不同玉米自交系初生根性状动态变化分析

师赵康 ，赵泽群 ，张远航 ，王 雯 ，窦 晨 ，冯万军

（1.山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学农业生物工程研究所，山西太谷 030801；3.山西农业大学信息学院，山西太谷 030800）

根系是植物的主要地下器官，具有固定植株、吸收水分和营养物质、合成和分泌生理活性物质等重要的生理功能[1]。此外，根系的健康生长发育与否与地上部的性状表现、籽粒产量和品质的优劣密切相关[2]。初生根是根系形成初期主要吸收养分的关键角色[3]。在根系发育早期，所有根系组织和细胞类型都是从顶端分生组织分化产生，分化模式相对简单。HOCHHOLDINGER等[4]研究表明，玉米苗期的初生根可作为早期形态学、组织学和生理学的研究分析模型。初生根越长，对根系吸收土壤中的硝酸盐和硫酸盐越有优势[5]。另外，也由于苗期根系可操作性强的特点，以玉米初生根为研究材料，在评价重力感应、耐旱性、营养利用效率等众多方面均有应用[6-8]。

根系的生长源自细胞分裂和伸长。从结构来看，根自下端开始依次为根冠、分生区、伸长区和成熟区4个部分，其中，根尖部的分生区细胞具有分裂和分化能力，通过分泌生长素等激素，不断刺激细胞的分化和分裂，逐渐形成伸长区和成熟区，对根系的伸长及侧根的发生起关键作用[9]。众多研究表明，激素在根系发育的过程中扮演重要的角色，其中，生长素、细胞分裂素和赤霉素等能够调控植物根部分生区的形成、激活和维持过程，进而改变分生区中具有分化能力的细胞数目，从而调控根系的生长发育进程[10]。目前，有关玉米根系生长发育的研究已有大量报道，涉及到表型[11]、生理[12]以及分子等诸多层面[13]，然而关于其根尖动态变化与根系生长速率关系的研究却鲜有报道。

本研究选择7个玉米自交系，分析其苗期初生根长度和根尖部分生区在不同发育阶段的动态变化，旨在为解析根系生长发育的生物学机理奠定基础，也为玉米种质创新和新品种培育积累有价值的资料。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究选用 Xu 178，PH6WC，PH4CV，P138，269，D340，87-1等7个玉米自交系为研究对象。所有玉米自交系种子均为2016年在山西农业大学农作站经过严格人工授粉，收获后经晾晒干燥。

1.2 种子性状测定

从各自交系随机取100粒种子进行称质量，8次重复，而后选取大小均匀一致的10粒种子经Epson Perfection V800 photo扫描仪扫描拍照，再利用ImageJ软件对种子长宽进行测量。

1.3 材料培养

选择无虫、饱满、大小均匀的玉米种子，用蒸馏水冲洗干净，经H2O2消毒10 min，在饱和的CaSO4溶液中浸种12 h后滤纸包裹，置于含水充足的发芽盒中，于光照培养箱中（温度25℃，湿度75%，光照16 h/d，光强2 000 lx）培养，期间保持其水分充足供应。待初生根长至1.5 cm左右算作发芽，在发芽后24 h对根长进行了第1次测量和记录，此后每隔6 h对根长进行测量，直至发芽后54 h，每个时期至少测定6株玉米幼苗，期间在30，36，42，48 h 这 4 个时间点截取根尖部分进行Feulgen（孚尔根）染色处理，每个时间点至少对6个根尖进行染色。

1.4 根尖孚尔根染色

首先用3∶1无水乙醇与冰乙酸对根尖进行固定12 h，经蒸馏水冲洗后于60℃预热的解离液（1 mol/L HCl）中浸泡10 min，然后用Schiff试剂进行染色30 min。Schiff试剂的配制参照Lillie和Fullmer法：1 g碱性品红和1.9 g偏重亚硫酸钠溶于0.15 mol/L盐酸100 mL中，在机械振荡器上振荡2 h，直至溶液呈黄色或浅棕色透明液体，加500 mg活性炭，再振荡1～2 min，过滤后加蒸馏水定容至100 mL。然后将染色的根尖用蒸馏水冲洗3次，采用奥林巴斯IX73型倒置荧光显微镜对玉米根尖进行观察并拍照，同时利用ImageJ软件对根尖长宽进行测量。

