甜玉米自交系耐铝毒的初步筛选

林金利 程春园 谢沛丰

摘要：酸性土壤鋁毒是限制作物生产的主要因子之一，通过育种选育耐酸、耐铝的甜玉米（Zea mays L.）自交系是解决酸性土壤铝毒问题的有效途径之一，而确定耐酸铝的鉴定标准并筛选出耐性材料对耐铝毒育种有重要意义。试验采用营养液培养法，选取5个田间长势存在差异的甜玉米自交系对铝耐性进行鉴定，设0、0.1、0.2、0.3、0.4 mmol/L共5个Al3+浓度处理，分别于处理7、10、14 d后考察茎叶及根的鲜重和干重。结果表明，随处理浓度升高，甜玉米茎叶和根的生长均减慢，处理7和10 d的铝耐性鉴定结果相对一致，G107和G139表现为铝耐性最强，G118和G151对铝的耐性处于中间水平，G79对铝的耐受性最差。处理14 d后考察不同处理Al3+浓度下的过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性发现，3种酶的活性在较低浓度下都有上升，之后随胁迫浓度的增大，3种酶的活性又均有所下降。

关键词：甜玉米（Zea mays L.）;铝毒;POD;CAT;SOD

Abstract： Aluminum toxicity is one of the major factors limiting crop production in acidic soils. Sweet corn （Zea mays L.） inbred lines breeding for aluminum toxicity tolerance is an effective way to solve this problem. To determine the identification method of aluminum toxicity tolerance and screen sweet corn lines with aluminum toxicity tolerance is of importance for aluminum toxicity tolerant breeding. 5 sweet corn lines with different growth vigor were selected to identify the aluminum toxicity tolerance by nutrient solution culture. The concentrations of aluminum ions were 0， 0.1， 0.2， 0.3 and 0.4 mmol/L， respectively. The fresh weight and dry weight of stems and leaf and root were measured on the 7th，10th and 14th day after treated by aluminum toxicity. The results showed that the growth of stem， leaf and root of sweet corn slowed down with the increase of treatment concentration， and the results of aluminum resistance test on the 7th and 10th day of treatment were relatively consistent， in which， G107 and G139 showed the best tolerance to aluminum toxicity， G118 and G151 were in the middle level， and G79 showed the worst tolerance to aluminum toxicity. The activities of POD， CAT and SOD were detected at 14th day after treated by different concentration of aluminum ions， that the activity of three enzymes increased at low concentration， and then decreased with the increase of stress concentration.

Key words： sweet corn （Zea mays L.）; aluminum toxicity; POD; CAT; SOD

铝是地壳中含量最高、分布最广的金属元素，约占地壳外部8%的质量[1]。通常情况下，主要以硅酸盐和氧化物的形式存在，对植物的生长不会产生影响，而工业化的发展，酸雨和氨态氮肥的过度使用加速了土壤酸化，当pH小于5时，土壤中可溶性的Al3+迅速增加，对植物的生长产生毒害[2，3]。在中国南方分布有大面积的酸性土壤，约占全国耕地面积的21%。解决酸性土壤铝的毒害问题主要有2种途径，一种是通过施用石灰来改良土壤，但造价高，仅可中和土壤表层的酸，对于酸化底土的中和效果有限，且不利于农业的可持续发展;另一种是培育耐铝毒的作物品种，此法是最经济有效的途径。

甜玉米（Zea mays L.）是一种新型的果蔬食品，越来越受到人们的喜爱，其种植面积逐年上升。南方是中国甜玉米的主产区，广东省的种植面积已达14.85万hm2，约占全国种植面积的50%[4]。广东省的土壤类型以酸性红壤和砖红壤为主，由于工业化的影响，土壤酸化程度增加，铝毒对作物的危害加重。大量的研究表明，铝胁迫下植物根系生长发育不良，导致地上部分茎、叶的生长受阻，造成整个植株的生物量下降[5-7]。本试验以仲恺农业工程学院甜玉米课题组选育的5个甜玉米自交系为材料，设定5个浓度的Al3+处理，考察了甜玉米茎、叶和根生物量以及处理14 d后叶片过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）活性的变化，以期为相关育种工作提供借鉴。

