96%；而铁低效品种铁积累量较Fe100分别降低53.77%和33.02%，地上部铁分配比例较Fe100则分别降低18.08%和10.24%，根系铁分配比例较Fe100分别提高53.97%和30.11%。极低铁和低铁处理下，铁高效品种铁积累量的降幅、地上部铁分配比例的降幅与根系铁分配比例的增幅均明显低于铁低效品种，且根冠铁分配比受的影响更小，能更好地维持植株的正常生长，提高其对低铁环境的适应性。

表 3 低铁胁迫下玉米不同部位铁积累量及根冠铁分配比Table 3 Fe accumulation in different parts of maize and the distribution ratio of root to shoot under low Fe stress

2.4 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种铁吸收利用的影响

单位重量根系的铁吸收量 (单株铁积累量/根系干重) 可以反映根系的相对铁吸收能力。由图1可知，玉米幼苗根系相对铁吸收能力 (根系铁吸收效率) 随低铁胁迫程度的增加而降低，两年4品种平均，在极低铁和低铁 (Fe0和Fe10) 处理下，根系铁吸收效率较Fe100处理分别降低了38.66%和26.52%。不同铁效率玉米品种根系铁吸收效率对低铁胁迫的响应差异明显，两年平均，在极低铁和低铁 (Fe0和Fe10) 处理下，铁高效品种根系铁吸收效率分别较Fe100降低了23.95%和18.19%，铁低效品种分别降低了53.61%和34.98%。铁高效品种根系铁吸收效率降幅明显低于铁低效品种，表明低铁胁迫下铁高效品种根系具有更强的铁吸收能力。

图 1 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种根系铁吸收效率的影响Fig.1 Effects of low-Fe stress on the root Fe absorption capacity of maize varieties with different Fe efficiencies

低铁胁迫下，玉米幼苗铁生产能力 (铁素生理效率) 显著提高，且随胁迫程度增加增幅加大 (图2)。两年4品种平均，Fe0和Fe10处理铁生理效率较Fe100处理分别提高17.14%和9.78%。不同铁效率玉米品种铁生理效率对低铁胁迫的响应程度也有较大差异。两年平均，在极低铁和低铁 (Fe0和Fe10)处理下，铁高效品种的铁生理效率较Fe100处理分别提高了21.50%和12.72%，而铁低效品种较Fe100处理分别提高了12.69%和6.78%。低铁胁迫下，铁高效品种铁生理效率增幅大于铁低效品种，表明低铁胁迫下铁高效品种的铁利用效率更优。

图 2 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种铁素生理效率的影响Fig.2 Effects of low-Fe stress on Fe physiological efficiency of maize varieties with different Fe efficiencies

2.5 根系性状与铁积累量的相关性分析

玉米幼苗根系性状与铁积累量的相关性分析结果表明，玉米幼苗铁积累量与总根长、根表面积、根体积和根干重均呈显著正相关，而与根冠比之间呈负相关 (图 3)，其中与总根长 (R2=0.8546，图 3A)和根表面积 (R2=0.8983，图 3B) 相关性最强，表明总根长和根表面积是影响玉米幼苗铁吸收积累最重要的根系性状。进一步分析表明，两年平均，铁高效品种平均较铁低效品种平均在正常铁Fe100、低铁Fe10和极低铁Fe0处理下总根长分别高出1.49%、24.29%和35.44%，根表面积分别高2.12%、43.40%和70.59%。与铁低效品种相比，铁高效品种总根长和根表面积的增长优势均随胁迫程度的增加而增加，表明保持较高的根长和根表面积是铁高效品种具有更强的低铁适应能力的重要根系特征。

图 3 玉米幼苗根系性状与铁积累的相关性分析Fig.3 Correlation analysis of root traits and iron accumulation in maize seedlings