1.5 数据统计分析

通过固定比例尺将根尖长度、宽度换算为实际长、宽，进而计算其表面积，以此估计根尖大小。

利用DPS数据处理系统对所有测定数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 7个玉米自交系成熟种子形态差异分析

种子形态是玉米产量形成的外在表现，对其发芽甚至后期植株生长发育均有一定影响。因此，本研究首先对7个玉米自交系成熟的种子形态进行观察。结果显示，不同玉米自交系的种子大小存在明显的差异，其中，D340和87-1这2个自交系的种子较大，其他自交系的则较小（图1）。然而，对粒质量的分析结果则与形态观察结果有所出入，其中，D340，P138和PH6WC的百粒质量相对较大，分别为 37.67，37.08，35.49 g，其他均在 30 g左右（图1），这可能与种子在厚度上存在差异有关。

为了进一步分析不同玉米自交系间种子大小差异形成的外观原因，本研究利用ImageJ软件测定了不同玉米自交系种子的长和宽2个性状，然后经DPS数据处理系统进行统计分析。结果表明，不同玉米自交系种子宽度未有显著差异，其大小差异主要源于长度。其中，以87-1和D340的种子长度为较大，分别为1.64，1.49 cm，且与PH4CV和Xu 178自交系的种子长度差异达到显著水平（二者种子长度分别为1.10，1.12 cm）（图2）。上述结果表明，不同玉米自交系种子大小存在差异，而导致形态大小差异的因素主要来源于种子的长度，并且与粒质量并不完全相关。

2.2 玉米自交系间初生根长度动态表现差异分析

为了研究不同玉米基因型初生根生长速率有无差异，本研究测定了7个自交系发芽后不同时间的初生根长度。结果表明，就相同时间而言，不同自交系的初生根长度有所不同。在发芽后24 h，除了PH6WC，Xu 178和P138这3个自交系初生根较短外，其他自交系初生根基本在5.0 cm左右。此后，随着时间的推移，PH4CV和87-1这2个自交系的初生根长度在所有时间均较其他自交系的要长，且差异达到显著或极显著水平。另外，Xu 178的初生根长度在各个时期均为最短（表1）。

不同自交系初生根长度在不同时间的变化趋势也不完全一致。87-1在发芽后24～36 h内，初生根长度增加了近7 cm，此后伸长的速率趋于平缓；PH4CV和P138的初生根长度则在发芽后24～30 h内伸长速率较大，而后伸长速率逐渐趋于缓慢；而PH6WC的初生根在24～48 h内一直增长缓慢，直至最后6 h长度急剧增加；其余3个自交系的初生根伸长速率基本呈线性（表1）。结果表明，不同自交系的初生根长度动态变化趋势并不一致，有些在开始时生长较快，有的则在后期伸长趋势明显，这可能与基因型存在差异有关。

通过对不同玉米自交系初生根不同发育阶段的长度变化分析发现，同一发育时期，不同玉米基因型间的初生根长度存在极显著差异，而在同一玉米自交系的不同发育时期初生根长度的差异也达到了极显著水平，且基因型和发育时期间存在互作（P＜0.001）。

