甜玉米自交系耐鋁毒的初步篩選

林金利 程春園 謝沛豐

摘要：酸性土壤鋁毒是限制作物生產的主要因子之一，通過育種選育耐酸、耐鋁的甜玉米（Zea mays L.）自交系是解決酸性土壤鋁毒問題的有效途徑之一，而確定耐酸鋁的鑒定標準并篩選出耐性材料對耐鋁毒育種有重要意義。試驗采用營養液培養法，選取5個田間長勢存在差異的甜玉米自交系對鋁耐性進行鑒定，設0、0.1、0.2、0.3、0.4 mmol/L共5個Al3+濃度處理，分別于處理7、10、14 d后考察莖葉及根的鮮重和干重。結果表明，隨處理濃度升高，甜玉米莖葉和根的生長均減慢，處理7和10 d的鋁耐性鑒定結果相對一致，G107和G139表現為鋁耐性最強，G118和G151對鋁的耐性處于中間水平，G79對鋁的耐受性最差。處理14 d后考察不同處理Al3+濃度下的過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性發現，3種酶的活性在較低濃度下都有上升，之后隨脅迫濃度的增大，3種酶的活性又均有所下降。

關鍵詞：甜玉米（Zea mays L.）;鋁毒;POD;CAT;SOD

Abstract： Aluminum toxicity is one of the major factors limiting crop production in acidic soils. Sweet corn （Zea mays L.） inbred lines breeding for aluminum toxicity tolerance is an effective way to solve this problem. To determine the identification method of aluminum toxicity tolerance and screen sweet corn lines with aluminum toxicity tolerance is of importance for aluminum toxicity tolerant breeding. 5 sweet corn lines with different growth vigor were selected to identify the aluminum toxicity tolerance by nutrient solution culture. The concentrations of aluminum ions were 0， 0.1， 0.2， 0.3 and 0.4 mmol/L， respectively. The fresh weight and dry weight of stems and leaf and root were measured on the 7th，10th and 14th day after treated by aluminum toxicity. The results showed that the growth of stem， leaf and root of sweet corn slowed down with the increase of treatment concentration， and the results of aluminum resistance test on the 7th and 10th day of treatment were relatively consistent， in which， G107 and G139 showed the best tolerance to aluminum toxicity， G118 and G151 were in the middle level， and G79 showed the worst tolerance to aluminum toxicity. The activities of POD， CAT and SOD were detected at 14th day after treated by different concentration of aluminum ions， that the activity of three enzymes increased at low concentration， and then decreased with the increase of stress concentration.

Key words： sweet corn （Zea mays L.）; aluminum toxicity; POD; CAT; SOD

鋁是地殼中含量最高、分布最廣的金屬元素，約占地殼外部8%的質量[1]。通常情況下，主要以硅酸鹽和氧化物的形式存在，對植物的生長不會產生影響，而工業化的發展，酸雨和氨態氮肥的過度使用加速了土壤酸化，當pH小于5時，土壤中可溶性的Al3+迅速增加，對植物的生長產生毒害[2，3]。在中國南方分布有大面積的酸性土壤，約占全國耕地面積的21%。解決酸性土壤鋁的毒害問題主要有2種途徑，一種是通過施用石灰來改良土壤，但造價高，僅可中和土壤表層的酸，對于酸化底土的中和效果有限，且不利于農業的可持續發展;另一種是培育耐鋁毒的作物品種，此法是最經濟有效的途徑。

甜玉米（Zea mays L.）是一種新型的果蔬食品，越來越受到人們的喜愛，其種植面積逐年上升。南方是中國甜玉米的主產區，廣東省的種植面積已達14.85萬hm2，約占全國種植面積的50%[4]。廣東省的土壤類型以酸性紅壤和磚紅壤為主，由于工業化的影響，土壤酸化程度增加，鋁毒對作物的危害加重。大量的研究表明，鋁脅迫下植物根系生長發育不良，導致地上部分莖、葉的生長受阻，造成整個植株的生物量下降[5-7]。本試驗以仲愷農業工程學院甜玉米課題組選育的5個甜玉米自交系為材料，設定5個濃度的Al3+處理，考察了甜玉米莖、葉和根生物量以及處理14 d后葉片過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）活性的變化，以期為相關育種工作提供借鑒。

