樊慶琦 隋新霞 黃承彥 崔德周 李永波 楚秀生

摘要：為考察鐵營養(yǎng)元素對普通小麥苗期生長發(fā)育的影響，以保存的86份山東省1950年以來搜集、引進(jìn)和育成的小麥品種為研究對象，在缺鐵脅迫下營養(yǎng)液培養(yǎng)15 d，考察根系數(shù)量、主根系長度、根干重、地上部分干重和根冠比與正常培養(yǎng)（對照）的關(guān)系以及不同年代供試品種的演變規(guī)律。結(jié)果表明，除根系長度外，其余4個性狀缺鐵脅迫下與對照相比，差異達(dá)極顯著水平；根系數(shù)量、根系長度和地上部分干重品種間差異也達(dá)極顯著水平。對上述性狀進(jìn)行方差分析和脅迫指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，多數(shù)小麥品種在缺鐵脅迫下表現(xiàn)為根系數(shù)量減少，根干重和根冠比增加，地上部分干重明顯降低。研究還發(fā)現(xiàn)，臨麥4號、濰麥8號和山農(nóng)27等小麥品種具有較強(qiáng)的缺鐵耐受能力，可用于小麥鐵營養(yǎng)高效的遺傳改良。

關(guān)鍵詞：小麥；苗期；缺鐵脅迫；根系；脅迫指數(shù)

中圖分類號：S512.101文獻(xiàn)標(biāo)識號：A文章編號：1001-4942（2018）05-0028-06

Abstract In order to investigate the effect of iron nutrition on growth and development of common wheat at seedling stage， 86 wheat germplasms from Shandong Province under normal culture and iron deficiency treatment were used as material to study the number of roots， length of main root， dry weight of root， dry weight of shoot and root/shoot ratio. Their evolution rules of different times were also studied. The results showed that except root length， the other 4 traits were significantly different between iron deficiency and control treatments. The root number， root length and dry weight of shoots were also significantly different between varieties. Furthermore， the variance and stress index analyses were performed， and the results indicated that most wheat varieties showed decrease in root number and shoot dry weight and increase in root dry weight and root/shoot ratio under iron deficiency treatment. This study also found that the wheat varieties such as Linmai 4， Weimai 8 and Shannong 27 had strong iron tolerance， so they could be used for genetic improvement of wheat iron nutrition.

Keywords Wheat； Seedling stage； Iron deficiency stress； Roots；Stress index

根系是小麥吸收生長發(fā)育必需礦物元素的器官。鐵作為小麥必需的微量營養(yǎng)元素，具有重要的生物學(xué)功能。它參與葉綠素的合成，影響葉綠體的構(gòu)造，是合成葉綠素的先決條件[1]。缺鐵將導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)和胞內(nèi)細(xì)胞器的畸變或破壞[2-4]，表型上則表現(xiàn)為黃化失綠現(xiàn)象[5]。另外，鐵還具有參與作物呼吸作用和生物固氮等重要生物學(xué)功能[6-9]。

鐵的供給水平和存在形式同樣影響小麥根系的發(fā)育。鐵濃度增加，可促進(jìn)根系生長、根長和根重增加，但鐵供給過量，則會導(dǎo)致毒害，抑制其生長[10，11]。同時，不同的鐵離子存在形式對根系生長及根系酶活性產(chǎn)生不同的影響，EDTA-Fe2+形式的鐵源優(yōu)于EDTA-Fe3+和FeCl3等鐵源，缺鐵處理下根系A(chǔ)TPase活性略好于其它處理[12]。另外，鐵還影響小麥體內(nèi)蛋白的變化，可引起諸如金屬耐受蛋白MTP的差異表達(dá)[13]，還能導(dǎo)致大量未知蛋白的差異性表達(dá)[14]。

