小麥缺鐵脅迫對苗期相關性狀的影響

樊慶琦 隋新霞 黃承彥 崔德周 李永波 楚秀生

摘要：為考察鐵營養元素對普通小麥苗期生長發育的影響，以保存的86份山東省1950年以來搜集、引進和育成的小麥品種為研究對象，在缺鐵脅迫下營養液培養15 d，考察根系數量、主根系長度、根干重、地上部分干重和根冠比與正常培養（對照）的關系以及不同年代供試品種的演變規律。結果表明，除根系長度外，其余4個性狀缺鐵脅迫下與對照相比，差異達極顯著水平；根系數量、根系長度和地上部分干重品種間差異也達極顯著水平。對上述性狀進行方差分析和脅迫指數分析發現，多數小麥品種在缺鐵脅迫下表現為根系數量減少，根干重和根冠比增加，地上部分干重明顯降低。研究還發現，臨麥4號、濰麥8號和山農27等小麥品種具有較強的缺鐵耐受能力，可用于小麥鐵營養高效的遺傳改良。

關鍵詞：小麥；苗期；缺鐵脅迫；根系；脅迫指數

中圖分類號：S512.101文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2018）05-0028-06

Abstract In order to investigate the effect of iron nutrition on growth and development of common wheat at seedling stage， 86 wheat germplasms from Shandong Province under normal culture and iron deficiency treatment were used as material to study the number of roots， length of main root， dry weight of root， dry weight of shoot and root/shoot ratio. Their evolution rules of different times were also studied. The results showed that except root length， the other 4 traits were significantly different between iron deficiency and control treatments. The root number， root length and dry weight of shoots were also significantly different between varieties. Furthermore， the variance and stress index analyses were performed， and the results indicated that most wheat varieties showed decrease in root number and shoot dry weight and increase in root dry weight and root/shoot ratio under iron deficiency treatment. This study also found that the wheat varieties such as Linmai 4， Weimai 8 and Shannong 27 had strong iron tolerance， so they could be used for genetic improvement of wheat iron nutrition.

Keywords Wheat； Seedling stage； Iron deficiency stress； Roots；Stress index

根系是小麥吸收生長發育必需礦物元素的器官。鐵作為小麥必需的微量營養元素，具有重要的生物學功能。它參與葉綠素的合成，影響葉綠體的構造，是合成葉綠素的先決條件[1]。缺鐵將導致細胞膜系統和胞內細胞器的畸變或破壞[2-4]，表型上則表現為黃化失綠現象[5]。另外，鐵還具有參與作物呼吸作用和生物固氮等重要生物學功能[6-9]。

鐵的供給水平和存在形式同樣影響小麥根系的發育。鐵濃度增加，可促進根系生長、根長和根重增加，但鐵供給過量，則會導致毒害，抑制其生長[10，11]。同時，不同的鐵離子存在形式對根系生長及根系酶活性產生不同的影響，EDTA-Fe2+形式的鐵源優于EDTA-Fe3+和FeCl3等鐵源，缺鐵處理下根系ATPase活性略好于其它處理[12]。另外，鐵還影響小麥體內蛋白的變化，可引起諸如金屬耐受蛋白MTP的差異表達[13]，還能導致大量未知蛋白的差異性表達[14]。

由此看出，鐵具有重要的細胞生物學功能，對小麥根系的生長發育具有重大影響。然而，有關鐵元素對小麥苗期生長發育的影響以及品種間的差異，研究相對較少。另外，山東省作為我國重要的小麥主產區，歷經8次品種更換，育成了200余個遺傳來源豐富、類型多樣、用途廣泛的小麥品種[15]，為小麥品種的更新換代和保障國家糧食安全做出了突出貢獻。因此，本研究旨在考察山東省1950年以來搜集、引進和育成的小麥品種缺鐵脅迫對其苗期根系性狀的影響，為鐵營養高效小麥優異種質的挖掘和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

山東省農業科學院作物研究所小麥種質資源庫保存品種86份，系根據系譜剔除親緣關系較近品種如姊妹系等的結果，見表1。

1.2 試驗方法

挑選每份材料籽粒飽滿種子15粒，重復3次。種子經1.5%次氯酸鈉消毒5 min后，腹溝朝下，均勻擺放至珍珠棉和紗網縫制的發芽盤，然后將其放入盛有1 L超純水的培養盒（15 cm×15 cm×20 cm）中，在人工智能溫室中發芽，光照16h/黑暗8h，光強12 000 lx，溫度25℃，3 d換水1次。

種子發芽7 d后，仔細將種子從幼苗根部去除，加入培養液培養。其中，對照處理（Fe+）營養液配方為：0.7 mmol/L K2SO4，0.1 mmol/L KCl，2 mmol/L Ca（NO3）2，0.5 mmol/L MgSO4，0.1 mmol/L KH2PO4，1 μmol/L H3BO4，0.5 μmol/L MnSO4，0.2 μmol/L CuSO4，0.5 μmol/L ZnSO4，0.01 μmol/L （NH4）6Mo7O24，100 μmol/L FeEDTA。缺鐵脅迫（Fe-）營養液配方除無FeEDTA外，其余如對照處理。營養液3 d換1次，培養15 d。

