玉米自交系JH089種子萌發及幼苗生長的抗逆性

趙海菊，艾麗曼·阿布來孜，塔伊爾·買買提江，梁曉玲，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.新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊 830091；3.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】植物在生長發育過程中會受到各種不利因素的影響，其中干旱、鹽和低溫脅迫是限制植物生長及影響農作物產量的主要因素[1]。玉米是重要的糧食作物，其產量占到世界糧食總產量的40%[2]。近年來，我國玉米播種面積和產量持續增長，成為我國重要的糧食、飼料及工業原料作物[3-4]。但是我國約2/3的玉米種植在干旱半干旱地區[5]，玉米對鹽旱脅迫較敏感[6]，開展對玉米抗逆性的研究，對玉米栽培及培育抗逆品種具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前，對玉米雜交種及自交系的抗旱耐鹽性已有研究，發芽勢、活力指數、胚根胚芽長度及質量等可作為抗逆性鑒定指標[7-9]，玉米雜交種的抗性主要來源于親本自交系，不同自交系的抗性有顯著差異[10-12]。種子萌發和幼苗階段是植物生活周期中兩個最重要的時期，決定著種群的繁衍[13-14]?！颈狙芯壳腥朦c】種子在萌動期抗旱性最高，出土成苗期最差[15-16]，而玉米出土成苗階段又關聯著隨后的苗全、苗長勢，并影響單株及總產量。玉米自交系JH089屬于NSS類群、中熟、脫水快、出籽率高、抗倒伏、制種產量高，其一般配合力較高。研究玉米自交系JH089種子萌發及幼苗生長的抗逆性?！緮M解決的關鍵問題】研究自交系JH089在不同脅迫下的種子萌發特性及幼苗生長情況，分析其對各種脅迫的耐受性，為選育抗逆雜交種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

玉米自交系JH089種子為九圣禾種業股份有限公司提供。

1.2 方 法

1.2.1 種子萌發

選取飽滿且大小一致的種子，用75%乙醇浸泡滅菌5～10 min，再用蒸餾水沖洗3～4次，置濾紙上吸水晾干備用。蒸餾水配制NaCl溶液，處理濃度分別為0、100、200、250、300、400、500 mmol/L；PEG 6000溶液處理濃度為10%、20%、30%。含有3層濾紙的培養皿滅菌后，每皿加入30 mL NaCl和PEG溶液(濾紙飽和且溶液浸沒種子厚度的1/5)，對照加蒸餾水，每處理3次重復，每重復30粒種子，胚朝下均勻擺放在培養皿中，置于12 h光照/12 h黑暗、25～28℃、相對濕度40%～50%、光照強度100 μmol/(m2·s)的人工氣候箱(RXZ-500D-LED，浙江寧波江南儀器廠)中進行萌發實驗。培養期間每隔24 h記錄1次發芽種子數，參照GB/T 3543.4農作物種子檢驗規程，以胚根突破種皮長度達2 mm 為發芽標準。相關指標按照以下公式計算：種子萌發率=Gi/Gn×100%，其中，Gi為第7 d發芽種子數，Gn為供試種子數；種子發芽勢=Ga/Gn×100%，其中，Ga為第5 d發芽種子數，Gn為供試種子數；發芽指數(GI)=∑Gt/Dt，活力指數(VI)=∑(Gt/Dt) ×S=GI×S，其中，Gt為不同時間的發芽數，Dt為相應的發芽天數，S為平均胚芽質量；種子萌發抗旱或耐鹽指數=水分脅迫下種子萌發指數(PIS)/對照種子萌發指數(PIC)，其中，PI=1nd2+0.75nd4+0.5nd6+0.25nd8(式中nd2、nd4、nd6、nd8分別為第2、4、6、8 d的種子萌發率)[17-22]。

1.2.2 幼苗培養及處理

選取完整飽滿種子播于含有營養土∶蛭石=2∶1(V∶V，混合均勻)的黑色塑料營養缽中 (長∶寬∶高 = 7 cm ∶7 cm ∶ 7.5 cm)，于28℃，10%～20%相對濕度，16 h 光照/8 h 黑暗條件下生長，幼苗長到2葉時，選取生長良好一致的幼苗進行脅迫處理。用1/2 Hoagland營養液配制 NaCl溶液，處理濃度分別為0、100、200、250、300、400、500 mmol/L，PEG 6000溶液處理濃度分別為10%、20%、30%。每隔2～3 d 澆灌相應濃度的溶液，對照植株澆1/2 Hoagland營養液。每次補澆處理液的體積和浸潤時間保持一致，并確保將土壤中的液體全部置換掉。另選取生長良好一致的幼苗在光照培養箱中進行4℃低溫處理，處理時間為3.5和5.5 d，處理后放置于正常條件下恢復生長至第8 d。

