(貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 貴陽 550025)
磷是作物生長發(fā)育所必須的大量營養(yǎng)元素之一,不僅是核酸、磷脂等生物大分子的組成成分,而且在能量轉(zhuǎn)移中起著重要作用。磷在土壤中主要以難溶性磷酸鹽和有機(jī)磷形式存在,占土壤總磷量的5%~90%[1],但土壤中的有機(jī)磷為非活性養(yǎng)分,植物可以直接利用的極少,大部分有機(jī)磷只有被水解成無機(jī)磷才能被植物吸收利用,這需要經(jīng)歷一個從固態(tài)到液態(tài)、大分子到小分子、有機(jī)到無機(jī)的轉(zhuǎn)化過程,在這一過程中,生命活動所產(chǎn)生的APase類物質(zhì)起著重要的作用[2]。
APase既是重要的水解酶,也是一種誘導(dǎo)酶,其活性受植物供磷狀況的影響。它不僅在植物碳水化合物轉(zhuǎn)化及蛋白質(zhì)合成中起重要作用,還與土壤及植株體內(nèi)有機(jī)磷的分解和再利用有著密切聯(lián)系[3-4]。植物體內(nèi),APase對有機(jī)磷的再利用主要通過2個功能來實(shí)現(xiàn): 1) 將植物體內(nèi)的有機(jī)磷轉(zhuǎn)化為無機(jī)磷; 2) 將植株中的磷從衰老組織轉(zhuǎn)運(yùn)到幼嫩組織[16]。研究表明,磷脅迫能顯著提高植物體內(nèi)APase活性,是植物對缺磷脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)。Elliot等[5]利用葉片APase活性進(jìn)行玉米磷缺乏診斷時發(fā)現(xiàn),磷缺乏時同一部位單位面積的葉片APase活性比全磷時增加2~3倍。龐欣等[7]通過分根處理試驗(yàn)研究了黃瓜部分根系供磷對根系A(chǔ)Pase活性的影響,結(jié)果表明:分根處理后不供磷根系的APase活性顯著高于供磷根系的APase活性。樊明壽等[8]通過水培研究玉米根系A(chǔ)Pase活性與磷營養(yǎng)的關(guān)系,表明低磷根系的APase活性明顯高于高磷處理。張麗梅等[12]以不同耐低磷玉米自交系為材料,研究缺磷對其APase活性的影響,結(jié)果表明低磷誘導(dǎo)玉米葉片、根組織和根系分泌APase活性升高,根組織和根系分泌 APase 活性的大小與玉米耐低磷能力不完全相關(guān)。同樣的結(jié)果在對花生[9]、小麥[10]、甜菜[11]、桉樹[14]等植物的研究中也有報(bào)道。劉淵等[13]證明低磷條件下 ,大豆根尖APase活性可作為磷高效基因型篩選的重要生化指標(biāo)。
玉米是我國主要的糧食、飼料作物和工業(yè)原料,且利用土壤磷的潛在能力較低。缺磷致使玉米植株矮小,根系不發(fā)達(dá),授粉受阻,籽粒不充實(shí),果穗小而彎曲,已成為限制玉米營養(yǎng)和產(chǎn)量的重要因素。尤其是國家提出農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整以來,多地縮減玉米種植面積,因此,選育磷高效玉米品種,提高玉米磷利用效率具有重要意義。相關(guān)研究表明,低磷誘導(dǎo)玉米組織分泌APase活性升高[12],以提高磷的利用率。為了探究APase活性對玉米產(chǎn)量及相關(guān)性狀的影響,本試驗(yàn)研究了磷脅迫處理對玉米自交系主要農(nóng)藝性狀、穗部性狀和APase活性的影響及其相互關(guān)系,以篩選出耐低磷玉米自交系,為進(jìn)一步選育磷高效玉米品種提供依據(jù)及基礎(chǔ)種質(zhì)資源。
玉米自交系5份(T 32、S 37、雙M 9、蘇11、J 51),詳見表1。
表1 自交系信息表
自交系 來源 T32Suwan3號 選系S37Suwan1號 選系雙M9墨黃9號 選系蘇11Suwan1號 選系J51貴州長順地方品種選系
