牛樂 位晶 唐宏亮

摘要[目的]揭示不同基因型玉米根系對低鐵脅迫的響應(yīng)，為玉米鐵營養(yǎng)研究提供理論依據(jù)。[方法]采用營養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，研究2種不同氮效率的玉米基因型（ZD958和XY335）在低鐵（5 μmol/L）和高鐵（200 μmol/L）條件下生物量累積和分配、根系形態(tài)和養(yǎng)分吸收的變化。[結(jié)果]低鐵脅迫下，2種基因型玉米的苗干重、根干重、總根長、根體積和根表面積均有不同程度的降低，ZD958的苗干重、根干重、根體積、根表面積比XY335分別高45.00%、28.33%、21.27%、16.41%，但2個品種在低鐵處理下根質(zhì)量比與平均根直徑明顯增加;在低鐵脅迫下，ZD958的氮累積量、磷累積量、鉀累積量和鐵累積量比XY335分別高36.80%、48.12%、45.08%和47.19%。[結(jié)論]氮低效的玉米基因型ZD958較氮高效玉米基因型XY335對低鐵脅迫更為敏感。

關(guān)鍵詞鐵脅迫;玉米;根形態(tài);養(yǎng)分吸收

中圖分類號S513文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611（2019）03-0128-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.03.041

鐵（Fe）是植物所必需的微量營養(yǎng)元素，參與基本的生物氧化還原過程[1]。盡管Fe在地殼中的含量很高，但有氧條件下，F(xiàn)e僅在土壤中微溶，特別是在堿性鈣質(zhì)土壤中。為防止缺Fe，植物具有與Fe螯合形成復(fù)合物鐵[Fe（III）]和直接攝取鐵離子（Fe2+）的雙重機(jī)制。過量Fe攝取對植物有害，F(xiàn)e不足引起植物葉片黃化，影響籽粒產(chǎn)量[2]。

殷文娟等[3]研究表明，低鐵脅迫嚴(yán)重抑制了小麥生殖器官的發(fā)育，從而降低產(chǎn)量;缺鐵處理顯著降低了小麥植株葉綠素a、葉綠素b的含量;低鐵脅迫抑制了小麥對微量元素的吸收，但促進(jìn)了Mn、Cu 等的吸收。Ciaffi等[4]研究發(fā)現(xiàn)，低鐵脅迫對小麥生長有顯著影響，導(dǎo)致地上部分和根的生長均減少30%;缺鐵處理下小麥葉綠素含量顯著減少;在Fe供應(yīng)充足、而硫缺乏條件下，F(xiàn)e濃度在地上部分和根部均顯著下降。Zamboni等[5]研究表明，在缺Fe條件下，小麥幼苗表現(xiàn)出Fe限制性植物的典型癥狀（如葉綠素水平降低）以及其他必需礦物營養(yǎng)素的不均衡積累;在Fe缺乏的小麥中發(fā)現(xiàn)Cu和Zn的顯著累積;低鐵脅迫也會導(dǎo)致小麥中磷含量的升高。黃瓜和大豆在缺Fe營養(yǎng)液中分別生長8和11 d后，葉綠素含量明顯減少[6]。Zaid等[7]研究發(fā)現(xiàn)，木麻黃屬植物在Fe缺乏下生長21 d后，發(fā)生黃葉病。章愛群等[8]研究表明，低Fe脅迫會抑制玉米株高，且對不同基因型玉米幼苗的干重影響不同。龍文靖等[9]研究發(fā)現(xiàn)，低Fe處理后，幼苗Fe含量變化較小，根系Fe含量下降相對明顯。

