磷胁迫下玉米自交系酸性磷酸酶活性分析

(贵州大学农学院， 贵阳 550025)

磷是作物生长发育所必须的大量营养元素之一，不仅是核酸、磷脂等生物大分子的组成成分，而且在能量转移中起着重要作用。磷在土壤中主要以难溶性磷酸盐和有机磷形式存在，占土壤总磷量的5%～90%[1]，但土壤中的有机磷为非活性养分，植物可以直接利用的极少，大部分有机磷只有被水解成无机磷才能被植物吸收利用，这需要经历一个从固态到液态、大分子到小分子、有机到无机的转化过程，在这一过程中，生命活动所产生的APase类物质起着重要的作用[2]。

APase既是重要的水解酶，也是一种诱导酶，其活性受植物供磷状况的影响。它不仅在植物碳水化合物转化及蛋白质合成中起重要作用，还与土壤及植株体内有机磷的分解和再利用有着密切联系[3-4]。植物体内，APase对有机磷的再利用主要通过2个功能来实现： 1) 将植物体内的有机磷转化为无机磷； 2) 将植株中的磷从衰老组织转运到幼嫩组织[16]。研究表明，磷胁迫能显著提高植物体内APase活性，是植物对缺磷胁迫的一种适应性反应。Elliot等[5]利用叶片APase活性进行玉米磷缺乏诊断时发现，磷缺乏时同一部位单位面积的叶片APase活性比全磷时增加2～3倍。庞欣等[7]通过分根处理试验研究了黄瓜部分根系供磷对根系APase活性的影响，结果表明：分根处理后不供磷根系的APase活性显著高于供磷根系的APase活性。樊明寿等[8]通过水培研究玉米根系APase活性与磷营养的关系，表明低磷根系的APase活性明显高于高磷处理。张丽梅等[12]以不同耐低磷玉米自交系为材料，研究缺磷对其APase活性的影响，结果表明低磷诱导玉米叶片、根组织和根系分泌APase活性升高，根组织和根系分泌 APase 活性的大小与玉米耐低磷能力不完全相关。同样的结果在对花生[9]、小麦[10]、甜菜[11]、桉树[14]等植物的研究中也有报道。刘渊等[13]证明低磷条件下 ，大豆根尖APase活性可作为磷高效基因型筛选的重要生化指标。

玉米是我国主要的粮食、饲料作物和工业原料，且利用土壤磷的潜在能力较低。缺磷致使玉米植株矮小，根系不发达，授粉受阻，籽粒不充实，果穗小而弯曲，已成为限制玉米营养和产量的重要因素。尤其是国家提出农业产业结构调整以来，多地缩减玉米种植面积，因此，选育磷高效玉米品种，提高玉米磷利用效率具有重要意义。相关研究表明，低磷诱导玉米组织分泌APase活性升高[12]，以提高磷的利用率。为了探究APase活性对玉米产量及相关性状的影响，本试验研究了磷胁迫处理对玉米自交系主要农艺性状、穗部性状和APase活性的影响及其相互关系，以筛选出耐低磷玉米自交系，为进一步选育磷高效玉米品种提供依据及基础种质资源。

1 材料和方法

1.1 供试材料

玉米自交系5份(T 32、S 37、双M 9、苏11、J 51)，详见表1。

表1 自交系信息表

自交系 来源 T32Suwan3号 选系S37Suwan1号 选系双M9墨黄9号 选系苏11Suwan1号 选系J51贵州长顺地方品种选系

1.2 试验地概况

试验于2017年5月种植于贵州省贵安新区磊庄村，其海拔1 190～1 400 m，年平均气温22.5 ℃，年降雨量1 175 mm，年无霜期285 d左右。试验地有机质含量19.93 g/kg，全氮0.96 g/kg，全磷1.27 g/kg，全钾18.34 g/kg，pH值为6。

1.3 试验设计

在大田种植条件下，设磷胁迫(-P，尿素)，全磷(P，复合肥)2个处理，随机区组排列，3次重复，单行区，每小区6穴，行距70 cm，穴距30 cm。首先进行玉米育苗，3叶期选择生长整齐一致的植株进行移栽，磷胁迫处理施用尿素(CH4N2O≥46.2%)26.8 kg/667 m2和氯化钾(K2O≥62%)20 kg/667 m2作基肥，全磷处理每亩施用比例为15∶15∶15的复合肥(N∶P2O5∶K2O)82.7 kg/667 m2作基肥，管理同当地大田生产。