試驗(yàn)于2017年5月種植于貴州省貴安新區(qū)磊莊村,其海拔1 190~1 400 m,年平均氣溫22.5 ℃,年降雨量1 175 mm,年無霜期285 d左右。試驗(yàn)地有機(jī)質(zhì)含量19.93 g/kg,全氮0.96 g/kg,全磷1.27 g/kg,全鉀18.34 g/kg,pH值為6。
在大田種植條件下,設(shè)磷脅迫(-P,尿素),全磷(P,復(fù)合肥)2個處理,隨機(jī)區(qū)組排列,3次重復(fù),單行區(qū),每小區(qū)6穴,行距70 cm,穴距30 cm。首先進(jìn)行玉米育苗,3葉期選擇生長整齊一致的植株進(jìn)行移栽,磷脅迫處理施用尿素(CH4N2O≥46.2%)26.8 kg/667 m2和氯化鉀(K2O≥62%)20 kg/667 m2作基肥,全磷處理每畝施用比例為15∶15∶15的復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O)82.7 kg/667 m2作基肥,管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。
成熟期調(diào)查自交系主要農(nóng)藝性狀(株高、莖粗、穗位高、葉面積等);收獲后自然晾曬并進(jìn)行室內(nèi)考種,調(diào)查自交系穗部性狀(穗長、穗粗、穗行數(shù)、穗重、百粒重等)。各性狀調(diào)查記載參照《國家普通玉米品種區(qū)域試驗(yàn)、生產(chǎn)試驗(yàn)、預(yù)備試驗(yàn)調(diào)查項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)》。
葉片APase活性測定采用對硝基苯酚法,具體參考Tabatabai and Bremme的方法略有改動[17]。
采用Microsoft Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,利用SAS軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(采用LSD法)以及相關(guān)性分析。
供試材料APase活性、田間主要農(nóng)藝性狀和穗部性狀(除穗粗)在自交系間和處理間均差異顯著,說明所選材料在耐低磷研究方面有一定代表性。磷脅迫下,S 37 APase活性最低(圖1),株高、莖粗、穗位高、雄穗分枝數(shù)和葉面積最低且均低于全磷處理(表3),產(chǎn)量主要構(gòu)成要素穗長、穗重、穗粒重和百粒重最低且低于全磷處理(表4),說明5個自交系中S 37對低磷脅迫最為敏感。
表3 自交系田間主要農(nóng)藝性狀
處理自交系 株高 (cm) 莖粗 (mm) 穗位高 (cm) 雄穗長 (cm) 雄穗 分枝數(shù) 葉面積 (cm2) -PT32135.65BCDbc13.20ABCabc46.90CDbc30.05Bbc5.17Bb316.41ABCbcS3791.67Fe9.97Dd15.93Gg30.52Bb1.83Bc179.09De雙M9136.62BCbc15.32Aa32.98EFef37.20Aa3.33Bbc342.28ABabc蘇11108.23EFde14.45ABab38.63DEFcde24.93BCde4.33Bbc375.38ABabJ51127.11BCDEcd14.11ABabc54.98BCb25.59BCcde10.90Aa316.14ABCbcPT32170.20Aa14.44ABab69.67Aa29.30BCbcd5.33Bb412.58AaS37109.43EFde12.09BCDcd34.33DEFdef23.33Ce3.67Bbc234.73CDde雙M9116.03CDEFd10.27CDd28.51FGf26.71BCbcde2.93Bbc289.85BCcd蘇11109.75DEFde12.90ABCDbc43.73CDEcd23.30Ce4.00Bbc328.54ABCbcJ51147.40ABb14.03ABabc66.67ABa30.20Bbc11.83Aa382.33ABab
