不同铵硝配比条件下BPDS-Fe(Ⅱ)对玉米幼苗耐低铁胁迫差异的影响

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本站小编 Free考研考试/2021-12-26

徐健钦, 陈旭蕾, 于福同. 不同铵硝配比条件下BPDS-Fe(Ⅱ)对玉米幼苗耐低铁胁迫差异的影响[J]. , 2017, 50(7): 1223-1233 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.07.005
XU JianQin, CHEN XuLei, YU FuTong. Effects of BPDS-Fe(Ⅱ) on the Difference in Tolerance to Iron Deficiency of Maize Seedlings Under Different Ammonium/Nitrate Ratios[J]. Scientia Acricultura Sinica, 2017, 50(7): 1223-1233 https://doi.org/10.3864/j.issn.0578-1752.2017.07.005

0 引言

【研究意义】铁是植物体内重要的必需元素,直接参与植物的光合作用、呼吸作用,同时影响植物的多种重要代谢途径^[1-2]。铁不仅是植物生长发育所必需的营养元素,同时也是人体不可或缺的微量元素,作为蛋白质的组成部分,发挥作用于各种生理生化过程^[3]。尽管铁在地壳中含量丰富,缺铁现象普遍存在^[4]。因为Fe(Ⅱ)易被氧化成难溶性的Fe(Ⅲ),导致铁在碱性土壤中的利用率降低^[5]。目前,生产上主要通过叶面喷施或施用铁肥的方法来解决作物缺铁问题,但从生态及经济角度考虑这些措施并不可持续^[6-10]。研究作物自身遗传潜力,利用育种等手段培育耐低铁胁迫品种,可以从根本上解决作物缺铁问题。根据植物对缺铁的反应,可以将植物分为机理Ⅰ植物和机理Ⅱ植物。机理I植物包括双子叶和非禾本科单子叶植物,该类植物在低铁胁迫条件下利用还原机制吸收根际中的铁,包括H⁺-ATPase泵系统、Fe(Ⅲ)还原系统以及Fe(Ⅱ)转运系统。机理Ⅱ植物限于禾本科植物,在低铁胁迫条件下没有上述缺铁诱导的形态学和生理学变化,取而代之的是诱导和促进铁载体（麦根酸,PS）的合成和释放^[11-13]。玉米作为机理Ⅱ植物,缺铁时会分泌麦根酸来螯合并吸收介质中的Fe(Ⅲ),但在混种条件下,不同自交系分泌的麦根酸相互影响,铁吸收和利用差异由此减弱。因此,稳定持续地供应二价铁对研究玉米自交系耐低铁胁迫差异具有重要意义。【前人研究进展】目前,国内外已有关于低铁胁迫对作物的影响及作物对其的适应机制的研究。在以Fe(Ⅲ)为供铁形态的研究中,章爱群等^[14]发现低铁胁迫对玉米幼苗的地上部生物量及叶片叶绿素含量均具有显著影响。龙文靖等^[15]发现低浓度供Fe(Ⅲ)抑制玉米地上部的生长,高浓度供Fe(Ⅲ)则明显抑制地下部的生长;此外,活性铁含量和叶绿素含量可作为玉米早期潜在性缺铁诊断的综合指标。以Fe(Ⅱ)为供铁形态,高丽等^[16]认为Fe(Ⅲ)还原力提高是花生适应缺铁胁迫的主要机制。BPDS作为Fe(Ⅱ)的专性螯合剂,由于其体积大且所带电荷量较多,无法被根系跨膜吸收,多用于研究植物对铁的吸收和利用^[17-23]。早期研究中,BPDS与Fe(Ⅱ)所形成的红色螯合物被用于定量分析Fe(Ⅲ)被还原成Fe(Ⅱ)的总量变化。Fe(Ⅲ)螯合物中的铁在根系环境中被还原成Fe(Ⅱ),与BPDS形成Fe(Ⅱ)螯合物后被根系吸收与利用^[17]。在单子叶植物中,与直接供应Fe(Ⅲ)螯合物相比,燕麦从BPDS-Fe(Ⅱ)中获得的铁元素更多^[21]。然而,在同时供应NH₄⁺-N与NO₃^--N,但NH₄⁺-N的供应量相对较少的条件下,虽然耐低铁基因型玉米WF9比铁敏感基因型ys1能释放更多的质子与还原剂,以维持较低的介质pH;但WF9与ys1的还原水平均仍旧较低,且黄化程度随着BPDS的供应量升高而越来越显著^[18,23]。【本研究切入点】综合比较前人研究结果,与其他螯合剂相比,BPDS因其化学特性为更稳定的二价铁螯合剂。且迄今为止,有关以BPDS-Fe(Ⅱ)为供铁条件来探究玉米幼苗耐低铁胁迫的差异的研究在中国还未见报道。玉米自交系Ye478在中国拥有广泛的研究应用基础,是超过40种高产杂交品系的母本^[24-25];而Wu312在氮利用效率、保绿性及根系生长等多方面相较于Ye478均处于劣势^[26-28]。此外,由Ye478与Wu312为亲本的F₈代RIL群体已构建并用于QTL分析^[29-30]。【拟解决的关键问题】本研究以BPDS-Fe(Ⅱ)为供铁条件,探究在不同铵硝比条件下,2个玉米自交系Wu312与Ye478的耐低铁胁迫差异及其可能的适应机制,为耐低铁品种的筛选以及潜在基因的挖掘提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 水培试验