玉米是我國最主要的糧食作物，玉米缺鐵，葉片脈間失綠，呈條紋花葉，新葉癥狀重;嚴(yán)重時新葉不出，植株生長不良，矮縮，生育延遲，有的甚至不能抽穗，輕者減產(chǎn)，重者造成大片植株黃化、矮縮，甚至絕收[8]。盡管前期研究已證實(shí)作物對低Fe脅迫會產(chǎn)生適應(yīng)性的反應(yīng)，但有關(guān)不同基因型玉米對低鐵脅迫的響應(yīng)報道較少。筆者利用水培營養(yǎng)液培養(yǎng)的方法，以2個不同氮效率的玉米基因型[鄭單958（氮低效）、先玉335（氮高效）]為材料，探討這2種基因型玉米根系對低鐵脅迫的響應(yīng)，旨在為進(jìn)一步研究鐵脅迫下不同基因型玉米的響應(yīng)提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1植物培養(yǎng)

挑選健康飽滿玉米種子（鄭單958，Zea mays L.cv.ZD958;先玉335，Z.mays L.cv.XY335），用10%（V/V）H2O2 表面消毒10 min 后，將種子置于2層濕潤的濾紙上，室溫下避光培養(yǎng)3 d。待種子萌發(fā)，葉完全展開，選取地上部和根系發(fā)育一致的幼苗，用去離子水將根沖洗干凈后，移栽至含有5.0 L不同鐵濃度的營養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)（每盆3顆苗）。營養(yǎng)液成分：Ca（NO3）2 2 000 μmol/L，KH2PO4? 250 μmol/L，K2SO4 750 μmol/L，MgSO4 650 μmol/L，KCl 100 μmol/L，H3BO3 10 μmol/L，ZnSO4 0.5 μmol/L，MnSO4 0.5 μmol/L，CuSO4 0.2 μmol/L，（NH4）6Mo7O24 0.01 μmol/L。Fe以乙二胺四乙酸鐵鈉（EDTA-FeNa）的形式加入。營養(yǎng)液pH用0.05 mol/L 的鹽酸或氫氧化鈉調(diào)至5.6，每隔5 d更換1次營養(yǎng)液，晝夜連續(xù)通氣。植物培養(yǎng)室條件：光照時間（白天/夜晚）14 h/10 h，晝夜溫度28 ℃/22 ℃，光照強(qiáng)度300 μmol/（m2·s），相對濕度75%～85%。試驗(yàn)設(shè)5 μmol/L Fe（低鐵）和200 μmol/L Fe（高鐵）2個鐵水平，2個玉米品種，共4個處理，每處理6個重復(fù)，完全隨機(jī)排列，每3 d改變盆的位置，以最大化消除環(huán)境的效應(yīng)。出苗后第25天收獲，分別測定各處理地上部、地下部鮮重和干重、根形態(tài)參數(shù)（根長、根表面積、平均根直徑和根體積）及地上部養(yǎng)分含量（氮、磷、鉀、鐵）。

1.2測定項(xiàng)目與方法

1.2.1葉綠素相對含量。

在植株收獲之前，用 SPAD-502 Plus葉綠素計(jì)分別測定每株植物全展葉的SPAD 值[10]。

1.2.2植株生物量。

植物收獲時，用剪刀從根莖交界處剪取地上部，在105 ℃下殺青30 min后，在80 ℃下烘干72 h至恒重后稱干重（g）;根樣沖洗干凈后直接裝入自封袋中于-20 ℃下保存供根系掃描分析用。根質(zhì)量比=根干重/（根干重+地上部干重）×100%。

1.2.3根系形態(tài)參數(shù)。

根系解凍后，放于雙面掃描儀（EPSON GT-X900）上進(jìn)行掃描。掃描后的圖片用WinRHIZO 圖像分析系統(tǒng)（WinRHIZO Pro2009b，Canada）獲得總根長（cm）、根表面積（cm2）、平均根直徑（mm）、根體積（cm3）等根形態(tài)參數(shù)。掃描后的根系在80 ℃下烘干72 h至恒重，以獲得根干重（g）。

1.2.4地上部氮、磷、鉀含量。

烘干的植株樣品用粉碎機(jī)研磨成細(xì)粉狀，過1 mm篩，稱取約0.3 g，用H2SO4-H2O2消化樣品。消化液氮濃度采用凱氏定氮儀測定[11];磷濃度采用釩鉬黃比色法測定[12];鉀濃度采用火焰光度法測定。