注:數(shù)字后面的大寫(小寫)字母分別表示在0.01(0.05)水平差異顯著。下同。
由表2可看出,APase活性在處理間和自交系間均差異極顯著,為通過APase活性篩選耐低磷材料提供了可能。磷脅迫下,5個自交系葉片APase活性均高于全磷處理(圖1),表現(xiàn)為 T 32[6.79μmol/(g·min)]>雙M 9[(5.88μmol/(g·min)]>J 51[5.70μmol/(g·min)]>蘇11[4.76μmol/(g·min)]> S 37[4.09μmol/(g·min)],說明磷脅迫誘導(dǎo)玉米葉片APase活性升高,這與低磷誘導(dǎo)玉米葉片、根組織和根系分泌APase活性升高[6,12]一致。
自交系進(jìn)行不同磷處理時,T 32、雙M 9和蘇11 APase活性在磷脅迫和全磷下差異極顯著,分別較全磷處理高50.22%(p<0.01)、40.7%(p<0.01)和31.86%(p<0.01);S 37和J 51在磷脅迫和全磷下差異不顯著,分別較全磷處理高12.05%和8.78%(圖1)。說明磷脅迫能顯著提高T 32、雙M 9和蘇11 APase活性,為篩選磷高效玉米自交系提供了可能;而S 37和J 51對磷脅迫不敏感,有可能為低磷敏感材料。
表2 磷脅迫下自交系A(chǔ)Pase活性方差分析
變異來源SSdfMSFSig.處理間18.131118.13148.140**0.001自交系間23.39845.84915.531**0.001處理×自交系6.60941.6524.387**0.005誤差16.572440.377總變異64.71053
注:“**”表示在0.01水平差異顯著。下圖同。
由表3可知,自交系進(jìn)行不同磷處理時,磷脅迫處理雙M 9株高、莖粗、穗位高、雄穗長、雄穗分枝數(shù)和葉面積均高于全磷處理,分別較全磷處理高17.75%(p<0.05)、49.17%(p<0.01)、15.68%、39.27%(p<0.01)、13.70%和18.09%;磷脅迫處理蘇11莖粗、雄穗長、雄穗分枝數(shù)和葉面積分別較全磷處理高12.02%、6.99%、8.25%和14.26%,說明從主要農(nóng)藝性狀來看雙M 9具有較高的耐低磷特性,蘇11次之;除雄穗長外,T 32、S 37和J 51磷脅迫處理各個主要農(nóng)藝性狀均低于全磷處理,說明磷脅迫影響玉米APase活性,進(jìn)而影響玉米正常的生長發(fā)育,且不同自交系對磷脅迫的反應(yīng)不一致。
圖1 玉米葉片APase活性
由表4可見,不同處理間,磷脅迫下蘇11穗重高于全磷處理,其余4個自交系穗重均低于全磷處理,而禿尖長均高于全磷處理,穗粗在處理間無顯著差異。除穗重外,磷脅迫下雙M 9穗部性狀均高于全磷處理,穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗粒重、穗軸重和百粒重分別較全磷處理高10.25%、88.17%、4.99%、35.82%(p<0.05)、3.54%和3.11%;蘇11百粒重、禿尖長和穗軸重在處理間無差異,磷脅迫處理穗行數(shù)、行粒數(shù)、穗粒重、穗重和穗長均高于全磷處理,分別較全磷處理高22.89%(p<0.01)、26.1%(p<0.05)、43.28%(p<0.01)、43.87%(p<0.01)和19.1%(p<0.05);T 32穗行數(shù)、行粒數(shù)和穗粒重在2處理間無差異,全磷處理穗重、百粒重、穗軸重和穗長分別較磷脅迫處理高26.59%(p<0.05)、32.94%(p<0.01)、112.13%(p<0.01)和23.42%(p<0.01);S 37行粒數(shù)、穗重、穗粒重、禿尖長、穗軸重和穗長在2處理間無差異,磷脅迫處理百粒重較全磷處理低37.14%(p<0.01),穗行數(shù)較磷脅迫處理低37.84%(p<0.01);J 51除百粒重和禿尖長外,行粒數(shù)、穗行數(shù)、穗重、穗粒重和穗長均顯著高于磷脅迫處理,分別高159.98%(p<0.01)、35.82%(p<0.01)、171.84%(p<0.01)、32.65%(p<0.01)和21.16%(p<0.01);說明從穗部性狀來看蘇11具有較高的耐低磷特性,雙M 9次之,J 51對磷脅迫較為敏感,且不耐低磷。