由此看出，鐵具有重要的細(xì)胞生物學(xué)功能，對小麥根系的生長發(fā)育具有重大影響。然而，有關(guān)鐵元素對小麥苗期生長發(fā)育的影響以及品種間的差異，研究相對較少。另外，山東省作為我國重要的小麥主產(chǎn)區(qū)，歷經(jīng)8次品種更換，育成了200余個遺傳來源豐富、類型多樣、用途廣泛的小麥品種[15]，為小麥品種的更新?lián)Q代和保障國家糧食安全做出了突出貢獻(xiàn)。因此，本研究旨在考察山東省1950年以來搜集、引進(jìn)和育成的小麥品種缺鐵脅迫對其苗期根系性狀的影響，為鐵營養(yǎng)高效小麥優(yōu)異種質(zhì)的挖掘和利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所小麥種質(zhì)資源庫保存品種86份，系根據(jù)系譜剔除親緣關(guān)系較近品種如姊妹系等的結(jié)果，見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

挑選每份材料籽粒飽滿種子15粒，重復(fù)3次。種子經(jīng)1.5%次氯酸鈉消毒5 min后，腹溝朝下，均勻擺放至珍珠棉和紗網(wǎng)縫制的發(fā)芽盤，然后將其放入盛有1 L超純水的培養(yǎng)盒（15 cm×15 cm×20 cm）中，在人工智能溫室中發(fā)芽，光照16h/黑暗8h，光強(qiáng)12 000 lx，溫度25℃，3 d換水1次。

種子發(fā)芽7 d后，仔細(xì)將種子從幼苗根部去除，加入培養(yǎng)液培養(yǎng)。其中，對照處理（Fe+）營養(yǎng)液配方為：0.7 mmol/L K2SO4，0.1 mmol/L KCl，2 mmol/L Ca（NO3）2，0.5 mmol/L MgSO4，0.1 mmol/L KH2PO4，1 μmol/L H3BO4，0.5 μmol/L MnSO4，0.2 μmol/L CuSO4，0.5 μmol/L ZnSO4，0.01 μmol/L （NH4）6Mo7O24，100 μmol/L FeEDTA。缺鐵脅迫（Fe-）營養(yǎng)液配方除無FeEDTA外，其余如對照處理。營養(yǎng)液3 d換1次，培養(yǎng)15 d。

小麥幼苗在營養(yǎng)液中培養(yǎng)15 d后，挑選長相均勻粗壯幼苗10株，以單株為單位采集測定根系數(shù)量、根系長度、根干重和地上部分干重。根系數(shù)量以根系伸長1 cm為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)，根系長度則為根基部至最長根系頂點(diǎn)的長度。從根系基部用剪刀分離，將根系和地上部分分別放至牛皮紙袋中，于烘箱中105℃殺青30 min，以85℃恒溫烘48 h至完全干燥，并用1%電子電平稱重，計(jì)算根冠比。根據(jù)對照和缺鐵脅迫處理的相關(guān)性狀值計(jì)算脅迫指數(shù)。公式為：

1.3 數(shù)據(jù)處理

小麥性狀數(shù)據(jù)均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及圖表制作均在Microsoft Excel中進(jìn)行，方差分析利用DPS高級版處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥苗期相關(guān)性狀的均值及變異系數(shù)

統(tǒng)計(jì)根系數(shù)量、根系長度、根干重、地上部分干重和根冠比共5個性狀在正常鐵營養(yǎng)、缺鐵下性狀值的變幅，以及脅迫指數(shù)的變幅，并計(jì)算平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)，結(jié)果列于表2。表明，小麥根系數(shù)量、根系長度和根冠比在不同處理下的最大值和最小值相對比較接近，變幅相對較??；而根干重和地上部分干重不同處理下變幅略大，尤其是地上部分干重，缺鐵脅迫后干重?zé)o論最大值或最小值，均明顯降低。

從平均值結(jié)果也可看出相似趨勢。缺鐵脅迫與對照相比，根系數(shù)量和根系長度相差不大，其平均值略低于對照；根干重和根冠比則略高于對照；僅有地上部分干重，較對照下降明顯，達(dá)8.72 mg/株。

脅迫指數(shù)能反映出缺鐵脅迫各性狀的變化。從平均值來看，地上部分干重和根冠比等性狀均值均<0，表明多數(shù)小麥品種在缺鐵脅迫下數(shù)值較對照降低。根系數(shù)量、根系長度脅迫指數(shù)平均值分別為-0.06和0.02，說明不同處理下小麥品種間的總體變化并不明顯。根干重脅迫指數(shù)平均值達(dá)0.38，與其它性狀的絕對值相比，表現(xiàn)為最大，可認(rèn)為小麥品種在缺鐵脅迫下根干物質(zhì)具有不同程度的增加。