1.2.5地上部分鐵含量。

稱取研磨好的樣品約0.1 g，濕灰化法（HNO3∶HClO4=8∶2））消煮后，用ICP-AES確定消煮液中的鐵濃度。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用IBM SPSS Statistics 20.0統(tǒng)計(jì)軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析。單因素方差（oneway ANOVA）分析檢驗(yàn)顯著性后，采用SNK法比較生物量、根形態(tài)和養(yǎng)分含量等參數(shù)平均值在不同處理之間的差異顯著性（P≤0.05）。

2結(jié)果與分析

2.1低鐵脅迫對不同基因型玉米生物量累積及分配的影響

從圖1可以看出，低鐵脅迫顯著降低了2個不同基因型玉米的苗干重和根干重，但2個基因型玉米降低的幅度不同。不管鐵供應(yīng)如何，ZD958苗干重和根干重顯著高于XY335（P<0.001）。在低鐵處理下，ZD958的苗干重和根干重比XY335分別高45.00%和28.33%;高鐵處理下，ZD958的苗干重和根干重比XY335分別高58.56%和56.37%。低鐵脅迫明顯增加了2個基因型玉米的根質(zhì)量比，但增加幅度不同。在低鐵處理下，ZD958的根質(zhì)量比XY335低26.29%;在高鐵處理下，兩者無顯著差異（P>0.05）。

2.2低鐵脅迫對不同基因型玉米根形態(tài)參數(shù)的影響

從圖2可以看出，低鐵處理明顯降低了2個不同基因型玉米的總根長、根體積和根表面積，但增加了平均根直徑。在低鐵脅迫下，ZD958與XY335的總根長無顯著差異（P>0.05）;高鐵處理下，ZD958的總根長比XY335高42.38%（P<0.001，圖2a）。低鐵脅迫下，ZD958的根表面積比XY335高16.41%（P<0.01），在高鐵處理下，ZD958的根表面積比XY335高46.67%（P<0.01，圖2b）。低鐵脅迫顯著增加了2個玉米品種的平均根直徑，ZD958平均根直徑比XY335明顯增加（圖2c）。在低鐵脅迫處理下，ZD958的根體積比XY335高21.27%（P<0.001，圖2d）;高鐵脅迫下，ZD958的根體積比XY335高50.64%（P<0.001，圖2d）。

2.3低鐵脅迫對不同基因型玉米養(yǎng)分元素吸收的影響

低鐵脅迫顯著降低了2個不同基因型玉米的氮、磷、鉀累積量（圖3a～c）。低鐵處理下，ZD958的氮、磷、鉀累積量比XY335分別高36.80%、48.12%、45.08%;高鐵處理下，ZD958的氮、磷、鉀累積量比XY335分別高52.12%、44.64%、47.15%。

由圖3d可知，低鐵顯著降低了2個不同基因型玉米的鐵累積量，但降低幅度不同。不管鐵供應(yīng)如何，ZD958的鐵累積量均高于XY335。低鐵供應(yīng)條件下，ZD958的鐵累積量比XY335高47.19%;高鐵供應(yīng)條件下，ZD958的鐵累積量比XY335高53.73%。

