徐世英 王 寧 程 皓 馮萬軍

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/黃土高原特色作物優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，030801，山西晉中）

雜種優(yōu)勢(shì)（hybrid vigor或heterosis）是指2個(gè)遺傳背景不同的親本雜交產(chǎn)生的雜種F1代，在生物量、生長(zhǎng)速率、生活力及在生物或非生物脅迫的抗性等性狀上優(yōu)于親本的現(xiàn)象[1-2]。目前，常用于評(píng)估特定性狀雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的指標(biāo)包括中親優(yōu)勢(shì)（MPH）和超親優(yōu)勢(shì)（BPH），即分別為同一性狀雜交種與親本中親值（MPV）和高親值差值的比值[3]。雜種優(yōu)勢(shì)在玉米生產(chǎn)上已經(jīng)廣泛應(yīng)用，但其遺傳基礎(chǔ)尚不清楚。研究表明，玉米在眾多性狀上均有雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)，如生物量或產(chǎn)量等成株性狀[4-6]，以及胚[7-8]和幼苗[9-10]發(fā)育早期的多個(gè)性狀。玉米幼苗初生根和種子根對(duì)幼苗早期活力起關(guān)鍵作用，因此其幼苗根系是研究雜種優(yōu)勢(shì)遺傳基礎(chǔ)的理想材料[11]。Hoecker等[10]對(duì)12個(gè)玉米雜交種及其親本自交系研究發(fā)現(xiàn)，不同幼苗根系性狀的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)有較大差異，其中初生根長(zhǎng)度、側(cè)根密度和種子根數(shù)等性狀優(yōu)勢(shì)值較高。

雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)與遺傳、環(huán)境和生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期等眾多因素有關(guān)[12]。玉米雜交種比親本生長(zhǎng)更快、產(chǎn)量更高，這可能與其具有更優(yōu)異的營(yíng)養(yǎng)環(huán)境適應(yīng)能力有關(guān)[13]，也因此比親本更耐密植[14]。研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，耐旱性強(qiáng)的玉米雜交種及其親本體內(nèi)的抗氧化酶活性升高幅度大于耐旱性弱的玉米雜交種及其親本，雜交種的耐旱性受親本的加性效應(yīng)作用[15]，但隨著干旱時(shí)間推進(jìn)，雜交種及其親本體內(nèi)的抗氧化酶活性有一定變化，母本對(duì)雜交種的保護(hù)酶活性和抗膜脂過氧化傷害能力的影響較大[16]。在低磷脅迫下，玉米自交系幼苗體內(nèi)的超氧化物歧化酶（SOD）活性下降，而在雜交種中卻升高，雜交種在多個(gè)性狀上都有比親本更強(qiáng)的耐低磷性[17]。陳范駿等[18]研究指出，在低氮和高氮水平下，玉米雜交種的氮素利用效率（NUE）均有中親或超親優(yōu)勢(shì)，且在低氮水平下玉米雜交種的NUE僅受母本影響。在不施氮的情況下，玉米雜交種在生殖生長(zhǎng)期的氮素吸收量與總氮素吸收量的比值相較于親本顯著增加[19]。這些研究表明，在逆境下，雜交種具有比親本更好的耐受性，但雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)因遺傳背景和逆境下生長(zhǎng)時(shí)間不同而存在較大差異。

氮素是保證作物產(chǎn)量的重要礦質(zhì)元素之一[20-21]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，由于氮肥的過量施用，作物的產(chǎn)量并未持續(xù)提高，并且導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的環(huán)境問題[22-23]。因此，如何在減少氮肥用量的同時(shí)保證作物產(chǎn)量是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要矛盾之一，而解析作物的氮素利用機(jī)制，培育氮高效利用的作物新品種，可能是解決這一矛盾較為有效的手段[24]。目前，關(guān)于缺氮條件下雜交種及其親本苗期性狀如何進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且苗期雜種優(yōu)勢(shì)的形成是否受到影響的研究未見報(bào)道。為此，本研究采用水培法，通過設(shè)置低氮和正常供氮2個(gè)處理，測(cè)定處理不同時(shí)間后2個(gè)玉米雜交種及其親本幼苗期地上部和根系性狀，分析其雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)變化，為解析玉米雜種優(yōu)勢(shì)形成機(jī)制以及氮高效玉米雜交種選育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)方法

