非生物脅迫對不同玉米雜交種苗期生長的影響

艾麗曼·阿布來孜，趙海菊，塔伊爾·買買提江，阿拉依·哈那提，王長海，蘭海燕

(1. 新疆大學生命科學與技術學院新疆生物資源基因工程重點實驗室，烏魯木齊 830046；2.北京九圣禾農業科學研究院有限公司，北京 100081)

0 引 言

【研究意義】玉米(ZeamaysL.)作為我國第一大農作物已被廣泛用于食品、工業及新能源開發等各個領域[1]。隨著全球氣候的變化，各種非生物脅迫 (干旱、鹽漬、低溫等) 已成為限制玉米產量的主要因素[2]。研究顯示，干旱降低玉米產量25%～30%，嚴重年份導致絕收[3]。不同玉米品種對脅迫的應答和適應能力有顯著差異。分析不同雜交種對各種非生物脅迫的適應能力，在合適地域栽培不同的品種對提高玉米產量具有重要意義。【前人研究進展】玉米原產于熱帶地區，植株高大，葉片發達，因此，需水量較多。圍繞旱脅迫對玉米形態和生理生化的影響已展開了研究[6,7]。而鹽脅迫成為玉米生長和產量的主要限制因素，研究表明，鹽脅迫導致植物細胞水勢過低、葉片失水、氣孔導度下降，致使多種代謝失調、光合速率受阻、特定酶活性降低等[8]。由于鹽脅迫是一個持續的并且不斷惡化的影響，因此，選育抗鹽性強，高產穩產的玉米新品種就顯得尤為重要和迫切。玉米是喜溫而耐寒性較差的作物，全生育期要求較高的溫度，而且其耐冷性在不同種質間，同一種質的不同生長階段表現出明顯的差異。低溫引起幼苗萎蔫，甚至死亡，導致巨大的產量損失[9,10]。而北方春玉米區時常發生的早春低溫冷害是玉米生產上主要的氣象災害之一，給玉米生產帶來嚴重影響[11]。苗期抗逆性是玉米育種的重要性狀[12]。【本研究切入點】前人對玉米抗逆性已進行了研究，然而更多的是玉米自交系之間的抗逆性差異研究[4,5]，對雜交種抗逆性差異研究還相對較少。玉米還是喜光作物，前人從光對玉米的生長發育、形態建成、光合生理、產量等方面進行了研究，但大部分是弱光脅迫，對強光的影響研究還相對較少[12]。研究以種植在不同地區 (新疆、東北、山西南部) 的3個玉米雜交種為材料，通過分析幼苗在不同脅迫條件下的表型變化趨勢，比較幼苗抗逆性并比較不同雜交種間的區別。【擬解決的關鍵問題】分析玉米雜交種在不同脅迫條件下的株高、莖粗、葉面積、相對含水量的變化，研究干旱、鹽、低溫、強光等4種非生物脅迫對玉米幼苗形態的影響，比較不同雜交種的苗期抗逆性，為玉米生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

新玉47、九玉J03、九圣禾2468 3個雜交種由九圣禾種業股份有限公司提供。表1

表1 供試玉米雜交種特征
Table 1 Characteristics of tested maize varieties

品種名稱Name株高Height (cm)穗長Ear length (cm)籽粒形狀Seed shape籽粒顏色Seed color千粒重Thousand seed weight (g)生育期Growthperiod (d)審定地域Adaptive region新玉47號Xinyu 47 29024半馬齒型金黃色335125～127新疆九玉J03Jiuyu J0331720～22半馬齒形黃色410127～129東北九圣禾2468Jiusheng he246826617半馬齒形黃色307103～105山西南部

1.2 方 法

1.2.1 玉米幼苗培養及脅迫處理

選取大小一致且成熟飽滿的玉米種子播種于育苗缽里，置于16 h光照/8 h黑暗、100～110 μmol/(m2·s)光強、24～28℃、10%～20%相對濕度下進行培養。于兩葉一心期篩選長勢一致的幼苗進行以下處理：

干旱處理：對照植株正常澆1/2 Hoagland營養液，旱處理植株用1/2 Hoagland營養液配制的不同濃度的PEG 6000溶液 (10%、20%、30%)進行澆灌。

