非生物胁迫对不同玉米杂交种苗期生长的影响

2020-02-14艾丽曼阿布来孜赵海菊塔伊尔买买提江阿拉依哈那提王长海兰海燕

新疆农业科学 2020年1期

艾丽曼·阿布来孜，赵海菊，塔伊尔·买买提江，阿拉依·哈那提，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.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】玉米(ZeamaysL.)作为我国第一大农作物已被广泛用于食品、工业及新能源开发等各个领域[1]。随着全球气候的变化，各种非生物胁迫 (干旱、盐渍、低温等) 已成为限制玉米产量的主要因素[2]。研究显示，干旱降低玉米产量25%～30%，严重年份导致绝收[3]。不同玉米品种对胁迫的应答和适应能力有显著差异。分析不同杂交种对各种非生物胁迫的适应能力，在合适地域栽培不同的品种对提高玉米产量具有重要意义。【前人研究进展】玉米原产于热带地区，植株高大，叶片发达，因此，需水量较多。围绕旱胁迫对玉米形态和生理生化的影响已展开了研究[6,7]。而盐胁迫成为玉米生长和产量的主要限制因素，研究表明，盐胁迫导致植物细胞水势过低、叶片失水、气孔导度下降，致使多种代谢失调、光合速率受阻、特定酶活性降低等[8]。由于盐胁迫是一个持续的并且不断恶化的影响，因此，选育抗盐性强，高产稳产的玉米新品种就显得尤为重要和迫切。玉米是喜温而耐寒性较差的作物，全生育期要求较高的温度，而且其耐冷性在不同种质间，同一种质的不同生长阶段表现出明显的差异。低温引起幼苗萎蔫，甚至死亡，导致巨大的产量损失[9,10]。而北方春玉米区时常发生的早春低温冷害是玉米生产上主要的气象灾害之一，给玉米生产带来严重影响[11]。苗期抗逆性是玉米育种的重要性状[12]。【本研究切入点】前人对玉米抗逆性已进行了研究，然而更多的是玉米自交系之间的抗逆性差异研究[4,5]，对杂交种抗逆性差异研究还相对较少。玉米还是喜光作物，前人从光对玉米的生长发育、形态建成、光合生理、产量等方面进行了研究，但大部分是弱光胁迫，对强光的影响研究还相对较少[12]。研究以种植在不同地区 (新疆、东北、山西南部) 的3个玉米杂交种为材料，通过分析幼苗在不同胁迫条件下的表型变化趋势，比较幼苗抗逆性并比较不同杂交种间的区别。【拟解决的关键问题】分析玉米杂交种在不同胁迫条件下的株高、茎粗、叶面积、相对含水量的变化，研究干旱、盐、低温、强光等4种非生物胁迫对玉米幼苗形态的影响，比较不同杂交种的苗期抗逆性，为玉米生产提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

新玉47、九玉J03、九圣禾2468 3个杂交种由九圣禾种业股份有限公司提供。表1

表1 供试玉米杂交种特征
Table 1 Characteristics of tested maize varieties

品种名称Name株高Height (cm)穗长Ear length (cm)籽粒形状Seed shape籽粒颜色Seed color千粒重Thousand seed weight (g)生育期Growthperiod (d)审定地域Adaptive region新玉47号Xinyu 47 29024半马齿型金黄色335125～127新疆九玉J03Jiuyu J0331720～22半马齿形黄色410127～129东北九圣禾2468Jiusheng he246826617半马齿形黄色307103～105山西南部

1.2 方法

1.2.1 玉米幼苗培养及胁迫处理

选取大小一致且成熟饱满的玉米种子播种于育苗钵里，置于16 h光照/8 h黑暗、100～110 μmol/(m2·s)光强、24～28℃、10%～20%相对湿度下进行培养。于两叶一心期筛选长势一致的幼苗进行以下处理：

干旱处理：对照植株正常浇1/2 Hoagland营养液，旱处理植株用1/2 Hoagland营养液配制的不同浓度的PEG 6000溶液 (10%、20%、30%)进行浇灌。

盐处理：对照植株正常浇1/2 Hoagland营养液，盐处理植株用1/2 Hoagland营养液配制的不同浓度的NaCl溶液 (100、200、250、300、400、500 mmol/L)进行浇灌。