1 材料與方法

1.1試驗材料

試驗材料為仲愷農業工程學院甜玉米課題組選育的田間長勢差異明顯的5份甜玉米自交系，編號分別為G139、G107、G79、G118、G151。

1.2 營養液培養

設0、0.1、0.2、0.3、0.4 mmol/L Al3+ 5個濃度處理，3次重復，采用長方形塑料盒自然光照培養。各處理除Al3+用量有差異外，其他營養元素用量一致。采用Magnavaca的玉米營養液配方進行水培鑒定，大量元素：Ca（NO3）2·4H2O 3.52 mmol/L，NH4NO3 1.30 mmol/L，KCl 0.58 mmol/L，K2SO4 0.58 mmol/L，KNO3 0.56 mmol/L，Mg（NO3）2·6H2O 0.86 mmol/L，Fe（NO3）3·9H2O 0.08 mmol/L，HEDTA 0.08 mmol/L，KH2PO4 0.05 mmol/L;微量元素：MnCl2·4H2O 9.11 μmol/L，H3BO3 25.41 μmol/L，ZnSO4·7H2O 2.36 μmol/L，CuSO4·5H2O 0.62 μmol/L，Na2MoO4·2H2O 0.83 μmol/L，pH調節至4.2。

1.3 試驗方法

每個自交系種子經0.1% HgCl2表面滅菌15 min后，沖洗播于沙盤。出苗后切去胚乳，選擇相對一致的幼苗移入1/2玉米營養液，3 d后改用全營養液，隨后加入Al3+，按試驗設計濃度進行添加。采用長方形塑料盒自然光照培養。每天通氣10 min，隔1 d更換1次營養液，分別于處理后7、10、14 d隨機取5株，測量莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重、根干重，重復3次。測定處理14 d時不同Al3+濃度下POD、CAT、SOD活性，酶活性的測定方法參照《植物生理生化實驗原理和技術》[8]。

1.4 數據處理方法

采用Excel、SAS 8.0軟件進行數據處理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 鋁處理7 d對甜玉米莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重的影響

由表1可知，鋁脅迫處理7 d對甜玉米苗期的莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重有明顯的影響，5個自交系莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重、根干重均表現為隨濃度增加逐漸降低。不同材料間的鋁毒耐性存在差異，G107各Al3+濃度處理的莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重與對照差異不顯著，表現為耐鋁毒;G151各Al3+濃度處理莖葉鮮重、根鮮重和根干重與對照差異不顯著，但莖葉干重在0.4 mmol/L Al3+處理時與對照差異顯著，表現較耐鋁毒;G139和G79在各處理間根干重差異不顯著，根鮮重表現為差異顯著，莖葉鮮重和莖葉干重表現為差異顯著或者極顯著，在高濃度0.4 mmol/L Al3+處理時都與對照差異達顯著或極顯著水平，表現為鋁毒耐性較差;G118處理間莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重差異均達顯著或者極顯著水平，其中莖葉鮮重、莖葉干重在0.4 mmol/L Al3+處理時與對照差異都達極顯著水平，對鋁毒耐性最差。

2.2 鋁處理10 d對甜玉米莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重的影響

鋁脅迫處理10 d對甜玉米苗期的莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重有明顯的影響（表2）。不同自交系在Al3+處理10 d時4個性狀的表現不同，材料間存在差異。除G107的根鮮重外，G107和G79在各Al3+處理濃度間4個性狀差異不顯著;G139和G151莖葉鮮重分別在0.1和0.2 mmol/L及以上濃度Al3+處理時顯著低于對照，而莖葉干重、根鮮重和根干重各濃度處理間差異不顯著;G118莖葉鮮重在0.3 mmol/L Al3+及以上濃度處理時極顯著低于對照，根干重在0.4 mmol/L Al3+處理時顯著低于對照。由此可知，處理10 d時G107和G79對Al3+表現較強的耐性，而G139和G151表現較不耐鋁處理，而G118則表現為對鋁毒敏感，與處理7 d結果基本一致，但與處理7 d相比能檢測到的顯著或極顯著差異更少。

2.3 鋁處理14 d對甜玉米莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重的影響

鋁脅迫處理14 d對甜玉米苗期的莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重有明顯的影響（表3）。5個自交系莖葉鮮重在處理間均表現出極顯著差異，莖葉干重、根鮮重、根干重也表現為明顯下降。材料G118根干重和根鮮重與對照差異不顯著，而莖葉鮮重和莖葉干重分別在0.2 mmol/L及以上濃度和0.4 mmol/L Al3+處理時顯著低于對照;G151根干重差異不顯著，根鮮重在0.4 mmol/L Al3+處理時顯著低于對照，而莖葉鮮重和莖葉干重分別在0.1 mmol/L和0.2 mmol/L及以上濃度Al3+處理時均極顯著低于對照;G139的莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重在0.4 mmol/L Al3+處理時均顯著或極顯著低于對照。處理14 d 時，自交系間耐受性差異更大，且與處理7和10 d時的結果存在差異，可能是不同基因型甜玉米自交系對長時間鋁毒和水培毒害的疊加影響，同時還發現莖葉鮮重和干重指標能檢測出更多的顯著性。