鹽處理：對照植株正常澆1/2 Hoagland營養液，鹽處理植株用1/2 Hoagland營養液配制的不同濃度的NaCl溶液 (100、200、250、300、400、500 mmol/L)進行澆灌。

低溫處理：幼苗分別放置于25℃ (對照)或4℃ (處理)下培養5 d，澆1/2 Hoagland營養液。

光照處理：幼苗分別放置于正常光 (100～110 μmol/(m2·s) )或強光 (180～190 μmol/(m2·s))下培養7 d，澆1/2 Hoagland營養液。

上述各處理每隔3 d澆灌，每次充分澆透后倒去多余的液體，確保花盆底部不積水，每天觀察各處理的生長差異。

1.2.2 植株性狀測量

將處理7 d后的玉米幼苗取出，分別測量其株高、莖粗、葉寬、葉長；

株高 (cm)：用直尺測量植株從土壤表面到最高生長點的長度；

莖粗 (mm)：用游標卡尺測量植株從土壤上面2～3 cm部分的莖稈粗細；

葉寬 (mm)：用直尺測量植株最寬葉的寬度；

葉長 (cm)：用直尺測量植株最長葉的長度；

葉面積 (cm2)=葉長×葉寬×0.75[6]。

1.2.3 鮮重、干重及相對含水量的測定

鮮重、干重 (g)：取植株地上部分，稱其鮮重，然后在105℃下殺青15 min，轉入80℃烘箱烘至恒重，稱其重量；

植株相對含水量 (%)=(鮮重-干重)/鮮重×100%。

1.3 數據處理

采用Excel 2003對數據進行處理，Prism 5、SPSS 19.0軟件處理試驗數據并做統計分析：處理間顯著性差異用單因素方差分析，品種間顯著性差異及相互作用用雙因素方差分析法及Duncan多重比較檢驗法。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對不同雜交種幼苗生長的影響

2.1.1 幼苗形態

研究表明，在旱脅迫下，3個品種的幼苗生長都受到了不同程度的抑制，隨著PEG濃度的增加其株高降低、莖粗變細、葉面積變小 。3個品種各測量指標與PEG濃度呈負相關。10% PEG脅迫對新玉47號，九玉J03的幼苗株高影響不大，但是九圣禾2468的幼苗株高比對照株高減少了18.5%；在20% PEG脅迫下3種雜交種幼苗的株高比各自的對照減少的幅度差異不大；30% PEG脅迫使新玉47號，九玉J03和九圣禾2468的株高分別比各自的對照減少了39.6%、44.2%、29.3%。由雙因素方差分析得出，PEG濃度對幼苗株高影響極顯著 (P<0.001)，而不同雜交種之間差異不顯著 。10% PEG脅迫對新玉47號、九玉J03幼苗的莖粗影響不大；在20% PEG脅迫下新玉47號、九玉J03的莖粗分別比各自的對照減少了23.4%、26.2%；當PEG濃度達到30%時新玉47號、九玉J03的莖粗分別比各自的對照減少了39.5%、47.2%；九圣禾2468的10%、20%、30%脅迫處理組幼苗莖粗都比對照莖粗減少了25%左右。PEG濃度對幼苗莖粗有顯著影響 (P<0.01)，而不同雜交種之間差異不顯著。10% PEG脅迫對新玉47號、九玉J03幼苗的葉面積影響不大，但是九圣禾2468的葉面積比對照減少了24.1%；在20% PEG脅迫下新玉47號、九玉J03和九圣禾2468的葉面積分別比對照減少了34.2%、35.2%、31.9%；當PEG濃度達到30%時新玉47號、九玉J03和九圣禾2468的葉面積分別比各自的對照減少了51.1%、62.5%、38.2%。PEG濃度對幼苗葉面積有極顯著影響 (P<0.001)，而不同雜交種之間差異不顯著 。表2，圖1

2.1.2 相對含水量

研究表明,旱脅迫導致幼苗的相對含水量呈現先升高后下降趨勢。30% PEG處理下九圣禾2468的含水量下降幅度大，比對照減少了24.7%，新玉47號和九玉J03的表現優于九圣禾2468。PEG濃度對幼苗相對含水量有極顯著影響 (P<0.001)，不同雜交種之間也差異極顯著 (P<0.001) 。表2，圖1

