玉米耐低磷自交系的筛选与鉴定

贾亚涛，谢圣杰，牛旭龙，邢国芳

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

玉米耐低磷自交系的筛选与鉴定

贾亚涛，谢圣杰，牛旭龙，邢国芳*

(山西农业大学 农学院，山西 太谷 030801)

磷是玉米生长必不可少的大量元素，玉米的产量和品质直接关系到国家粮食安全和人民生活水平。[目的]选育耐低磷和磷敏感的玉米新品种。[方法]本试验选取35个玉米自交系材料，在不同磷水平下(低磷和正常对照)筛选玉米耐低磷自交系。[结果]虽然低磷胁迫下玉米的鲜重、株高、茎粗性状指标和其胁迫指数以及胁迫SPAD指数可作为玉米苗期耐低磷特性的鉴定指标，但胁迫SPAD指数与玉米苗期耐低磷特性评价相关性较好。[结论]采用隶属函数法，可将35份玉米自交系材料综合划分为5个等级，其中5级(高)耐低磷材料和1级(极敏感)耐低磷材料均为1份,4级耐低磷材料5份，3级(中)耐低磷材料和2级(敏感)耐低磷材料较多，分别为11份和17份。

玉米自交系；低磷胁迫；筛选与鉴定；相关性；隶属函数

磷元素是植物生长所必须的大量元素之一[1]，其具备使作物早熟和高产的特性。据研究数据显示，世界上的缺磷土壤占到总土壤的43%。就我国而言，缺磷土壤占到2/3[2]。施用磷肥的当季利用率只有15%, 而后效使用率也不超过25%[3]。这种现象被称为土壤磷素的“遗传学缺乏”[4]。磷肥在土壤中的可溶性较低，很大一部分都无法被作物利用，导致缺磷严重，无法达到作物生长的所需量[5]。所以在实践中很多农业工作者想通过增加肥料施用量来提高产量，然而一味地增加磷肥施用量不仅造成浪费，还会带来一些环境污染[6～8]。筛选培育出适合低磷土壤环境或者磷利用率高的品种，进而在现有栽培面积上提高产量。玉米作为我国第一大粮食作物[9]，其产量和品质直接关系到国家粮食安全和人民生活水平。缺磷是影响玉米产量和品质的重要原因之一，提高玉米的产量和品质，研究低磷胁迫下高效耐低磷自交系迫在眉睫。

张丽梅等[10]对20份自交系耐低磷特性的鉴定研究发现，玉米自交系对低磷的耐受程度可以通过干重和缺素症状的耐低磷指数加权平均值来进行更好的反馈。米国华[11]等通过土壤盆栽试验，对玉米自交系苗期耐低磷能力和根系生长进行研究发现，在低磷胁迫下，磷高效自交系能够将根中的有限养分与干物质进行合理的分配，使玉米获得较长根系来进行植株的生长发育。张吉海等[12]利用76个玉米自交系在两种环境下筛选出5个耐低磷自交系，并在耐低磷的筛选上提出相应的鉴定方法。研究作物对磷元素的高效吸收、利用以及提取作物的耐低磷基因是现今科学家关注的焦点。

本试验将35份玉米自交系在不同磷水平下进行筛选，通过不同品种特性鉴定，经过隶属函数采用综合比对分析，按照不同耐性划分了5个等级。从材料中选出符合低磷环境的品种，为生产提供参考，为后续的低磷玉米品种蛋白质、基因等分析提供依据。筛选出的耐低磷材料也可为生产育种提供参考，培育出更适应低磷环境的品种，对节约有限的磷矿资源有重要意义。

