外源赤霉素對不同耐深播性玉米自交系的深播緩解效應

陸晏天，陳奮奇，白明興，莊澤龍，丁永福，彭云玲,2

(1.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省干旱生境作物學重點實驗室/甘肅省作物遺傳改良與種質創新重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

玉米(ZeamaysL.)是世界上種植面積最大和產量最高的農作物，自2012年以來，我國玉米種植面積達3.4×106hm2[1]。氣候變化導致2/3的玉米種植在干旱或半干旱地區，春季干旱缺水是玉米種子萌發的重要限制因子。干旱干擾玉米的生理代謝，嚴重影響其產量和品質，可使玉米減產20%～50%[2-3]。

深播策略是確保種子安全萌發的有效措施。我國育種家在20世紀90年代初，利用耐深播玉米種質培育出很多耐深播的抗旱品種。董存吉等[4]利用引進的印第安種質與我國優良自交系‘自330’組配，培育出耐深播自交系SN38，并選育出產量高、抗倒伏、耐旱性強的雜交種‘抗42’。山西省農業科學院以自選系‘太160-2’為母本，耐深播長根莖自選系LR1921為父本，培育出了抗倒、抗旱、高產的玉米新品種‘旱玉5號’[5]。2001年，Polthanee[6]提出在早期生長階段，花生種子攜帶的營養物質有限且深層土壤氧氣少，導致其根系發育受阻，但在播種后60～90 d，深播不僅能提高根密度和植株總干質量，而且會提高種子的產量和百粒重。彭云玲等[7]綜合評價了45份不同亞群玉米自交系的耐深播能力，發現Lancaster(LAN)、四平頭(SPT)、PA等3個亞群的種質較其他亞群有較強的耐深播能力。張磊等[8]通過鑒定46份玉米自交系的耐深播特性，篩選出7份耐深播的玉米種質。鑒于耐深播玉米品種在抗旱上的優勢，對其耐深播特性的影響因素、生理及分子遺傳機制進行研究具有十分重要的意義。

在耐深播評價體系中，將出苗率、中胚軸長及胚芽鞘長作為重要的評價指標[9-10]。中胚軸及胚芽鞘的伸長不僅是種子破土出芽的原動力，而且其伸長同時受各種外源激素(GA，IAA，ABA，CTK，ETH)的影響。杜金友等[11]選用5個春播玉米品種，研究發現中胚軸內源激素是調控其長度的重要物質，其中IAA起主要促進作用。Takahashi[12]研究表明，同時施加外源ETH和GA可使秈稻中胚軸長度顯著伸長。Watanabe等[13]研究發現GA、ABA、IAA及ETH都可促進水稻中胚軸的伸長，其中，ABA促進細胞分裂，GA、IAA及ETH主要促進細胞的伸長。趙光武等[14]研究表明，深播、外源GA3和IAA處理后，玉米中胚軸細胞均顯著伸長，但其細胞數目變化均不大。此外， GA是一種高效調節植物生長的激素，在調控植物生長發育和參與植物各種逆境脅迫響應過程中具有重要作用。雖然GA在深播上的研究已很多，但對玉米耐深播機理的研究鮮有報道。本研究以耐深播自交系和深播敏感自交系為試材，分別在3、15、20 cm播深處理下施加不同濃度的外源GA，分析不同播深脅迫下玉米幼苗的生長參數，綜合評價其在提高玉米耐深播能力中的作用效果，為提高玉米耐深播性的栽培實踐提供技術依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以耐深播自交系N192、Mo17和深播敏感自交系‘吉853’、‘自330’為試材，使用赤霉素(GA，C19H22O6)原粉進行試驗，GA購自美國Sigma公司，用98%乙醇溶解稀釋到適宜的濃度，乙醇最終含量為0.1%，調節pH值至7.0。

1.2 試驗方法

1.2.1 種子預處理 從4份玉米自交系中選擇均勻、飽滿的種子，先用0.5%NaClO溶液消毒10 min后，用重蒸水沖洗3次；用滅菌濾紙吸干附著水，分別以相應濃度的GA溶液(0、2.0、4.0、6.0、8.0 mg·L-1)浸種24 h，以備試驗所用。