以玉米自交系Wu312与Ye478为供试材料,由中国农业大学资源与环境学院养分高效遗传改良课题组提供。供试玉米种子经10% H₂O₂消毒后在饱和CaSO₄溶液中浸泡10 h,后摆入盘中避光催芽。7 d后挑选生长一致的幼苗,去除胚乳,移栽至3 L的不透光营养罐中,营养液pH设为5.5—6.0,持续供氧,每2天换一次营养液。人工气候室光照时间为14 h（8：00— 22：00）,白天温度为28℃,夜间温度为22℃,光照强度平均为343 μmol·m^-2·s^-1,相对湿度为60%。
试验一以铵硝比1﹕1为供氮条件,Fe(II)与BPDS按照1﹕3的比例充分螯合,设14个BPDS-Fe(II)梯度（μmol·L^-1）,分别为0、0.02、0.04、0.06、0.08、0.2、0.4、0.6、0.8、2.5、5.0、10、20和40;每个处理重复4次。试验二以铵硝比1﹕7为供氮条件,设10个BPDS-Fe(Ⅱ)梯度（μmol·L^-1）,分别为0、0.05、0.1、0.5、1.0、2.5、5.0、10、20和40;每个处理设3个重复。以Hogland营养液为基本介质,营养成分如下（mmol·L^-1）：（1）铵硝比1﹕1,NH₄NO₃ 2.0,CaCl₂2.0;（2）铵硝比1﹕7,NH₄NO₃0.5,CaCl₂0.5,Ca(NO₃)₂ 1.5;其余组分为（mmol·L^-1）：K₂SO₄0.75,MgSO₄ 0.65,KCl 0.1,KH₂PO₄0.25;H₃BO₃1.0×10^-3, ZnSO₄2.0 ×10^-3,CuSO₄1.0×10^-3,MnSO₄5.0×10^-3,(NH₄)Mo₇O₂₄ 5.0×10^-6。每个重复中分别混种2株Wu312与2株Ye478,试验一于移栽后22 d收样,试验二于移栽后20 d收样。