2.4低鐵脅迫對不同基因型玉米葉綠素含量的影響

從圖4可以看出，低鐵處理顯著降低了2個不同基因型玉米的葉綠素含量，但降幅不同。2個不同基因型玉米的葉綠素含量在低鐵與高鐵處理下均無顯著差異（P>0.05）。

3討論與結(jié)論

研究表明，缺鐵能夠明顯影響植物的生物量累積和分配，但不同基因型對鐵脅迫的響應(yīng)程度不同。Zocchi 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，缺鐵脅迫下，大豆地上部和根的生物量水平均大幅度降低。沙棘在低鐵處理下的生物量顯著低于正常鐵處理水平下的生物量[14]。紅三葉草在缺鐵條件下，根干重與苗干重都不同程度減少[15]。該研究結(jié)果表明，鐵脅迫條件下，2個不同基因型玉米生物量明顯下降，表明鐵在玉米生長中具有至關(guān)重要的作用。不同養(yǎng)分效率的基因型對鐵脅迫存在明顯不同的響應(yīng)。邱慧珍等[16]研究表明，磷高效基因型小麥比磷低效基因型小麥對低鐵的反應(yīng)更敏感，其生長更容易受到低鐵脅迫。趙婧等[17]研究發(fā)現(xiàn)，鐵低效的基因型大豆生物量降低程度大，鐵高效品種基因型大豆降低程度較小。該研究結(jié)果表明，氮低效的玉米基因型ZD958比氮高效的玉米基因型XY335的生物量對鐵脅迫響應(yīng)更為敏感，這與前人[16]在不同磷效率小麥基因型對鐵脅迫響應(yīng)結(jié)果相反，但與不同鐵效率基因型大豆對鐵脅迫的響應(yīng)[17]一致，表明植物對低鐵脅迫的響應(yīng)在很大程度上依賴于基因型的養(yǎng)分效率和養(yǎng)分資源類型。

缺鐵脅迫會導(dǎo)致玉米根系形態(tài)發(fā)生一系列變化，從而影響根系對鐵元素的吸收[9]。龍文靖等[9]研究表明，低鐵處理下不同耐低鐵玉米品種的根體積和根長顯著低于高鐵處理，與該試驗(yàn)中低鐵處理與高鐵處理相比下根體積和總根長顯著減小結(jié)果相一致。李麗杰[18]研究表明，缺氮處理下的玉米根系總長度高于正常供氮處理，這可能是由于低氮脅迫下，植物為了適應(yīng)缺氮逆境表現(xiàn)出來的根系適應(yīng)性，從而盡可能多地吸收氮元素，保證自身的氮需求。高姝等[19]研究表明，低磷處理下的玉米總根長、根體積、根表面積高于正常供磷處理，這是玉米為了適應(yīng)缺磷逆境表現(xiàn)出來的適應(yīng)能力。該試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了López-Bucio等[20]的研究結(jié)果，為了應(yīng)對缺素脅迫，通過根系形態(tài)的改變提高植物自身面對脅迫逆境的適應(yīng)能力。Lynch等[21]認(rèn)為植物通過改變根系的分布來增大根系的吸收面積，根系面積的增大表現(xiàn)為根長的增加、側(cè)根的增多。孫曰波等[22]研究發(fā)現(xiàn)，與正常鐵處理下相比，缺鐵條件下的玫瑰幼苗根系表面積、總根長、平均根直徑和根體積均有所增加，這是由于玫瑰幼苗根系在缺鐵環(huán)境下主動吸收能力受到抑制，但根系表面積增大，擴(kuò)大了根系與營養(yǎng)元素接觸面積，提高了被動吸收能力，從而彌補(bǔ)了主動吸收對自身的影響。在該研究中，低鐵脅迫與高鐵處理相比，2種不同基因型玉米的根系總根長、根體積、根表面積均顯著減少;但低鐵處理顯著增加了2個基因型玉米的平均根直徑。石榮麗等[23]研究表明，不同基因型小麥在低鐵脅迫下的根表面積不同。該試驗(yàn)結(jié)果表明，氮低效的玉米基因型ZD958比氮高效的玉米基因型XY335對低鐵脅迫根系形態(tài)的響應(yīng)更為敏感，氮低效型玉米ZD958能夠更好地通過減小根直徑、根體積、根表面積，提高自身平均根直徑來適應(yīng)逆境，更好地吸收鐵元素以保證自身鐵元素的需求。