注：(A) 株高; (B) 莖粗; (C) 葉面積; (D) 相對含水量

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

圖1 PEG脅迫下幼苗形態和相對含水量變化.
Fig. 1 Effects of PEG stress on seedling morphology and relative water content

旱脅迫后，幼苗形態指標發生了明顯變化。各處理幼苗形態指標中葉面積受傷害最嚴重，而相對含水量受到的影響最小，3個玉米品種耐旱性強弱順序為九圣禾2468>新玉47號>九玉J03。圖2

注：PEG 濃度 (%): 0、10、20、30 (從左到右左)

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

圖2 PEG脅迫處理下不同玉米雜交種幼苗形態變化
Fig. 2 Seedling morphology of different maize varieties under PEG stress

表2 不同處理濃度和不同玉米雜交種幼苗生長雙因素方差
Table 2 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under PEG treatment

差異來源Source of difference株高 Plant height (cm)莖粗 Stem diameter (mm)葉面積Leaf area (cm2)相對含水量Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFPPEG濃度PEG Concentration3713.6728.48<0.0012.875.65<0.01742.8821.08<0.0010.0436.52<0.001玉米品種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脅迫對不同雜交種幼苗生長的影響

2.2.1 形態觀察

在鹽脅迫下，3個品種的幼苗生長均受到不同程度的抑制，隨鹽濃度的增加其株高降低、莖稈變細、葉面積變小 ，3個品種各測量指標與NaCl濃度呈負相關。在100 mmol/L NaCl脅迫下，新玉47號和九玉J03的株高下降幅度都很小，但是九圣禾2468比對照減少了41.7%。由雙因素方差分析得出，NaCl濃度對幼苗株高有極顯著影響 (P<0.001)，不同雜交種之間差異也極顯著 (P<0.01) 。在大于100 mmol/L NaCl脅迫下3種玉米幼苗莖粗的下降趨勢和幅度差異不大，都比對照減少了30%左右；新玉47號的莖粗受NaCl脅迫的影響比其余2個品種大，其莖粗在300、400、500 mmol/L NaCl脅迫下比對照分別減少了35.3%、50.4%、60%。由雙因素方差分析得出，NaCl濃度對幼苗莖粗有極顯著影響 (P<0.001)，不同雜交種之間差異也極顯著 (P<0.001) 。在200～500 mmol/L NaCl脅迫下新玉47號的葉面積下降幅度增大，均比對照減少了40%左右；九玉J03葉面積在200～300 mmol/L NaCl下比對照減少了45%左右，400～500 mmol/L下減少了60%左右；在200～500 mmol/L NaCl脅迫下九圣禾2468的葉面積比對照減少了50.5%。NaCl濃度對幼苗葉面積有極顯著影響 (P<0.001)，不同雜交種之間差異顯著 (0.01

2.2.2 相對含水量

鹽脅迫對3種玉米的生長都產生了不同程度的抑制，使幼苗的相對含水量下降。含水量在400、500 mmol/L NaCl脅迫下比對照分別減少了22.8%和38.8%。即隨著鹽處理時間延長和鹽處理濃度增大，3種玉米幼苗的相對含水量逐漸降低，但新玉47號的下降幅度比九玉J03和九圣禾2468大。圖3

鹽脅迫后，幼苗形態指標發生了明顯變化。其中莖稈受傷害最嚴重，而相對含水量受影響最小。不同品種莖粗和相對含水量受影響的差異較大。鹽脅迫的調節適應能力九玉J03最強，九圣禾2468次之，而新玉47號較為敏感。圖4

注：(A) 株高; (B) 莖粗; (C) 葉面積; (D) 相對含水量

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

圖3 NaCl脅迫下幼苗形態和相對含水量變化
Fig. 3 Effects of NaCl stress on seedling morphology and relative water content

注：從左到右為0、100、200、250、300、400、500 mmol/L

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

圖4 NaCl脅迫處理下不同玉米雜交種的幼苗形態變化
Fig. 4 Seedling morphology of different maize varieties under NaCl stress