1 材料和方法

1.1 供试材料与试验设计

本试验选取从中国农业大学引进的35个玉米自交系材料(表1)，于山西农业大学育种温室内种植。试验采用盆栽方式。挑选整齐一致的种子，种子经过75%酒精消毒处理15 min后，用蒸馏水冲洗5遍，播种于发芽盒(61 cm×37 cm×15 cm)，每盆土壤30 kg，土壤比例沙∶土=1∶4，土壤有效磷含量2.48 mg·kg-1，pH为7.2，适宜玉米生长。每盆种7个品种，行距9 cm，株距6 cm，每个品种种植1行，每行6粒，共种植10个盆子，其中5盆为正常磷水平组。种植深度3 cm，种植后在表层均匀撒一层细沙，之后每2 d浇一次水。置于温室中培养，待幼苗生长至一叶一心时，向盆内加Hoagland 营养液进行培养，通过改变Hoagland营养液中磷含量设置2个磷水平：低磷水平(LP)，正常磷水平(CK)。

表1 参试的35份玉米自交系材料表

对照CK营养液包括以下成分：2 mmol·L-1Ca(NO3)2·4H2O, 1.25 mmol·L-1NH4NO3, 0.1 mmol·L-1KCl, 0.65 mmol·L-1K2SO4, 0.65 mmol·L-1MgSO4, 1 mmol·L-1KH2PO4，0.01 mmol·L-1H3BO3, 5 nmol·L-1(NH4)6Mo7O24, 1.0 μmol·L-1MnSO4, 0.1 μmol·L-1CuSO4·5H2O, 1.0 μmol·L-1ZnSO4·7H2O, 0.1 mmol·L-1Fe-EDTA。低磷处理浇灌缺磷培养液，用KCl替换营养液中KH2PO4。

1.2 测定方法

1.2.1 玉米苗期株高、茎粗和苗期地上部鲜重的测定

在播种25 d后，分别用直尺和数显游标卡尺测量长势一致的6个单株的株高/cm、茎粗/mm，计算株高、茎粗平均值。用百分之一天平测量每个品种单株的地上部鲜重/g，再求每个品种的地上部鲜重的平均值。

1.2.2 叶片相对叶绿素含量的测定

SPAD-502Plus工作原理：叶绿素在蓝色波段(400～500 nm)和红色波段(600～700 nm)范围内吸收达到了峰值，但在近红外波段却没有吸收。利用叶绿素的这种吸收特性，通过叶片对两个波长段里的吸收率，来评估当前叶子中的叶绿素的相对含量。利用SPAD-502Plus在四叶一心期，每株玉米完全展开叶上有间隔的选取3个点用SPAD测量仪测量相对叶绿素含量，计算平均值。

1.2.3 叶片症状调查方法

受害症状采用目测分级法[10]：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。

1.2.4 胁迫指数计算公式

株高胁迫指数(PHSI)、地上部鲜重胁迫指数(FSSI)和SPAD 胁迫指数(SSI)为同一自交系低磷条件下的实测值与对照条件下实测值的百分比。

1.3 评价方法

本试验用隶属函数法对供试材料在苗期进行耐低磷综合评价[13]，若所测指标与耐低磷性状正相关，用公式U(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，否则U(Xij)=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin) ，Xi=∑U(Xij)/n。其中，Xij为某品种某指标的的实测值，Xjmin为该指标的最小值，Xjmax为该指标的最大值。U(Xij)为i材料j性状的隶属值。Xi表示i材料的平均隶属值，n为所测定的指标数，Xi越大，该材料耐低磷性越强，可用来衡量自交系耐低磷性大小。按Xi的大小将供试材料划分为5个等级：Xi≥0.8为5级(高)耐低磷；0.6≤Xi<0.8为4级耐低磷；0.4≤Xi<0.6为3级(中)耐低磷；0.2≤Xi<0.4为2级(敏感)耐低磷；Xi<0.2为1级(极敏感)耐低磷。

1.4 数据处理

使用SPSS19.0软件分析各测量指标之间的相关性，用MicrosoftExcel2007进行数据汇总分析。

2 结果分析

2.1 各性状指标的相关分析

低磷条件下，被测植株株高越高，其耐低磷性越高，株高胁迫指数越大[14]。由表2可知：株高胁迫指数与地上部鲜重胁迫指数、茎粗胁迫指数、SPAD胁迫指数、胁迫鲜重、胁迫株高、胁迫茎粗呈极显著正相关；茎粗胁迫指数与地上部鲜重胁迫指数、SPAD胁迫指数、胁迫鲜重呈极显著正相关；地上部鲜重胁迫指数、SPAD胁迫指数、胁迫茎粗呈显著正相关，与胁迫株高呈显著正相关。每株玉米症状叶与胁迫鲜重、胁迫株高呈显著负相关。胁迫鲜重与胁迫株高、胁迫茎粗呈极显著正相关。

