玉米自交系JH089种子萌发及幼苗生长的抗逆性

赵海菊，艾丽曼·阿布来孜，塔伊尔·买买提江，梁晓玲，王长海，兰海燕

(1.新疆大学生命科学与技术学院/新疆生物资源基因工程重点实验室，乌鲁木齐 830046；2.新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091；3.北京九圣禾农业科学研究院有限公司，北京 100081)

0 引 言

【研究意义】植物在生长发育过程中会受到各种不利因素的影响，其中干旱、盐和低温胁迫是限制植物生长及影响农作物产量的主要因素[1]。玉米是重要的粮食作物，其产量占到世界粮食总产量的40%[2]。近年来，我国玉米播种面积和产量持续增长，成为我国重要的粮食、饲料及工业原料作物[3-4]。但是我国约2/3的玉米种植在干旱半干旱地区[5]，玉米对盐旱胁迫较敏感[6]，开展对玉米抗逆性的研究，对玉米栽培及培育抗逆品种具有重要意义。【前人研究进展】目前，对玉米杂交种及自交系的抗旱耐盐性已有研究，发芽势、活力指数、胚根胚芽长度及质量等可作为抗逆性鉴定指标[7-9]，玉米杂交种的抗性主要来源于亲本自交系，不同自交系的抗性有显著差异[10-12]。种子萌发和幼苗阶段是植物生活周期中两个最重要的时期，决定着种群的繁衍[13-14]。【本研究切入点】种子在萌动期抗旱性最高，出土成苗期最差[15-16]，而玉米出土成苗阶段又关联着随后的苗全、苗长势，并影响单株及总产量。玉米自交系JH089属于NSS类群、中熟、脱水快、出籽率高、抗倒伏、制种产量高，其一般配合力较高。研究玉米自交系JH089种子萌发及幼苗生长的抗逆性。【拟解决的关键问题】研究自交系JH089在不同胁迫下的种子萌发特性及幼苗生长情况，分析其对各种胁迫的耐受性，为选育抗逆杂交种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

玉米自交系JH089种子为九圣禾种业股份有限公司提供。

1.2 方 法

1.2.1 种子萌发

选取饱满且大小一致的种子，用75%乙醇浸泡灭菌5～10 min，再用蒸馏水冲洗3～4次，置滤纸上吸水晾干备用。蒸馏水配制NaCl溶液，处理浓度分别为0、100、200、250、300、400、500 mmol/L；PEG 6000溶液处理浓度为10%、20%、30%。含有3层滤纸的培养皿灭菌后，每皿加入30 mL NaCl和PEG溶液(滤纸饱和且溶液浸没种子厚度的1/5)，对照加蒸馏水，每处理3次重复，每重复30粒种子，胚朝下均匀摆放在培养皿中，置于12 h光照/12 h黑暗、25～28℃、相对湿度40%～50%、光照强度100 μmol/(m2·s)的人工气候箱(RXZ-500D-LED，浙江宁波江南仪器厂)中进行萌发实验。培养期间每隔24 h记录1次发芽种子数，参照GB/T 3543.4农作物种子检验规程，以胚根突破种皮长度达2 mm 为发芽标准。相关指标按照以下公式计算：种子萌发率=Gi/Gn×100%，其中，Gi为第7 d发芽种子数，Gn为供试种子数；种子发芽势=Ga/Gn×100%，其中，Ga为第5 d发芽种子数，Gn为供试种子数；发芽指数(GI)=∑Gt/Dt，活力指数(VI)=∑(Gt/Dt) ×S=GI×S，其中，Gt为不同时间的发芽数，Dt为相应的发芽天数，S为平均胚芽质量；种子萌发抗旱或耐盐指数=水分胁迫下种子萌发指数(PIS)/对照种子萌发指数(PIC)，其中，PI=1nd2+0.75nd4+0.5nd6+0.25nd8(式中nd2、nd4、nd6、nd8分别为第2、4、6、8 d的种子萌发率)[17-22]。