表3 不同NaCl濃度和不同玉米雜交種幼苗生長雙因素方差
Table 3 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under NaCl treatment

差異來源Source of difference株高 Plant height (cm)莖粗 Stem diameter (mm)葉面積 Leaf area (cm2)相對含水量 Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFPNaCl濃度NaCl concentration6606.8469.32<0.0012.5614.46<0.001600.3438.97<0.0010.0674.04<0.001玉米品種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 低溫脅迫對不同雜交種幼苗生長的影響

2.3.1 形態觀察

在低溫脅迫下，3個品種的幼苗生長均受到不同程度的抑制，其株高降低、莖粗變細、葉面積變小、植株易倒伏。經4℃處理后新玉47號、九玉J03、九圣禾2468的株高比對照分別減少了26.1%、30%、45.4%。由雙因素方差分析得出，低溫對幼苗株高有極顯著影響 (P<0.001)，而不同雜交種之間差異不顯著。莖粗分別減少了48.2%、44%、25.2%。低溫對幼苗莖粗無顯著影響，且雜交種之間差異不顯著。葉面積分別減少了41.1%、38.6%、53.1%。由雙因素方差分析得出，低溫對幼苗葉面積有顯著影響 (P<0.01)，并且不同雜交種之間差異不顯著。表4，圖5

2.3.2 相對含水量

低溫脅迫導致幼苗的相對含水量下降，3種雜交種幼苗相對含水量下降趨勢及幅度相似。由雙因素方差分析得出，低溫對幼苗相對含水量有極顯著影響 (P<0.001)，且不同雜交種之間差異不顯著。表4，圖5

注：(A) 株高; (B) 莖粗; (C) 葉面積; (D) 相對含水量

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

圖5 低溫脅迫下幼苗形態和相對含水量變化
Fig. 5 Effects of low temperature on seedling morphology and relative water content

表4 不同溫度和不同玉米雜交種幼苗生長雙因素方差
Table 4 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under various temperatures

差異來源Source of difference株高 Plant height (cm)莖粗 Stem diameter (mm)葉面積 Leaf area (cm2)相對含水量 Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFP溫度Temperature 11 435.02159.79<0.0013.871.420.053977.8412.58<0.010.0561.90<0.001玉米品種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

低溫脅迫后，幼苗形態指標發生了明顯變化。其中葉面積受傷害最為嚴重，而相對含水量受到的影響最小，不同品種受到影響的差異也較小。綜合各項指標初步判斷九玉J03耐低溫能力最強，新玉47號次之，九圣禾2468最弱。圖6

注：25℃ (左)；4℃ (右)

Note: 25℃ (left); 4℃ (right)

圖6 不同溫度處理下不同玉米品種幼苗形態變化
Fig. 6 Seedling morphology of different maize varieties under different temperature

2.4 強光脅迫對不同玉米雜交種幼苗生長影響

2.4.1 形態觀察

從外部形態看，處理組比對照莖稈更粗壯、莖稈和葉脈呈紫紅色、不易倒伏、生長受抑制程度也較低 。經強光脅迫后新玉47號、九玉J03、九圣禾2468的株高比對照分別減少了13.5%、18.5%、6.1%。強光對幼苗株高沒有顯著影響，并且不同雜交種之間差異也不顯著 。莖粗分別增加了17.8%、17.6%、55.2%，由雙因素方差分析得出，強光對幼苗莖粗有極顯著影響 (P<0.001)，而不同雜交種之間差異不顯著 。新玉47號、九玉J03葉面積分別減少了18.3%、27%；九圣禾2468葉面積增大了12.4%，強光對幼苗葉面積沒有顯著影響，并且不同雜交種之間差異不顯著 。表5，圖7

2.4.2 相對含水量

強光脅迫后幼苗的相對含水量有增大趨勢，但沒有顯著差異 。光強度對3種玉米幼苗相對含水量有提升效果。表5，圖7

注：(A) 株高; (B) 莖粗; (C) 葉面積; (D) 相對含水量

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

圖7 強光下幼苗形態和相對含水量變化
Fig. 7 Effects of higher illumination on seedling morphology and relative water content

注：正常光 (左)； 強光(右)