低温处理：幼苗分别放置于25℃ (对照)或4℃ (处理)下培养5 d，浇1/2 Hoagland营养液。

光照处理：幼苗分别放置于正常光 (100～110 μmol/(m2·s) )或强光 (180～190 μmol/(m2·s))下培养7 d，浇1/2 Hoagland营养液。

上述各处理每隔3 d浇灌，每次充分浇透后倒去多余的液体，确保花盆底部不积水，每天观察各处理的生长差异。

1.2.2 植株性状测量

将处理7 d后的玉米幼苗取出，分别测量其株高、茎粗、叶宽、叶长；

株高 (cm)：用直尺测量植株从土壤表面到最高生长点的长度；

茎粗 (mm)：用游标卡尺测量植株从土壤上面2～3 cm部分的茎秆粗细；

叶宽 (mm)：用直尺测量植株最宽叶的宽度；

叶长 (cm)：用直尺测量植株最长叶的长度；

叶面积 (cm2)=叶长×叶宽×0.75[6]。

1.2.3 鲜重、干重及相对含水量的测定

鲜重、干重 (g)：取植株地上部分，称其鲜重，然后在105℃下杀青15 min，转入80℃烘箱烘至恒重，称其重量；

植株相对含水量 (%)=(鲜重-干重)/鲜重×100%。

1.3 数据处理

采用Excel 2003对数据进行处理，Prism 5、SPSS 19.0软件处理试验数据并做统计分析：处理间显著性差异用单因素方差分析，品种间显著性差异及相互作用用双因素方差分析法及Duncan多重比较检验法。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同杂交种幼苗生长的影响

2.1.1 幼苗形态

研究表明，在旱胁迫下，3个品种的幼苗生长都受到了不同程度的抑制，随着PEG浓度的增加其株高降低、茎粗变细、叶面积变小。3个品种各测量指标与PEG浓度呈负相关。10% PEG胁迫对新玉47号，九玉J03的幼苗株高影响不大，但是九圣禾2468的幼苗株高比对照株高减少了18.5%；在20% PEG胁迫下3种杂交种幼苗的株高比各自的对照减少的幅度差异不大；30% PEG胁迫使新玉47号，九玉J03和九圣禾2468的株高分别比各自的对照减少了39.6%、44.2%、29.3%。由双因素方差分析得出，PEG浓度对幼苗株高影响极显著 (P<0.001)，而不同杂交种之间差异不显著。10% PEG胁迫对新玉47号、九玉J03幼苗的茎粗影响不大；在20% PEG胁迫下新玉47号、九玉J03的茎粗分别比各自的对照减少了23.4%、26.2%；当PEG浓度达到30%时新玉47号、九玉J03的茎粗分别比各自的对照减少了39.5%、47.2%；九圣禾2468的10%、20%、30%胁迫处理组幼苗茎粗都比对照茎粗减少了25%左右。PEG浓度对幼苗茎粗有显著影响 (P<0.01)，而不同杂交种之间差异不显著。10% PEG胁迫对新玉47号、九玉J03幼苗的叶面积影响不大，但是九圣禾2468的叶面积比对照减少了24.1%；在20% PEG胁迫下新玉47号、九玉J03和九圣禾2468的叶面积分别比对照减少了34.2%、35.2%、31.9%；当PEG浓度达到30%时新玉47号、九玉J03和九圣禾2468的叶面积分别比各自的对照减少了51.1%、62.5%、38.2%。PEG浓度对幼苗叶面积有极显著影响 (P<0.001)，而不同杂交种之间差异不显著。表2，图1

2.1.2 相对含水量

研究表明,旱胁迫导致幼苗的相对含水量呈现先升高后下降趋势。30% PEG处理下九圣禾2468的含水量下降幅度大，比对照减少了24.7%，新玉47号和九玉J03的表现优于九圣禾2468。PEG浓度对幼苗相对含水量有极显著影响 (P<0.001)，不同杂交种之间也差异极显著 (P<0.001) 。表2，图1

注：(A) 株高; (B) 茎粗; (C) 叶面积; (D) 相对含水量

Note:(A) Plant height; (B) Stem thickness; (C) Leaf area; (D) Relative water content