1.2 测定指标与方法

叶片SPAD值：选植株的最新完全展开叶,在收获当天的9：00—11：00期间,选取每株玉米幼苗的最新完全展开叶距叶基1/3处的不同部位,用SPAD-502型叶绿素仪测定3次,每个重复测定2株幼苗,最后取平均值。
地上部与根系干物重：将地上部与根系分开取样,先放入烘箱中以105℃杀青30 min,再以75℃烘干至恒重后称重。
新叶活性铁浓度：同期取幼苗新展开叶片的尖端,均匀剪碎,称取2.00 g鲜样,按照1﹕10比例加入1 mol·L^-1盐酸,震荡5 h后过滤,用电感耦合等离子发射仪（ICP-AES）进行测定新叶活性铁浓度。
微量元素：称取0.3000 g烘干地上部样品,先加入6 mL HNO₃,使其室温下自然消解;隔日加入2 mL H₂O₂,混匀后放入MARS中进行微波消煮。反应结束后,待消煮液冷却至低于50℃,用高纯水将其定容至25 mL,摇匀后静置,半小时后转移至10 mL离心管中,用电感耦合等离子发射仪（ICP-AES）测定地上部铁、锰、铜、锌浓度。

1.3 数据分析

相同处理中,采用t检验对2个自交系间的差异进行显著性分析;相同自交系中,采用LSD方差分析方法对不同处理间的差异进行多重比较;用Pearson correlation对不同性状进行相关分析。

2 结果

2.1 铵硝比1﹕1条件下BPDS-Fe(Ⅱ)对Wu312与Ye478幼苗表型特征及生理特性的影响

2.1.1 表型特征
如图1所示,在低铁处理中,Ye478出现叶片脉间失绿的现象;在高浓度处理（5、10、20和40 μmol·L^-1）中,生长受抑制的表型随供铁水平升高而愈加明显,植株相比对照植株发育矮小,生长停滞,叶片出现坏死现象。植株根系的坏死现象最为严重,根系外附着深红色透明的胶状分泌物,分泌量随浓度升高而增加。在最高浓度（40 μmol·L^-1）的处理中,根系分泌物将整个根系完全包裹,导致幼苗地上部的生长停滞而全部坏死。

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图1不同浓度BPDS-Fe(Ⅱ)对Ye478地上部及根系生长的影响
A：低铁处理（0、0.02、0.04和0.06 μmol·L^-1）;B：高铁处理（5、10、20和40 μmol·L^-1）
-->Fig. 1Effects of different levels of BPDS-Fe(Ⅱ) on the roots growth of Ye478
A: Low iron treatments (0, 0.02, 0.04, 0.06 μmol·L^-1); B: High iron treatments (5, 10, 20, 40 μmol·L^-1)
-->

2.1.2 生物量与根冠比表1显示,当供铁水平高于2.5 μmol·L^-1时,Wu312的地上部生物量显著下降。当BPDS-Fe(Ⅱ)浓度为0.4 μmol·L^-1时,Ye478的地上部生物量最高,且高浓度BPDS-Fe(Ⅱ)对其生长的抑制作用显著。与对照（不供铁处理）相比,在最高浓度的BPDS-Fe(Ⅱ)条件下,Wu312的地上部干物重显著下降了31%,而Ye478则显著下降了64%。Wu312根系干物重在各处理间无显著差异;Ye478的根系干物重在供铁水平最高时,与对照处理相比显著下降了63%。根冠比均已超出玉米幼苗正常生长的范围（正常值：0.20—0.28）,说明地上部生长受到显著抑制。
Table 1
表1
表1不同BPDS-Fe(Ⅱ)对Wu312与Ye478生物量的影响
Table 1Effects of different levels of BPDS-Fe(Ⅱ) on the biomass of Wu312 and Ye478