表4 自交系穗部性狀
處理自交系穗長(cm)穗粗(cm)穗行數(shù)行粒數(shù)穗重(g)穗粒重(g)穗軸重(g)百粒重(g)禿尖(cm)-PT329.18CDef12.93Aab12.33Bb16.00BCDcd49.90BCc38.41BCc10.88BCbc22.62BCD-bc1.72CDEcdS378.27Df10.79Aab12.50Bb12.97CDEdef21.77Ef16.87DEe3.09De16.08Ed1.17DEFde雙M912.05ABbc20.83Aa11.67Bb17.67BCbc35.67CD-Ede37.31Cc8.17BCDcd20.56BC-DEc2.40BCbc蘇1112.47ABab12.80Aab15.57Aa18.07Bb60.90Bb48.96Bb12.08BCbc22.14BCD-bc2.91BbJ5111.53Bbcd10.75Aab12.20Bb10.77Ef30.47DEef18.32DEe11.37BCbc19.60DEcd4.13AaPT3211.33Bbcd20.70Aa12.83Bb17.50BCbc63.17Bb36.77Cc23.08Aa30.07Aa1.06EFdeS379.20CDef10.07Ab7.77Cc11.83DEef23.49Ef14.14Ee6.50CDde25.58ABCb0.38Fe雙M910.93BCcd11.07Aab11.67Bb16.83BCbc36.06CD-Ede27.47CDd7.89BCDcd19.94CD-Ecd1.10EFde蘇1110.47BCde11.63Aab12.67Bb14.33BCDEcde42.33CDcd34.17Ccd8.33BCDcd22.33BCD-bc2.28BCDbcJ5113.97Aa13.40Aab16.57Aa28.00Aa82.83Aa66.01Aa13.48Bb26.00ABab1.253DEFd
表5 田間主要農(nóng)藝性狀、穗部性狀和酸性磷酸酶活性相關(guān)性分析
性狀株高雄穗長雄穗分枝數(shù)穗位高莖粗葉面積穗長穗粗穗粒重穗軸重穗重禿尖長百粒重穗行數(shù)行粒數(shù)酶活性株高1.00雄穗長0.35 1.00 雄穗分枝數(shù)0.43 -0.531.00穗位高0.69 -0.43 0.87 1.00莖粗0.74 0.09 0.39 0.63 1.00葉面積0.62 -0.14 0.34 0.66 0.94 1.00穗長0.36 -0.12 0.35 0.44 0.89 0.85 1.00穗粗0.55 0.82 -0.34 -0.12 0.60 0.42 0.45 1.00穗粒重0.30 0.02 -0.27 0.17 0.60 0.77 0.51 0.44 1.00穗軸重0.57 -0.48 0.63 0.89 0.76 0.89 0.65 0.00 0.57 1.00穗重0.23 -0.34 -0.02 0.39 0.52 0.77 0.45 0.09 0.92 0.75 1.00禿尖長0.34 -0.48 0.86 0.75 0.65 0.59 0.75 -0.08 -0.01 0.69 0.14 1.00百粒重0.64 -0.46 0.90 0.99 0.68 0.70 0.56 -0.09 0.17 0.89 0.37 0.85 1.00穗行數(shù)-0.45 -0.64 -0.12 0.00 0.11 0.38 0.37 -0.29 0.59 0.39 0.72 0.15 0.06 1.00行粒數(shù)0.21 0.35 -0.57 -0.16 0.47 0.57 0.38 0.65 0.92 0.24 0.71 -0.28 -0.16 0.42 1.00酶活性0.59 -0.10 0.53 0.65 0.02 0.04 -0.35 -0.25 -0.17 0.35 0.02 0.07 0.52 -0.47 -0.34 1.00