1.2.2 幼苗培养及处理

选取完整饱满种子播于含有营养土∶蛭石=2∶1(V∶V，混合均匀)的黑色塑料营养钵中 (长∶宽∶高 = 7 cm ∶7 cm ∶ 7.5 cm)，于28℃，10%～20%相对湿度，16 h 光照/8 h 黑暗条件下生长，幼苗长到2叶时，选取生长良好一致的幼苗进行胁迫处理。用1/2 Hoagland营养液配制 NaCl溶液，处理浓度分别为0、100、200、250、300、400、500 mmol/L，PEG 6000溶液处理浓度分别为10%、20%、30%。每隔2～3 d 浇灌相应浓度的溶液，对照植株浇1/2 Hoagland营养液。每次补浇处理液的体积和浸润时间保持一致，并确保将土壤中的液体全部置换掉。另选取生长良好一致的幼苗在光照培养箱中进行4℃低温处理，处理时间为3.5和5.5 d，处理后放置于正常条件下恢复生长至第8 d。

1.2.3 苗期指标测定

分别于各种胁迫处理后0、2、4、6、8 d拍照，并于第8 d用直尺或卡尺测定各处理的株高、茎粗、最大叶长度及宽度；用分析天平测定幼苗地上部鲜重，于恒温箱中105℃杀青15 min，转入80 ℃ 恒温箱中烘干至恒重，称重，即为干重。

1.3 数据处理

采用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，Duncan法进行显著性检验(P<0.05)。采用Graphpad Prism Version 7进行软件作图。

2 结果与分析

2.1 NaCl和PEG对玉米自交系JH089种子萌发的影响

2.1.1 NaCl对种子萌发的影响

研究表明,随着盐浓度的升高，各项指标均呈下降趋势，虽然萌发率及发芽势在300 mmol/L NaCl或较低浓度处理时没有显著差异，发芽率与发芽势均达到90%，但是发芽指数及活力指数均与对照有显著差异，特别是活力指数在100 或200 mmol/L处理时比对照分别降低了35%或91%。耐盐指数在200至300 mmol/L NaCl 处理之间没有差异，但是与对照相比下降了约0.4。100 mmol/L NaCl处理与对照相比，几乎在同一时间达到最大萌发率，随浓度增加，种子萌发时间增长。100 mmol/L处理的幼苗主根长比对照降低约63%，胚芽高降低了约33%。在形态上，200 mmol/L NaCl处理时的植株胚根与侧根均变粗短，随浓度增加胚根更短，基本无侧根，第7 d时胚根开始褐化，虽有胚芽伸长，但显著短于对照，500 mmol/L NaCl处理时第7 d仅有数量较少的种子胚芽开始突破种皮露白。图1,表1

图1 不同浓度NaCl或PEG处理下玉米自交系JH089种子萌发变化
Fig. 1 Effect of NaCl or PEG on seed germination of maize inbred JH089

表1 不同浓度NaCl处理下玉米自交系JH089种子萌发特性变化
Table 1 Effect of NaCl on seed germination of maize inbred JH089

NaCl浓度NaCl con. (mmol/L)发芽势Ger. pot.(%)发芽指数Ger. index活力指数Vigor index耐盐指数Salt tol. index主根长Rootlen. (cm)胚芽长Bud len. (cm)根鲜重Root fre.wt (g)胚芽鲜重 Bud fre. wt (g)097.78 a49.61 a128.57 aN. A.14.65 a8.22 a2.5 a2.59 a10088.89 a43.03 b82.98 b0.85 a5.35 b5.47 b0.96 b1.93 b20091.11 a33.68 c36.68 c0.60 b1.74 c3.87 c0.47 c1.09 c25093.33 a33.24 c26.98 c0.59 b0.82 d2.96 d0.12 d0.81 d30095.56 a28.78 d14.56 d0.59 b0.59 d1.83 e0.08 d0.51 e40057.78 b16.62 eN. A.0.35 cN. A.N. A.N. A.N. A.5001.11 c2.33 fN. A.0.036 dN. A.N. A.N. A.N. A.

注：-: 未获得数据; con.: 浓度; Ger.: 萌发; pot.: 潜在; tol.: 耐受; len.: 长度; fre.: 新鲜; wt.: 重量

Note: -: not available; con.: concentration; Ger.: germination; pot.: potential; tol.: tolerance; len.: length; fre.: fresh; wt.: weight