浓度 Concentration (μmol·L^-1)	地上部干物重 Shoot dry weight (g)			根系干物重 Root dry weight (g)				根冠比 R/S ratio
浓度 Concentration (μmol·L^-1)	Wu312	Ye478		Wu312		Ye478		Wu312	Ye478
0.0	0.13±0.02bcd	0.22±0.05bcde	**	0.09±0.02		0.16±0.02bc	**	0.68±0.10bc	0.71±0.10abc	NS
0.02	0.15±0.03abc	0.26±0.03bcd	**	0.07±0.01		0.15±0.01bc	**	0.50±0.07efg	0.59±0.09cde	NS
0.04	0.14±0.03abc	0.19±0.02cdef	*	0.07±0.01		0.15±0.02bc	**	0.52±0.06def	0.79±0.05ab	**
0.06	0.15±0.05abc	0.21±0.06bcde	NS	0.08±0.02		0.17±0.03abc	**	0.58±0.09cdef	0.83±0.17a	*
0.08	0.14±0.01abcd	0.17±0.04def	NS	0.07±0.01		0.10±0.01de	**	0.55±0.12def	0.60±0.07cde	NS
0.20	0.17±0.01ab	0.17±0.02def	NS	0.08±0.01		0.13±0.01cd	**	0.46±0.04fg	0.76±0.11ab	**
0.40	0.17±0.04ab	0.41±0.16a	*	0.07±0.02		0.20±0.05a	**	0.38±0.04g	0.53±0.14e	NS
0.60	0.17±0.04ab	0.31±0.10ab	*	0.08±0.02		0.18±0.03ab	**	0.47±0.02fg	0.60±0.11cde	*
0.80	0.14±0.03abcd	0.24±0.09bcde	*	0.07±0.00		0.16±0.03abc	**	0.54±0.09def	0.70±0.13abcd	*
2.5	0.18±0.05a	0.29±0.16bc	NS	0.09±0.01		0.15±0.05bc	*	0.51±0.15efg	0.55±0.10e	NS
5.0	0.11±0.03cd	0.15±0.08def	NS	0.07±0.02		0.09±0.04ef	NS	0.61±0.07bcde	0.61±0.05cde	NS
10	0.13±0.03bcd	0.14±0.03ef	NS	0.08±0.01		0.09±0.01def	NS	0.65±0.12bcd	0.67±0.05bcde	NS
20	0.13±0.04bcd	0.16±0.06def	NS	0.09±0.02		0.09±0.02ef	NS	0.73±0.14b	0.56±0.13de	NS
40	0.09±0.02d	0.08±0.01f	NS	0.08±0.01		0.06±0.01f	*	0.88±0.06a	0.80±0.09ab	NS
LSD (0.05)	2.14	4.40		NS		8.80		7.79	3.74
基因型Genotype	39.66**				186.04**			21.78**
铁Fe	5.81**				6.76**			7.37**
基因型×铁Genotype×Fe	2.31*				7.82**			3.58**

Different letters represent significant difference and NS represents no significance between different treatments at P≤0.05; * and ** represent significant difference between Wu312 and Ye478 in the same treatment at P≤0.05 and P≤0.01, respectively. The same as below不同字母代表不同处理间的差异显著,NS代表无显著性差异（P≤0.05）;*与**分别代表在0.05与0.01水平下相同处理中Wu312与Ye478间的差异显著。下同

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2.2 铵硝比1﹕7条件下BPDS-Fe(Ⅱ)对玉米自交系Wu312与Ye478幼苗表型特征与生理特性的影响

2.2.1 表型特征如图2-A与图2-B所示,在处理0及0.05 μmol·L^-1中,Wu312与Ye478幼苗均出现坏死现象。图2-C显示,在处理0.1 μmol·L^-1中,Wu312被竞争致死,无法发育出第五片叶,Ye478仍能维持生长,发育至第五片叶,叶片返绿明显。然而图2-D显示,在处理0.5 μmol·L^-1中,Wu312可维持生长发育并开始返绿。因此,0.1 μmol·L^-1的BPDS-Fe(Ⅱ)浓度是Wu312与Ye478缺铁表型出现最显著差异的供铁水平,是研究玉米幼苗耐低铁胁迫遗传差异的最佳浓度,可为进一步的基因定位与遗传育种工作提供理论依据。

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图2不同浓度BPDS-Fe(Ⅱ)对Wu312与Ye478地上部生长发育的影响
图A、图B、图C分别表示在0、0.05、0.1 μmol·L^-1 BPDS-Fe(Ⅱ)浓度下Wu312与Ye478的地上部生长状况,图D表示在0.5 μmol·L^-1（左）与0.1 μmol·L^-1（右）供铁水平下Wu312的地上部生长状况
-->Fig. 2Effects of different levels of BPDS-Fe(Ⅱ) on the shoots growth of Wu312 and Ye478
Figure A, B and C show the shoots growth of Wu312 and Ye478 in the treatments of 0, 0.05, 0.1 μmol·L^-1 respectively. Fig. D shows the shoot growth of Wu312 in the treatments of 0.5 μmol·L^-1 (left) and 0.1 μmol·L^-1 (right)
-->

