外源赤霉素对不同耐深播性玉米自交系的深播缓解效应

陆晏天，陈奋奇，白明兴，庄泽龙，丁永福，彭云玲,2

(1.甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；2.甘肃省干旱生境作物学重点实验室/甘肃省作物遗传改良与种质创新重点实验室，甘肃 兰州 730070)

玉米(ZeamaysL.)是世界上种植面积最大和产量最高的农作物，自2012年以来，我国玉米种植面积达3.4×106hm2[1]。气候变化导致2/3的玉米种植在干旱或半干旱地区，春季干旱缺水是玉米种子萌发的重要限制因子。干旱干扰玉米的生理代谢，严重影响其产量和品质，可使玉米减产20%～50%[2-3]。

深播策略是确保种子安全萌发的有效措施。我国育种家在20世纪90年代初，利用耐深播玉米种质培育出很多耐深播的抗旱品种。董存吉等[4]利用引进的印第安种质与我国优良自交系‘自330’组配，培育出耐深播自交系SN38，并选育出产量高、抗倒伏、耐旱性强的杂交种‘抗42’。山西省农业科学院以自选系‘太160-2’为母本，耐深播长根茎自选系LR1921为父本，培育出了抗倒、抗旱、高产的玉米新品种‘旱玉5号’[5]。2001年，Polthanee[6]提出在早期生长阶段，花生种子携带的营养物质有限且深层土壤氧气少，导致其根系发育受阻，但在播种后60～90 d，深播不仅能提高根密度和植株总干质量，而且会提高种子的产量和百粒重。彭云玲等[7]综合评价了45份不同亚群玉米自交系的耐深播能力，发现Lancaster(LAN)、四平头(SPT)、PA等3个亚群的种质较其他亚群有较强的耐深播能力。张磊等[8]通过鉴定46份玉米自交系的耐深播特性，筛选出7份耐深播的玉米种质。鉴于耐深播玉米品种在抗旱上的优势，对其耐深播特性的影响因素、生理及分子遗传机制进行研究具有十分重要的意义。

在耐深播评价体系中，将出苗率、中胚轴长及胚芽鞘长作为重要的评价指标[9-10]。中胚轴及胚芽鞘的伸长不仅是种子破土出芽的原动力，而且其伸长同时受各种外源激素(GA，IAA，ABA，CTK，ETH)的影响。杜金友等[11]选用5个春播玉米品种，研究发现中胚轴内源激素是调控其长度的重要物质，其中IAA起主要促进作用。Takahashi[12]研究表明，同时施加外源ETH和GA可使籼稻中胚轴长度显著伸长。Watanabe等[13]研究发现GA、ABA、IAA及ETH都可促进水稻中胚轴的伸长，其中，ABA促进细胞分裂，GA、IAA及ETH主要促进细胞的伸长。赵光武等[14]研究表明，深播、外源GA3和IAA处理后，玉米中胚轴细胞均显著伸长，但其细胞数目变化均不大。此外， GA是一种高效调节植物生长的激素，在调控植物生长发育和参与植物各种逆境胁迫响应过程中具有重要作用。虽然GA在深播上的研究已很多，但对玉米耐深播机理的研究鲜有报道。本研究以耐深播自交系和深播敏感自交系为试材，分别在3、15、20 cm播深处理下施加不同浓度的外源GA，分析不同播深胁迫下玉米幼苗的生长参数，综合评价其在提高玉米耐深播能力中的作用效果，为提高玉米耐深播性的栽培实践提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以耐深播自交系N192、Mo17和深播敏感自交系‘吉853’、‘自330’为试材，使用赤霉素(GA，C19H22O6)原粉进行试验，GA购自美国Sigma公司，用98%乙醇溶解稀释到适宜的浓度，乙醇最终含量为0.1%，调节pH值至7.0。

1.2 试验方法

1.2.1 种子预处理 从4份玉米自交系中选择均匀、饱满的种子，先用0.5%NaClO溶液消毒10 min后，用重蒸水冲洗3次；用灭菌滤纸吸干附着水，分别以相应浓度的GA溶液(0、2.0、4.0、6.0、8.0 mg·L-1)浸种24 h，以备试验所用。