表1 玉米自交系初生根长度在不同发育阶段的统计分析结果 cm

2.3 不同玉米自交系初生根尖量化指标动态分析

玉米初生根尖端包括根冠和分生区2个部分，是根系中具有分生能力的细胞区域，对植物的根系伸长起关键作用。为了探讨不同自交系在不同发育阶段根长差异的产生是否与根尖大小有关系，本研究在分析不同玉米自交系初生根生长速率的同时，又对其4个发育时间点的根尖进行了染色分析。结果显示，不同玉米自交系的苗期根尖形态在相同发育时间段，以及相同自交系在不同发育时期相间存在明显差异（图3）。统计发现，在不同发育阶段，各玉米自交系根尖宽度变化不大，而长度存在较为明显的变化，因此，对根尖表面积的分析结果基本与长度变化趋势一致。在发芽后24 h，除了Xu 178和P138这2个自交系初生根根尖较短外，其他自交系初生根根尖基本在1.6 mm左右（表2）。对不同玉米自交系初生根不同发育阶段的根尖长度变化分析发现，同一发育时期不同玉米基因型间的初生根长度存在极显著差异；同一玉米自交系的不同发育时期初生根长度的差异也达到了极显著水平，但是在基因型和发育时期间不存在互作（P＜0.001）。

进一步分析根尖在不同时间的变化趋势发现，在30～48 h这段时期内，除87-1自交系根尖长度持续增加外，其他几个自交系根尖长度的变化趋势则有些复杂，其中，D340，269，PH6WC 和 P138 等4个自交系的根尖长度变化趋势基本一致，呈先上升而后趋于平缓，最后又有所降低。此外，PH4CV和P138这2个自交系根尖的变化规律较复杂。PH4CV为先上升而后急剧下降，而P138则呈现先上升再下降而后又有所增加的变化趋势（表2）。生长素、细胞分裂素和赤霉素等激素可以通过调控植物根部分生区的形成、激活和维持过程来调控根系的生长发育[9]。据此推测，不同自交系根尖长度的动态变化可能与内源激素水平发生改变有关，有待进一步的研究。

表2 不同发育阶段玉米自交系初生根根尖长度统计分析结果 mm

比较来看，7个自交系的根尖长度变化趋势与根长的变化规律基本吻合。例如，87-1的初生根伸长最快，其根尖长度也呈持续增加的趋势，PH4CV和P138的根尖长度分别呈现先上升后下降和先上升再下降而后又有所增加的变化趋势，与其初生根长度在发芽后24～30 h内伸长速率较大，而后趋于缓慢的变化也较相符。

3 讨论与结论

根系是植株吸收水分和养分的主要器官，其生长发育状态在很大程度上影响对水分和养分的吸收[14]。研究表明，不同基因型的玉米在氮素利用效率上并不一致，即使在相同的氮素水平下，不同基因型间的苗期根系生物量也有所差别[15]。最近研究发现，干旱胁迫显著影响了不同玉米自交系根长和干质量等性状[16]，这可能导致不同基因型对水分的利用效率不同[17]。本研究表明，在相同的发育阶段，不同自交系的初生根及根尖长度等量化指标表现有所不同，87-1，PH4CV1这2个自交系的根长在整个观察阶段与其他5个自交系间的差异都达到显著或极显著水平，其他的5个自交系相互间无明显差异。这与前人研究结果相近，说明玉米初生根的性状表现与基因型有关，而其初生根性状间的差异可能会造成对水分或养分利用效率的改变。

从不同发育阶段来看，不同玉米自交系根系的增长速率也有所不同。例如，王一等[18]研究发现，在不同水平干旱胁迫处理 3，6，9，12，15 d 后，耐旱玉米基因型的根总长增加幅度均显著大于干旱敏感型。本研究发现，不同玉米自交系的初生根和根尖长度的变化趋势并不一致，其中，87-1的初生根伸长速率为最大，可能与其根尖长度持续增加，所含有的具有分裂和分化能力的细胞数目较多有关。另外，PH4CV的根尖长度呈现先上升后下降的变化规律，而P138则呈现先上升再下降而后又有所增加的变化趋势，这可能是造成二者的初生根在发芽后24～30 h内生长速率较快，而后趋于缓慢的原因。除此之外，其余自交系的根尖长度变化趋势较为平缓，与根长的变化规律也基本吻合。

综上可以看出，不同玉米自交系初生根和根尖的变化趋势并不相同，但对于同一自交系而言，其初生根长度与根尖长度的变化趋势基本吻合，根尖形态发生改变的原因可能与内源激素水平的动态变化有关。