師趙康 ，趙澤群 ，張遠航 ，王 雯 ，竇 晨 ，馮萬軍

（1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)生物工程研究所，山西太谷 030801；3.山西農(nóng)業(yè)大學信息學院，山西太谷 030800）

根系是植物的主要地下器官，具有固定植株、吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)、合成和分泌生理活性物質(zhì)等重要的生理功能[1]。此外，根系的健康生長發(fā)育與否與地上部的性狀表現(xiàn)、籽粒產(chǎn)量和品質(zhì)的優(yōu)劣密切相關[2]。初生根是根系形成初期主要吸收養(yǎng)分的關鍵角色[3]。在根系發(fā)育早期，所有根系組織和細胞類型都是從頂端分生組織分化產(chǎn)生，分化模式相對簡單。HOCHHOLDINGER等[4]研究表明，玉米苗期的初生根可作為早期形態(tài)學、組織學和生理學的研究分析模型。初生根越長，對根系吸收土壤中的硝酸鹽和硫酸鹽越有優(yōu)勢[5]。另外，也由于苗期根系可操作性強的特點，以玉米初生根為研究材料，在評價重力感應、耐旱性、營養(yǎng)利用效率等眾多方面均有應用[6-8]。

根系的生長源自細胞分裂和伸長。從結(jié)構(gòu)來看，根自下端開始依次為根冠、分生區(qū)、伸長區(qū)和成熟區(qū)4個部分，其中，根尖部的分生區(qū)細胞具有分裂和分化能力，通過分泌生長素等激素，不斷刺激細胞的分化和分裂，逐漸形成伸長區(qū)和成熟區(qū)，對根系的伸長及側(cè)根的發(fā)生起關鍵作用[9]。眾多研究表明，激素在根系發(fā)育的過程中扮演重要的角色，其中，生長素、細胞分裂素和赤霉素等能夠調(diào)控植物根部分生區(qū)的形成、激活和維持過程，進而改變分生區(qū)中具有分化能力的細胞數(shù)目，從而調(diào)控根系的生長發(fā)育進程[10]。目前，有關玉米根系生長發(fā)育的研究已有大量報道，涉及到表型[11]、生理[12]以及分子等諸多層面[13]，然而關于其根尖動態(tài)變化與根系生長速率關系的研究卻鮮有報道。

本研究選擇7個玉米自交系，分析其苗期初生根長度和根尖部分生區(qū)在不同發(fā)育階段的動態(tài)變化，旨在為解析根系生長發(fā)育的生物學機理奠定基礎，也為玉米種質(zhì)創(chuàng)新和新品種培育積累有價值的資料。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究選用 Xu 178，PH6WC，PH4CV，P138，269，D340，87-1等7個玉米自交系為研究對象。所有玉米自交系種子均為2016年在山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)作站經(jīng)過嚴格人工授粉，收獲后經(jīng)晾曬干燥。

1.2 種子性狀測定

從各自交系隨機取100粒種子進行稱質(zhì)量，8次重復，而后選取大小均勻一致的10粒種子經(jīng)Epson Perfection V800 photo掃描儀掃描拍照，再利用ImageJ軟件對種子長寬進行測量。

1.3 材料培養(yǎng)

選擇無蟲、飽滿、大小均勻的玉米種子，用蒸餾水沖洗干凈，經(jīng)H2O2消毒10 min，在飽和的CaSO4溶液中浸種12 h后濾紙包裹，置于含水充足的發(fā)芽盒中，于光照培養(yǎng)箱中（溫度25℃，濕度75%，光照16 h/d，光強2 000 lx）培養(yǎng)，期間保持其水分充足供應。待初生根長至1.5 cm左右算作發(fā)芽，在發(fā)芽后24 h對根長進行了第1次測量和記錄，此后每隔6 h對根長進行測量，直至發(fā)芽后54 h，每個時期至少測定6株玉米幼苗，期間在30，36，42，48 h 這 4 個時間點截取根尖部分進行Feulgen（孚爾根）染色處理，每個時間點至少對6個根尖進行染色。

1.4 根尖孚爾根染色

首先用3∶1無水乙醇與冰乙酸對根尖進行固定12 h，經(jīng)蒸餾水沖洗后于60℃預熱的解離液（1 mol/L HCl）中浸泡10 min，然后用Schiff試劑進行染色30 min。Schiff試劑的配制參照Lillie和Fullmer法：1 g堿性品紅和1.9 g偏重亞硫酸鈉溶于0.15 mol/L鹽酸100 mL中，在機械振蕩器上振蕩2 h，直至溶液呈黃色或淺棕色透明液體，加500 mg活性炭，再振蕩1～2 min，過濾后加蒸餾水定容至100 mL。然后將染色的根尖用蒸餾水沖洗3次，采用奧林巴斯IX73型倒置熒光顯微鏡對玉米根尖進行觀察并拍照，同時利用ImageJ軟件對根尖長寬進行測量。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