以玉米雜交種豫玉22（YY22）和先玉335（XY335）及其親本自交系[豫玉22母本綜3（Z3）、父本87-1，先玉335母本PH6WC、父本PH4CV]為試驗(yàn)材料，于2020年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站經(jīng)過嚴(yán)格的人工套袋授粉繁育，選取飽滿的種子在10%雙氧水中消毒30min，用蒸餾水沖洗干凈后用蒸餾水浸泡12h，后轉(zhuǎn)移到含有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中，放入25℃培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽，待初生根長(zhǎng)至約1.0cm，挑選出長(zhǎng)勢(shì)均勻的幼苗，去除胚乳后全部移植到裝有44L含1/2營(yíng)養(yǎng)液的黑色育苗箱中，置于人工氣候室進(jìn)行蹲苗處理，待第2個(gè)葉片完全展開，挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，將其隨機(jī)分為2組，分別移植到盛有正常氮素（2mmol/L，CK）和低氮（0.04mmol/L，LN）水平營(yíng)養(yǎng)液的黑色育苗箱中進(jìn)行培養(yǎng)，3次重復(fù)。營(yíng)養(yǎng)液配方參考趙澤群等[25]的方法，氮用Ca(NO3)2·4H2O供給，并以1.8mmol/L CaCl2·2H2O補(bǔ)充不足的Ca2+，營(yíng)養(yǎng)液pH設(shè)為6.0±0.1，每天進(jìn)行標(biāo)定，每3d換1次營(yíng)養(yǎng)液，同時(shí)隨機(jī)更換水培箱的位置。在幼苗培養(yǎng)過程中，人工氣候室晝夜光照長(zhǎng)短及溫度分別設(shè)定為16h/8h和26℃/18℃，光照強(qiáng)度14 000lx，期間用電動(dòng)氣泵連續(xù)通氣。分別在培養(yǎng)3、7和14d時(shí)，3次重復(fù)中各選取5株長(zhǎng)勢(shì)一致幼苗用于表型和全氮含量測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 表型性狀 用解剖刀截取幼苗的第1（L1）和第2（L2）片葉片，用掃描儀Epson V850掃描拍照，利用ImageJ軟件分析葉面積。

將地上部與根系手動(dòng)分離，根系用水清洗，把每個(gè)材料的根系放入裝有雙蒸水的有機(jī)玻璃盤（30cm×20cm）中，逐一分開側(cè)根，防止重疊，然后進(jìn)行掃描。利用WinRHIZOTM軟件分析單株總根長(zhǎng)、根體積、根表面積、根平均直徑、分枝數(shù)和根尖數(shù)等根系性狀[26]。測(cè)定完成的根系與地上部分開放置于烘箱中120℃殺青30min，80℃烘至恒重，最后稱干重。并計(jì)算根冠比，根冠比=根系干重/地上部干重。

1.2.2 生理指標(biāo) 在取材當(dāng)天，利用葉綠素儀（SPAD-502，Minolta Camera Co.Ltd.，日本）測(cè)定幼苗的第1葉（L1）和第2葉（L2）的相對(duì)葉綠素含量（SPAD值）。

地上部和根系樣品烘干研磨后，稱取50mg粉末，采用H2SO4-H2O2-靛酚藍(lán)比色法測(cè)定氮素濃度[27]。根據(jù)公式：氮素積累量（mg）=生物量×氮素濃度，計(jì)算地上部、根系、整株的氮素含量及地上部與根系中氮與整株氮含量之比；根據(jù)公式：耐低氮指數(shù)=低氮處理下性狀值/對(duì)照性狀值[28]，計(jì)算各性狀的耐低氮指數(shù)。