1.4 样品采集与测定

成熟期调查自交系主要农艺性状(株高、茎粗、穗位高、叶面积等)；收获后自然晾晒并进行室内考种，调查自交系穗部性状(穗长、穗粗、穗行数、穗重、百粒重等)。各性状调查记载参照《国家普通玉米品种区域试验、生产试验、预备试验调查项目和标准》。

叶片APase活性测定采用对硝基苯酚法，具体参考Tabatabai and Bremme的方法略有改动[17]。

1.5 数据处理和统计分析

采用Microsoft Excel软件进行数据处理和计算，利用SAS软件进行方差分析和多重比较(采用LSD法)以及相关性分析。

2 结果与分析

供试材料APase活性、田间主要农艺性状和穗部性状(除穗粗)在自交系间和处理间均差异显著，说明所选材料在耐低磷研究方面有一定代表性。磷胁迫下，S 37 APase活性最低(图1)，株高、茎粗、穗位高、雄穗分枝数和叶面积最低且均低于全磷处理(表3)，产量主要构成要素穗长、穗重、穗粒重和百粒重最低且低于全磷处理(表4)，说明5个自交系中S 37对低磷胁迫最为敏感。

表3 自交系田间主要农艺性状

处理自交系 株高 (cm) 茎粗 (mm) 穗位高 (cm) 雄穗长 (cm) 雄穗 分枝数 叶面积 (cm2) -PT32135.65BCDbc13.20ABCabc46.90CDbc30.05Bbc5.17Bb316.41ABCbcS3791.67Fe9.97Dd15.93Gg30.52Bb1.83Bc179.09De双M9136.62BCbc15.32Aa32.98EFef37.20Aa3.33Bbc342.28ABabc苏11108.23EFde14.45ABab38.63DEFcde24.93BCde4.33Bbc375.38ABabJ51127.11BCDEcd14.11ABabc54.98BCb25.59BCcde10.90Aa316.14ABCbcPT32170.20Aa14.44ABab69.67Aa29.30BCbcd5.33Bb412.58AaS37109.43EFde12.09BCDcd34.33DEFdef23.33Ce3.67Bbc234.73CDde双M9116.03CDEFd10.27CDd28.51FGf26.71BCbcde2.93Bbc289.85BCcd苏11109.75DEFde12.90ABCDbc43.73CDEcd23.30Ce4.00Bbc328.54ABCbcJ51147.40ABb14.03ABabc66.67ABa30.20Bbc11.83Aa382.33ABab

注：数字后面的大写(小写)字母分别表示在0.01(0.05)水平差异显著。下同。

2.1 磷胁迫下自交系APase活性分析

由表2可看出，APase活性在处理间和自交系间均差异极显著，为通过APase活性筛选耐低磷材料提供了可能。磷胁迫下，5个自交系叶片APase活性均高于全磷处理(图1)，表现为 T 32[6.79μmol/(g·min)]>双M 9[(5.88μmol/(g·min)]>J 51[5.70μmol/(g·min)]>苏11[4.76μmol/(g·min)]> S 37[4.09μmol/(g·min)]，说明磷胁迫诱导玉米叶片APase活性升高，这与低磷诱导玉米叶片、根组织和根系分泌APase活性升高[6，12]一致。

自交系进行不同磷处理时，T 32、双M 9和苏11 APase活性在磷胁迫和全磷下差异极显著，分别较全磷处理高50.22%(p<0.01)、40.7%(p<0.01)和31.86%(p<0.01)；S 37和J 51在磷胁迫和全磷下差异不显著，分别较全磷处理高12.05%和8.78%(图1)。说明磷胁迫能显著提高T 32、双M 9和苏11 APase活性，为筛选磷高效玉米自交系提供了可能；而S 37和J 51对磷胁迫不敏感，有可能为低磷敏感材料。

表2 磷胁迫下自交系APase活性方差分析

变异来源SSdfMSFSig.处理间18.131118.13148.140**0.001自交系间23.39845.84915.531**0.001处理×自交系6.60941.6524.387**0.005误差16.572440.377总变异64.71053