通過固定比例尺將根尖長度、寬度換算為實際長、寬，進而計算其表面積，以此估計根尖大小。

利用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對所有測定數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 7個玉米自交系成熟種子形態(tài)差異分析

種子形態(tài)是玉米產(chǎn)量形成的外在表現(xiàn)，對其發(fā)芽甚至后期植株生長發(fā)育均有一定影響。因此，本研究首先對7個玉米自交系成熟的種子形態(tài)進行觀察。結(jié)果顯示，不同玉米自交系的種子大小存在明顯的差異，其中，D340和87-1這2個自交系的種子較大，其他自交系的則較?。▓D1）。然而，對粒質(zhì)量的分析結(jié)果則與形態(tài)觀察結(jié)果有所出入，其中，D340，P138和PH6WC的百粒質(zhì)量相對較大，分別為 37.67，37.08，35.49 g，其他均在 30 g左右（圖1），這可能與種子在厚度上存在差異有關。

為了進一步分析不同玉米自交系間種子大小差異形成的外觀原因，本研究利用ImageJ軟件測定了不同玉米自交系種子的長和寬2個性狀，然后經(jīng)DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析。結(jié)果表明，不同玉米自交系種子寬度未有顯著差異，其大小差異主要源于長度。其中，以87-1和D340的種子長度為較大，分別為1.64，1.49 cm，且與PH4CV和Xu 178自交系的種子長度差異達到顯著水平（二者種子長度分別為1.10，1.12 cm）（圖2）。上述結(jié)果表明，不同玉米自交系種子大小存在差異，而導致形態(tài)大小差異的因素主要來源于種子的長度，并且與粒質(zhì)量并不完全相關。

2.2 玉米自交系間初生根長度動態(tài)表現(xiàn)差異分析

為了研究不同玉米基因型初生根生長速率有無差異，本研究測定了7個自交系發(fā)芽后不同時間的初生根長度。結(jié)果表明，就相同時間而言，不同自交系的初生根長度有所不同。在發(fā)芽后24 h，除了PH6WC，Xu 178和P138這3個自交系初生根較短外，其他自交系初生根基本在5.0 cm左右。此后，隨著時間的推移，PH4CV和87-1這2個自交系的初生根長度在所有時間均較其他自交系的要長，且差異達到顯著或極顯著水平。另外，Xu 178的初生根長度在各個時期均為最短（表1）。

不同自交系初生根長度在不同時間的變化趨勢也不完全一致。87-1在發(fā)芽后24～36 h內(nèi)，初生根長度增加了近7 cm，此后伸長的速率趨于平緩；PH4CV和P138的初生根長度則在發(fā)芽后24～30 h內(nèi)伸長速率較大，而后伸長速率逐漸趨于緩慢；而PH6WC的初生根在24～48 h內(nèi)一直增長緩慢，直至最后6 h長度急劇增加；其余3個自交系的初生根伸長速率基本呈線性（表1）。結(jié)果表明，不同自交系的初生根長度動態(tài)變化趨勢并不一致，有些在開始時生長較快，有的則在后期伸長趨勢明顯，這可能與基因型存在差異有關。

通過對不同玉米自交系初生根不同發(fā)育階段的長度變化分析發(fā)現(xiàn)，同一發(fā)育時期，不同玉米基因型間的初生根長度存在極顯著差異，而在同一玉米自交系的不同發(fā)育時期初生根長度的差異也達到了極顯著水平，且基因型和發(fā)育時期間存在互作（P＜0.001）。