2.2.2 叶片SPAD值 SPAD值与叶片叶绿素含量具有很好的相关性^[31]。Ye478的叶片SPAD值均显著高于Wu312（图3）,说明Ye478对由缺铁导致的叶绿素合成的减少不敏感,能在低铁胁迫条件下保持较好的叶色,在保绿性方面具有显著优势。然而,2.5 μmol·L^-1处理下的2个自交系的SPAD值均最高,相比之下,高铁处理（10、20和40 μmol·L^-1）中的SPAD值却较低,玉米幼苗新叶均存在不同程度的黄化现象,其中Wu312更为显著。
2.2.3 生物量与根冠比与表1相比,表2显示,试验二的处理植株所累积的生物量均高于对照（不供铁）植株,最高供铁水平下的Wu312地上部干物重是对照植株的8倍,Ye478则接近10倍,说明调整铵硝比有效改善了幼苗的生长状况。同时,在各个供铁水平中,Ye478的地上部与根系干物重均显著高于Wu312,表现出明显的生长优势。此外,随着供铁水平的降低,生物量累积的减少,根冠比均显著升高,说明在低铁胁迫条件下地上部受抑制程度大于根系。2个玉米自交系的地上部与根系干物重呈极显著正相关,相关系数为0.99（图4）。

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图3不同浓度BPDS-Fe（Ⅱ）对Wu312与Ye478叶片SPAD值的影响
不同小写字母代表不同处理间Wu312的差异显著（P≤0.05）;不同大写字母代表不同处理间Ye478的差异显著（P≤0.05）;*与**分别代表0.05与0.01水平下相同处理中Wu312与Ye478间的差异显著。下同
-->Fig. 3Effects of different levels of BPDS-Fe(Ⅱ) on the SPAD of Wu312 and Ye478
Different lowercase letters represent significant difference of Wu312 between different treatments at P≤0.05; different uppercase letters represent significant difference of Ye478 between different treatments at P≤0.05; * and ** represent significant difference between Wu312 and Ye478 in the same treatment at P≤0.05 and P≤0.01, respectively. The same as below
-->

2.2.4 新叶活性铁浓度与地上部铁、锰、铜、锌浓度 Ye478的新叶活性铁浓度均显著高于Wu312（图5）。如表3所示,Wu312与Ye478的地上部铁浓度在处理间均无显著差异。2个自交系的地上部锰、铜与锌浓度均随供铁水平的升高而呈显著下降的趋势;地上部铁含量与地上部锰、铜、锌浓度之间均呈极显著负相关,相关系数分别为-0.64、-0.66与-0.55（图6）。这些结果均表明玉米在吸收铁元素与锰、铜、锌元素之间存在拮抗作用。

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图4地上部与根系干物重的相关性
**代表0.01水平下相同处理中的差异显著。下同
-->Fig. 4Relationship between shoot and root dry weights
**represents significant difference at P≤0.01. The same as below
-->

Table 2
表2
表2不同BPDS-Fe(Ⅱ)对Wu312与Ye478生物量的影响
Table 2Effects of different levels of BPDS-Fe(Ⅱ) on the biomass of Wu312 and Ye478