1.2.3 雜種優(yōu)勢(shì)指標(biāo) 用以下公式[3]計(jì)算各性狀的中親優(yōu)勢(shì)和超親優(yōu)勢(shì)：中親優(yōu)勢(shì)（MPH，%）=[F1-雙親均值（MP）]/MP×100；超親優(yōu)勢(shì)（BPH，%）=[F1-高親值（HP）]/HP×100。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用SPSS 16.0軟件對(duì)整理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用TBtools和Origin 2021軟件進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米雜交種及其親本幼苗葉片和根系形態(tài)對(duì)低氮脅迫的反應(yīng)差異

在LN處理7d時(shí)，6個(gè)基因型的L1和L2尚未明顯衰老，但在LN處理14d時(shí)，先玉335及其親本的L1和L2均已萎蔫，且以先玉335萎蔫程度更為嚴(yán)重；而在LN處理14d時(shí)，豫玉22及其親本僅L1衰老嚴(yán)重，其L2尚未明顯衰老，且在3個(gè)基因型間差異不明顯（圖1a）。在根系形態(tài)上，LN處理3d時(shí)，豫玉22根系形態(tài)與對(duì)照相比已有明顯變化，側(cè)根數(shù)和側(cè)根長(zhǎng)均比對(duì)照明顯增加，且在7d時(shí)這些變化更為明顯，而至14d時(shí)其生長(zhǎng)受到抑制，但其兩親本根系在2個(gè)氮素水平處理早期（3和7d）變化并不明顯，僅87-1在LN處理14d時(shí)其根系才明顯比對(duì)照更為龐大；與之不同，先玉335及其父本PH4CV的根系形態(tài)在LN處理7d時(shí)才與對(duì)照相比有明顯變化，表現(xiàn)為側(cè)根的數(shù)目增加，根系更為龐大，而在LN處理14d時(shí)與CK處理相比差異不明顯，但其母本PH6WC在兩氮素水平處理間始終變化并不明顯（圖1b）。上述結(jié)果表明，玉米苗期根系對(duì)低氮的反應(yīng)要早于地上部，且雜交種對(duì)低氮的反應(yīng)比親本更為迅速，但這種反應(yīng)在不同基因型上有較大差異，并且會(huì)隨著時(shí)間有一定變化。

圖1 2個(gè)氮素水平下玉米雜交種及其親本幼苗葉片（a）和根系（b）形態(tài)的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic morphology changes on leaves(a)and roots(b)of seedlings among maize hybrids and their parents under two nitrogen levels

2.2 2個(gè)氮素水平下玉米雜交種及其親本幼苗性狀的方差分析

從表1可以看出，除根表面積和根體積在氮素水平上差異不顯著外，其余15個(gè)性狀在培養(yǎng)時(shí)間、氮素水平和基因型3個(gè)因素上均有顯著或極顯著差異，且僅根平均直徑未受到培養(yǎng)時(shí)間與氮素水平及3個(gè)因素間互作的顯著影響，而其余性狀在任意2個(gè)或3個(gè)因素間互作上均有顯著或極顯著差異。另外，從方差值來看，氮素水平對(duì)單株氮積累量、地上部氮積累量、葉片的SPAD值和根系氮積累量等性狀影響較大，其次是根冠比、地上部干重和根尖數(shù)，而對(duì)其余7個(gè)性狀的影響相對(duì)較小，說明不同性狀對(duì)氮素的反應(yīng)有一定差異，但這種反應(yīng)差異受培養(yǎng)時(shí)間、基因型及其相互作用的影響。

表1 2個(gè)氮素水平下不同培養(yǎng)時(shí)間玉米雜交種及其親本幼苗性狀的方差分析Table 1 The variance analysis of the seedling traits among maize hybrids and their parental lines at different days after two nitrogen treatments