表2 所测不同低磷指标的相关系数

注：*差异显著(p<0.05)；**差异极显著(p<0.01)

Note: * The difference was significant (p<0.05); ** The difference was very significant (p<0.01)

2.2 耐低磷品种的鉴定

在2.1中可知株高、茎粗、地上部鲜重胁迫指数以及胁迫鲜重、株高、茎粗和SPAD胁迫指数适合作为玉米苗期耐低磷鉴定与评价的适宜指标。采用平均隶属函数法，计算株高、茎粗、地上部鲜重胁迫指数以及胁迫鲜重、株高、茎粗和SPAD胁迫指数的隶属函数值，再求某品种以上性状各隶属函数值的平均值(表3)。由表3可知平均隶属值最小的为34号品种，为0.05；最大的为17号品种，隶属值为0.91。按照1.3分级方法，可以看到5级(高)耐低磷材料和1级(极敏感)耐低磷材料均为1份，分别为HFM1和FXBXGM3；4级耐低磷材料为5份；3级(中)耐低磷材料为11份；2级(敏感)耐低磷材料为17份。

表3 各性状隶属函数值及平均隶属值

2.3 低磷胁迫下各性状指标的耐低磷特性分析

变异系数的大小能够反映株高胁迫指数与自交系材料之间的波动。据测量数据直观分析可知低磷胁迫下，玉米株高胁迫指数在0.88～1.25之间，平均值1.03，变异系数9.09%，以株高胁迫指数的隶属值分级得到，2级(敏感)耐低磷材料17份，1级(极敏感)耐低磷材料6份，5级(高)耐低磷材料和3级(中)耐低磷材料均为5份，4级耐低磷材料2份(表4)。相比综合评价，有18份自交系材料与综合评价结果完全一致，占51.43%；同理(表4)玉米茎粗胁迫指数结果与综合评价相比，18份自交系材料与评价结果完全一致，占51.43%；玉米地上部胁迫鲜重指数评价结果与综合评价相比有14份自交系材料与评价结果完全一致，占40%；同样玉米的胁迫SPAD指数与综合评价相比，有17份自交系材料与综合评价结果完全一致，占48.57%；玉米的胁迫鲜重与综合评价相比有15份自交系材料与综合评价结果完全一致，占42.86%；玉米的胁迫株高与综合评价相比，12份自交系材料与综合评价结果完全一致，占34.29%；玉米的胁迫茎粗有13份自交系材料与综合评价结果完全一致，占37.14%。

表4 35份材料综合耐低磷评价结果

Table 4 Comprehensive evaluation and evaluation results of low phosphorus tolerance of 35 parts according to the membership value of each index

自交系编号Inbredlinesnumber材料Material综合评价Comprehensiveassessment株高胁迫指数Plantheightstressindex茎粗胁迫指数Stemstressindex地上部鲜重胁迫指数FreshweightstressindexSPAD胁迫指数SPADstressindex胁迫鲜重Stressfreshweight胁迫株高Stressplantheight胁迫茎粗Stressstemdiameter1C0314MRMRMRSMRRHRR2W9lMRSSSMRRHRR3FY2SHSSHSSSHRS4FY3SSMRHSMRHSSS5b73MRSSHSMRRRR63613SHSSHSHSMRRR72BHSSMRSSHSSMR8HN34RRRRMRRHRHR9KN5MRHRRRHSMRRMR10ME094MRRRMRRSMRS11A167MRSMRMRHRMRMRS1287⁃1MRMRMRMRMRMRMRMR131287SSMRMRSHSHSHS14C317MRMRRSMRSSMR15FXBXGM1MRMRRMRHRHSHSS16FXBXGF1RHRRRRRHRHR17XFM1HRHRHRHRMRHRHRHR18HFF1SSMRHSMRSRS19XFM2RHRHRRHRRRHR20HFF2RHRMRMRMRRHRR21HFF3RMRRMRMRRRHR22W123SHSMRSRHSSHS23HF5SSSHSHSSMRMR24W316SSMRSHSSMRS25RDZAMSHSMRHSMRSSMR26RDZAFSSRSSHSMRS27RDZBMSSSHSSSSS28RDZBFSSMRSMRHSHSMR29RDZCMMRSRSMRSSR30RDZCFSSSSSHSHSHS31RDZM1SSSHSHSMRRMR32RDZF1MRSSSRSMRR33FXBXGM2SSSHSSSMRMR34FXBXGM3HSHSHSHSHSHSHSHS35FXBXGF2SHSSHSMRHSMRS