1 材料与方法

1.1试验材料

试验材料为仲恺农业工程学院甜玉米课题组选育的田间长势差异明显的5份甜玉米自交系，编号分别为G139、G107、G79、G118、G151。

1.2 营养液培养

设0、0.1、0.2、0.3、0.4 mmol/L Al3+ 5个浓度处理，3次重复，采用长方形塑料盒自然光照培养。各处理除Al3+用量有差异外，其他营养元素用量一致。采用Magnavaca的玉米营养液配方进行水培鉴定，大量元素：Ca（NO3）2·4H2O 3.52 mmol/L，NH4NO3 1.30 mmol/L，KCl 0.58 mmol/L，K2SO4 0.58 mmol/L，KNO3 0.56 mmol/L，Mg（NO3）2·6H2O 0.86 mmol/L，Fe（NO3）3·9H2O 0.08 mmol/L，HEDTA 0.08 mmol/L，KH2PO4 0.05 mmol/L;微量元素：MnCl2·4H2O 9.11 μmol/L，H3BO3 25.41 μmol/L，ZnSO4·7H2O 2.36 μmol/L，CuSO4·5H2O 0.62 μmol/L，Na2MoO4·2H2O 0.83 μmol/L，pH调节至4.2。

1.3 试验方法

每个自交系种子经0.1% HgCl2表面灭菌15 min后，冲洗播于沙盘。出苗后切去胚乳，选择相对一致的幼苗移入1/2玉米营养液，3 d后改用全营养液，随后加入Al3+，按试验设计浓度进行添加。采用长方形塑料盒自然光照培养。每天通气10 min，隔1 d更换1次营养液，分别于处理后7、10、14 d随机取5株，测量茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重、根干重，重复3次。测定处理14 d时不同Al3+浓度下POD、CAT、SOD活性，酶活性的测定方法参照《植物生理生化实验原理和技术》[8]。

1.4 数据处理方法

采用Excel、SAS 8.0软件进行数据处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 铝处理7 d对甜玉米茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重的影响

由表1可知，铝胁迫处理7 d对甜玉米苗期的茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重有明显的影响，5个自交系茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重、根干重均表现为随浓度增加逐渐降低。不同材料间的铝毒耐性存在差异，G107各Al3+浓度处理的茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重与对照差异不显著，表现为耐铝毒;G151各Al3+浓度处理茎叶鲜重、根鲜重和根干重与对照差异不显著，但茎叶干重在0.4 mmol/L Al3+处理时与对照差异显著，表现较耐铝毒;G139和G79在各处理间根干重差异不显著，根鲜重表现为差异显著，茎叶鲜重和茎叶干重表现为差异显著或者极显著，在高浓度0.4 mmol/L Al3+处理时都与对照差异达显著或极显著水平，表现为铝毒耐性较差;G118处理间茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重差异均达显著或者极显著水平，其中茎叶鲜重、茎叶干重在0.4 mmol/L Al3+处理时与对照差异都达极显著水平，对铝毒耐性最差。

2.2 铝处理10 d对甜玉米茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重的影响

铝胁迫处理10 d对甜玉米苗期的茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重有明显的影响（表2）。不同自交系在Al3+处理10 d时4个性状的表现不同，材料间存在差异。除G107的根鲜重外，G107和G79在各Al3+处理浓度间4个性状差异不显著;G139和G151茎叶鲜重分别在0.1和0.2 mmol/L及以上浓度Al3+处理时显著低于对照，而茎叶干重、根鲜重和根干重各浓度处理间差异不显著;G118茎叶鲜重在0.3 mmol/L Al3+及以上浓度处理时极显著低于对照，根干重在0.4 mmol/L Al3+处理时显著低于对照。由此可知，處理10 d时G107和G79对Al3+表现较强的耐性，而G139和G151表现较不耐铝处理，而G118则表现为对铝毒敏感，与处理7 d结果基本一致，但与处理7 d相比能检测到的显著或极显著差异更少。

2.3 铝处理14 d对甜玉米茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重的影响

铝胁迫处理14 d对甜玉米苗期的茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重有明显的影响（表3）。5个自交系茎叶鲜重在处理间均表现出极显著差异，茎叶干重、根鲜重、根干重也表现为明显下降。材料G118根干重和根鲜重与对照差异不显著，而茎叶鲜重和茎叶干重分别在0.2 mmol/L及以上浓度和0.4 mmol/L Al3+处理时显著低于对照;G151根干重差异不显著，根鲜重在0.4 mmol/L Al3+处理时显著低于对照，而茎叶鲜重和茎叶干重分别在0.1 mmol/L和0.2 mmol/L及以上浓度Al3+处理时均极显著低于对照;G139的茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重在0.4 mmol/L Al3+处理时均显著或极显著低于对照。处理14 d 时，自交系间耐受性差异更大，且与处理7和10 d时的结果存在差异，可能是不同基因型甜玉米自交系对长时间铝毒和水培毒害的叠加影响，同时还发现茎叶鲜重和干重指标能检测出更多的显著性。

