140份甜玉米自交系耐铝性鉴定

林雪琼，刘晓敏，朱 维，王 欣，刘 宇，李小琴，黄 君

(华南农业大学农学院，广东 广州 510642)

铝属于非必需的金属元素，目前并未发现其在植物生长发育与新陈代谢中发挥任何的己知功能。但是，铝是酸性(pH<5)土壤中限制植物生长的主要因素，微摩尔级水平的Al3+就能迅速抑制植物根的生长[1]。由于受到地带性的生物气候条件的影响，加上环境污染导致的酸雨问题，铝毒害早已成为我国各种作物生长主要的限制因子之一，每年导致作物减产20%～80%[2]。玉米是世界第三大粮食作物，与其他作物相比较，玉米是一种较为耐铝的作物，但不同基因型品种在耐铝毒性能上存在着明显的差异[3]。解决酸性土壤中铝对植物的毒害主要有两种途径：一种是通过施用石灰等碱性材料来改良土壤的酸碱度，但是成本太高，在生产上很难被广泛应用；另一种是培育耐铝性新品种。实践证明，筛选耐铝性较强的作物品种是经济有效的途径，目前已经有多种耐铝性农作物品种被研发出来。本试验对140个K自交系玉米材料进行营养液培养，研究了铝胁迫下不同材料生长指标特性的变化，旨在探明该批材料对铝胁迫应答自交系间的差异，从中筛选出耐铝毒的甜玉米材料。这将有助于新型耐铝毒的甜玉米品种的培育，解决我国南方酸性土壤限制甜玉米种植生产的实际问题，扩大玉米的种植带，对提高粮食产量具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选取华南农业大学甜玉米实验室筛选出的K自交系材料，K 1～K 140，共140个。

1.2 试验方法

140份甜玉米材料每份选取大小一致30粒种子，将营养土分装于140个花盆中，每个花盆中分散放入30粒种子，再用土壤轻轻覆盖，最后浇适量水，使土壤湿润。待种子发芽后，每份材料选取长势良好且一致的16株幼苗，每8株为一组，分别移栽到装有2 L霍格兰(Hoagland’s)营养液(pH=6)的水培桶中，用海绵固定。培养1 d后更换培养液，其中一组用0.4 mmol·L-1的AlCl3处理。之后每天定时通气10 min，每隔3 d换一次营养液，培养7 d后测定不同甜玉米自交系生长和生理指标，以不处理为对照组。试验重复3次。

1.3 测定指标

1.3.1根伸长量、株高、鲜重和干重测定

将玉米幼苗放于霍格兰营养液培养1 d后分别测量2个处理的主根长度，更换培养液后培养1 d再次测量2个处理的主根长度，铝毒处理前后根系的长度差为根系生长量，将幼苗去掉胚乳后，从植株底部开始一直到叶尖的距离为株高；

用吸水纸吸干甜玉米幼苗叶片上的水分，用万分之一分析天平称量其鲜重；将称取鲜重后的植株放入烘箱中，105 ℃杀青20 min后80 ℃烘干48 h至恒重，称量干重。

1.3.2叶绿素含量测定

使用便携式叶绿素仪(SPAD-502 Plus)测量SPAD值。

1.4 数据分析

分别测量并计算出140个甜玉米K自交系材料的相对根伸长量、相对株高、相对叶绿素含量、相对鲜重和相对干重。

采用Microsoft Excel 2013、IBM SPSS Statistics 19和GraphPad Prism 7软件进行数据分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 铝胁迫对玉米苗期幼苗叶绿素含量的影响

由图1可知，不同基因型玉米铝处理与对照组相比，叶绿素含量有较大差异，最大相对叶绿素含量与最小相对叶绿素含量相差0.692 8。140个自交系中相对叶绿素含量最大的10个自交系为K 86、K 48、K 42、K 127、K 38、K 14、K 82、K 47、K 31、K 96，其相对叶绿素含量分别为1.475 8、1.428 0、1.356 7、1.290 1、1.281 1、1.225 4、1.216 2、1.178 5、1.154 4、1.148 32。相对叶绿素含量最小的10个自交系分别为K 2、K 9、K 30、K 13、K 97、K 81、K 69、K 7、K 74、K 24，其相对叶绿素含量分别为0.783 0、0.816 2、0.821 1、0.829 0、0.837 7、0.856 0、0.872 9、0.873 2、0.875 6、0.890 8。