2.3 玉米雜交種及其親本幼苗雜種優(yōu)勢(shì)及聚類分析

結(jié)合雜種優(yōu)勢(shì)測(cè)定結(jié)果與聚類分析（圖2）發(fā)現(xiàn)，2個(gè)雜交種所有性狀的中親和超親優(yōu)勢(shì)在各時(shí)間點(diǎn)的變化趨勢(shì)基本一致，均以總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根干重、地上部干重、地上部氮素積累量、根系中氮素積累量、單株氮素積累量9個(gè)性狀在各時(shí)間點(diǎn)具有較大中親和超親優(yōu)勢(shì)值，而L1和L2的葉面積、SPAD值、根平均直徑、根冠比、地上部和根系的氮積累量占比等8個(gè)性狀在各時(shí)間點(diǎn)的中親和超親優(yōu)勢(shì)值相對(duì)較小，甚至個(gè)別性狀表現(xiàn)出負(fù)優(yōu)勢(shì)，因此根據(jù)17個(gè)性狀的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)差異大致可以分為2組。另外，從優(yōu)勢(shì)值來看，LN處理7d時(shí)，豫玉22根尖數(shù)的中親和超親優(yōu)勢(shì)值最大，分別達(dá)到了413.5%和401.2%，其次是CK處理7d的豫玉22的總根長(zhǎng)和根表面積，其總根長(zhǎng)中親和超親優(yōu)勢(shì)值分別為383.3%、365.5%，根表面積為342.3%、323.0%；豫玉22其余性狀在CK處理7d的中親優(yōu)勢(shì)在-38.2%（7d根系氮素積累量占比）～383.3%（7d總根長(zhǎng)），LN處理中親優(yōu)勢(shì)值7～14d在-19.6%（14d的L2的SPAD值）～413.5%（7d根尖數(shù)），CK處理7d的超親優(yōu)勢(shì)值為-52.4%（7d根系氮素積累量占比）～365.5%（7d總根長(zhǎng)），LN處理7d和14d的超親值為-27.3%（14d的L2的SPAD值）～401.2%（7d根尖數(shù)）；而先玉335所有性狀在CK處理不同時(shí)間的中親優(yōu)勢(shì)則在-28.7%（3d的根系氮素積累量占比）～171.8%（14d的地上部氮素積累量），而LN處理14d時(shí)中親優(yōu)勢(shì)值在-71.3%（14d的L2的葉面積）～171.7%（14d的總根長(zhǎng)），CK處理3d和14d超親優(yōu)勢(shì)值為-35.4%（3d的根系氮素積累量占比）～129.1%（14d的地上部氮素積累量），LN處理的超親優(yōu)勢(shì)值為-82.7%（14d的L2葉面積）～158.7%（14d總根長(zhǎng)）（圖2）。

圖2 2個(gè)氮素水平處理不同天數(shù)后玉米幼苗各性狀中親（a）和超親（b）優(yōu)勢(shì)的聚類Fig.2 Cluster of the mid-parent(a)and better-parent(b)heterosis of all traits of maize seedlings at different days after two nitrogen level treatments

由圖2可以看出，相比于CK處理，在LN處理下2個(gè)雜交種有一些性狀的中親和超親優(yōu)勢(shì)值均升高或降低。其中，在LN處理3d時(shí)，先玉335的根體積、總根長(zhǎng)、根表面積、根尖數(shù)和總氮積累量的增加幅度在11.9%～46.8%，而豫玉22的L1和L2的葉面積、根尖數(shù)、根干重、根冠比、地上部氮積累量、根系氮積累量、單株氮積累量及根系氮積累量占比的中親和超親優(yōu)勢(shì)均升高，增加幅度在11.2%～230.5%；LN處理7d時(shí)，先玉335的根體積、總根長(zhǎng)、根表面積、地上部干重和根系氮積累量占比的中親和超親優(yōu)勢(shì)值均提高，增加幅度在12.3%～100.0%，而豫玉22的根系氮積累量、根系氮積累量占比、地上部干重和根尖數(shù)的中親和超親優(yōu)勢(shì)值均升高，增加幅度在為49.4%～229.0%；LN處理14d時(shí)，先玉335的總根長(zhǎng)、根尖數(shù)、根表面積和L1葉面積的中親和超親優(yōu)勢(shì)值均提高，增加幅度在14.7%～109.1%，而豫玉22的總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根冠比、根系氮積累量占比的中親和超親優(yōu)勢(shì)值均升高，增加幅度在10.8%～191.6%。由此表明，豫玉22的根尖數(shù)、根系氮積累量占比和先玉335的總根長(zhǎng)、根表面積及根尖數(shù)的中親和超親優(yōu)勢(shì)值在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)均比CK有所升高；而在LN處理下，豫玉22的地上部氮積累量和先玉335的葉面積的中親和超親優(yōu)勢(shì)在3個(gè)時(shí)間點(diǎn)均比CK有所降低。