研究表明，植物在缺鐵條件下，葉片會發(fā)生黃化癥，從而引起葉綠素含量降低，而葉綠素含量是判斷植物缺鐵的標(biāo)準(zhǔn)[24-26]。Donnini等[27]研究發(fā)現(xiàn)，不同基因型梨幼苗在缺鐵處理下表現(xiàn)出葉片黃化癥狀，且不同基因型間有差異;任小平等[28]研究發(fā)現(xiàn)，不同基因型花生在低鐵處理下，鐵敏感型花生黃化癥非常嚴(yán)重，而耐低鐵基因型的花生黃化癥較輕微，這與該試驗(yàn)結(jié)果類似。在缺鐵環(huán)境下，2種不同基因型玉米葉片失綠，發(fā)生葉片黃化。殷文娟等[3]和Ciaffi等[4]研究發(fā)現(xiàn)，小麥植株葉綠素含量在供鐵情況下顯著高于不供鐵小麥。在缺鐵營養(yǎng)液中生長的黃瓜和大豆植物顯示出高度褪綠葉和典型的Fe缺乏響應(yīng)[13，29-30]。在缺鐵處理下，大豆、紅三葉草和木麻黃屬的物種，葉綠素含量顯著降低[13，31]。該試驗(yàn)驗(yàn)證了前人的研究結(jié)果，缺鐵導(dǎo)致2種不同基因型玉米葉綠素含量下降，說明缺鐵脅迫會引起植物葉綠素含量降低[32]。章愛群等[8]研究發(fā)現(xiàn)，低鐵處理與對照組相比，顯著降低了植物葉綠素含量，低磷敏感型玉米葉綠素含量的降幅稍高于耐低磷玉米葉綠素含量的降幅。但該研究發(fā)現(xiàn)，在低鐵條件下，氮低效玉米基因型ZD958與氮高效玉米基因型XY335兩者間無顯著差異。

參考文獻(xiàn)

[1] RODRGUEZCELMA J，LATTANZIO G，GRUSAK M A，et al.Root responses of Medicago truncatula plants grown in two different iron deficiency conditions：Changes in root protein profile and riboflavin biosynthesis[J].J Proteome Res，2011，10（5）：2590-2601.

[2] KOBAYASHI T，ITAI R N，NISHIZAWA N K.Iron deficiency responses in rice roots[J].Rice，2014，7：1-11.

[3] 殷文娟，吳玉霞，劉澤軍，等.小麥對缺鐵脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)[J].天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014，20（8）：8-12.

[4] CIAFFI M，PAOLACCI A R，CELLETTI S，et al.Transcriptional and physiological changes in the S assimilation pathway due to single or combined S and Fe deprivation in durum wheat（Triticum durum L.）seedlings[J].J Exp Bot，2013，64（6）：1663-1675.

[5] ZAMBONI A，CELLETTI S，ZENONI S，et al.Root physiological and transcriptional response to single and combined S and Fe deficiency in durum wheat[J].Environ Exp Bot，2017，143：172-184.

[6] DELLORTO M，DE NISI P，VIGANI G，et al.Fe deficiency differentially affects the vacuolar proton pumps in cucumber and soybean roots[J].Frontiers in plant science，2013，4：1-9.

[7] ZAID H，ARAHOU M，DIEM H G，et al.Is Fe deficiency rather than P deficiency the cause of cluster root formation in Casuarina species？[J].Plant soil，2003，248（1/2）：229-235.

[8] 章愛群，斯琴朝克圖，劉牛，等.低鐵脅迫對不同耐低磷玉米生長及磷、鐵養(yǎng)分吸收的影響[J].作物雜志，2014（6）：111-115.

[9] 龍文靖，辜濤，萬年鑫，等.低鐵脅迫對玉米苗期根系生長和鐵素吸收利用的影響[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報，2017，25（8）：1163-1172.

[10] 李剛?cè)A，丁艷鋒，薛利紅，等.利用葉綠素計(jì)（SPAD-502）診斷水稻氮素營養(yǎng)和推薦追肥的研究進(jìn)展[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2005，11（3）：412-416.

[11] 張志良，瞿偉菁，李小芳.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，2009：106.

[12] LIGABA A，SHEN H，SHIBATA K，et al.The role of phosphorus in aluminiuminduced citrate and malate exudation from rape（Brassica napus）[J].Physiol Plant，2004，120（4）：575-584.

[13] ZOCCHI G，DE NISI P，DELLORTO M，et al.Iron deficiency differently affects metabolic responses in soybean roots[J].J Exp Bot，2007，58（5）：993-1000.