2.4 不同Al3+處理濃度與莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重的相關分析

對不同處理時間下Al3+處理濃度與莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重的相關性進行分析。由表4可知，處理7 d時，Al3+處理濃度與莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重均呈負相關，相關系數達-0.80～-0.98，經顯著性檢驗均達到了極顯著水平。處理10 d時，Al3+處理濃度與莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重也均呈負相關，相關系數為-0.87～ -0.99，經顯著性檢驗均達極顯著水平。處理14 d時，Al3+濃度與莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重和根干重的相關系數為-0.87～-0.99，呈極顯著負相關。結果表明，隨Al3+濃度增加，各材料均受到更加嚴重的毒害，甜玉米的根系和莖葉部分均受到嚴重的影響。

2.5 鋁脅迫處理7 d對甜玉米莖葉的影響

綜合表1、表2、表3的結果發現，鋁脅迫處理7 d可較好區分不同基因型材料間的鋁耐性，而莖葉指標是最明顯的指標。選擇鋁脅迫處理7 d后的莖葉鮮重和干重指標計算Al3+處理和CK的比值（+Al3+/CK），結果見表5，比值愈高其受損愈小。進一步對指標比值進行求和，發現莖葉鮮重指標中， G107>G139>G79>G118>G151;在莖葉干重指標中，G107>G139>G151>G118>G79。綜合來看，自交系G107和G139指標比值之和最高，表明鋁耐性較強;材料G118和G151的指標比值之和位于中間，表明其對鋁耐性處于中間水平;G79的指標比值和最低，鋁毒耐受性最差。

2.6 不同自交系在不同鋁濃度處理下POD、CAT和SOD的活性差異

一般情況下，逆境脅迫會引起植物體內保護酶活性的顯著變化。逆境脅迫導致植物體內代謝紊亂，代謝中產生的自由基積累，植物為了適應逆境下的生長，體內的抗氧化保護酶系統活性就會增強，以清除過量的自由基，降低自由基對植物組織的傷害。在鋁脅迫條件下，不同甜玉米自交系材料的POD活性隨處理濃度的增加表現出明顯差異，鋁毒耐性較強的自交系G107和G139的POD活性變化不大，G79的活性變化較大，較其他自交系對鋁脅迫的敏感程度更大（圖1）。不同材料的甜玉米自交系CAT活性表現出較一致的規律，都比初始的CAT活性有一個先減少后增加的趨勢，其中，G107和G139的變化趨勢相對一致，其對鋁脅迫的敏感程度相對一致，而G79的變化劇烈，對鋁脅迫更敏感（圖2）。不同自交系隨Al3+濃度的增加，SOD活性的變化具有一定的規律，其中，在0.2 mmol/L Al3+濃度時，各自交系間差異最大，在0.3 mmol/L Al3+濃度時，其活性均為最大值，各甜玉米自交系的SOD活性對鋁脅迫的敏感響應大致相同（圖3）。從圖1、圖2和圖3可以看出，高濃度的Al3+脅迫條件下，POD、CAT和SOD的活性均表現為下降，這可能是由于Al3+濃度過高，抑制了酶活性增強所需要的一些激活劑，因為Al3+的存在會影響其他離子的吸收與轉運。

3 小結與討論

在鋁脅迫下，甜玉米的根系及莖葉的生長均受到抑制，處理濃度越高，甜玉米受害愈嚴重，根系與莖葉的生長愈緩慢，造成整株的鮮重及干重的下降。本研究中選擇田間長勢存在差異的5個甜玉米自交系進行鋁耐性鑒定，在鋁脅迫處理7和10 d時與田間長勢結果基本一致，即材料G107和G139的鋁耐性強，而G79表現為不耐鋁毒。但處理14 d的結果與田間并不一致，可能受到不同基因型甜玉米自交系對水培適應性的影響，而普通玉米材料大多水培14 d以上進行耐鋁性鑒定[9-12]，可見本試驗選用的甜玉米自交系與普通玉米的水培耐性也存在差異。對于甜玉米材料而言，水培鑒定鋁毒耐性應以不超過10 d為宜。另由于不同基因型本身的長勢存在差異，所檢測的表型指標應用比值的方法更為科學。

一般逆境條件下，植物的抗氧化保護酶系統會啟動以清除體內過量的自由基。在本試驗中，相對低的Al3+濃度條件下，POD、CAT和SOD的活性均略有上升，這些與前人的研究結果相一致[11-13]。但不同基因型酶活性的變化不一致，本試驗觀察到耐鋁性較強的材料G107和G139的POD的活性變化不大，而鋁敏感的材料G79的POD活性變化較大。此外，在0.2 mmol/L Al3+脅迫濃度條件下，不同鋁耐性材料間CAT和SOD的活性差異最大，酶活性與不同鋁耐性材料結果并不完全一致，可見鋁脅迫可影響甜玉米抗氧化酶活性的變化，而鋁耐性機制是多種途徑共同作用的結果。加強甜玉米鋁耐性鑒定方法和鋁耐性材料的篩選，有助于改良育種材料，使其有效地服務于耐鋁毒甜玉米新品種的選育。

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