注:︱r︱<0.4為低度相關(guān),0.4≤︱r︱≤0.7為中度相關(guān),︱r︱>0.7為高度相關(guān)。
相關(guān)性分析表明(表5),APase活性與株高、雄穗分枝數(shù)、穗位高和百粒重呈中度正相關(guān),相關(guān)性大小依次為穗位高、株高、雄穗分枝數(shù)、百粒重,說明APase活性的高低影響玉米田間主要農(nóng)藝性狀和穗部性狀。株高與莖粗高度正相關(guān)(r=0.74),與雄穗分枝數(shù)、穗位高、葉面積、穗粗、穗軸重和百粒重中度正相關(guān),與穗行數(shù)中度負(fù)相關(guān);雄穗長與穗粗高度正相關(guān)(r=0.82),與雄穗分枝數(shù)、穗位高、穗軸重、禿尖長、百粒重和穗行數(shù)中度負(fù)相關(guān);雄穗分枝數(shù)與穗位高、禿尖長、百粒重高度正相關(guān),其中與百粒重的相關(guān)性最高(r=0.9);穗位高與穗軸重、禿尖長、百粒重高度正相關(guān),其中與百粒重的相關(guān)性最高(r=0.99),與穗行數(shù)無相關(guān)性;莖粗與葉面積、穗長、穗軸重高度正相關(guān),其中與葉面積相關(guān)性最高(r=0.94);葉面積與穗長、穗粒重、穗軸重、穗重和百粒重高度正相關(guān),其中與穗軸重的相關(guān)性最高(r=0.89);穗長與禿尖長高度正相關(guān);穗粗與行粒數(shù)中度正相關(guān),與穗軸重?zé)o相關(guān)性;穗粒重與穗重、行粒數(shù)高度正相關(guān)(r=0.92);穗軸重與穗重和百粒重高度正相關(guān),其中與百粒重的相關(guān)性最高(r=0.89);穗重與穗行數(shù)、行粒數(shù)高度正相關(guān);禿尖長與百粒重高度正相關(guān)(r=0.85);說明田間主要農(nóng)藝性狀、穗部性狀和APase活性間均存在一定的相關(guān)性,相關(guān)性的高低可以作為篩選耐低磷自交系的依據(jù)。但玉米產(chǎn)量是各個性狀間相互作用的綜合結(jié)果,產(chǎn)量構(gòu)成因素間很難同步增長,主要表現(xiàn)為前者是后者的基礎(chǔ),后者對前者有一定的補(bǔ)償作用,磷脅迫影響植物器官APase分泌,從而影響植物磷營養(yǎng)和各個性狀的發(fā)育,進(jìn)而影響植物產(chǎn)量性狀,因此APase活性與磷效率、材料間的關(guān)系較為復(fù)雜,有待于從生理生化、遺傳、環(huán)境等方面做進(jìn)一步深入研究。
3.1.1重視種質(zhì)資源的遺傳多樣性
Silva等[18]對20個玉米自交系進(jìn)行耐低磷脅迫篩選,發(fā)現(xiàn)4個耐低磷脅迫自交系;Kaeppler等[19]對28個玉米自交系的耐低磷篩選,篩選出表現(xiàn)極端差異的1個磷高效自交系;劉鴻雁等[20]對38份玉米自交系進(jìn)行耐低磷篩選,發(fā)現(xiàn)4個自交系屬于磷高效基因型;張靜[21]在盆栽試驗(yàn)條件下,分3個生育時期在2個磷水平下,對4個玉米自交系磷效率及引起磷效率差異的形態(tài)、生理指標(biāo)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)1個磷高效基因型;張吉海等[22]在2個生態(tài)地區(qū)對76個玉米自交系進(jìn)行苗期低磷脅迫篩選試驗(yàn),最終選出5個自交系在2個試驗(yàn)點(diǎn)都表現(xiàn)出較好的耐低磷特性;宋占哲[23]從500余份自交系中以定義根冠比和最長根長的變化率為低磷響應(yīng)系數(shù),將其與產(chǎn)量相結(jié)合綜合篩選出118個磷高效材料;Mohammed