小麥幼苗在營養液中培養15 d后，挑選長相均勻粗壯幼苗10株，以單株為單位采集測定根系數量、根系長度、根干重和地上部分干重。根系數量以根系伸長1 cm為標準計數，根系長度則為根基部至最長根系頂點的長度。從根系基部用剪刀分離，將根系和地上部分分別放至牛皮紙袋中，于烘箱中105℃殺青30 min，以85℃恒溫烘48 h至完全干燥，并用1%電子電平稱重，計算根冠比。根據對照和缺鐵脅迫處理的相關性狀值計算脅迫指數。公式為：

1.3 數據處理

小麥性狀數據均值、標準差以及圖表制作均在Microsoft Excel中進行，方差分析利用DPS高級版處理。

2 結果與分析

2.1 小麥苗期相關性狀的均值及變異系數

統計根系數量、根系長度、根干重、地上部分干重和根冠比共5個性狀在正常鐵營養、缺鐵下性狀值的變幅，以及脅迫指數的變幅，并計算平均值、標準差和變異系數，結果列于表2。表明，小麥根系數量、根系長度和根冠比在不同處理下的最大值和最小值相對比較接近，變幅相對較小；而根干重和地上部分干重不同處理下變幅略大，尤其是地上部分干重，缺鐵脅迫后干重無論最大值或最小值，均明顯降低。

從平均值結果也可看出相似趨勢。缺鐵脅迫與對照相比，根系數量和根系長度相差不大，其平均值略低于對照；根干重和根冠比則略高于對照；僅有地上部分干重，較對照下降明顯，達8.72 mg/株。

脅迫指數能反映出缺鐵脅迫各性狀的變化。從平均值來看，地上部分干重和根冠比等性狀均值均<0，表明多數小麥品種在缺鐵脅迫下數值較對照降低。根系數量、根系長度脅迫指數平均值分別為-0.06和0.02，說明不同處理下小麥品種間的總體變化并不明顯。根干重脅迫指數平均值達0.38，與其它性狀的絕對值相比，表現為最大，可認為小麥品種在缺鐵脅迫下根干物質具有不同程度的增加。

變異系數可以衡量品種間的差異，一般認為超過15%，表明差異過大。從結果來看，除根系數量外，其余4個性狀在不同處理下以及脅迫指數均超過15%，表明均存在較大的品種間差異。這種差異以根干重、地上部分干重和根冠比最為明顯。就脅迫指數而言，絕對值變幅為95.33～970.82，變異尤其明顯，特別是根系長度，說明在不同處理水平下，小麥品種間的差異巨大。

根據上述結果，缺鐵可以導致根干重和根冠比的提高，但卻明顯延緩地上部分生長。

2.2 方差分析

以不同缺鐵處理為因素A，品種為因素B，分別對根系數量、根系長度、根干重、地上部分干重和根冠比等5個性狀進行方差分析，結果見表3。

方差分析結果顯示，不同鐵處理水平下，除根系長度無差異外，其余4個性狀均存在極顯著差異。就品種而言，除根干重、根冠比外，其余3個性狀也存在極顯著差異。

對86個小麥品種的苗期性狀，利用LSD法進行不同鐵處理5%顯著水平多重比較。根系數量，僅有蚰子麥、濟麥23和鑫麥296共3個品種在對照和缺鐵處理下差異不顯著，其余品種均差異顯著；根系長度，64個品種處理與對照間差異達顯著水平，22個品種差異不顯著，分別占供試品種的74.42%和25.58%；根干重，75個品種處理與對照間差異達顯著水平，11個品種差異不顯著，分別占87.21%和12.79%；地上部分干重，僅有復壯30、泰山21和山農27處理與對照間差異不顯著，其余品種均差異顯著；根冠比，78個品種處理與對照間差異達顯著水平，8個品種差異不顯著，分別占90.70%和9.30%。

由此看出，缺鐵確實影響根系的增加、伸長和小麥苗期干物質的積累，而且這種影響存在品種間的差異。

2.3 脅迫指數

對特定品種某一性狀而言，脅迫指數>0，可以理解為該品種在此性狀上，缺鐵脅迫的影響較小，具有一定程度的耐受；反之，則可認為對缺鐵脅迫較為敏感。以0為分界線，統計86個小麥品種脅迫指數>0和<0的分布頻率，結果如圖1所示。

根系數量脅迫指數>0和<0的頻率分別為19.77%和80.23%。脅迫指數>0的小麥品種中，只有淄麥12、山農27和良星77脅迫指數在0.1以上。

根系長度脅迫指數>0和<0的頻率分別為45.35%和54.65%。其中，濰麥8號和濟麥19脅迫指數分別達到0.97和0.87，表現出較強的鐵耐受。

根干重脅迫指數>0和<0的頻率分別為62.79%和37.21%。脅迫指數>0的品種中，17個品種脅迫指數>1，值得注意的是，扁穗麥和煙輻188分別高達2.76和2.41。