2.2 铝胁迫对甜玉米幼苗相对根伸长率的影响

根系生长受到抑制是植物最容易被识别的铝胁迫形态症状，其生长抑制能在很短的时间内被测量出来[4]。因此，比较铝胁迫下根系的相对伸长率可以鉴定材料的耐铝性[5]。由图2可知，在0.04 mmol·L-1的AlCl3溶液处理下，不同基因型的甜玉米幼苗相对根伸长量有很大的差异，大部分的甜玉米自交系受到铝毒害后根系伸长受到抑制，但自交系K 111、K 107、K 118、K 128受到铝胁迫后根伸长率较对照有所增加。受抑制程度最轻的10个自交系为K 111、K 107、K 118、K 128、K 124、K 129、K 108、K 95、K 42、K 51，其相对根伸长率分别为1.047 4、1.036 9、1.033 9、1.005 1、0.990 8、0.968 6、0.966 9、0.962 9、0.961 5、0.960 6。根伸长受抑制程度最严重的10个自交系为K 1、K 76、K 35、K 48、K 73、K 121、K 80、K 41、K 46、K 132，其相对根伸长率分别为0.218 7、0.245 3、0.258 4、0.268 1、0.306 1、0.311 2、0.322 9、0.382 2、0.382 9、0.414 4。

2.3 铝胁迫对甜玉米幼苗相对株高的影响

玉米地上部分营养体的生长发育在一定程度上受到铝毒害的影响，通过阻碍其水分和养分的输送和积累，影响玉米植株的株高。因此，可以将株高用作筛选不同耐铝性植物自交系的指标。由图3可知，铝胁迫对玉米株高增长率的影响较小，且随自交系不同影响情况也有所不同。一部分玉米自交系受铝胁迫后地上部分生长受抑制，苗高较对照组低。另一部分玉米自交系受铝胁迫后苗高生长不受抑制，反而较对照组有所增加。其中苗高受抑制程度最轻的10个自交系为K 19、K 91、K 48、K 92、K 44、K 56、K 127、K 94、K 55、K 77，其相对苗高增长率分别为1.242 0、1.224 5、1.189 7、1.188 2、1.155 4、1.144 0、1.138 9、1.136 1、1.114 9、1.111 4。苗高受抑制程度最严重的10个自交系为K 125、K 28、K 81、K 47、K 31、K 103、K 131、K 106、K 107、K 62，其相对苗高增长率分别为0.774 1、0.779 7、0.790 0、0.853 2、0.858 6、0.858 8、0.863 7、0.875 7、0.879 0、0.887 3。

2.4 铝胁迫对甜玉米幼苗相对干重的影响

铝胁迫下，植物的生物量受到影响，干重会有所减少。如图4所示，140个不同玉米自交系在受到0.4 mmol·L-1的AlCl3胁迫后相对干重差异较大，部分自交系相对干重较对照组减少，另一部分却有所增加，最大相对干重与最小相对干重相差1.445 9。140个自交系中相对干重最大的10个自交系为K 77、K 117、K 56、K 92、K 83、K 99、K 35、K 19、K 138、K 94，其相对干重分别为1.818 4、1.732 1、1.484 9、1.419 3、1.411 0、1.401 3、1.395 7、1.374 9、1.367 9、1.367 2。相对干重最小的10个自交系为K 137、K 131、K 05、K 31、K 47、K 12、K 103、K 30、K 62、K 98，其相对干重分别为0.372 5、0.675 0、0.716 6、0.719 5、0.742 0、0.757 0、0.758 4、0.774 6、0.778 2、0.808 7。

2.5 不同基因型玉米种子耐铝性综合评价

使用SPSS 19.0软件进行系统聚类分析。将140个玉米自交系的相对根伸长量、相对株高、相对干重、相对鲜重、相对叶绿素含量5个指标输入SPSS软件中，进行聚类分析，把140个自交系分成四类(图5)：类群Ⅰ：K 1、K 2、K 35、K 41、K 46、K 47、K 48、K 73、K 76、K 80、K 84、K 121、K 122；类群Ⅱ：K 2-K 34、K 36-K 40、K 42-K 45、K 49-K 72、K 74、K 77、K 78、K 79、K 81、K 82、K 83、K 85-K 100、K 101-K 113、K 115-K 120、K 123-K 132、K 134、K 135、K 136；类群Ⅲ：K 75、K 114；类群Ⅳ：K 133。不同基因型的甜玉米在其苗期对铝毒的敏感性和耐性存在差异，类群Ⅲ中自交系大部分具有较强的耐铝性，通过计算所有指标比值的汇总值(图6)，140个基因型玉米中，汇总值最大的10个自交系为K 117、K 77、K 83、K 56、K 91、K 99、K 138、K 86、K 92、K 94，其总比值分别为6.390 5、6.336 8、5.849 5、5.812 0、5.791 5、5.786 0、5.686 9、5.667 7、5.654 3、5.652 6，表明这10个自交系对铝毒有较强的抗性。汇总值最小的10个自交系分别为K 137、K 47、K 62、K 36、K 30、K 103、K 05、K 12、K 125、K 97，其汇总值分别为3.650 9、3.910 1、3.934 3、3.956 5、4.038 2、4.089 6、4.091 3、4.164 1、4.168 7、4.183 0。表明这10个甜玉米基因型对铝胁迫较为敏感，对铝毒的抗性较低。在140个甜玉米自交系中有48个自交系的总比值大于5，表明该自交系的甜玉米有较强的耐铝性，而剩下的92个自交系的总比值都小于5，说明这些基因型的甜玉米对铝胁迫较为敏感。