图1 PEG胁迫下幼苗形态和相对含水量变化.
Fig. 1 Effects of PEG stress on seedling morphology and relative water content

旱胁迫后，幼苗形态指标发生了明显变化。各处理幼苗形态指标中叶面积受伤害最严重，而相对含水量受到的影响最小，3个玉米品种耐旱性强弱顺序为九圣禾2468>新玉47号>九玉J03。图2

注：PEG 浓度 (%): 0、10、20、30 (从左到右左)

Note: PEG concentration (%): 0，10，20，30 (From left to right)

图2 PEG胁迫处理下不同玉米杂交种幼苗形态变化
Fig. 2 Seedling morphology of different maize varieties under PEG stress

表2 不同处理浓度和不同玉米杂交种幼苗生长双因素方差
Table 2 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under PEG treatment

差异来源Source of difference株高 Plant height (cm)茎粗 Stem diameter (mm)叶面积Leaf area (cm2)相对含水量Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFPPEG浓度PEG Concentration3713.6728.48<0.0012.875.65<0.01742.8821.08<0.0010.0436.52<0.001玉米品种Maize Variation20.76 0.03 0.9700.630.120.885 39.601.120.3370.0217.80<0.001交互作用Interactian effect6 47.03 1.88 0.1130.771.510.205 43.36 1.230.3150.0214.51<0.001

2.2 NaCl胁迫对不同杂交种幼苗生长的影响

2.2.1 形态观察

在盐胁迫下，3个品种的幼苗生长均受到不同程度的抑制，随盐浓度的增加其株高降低、茎秆变细、叶面积变小，3个品种各测量指标与NaCl浓度呈负相关。在100 mmol/L NaCl胁迫下，新玉47号和九玉J03的株高下降幅度都很小，但是九圣禾2468比对照减少了41.7%。由双因素方差分析得出，NaCl浓度对幼苗株高有极显著影响 (P<0.001)，不同杂交种之间差异也极显著 (P<0.01) 。在大于100 mmol/L NaCl胁迫下3种玉米幼苗茎粗的下降趋势和幅度差异不大，都比对照减少了30%左右；新玉47号的茎粗受NaCl胁迫的影响比其余2个品种大，其茎粗在300、400、500 mmol/L NaCl胁迫下比对照分别减少了35.3%、50.4%、60%。由双因素方差分析得出，NaCl浓度对幼苗茎粗有极显著影响 (P<0.001)，不同杂交种之间差异也极显著 (P<0.001) 。在200～500 mmol/L NaCl胁迫下新玉47号的叶面积下降幅度增大，均比对照减少了40%左右；九玉J03叶面积在200～300 mmol/L NaCl下比对照减少了45%左右，400～500 mmol/L下减少了60%左右；在200～500 mmol/L NaCl胁迫下九圣禾2468的叶面积比对照减少了50.5%。NaCl浓度对幼苗叶面积有极显著影响 (P<0.001)，不同杂交种之间差异显著 (0.01

2.2.2 相对含水量

盐胁迫对3种玉米的生长都产生了不同程度的抑制，使幼苗的相对含水量下降。含水量在400、500 mmol/L NaCl胁迫下比对照分别减少了22.8%和38.8%。即随着盐处理时间延长和盐处理浓度增大，3种玉米幼苗的相对含水量逐渐降低，但新玉47号的下降幅度比九玉J03和九圣禾2468大。图3

盐胁迫后，幼苗形态指标发生了明显变化。其中茎秆受伤害最严重，而相对含水量受影响最小。不同品种茎粗和相对含水量受影响的差异较大。盐胁迫的调节适应能力九玉J03最强，九圣禾2468次之，而新玉47号较为敏感。图4

注：(A) 株高; (B) 茎粗; (C) 叶面积; (D) 相对含水量

Note: (A) Plant height; (B) Stem thickness; (C) Leaf area; (D) Relative water content

图3 NaCl胁迫下幼苗形态和相对含水量变化
Fig. 3 Effects of NaCl stress on seedling morphology and relative water content

注：从左到右为0、100、200、250、300、400、500 mmol/L

Note:Left to right 0，100，200，250，300，400，500 mmol/L

图4 NaCl胁迫处理下不同玉米杂交种的幼苗形态变化
Fig. 4 Seedling morphology of different maize varieties under NaCl stress

