玉米耐低磷基因型的筛选

史向远，王秀红，韩彦青，胡婉平，白建荣，刘惠民

（1.山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原 030031；2.山西省农业科学院作物科学研究所，山西太原 030032；3.山西省农业科学院，山西太原 030006）

磷是植物生长发育中必不可少的大量元素之一，是产量和质量形成的重要组成成分。有效磷低是我国土壤普遍存在的问题[1-4]，尽管磷肥的施用能满足植物生长的需要，但是同时也带来诸如磷矿资源缺乏、水资源富营养化等一系列环境问题[5]。王庆仁等[6]认为，选育磷高效植物品种是提高土壤潜在磷利用率的一条重要途径。已有研究表明，不同植物在低磷条件下对磷的利用存在基因型差异，如水稻、小麦、油菜、玉米等[7-12]。充分发掘和利用植物自身的抗低磷能力，从中筛选对磷吸收利用效率高的基因型和磷高效利用基因资源，对于选育磷高效品种、降低生产成本、节约磷矿资源、保护环境具有重要意义。

在前人研究的基础上，本研究对36个玉米自交系进行磷高效利用的初步鉴定，以期为玉米磷高效利用基因资源的挖掘奠定基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

选用的36个玉米自交系（表1）均来自山西省农业科学院现代农业研究中心玉米育种研究室，试验在日光温室内进行。

1.2 试验方法

1.2.1 种子处理及催芽 精选的玉米种子用75%的酒精表面消毒30 s，冲洗干净后用蒸馏水浸泡24 h，播种至湿润的珍珠岩中，25℃暗处发芽。一叶一心（苗高20 mm）时，选出整齐的幼苗，去掉胚乳后用海绵将所选幼苗固定在带孔塑料泡沫板上，后移植于盛有1.5 L，pH值为6.0±0.1的全磷营养液的盆钵中。每盆移栽3株，随机摆放于温室中。相对湿度控制在65%～70%之间。

表1 参试的36个玉米自交系

1.2.2 不同磷处理水平 基本营养液成分参照文献[13]配置，并设置2个磷处理水平，即1mmol/L KH2PO4为全磷处理（＋P），0.1 mmol/L KH2PO4为低磷胁迫处理（－P）。在低磷营养液中，减少的部分K＋用KCl补齐，用1 mol/LHCl调节pH值。幼苗在全磷营养液中培养7 d后，进行低磷处理，全磷培养为对照，每盆3株，3次重复。每隔3 d换1次营养液，并更换盆钵的位置，用玻璃棒搅动营养液调节换气，每天2次。共处理30 d，收获植株时要分别收获植株冠部和根部。

1.2.3 指标测定

1.2.3.1 植株干物质量 采样时将植株按茎叶（冠部）、根系分开，放入鼓风干燥恒温箱中，于105℃杀青30 min，然后70℃烘干至恒质量，分别用1/10 000电子天平称质量。称冠部干物质量和根部干物质量，计算根冠比。

1.2.3.2 磷含量 烘干的植物样品磨碎后用浓H2SO4-H2O2消煮，用钒钼黄比色法测定磷含量[14]。

1.3 不同耐低磷基因型的评价指标及计算方法

参照Lynch[15]对养分效率和植物施肥的反应程度分类标准，对不同基因型的磷利用情况进行分类。即：Ⅰ.磷低效不敏感型。冠部干物质量或冠部磷积累量低于在高、低磷处理下的平均值；Ⅱ.磷低效高敏感型。冠部干物质量或冠部磷积累量在低磷处理下低于平均值，但在高磷处理下高于平均值；Ⅲ.磷高效高敏感型。高、低磷处理下，冠部干物质量或冠部磷积累量均高于在高、低磷处理下的平均值；Ⅳ.磷高效不敏感型。冠部干物质量或冠部磷积累量在低磷处理下高于平均值，但在高磷处理下低于平均值。

相对干物质量＝低磷下干物质量/高磷下干物质量。

相对根冠比、相对磷含量和相对磷利用效率的计算方法同相对干物质量。

1.4 数据处理

所有试验数据用Excel整理并采用SPSS 18.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 低磷处理对36个自交系的干物质量和磷积累量的影响

植株干物质量是磷利用情况的直接反映。对36个自交系在2个供磷水平下的苗期冠部干物质量进行了分析，结果表明，在低磷处理30 d后，所有玉米自交系的干物质量较全磷处理都有降低。低磷处理下，自交系冠部干物质量平均为0.489 g/株，变幅为 0.166～1.179 g/株；对照（全磷）自交系冠部干物质量平均为0.616 g/株，变幅为 0.263～1.518 g/株（表 2）。