注：HR：5级(高)耐低磷；R：4级耐低磷；MR：3级(中)耐低磷；S：2级(敏感)耐低磷；HS：1级(极敏感)耐低磷。

Note：HR:Grade 5 (high) low phosphorus tolerance;R:4 levels of low phosphorus tolerance;MR:3 grade (middle) low phosphorus tolerance;S:2 grade (sensitive) tolerance to low phosphorus;HS:1 grade (extremely sensitive) low phosphorus tolerance.

3 讨论

3.1 玉米苗期耐低磷性鉴定与评价指标的选择

苗期耐低磷性鉴定已在多种作物被广泛应用，不同研究者所选用的耐低磷鉴定指标不尽相同，包括生长发育指标、形态学指标、生理生化指标等。马建华等[15]以POD活性、MDA和脯氨酸含量等生理指标的相对耐低磷指数为评价指标，王静[16]以株高、成活叶、可见叶等指标的相对值将115份玉米自交系耐低磷能力划分为4个等级。本研究以株高、茎粗、地上部鲜重胁迫指数以及胁迫鲜重、株高、茎粗和SPAD胁迫指数7项指标的平均隶属值对玉米自交系耐低磷性作出综合评价，综合评价结果与株高胁迫指数和茎粗胁迫指数的评价结果相似度最高，均达到51.43%，由于植物耐低磷受多基因控制，并且植物应对低磷胁迫会在株高、重量、叶绿素等多个方面做出调整，因此综合评价结果的参考价值更高。

3.2 SPAD胁迫指数与耐低磷性

SPAD胁迫指数与综合评价相比，有17份种质的评价结果完全相同，占种质总数的48.57%，低于其他2个指标。但由于SPAD具有测量无损伤、方便准确的特点，在研究中得到广泛应用。薛香等[17]发现用 SPAD叶绿素仪法测定小麦叶片的叶绿素含量较分光光度计法测得的叶绿素含量略高，且误差较小，SPAD 值与分光光度计法测定的小麦叶绿素含量呈显著正相关。本研究发现胁迫SPAD与症状叶呈显著负相关，低磷胁迫降低了苗期叶片叶绿素含量，这与曹翠玲[18]和范曾丽[19]等人的研究结果一致。曹翠玲等人研究发现植物缺磷影响了叶绿素合成，低磷胁迫下，叶绿素a和叶绿素b都低于正常供磷的植株。范曾丽等研究表明缺磷使叶绿素含量减少，同时这种减少也影响光合速率减慢，光合作用减少反过来又影响叶绿素含量的累积，导致恶性循环。在低磷胁迫下，较高的叶绿素含量是植物耐低磷的物质基础。

3.3 株高与耐低磷性

梁秀兰等[20]发现酸性红壤低磷胁迫降低了苗期玉米株高、单株叶面积和地上部干重，不同基因型玉米受影响的程度不同。沙晓晴等[21]指出低磷胁迫下，‘蠡玉16’比‘冀单28’具有优势株高，表现出耐低磷的特性。张丽梅等[10]发现，低磷胁迫对苗期株高的影响不明显，处理间没有达到极显著水平。本研究表明，低磷胁迫，35个玉米自交系中有20个自交系株高会不同程度的降低，株高胁迫指数在0.88～1.25之间，平均值1.03，变异系数9.09%，表明低磷会降低玉米株高。