注：“**”表示在0.01水平差异显著。下图同。

2.2 磷胁迫下自交系田间主要农艺性状分析

由表3可知，自交系进行不同磷处理时，磷胁迫处理双M 9株高、茎粗、穗位高、雄穗长、雄穗分枝数和叶面积均高于全磷处理，分别较全磷处理高17.75%(p<0.05)、49.17%(p<0.01)、15.68%、39.27%(p<0.01)、13.70%和18.09%；磷胁迫处理苏11茎粗、雄穗长、雄穗分枝数和叶面积分别较全磷处理高12.02%、6.99%、8.25%和14.26%，说明从主要农艺性状来看双M 9具有较高的耐低磷特性，苏11次之；除雄穗长外，T 32、S 37和J 51磷胁迫处理各个主要农艺性状均低于全磷处理，说明磷胁迫影响玉米APase活性，进而影响玉米正常的生长发育，且不同自交系对磷胁迫的反应不一致。

图1 玉米叶片APase活性

2.3 磷胁迫下自交系穗部性状分析

由表4可见，不同处理间，磷胁迫下苏11穗重高于全磷处理，其余4个自交系穗重均低于全磷处理，而秃尖长均高于全磷处理，穗粗在处理间无显著差异。除穗重外，磷胁迫下双M 9穗部性状均高于全磷处理，穗长、穗粗、行粒数、穗粒重、穗轴重和百粒重分别较全磷处理高10.25%、88.17%、4.99%、35.82%(p<0.05)、3.54%和3.11%；苏11百粒重、秃尖长和穗轴重在处理间无差异，磷胁迫处理穗行数、行粒数、穗粒重、穗重和穗长均高于全磷处理，分别较全磷处理高22.89%(p<0.01)、26.1%(p<0.05)、43.28%(p<0.01)、43.87%(p<0.01)和19.1%(p<0.05)；T 32穗行数、行粒数和穗粒重在2处理间无差异，全磷处理穗重、百粒重、穗轴重和穗长分别较磷胁迫处理高26.59%(p<0.05)、32.94%(p<0.01)、112.13%(p<0.01)和23.42%(p<0.01)；S 37行粒数、穗重、穗粒重、秃尖长、穗轴重和穗长在2处理间无差异，磷胁迫处理百粒重较全磷处理低37.14%(p<0.01)，穗行数较磷胁迫处理低37.84%(p<0.01)；J 51除百粒重和秃尖长外，行粒数、穗行数、穗重、穗粒重和穗长均显著高于磷胁迫处理，分别高159.98%(p<0.01)、35.82%(p<0.01)、171.84%(p<0.01)、32.65%(p<0.01)和21.16%(p<0.01)；说明从穗部性状来看苏11具有较高的耐低磷特性，双M 9次之，J 51对磷胁迫较为敏感，且不耐低磷。

表4 自交系穗部性状

处理自交系穗长(cm)穗粗(cm)穗行数行粒数穗重(g)穗粒重(g)穗轴重(g)百粒重(g)秃尖(cm)-PT329.18CDef12.93Aab12.33Bb16.00BCDcd49.90BCc38.41BCc10.88BCbc22.62BCD-bc1.72CDEcdS378.27Df10.79Aab12.50Bb12.97CDEdef21.77Ef16.87DEe3.09De16.08Ed1.17DEFde双M912.05ABbc20.83Aa11.67Bb17.67BCbc35.67CD-Ede37.31Cc8.17BCDcd20.56BC-DEc2.40BCbc苏1112.47ABab12.80Aab15.57Aa18.07Bb60.90Bb48.96Bb12.08BCbc22.14BCD-bc2.91BbJ5111.53Bbcd10.75Aab12.20Bb10.77Ef30.47DEef18.32DEe11.37BCbc19.60DEcd4.13AaPT3211.33Bbcd20.70Aa12.83Bb17.50BCbc63.17Bb36.77Cc23.08Aa30.07Aa1.06EFdeS379.20CDef10.07Ab7.77Cc11.83DEef23.49Ef14.14Ee6.50CDde25.58ABCb0.38Fe双M910.93BCcd11.07Aab11.67Bb16.83BCbc36.06CD-Ede27.47CDd7.89BCDcd19.94CD-Ecd1.10EFde苏1110.47BCde11.63Aab12.67Bb14.33BCDEcde42.33CDcd34.17Ccd8.33BCDcd22.33BCD-bc2.28BCDbcJ5113.97Aa13.40Aab16.57Aa28.00Aa82.83Aa66.01Aa13.48Bb26.00ABab1.253DEFd