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

圖8 不同光強處理下不同玉米雜交種幼苗形態變化
Fig. 8 Seedling morphology of different maize varieties under light stress

強光脅迫后，幼苗形態指標發生了明顯變化，而不同品種間差異較小。九圣禾2468和新玉47號強光脅迫響應較小，而九玉J03則對強光脅迫較為敏感。圖8

表5 不同光強處理和不同玉米雜交種幼苗生長雙因素方差
Table 5 Results of Two-way ANOVA of seedling growth of maize under different light intensities

差異來源Source of difference株高 Plant height (cm)莖粗Stem diameter (mm)葉面積 Leaf area (cm2)相對含水量Relative water content (%)dfMSFPMSFPMSFPMSFP光強Light intensity 1 25.630.260.61420.7817.15<0.0012.180.0170.8970.082.640.122玉米品種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 討 論

干旱、高鹽、低溫等是影響植物生長和產量的最重要的非生物脅迫因素[13]。試驗通過PEG 6000模擬干旱脅迫比較3種玉米雜交種發現九圣禾2468耐旱能力較強； NaCl脅迫發現九玉J03耐鹽能力較強； 4℃脅迫發現九玉J03耐低溫能力較強；幼苗對強光脅迫的適應方面九圣禾2468較強，研究結果表明，不同來源的玉米雜交種具有不同的抗逆特性。

干旱脅迫對玉米的影響最終體現在植株生長方面[14,15]。在干旱條件下，玉米能夠通過降低生長速率和葉片衰老等途徑減少葉面積，尤其是在重度干旱下，生物量積累顯著降低，導致玉米生長受到顯著抑制[16,17]。結果顯示，九圣禾2468的株高、莖粗、葉面積降低幅度比其他2個品種小，表明其耐旱性較強。張仁和等[18]對鄭單958和陜單902材料開展的試驗結果也表明，干旱脅迫造成葉面積等指標下降。

玉米是鹽敏感作物[19,20]，近年來在鹽脅迫對玉米生長、生理響應等方面的影響開展了廣泛研究[21]。試驗對3個不同地區的玉米雜交種的鹽脅迫結果顯示，不同品種的幼苗株高、莖粗、葉面積、相對含水量均隨鹽濃度的升高而降低，結果跟秦雪峰等[22]以鄭單958(甘)、鄭單958(東)、東單14材料得到的結果，以及祭秀亭等[23]以鄭單958、農大108材料得到的結果類似，但是上述研究比較側重于幼苗生理指標的變化，研究側重于形態指標的變化。

研究中，3種玉米雜交種幼苗在低溫脅迫下的生長受到嚴重抑制。玉米苗期冷害程度主要取決于低溫及處理時間的長短[24]。玉米耐寒性在不同時期受不同的基因控制，隨著植株的生長發育，耐寒性會有所變化[25]。試驗僅對玉米雜交種的苗期進行了鑒定，只代表雜交種在這個時期的耐低溫的特性。

光照強度會影響玉米正常的生長發育和形態建成[26,27]，玉米對弱光的響應前人已有了大量的研究[28]，但不同基因型的玉米對強光處理的響應差異則報道較少。對所研究的3種玉米雜交種進行強光脅迫并發現其能作出不同的響應。證實了強光對玉米生長發育的影響存在基因型差異。

各種非生物脅迫成為限制玉米產量的因素[3,28]，苗期抗逆性不能完全代表品種的抗逆水平，要全面了解不同品種抗逆性，還需要對成株期，即開花授粉期和灌漿期進行全面分析，對玉米品種抗逆性得出合理的評價。對糧食作物生產而言，其抗逆性的大小主要體現在產量方面[30,31]。有必要進一步以產量為鑒定指標，對3個玉米品種進行全生育期的抗逆性鑒定。

4 結 論

九玉J03號的耐鹽、耐低溫能力較強；九圣禾2468號的耐旱性，耐強光性較強；新玉47號的抗性一般，表現出玉米雜交種間苗期抗逆性存在差異。九圣禾2468適應種植在東北，黃淮海等地區；九玉J03適合黃淮海地區種植，但更適合東北地區種植；新玉47號適合在內蒙古部分地區種植。