浓度 Concentration (μmol·L^-1)	地上部干物重 Shoot dry weight (g)			根系干物重 Root dry weight (g)			根冠比 R/S ratio
浓度 Concentration (μmol·L^-1)	Wu312	Ye478		Wu312	Ye478		Wu312		Ye478
0.0	0.18±0.02d	0.34±0.04b	**	0.07±0.01e	0.14±0.01b	**	0.41±0.02b		0.43±0.06b	NS
0.05	0.17±0.04d	0.42±0.10b	**	0.08±0.01de	0.18±0.05b	*	0.46±0.04a		0.43±0.01b	NS
0.10	0.19±0.01d	0.36±0.03b	**	0.09±0.00de	0.18±0.03b	**	0.48±0.03a		0.50±0.09a	NS
0.50	0.37±0.12d	1.06±0.41b	*	0.09±0.02de	0.30±0.09b	**	0.25±0.05c		0.29±0.04c	NS
1.0	1.56±0.43ab	3.61±0.77a	**	0.38±0.12ab	1.03±0.23a	**	0.24±0.03c		0.29±0.01c	*
2.5	1.01±0.35c	4.14±0.50a	**	0.22±0.08cd	1.19±0.11a	**	0.22±0.01c		0.29±0.02c	**
5.0	1.93±0.52a	3.23±0.30a	*	0.47±0.14a	0.95±0.09a	**	0.24±0.01c		0.29±0.02c	**
10	1.41±0.43bc	4.09±1.87a	*	0.33±0.14bc	1.06±0.60a	NS	0.23±0.03c		0.25±0.04c	NS
20	1.55±0.21ab	4.37±1.11a	**	0.33±0.06bc	1.12±0.28a	**	0.21±0.01c		0.26±0.00c	**
40	1.61±0.22ab	3.26±0.62a	**	0.35±0.07abc	0.80±0.15a	**	0.21±0.02c		0.25±0.03c	NS
LSD (0.05)	16.78	14.25		9.73	10.66		47.77		16.11
基因型Genotype	93.52**			102.53**				14.00**
铁 Fe	23.55**			15.90**				51.82**
基因型×铁Genotype×Fe	5.58**			5.22**				NS

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Table 3
表3
表3不同BPDS-Fe（Ⅱ）对Wu312与Ye478地上部铁、锰、铜、锌浓度的影响
Table 3Effects of different levels of BPDS-Fe(Ⅱ) on the shoot concentrations of Fe, Mn, Cu and Zn of Wu312 and Ye478

浓度 Concentration (μmol·L^-1)	铁浓度 Fe concentration (mg·kg^-1)		锰浓度 Mn concentration (mg·kg^-1)		铜浓度 Cu concentration (mg·kg^-1)		锌浓度 Zn concentration (mg·kg^-1)
浓度 Concentration (μmol·L^-1)	Wu312	Ye478	Wu312	Ye478	Wu312	Ye478	Wu312	Ye478
0.0	25.2±5.9cd	27.4±8.1NS	97.8±14.6de	187.2±13.3c**	13.8±3.1c	15.9±1.6c	119.5±33.8cd	283.1±37.9b**
0.05	24.2±4.3d	25.1±9.2NS	134.7±7.7bc	281.7±47.2b**	16.3±1.4c	21.9±4.3b*	155.0±15.9c	368.8±83.8b**
0.10	25.3±2.5cd	24.9±1.9NS	198.1±18.1a	383.8±61.4a**	22.7±1.2a	28.7±0.8a**	329.4±45.1a	594.5±112.1a**
0.50	33.9±7.2ab	44.7±7.1NS	164.5±41.6b	251.5±18.8b*	19.5±2.9b	20.2±2.7b	254.3±92.7b	313.4±157.8b
1.0	32.9±3.3abc	37.6±12.7NS	101.7±18.3cde	127.8±8.8d	10.7±1.1d	12.4±1.9d	102.0±25.1cd	103.4±21.6c
2.5	33.6±2.9ab	36.2±4.8NS	121.8±18.7cd	129.6±23.2d	10.0±0.6d	12.1±1.2d*	103.5±19.9cd	111.0±22.3c
5.0	23.7±3.0d	29.4±3.7NS	100.1±12.2de	141.0±22.4cd*	9.3±0.5d	12.2±2.2d*	67.8±11.8d	102.4±4.0c**
10	33.1±3.5ab	28.4±3.9NS	119.8±12.7cd	131.4±21.6d	10.0±0.7d	11.2±1.4d	83.4±20.2d	89.2±17.1c
20	29.2±3.3bcd	43.0±16.1NS	87.1±13.9de	129.2±22.5d*	8.6±0.5d	11.5±1.2d**	62.6±4.4d	86.6±19.4c*
40	36.2±0.3a	41.7±8.9NS	69.8±10.8e	97.7±18.8d*	8.6±0.5d	10.8±0.6d**	57.1±3.3d	82.2±22.5c
LSD (0.05)	4.0	NS	11.9	27.9	29.7	25.5	17.3	18.5
基因型 Genotype	5.3*		101.6**		31.8**		30.0**
铁 Fe	4.3**		37.3**		52.3**		31.3**
基因型×铁Genotype×Fe	NS		8.4**		NS		4.4**