綜上，在CK和LN處理下，雜交種幼苗的多個(gè)性狀均存在中親和超親優(yōu)勢(shì)，且低氮對(duì)玉米幼苗的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)有一定影響，多個(gè)根系性狀及其根系中的氮素含量的雜種優(yōu)勢(shì)在LN處理下會(huì)提高，而葉面積和地上部氮素積累量的雜種優(yōu)勢(shì)則會(huì)降低，但這種差異表現(xiàn)會(huì)因性狀、培養(yǎng)時(shí)間和雜交組合不同而存在較大變化，由此表明雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳機(jī)制異常復(fù)雜。

2.4 玉米雜交種及其親本幼苗性狀耐低氮性分析

對(duì)各性狀的耐低氮指數(shù)分析（表2）發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫時(shí)間推進(jìn)，17個(gè)性狀的耐低氮性上，地上部干重、L1和L2的葉面積和SPAD值、地上部氮積累量、根系氮積累量和總氮積累量呈遞減的變化，根冠比和根系氮積累量占比呈遞增趨勢(shì)，總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根平均直徑、根尖數(shù)和根干重先升高后降低，而地上部氮積累量占比則先保持不變后有所降低。同時(shí)，基于3個(gè)時(shí)期和所有基因型，除根平均直徑和地上部氮積累量占比整體的變異系數(shù)較小以外，其余性狀的變異系數(shù)均在20.2%～75.0%。另外，隨著脅迫時(shí)間推進(jìn)，6個(gè)基因型在所有性狀上的變異系數(shù)呈逐漸升高的變化，說明培養(yǎng)時(shí)間對(duì)各性狀的耐低氮性的影響較大。

表2 不同培養(yǎng)時(shí)間玉米雜交種及其親本幼苗耐低氮指數(shù)Table 2 Low nitrogen tolerance indexes of seedling among maize hybrid and their parents at different days after cultivation

基于各性狀的耐低氮指數(shù)的平均值，對(duì)3個(gè)時(shí)間點(diǎn)下6個(gè)玉米基因型幼苗的耐低氮性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在處理3d時(shí)，除綜3耐低氮性較差外，其余5個(gè)基因型的整體耐低氮性差異不大；在7d和14d，6個(gè)玉米基因型的耐低氮性的排序分別為：87-1＞先玉335≥PH4CV＞綜3≥豫玉22＞PH6WC和PH4CV＞先玉335＞87-1≥豫玉22＞PH6WC＞綜3（表2）。綜合3個(gè)處理時(shí)間的結(jié)果可以看出，6個(gè)基因型的材料耐低氮性依次為87-1（1.02）＞PH4CV（0.99）＞先玉 335（0.98）＞豫玉 22（0.92）＞PH6WC（0.87）＞綜3（0.82）。由此表明，6個(gè)基因型玉米的耐低氮能力隨著時(shí)間推進(jìn)會(huì)發(fā)生變化，而各時(shí)間點(diǎn)下雜交種的耐低氮能力在2個(gè)親本之間或與其中1個(gè)親本接近。