1.2.2 種子深播試驗 先將滅菌蛭石與相應濃度GA溶液按照5 g∶1 mL統一配土，將含有相應溶液的蛭石裝入尼龍網封底的PVC管(直徑17 cm，高50 cm)中，將用相應溶液浸種過的種子10粒播入對應溶液蛭石的PVC管中，再覆上對應溶液濃度的蛭石至滿管。各處理3次重復，播后每隔2 d定量澆50 mL相應濃度的GA溶液，于人工氣候室萌發10 d后測定相關性狀。

試驗共設15個處理，其中對照處理包括：CK1(播深3 cm)，CK2(播深15 cm)，CK3(播深20 cm)；3 cm播深處理包括：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深播脅迫處理包括：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深播脅迫處理包括：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 耐深播相關性狀測定 參照彭云玲等[15]的方法，測定每一材料在相應處理下的出苗率(RAT)、苗鮮質量(SW)、中胚軸長(MES)、胚芽鞘長(COL)、中胚軸和胚芽鞘鮮質量(MESW和COLW)、中胚軸與胚芽鞘長之和(MES+COL)、苗長(SDL)、根長(RL)、根鮮質量(RW)等表型性狀。取相應處理下各材料的中胚軸和胚芽鞘，采用Syros[16]的方法測定木質素(LIG)含量；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑光還原法[17]，過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚法[17]，過氧化氫酶(CAT)活性測定采用紫外吸收法[17]。參照趙小強等[18-19]的方法，計算單個性狀在深播脅迫下的變化率(RC)及深播脅迫下施加外源GA后的RC，其公式為：

(1)

(2)

式中，RCic為第i種深播脅迫下相應性狀的變化率；RCin為第i種深播脅迫下施加第n種濃度的GA后相應性狀的變化率；TCK(+)為CK1下的測定值；TCK(-)i為第i種深播脅迫(15 cm或20 cm)對照處理即CK2或CK3的測定值；Ti-n為第i種深播脅迫下第n種濃度下的相應性狀測定值。

1.2.4 施加外源GA后玉米耐深播性的綜合評價 利用隸屬函數法對不同播深下施加不同濃度外源GA對玉米的耐深播性進行綜合評價，隸屬函數計算公式[20]為：

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

(3)

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

(4)

式中，Uin表示第i個播深下相應性狀在施加第n種濃度外源GA下的耐深播隸屬值；Xin表示第i個播深下相應性狀在施加第n種濃度外源GA下的測定值；Xinmin表示第i個播深下相應性狀在施加第n種濃度外源GA下的最小值；Xinmax表示第i個播深下相應性狀在施加第n種濃度外源GA下的最大值。若所測指標與施加外源GA后的耐深播調節作用呈正相關，則采用(3)式計算隸屬值，反之則采用(4)式。累計各性狀在相應深播脅迫下施加不同濃度外源GA的隸屬函數值，并求其算數平均值進行比較，其值越大則表示施加外源GA后玉米的耐深播性越強。

1.2.5 數據統計分析 所有試驗數據均采用Microsoft Excel 2016軟件進行統計繪圖，采用IBM SPSS 24.0軟件對數據進行PCA分析。

2 結果與分析

2.1 深播脅迫下不同濃度外源GA對深播敏感型玉米幼苗生長的影響

2.1.1 生長參數和生理生化指標 深播敏感自交系‘吉853’和‘自330’在深播脅迫下各生長參數(圖1)和生理生化特性(圖2)均存在差異。在深播脅迫下，與3 cm播深處理(CK1)相比，‘吉853’和‘自330’在15 cm(CK2)和20 cm (CK3)深播處理下的中胚軸長、胚芽鞘長、中胚軸和胚芽鞘長之和呈增加趨勢，平均增幅介于23.43%～70.46%；而出苗率、苗長、根長則呈降低趨勢，兩品種分別下降了63.12%、69.20%，7.83%、35.98%，8.26%、25.23%。此外，中胚軸CAT酶活性和木質素含量，胚芽鞘SOD、CAT酶活性及木質素含量呈增加趨勢。在3 cm播深條件下施加不同濃度的外源GA后，14個性狀的均值與CK1相比均有不同程度的增加。說明施加外源GA對玉米幼苗生長具有一定的調節作用。