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图5不同浓度BPDS-Fe(Ⅱ)对Wu312与Ye478新叶活性铁浓度的影响
-->Fig. 5Effects of different levels of BPDS-Fe(Ⅱ) on the active Fe concentration in young leaves of Wu312 and Ye478
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图6地上部铁含量与锰、铜、锌浓度的相关性
-->Fig. 6Relationships between Fe, Mn, Cu and Zn concentrations in shoots
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3 讨论

3.1 调整铵硝比对玉米幼苗根际pH的影响

（1）在等量供应NH₄⁺-N与NO₃^--N的条件下,幼苗生长受到抑制甚至毒害,根系产生粘性物质（图1）,根际pH在24 h内下降约2个单位。因此推测,这些现象是根系对不良外界环境刺激作出的反应。当细胞膜完整性受损,有机质便从活体中大量释放次生代谢产物,该根系分泌物可能是一些高分子粘胶物质^[32-33]。由于粘胶物质有时以酸的形式出现,其所携带的羧基等酸性基因释放的质子对介质也有明显的酸化作用,导致根际pH下降明显^[32,34]。此外,有研究表明,玉米吸收NH₄⁺-N会导致pH下降,相反,吸收NO₃^--N会导致pH升高^[35]。同时,也有研究表明,缺铁条件下NH₄⁺-N能促进铁在植物体内的运移^[36-37]。因此,减少并保持一定的NH₄⁺-N供应比例,能有效减缓根际pH的下降,同时有利于玉米幼苗正常生长。

3.2 玉米幼苗耐低铁胁迫能力的评价指标

研究表明,不同植物种类或同一植物的不同品种之间的耐低铁能力存在显著的基因型差异^[16,38]。植株的株高、展叶数、叶面积、生物量、叶绿素值、叶片黄化程度、活性铁含量、根系还原能力、根际pH以及铁载体的释放能力均可用于评价植物对低铁胁迫的忍耐能力^[39-42]。通过对表型特征与生理指标的分析,本研究发现,Ye478耐低铁胁迫能力强,表现为耐低铁品系;相比之下,Wu312则对低铁胁迫耐受力弱,表现为铁敏感品系。首先,试验二中的地上部与根系干物重呈极显著的正相关性,相关系数高达0.99,是最适宜用于评价作物耐低铁性的重要指标。叶片中叶绿素含量的高低是反映作物营养和生长状况的重要指标,而叶片SPAD值常用于表征叶绿素相对含量^[40],有研究表明SPAD值与作物产量之间存在显著正相关^[31]。试验二的结果亦反映了2个不同耐低铁性的玉米自交系间的差异极显著,因此SPAD值是评价玉米铁营养状况的必要指标。其次,尽管根冠比的变异是作物在低铁胁迫条件下的基本响应,但由于其在Ye478与Wu312间差异较小,只能作为评价玉米幼苗耐低铁胁迫能力的良好指标。地上部铁浓度在不同品系间无显著差异,其他研究发现地上部的全铁浓度与低铁胁迫引起的缺铁黄化表型不相关^[43-45],因此,该指标不能很好地反映植物的铁营养状况^[46],不适宜用于评价玉米幼苗的耐低铁胁迫能力。由于初生叶对新叶铁营养状况起着重要的调节作用^[47],活性铁浓度所取样品均为初生叶片的尖端部分^[48],且本研究结果也体现出不同品系间的显著差异,因此新叶活性铁浓度适合用于表征玉米早期潜在性缺铁诊断的指标^[14,49]。