[14] SHAH S R U，AGBACK P，LUNDQUIST P O.Root morphology and cluster root formation by seabuckthorn （Hippopha rhamnoides L.）in response to nitrogen，phosphorus and iron deficiency[J].Plant soil，2015，397：75-91.

[15] ZHENG S J，TANG C X，ARAKAWA Y，et al.The responses of red clover（Trifolium pratense L.）to iron deficiency：A root Fe（III）chelate reductase[J].Plant Sci，2003，164：679-687.

[16] 邱慧珍，張福鎖.不同磷效率小麥對低鐵脅迫的基因型差異[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2004，10（4）：361-366.

[17] 趙婧，邱強(qiáng)，張鳴浩，等.低鐵脅迫與大豆品種鐵效率間的關(guān)系[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2016，32（30）：49-55.

[18] 李麗杰.營養(yǎng)液培養(yǎng)條件下缺氮對玉米幼苗生長發(fā)育的影響分析[J].鄉(xiāng)村科技，2017（20）：56-57.

[19] 高姝，王治紅，陸蘭姣，等.低磷脅迫下玉米苗期根系特征及優(yōu)良材料篩選[J].廣西農(nóng)學(xué)報，2017，32（6）：6-9.

[20] LPEZBUCIO J，CRUZRAMIREZ A，HERRERAESTRELLA L.The role of nutrient availability in regulating root architecture[J].Curr Opin Plant Biol，2003，6（3）：280-287.

[21] LYNCH J，BROWN K M.Ethylene and plant responses to nutritional stress[J].Physiol Plant，1997，100：613-619.

[22] 孫曰波，趙蘭勇，張玲.缺磷和缺鐵脅迫對玫瑰幼苗根構(gòu)型的影響[J].中國農(nóng)學(xué)通報，2011，27（8）：132-135.

[23] 石榮麗，張福鎖，鄒春琴.不同基因型小麥鐵營養(yǎng)效率差異及其可能機(jī)制[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2010，16（6）：1306-1311.

[24] 高麗，史衍璽，周健民.不同耐低鐵基因型花生鐵營養(yǎng)特性的差異[J].土壤通報，2009，40（6）：1393-1397.

[25] TAGLIAVINI M，ROMBOLà A D.Iron deficiency and chlorosis in orchard and vineyard ecosystems[J].Europ J Agrometeorol，2001，15（2）：71-92.

[26] REDDY K B，ASHALATHA M，VENKAIAH K.Differential response of groundnut genotypes to iron deficiency stress[J].J Plant Nutr，1993，16（3）：523-531.

[27] DONNINI S，DELL ORTO M，ZOCCHI G.Oxidative stress responses and root lignification induced by Fe deficiency conditions in pear and quince genotypes[J].Tree Physiol，2011，31（1）：102-113.

[28] 任小平，姜慧芳，黃家權(quán)，等.水培條件下花生對缺鐵的生理反應(yīng)[J].植物遺傳資源學(xué)報，2010，11（4）：491-497.

[29] RABOTTI G，DE NISI P，ZOCCHI G.Metabolic implications in the biochemical responses to iron deficiency in cucumber（Cucucmis sativus L.）roots[J].Plant Physiol，1995，107（4）：1195-1199.

[30] ESPEN L，DELL ORTO M，DE NISI P，et al.Metabolic responses in cucumber（Cucumis sativus L.）roots under Fedeficiency：A 31P-nuclear magnetic resonance invivo study[J].Planta，2000，210（6）：985-992.

[31] ZHENG S J，TANG C X，ARAKAWA Y，et al.The responses of red clover（Trifolium pratense L.）to iron deficiency：A root Fe（III）chelate reductase[J].Plant Sci，2003，164（2003）：679-687.

[32] COVARRUBIAS J I，RETAMALES C，DONNINI S，et al.Contrasting physiological responses to iron deficiency in Cabernet Sauvignon grapevines grafted on two rootstocks[J].Sci Hortic，2016，199：1-8.