表1 玉米自交系初生根長度在不同發(fā)育階段的統(tǒng)計分析結(jié)果 cm

2.3 不同玉米自交系初生根尖量化指標動態(tài)分析

玉米初生根尖端包括根冠和分生區(qū)2個部分，是根系中具有分生能力的細胞區(qū)域，對植物的根系伸長起關鍵作用。為了探討不同自交系在不同發(fā)育階段根長差異的產(chǎn)生是否與根尖大小有關系，本研究在分析不同玉米自交系初生根生長速率的同時，又對其4個發(fā)育時間點的根尖進行了染色分析。結(jié)果顯示，不同玉米自交系的苗期根尖形態(tài)在相同發(fā)育時間段，以及相同自交系在不同發(fā)育時期相間存在明顯差異（圖3）。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在不同發(fā)育階段，各玉米自交系根尖寬度變化不大，而長度存在較為明顯的變化，因此，對根尖表面積的分析結(jié)果基本與長度變化趨勢一致。在發(fā)芽后24 h，除了Xu 178和P138這2個自交系初生根根尖較短外，其他自交系初生根根尖基本在1.6 mm左右（表2）。對不同玉米自交系初生根不同發(fā)育階段的根尖長度變化分析發(fā)現(xiàn)，同一發(fā)育時期不同玉米基因型間的初生根長度存在極顯著差異；同一玉米自交系的不同發(fā)育時期初生根長度的差異也達到了極顯著水平，但是在基因型和發(fā)育時期間不存在互作（P＜0.001）。

進一步分析根尖在不同時間的變化趨勢發(fā)現(xiàn)，在30～48 h這段時期內(nèi)，除87-1自交系根尖長度持續(xù)增加外，其他幾個自交系根尖長度的變化趨勢則有些復雜，其中，D340，269，PH6WC 和 P138 等4個自交系的根尖長度變化趨勢基本一致，呈先上升而后趨于平緩，最后又有所降低。此外，PH4CV和P138這2個自交系根尖的變化規(guī)律較復雜。PH4CV為先上升而后急劇下降，而P138則呈現(xiàn)先上升再下降而后又有所增加的變化趨勢（表2）。生長素、細胞分裂素和赤霉素等激素可以通過調(diào)控植物根部分生區(qū)的形成、激活和維持過程來調(diào)控根系的生長發(fā)育[9]。據(jù)此推測，不同自交系根尖長度的動態(tài)變化可能與內(nèi)源激素水平發(fā)生改變有關，有待進一步的研究。

表2 不同發(fā)育階段玉米自交系初生根根尖長度統(tǒng)計分析結(jié)果 mm

比較來看，7個自交系的根尖長度變化趨勢與根長的變化規(guī)律基本吻合。例如，87-1的初生根伸長最快，其根尖長度也呈持續(xù)增加的趨勢，PH4CV和P138的根尖長度分別呈現(xiàn)先上升后下降和先上升再下降而后又有所增加的變化趨勢，與其初生根長度在發(fā)芽后24～30 h內(nèi)伸長速率較大，而后趨于緩慢的變化也較相符。

3 討論與結(jié)論

根系是植株吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，其生長發(fā)育狀態(tài)在很大程度上影響對水分和養(yǎng)分的吸收[14]。研究表明，不同基因型的玉米在氮素利用效率上并不一致，即使在相同的氮素水平下，不同基因型間的苗期根系生物量也有所差別[15]。最近研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫顯著影響了不同玉米自交系根長和干質(zhì)量等性狀[16]，這可能導致不同基因型對水分的利用效率不同[17]。本研究表明，在相同的發(fā)育階段，不同自交系的初生根及根尖長度等量化指標表現(xiàn)有所不同，87-1，PH4CV1這2個自交系的根長在整個觀察階段與其他5個自交系間的差異都達到顯著或極顯著水平，其他的5個自交系相互間無明顯差異。這與前人研究結(jié)果相近，說明玉米初生根的性狀表現(xiàn)與基因型有關，而其初生根性狀間的差異可能會造成對水分或養(yǎng)分利用效率的改變。

從不同發(fā)育階段來看，不同玉米自交系根系的增長速率也有所不同。例如，王一等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在不同水平干旱脅迫處理 3，6，9，12，15 d 后，耐旱玉米基因型的根總長增加幅度均顯著大于干旱敏感型。本研究發(fā)現(xiàn)，不同玉米自交系的初生根和根尖長度的變化趨勢并不一致，其中，87-1的初生根伸長速率為最大，可能與其根尖長度持續(xù)增加，所含有的具有分裂和分化能力的細胞數(shù)目較多有關。另外，PH4CV的根尖長度呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律，而P138則呈現(xiàn)先上升再下降而后又有所增加的變化趨勢，這可能是造成二者的初生根在發(fā)芽后24～30 h內(nèi)生長速率較快，而后趨于緩慢的原因。除此之外，其余自交系的根尖長度變化趨勢較為平緩，與根長的變化規(guī)律也基本吻合。

綜上可以看出，不同玉米自交系初生根和根尖的變化趨勢并不相同，但對于同一自交系而言，其初生根長度與根尖長度的變化趨勢基本吻合，根尖形態(tài)發(fā)生改變的原因可能與內(nèi)源激素水平的動態(tài)變化有關。