2.1.2 PEG对种子萌发的影响

研究表明,随着PEG浓度的升高，各项指标均呈现下降趋势。与对照相比，萌发率、发芽势及发芽指数在10% PEG浓度处理时与对照没有显著差异，但是活力指数及抗旱指数明显下降，特别是活力指数比对照下降了约46%；主根或胚芽长分别下降了33%，或32%，差异显著。20% PEG处理时植株萌发率较对照降低26%，差异显著；抗旱指数下降了0.6。10% PEG处理与对照几乎同一时间达到最大萌发率。在形态上，10% PEG处理比对照生长缓慢，但是生长状态正常，侧根数多于对照。20% PEG处理的种子胚芽未萌发，只有细长的胚根，侧根数少；30% PEG处理的种子未萌动。图1，表2

表2 不同浓度PEG处理下玉米自交系JH089种子萌发特性变化
Table 2 Effect of PEG on seed germination of maize inbred JH089

PEG含量PEG (%)发芽势Ger. pot. (%)发芽指数Ger. index活力指数Vigor index抗旱指数Dro. resis. index主根长Root len. (cm)胚芽长Bud len. (cm)根鲜重Root fre.F .wt (g)胚芽鲜重 Bud fre. wt (g)097.78 a49.61 a128.57 aN. A.14.65 a8.22 a2.5 a2.59 a1092.22 a44.92 a68.52 b0.899.75 b5.61 b1.6 b1.53 b2065.56 b19.33 bN. A.0.403.47 cN. A.0.26 c0.04 c30N. A.N. A.N. A.N. A.N. A.N. A.N. A.N. A.

注：-: 未获得数据; con.: 浓度; Ger.: 萌发; pot.: 潜在; dro: 干旱; resis.: 耐受; len.: 长度; fre.: 新鲜; wt.: 重量

Note: -: not available; con.: concentration; Ger.: germination; pot.: potential; dro: drought; resis.: resistance; len.: length; fre.: fresh; wt.: weight

研究表明,盐或旱处理延长种子萌发时间，处理浓度越高出苗越慢，植株高度也随之显著降低。300 mmol/L 及更高浓度处理时第8 d基本不能出苗。PEG处理20%时出苗明显降低，30%时基本不能出苗。 图2，图3

注：(A) 侧面图；(B) 正面图。从左至右处理浓度分别为0、100、200、250、300、400、500 mmol/L

Note:(A) Lateral view, (B) Front view. NaCl concentration from left to right (mmol/L): 0, 100, 200, 250, 300, 400, 500

图2 不同浓度NaCl处理下玉米自交系JH089出苗变化
Fig. 2 Effect of NaCl on seedling emergence of maize inbred JH089

注：(A) 侧面观图；(B) 顶面观图。从左至右处理浓度分别为0、10%、20%、30%

Note:(A) Lateral view, (B) Front view. PEG concentration from left to right: 0, 10%, 20%, 30%

图3 PEG处理下玉米自交系JH089出苗变化
Fig. 3 Effect of PEG on seedling emergence of maize inbred JH089

图4 NaCl处理下玉米自交系JH089幼苗生长变化
Fig. 4 Effect of NaCl on seedling development of maize inbred JH089

2.2 不同浓度NaCl和PEG对玉米自交系JH089苗期生长的影响

2.2.1 NaCl对幼苗生长的影响

随着NaCl浓度的升高，植株高度和叶片长度均显著降低，100 mmol/L处理时株高比对照降低了约26%，叶片长度减少了33%，而200 比100 mmol/L NaCl处理株高或叶长分别降低了24%或20%；在400 mmol/L及更高浓度处理时植株基本停止生长。随着NaCl浓度的升高，茎粗出现先下降后升高再降低的趋势。中低浓度NaCl处理叶宽比对照显著下降，但相互之间无显著差异。随着NaCl浓度的升高，植株地上部鲜重及干重均显著下降，100 mmol/L处理时地上部鲜重比对照降低了44%。玉米自交系JH089 可耐受较低浓度(低于300 mmol/L)的盐处理。图4

2.2.2 PEG对幼苗生长的影响

不同浓度PEG处理时，植株高度和叶片长度均降低且趋势相似，与对照相比，10% PEG处理对植株高度及叶片长度没有显著影响，茎粗及叶片宽度显著降低。20% 与30% 比10% PEG处理植株高度分别降低了30%和60%，叶片长度分别降低了34%和64%。随着PEG浓度的增加，茎粗和叶宽显著降低。与对照相比，10%、20% 与30% PEG处理地上部鲜重分别降低了19%、51%及83%，差异显著。地上部干重在10%处理时与对照无显著差异，20%及30%处理时分别降低了27%和54%。玉米自交系JH089 可耐受低浓度 PEG处理。图5