1.2.3 苗期指標測定

分別于各種脅迫處理后0、2、4、6、8 d拍照，并于第8 d用直尺或卡尺測定各處理的株高、莖粗、最大葉長度及寬度；用分析天平測定幼苗地上部鮮重，于恒溫箱中105℃殺青15 min，轉入80 ℃ 恒溫箱中烘干至恒重，稱重，即為干重。

1.3 數據處理

采用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，Duncan法進行顯著性檢驗(P<0.05)。采用Graphpad Prism Version 7進行軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 NaCl和PEG對玉米自交系JH089種子萌發的影響

2.1.1 NaCl對種子萌發的影響

研究表明,隨著鹽濃度的升高，各項指標均呈下降趨勢，雖然萌發率及發芽勢在300 mmol/L NaCl或較低濃度處理時沒有顯著差異，發芽率與發芽勢均達到90%，但是發芽指數及活力指數均與對照有顯著差異，特別是活力指數在100 或200 mmol/L處理時比對照分別降低了35%或91%。耐鹽指數在200至300 mmol/L NaCl 處理之間沒有差異，但是與對照相比下降了約0.4。100 mmol/L NaCl處理與對照相比，幾乎在同一時間達到最大萌發率，隨濃度增加，種子萌發時間增長。100 mmol/L處理的幼苗主根長比對照降低約63%，胚芽高降低了約33%。在形態上，200 mmol/L NaCl處理時的植株胚根與側根均變粗短，隨濃度增加胚根更短，基本無側根，第7 d時胚根開始褐化，雖有胚芽伸長，但顯著短于對照，500 mmol/L NaCl處理時第7 d僅有數量較少的種子胚芽開始突破種皮露白。圖1,表1

圖1 不同濃度NaCl或PEG處理下玉米自交系JH089種子萌發變化
Fig. 1 Effect of NaCl or PEG on seed germination of maize inbred JH089

表1 不同濃度NaCl處理下玉米自交系JH089種子萌發特性變化
Table 1 Effect of NaCl on seed germination of maize inbred JH089

NaCl濃度NaCl con. (mmol/L)發芽勢Ger. pot.(%)發芽指數Ger. index活力指數Vigor index耐鹽指數Salt tol. index主根長Rootlen. (cm)胚芽長Bud len. (cm)根鮮重Root fre.wt (g)胚芽鮮重 Bud fre. wt (g)097.78 a49.61 a128.57 aN. A.14.65 a8.22 a2.5 a2.59 a10088.89 a43.03 b82.98 b0.85 a5.35 b5.47 b0.96 b1.93 b20091.11 a33.68 c36.68 c0.60 b1.74 c3.87 c0.47 c1.09 c25093.33 a33.24 c26.98 c0.59 b0.82 d2.96 d0.12 d0.81 d30095.56 a28.78 d14.56 d0.59 b0.59 d1.83 e0.08 d0.51 e40057.78 b16.62 eN. A.0.35 cN. A.N. A.N. A.N. A.5001.11 c2.33 fN. A.0.036 dN. A.N. A.N. A.N. A.

注：-: 未獲得數據; con.: 濃度; Ger.: 萌發; pot.: 潛在; tol.: 耐受; len.: 長度; fre.: 新鮮; wt.: 重量

Note: -: not available; con.: concentration; Ger.: germination; pot.: potential; tol.: tolerance; len.: length; fre.: fresh; wt.: weight

2.1.2 PEG對種子萌發的影響

研究表明,隨著PEG濃度的升高，各項指標均呈現下降趨勢。與對照相比，萌發率、發芽勢及發芽指數在10% PEG濃度處理時與對照沒有顯著差異，但是活力指數及抗旱指數明顯下降，特別是活力指數比對照下降了約46%；主根或胚芽長分別下降了33%，或32%，差異顯著。20% PEG處理時植株萌發率較對照降低26%，差異顯著；抗旱指數下降了0.6。10% PEG處理與對照幾乎同一時間達到最大萌發率。在形態上，10% PEG處理比對照生長緩慢，但是生長狀態正常，側根數多于對照。20% PEG處理的種子胚芽未萌發，只有細長的胚根，側根數少；30% PEG處理的種子未萌動。圖1，表2