變異系數(shù)可以衡量品種間的差異，一般認(rèn)為超過15%，表明差異過大。從結(jié)果來看，除根系數(shù)量外，其余4個性狀在不同處理下以及脅迫指數(shù)均超過15%，表明均存在較大的品種間差異。這種差異以根干重、地上部分干重和根冠比最為明顯。就脅迫指數(shù)而言，絕對值變幅為95.33～970.82，變異尤其明顯，特別是根系長度，說明在不同處理水平下，小麥品種間的差異巨大。

根據(jù)上述結(jié)果，缺鐵可以導(dǎo)致根干重和根冠比的提高，但卻明顯延緩地上部分生長。

2.2 方差分析

以不同缺鐵處理為因素A，品種為因素B，分別對根系數(shù)量、根系長度、根干重、地上部分干重和根冠比等5個性狀進(jìn)行方差分析，結(jié)果見表3。

方差分析結(jié)果顯示，不同鐵處理水平下，除根系長度無差異外，其余4個性狀均存在極顯著差異。就品種而言，除根干重、根冠比外，其余3個性狀也存在極顯著差異。

對86個小麥品種的苗期性狀，利用LSD法進(jìn)行不同鐵處理5%顯著水平多重比較。根系數(shù)量，僅有蚰子麥、濟(jì)麥23和鑫麥296共3個品種在對照和缺鐵處理下差異不顯著，其余品種均差異顯著；根系長度，64個品種處理與對照間差異達(dá)顯著水平，22個品種差異不顯著，分別占供試品種的74.42%和25.58%；根干重，75個品種處理與對照間差異達(dá)顯著水平，11個品種差異不顯著，分別占87.21%和12.79%；地上部分干重，僅有復(fù)壯30、泰山21和山農(nóng)27處理與對照間差異不顯著，其余品種均差異顯著；根冠比，78個品種處理與對照間差異達(dá)顯著水平，8個品種差異不顯著，分別占90.70%和9.30%。

由此看出，缺鐵確實(shí)影響根系的增加、伸長和小麥苗期干物質(zhì)的積累，而且這種影響存在品種間的差異。

2.3 脅迫指數(shù)

對特定品種某一性狀而言，脅迫指數(shù)>0，可以理解為該品種在此性狀上，缺鐵脅迫的影響較小，具有一定程度的耐受；反之，則可認(rèn)為對缺鐵脅迫較為敏感。以0為分界線，統(tǒng)計(jì)86個小麥品種脅迫指數(shù)>0和<0的分布頻率，結(jié)果如圖1所示。

根系數(shù)量脅迫指數(shù)>0和<0的頻率分別為19.77%和80.23%。脅迫指數(shù)>0的小麥品種中，只有淄麥12、山農(nóng)27和良星77脅迫指數(shù)在0.1以上。

根系長度脅迫指數(shù)>0和<0的頻率分別為45.35%和54.65%。其中，濰麥8號和濟(jì)麥19脅迫指數(shù)分別達(dá)到0.97和0.87，表現(xiàn)出較強(qiáng)的鐵耐受。

根干重脅迫指數(shù)>0和<0的頻率分別為62.79%和37.21%。脅迫指數(shù)>0的品種中，17個品種脅迫指數(shù)>1，值得注意的是，扁穗麥和煙輻188分別高達(dá)2.76和2.41。

地上部分干重脅迫指數(shù)>0和<0的頻率分別為10.47%和89.53%。脅迫指數(shù)>0的品種相對較少，其中臨麥4號、煙農(nóng)15和濰麥8號的數(shù)值均在0.2以上。

根冠比脅迫指數(shù)>0和<0的頻率分別為82.56%和17.44%。臨麥4號、濟(jì)南16、扁穗麥、山農(nóng)27、濟(jì)南17、煙2415、魯麥11、矮豐3號和萊陽4671共9個品種的脅迫指數(shù)均超過2，尤其是臨麥4號和濟(jì)南16，其脅迫指數(shù)分別為4.53和4.34。