表3 不同NaCl浓度和不同玉米杂交种幼苗生长双因素方差
Table 3 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under NaCl treatment

差异来源Source of difference株高 Plant height (cm)茎粗 Stem diameter (mm)叶面积 Leaf area (cm2)相对含水量 Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFPNaCl浓度NaCl concentration6606.8469.32<0.0012.5614.46<0.001600.3438.97<0.0010.0674.04<0.001玉米品种Maize variation 2 63.38 7.24<0.012.4313.71<0.001 67.21 4.36<0.050.2026.52<0.001交互作用Interaction effect12 50.01 5.71<0.0010.45 2.55<0.01 45.23 2.94<0.010.0113.67<0.001

2.3 低温胁迫对不同杂交种幼苗生长的影响

2.3.1 形态观察

在低温胁迫下，3个品种的幼苗生长均受到不同程度的抑制，其株高降低、茎粗变细、叶面积变小、植株易倒伏。经4℃处理后新玉47号、九玉J03、九圣禾2468的株高比对照分别减少了26.1%、30%、45.4%。由双因素方差分析得出，低温对幼苗株高有极显著影响 (P<0.001)，而不同杂交种之间差异不显著。茎粗分别减少了48.2%、44%、25.2%。低温对幼苗茎粗无显著影响，且杂交种之间差异不显著。叶面积分别减少了41.1%、38.6%、53.1%。由双因素方差分析得出，低温对幼苗叶面积有显著影响 (P<0.01)，并且不同杂交种之间差异不显著。表4，图5

2.3.2 相对含水量

低温胁迫导致幼苗的相对含水量下降，3种杂交种幼苗相对含水量下降趋势及幅度相似。由双因素方差分析得出，低温对幼苗相对含水量有极显著影响 (P<0.001)，且不同杂交种之间差异不显著。表4，图5

注：(A) 株高; (B) 茎粗; (C) 叶面积; (D) 相对含水量

Note:(A) Plant height; (B) Stem diameter; (C) Leaf area; (D) Relative water content

图5 低温胁迫下幼苗形态和相对含水量变化
Fig. 5 Effects of low temperature on seedling morphology and relative water content

表4 不同温度和不同玉米杂交种幼苗生长双因素方差
Table 4 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under various temperatures

差异来源Source of difference株高 Plant height (cm)茎粗 Stem diameter (mm)叶面积 Leaf area (cm2)相对含水量 Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFP温度Temperature 11 435.02159.79<0.0013.871.420.053977.8412.58<0.010.0561.90<0.001玉米品种Maize variation 239.044.330.3002.820.840.0690.520.010.9930.00 3.020.076交互作用 Interaction effect2 47.675.310.1601.423.970.234 95.931.230.3150.00 0.740.492

低温胁迫后，幼苗形态指标发生了明显变化。其中叶面积受伤害最为严重，而相对含水量受到的影响最小，不同品种受到影响的差异也较小。综合各项指标初步判断九玉J03耐低温能力最强，新玉47号次之，九圣禾2468最弱。图6

注：25℃ (左)；4℃ (右)

Note: 25℃ (left); 4℃ (right)

图6 不同温度处理下不同玉米品种幼苗形态变化
Fig. 6 Seedling morphology of different maize varieties under different temperature

2.4 强光胁迫对不同玉米杂交种幼苗生长影响

2.4.1 形态观察

从外部形态看，处理组比对照茎秆更粗壮、茎秆和叶脉呈紫红色、不易倒伏、生长受抑制程度也较低。经强光胁迫后新玉47号、九玉J03、九圣禾2468的株高比对照分别减少了13.5%、18.5%、6.1%。强光对幼苗株高没有显著影响，并且不同杂交种之间差异也不显著。茎粗分别增加了17.8%、17.6%、55.2%，由双因素方差分析得出，强光对幼苗茎粗有极显著影响 (P<0.001)，而不同杂交种之间差异不显著。新玉47号、九玉J03叶面积分别减少了18.3%、27%；九圣禾2468叶面积增大了12.4%，强光对幼苗叶面积没有显著影响，并且不同杂交种之间差异不显著。表5，图7