1.2.2 种子深播试验 先将灭菌蛭石与相应浓度GA溶液按照5 g∶1 mL统一配土，将含有相应溶液的蛭石装入尼龙网封底的PVC管(直径17 cm，高50 cm)中，将用相应溶液浸种过的种子10粒播入对应溶液蛭石的PVC管中，再覆上对应溶液浓度的蛭石至满管。各处理3次重复，播后每隔2 d定量浇50 mL相应浓度的GA溶液，于人工气候室萌发10 d后测定相关性状。

试验共设15个处理，其中对照处理包括：CK1(播深3 cm)，CK2(播深15 cm)，CK3(播深20 cm)；3 cm播深处理包括：A1(播深3 cm+2.0 mg·L-1GA)，A2(播深3 cm+4.0 mg·L-1GA)，A3(3 cm+6.0 mg·L-1GA)，A4(播深3 cm+8.0 mg·L-1GA)；15 cm深播胁迫处理包括：B1(播深15 cm+2.0 mg·L-1GA)，B2(播深15 cm+4.0 mg·L-1GA)，B3(播深15 cm+6.0 mg·L-1GA)，B4(播深15 cm+8.0 mg·L-1GA)；20 cm深播胁迫处理包括：C1(播深20 cm+2 .0 mg·L-1GA)，C2(播深20 cm+4.0 mg·L-1GA)，C3(播深20 cm+6.0 mg·L-1GA)，C4(播深20 cm+8.0 mg·L-1GA)。

1.2.3 耐深播相关性状测定 参照彭云玲等[15]的方法，测定每一材料在相应处理下的出苗率(RAT)、苗鲜质量(SW)、中胚轴长(MES)、胚芽鞘长(COL)、中胚轴和胚芽鞘鲜质量(MESW和COLW)、中胚轴与胚芽鞘长之和(MES+COL)、苗长(SDL)、根长(RL)、根鲜质量(RW)等表型性状。取相应处理下各材料的中胚轴和胚芽鞘，采用Syros[16]的方法测定木质素(LIG)含量；超氧化物歧化酶(SOD)活性测定采用氮蓝四唑光还原法[17]，过氧化物酶(POD)活性测定采用愈创木酚法[17]，过氧化氢酶(CAT)活性测定采用紫外吸收法[17]。参照赵小强等[18-19]的方法，计算单个性状在深播胁迫下的变化率(RC)及深播胁迫下施加外源GA后的RC，其公式为：

(1)

(2)

式中，RCic为第i种深播胁迫下相应性状的变化率；RCin为第i种深播胁迫下施加第n种浓度的GA后相应性状的变化率；TCK(+)为CK1下的测定值；TCK(-)i为第i种深播胁迫(15 cm或20 cm)对照处理即CK2或CK3的测定值；Ti-n为第i种深播胁迫下第n种浓度下的相应性状测定值。

1.2.4 施加外源GA后玉米耐深播性的综合评价 利用隶属函数法对不同播深下施加不同浓度外源GA对玉米的耐深播性进行综合评价，隶属函数计算公式[20]为：

Uin=(Xin-Xinmin)/(Xinmax-Xinmin)

(3)

Uin=1-(Xin-Xinmin)/(Xinmax-Xinmin)

(4)

式中，Uin表示第i个播深下相应性状在施加第n种浓度外源GA下的耐深播隶属值；Xin表示第i个播深下相应性状在施加第n种浓度外源GA下的测定值；Xinmin表示第i个播深下相应性状在施加第n种浓度外源GA下的最小值；Xinmax表示第i个播深下相应性状在施加第n种浓度外源GA下的最大值。若所测指标与施加外源GA后的耐深播调节作用呈正相关，则采用(3)式计算隶属值，反之则采用(4)式。累计各性状在相应深播胁迫下施加不同浓度外源GA的隶属函数值，并求其算数平均值进行比较，其值越大则表示施加外源GA后玉米的耐深播性越强。