表2 不同濃度PEG處理下玉米自交系JH089種子萌發特性變化
Table 2 Effect of PEG on seed germination of maize inbred JH089

PEG含量PEG (%)發芽勢Ger. pot. (%)發芽指數Ger. index活力指數Vigor index抗旱指數Dro. resis. index主根長Root len. (cm)胚芽長Bud len. (cm)根鮮重Root fre.F .wt (g)胚芽鮮重 Bud fre. wt (g)097.78 a49.61 a128.57 aN. A.14.65 a8.22 a2.5 a2.59 a1092.22 a44.92 a68.52 b0.899.75 b5.61 b1.6 b1.53 b2065.56 b19.33 bN. A.0.403.47 cN. A.0.26 c0.04 c30N. A.N. A.N. A.N. A.N. A.N. A.N. A.N. A.

注：-: 未獲得數據; con.: 濃度; Ger.: 萌發; pot.: 潛在; dro: 干旱; resis.: 耐受; len.: 長度; fre.: 新鮮; wt.: 重量

Note: -: not available; con.: concentration; Ger.: germination; pot.: potential; dro: drought; resis.: resistance; len.: length; fre.: fresh; wt.: weight

研究表明,鹽或旱處理延長種子萌發時間，處理濃度越高出苗越慢，植株高度也隨之顯著降低。300 mmol/L 及更高濃度處理時第8 d基本不能出苗。PEG處理20%時出苗明顯降低，30%時基本不能出苗。 圖2，圖3

注：(A) 側面圖；(B) 正面圖。從左至右處理濃度分別為0、100、200、250、300、400、500 mmol/L

Note:(A) Lateral view, (B) Front view. NaCl concentration from left to right (mmol/L): 0, 100, 200, 250, 300, 400, 500

圖2 不同濃度NaCl處理下玉米自交系JH089出苗變化
Fig. 2 Effect of NaCl on seedling emergence of maize inbred JH089

注：(A) 側面觀圖；(B) 頂面觀圖。從左至右處理濃度分別為0、10%、20%、30%

Note:(A) Lateral view, (B) Front view. PEG concentration from left to right: 0, 10%, 20%, 30%

圖3 PEG處理下玉米自交系JH089出苗變化
Fig. 3 Effect of PEG on seedling emergence of maize inbred JH089

圖4 NaCl處理下玉米自交系JH089幼苗生長變化
Fig. 4 Effect of NaCl on seedling development of maize inbred JH089

2.2 不同濃度NaCl和PEG對玉米自交系JH089苗期生長的影響

2.2.1 NaCl對幼苗生長的影響

隨著NaCl濃度的升高，植株高度和葉片長度均顯著降低，100 mmol/L處理時株高比對照降低了約26%，葉片長度減少了33%，而200 比100 mmol/L NaCl處理株高或葉長分別降低了24%或20%；在400 mmol/L及更高濃度處理時植株基本停止生長。隨著NaCl濃度的升高，莖粗出現先下降后升高再降低的趨勢。中低濃度NaCl處理葉寬比對照顯著下降，但相互之間無顯著差異。隨著NaCl濃度的升高，植株地上部鮮重及干重均顯著下降，100 mmol/L處理時地上部鮮重比對照降低了44%。玉米自交系JH089 可耐受較低濃度(低于300 mmol/L)的鹽處理。圖4

2.2.2 PEG對幼苗生長的影響

不同濃度PEG處理時，植株高度和葉片長度均降低且趨勢相似，與對照相比，10% PEG處理對植株高度及葉片長度沒有顯著影響，莖粗及葉片寬度顯著降低。20% 與30% 比10% PEG處理植株高度分別降低了30%和60%，葉片長度分別降低了34%和64%。隨著PEG濃度的增加，莖粗和葉寬顯著降低。與對照相比，10%、20% 與30% PEG處理地上部鮮重分別降低了19%、51%及83%，差異顯著。地上部干重在10%處理時與對照無顯著差異，20%及30%處理時分別降低了27%和54%。玉米自交系JH089 可耐受低濃度 PEG處理。圖5

圖5 PEG處理下玉米自交系JH089幼苗生長變化
Fig. 5 Effect of PEG on seedling development of maize inbred JH089