表5 田间主要农艺性状、穗部性状和酸性磷酸酶活性相关性分析

性状株高雄穗长雄穗分枝数穗位高茎粗叶面积穗长穗粗穗粒重穗轴重穗重秃尖长百粒重穗行数行粒数酶活性株高1.00雄穗长0.35 1.00 雄穗分枝数0.43 -0.531.00穗位高0.69 -0.43 0.87 1.00茎粗0.74 0.09 0.39 0.63 1.00叶面积0.62 -0.14 0.34 0.66 0.94 1.00穗长0.36 -0.12 0.35 0.44 0.89 0.85 1.00穗粗0.55 0.82 -0.34 -0.12 0.60 0.42 0.45 1.00穗粒重0.30 0.02 -0.27 0.17 0.60 0.77 0.51 0.44 1.00穗轴重0.57 -0.48 0.63 0.89 0.76 0.89 0.65 0.00 0.57 1.00穗重0.23 -0.34 -0.02 0.39 0.52 0.77 0.45 0.09 0.92 0.75 1.00秃尖长0.34 -0.48 0.86 0.75 0.65 0.59 0.75 -0.08 -0.01 0.69 0.14 1.00百粒重0.64 -0.46 0.90 0.99 0.68 0.70 0.56 -0.09 0.17 0.89 0.37 0.85 1.00穗行数-0.45 -0.64 -0.12 0.00 0.11 0.38 0.37 -0.29 0.59 0.39 0.72 0.15 0.06 1.00行粒数0.21 0.35 -0.57 -0.16 0.47 0.57 0.38 0.65 0.92 0.24 0.71 -0.28 -0.16 0.42 1.00酶活性0.59 -0.10 0.53 0.65 0.02 0.04 -0.35 -0.25 -0.17 0.35 0.02 0.07 0.52 -0.47 -0.34 1.00

注:︱r︱<0.4为低度相关，0.4≤︱r︱≤0.7为中度相关，︱r︱>0.7为高度相关。

2.4 田间主要农艺性状、穗部性状和APase活性相关性分析

相关性分析表明(表5)，APase活性与株高、雄穗分枝数、穗位高和百粒重呈中度正相关，相关性大小依次为穗位高、株高、雄穗分枝数、百粒重，说明APase活性的高低影响玉米田间主要农艺性状和穗部性状。株高与茎粗高度正相关(r=0.74)，与雄穗分枝数、穗位高、叶面积、穗粗、穗轴重和百粒重中度正相关，与穗行数中度负相关；雄穗长与穗粗高度正相关(r=0.82)，与雄穗分枝数、穗位高、穗轴重、秃尖长、百粒重和穗行数中度负相关；雄穗分枝数与穗位高、秃尖长、百粒重高度正相关，其中与百粒重的相关性最高(r=0.9)；穗位高与穗轴重、秃尖长、百粒重高度正相关，其中与百粒重的相关性最高(r=0.99)，与穗行数无相关性；茎粗与叶面积、穗长、穗轴重高度正相关，其中与叶面积相关性最高(r=0.94)；叶面积与穗长、穗粒重、穗轴重、穗重和百粒重高度正相关，其中与穗轴重的相关性最高(r=0.89)；穗长与秃尖长高度正相关；穗粗与行粒数中度正相关，与穗轴重无相关性；穗粒重与穗重、行粒数高度正相关(r=0.92)；穗轴重与穗重和百粒重高度正相关，其中与百粒重的相关性最高(r=0.89)；穗重与穗行数、行粒数高度正相关；秃尖长与百粒重高度正相关(r=0.85)；说明田间主要农艺性状、穗部性状和APase活性间均存在一定的相关性，相关性的高低可以作为筛选耐低磷自交系的依据。但玉米产量是各个性状间相互作用的综合结果，产量构成因素间很难同步增长，主要表现为前者是后者的基础，后者对前者有一定的补偿作用，磷胁迫影响植物器官APase分泌，从而影响植物磷营养和各个性状的发育，进而影响植物产量性状，因此APase活性与磷效率、材料间的关系较为复杂，有待于从生理生化、遗传、环境等方面做进一步深入研究。