1.2.5 数据统计分析 所有试验数据均采用Microsoft Excel 2016软件进行统计绘图，采用IBM SPSS 24.0软件对数据进行PCA分析。

2 结果与分析

2.1 深播胁迫下不同浓度外源GA对深播敏感型玉米幼苗生长的影响

2.1.1 生长参数和生理生化指标 深播敏感自交系‘吉853’和‘自330’在深播胁迫下各生长参数(图1)和生理生化特性(图2)均存在差异。在深播胁迫下，与3 cm播深处理(CK1)相比，‘吉853’和‘自330’在15 cm(CK2)和20 cm (CK3)深播处理下的中胚轴长、胚芽鞘长、中胚轴和胚芽鞘长之和呈增加趋势，平均增幅介于23.43%～70.46%；而出苗率、苗长、根长则呈降低趋势，两品种分别下降了63.12%、69.20%，7.83%、35.98%，8.26%、25.23%。此外，中胚轴CAT酶活性和木质素含量，胚芽鞘SOD、CAT酶活性及木质素含量呈增加趋势。在3 cm播深条件下施加不同浓度的外源GA后，14个性状的均值与CK1相比均有不同程度的增加。说明施加外源GA对玉米幼苗生长具有一定的调节作用。

15 cm和20 cm深播胁迫下施加外源GA能有效促进‘吉853’和‘自330’中胚轴、胚芽鞘、根及幼苗的生长，在深播胁迫下对玉米幼苗的缓解具有促进作用，但不同浓度外源GA对玉米幼苗各生长参数的响应程度有所不同。15 cm深播胁迫下施加4.0 mg·L-1的外源GA后(B2)，‘吉853’、‘自330’玉米自交系的出苗率，苗长、根长、中胚轴长、胚芽鞘长及中胚轴和胚芽鞘长之和变化最大，较CK2分别平均增加了18.25%，2.67、1.01、3.78、1.61 cm和5.40 cm。

20 cm深播胁迫下施加6.0 mg·L-1外源GA后(C3)，玉米自交系‘吉853’的中胚轴和胚芽鞘长之和达到最大值，RC为-71.98%，2份材料的出苗率，苗长、根长、中胚轴长、胚芽鞘长及中胚轴和胚芽鞘长之和与CK3相比平均增加了2.25%，7.38、6.58、2.68、0.65 cm和5.19 cm。

15 cm深播胁迫下施加8.0 mg·L-1GA(B4)时中胚轴POD酶活性、木质素含量和胚芽鞘CAT酶活性、木质素含量均达到最大值，较CK2平均分别增加了110.48%、107.62%和228.51%、100.02%；施加4.0 mg·L-1GA时(B2)中胚轴SOD酶活性达到最大值，RC为-60.19%。20 cm深播胁迫下施加6.0 mg·L-1GA时(C3)中胚轴SOD、POD酶活性、木质素含量和胚芽鞘SOD酶活性达到最大值，与CK3相比平均分别增加了13.65%、244.68%、109.18%和12.08%，而在施加8.0 mg·L-1GA后胚芽鞘木质素含量达到最大值，RC为-86.53%。

2.1.2 外源GA最佳处理浓度的综合筛选 对外源GA的最佳处理浓度进行筛选，发现15 cm和20 cm深播胁迫下施加不同浓度外源GA后玉米耐深播性随浓度的增加呈先升后降趋势，15 cm深播胁迫下施加4.0 mg·L-1的外源GA后，玉米自交系的耐深播性最强，其隶属函数值为0.602(表1)； 20 cm深播下施加6.0 mg·L-1的外源GA后，其耐深播性最强，隶属函数值为0.598。

2.2 深播胁迫下最佳浓度外源GA对耐深播性不同玉米幼苗的缓解效应

2.2.1 最佳浓度外源GA对玉米生长参数和生理特性的影响 深播胁迫下，耐深播性不同玉米自交系的生长参数间差异显著。4份玉米自交系在深播胁迫下的出苗率、苗长和根长较CK1呈降低趋势(图3)，N192和Mo17分别降低了35.55%、6.80 cm、2.00 cm和53.85%、7.83 cm、4.66 cm；‘吉853’和‘自330’分别降低了65.00%、6.04 cm、11.19 cm和69.00%、8.59 cm、6.95 cm。中胚轴和胚芽鞘长及中胚轴胚芽鞘长之和呈增加趋势，N192、Mo17、‘吉853’、‘自330’依次分别增加了54.71%、42.23%、35.23%、22.65%，32.87%、30.58%、35.63%、22.44%，47.89%、33.06%、35.30%、29.28%。深播敏感自交系的出苗率、苗长和根长的降幅显著大于耐深播玉米自交系，耐深播自交系的中胚轴和胚芽鞘长及二者之和的增幅显著大于深播敏感自交系。施加最佳浓度外源GA后对深播胁迫有明显的缓解，B2与CK2相比，各生长参数均有所上升，且深播敏感自交系的出苗率、苗长、根长、中胚轴长、胚芽鞘长和中胚轴胚芽鞘长之和比耐深播自交系分别增加389.06%、16.43%、4.25%、59.16%、34.24%和48.64%；C3与CK3相比，除‘自330’的出苗率外其余生长参数仍呈增加趋势，深播敏感自交系上述各生长参数的变幅比耐深播自交系分别增加了85.30%、49.96%、27.79%、144.36%、1.23%、65.20%。即深播敏感自交系对外源GA的敏感性大于耐深播自交系，且通过表型可得出耐深播性N192>Mo17>自330>吉853。