2.4 不同Al3+处理浓度与茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重的相关分析

对不同处理时间下Al3+处理浓度与茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重的相关性进行分析。由表4可知，处理7 d时，Al3+处理浓度与茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重均呈负相关，相关系数达-0.80～-0.98，经显著性检验均达到了极显著水平。处理10 d时，Al3+处理浓度与茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重也均呈负相关，相关系数为-0.87～ -0.99，经显著性检验均达极显著水平。处理14 d时，Al3+浓度与茎叶鲜重、茎叶干重、根鲜重和根干重的相关系数为-0.87～-0.99，呈极显著负相关。结果表明，随Al3+浓度增加，各材料均受到更加严重的毒害，甜玉米的根系和茎叶部分均受到严重的影响。

2.5 铝胁迫处理7 d对甜玉米茎叶的影响

综合表1、表2、表3的结果发现，铝胁迫处理7 d可较好区分不同基因型材料间的铝耐性，而茎叶指标是最明显的指标。选择铝胁迫处理7 d后的茎叶鲜重和干重指标计算Al3+处理和CK的比值（+Al3+/CK），结果见表5，比值愈高其受损愈小。进一步对指标比值进行求和，发现茎叶鲜重指标中， G107>G139>G79>G118>G151;在茎叶干重指标中，G107>G139>G151>G118>G79。综合来看，自交系G107和G139指标比值之和最高，表明铝耐性较强;材料G118和G151的指标比值之和位于中间，表明其对铝耐性处于中间水平;G79的指标比值和最低，铝毒耐受性最差。

2.6 不同自交系在不同铝浓度处理下POD、CAT和SOD的活性差异

一般情况下，逆境胁迫会引起植物体内保护酶活性的显著变化。逆境胁迫导致植物体内代谢紊乱，代谢中产生的自由基积累，植物为了适应逆境下的生长，体内的抗氧化保护酶系统活性就会增强，以清除过量的自由基，降低自由基对植物组织的伤害。在铝胁迫条件下，不同甜玉米自交系材料的POD活性随处理浓度的增加表现出明显差异，铝毒耐性较强的自交系G107和G139的POD活性变化不大，G79的活性变化较大，较其他自交系对铝胁迫的敏感程度更大（图1）。不同材料的甜玉米自交系CAT活性表现出较一致的规律，都比初始的CAT活性有一个先减少后增加的趋势，其中，G107和G139的变化趋势相对一致，其对铝胁迫的敏感程度相对一致，而G79的变化剧烈，对铝胁迫更敏感（图2）。不同自交系随Al3+浓度的增加，SOD活性的变化具有一定的规律，其中，在0.2 mmol/L Al3+浓度时，各自交系间差异最大，在0.3 mmol/L Al3+浓度时，其活性均为最大值，各甜玉米自交系的SOD活性对铝胁迫的敏感响应大致相同（图3）。从图1、图2和图3可以看出，高浓度的Al3+胁迫条件下，POD、CAT和SOD的活性均表现为下降，这可能是由于Al3+浓度过高，抑制了酶活性增强所需要的一些激活剂，因为Al3+的存在会影响其他离子的吸收与转运。

3 小结与讨论

在铝胁迫下，甜玉米的根系及茎叶的生长均受到抑制，处理浓度越高，甜玉米受害愈严重，根系与茎叶的生长愈缓慢，造成整株的鲜重及干重的下降。本研究中选择田间长势存在差异的5个甜玉米自交系进行铝耐性鉴定，在铝胁迫处理7和10 d时与田间长势结果基本一致，即材料G107和G139的铝耐性强，而G79表现为不耐铝毒。但处理14 d的结果与田间并不一致，可能受到不同基因型甜玉米自交系对水培适应性的影响，而普通玉米材料大多水培14 d以上进行耐铝性鉴定[9-12]，可见本试验选用的甜玉米自交系与普通玉米的水培耐性也存在差异。对于甜玉米材料而言，水培鉴定铝毒耐性应以不超过10 d为宜。另由于不同基因型本身的长势存在差异，所检测的表型指标应用比值的方法更为科学。

一般逆境条件下，植物的抗氧化保护酶系统会启动以清除体内過量的自由基。在本试验中，相对低的Al3+浓度条件下，POD、CAT和SOD的活性均略有上升，这些与前人的研究结果相一致[11-13]。但不同基因型酶活性的变化不一致，本试验观察到耐铝性较强的材料G107和G139的POD的活性变化不大，而铝敏感的材料G79的POD活性变化较大。此外，在0.2 mmol/L Al3+胁迫浓度条件下，不同铝耐性材料间CAT和SOD的活性差异最大，酶活性与不同铝耐性材料结果并不完全一致，可见铝胁迫可影响甜玉米抗氧化酶活性的变化，而铝耐性机制是多种途径共同作用的结果。加强甜玉米铝耐性鉴定方法和铝耐性材料的筛选，有助于改良育种材料，使其有效地服务于耐铝毒甜玉米新品种的选育。

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