表2 不同磷水平下36个自交系的冠部干物质量和磷积累量

续表2

冠部磷积累量说明了植株对磷的吸收情况。本研究对36个自交系在2个供磷水平下的冠部磷积累量分析（表2）表明，在低磷处理下，自交系冠部磷含量平均为0.789mg/株，变幅为0.249～2.522 mg/株；对照（全磷）自交系冠部磷含量平均为6.170 mg/株，变幅为3.156～16.091 mg/株。

2.2 低磷处理对不同基因型玉米不同指标相对值的影响

为了消除不同基因型玉米自交系间固有生物学特征的差异，采用低磷条件下与全磷条件下的相对值来衡量不同基因型玉米间的耐低磷胁迫能力差异。本研究分别计算了相对干物质量、相对根冠比、相对磷积累量和相对磷利用效率。结果（表3）表明，各基因型间相对值的差异较大，其根冠比变幅为0.383～1.779，平均0.915；干物质量变幅为0.413～0.996，平均0.778；磷积累量变幅为0.058～0.220，平均0.133；磷利用效率变幅为0.164～11.411，平均6.339。

表3 36个自交系各项指标相对值（-P/+P）比较

从标准差和变异系数（表4）可以看出，植株的根冠比、干物质量、磷积累量和磷利用效率均存在显著差异，且不同自交系各指标相对值对低磷胁迫反应的变异幅度较大。

2.3 不同磷利用效率基因型的筛选

分别以干物质量和磷积累量（表2）作为衡量不同玉米自交系总磷效率和磷吸收效率的指标，根据Lynch的评价方式，将供试玉米自交系划分为4种不同的类型。从冠部干物质量（图1A）可以看出，36个自交系中大部分为磷低效不敏感型（图1A－Ⅰ），27号材料为磷低效高敏感型（图 1A－Ⅱ）。2，3，4，5，10，17，20，22，31 号材料则属于磷高效高敏感型（图1A－Ⅲ）。15，34号材料属于磷高效不敏感型（图1A－Ⅳ）。而从冠部磷累积量（图1B）可以看出，大部分自交系同样属于Ⅰ区，为磷低效不敏感型，属于Ⅱ区磷低效高敏感型的自交系有15，20号材料，属于Ⅲ区磷高效高敏感型的自交系有 2，3，4，5，10，17，22，29，31号材料，属于Ⅳ区磷高效不敏感型的自交系有 16，23，30，33，36 号材料。

同时，以根冠比、干物质量、磷积累量和磷利用效率相对值为筛选指标（表3），以平均值为标准，将全部参试玉米自交系划分为2类，高于平均值的材料为磷高效基因型，低于平均值的材料为磷低效基因型（表4）。综合以上4个指标，初步筛选确定3，10，31号材料为磷高效基因型，19，24，32号材料为磷低效基因型。

再通过Lynch评价方式和平均值划分标准综合分析得出，自交系 3（478）、10（太系 113）和31（丹 340）为磷高效基因型，而 19（P138）和 24（F349）为磷低效基因型。

表4 各项指标相对值分析

3 结论与讨论

苗期是大多数作物磷素营养的敏感期和临界期，该期吸收的磷素大体占全生育期的2/3以上，而后期主要为体内磷的再转移和重复利用。玉米是低磷敏感作物，对低磷胁迫反应在不同基因型间存在显著差异[16]。李绍长等[17]研究认为，在苗期和成熟期对不同基因型玉米磷效率的筛选结果基本一致，可在苗期进行磷效率的早期选择。本研究在苗期采用液体培养试验，通过不同玉米基因型对低磷胁迫的反应，说明玉米自交系之间的干物质量和磷积累量存在基因型差异。

要获得典型的磷利用效率不同的基因型，筛选指标的确定非常重要。迄今为止，前人已对不同的筛选指标进行了对比分析。龚江等[18]认为，相对生物量和植株相对磷浓度作为玉米磷高效指标筛选更合适。这2个指标不仅反映了干物质生产能力受低磷胁迫的影响，而且反映了单位干物质量吸磷能力对低磷胁迫的反应。研究也表明，根冠比是筛选耐低磷品种的指标之一。在低磷胁迫下，植物耐低磷类型常常通过根系适应性反应来提高植物对土壤磷的吸收能力。由于耐低磷品种光合同化物向地下部分转移量增加，而低磷敏感品种则下降，耐低磷品种根冠比增加的程度大于低磷敏感品种[19]。而磷利用效率则是我们的育种目的。本研究从生物量和磷积累量方面进行了对比分析，而且通过结合相对值的分析，初步获得了磷高效（耐低磷）基因型材料478、太系113和丹340，磷低效基因型材料P138和F349。

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