深播胁迫下，玉米中胚轴及胚芽鞘中的各生理指标大致呈增加趋势(图4)，其RC介于40.12%～-356.80%。B2处理的耐深播自交系各抗氧化酶活性及木质素含量的平均增幅为20.02%～99.78%，而深播敏感自交系的增幅为12.49%～25.39%；C3处理的耐深播自交系各生理指标增幅较深播敏感自交系小，为7.42%～244.68%，深播敏感自交系为1.80%～163.43%。即在不同播深胁迫下，添加最适浓度外源GA后对深播敏感自交系‘吉853’和‘自330’的缓解效应明显强于耐深播自交系N192和Mo17。

2.2.2 聚类分析 对4份玉米自交系和15、20 cm播深对应最适浓度下的生长参数及生理指标进行聚类分析(图5)，4份玉米自交系聚成了2类，分别为耐深播自交系N192和Mo17、深播敏感自交系‘吉853’和‘自330’；15 cm和20 cm播深最适浓度下的19个性状中，分别将出苗率、中胚轴长、中胚轴重及中胚轴和胚芽鞘长之和聚成第一类，将胚芽鞘长、苗长和胚芽鞘重聚成第二类，表明这些性状对玉米深播条件下幼苗出土和深播性的评价至关重要。

2.2.3 主成分分析 以4份玉米自交系在深播胁迫下及最适浓度GA缓解下苗期的19个指标为基础，进行因子分析和主成分分析(见表2、表3)，选取特征值大于1的4个主成分，深播胁迫4个主成分的累计贡献率为88.259%，其中PC1特征值是8.525，贡献率为44.868，较大的特征向量是中胚轴长、中胚轴和胚芽鞘长之和、胚芽鞘的SOD酶活性；PC2的特征值为4.455，贡献率为23.449%，载荷较高的是根数和出苗率；PC3的特征值是2.241，贡献率为11.793%，载荷较高的是中胚轴的SOD酶活性；PC4的特征值为1.548，贡献率为8.149%，特征值较高的是胚芽鞘的SOD酶活性。4个主成分涵盖了4个玉米自交系19个指标在深播胁迫下几乎90%的数据信息。

表2 各指标特征值及贡献率

施加最适浓度外源GA后将该19个单项指标转化为4个相互独立的指标，同时也代表了原始数据大部分信息，GA缓解下4个主成分的累计贡献率为86.881%。PC1的贡献率为36.87%，特征值为7.005，中胚轴SOD酶活性和中胚轴、胚芽鞘木质素含量在第一主成分上有较高的载荷；PC2的贡献率为20.172%，中胚轴长、中胚轴和胚芽鞘长之和、出苗率有较高的载荷值；PC3的特征值为3.629，贡献率为19.110%，中胚轴中POD、CAT酶活性具有较高的载荷值；PC4累计解释了10.739%的贡献率，根数和苗长在第四主成分上有较高的载荷。

对玉米自交系萌发期耐深播性评价时，出苗率、中胚轴长、中胚轴和胚芽鞘长之和是主要的评价指标，中胚轴中SOD、POD、CAT酶活性，中胚轴、胚芽鞘中木质素含量可作为二级评价指标，根数和苗长可作为三级评价指标。