3 讨论与结论

植物在酸性土壤上受到毒害时，其根系生长首先受到抑制，根系生长发育不良将导致地上部器官的营养不足，影响叶绿素含量和干重等各项指标，最终导致作物的产量和品质降低[6-7]。许多植物的根系在短时间内接触低浓度的Al3+后即可表现出毒害症状，因此通常用植物根系的相对伸长量来衡量植物受铝毒害程度。

本研究结果显示，在用含铝离子的营养液处理24 h后，甜玉米根系相对伸长量明显下降，表明其根系伸长受到铝离子的明显抑制,而耐铝性较强的甜玉米自交系，其根系的相对伸长量有所上升。

植物通过光合作用将光能转变为自身可以利用的能量，光合作用需要叶绿素的参与，其含量在一定程度上反映植物光合作用的强度[8]，但植物叶绿素含量常受外界环境的影响，在逆境条件下植株的叶片会呈现出不同程度的变化，因此可以通过叶片中叶绿素含量作为铝敏感性的指标之一，来预测植株损害程度。研究表明，短期铝胁迫使一些草本植物叶绿素含量明显增加，长期的铝胁迫对其含量没有明显影响。本研究结果表明，140个甜玉米自交系幼苗的叶绿素在铝胁迫处理后，只有27个基因型的叶绿素含量有所增加，而有59个基因型的叶绿素含量明显下降，其余基因型的幼苗叶绿素含量没有明显变化。有研究表明，叶绿素含量随根尖铝含量的增加而显著降低。但是本实验中一部分自交系表现为叶绿素含量升高，说明这段时间铝胁迫对该自交系甜玉米幼苗的光合作用尚未产生明显的破坏性影响。

重金属胁迫会抑制植物器官和组织的生长与分化，从而使植物发育变得缓慢，严重时甚至死亡。但也有研究表明，低浓度的铝对某些植物的生长发育具有一定的促进作用，只有当铝离子的浓度超过植物的耐受临界值之后才会表现出毒害作用[9]。但不同自交系的植物，对铝浓度的临界值是不同的。本研究结果表明，大部分甜玉米自交系在铝胁迫下株高与干重受到抑制，但是铝胁迫对一部分甜玉米自交系的生长有一定的促进作用，这一结果表明，同一作物不同自交系，其铝的临界值都会有所不同。

本试验仅对甜玉米自交系在铝胁迫下的表型变化进行了研究，而生理生化指标以及耐铝机理相关的研究并未涉及。目前许多研究已从分子水平上验证了植物响应铝毒害的生理及遗传机制，植物对铝毒害的响应机制较为复杂，不同植物已经形成了不同的耐受机制来抵消铝毒害。这些机制可以分为两种形式：外排机制主要是通过避免或减少Al3+进入细胞；内部解毒机制主要是将Al隔离或螯合以抑制铝毒害[10]。外部排斥机制包括根际pH值的升高、有机酸分泌、细胞壁组成和质膜性质的变化，以及螯合分子的排放机制等[11]。内部抗性机制包括细胞液泡对Al3+的储存、胞液中有机酸与Al的络合，以及蛋白质与Al形成复合物等[12]。

本试验所用的Al3+溶液浓度较低，一些指标植物受到铝胁迫的影响较小，对照和处理组的数据值差值较小。之后可通过对特定自交系进行多浓度梯度试验，研究其耐受程度，选择具有实际生产意义的浓度进行耐性研究，提升实验的准确性。

甜玉米根尖伸长量、叶绿素、株高、鲜重、干重在铝胁迫处理下受到一定影响。根尖伸长量在铝胁迫处理下明显受到抑制，而地上部分的生理指标如叶绿素含量、株高、鲜重、干重等响应铝胁迫具有差异，不同基因型玉米对铝处理的反应有所不同。在本研究中，部分自交系耐铝性较强，可以为后续耐铝品种的选育提供材料，丰富耐铝毒的玉米种质。