2.5 基于耐低氮指數(shù)對(duì)各性狀間的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析（表3）表明，根尖數(shù)的耐低氮指數(shù)與總根長(zhǎng)、根表面積、根系氮積累量和單株氮積累量等性狀的耐低氮指數(shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)；而根冠比的耐低氮指數(shù)與根系氮積累量占比的耐低氮指數(shù)呈極顯著正相關(guān)，但與L1和L2的SPAD值、地上部干重、地上部氮積累量、單株氮積累量、地上部氮積累量占比等性狀的耐低氮指數(shù)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。結(jié)果表明，低氮下，側(cè)根數(shù)目的增加有助于吸收有限的氮素資源，而根系中分配的氮素越多，越有利于促進(jìn)根系生長(zhǎng)，從而造成根冠比增大。

表3 不同性狀耐低氮指數(shù)的相關(guān)性分析Table 3 Correlative analysis of low nitrogen tolerance indexes of the different traits

3 討論

雜種優(yōu)勢(shì)是復(fù)雜的數(shù)量性狀，是整個(gè)作物生長(zhǎng)周期中各雜種優(yōu)勢(shì)性狀相互作用的結(jié)果[13]。Springer等[12]總結(jié)前人研究發(fā)現(xiàn)，不同雜交組合同一性狀的雜種優(yōu)勢(shì)不一致，同一組合不同性狀的雜種優(yōu)勢(shì)也不相同，在研究的眾多成株性狀中以產(chǎn)量和穗粒重的超親優(yōu)勢(shì)值較大，均在60%以上。玉米幼苗期對(duì)環(huán)境非常敏感，是研究其對(duì)逆境響應(yīng)機(jī)制的理想時(shí)期[29]。研究[9]表明，不同玉米雜交組合發(fā)芽后3～7d初生根長(zhǎng)度的中親優(yōu)勢(shì)值在17%～25%，而側(cè)根密度的中親優(yōu)勢(shì)值變化范圍為51%～130%。水培8d的玉米雜交種幼苗根系在總長(zhǎng)度、表面積、體積、根尖數(shù)和干重等性狀上，中親和超親優(yōu)勢(shì)均分別在60%和30%以上[26]。本研究中，在相同氮素水平下，豫玉22和先玉335在水培3、7和14d時(shí)，均以總根長(zhǎng)、根表面積、根體積、根尖數(shù)和根干重等根系性狀及地上部和根系的氮素積累量的中親和超親優(yōu)勢(shì)值較大，多數(shù)均在50%以上，而葉片面積和葉綠素含量等地上部性狀的中親和超親優(yōu)勢(shì)值較小，多數(shù)均在30%以下，甚至有些性狀存在負(fù)優(yōu)勢(shì)，這與前人研究[9,12,26]結(jié)論相近。

雜種優(yōu)勢(shì)受環(huán)境和發(fā)育時(shí)期雙重影響[5-6]。在鹽脅迫下，雜交種的膜穩(wěn)定性和葉綠素含量均高于親本，而超氧自由基和Na+含量均低于親本，說明雜交種在耐鹽脅迫上存在雜種優(yōu)勢(shì)[30]。Betrán等[31]研究指出，低氮會(huì)造成玉米產(chǎn)量的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)低于正常環(huán)境。本研究發(fā)現(xiàn)，在低氮脅迫早期（3d和7d），在雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)上，玉米雜交種先玉335的總根長(zhǎng)、根表面積、根平均直徑和根體積等性狀均高于對(duì)照，但其根尖數(shù)和根冠比則先后低于對(duì)照；而豫玉22僅根干重和根尖數(shù)高于對(duì)照，但其總根長(zhǎng)、根表面積、根平均直徑和根體積均低于對(duì)照。在低氮脅迫后期（14d），2個(gè)雜交種的根冠比、總根長(zhǎng)、根表面積和根尖數(shù)的中親優(yōu)勢(shì)和超親優(yōu)勢(shì)值均高于對(duì)照，先玉335的根干重、根平均直徑和根體積的中親優(yōu)勢(shì)和超親優(yōu)勢(shì)值均低于對(duì)照，而豫玉22僅根干重的超親優(yōu)勢(shì)值低于對(duì)照。由此表明，氮素對(duì)玉米幼苗雜種優(yōu)勢(shì)的形成有一定影響，且低氮下各個(gè)性狀的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)還會(huì)隨脅迫時(shí)間及基因型的不同而有所改變，低氮會(huì)提高一些苗期根系性狀的雜種優(yōu)勢(shì)，而也有些苗期根系性狀的雜種優(yōu)勢(shì)形成受低氮抑制。