2.4.2 相对含水量

强光胁迫后幼苗的相对含水量有增大趋势，但没有显著差异。光强度对3种玉米幼苗相对含水量有提升效果。表5，图7

注：(A) 株高; (B) 茎粗; (C) 叶面积; (D) 相对含水量

Note:(A) Plant height; (B) Stem thickness; (C) Leaf area; (D) Relative water content

图7 强光下幼苗形态和相对含水量变化
Fig. 7 Effects of higher illumination on seedling morphology and relative water content

注：正常光 (左)；强光(右)

Note: Normal illumination (left); Higher illumination (right)

图8 不同光强处理下不同玉米杂交种幼苗形态变化
Fig. 8 Seedling morphology of different maize varieties under light stress

强光胁迫后，幼苗形态指标发生了明显变化，而不同品种间差异较小。九圣禾2468和新玉47号强光胁迫响应较小，而九玉J03则对强光胁迫较为敏感。图8

表5 不同光强处理和不同玉米杂交种幼苗生长双因素方差
Table 5 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under different light intensities

差异来源Source of difference株高 Plant height (cm)茎粗Stem diameter (mm)叶面积 Leaf area (cm2)相对含水量Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFP光强Light intensity 1 25.630.260.61420.7817.15<0.0012.180.0170.8970.082.640.122玉米品种Maize variation2195.802.020.162 1.38 1.140.341200.681.600.2300.210.710.507交互作用 Interaction effect2 45.220.470.635 2.70 2.230.13763.570.510.6120.061.930.174

3 讨论

干旱、高盐、低温等是影响植物生长和产量的最重要的非生物胁迫因素[13]。试验通过PEG 6000模拟干旱胁迫比较3种玉米杂交种发现九圣禾2468耐旱能力较强； NaCl胁迫发现九玉J03耐盐能力较强； 4℃胁迫发现九玉J03耐低温能力较强；幼苗对强光胁迫的适应方面九圣禾2468较强，研究结果表明，不同来源的玉米杂交种具有不同的抗逆特性。

干旱胁迫对玉米的影响最终体现在植株生长方面[14,15]。在干旱条件下，玉米能够通过降低生长速率和叶片衰老等途径减少叶面积，尤其是在重度干旱下，生物量积累显著降低，导致玉米生长受到显著抑制[16,17]。结果显示，九圣禾2468的株高、茎粗、叶面积降低幅度比其他2个品种小，表明其耐旱性较强。张仁和等[18]对郑单958和陕单902材料开展的试验结果也表明，干旱胁迫造成叶面积等指标下降。

玉米是盐敏感作物[19,20]，近年来在盐胁迫对玉米生长、生理响应等方面的影响开展了广泛研究[21]。试验对3个不同地区的玉米杂交种的盐胁迫结果显示，不同品种的幼苗株高、茎粗、叶面积、相对含水量均随盐浓度的升高而降低，结果跟秦雪峰等[22]以郑单958(甘)、郑单958(东)、东单14材料得到的结果，以及祭秀亭等[23]以郑单958、农大108材料得到的结果类似，但是上述研究比较侧重于幼苗生理指标的变化，研究侧重于形态指标的变化。

研究中，3种玉米杂交种幼苗在低温胁迫下的生长受到严重抑制。玉米苗期冷害程度主要取决于低温及处理时间的长短[24]。玉米耐寒性在不同时期受不同的基因控制，随着植株的生长发育，耐寒性会有所变化[25]。试验仅对玉米杂交种的苗期进行了鉴定，只代表杂交种在这个时期的耐低温的特性。

光照强度会影响玉米正常的生长发育和形态建成[26,27]，玉米对弱光的响应前人已有了大量的研究[28]，但不同基因型的玉米对强光处理的响应差异则报道较少。对所研究的3种玉米杂交种进行强光胁迫并发现其能作出不同的响应。证实了强光对玉米生长发育的影响存在基因型差异。

各种非生物胁迫成为限制玉米产量的因素[3,28]，苗期抗逆性不能完全代表品种的抗逆水平，要全面了解不同品种抗逆性，还需要对成株期，即开花授粉期和灌浆期进行全面分析，对玉米品种抗逆性得出合理的评价。对粮食作物生产而言，其抗逆性的大小主要体现在产量方面[30,31]。有必要进一步以产量为鉴定指标，对3个玉米品种进行全生育期的抗逆性鉴定。