根據(jù)脅迫指數(shù)的分布頻率，多數(shù)小麥品種缺鐵脅迫條件下可導(dǎo)致根系數(shù)量的減少、地上部分干重的降低，以及根干重的增加。對于根系長度，因品種而異，其分布頻率相差不大。

2.4 不同年代小麥品種鐵脅迫性狀間的演變規(guī)律

對20世紀(jì)50年代以來的供試小麥品種，以10年為標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，繪制演變趨勢柱狀圖如圖2，并以每10個品種的性狀值為重復(fù)進(jìn)行方差分析和多重比較。

結(jié)果表明，根系數(shù)量，除2010年代的小麥品種平均值在缺鐵脅迫下高于對照外，其余年代的品種均低于對照。方差分析表明，對照處理下，供試品種年代間差異極顯著，以70年代小麥品種表現(xiàn)最高；缺鐵處理下，年代間品種差異不顯著。

根系長度，不同年代間在缺鐵和對照處理下表現(xiàn)出不同趨勢，如20世紀(jì)50年代和2010年以后的小麥品種平均值缺鐵脅迫低于對照，而70年代的品種則高于對照，方差分析結(jié)果顯示，處理與對照在年代間均不顯著。

根干重，除2010年以后審定品種缺鐵脅迫低于對照外，其余年代品種均高于對照，而且缺鐵脅迫處理年代間品種差異呈顯著水平，但對照則差異不顯著。

地上部分干重，所有年代品種缺鐵脅迫均低于對照。方差分析表明，缺鐵處理年代間品種差異呈極顯著水平，而對照則差異不顯著。

根冠比，所有年代品種缺鐵脅迫均高于對照，且兩處理年代間品種均差異不顯著。

3 討論

小麥等禾本科單子葉植物通過根系分泌的麥根酸，螯合根際土壤的鐵離子，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至體內(nèi)供生長發(fā)育所需的鐵營養(yǎng)元素[16，17]，因此，研究不同鐵處理小麥根系等相關(guān)性狀的發(fā)育規(guī)律，顯得尤為重要。

根據(jù)本研究結(jié)果，小麥幼苗在營養(yǎng)液中培養(yǎng)15 d后，根系數(shù)量多在6～12條之間，平均為8～9條，無論在缺鐵脅迫和對照情況下，品種間均存在極顯著差異。多數(shù)品種（80%以上）缺鐵脅迫下的根系數(shù)值低于對照。不同年代間小麥品種比較，也顯示2010年以后的審定品種平均值高于對照，其余年代的品種均低于對照。由此認(rèn)為，缺鐵脅迫可導(dǎo)致小麥根系數(shù)量的減少，但存在品種間的差異，根系數(shù)量較高的品種可能具有較強(qiáng)的缺鐵耐受能力。

根系長度缺鐵脅迫和對照處理下差異不顯著，但品種間存在極顯著差異。而從脅迫指數(shù)的分布頻率或不同年代品種的平均值來看，該性狀變化規(guī)律不明顯。似乎表明，缺鐵脅迫并未對該性狀產(chǎn)生明顯的影響，品種間的差異可能是由基因型的差異所決定的。

根干重雖然在品種間差異不顯著，但缺鐵脅迫與對照呈極顯著差異。脅迫指數(shù)超過60%的品種>0，表明較多品種在缺鐵脅迫下根干重較對照增加。除2010年以后的審定品種外，其余年代品種平均值也均高于對照。因此，雖然品種間差異不明顯，但缺鐵脅迫具有誘導(dǎo)根系干物質(zhì)積累的趨勢。

地上部分干重缺鐵脅迫品種間均存在極顯著差異，無論從總平均值還是不同年代品種平均值，缺鐵脅迫均低于對照，脅迫指數(shù)超過80%的品種均<0。由此說明，缺鐵脅迫顯著降低地上部分干物質(zhì)的積累，影響了苗期地上部分的生長，導(dǎo)致地上部分干重的降低。

根冠比是地下和地上生長綜合影響的結(jié)果，根據(jù)上述分析，缺鐵脅迫可誘導(dǎo)根干重的增加，而降低地上部分干重。因此，從總平均值和不同年代品種平均值來看，缺鐵脅迫均高于對照，80%以上品種脅迫指數(shù)均>0也說明了這一點(diǎn)。