3 讨论与结论

深播虽为一种解决干旱的有效措施，但是作物深播时由于土壤阻力和空气减少，往往表现出出苗时间长、出苗率低、幼苗活力减弱[21-22]。有研究发现添加外源调节物质可以有效缓解非生物胁迫，张永芳等[23]研究表明，在盐胁迫处理同时分别加入60、80、100、120 mg·L-1外源GA3，谷子种子的发芽率、发芽势、发芽指数、根长、芽长均有一定程度提高，因此外源GA3对盐胁迫起到了一定的缓解作用。此外，郭郁频等[24]也发现，在干旱胁迫下给苜蓿幼苗施加100 mg·L-1外源GA后显著提高了幼苗的抗旱性。鉴于添加外源GA可保护细胞抵御不利环境的影响，因此，本试验通过对生长参数和生理性状分析，发现玉米在15 cm深播胁迫下施加4.0 mg·L-1外源GA(B2)后缓解效应最佳，其隶属函数值为0.602；20 cm深播胁迫下施加6.0 mg·L-1外源GA(C3)后缓解效应最佳，其隶属函数值为0.598。

深播胁迫对耐深播自交系N192、Mo17和深播敏感自交系‘吉853’、‘自330’均表现出形态应激，耐深播自交系的变化幅度均小于深播敏感自交系。赵光武等[14]研究发现在 25 cm 深播胁迫下，玉米中胚轴中 GA3和 IAA 含量分别增加 19.0%和 50.9%。张同祯等[25]研究发现，光照能显著抑制玉米胚轴的伸长，中胚轴中 H2O2含量、POD 酶活性及木质素含量均显著升高，且中胚轴长度与 H2O2含量、POD 酶活性及木质素含量均呈显著或极显著负相关。本研究发现，随着播深的增加，中胚轴和胚芽鞘的SOD、POD、CAT活性及木质素含量呈增加趋势，暗示深播胁迫可能会导致玉米中胚轴和胚芽鞘中ROS系统发生变化，激发抗氧化酶系使活性氧水平下调，减轻 O2-和 H2O2等对其造成的伤害，而冗余的H2O2可能会诱使 POD 氧化细胞壁的单木质醇为自由基并聚合为木质素，其作为细胞次生壁的主要组成部分，可通过共价键绑定半纤维素，进而决定细胞壁弹性的大小或加固细胞壁的机械强度，增强中胚轴和胚芽鞘对病原微生物侵害的抵御能力及抗折性能。综上所述，除出苗率、中胚轴长、胚芽鞘长、苗长及根长等表型性状与玉米耐深播性紧密相关外，玉米中胚轴和胚芽鞘中的各生理特性也可通过彼此间的相互作用进一步影响玉米中胚轴和胚芽鞘的伸长和发育，以促进深播胁迫下植物的生长发育。

为进一步研究外源GA对深播的缓解效应，本研究比较了不同播深下施加最适浓度外源GA后深播性不同玉米的生长情况，发现耐深播性不同玉米植株的生长参数和生理特性存在差异，施加最适浓度外源GA对玉米自交系的生长参数和生理指标起促进作用。前人研究也证明，适宜浓度外源 GA 对干旱[26-27]、盐碱[28]、低温[29]等非生物胁迫下植物幼苗生长发育及抗氧化酶和各种渗透物质的调节具有显著影响。本研究表明，在 2 种深播胁迫下施加最适浓度GA对玉米自交系的出苗率、苗长、根长、中胚轴长、胚芽鞘长均有正向调节作用。此外，与相应对照处理相比，施加外源GA 后中胚轴和胚芽鞘中 SOD、POD、CAT 酶活性及木质素含量均有不同程度的升高，说明深播胁迫下GA 信号调控了玉米中胚轴和胚芽鞘细胞生长内环境的稳定性，因此降低了深播胁迫对中胚轴和胚芽鞘生长的伤害。

主成分分析通过变量间的相关性对数据进行降维，保证了数据的可靠性且消除了品种间的差异[30-32]。结合聚类分析，依据不同数据源间的相似性对参试品种及指标进行聚类，将耐深播及深播敏感材料各聚成一类，将各指标聚成2类。此方法结合主成分分析结果，出苗率、中胚轴长、中胚轴和胚芽鞘长之和是主要的评价指标，中胚轴中SOD、POD、CAT酶活性、中胚轴和胚芽鞘中木质素含量可作为二级评价指标，根数和苗长可作为三级评价指标。