Shalim Uddin[24]利用室內(nèi)水培法對550個玉米自交系(包括338份來自于2個RIL群體的材料,69份溫帶自交系和143份熱帶自交系)進(jìn)行了耐低磷的表型鑒定,共篩選出30個耐低磷材料;張紅偉[25]利用304份自交系比較不同生態(tài)型玉米耐低磷特性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)在15份耐低磷自交系中,有4份溫帶和11份熱帶亞熱帶自交系;本研究從5份自交系(包括4份熱帶種質(zhì)和1份地方種質(zhì))中篩選出2份耐低磷自交系均屬于熱帶種質(zhì);說明供試材料遺傳基礎(chǔ)狹窄,被選率低,大多數(shù)研究所選材料沒有代表性。因此,在今后耐低磷種質(zhì)資源的篩選中應(yīng)重視資源多樣性,避免遺傳單一。
3.1.2建立適宜的篩選體系和評價(jià)指標(biāo)
國內(nèi)外在玉米磷高效基因型的篩選上進(jìn)行了大量研究,所采用的篩選方法與鑒定指標(biāo)也不盡相同。Baker等[26]研究發(fā)現(xiàn),苗期葉片含磷量可以對土壤磷素有效性進(jìn)行評價(jià); Nielsen等[27]對12個玉米自交系的磷吸收動力學(xué)特征的研究提出玉米磷高效基因型應(yīng)具有較長的根系長度、較高的磷吸收速率(Imax)、較低的Km值和較低的初始濃度(Cmin);Silva等[18]利用P-Al緩沖液建立長效脅迫體系,以地上部干物質(zhì)產(chǎn)量為鑒定指標(biāo),對20個玉米自交系進(jìn)行耐低磷脅迫篩選;Gaume[28]結(jié)合根系有機(jī)酸分泌能力的差異,發(fā)現(xiàn)根系中具有較高有機(jī)酸含量和較低的有機(jī)酸分泌是低磷敏感基因型的典型特征,而磷高效基因型則具備較高的有機(jī)酸含量的同時又具備較高的分泌量;龔江等[29]以植株相對磷濃度和相對產(chǎn)量對玉米磷吸收效率和利用效率進(jìn)行玉米自交系耐低磷篩選;劉鴻雁等[20]提出玉米苗期耐低磷篩選的指標(biāo)是生物產(chǎn)量,而磷濃度、磷吸收效率和磷利用效率難以作為磷高效基因型篩選的指標(biāo);張麗梅等[30]提出干物質(zhì)重和缺素癥狀耐低磷指數(shù)的加權(quán)平均值可作為苗期耐低磷篩選指標(biāo);張吉海等[22]在2個生態(tài)地區(qū)對76個玉米自交系進(jìn)行苗期低磷脅迫篩選試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)相對生物產(chǎn)量、相對株高、相對莖粗以及葉片缺素指數(shù)可作為耐低磷基因型篩選和評價(jià)的指標(biāo);張吉海等[31]對2個生態(tài)地區(qū)76份自交系的耐低磷能力進(jìn)行鑒定,發(fā)現(xiàn)籽粒產(chǎn)量、株高、莖粗可作為玉米耐低磷基因型篩選和評價(jià)的指標(biāo)。綜上,從生育期來看,研究較多的是苗期或成熟期,沒有關(guān)于玉米全生育期方面的探討;從重復(fù)性方面來看,多為一年一生態(tài)區(qū)或一年兩生態(tài)區(qū),導(dǎo)致篩選結(jié)果不可靠,可重復(fù)性差;就評價(jià)指標(biāo)而言,沒有篩選標(biāo)準(zhǔn),指標(biāo)多樣化,導(dǎo)致篩選結(jié)果不盡一致。因此,有必要綜合考慮遺傳、性狀、環(huán)境等方面的因素,建立適宜的耐低磷玉米自交系篩選體系和評價(jià)指標(biāo),保證篩選結(jié)果的準(zhǔn)確性。
磷脅迫下,5份玉米自交系A(chǔ)Pase活性均高于全磷處理,田間主要農(nóng)藝性狀、穗部性狀和APase活性間存在一定相關(guān)性,且在不同處理間差異顯著。綜合來看,篩選出雙M 9和蘇11兩個耐低磷玉米自交系,可作為玉米磷高效育種的種質(zhì)資源。