图5 PEG处理下玉米自交系JH089幼苗生长变化
Fig. 5 Effect of PEG on seedling development of maize inbred JH089

盐或PEG处理前二叶期玉米幼苗长势一致。在盐处理2 d 时250 mmol/L及较低浓度处理幼苗与对照相比没有显著变化，300 mmol/L 及更高浓度处理则表现生长变慢趋势；处理4 d 时，200及250 mmol/L NaCl处理与对照相比生长变慢，300 mmol/L 时植株叶尖开始脱水干枯，高浓度处理时叶干枯现象加重；处理6 d时，500 mmol/L 的植株叶片基本处于脱水状态，处理期间没有新叶长出，且其他叶片没有再生长。图6，图7

注：(A) NaCl处理0 d； (B) PEG处理0 d

Note:(A) NaCl treatment 0 d, (B) PEG treatment 0 d

图6 NaCl或PEG处理前幼苗植株长势
Fig. 6 Plant phenotype of maize inbred JH089 before treatment

注：(A) 处理2 d； (B) 处理4 d；(C) 处理6 d； (D) 处理8 d。从左到右处理浓度分别为0、100、200、250、300、400、500 mmol/L

Note:(A) Treatment 2 d, (B) Treatment 4 d, (C) Treatment 6 d, (D) Treatment 8 d. Concentration from left to right (mmol/L): 0, 100, 200, 250, 300, 400, 500

图7 不同浓度NaCl处理下玉米自交系JH089幼苗生长变化
Fig. 7 Effect of NaCl on seedling development of maize inbred JH089

研究表明,在PEG处理2 d时，10%及20% 浓度与对照相比没有明显差异，30%浓度处理的植株则表现出生长缓慢的趋势。处理4 d 时，10% 浓度与对照相比仍没有明显差异，但20%浓度处理的植株则表现生长缓慢的趋势。处理第6 d时30%的植株表现脱水现象，叶尖开始枯萎发褐色。30% PEG 处理期间植株虽长出了一片新叶，但后期基本处于停止生长状态。图8

注：(A) 处理2 d； (B) 处理4 d；(C) 处理6 d； (D)处理8 d。从左到右处理浓度分别为0，10%，20%，30%

Note:(A) Treatment 2 d, (B) Treatment 4 d, (C) Treatment 6 d, (D) Treatment 8 d. Concentration from left to right: 0, 10%, 20%, 30%

图8 不同浓度PEG处理下玉米自交系JH089幼苗生长变化
Fig. 8 Effect of PEG on seedling development of maize inbred JH089

2.3 低温对玉米自交系JH089幼苗生长的影响

随着低温处理时间的延长，玉米自交系JH089幼苗生长受到显著抑制，而且受伤程度增大。与对照相比，低温处理3.5 d 时，株高(降51%)、叶长(降49%)、茎粗(降31%)、叶宽及鲜干重均显著降低。处理3.5 d后恢复正常条件时植株绝大部分可以保持生长，但低温处理5.5 d 后5株幼苗最后只存活了1株。图9

注：*表示数据无重复

Note:*indicated the data had no repeat

图9 4℃ 处理下玉米自交系JH089 幼苗生长变化
Fig. 9 Effect of 4℃ on seedling development of of maize inbred JH089

从幼苗长势来看，低温处理3.5 d 时心叶还保持活力，低温处理5.5 d 叶片基本已经全部发褐，接近死亡状态。JH089幼苗只能耐受短时间的低温胁迫。图10

注：从左至右低温处理时间为0，3.5，5.5 d

Note:Treatment time from left to right: 0 d, 3.5 d, 5.5 d

图10 4℃ 处理下玉米自交系JH089 幼苗生长变化
Fig. 10 Effect of low temperature on seedling development of of maize inbred JH089