鹽或PEG處理前二葉期玉米幼苗長勢一致。在鹽處理2 d 時250 mmol/L及較低濃度處理幼苗與對照相比沒有顯著變化，300 mmol/L 及更高濃度處理則表現生長變慢趨勢；處理4 d 時，200及250 mmol/L NaCl處理與對照相比生長變慢，300 mmol/L 時植株葉尖開始脫水干枯，高濃度處理時葉干枯現象加重；處理6 d時，500 mmol/L 的植株葉片基本處于脫水狀態，處理期間沒有新葉長出，且其他葉片沒有再生長。圖6，圖7

注：(A) NaCl處理0 d； (B) PEG處理0 d

Note:(A) NaCl treatment 0 d, (B) PEG treatment 0 d

圖6 NaCl或PEG處理前幼苗植株長勢
Fig. 6 Plant phenotype of maize inbred JH089 before treatment

注：(A) 處理2 d； (B) 處理4 d；(C) 處理6 d； (D) 處理8 d。從左到右處理濃度分別為0、100、200、250、300、400、500 mmol/L

Note:(A) Treatment 2 d, (B) Treatment 4 d, (C) Treatment 6 d, (D) Treatment 8 d. Concentration from left to right (mmol/L): 0, 100, 200, 250, 300, 400, 500

圖7 不同濃度NaCl處理下玉米自交系JH089幼苗生長變化
Fig. 7 Effect of NaCl on seedling development of maize inbred JH089

研究表明,在PEG處理2 d時，10%及20% 濃度與對照相比沒有明顯差異，30%濃度處理的植株則表現出生長緩慢的趨勢。處理4 d 時，10% 濃度與對照相比仍沒有明顯差異，但20%濃度處理的植株則表現生長緩慢的趨勢。處理第6 d時30%的植株表現脫水現象，葉尖開始枯萎發褐色。30% PEG 處理期間植株雖長出了一片新葉，但后期基本處于停止生長狀態。圖8

注：(A) 處理2 d； (B) 處理4 d；(C) 處理6 d； (D)處理8 d。從左到右處理濃度分別為0，10%，20%，30%

Note:(A) Treatment 2 d, (B) Treatment 4 d, (C) Treatment 6 d, (D) Treatment 8 d. Concentration from left to right: 0, 10%, 20%, 30%

圖8 不同濃度PEG處理下玉米自交系JH089幼苗生長變化
Fig. 8 Effect of PEG on seedling development of maize inbred JH089

2.3 低溫對玉米自交系JH089幼苗生長的影響

隨著低溫處理時間的延長，玉米自交系JH089幼苗生長受到顯著抑制，而且受傷程度增大。與對照相比，低溫處理3.5 d 時，株高(降51%)、葉長(降49%)、莖粗(降31%)、葉寬及鮮干重均顯著降低。處理3.5 d后恢復正常條件時植株絕大部分可以保持生長，但低溫處理5.5 d 后5株幼苗最后只存活了1株。圖9

注：*表示數據無重復

Note:*indicated the data had no repeat

圖9 4℃ 處理下玉米自交系JH089 幼苗生長變化
Fig. 9 Effect of 4℃ on seedling development of of maize inbred JH089

從幼苗長勢來看，低溫處理3.5 d 時心葉還保持活力，低溫處理5.5 d 葉片基本已經全部發褐，接近死亡狀態。JH089幼苗只能耐受短時間的低溫脅迫。圖10

注：從左至右低溫處理時間為0，3.5，5.5 d

Note:Treatment time from left to right: 0 d, 3.5 d, 5.5 d

圖10 4℃ 處理下玉米自交系JH089 幼苗生長變化
Fig. 10 Effect of low temperature on seedling development of of maize inbred JH089

3 討 論

植物抗逆性由復雜的數量性狀多基因控制，植物因其固定性無法移動而形成了復雜的內在調控網絡適應各種逆境脅迫[17]。當受到脅迫時，植物會產生各種形態結構及生理生化變化來應對[18]。玉米是我國第一大作物，其對環境中的鹽旱溫度變化十分敏感[6,19]，從而對產量造成影響，培育抗逆品種是保證穩產高產的重要途徑之一。通常農作物可以耐受一定程度的鹽旱脅迫，超過閾值后植物的生長會隨著脅迫程度的增加顯著下降，研究表明，不同玉米自交系對脅迫的耐性不同[10-12,20-21]。研究通過不同濃度的鹽、旱及低溫處理玉米優良自交系JH089，發現JH089種子萌發及幼苗期可以耐受較低濃度的NaCl或PEG以及短時間的低溫脅迫，而較高濃度或較長時間處理顯著影響自交系的萌發及幼苗的生長。試驗的研究結果對自交系JH089在生產中的繁育及抗逆豐產雜交育種將提供參考依據。