地上部分干重脅迫指數>0和<0的頻率分別為10.47%和89.53%。脅迫指數>0的品種相對較少，其中臨麥4號、煙農15和濰麥8號的數值均在0.2以上。

根冠比脅迫指數>0和<0的頻率分別為82.56%和17.44%。臨麥4號、濟南16、扁穗麥、山農27、濟南17、煙2415、魯麥11、矮豐3號和萊陽4671共9個品種的脅迫指數均超過2，尤其是臨麥4號和濟南16，其脅迫指數分別為4.53和4.34。

根據脅迫指數的分布頻率，多數小麥品種缺鐵脅迫條件下可導致根系數量的減少、地上部分干重的降低，以及根干重的增加。對于根系長度，因品種而異，其分布頻率相差不大。

2.4 不同年代小麥品種鐵脅迫性狀間的演變規律

對20世紀50年代以來的供試小麥品種，以10年為標準計算平均值和標準差，繪制演變趨勢柱狀圖如圖2，并以每10個品種的性狀值為重復進行方差分析和多重比較。

結果表明，根系數量，除2010年代的小麥品種平均值在缺鐵脅迫下高于對照外，其余年代的品種均低于對照。方差分析表明，對照處理下，供試品種年代間差異極顯著，以70年代小麥品種表現最高；缺鐵處理下，年代間品種差異不顯著。

根系長度，不同年代間在缺鐵和對照處理下表現出不同趨勢，如20世紀50年代和2010年以后的小麥品種平均值缺鐵脅迫低于對照，而70年代的品種則高于對照，方差分析結果顯示，處理與對照在年代間均不顯著。

根干重，除2010年以后審定品種缺鐵脅迫低于對照外，其余年代品種均高于對照，而且缺鐵脅迫處理年代間品種差異呈顯著水平，但對照則差異不顯著。

地上部分干重，所有年代品種缺鐵脅迫均低于對照。方差分析表明，缺鐵處理年代間品種差異呈極顯著水平，而對照則差異不顯著。

根冠比，所有年代品種缺鐵脅迫均高于對照，且兩處理年代間品種均差異不顯著。

3 討論

小麥等禾本科單子葉植物通過根系分泌的麥根酸，螯合根際土壤的鐵離子，然后轉運至體內供生長發育所需的鐵營養元素[16，17]，因此，研究不同鐵處理小麥根系等相關性狀的發育規律，顯得尤為重要。

根據本研究結果，小麥幼苗在營養液中培養15 d后，根系數量多在6～12條之間，平均為8～9條，無論在缺鐵脅迫和對照情況下，品種間均存在極顯著差異。多數品種（80%以上）缺鐵脅迫下的根系數值低于對照。不同年代間小麥品種比較，也顯示2010年以后的審定品種平均值高于對照，其余年代的品種均低于對照。由此認為，缺鐵脅迫可導致小麥根系數量的減少，但存在品種間的差異，根系數量較高的品種可能具有較強的缺鐵耐受能力。

根系長度缺鐵脅迫和對照處理下差異不顯著，但品種間存在極顯著差異。而從脅迫指數的分布頻率或不同年代品種的平均值來看，該性狀變化規律不明顯。似乎表明，缺鐵脅迫并未對該性狀產生明顯的影響，品種間的差異可能是由基因型的差異所決定的。

根干重雖然在品種間差異不顯著，但缺鐵脅迫與對照呈極顯著差異。脅迫指數超過60%的品種>0，表明較多品種在缺鐵脅迫下根干重較對照增加。除2010年以后的審定品種外，其余年代品種平均值也均高于對照。因此，雖然品種間差異不明顯，但缺鐵脅迫具有誘導根系干物質積累的趨勢。

地上部分干重缺鐵脅迫品種間均存在極顯著差異，無論從總平均值還是不同年代品種平均值，缺鐵脅迫均低于對照，脅迫指數超過80%的品種均<0。由此說明，缺鐵脅迫顯著降低地上部分干物質的積累，影響了苗期地上部分的生長，導致地上部分干重的降低。

根冠比是地下和地上生長綜合影響的結果，根據上述分析，缺鐵脅迫可誘導根干重的增加，而降低地上部分干重。因此，從總平均值和不同年代品種平均值來看，缺鐵脅迫均高于對照，80%以上品種脅迫指數均>0也說明了這一點。

值得注意的是，根據本研究結果，在缺鐵脅迫下，小麥根系數量有所減少，根系長度無明顯變化，而根干重卻增加明顯。究其原因，一是可能由于根系長度只是采集最長主根系的長度，根干重的增加可能來自于次根系的貢獻；二是可能由于根毛的增加所致。因此，仍需對其進一步研究以明確原因。

另外，本研究篩選的臨麥4號、濰麥8號和山農27等小麥品種表現出較強的缺鐵耐受能力，而且具有較好的農藝性狀，可充分利用這些小麥種質資源，以提高小麥鐵營養高效新種質創新。

4 結論

多數小麥品種在缺鐵脅迫下導致根系數量減少、根干重增加和地上部分干重降低，并顯著影響地上部分的正常生長，而小麥主根系的伸長則因品種而異，受缺鐵脅迫的影響不明顯。

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