15 cm和20 cm深播脅迫下施加外源GA能有效促進‘吉853’和‘自330’中胚軸、胚芽鞘、根及幼苗的生長，在深播脅迫下對玉米幼苗的緩解具有促進作用，但不同濃度外源GA對玉米幼苗各生長參數的響應程度有所不同。15 cm深播脅迫下施加4.0 mg·L-1的外源GA后(B2)，‘吉853’、‘自330’玉米自交系的出苗率，苗長、根長、中胚軸長、胚芽鞘長及中胚軸和胚芽鞘長之和變化最大，較CK2分別平均增加了18.25%，2.67、1.01、3.78、1.61 cm和5.40 cm。

20 cm深播脅迫下施加6.0 mg·L-1外源GA后(C3)，玉米自交系‘吉853’的中胚軸和胚芽鞘長之和達到最大值，RC為-71.98%，2份材料的出苗率，苗長、根長、中胚軸長、胚芽鞘長及中胚軸和胚芽鞘長之和與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深播脅迫下施加8.0 mg·L-1GA(B4)時中胚軸POD酶活性、木質素含量和胚芽鞘CAT酶活性、木質素含量均達到最大值，較CK2平均分別增加了110.48%、107.62%和228.51%、100.02%；施加4.0 mg·L-1GA時(B2)中胚軸SOD酶活性達到最大值，RC為-60.19%。20 cm深播脅迫下施加6.0 mg·L-1GA時(C3)中胚軸SOD、POD酶活性、木質素含量和胚芽鞘SOD酶活性達到最大值，與CK3相比平均分別增加了13.65%、244.68%、109.18%和12.08%，而在施加8.0 mg·L-1GA后胚芽鞘木質素含量達到最大值，RC為-86.53%。

2.1.2 外源GA最佳處理濃度的綜合篩選 對外源GA的最佳處理濃度進行篩選，發現15 cm和20 cm深播脅迫下施加不同濃度外源GA后玉米耐深播性隨濃度的增加呈先升后降趨勢，15 cm深播脅迫下施加4.0 mg·L-1的外源GA后，玉米自交系的耐深播性最強，其隸屬函數值為0.602(表1)； 20 cm深播下施加6.0 mg·L-1的外源GA后，其耐深播性最強，隸屬函數值為0.598。

2.2 深播脅迫下最佳濃度外源GA對耐深播性不同玉米幼苗的緩解效應

2.2.1 最佳濃度外源GA對玉米生長參數和生理特性的影響 深播脅迫下，耐深播性不同玉米自交系的生長參數間差異顯著。4份玉米自交系在深播脅迫下的出苗率、苗長和根長較CK1呈降低趨勢(圖3)，N192和Mo17分別降低了35.55%、6.80 cm、2.00 cm和53.85%、7.83 cm、4.66 cm；‘吉853’和‘自330’分別降低了65.00%、6.04 cm、11.19 cm和69.00%、8.59 cm、6.95 cm。中胚軸和胚芽鞘長及中胚軸胚芽鞘長之和呈增加趨勢，N192、Mo17、‘吉853’、‘自330’依次分別增加了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、苗長和根長的降幅顯著大于耐深播玉米自交系，耐深播自交系的中胚軸和胚芽鞘長及二者之和的增幅顯著大于深播敏感自交系。施加最佳濃度外源GA后對深播脅迫有明顯的緩解，B2與CK2相比，各生長參數均有所上升，且深播敏感自交系的出苗率、苗長、根長、中胚軸長、胚芽鞘長和中胚軸胚芽鞘長之和比耐深播自交系分別增加389.06%、16.43%、4.25%、59.16%、34.24%和48.64%；C3與CK3相比，除‘自330’的出苗率外其余生長參數仍呈增加趨勢，深播敏感自交系上述各生長參數的變幅比耐深播自交系分別增加了85.30%、49.96%、27.79%、144.36%、1.23%、65.20%。即深播敏感自交系對外源GA的敏感性大于耐深播自交系，且通過表型可得出耐深播性N192>Mo17>自330>吉853。