從吸漲到胚根出現的種子萌發是一個復雜的過程，是出苗的前提基礎[22-23]。許多研究表明，不同基因型的玉米雜交種及自交系抗逆性不同，發芽率及出苗率存在廣泛的變異[3, 19-24, 29]。用發芽率、發芽勢、發芽指數、活力指數及抗旱指數等指標來鑒定玉米自交系及雜交種抗逆性得到了一致認可，其中，發芽勢決定著種子萌發速度及出苗的整齊度[24-25, 27]。此外，生物量是植物對各種脅迫的綜合表現，其在逆境下的生長情況可以最直接的反映植物的受害程度，各指標與抗旱耐鹽性都是同方向增減關系[8-19,24-28]。研究中玉米自交系JH089隨著鹽旱脅迫的增加，發芽勢、發芽指數、生物量等均顯著下降，與前人研究趨勢一致。與郭效龍等[30]研究結果相比，研究的玉米自交系JH089種子萌發能力與抗旱自交系鄭58相似，屬于抗旱性較強的類型。

鹽旱脅迫主要是水分虧缺及氧化物積累造成的毒害[31]。鹽對植物的脅迫主要表現為離子毒害、滲透脅迫、離子吸收不均衡等方面[32-33]。Na+過量積累會打破代謝平衡、抑制其他離子的吸收，從而導致植物生長緩慢甚至死亡[34]。幼苗是植物生長過程中的關鍵時期，對玉米自交系JH089幼苗研究發現，隨著鹽旱濃度的升高，株高、葉長、葉寬等均顯著降低，與已報道玉米自交系研究結果一致[28, 30]。研究表明，低濃度的鹽旱刺激可以提高部分植物的脅迫耐受性[35-36]。試驗中玉米自交系JH089葉片比根更易受到鹽旱脅迫的影響，在其他玉米品種中也觀察到此現象[37]。

玉米屬于喜溫作物，早春低溫是影響玉米產量的一大因素，特別是在東北主產區[20-21]。低溫能使植物細胞膜結構發生改變、降低光合作用、打亂植物的新陳代謝、導致植物生長停滯甚至死亡[21, 38-39]。不同玉米品種幼苗對低溫敏感度不同，但低溫脅迫后均導致株高降低、葉片萎蔫、干物質積累減少等[40-42]，研究結果顯示，4℃較長時間處理導致玉米自交系JH089生長減緩甚至停止，葉片受傷嚴重，顯示玉米不耐低溫的特性[20, 21-24]。

4 結 論

鹽、旱或低溫處理對玉米自交系JH089種子萌發或幼苗生長具有不同的效應。隨NaCl濃度升高(0～500 mmol/L)，種子萌發率無顯著降低(>80%)(P>0.05%)， 但當濃度大于400 mmol/L時，種子萌發率(<50%)及發芽勢、發芽指數等各項指標均顯著下降(P<0.05%)； PEG不同濃度(0～30%)處理下，低濃度(10%)種子萌發率與對照無顯著差異(>80%)(P>0.05%)，當濃度達20%及以上時，種子萌發率及其他各項指標均顯著下降，至30% 時種子不能萌發。在幼苗期，隨NaCl 濃度的升高(0～500 mmol/L)，幼苗的株高、葉長及干鮮重均顯著下降，特別是濃度高于250 mmol/L時，株高及鮮重下降達50%以上(P<0.05%)，當濃度大于400 mmol/L時植株生長緩慢，且隨時間延長，葉片出現干枯現象。在PEG處理下(0～30%)，低濃度對幼苗株高、葉長及干重無顯著影響，但隨著PEG 濃度的升高，株高、葉長及干鮮重均顯著降低(P<0.05%)。在低溫處理下(4℃，0 d, 3.5 d, 5.5 d)，隨時間延長，幼苗各生長指標顯著降低，處理3.5 d后移至正常生長條件時，幼苗可以恢復生長；但處理達5.5 d時植株葉片全部褐化。