3.3 玉米幼苗耐低铁胁迫的适应机制

随着BPDS-Fe(Ⅱ)浓度的递增,发现玉米幼苗新
叶脉间仍旧出现不同程度的黄化症状;此外,相较于5 μmol·L^-1处理,10、20与40 μmol·L^-1供铁水平下的Ye478的地上部与根系的生物量累积并无显著增加,说明玉米幼苗的生长仍受到一定程度的抑制。究其原因,这与BPDS自身的特性有关。BPDS与Fe(Ⅱ)形成的可溶性化合物,具有极高的稳定性与极低的交换性,随着营养液中BPDS-Fe(Ⅱ)浓度的升高,根系无法与BPDS竞争以获得更多的铁元素^[17,21,23],因此,当BPDS与铁元素以3﹕1的比例充分螯合时,仍有缺铁现象;但经过调整螯合比例,增加介质中自由铁,植株可能恢复正常水平,无缺铁表型^[23]。
试验一中,根际pH下降显著,其原因可能是玉米幼苗根系在缺铁条件下通过释放质子来维持介质中的还原环境,阻止Fe(Ⅱ)被氧化成Fe(Ⅲ)。与此同时,在稳定的BPDS-Fe(Ⅱ)供应条件下,玉米植株通过直接分泌麦根酸来螯合并吸收Fe(Ⅲ)的可能性极低,因此玉米通过机理Ⅱ吸收铁的途径受抑制。此外,早期研究发现,铁效率高的玉米幼苗比铁效率低的玉米幼苗具有更强的质子释放能力,并保证其对Fe(Ⅲ)的还原能力随时间而增强^[18]。根际pH在实际土壤中的下降程度可能比在营养液中更为显著^[18]。由此推断,玉米在缺铁条件下既可通过大量分泌麦根酸类铁载体的途径来吸收铁^[11-12],也可以通过分泌质子使根际酸化的途径来还原铁^[50]。
试验二中,随着供铁水平的降低,根冠比显著增加,说明在生物量累积减少的条件下,地上部将生成的光合产物优先分配给根系,利于根系维持生长。并且,与Wu312相比,Ye478的根冠比较大,说明该机制在耐低铁品系中表现更为突出。这种优先分配机制可能也是玉米幼苗耐低铁胁迫的机制之一。玉米幼苗的地上部铁浓度在2个自交系以及处理之间均无显著差异,因此不同自交系间的耐低铁胁迫差异并非由吸收效率引起,可能是根向地上部转运效率以及铁在体内的再分配导致的。⁵⁹Fe示踪技术研究发现,缺铁促进了铁向地上部的运输,铁在体内的利用率提高^[47]。有研究表明,液泡在调节细胞内铁稳态平衡中起关键作用,当胞外供铁不足时,液泡将储存的铁释放到细胞质溶胶中^[51-52]。因此,根向地上部的转运以及铁在体内的再分配也可能是玉米幼苗耐低铁胁迫的可能机制之一。

4 结论

4.1

等量供应NH₄⁺-N与NO₃^--N会导致根际pH在24 h内下降约2个单位,根系产生粘胶分泌物以抑制幼苗生长。降低NH₄⁺-N的供应比例能有效改善根际pH环境,同时基本消除根系分泌物,利于幼苗正常生长。

4.2

玉米自交系Ye478为耐低铁品系,在表型、生物量累积、叶片SPAD值与新叶活性铁浓度方面具有显著优势,Wu312为铁敏感品系;0.1 μmol·L^-1浓度为表型差异最显著的BPDS-Fe(II)的供应水平。

4.3

地上部与根系生物量、叶片SPAD值是表征玉米幼苗耐低铁胁迫差异的最佳指标,根冠比以及新叶活性铁浓度是良好指标。

4.4

玉米幼苗根系无法与BPDS竞争以获得充足的铁元素,其耐低铁胁迫的可能机制包括向根际环境中分泌质子,优先将光合产物分配给根系,以及铁在植物体内的运移与在胞内的再分配。
The authors have declared that no competing interests exist.