深播脅迫下，玉米中胚軸及胚芽鞘中的各生理指標大致呈增加趨勢(圖4)，其RC介于40.12%～-356.80%。B2處理的耐深播自交系各抗氧化酶活性及木質素含量的平均增幅為20.02%～99.78%，而深播敏感自交系的增幅為12.49%～25.39%；C3處理的耐深播自交系各生理指標增幅較深播敏感自交系小，為7.42%～244.68%，深播敏感自交系為1.80%～163.43%。即在不同播深脅迫下，添加最適濃度外源GA后對深播敏感自交系‘吉853’和‘自330’的緩解效應明顯強于耐深播自交系N192和Mo17。

2.2.2 聚類分析 對4份玉米自交系和15、20 cm播深對應最適濃度下的生長參數及生理指標進行聚類分析(圖5)，4份玉米自交系聚成了2類，分別為耐深播自交系N192和Mo17、深播敏感自交系‘吉853’和‘自330’；15 cm和20 cm播深最適濃度下的19個性狀中，分別將出苗率、中胚軸長、中胚軸重及中胚軸和胚芽鞘長之和聚成第一類，將胚芽鞘長、苗長和胚芽鞘重聚成第二類，表明這些性狀對玉米深播條件下幼苗出土和深播性的評價至關重要。

2.2.3 主成分分析 以4份玉米自交系在深播脅迫下及最適濃度GA緩解下苗期的19個指標為基礎，進行因子分析和主成分分析(見表2、表3)，選取特征值大于1的4個主成分，深播脅迫4個主成分的累計貢獻率為88.259%，其中PC1特征值是8.525，貢獻率為44.868，較大的特征向量是中胚軸長、中胚軸和胚芽鞘長之和、胚芽鞘的SOD酶活性；PC2的特征值為4.455，貢獻率為23.449%，載荷較高的是根數和出苗率；PC3的特征值是2.241，貢獻率為11.793%，載荷較高的是中胚軸的SOD酶活性；PC4的特征值為1.548，貢獻率為8.149%，特征值較高的是胚芽鞘的SOD酶活性。4個主成分涵蓋了4個玉米自交系19個指標在深播脅迫下幾乎90%的數據信息。

表2 各指標特征值及貢獻率

施加最適濃度外源GA后將該19個單項指標轉化為4個相互獨立的指標，同時也代表了原始數據大部分信息，GA緩解下4個主成分的累計貢獻率為86.881%。PC1的貢獻率為36.87%，特征值為7.005，中胚軸SOD酶活性和中胚軸、胚芽鞘木質素含量在第一主成分上有較高的載荷；PC2的貢獻率為20.172%，中胚軸長、中胚軸和胚芽鞘長之和、出苗率有較高的載荷值；PC3的特征值為3.629，貢獻率為19.110%，中胚軸中POD、CAT酶活性具有較高的載荷值；PC4累計解釋了10.739%的貢獻率，根數和苗長在第四主成分上有較高的載荷。

對玉米自交系萌發期耐深播性評價時，出苗率、中胚軸長、中胚軸和胚芽鞘長之和是主要的評價指標，中胚軸中SOD、POD、CAT酶活性，中胚軸、胚芽鞘中木質素含量可作為二級評價指標，根數和苗長可作為三級評價指標。