3.4 地上部鲜重与耐低磷性

童学军等[22]研究发现低磷胁迫地上部干重、鲜重植物耐低磷能力呈显著正相关关系。任永哲等[23]研究表明，低磷处理对地上部表现出抑制作用，但对不同品种的影响程度差异较大，不同苗期性状受低磷胁迫影响的程度分别为：根系鲜重>根系干重>地上部鲜重>株高。本试验通过不同玉米自交系在缺磷条件下，依据胁迫地上部鲜重的分级标准，与综合评价相比，有15份种质的评价结果完全相同，占种质总数的42.86%，低于株高胁迫指数、茎粗胁迫指数和SPAD胁迫指数的评价结果。

4 结论

在不同磷水平下(低磷和正常两个对照)，选育玉米耐低磷品种时可以用玉米株高、茎粗、地上部鲜重指标的胁迫指数和胁迫鲜重、株高、茎粗指标以及胁迫SPAD指数作为玉米苗期耐低磷特性的鉴定指标。通过隶属函数法综合分析可将35份试验材料综合划分为5个等级，获得5级(高)耐低磷材料1份，为XFM1；4级耐低磷材料5份，分别为HN34、FXBXGF1、XFM2、XFM2、XFF3；3级(中)耐低磷材料11份分别为C0314、W9l、b73、KN5、ME094、A167、87-1、C317、FXBXGM1、RDZCM、RDZF1；2级(敏感)耐低磷材料17份，分别为；FY2、FY3、1287、XFF1、FXBXGM2、FXBXGF2、3613、2BH、W123、HF5、W316、RDZAM、RDZAF、RDZBM、RDZBF、RDZCF、RDZM1；1级(极敏感)耐低磷材料1份，为FXBXGM3。

虽然玉米株高、茎粗、地上部鲜重指标的胁迫指数和胁迫鲜重、株高、茎粗指标以及胁迫SPAD指数作为玉米苗期耐低磷特性的鉴定指标，但与综合分析结果相似度大小不同，从大到小依次为株高胁迫指数=茎粗胁迫指数>胁迫SPAD指数>胁迫鲜重>地上部鲜重胁迫指数>胁迫鲜重>胁迫株高，经过讨论得出SPAD胁迫指数是最适合作为评价玉米耐低磷性的指标。

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(编辑：武英耀)

Screening and identification of low phosphorus phosphous inbred lines of Maize

Jia Yatao， Xie Shengjie, Niu Xulong, Xing Guofang*

(CollegeofAgriculture,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Phosphorus is an essential element in maize growth. The yield and quality of maize are directly related to the national food security and the people’s living standard.[Objective]Selective breeding of new varieties of corn with low phosphorus tolerance and high sensitivity.[Methods]In this study, 35 maize inbred lines were selected and screened for low phosphorus tolerance in Maize under different P levels (low P and normal control).[Results]Although corn fresh weight, plant height, stem diameter and its traits and stress stress index SPAD index under low phosphorus stress can be used as the corn seedling tolerance to low phosphorus stress，the correlation of stress SPAD index and the resistance to low phosphorus content in maize seedling stage was good.[Conclusion]Using the method of membership function，35 maize inbred lines materials general can be divided into five grades, including 5 (high) of low phosphorus resistant material and grade 1 (very sensitive) resistance to low phosphorus materials are 1, 4 levels of resistance to low phosphorus materials five copies, level 3 (c) of low phosphorus resistant material and grade 2 (sensitive) of low phosphorus resistant material is more, 11 and 17, respectively.

Maize inbred line, Low P stress, Selection and identification, Correlation,Membership function

2016-06-24

2016-09-13

贾亚涛(1993-)，男(汉)，河北石家庄人，硕士研究生，研究方向：玉米抗逆机理

*通信作者：邢国芳，副教授，硕士生导师。Tel:15034661606； E-mail xingguofang@sohu.com

国家自然科学基金(31200914)；山西省高等学校创新基金(2015145)；山西农业大学第12批大学生科技创新基金(12-38)

S332.1

A

1671-8151(2017)01-0011-08