3 讨论

铁是植物生长发育的重要营养元素，缺铁胁迫对植物根系的形态指标和生物量均有重要影响[18-19]。龙文靖等[20]指出玉米幼苗根长、根体积、根系活力、干物质、铁含量、铁积累量、相对吸铁能力均随铁浓度的降低逐渐降低。牛乐等[7]研究发现，低铁胁迫下，玉米幼苗的单株干重、根干重、总根长、根体积和根表面积均降低，但根冠比与平均根直径明显增加。本试验结果表明，低铁胁迫导致铁低效玉米品种幼苗的总根长、根表面积、根体积、干物质重均显著或极显著降低，所有玉米品种幼苗根冠比均显著增加，这与前人[5, 14]的研究结果基本一致。但铁高效品种在低铁胁迫下总根长与根表面积未降低反而有所增加，且根体积与干物质重的降幅及根冠比的增幅均明显低于铁低效品种，这与章爱群等[14]和徐健钦等[21]指出的适当低铁对玉米幼苗根系生长具有促进作用的结果一致。龙文靖等[15]研究指出，玉米铁高效品种根长、根体积及根系干物质均高于铁低效品种，根系发达是铁高效品种铁积累量显著高于铁低效品种的重要原因。本试验中铁高效品种总根长、根表面积、根体积和根干重也均明显高于铁低效品种。同时，本研究还发现玉米幼苗铁积累量与总根长、根表面积、根体积和根干重均呈显著正相关，而与根冠比之间呈负相关，且玉米幼苗铁积累量与总根长 (R2=0.8546) 和根表面积 (R2=0.8983) 相关性最高。与正常铁Fe100处理相比，低铁处理下铁低效品种的总根长、根表面积和根体积显著降低，而铁高效品种的总根长和根表面积差异不显著，因此较高的总根长和根表面积可能是铁高效品种对低铁胁迫具有更强适应性的重要根系性状。

植株对铁的吸收利用是一个复杂的过程，低铁胁迫下植物根系特性与铁高效品种的铁素吸收能力密切相关[22-23]。陈旭蕾等[24]发现低铁胁迫下，各基因型玉米的根冠比与铁吸收效率呈显著的负相关。本研究也得出类似的结果，低铁胁迫下玉米幼苗的根冠比显著增加而根系相对铁吸收效率显著降低，呈明显的负相关；此外，本研究还发现低铁胁迫下玉米幼苗铁素生理效率显著增加，可能是作物适应低铁胁迫的重要生理机制，与前人[15, 25]研究结果一致。石荣丽等[26]研究小麦铁营养效率发现基因型铁吸收差异与根表面积差异密切相关。赵婧等[27]研究表明，低铁胁迫下铁高效大豆品种根系的铁平均积累速率高于铁低效品种，以此来抵抗低铁对生长所造成的伤害。本试验结果表明，低铁胁迫下由于铁供应受限使玉米幼苗根系铁吸收效率显著下降，但铁高效品种的降幅明显低于铁低效品种，使得铁高效品种的根系铁吸收效率显著高于铁低效品种，这与前人[25-27]的研究结果基本一致。同时，玉米幼苗为了适应低铁环境，铁生理效率显著升高，但铁高效品种的增幅明显高于铁低效品种。因此，较高的根系铁吸收效率和铁生理效率是铁高效品种较铁低效品种对低铁胁迫具有更强适应性的重要生理特征。

4 结论

低铁胁迫下，不同铁效率玉米品种幼苗的根干重、单株干重、铁积累量、根系相对铁吸收效率均显著降低，而根冠比与铁素生理效率均显著升高，且随胁迫程度的增加变幅加大，铁高效品种各指标的变幅均明显低于铁低效品种；铁低效品种根体积、总根长和根表面积均显著降低，而铁高效品种均有所增加。玉米幼苗铁积累量与总根长、根表面积、根体积和根干重均呈显著正相关，与根冠比呈负相关，但与总根长和根表面积相关性最高。与铁低效玉米品种相比，铁高效玉米品种低铁胁迫下具有较大的总根长与根表面积及较高的根系铁吸收效率与铁生理效率，促进其对铁素的高效吸收和利用，提高了其对低铁环境的适应性。