3 討論與結論

深播雖為一種解決干旱的有效措施，但是作物深播時由于土壤阻力和空氣減少，往往表現出出苗時間長、出苗率低、幼苗活力減弱[21-22]。有研究發現添加外源調節物質可以有效緩解非生物脅迫，張永芳等[23]研究表明，在鹽脅迫處理同時分別加入60、80、100、120 mg·L-1外源GA3，谷子種子的發芽率、發芽勢、發芽指數、根長、芽長均有一定程度提高，因此外源GA3對鹽脅迫起到了一定的緩解作用。此外，郭郁頻等[24]也發現，在干旱脅迫下給苜蓿幼苗施加100 mg·L-1外源GA后顯著提高了幼苗的抗旱性。鑒于添加外源GA可保護細胞抵御不利環境的影響，因此，本試驗通過對生長參數和生理性狀分析，發現玉米在15 cm深播脅迫下施加4.0 mg·L-1外源GA(B2)后緩解效應最佳，其隸屬函數值為0.602；20 cm深播脅迫下施加6.0 mg·L-1外源GA(C3)后緩解效應最佳，其隸屬函數值為0.598。

深播脅迫對耐深播自交系N192、Mo17和深播敏感自交系‘吉853’、‘自330’均表現出形態應激，耐深播自交系的變化幅度均小于深播敏感自交系。趙光武等[14]研究發現在 25 cm 深播脅迫下，玉米中胚軸中 GA3和 IAA 含量分別增加 19.0%和 50.9%。張同禎等[25]研究發現，光照能顯著抑制玉米胚軸的伸長，中胚軸中 H2O2含量、POD 酶活性及木質素含量均顯著升高，且中胚軸長度與 H2O2含量、POD 酶活性及木質素含量均呈顯著或極顯著負相關。本研究發現，隨著播深的增加，中胚軸和胚芽鞘的SOD、POD、CAT活性及木質素含量呈增加趨勢，暗示深播脅迫可能會導致玉米中胚軸和胚芽鞘中ROS系統發生變化，激發抗氧化酶系使活性氧水平下調，減輕 O2-和 H2O2等對其造成的傷害，而冗余的H2O2可能會誘使 POD 氧化細胞壁的單木質醇為自由基并聚合為木質素，其作為細胞次生壁的主要組成部分，可通過共價鍵綁定半纖維素，進而決定細胞壁彈性的大小或加固細胞壁的機械強度，增強中胚軸和胚芽鞘對病原微生物侵害的抵御能力及抗折性能。綜上所述，除出苗率、中胚軸長、胚芽鞘長、苗長及根長等表型性狀與玉米耐深播性緊密相關外，玉米中胚軸和胚芽鞘中的各生理特性也可通過彼此間的相互作用進一步影響玉米中胚軸和胚芽鞘的伸長和發育，以促進深播脅迫下植物的生長發育。

為進一步研究外源GA對深播的緩解效應，本研究比較了不同播深下施加最適濃度外源GA后深播性不同玉米的生長情況，發現耐深播性不同玉米植株的生長參數和生理特性存在差異，施加最適濃度外源GA對玉米自交系的生長參數和生理指標起促進作用。前人研究也證明，適宜濃度外源 GA 對干旱[26-27]、鹽堿[28]、低溫[29]等非生物脅迫下植物幼苗生長發育及抗氧化酶和各種滲透物質的調節具有顯著影響。本研究表明，在 2 種深播脅迫下施加最適濃度GA對玉米自交系的出苗率、苗長、根長、中胚軸長、胚芽鞘長均有正向調節作用。此外，與相應對照處理相比，施加外源GA 后中胚軸和胚芽鞘中 SOD、POD、CAT 酶活性及木質素含量均有不同程度的升高，說明深播脅迫下GA 信號調控了玉米中胚軸和胚芽鞘細胞生長內環境的穩定性，因此降低了深播脅迫對中胚軸和胚芽鞘生長的傷害。

主成分分析通過變量間的相關性對數據進行降維，保證了數據的可靠性且消除了品種間的差異[30-32]。結合聚類分析，依據不同數據源間的相似性對參試品種及指標進行聚類，將耐深播及深播敏感材料各聚成一類，將各指標聚成2類。此方法結合主成分分析結果，出苗率、中胚軸長、中胚軸和胚芽鞘長之和是主要的評價指標，中胚軸中SOD、POD、CAT酶活性、中胚軸和胚芽鞘中木質素含量可作為二級評價指標，根數和苗長可作為三級評價指標。