3 讨 论

植物抗逆性由复杂的数量性状多基因控制，植物因其固定性无法移动而形成了复杂的内在调控网络适应各种逆境胁迫[17]。当受到胁迫时，植物会产生各种形态结构及生理生化变化来应对[18]。玉米是我国第一大作物，其对环境中的盐旱温度变化十分敏感[6,19]，从而对产量造成影响，培育抗逆品种是保证稳产高产的重要途径之一。通常农作物可以耐受一定程度的盐旱胁迫，超过阈值后植物的生长会随着胁迫程度的增加显著下降，研究表明，不同玉米自交系对胁迫的耐性不同[10-12,20-21]。研究通过不同浓度的盐、旱及低温处理玉米优良自交系JH089，发现JH089种子萌发及幼苗期可以耐受较低浓度的NaCl或PEG以及短时间的低温胁迫，而较高浓度或较长时间处理显著影响自交系的萌发及幼苗的生长。试验的研究结果对自交系JH089在生产中的繁育及抗逆丰产杂交育种将提供参考依据。

从吸涨到胚根出现的种子萌发是一个复杂的过程，是出苗的前提基础[22-23]。许多研究表明，不同基因型的玉米杂交种及自交系抗逆性不同，发芽率及出苗率存在广泛的变异[3, 19-24, 29]。用发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及抗旱指数等指标来鉴定玉米自交系及杂交种抗逆性得到了一致认可，其中，发芽势决定着种子萌发速度及出苗的整齐度[24-25, 27]。此外，生物量是植物对各种胁迫的综合表现，其在逆境下的生长情况可以最直接的反映植物的受害程度，各指标与抗旱耐盐性都是同方向增减关系[8-19,24-28]。研究中玉米自交系JH089随着盐旱胁迫的增加，发芽势、发芽指数、生物量等均显著下降，与前人研究趋势一致。与郭效龙等[30]研究结果相比，研究的玉米自交系JH089种子萌发能力与抗旱自交系郑58相似，属于抗旱性较强的类型。

盐旱胁迫主要是水分亏缺及氧化物积累造成的毒害[31]。盐对植物的胁迫主要表现为离子毒害、渗透胁迫、离子吸收不均衡等方面[32-33]。Na+过量积累会打破代谢平衡、抑制其他离子的吸收，从而导致植物生长缓慢甚至死亡[34]。幼苗是植物生长过程中的关键时期，对玉米自交系JH089幼苗研究发现，随着盐旱浓度的升高，株高、叶长、叶宽等均显著降低，与已报道玉米自交系研究结果一致[28, 30]。研究表明，低浓度的盐旱刺激可以提高部分植物的胁迫耐受性[35-36]。试验中玉米自交系JH089叶片比根更易受到盐旱胁迫的影响，在其他玉米品种中也观察到此现象[37]。

玉米属于喜温作物，早春低温是影响玉米产量的一大因素，特别是在东北主产区[20-21]。低温能使植物细胞膜结构发生改变、降低光合作用、打乱植物的新陈代谢、导致植物生长停滞甚至死亡[21, 38-39]。不同玉米品种幼苗对低温敏感度不同，但低温胁迫后均导致株高降低、叶片萎蔫、干物质积累减少等[40-42]，研究结果显示，4℃较长时间处理导致玉米自交系JH089生长减缓甚至停止，叶片受伤严重，显示玉米不耐低温的特性[20, 21-24]。

4 结 论

盐、旱或低温处理对玉米自交系JH089种子萌发或幼苗生长具有不同的效应。随NaCl浓度升高(0～500 mmol/L)，种子萌发率无显著降低(>80%)(P>0.05%)， 但当浓度大于400 mmol/L时，种子萌发率(<50%)及发芽势、发芽指数等各项指标均显著下降(P<0.05%)； PEG不同浓度(0～30%)处理下，低浓度(10%)种子萌发率与对照无显著差异(>80%)(P>0.05%)，当浓度达20%及以上时，种子萌发率及其他各项指标均显著下降，至30% 时种子不能萌发。在幼苗期，随NaCl 浓度的升高(0～500 mmol/L)，幼苗的株高、叶长及干鲜重均显著下降，特别是浓度高于250 mmol/L时，株高及鲜重下降达50%以上(P<0.05%)，当浓度大于400 mmol/L时植株生长缓慢，且随时间延长，叶片出现干枯现象。在PEG处理下(0～30%)，低浓度对幼苗株高、叶长及干重无显著影响，但随着PEG 浓度的升高，株高、叶长及干鲜重均显著降低(P<0.05%)。在低温处理下(4℃，0 d, 3.5 d, 5.5 d)，随时间延长，幼苗各生长指标显著降低，处理3.5 d后移至正常生长条件时，幼苗可以恢复生长；但处理达5.5 d时植株叶片全部褐化。