3 讨论与结论

3.1 讨 论

3.1.1重视种质资源的遗传多样性

Silva等[18]对20个玉米自交系进行耐低磷胁迫筛选，发现4个耐低磷胁迫自交系；Kaeppler等[19]对28个玉米自交系的耐低磷筛选，筛选出表现极端差异的1个磷高效自交系；刘鸿雁等[20]对38份玉米自交系进行耐低磷筛选，发现4个自交系属于磷高效基因型；张静[21]在盆栽试验条件下,分3个生育时期在2个磷水平下,对4个玉米自交系磷效率及引起磷效率差异的形态、生理指标进行研究,发现1个磷高效基因型；张吉海等[22]在2个生态地区对76个玉米自交系进行苗期低磷胁迫筛选试验，最终选出5个自交系在2个试验点都表现出较好的耐低磷特性；宋占哲[23]从500余份自交系中以定义根冠比和最长根长的变化率为低磷响应系数,将其与产量相结合综合筛选出118个磷高效材料；Mohammed Shalim Uddin[24]利用室内水培法对550个玉米自交系(包括338份来自于2个RIL群体的材料，69份温带自交系和143份热带自交系)进行了耐低磷的表型鉴定，共筛选出30个耐低磷材料；张红伟[25]利用304份自交系比较不同生态型玉米耐低磷特性，结果发现在15份耐低磷自交系中，有4份温带和11份热带亚热带自交系；本研究从5份自交系(包括4份热带种质和1份地方种质)中筛选出2份耐低磷自交系均属于热带种质；说明供试材料遗传基础狭窄，被选率低，大多数研究所选材料没有代表性。因此，在今后耐低磷种质资源的筛选中应重视资源多样性，避免遗传单一。

3.1.2建立适宜的筛选体系和评价指标

国内外在玉米磷高效基因型的筛选上进行了大量研究，所采用的筛选方法与鉴定指标也不尽相同。Baker等[26]研究发现，苗期叶片含磷量可以对土壤磷素有效性进行评价； Nielsen等[27]对12个玉米自交系的磷吸收动力学特征的研究提出玉米磷高效基因型应具有较长的根系长度、较高的磷吸收速率(Imax)、较低的Km值和较低的初始浓度(Cmin)；Silva等[18]利用P-Al缓冲液建立长效胁迫体系，以地上部干物质产量为鉴定指标，对20个玉米自交系进行耐低磷胁迫筛选；Gaume[28]结合根系有机酸分泌能力的差异，发现根系中具有较高有机酸含量和较低的有机酸分泌是低磷敏感基因型的典型特征，而磷高效基因型则具备较高的有机酸含量的同时又具备较高的分泌量；龚江等[29]以植株相对磷浓度和相对产量对玉米磷吸收效率和利用效率进行玉米自交系耐低磷筛选；刘鸿雁等[20]提出玉米苗期耐低磷筛选的指标是生物产量，而磷浓度、磷吸收效率和磷利用效率难以作为磷高效基因型筛选的指标；张丽梅等[30]提出干物质重和缺素症状耐低磷指数的加权平均值可作为苗期耐低磷筛选指标；张吉海等[22]在2个生态地区对76个玉米自交系进行苗期低磷胁迫筛选试验，发现相对生物产量、相对株高、相对茎粗以及叶片缺素指数可作为耐低磷基因型筛选和评价的指标；张吉海等[31]对2个生态地区76份自交系的耐低磷能力进行鉴定，发现籽粒产量、株高、茎粗可作为玉米耐低磷基因型筛选和评价的指标。综上，从生育期来看，研究较多的是苗期或成熟期，没有关于玉米全生育期方面的探讨；从重复性方面来看，多为一年一生态区或一年两生态区，导致筛选结果不可靠，可重复性差；就评价指标而言，没有筛选标准，指标多样化，导致筛选结果不尽一致。因此，有必要综合考虑遗传、性状、环境等方面的因素，建立适宜的耐低磷玉米自交系筛选体系和评价指标，保证筛选结果的准确性。

3.2 结 论

磷胁迫下，5份玉米自交系APase活性均高于全磷处理，田间主要农艺性状、穗部性状和APase活性间存在一定相关性，且在不同处理间差异显著。综合来看，筛选出双M 9和苏11两个耐低磷玉米自交系，可作为玉米磷高效育种的种质资源。