值得注意的是，根據(jù)本研究結(jié)果，在缺鐵脅迫下，小麥根系數(shù)量有所減少，根系長度無明顯變化，而根干重卻增加明顯。究其原因，一是可能由于根系長度只是采集最長主根系的長度，根干重的增加可能來自于次根系的貢獻(xiàn)；二是可能由于根毛的增加所致。因此，仍需對其進(jìn)一步研究以明確原因。

另外，本研究篩選的臨麥4號、濰麥8號和山農(nóng)27等小麥品種表現(xiàn)出較強(qiáng)的缺鐵耐受能力，而且具有較好的農(nóng)藝性狀，可充分利用這些小麥種質(zhì)資源，以提高小麥鐵營養(yǎng)高效新種質(zhì)創(chuàng)新。

4 結(jié)論

多數(shù)小麥品種在缺鐵脅迫下導(dǎo)致根系數(shù)量減少、根干重增加和地上部分干重降低，并顯著影響地上部分的正常生長，而小麥主根系的伸長則因品種而異，受缺鐵脅迫的影響不明顯。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] Dekock P C，Hall A，Inkson R H E. Active iron in plant leaves[J]. Annals of Botany， 1979，43（6）：737-740.

[2] Spiller S ，Terry N. Limiting factors in photosynthesis：Ⅱ.Iron stress diminishes photochemical capacity by reducing the number of photosynthetic units[J]. Plant Physiology，1980，65（1）：121-125.

[3] James C P，Miller G W. The effect of iron and light treatments on chloroplast composition ultrastructure in iron-deficient barley leaves[J]. Journal of Plant Nutrition，1982，5（4-7）：311-321.

[4] 洪劍明，汪洪杰，邱澤生. 缺鐵對玉米根和葉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 電子顯微學(xué)報(bào)，1999，18（6）：590-595.

[5] 沈阿林，王朝輝. 小麥營養(yǎng)失調(diào)癥狀圖譜及調(diào)控技術(shù)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2010.

[6] Su L Y，Miller G W. Chlorosis in higher plants as related to organic acid content[J]. Plant Physiology，1961，36（4）：415-420.

[7] Tong Y A，F(xiàn)an F，Korcak R F. Effect of micronutrients phosphorous and chelator to iron ratio on growth chlorosis and nutrition of apple seedlings[J]. Journal of Plant Nutrition，1986，9（1）：23-41.

[8] 鄒春琴，張福鎖，毛達(dá)如. 鐵對玉米體內(nèi)氮代謝的影響[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，3（5）： 45-49.

[9] 呂選忠，于宙，王廣儀. 元素生物學(xué)[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2011.

[10]蒿寶珍，李萬昌，姜麗娜，等.Fe2+對小麥籽粒萌發(fā)及幼苗鐵積累和分配的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2008（3）：19-22.

[11]李曉妮. 鋅、鐵、銅復(fù)合脅迫對小麥種子萌發(fā)及幼苗生理生化特性的影響[D]. 蘭州：西北師范大學(xué)，2014.

[12]裴凌鵬. 鐵在小麥中的生理作用以及AVR9基因的克隆研究[D]. 北京：首都師范大學(xué)，2002.

[13]Vatansever R，F(xiàn)iliz E，Eroglu S. Genome-wide exploration of metal tolerance protein （MTP） genes in common wheat（Triticum aestivum）：insights into metal homeostasis and biofortification[J]. Biometals，2017，30（2）：217-235.

[14]王文平，胡昊，趙曉萌，等. 小麥根系在不同鐵營養(yǎng)水平條件下的蛋白質(zhì)組差異表達(dá)分析[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào)，2012，28（15）：19-23.

[15]陸懋曾. 山東小麥遺傳改良[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2007.

[16]Hell R，Stephan U W. Iron uptake，trafficking and homeostasis in plants[J]. Planta，2003，216（4）：541-551.

[17]Kobayashi T，Nakanishi H，Nishizawa N K. Recent insights into iron homeostasis and their application in graminaceous crops[J]. Proceedings of the Japan Academy，2010，86（9）：900-913.