根系是植物首先感知土壤中水分和礦質(zhì)元素的器官，對(duì)氮素的反應(yīng)早于地上部[32]。植物的根系對(duì)氮素表現(xiàn)出很強(qiáng)的可塑性，可以通過改變根系構(gòu)型和增大根冠比來適應(yīng)不同的氮素環(huán)境[33]。一般短期缺氮會(huì)促進(jìn)根系生長(zhǎng)，而高氮?jiǎng)t抑制根系生長(zhǎng)[34]。氮素缺乏會(huì)促使側(cè)根大量發(fā)生，增大根表面積和根體積，從而有利于對(duì)水分和營(yíng)養(yǎng)元素的吸收[35-36]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著脅迫時(shí)間推進(jìn)，6個(gè)基因型玉米根冠比的耐低氮指數(shù)從1.02增至2.23，且2個(gè)雜交種根冠比的耐低氮指數(shù)均與其母本接近，說明低氮導(dǎo)致玉米幼苗根冠比增加，玉米雜交種幼苗根冠比對(duì)低氮的響應(yīng)可能受母體遺傳。在根尖數(shù)上，在脅迫處理3d和7d時(shí)，僅豫玉22及其父本87-1的耐低氮指數(shù)在1.0以上，這意味著這2個(gè)基因型玉米側(cè)根數(shù)目在低氮脅迫下有所增加；另外，僅在脅迫處理14d時(shí)，玉米雜交種先玉335的耐低氮指數(shù)介于雙親之間，其余2個(gè)時(shí)間點(diǎn)下均高于任一親本，而雜交種豫玉22則在任一時(shí)間點(diǎn)均高于其雙親，這與表型觀察結(jié)果基本一致（圖1和表3），表明玉米雜交種幼苗側(cè)根數(shù)目對(duì)低氮的響應(yīng)可能多受加性或顯性效應(yīng)作用。

氮素調(diào)動(dòng)的變化通常伴隨著植株表型性狀的改變[19]。研究[25]發(fā)現(xiàn)，相比于正常氮素水平，當(dāng)?shù)貐T乏時(shí)，玉米幼苗根系吸收的氮素在根系中的分配比例大于地上部，甚至氮高效型玉米自交系XY4在根系中的氮素積累量顯著高于對(duì)照，其根系構(gòu)型更為龐大，從而保障玉米幼苗的根系生長(zhǎng)。在本研究中，在低氮脅迫3、7和14d，玉米雜交種豫玉22的根系氮素積累量占比的耐低氮指數(shù)均在1.0左右，這意味著其在2個(gè)氮素水平間差異較小，但其2個(gè)親本的根系氮素積累量占比相比于對(duì)照均有不同程度降低；隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，先玉335及其親本的根系氮積累量占比相比于對(duì)照均不斷提高，且在脅迫處理7d和14d時(shí)，先玉335的根系氮積累量占比均高于其雙親。由此表明，低氮脅迫下，氮素在玉米幼苗根系中的分配比例會(huì)提高，雜交種在根系中分配的氮素要遠(yuǎn)多于其親本，從而提高其多個(gè)根系性狀的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)，但這些根系性狀對(duì)低氮的響應(yīng)會(huì)因遺傳背景不同而有較大差異。

4 結(jié)論

氮素缺少的早期，玉米幼苗將氮素優(yōu)先積累在根系中，促進(jìn)側(cè)根的發(fā)生，保證根系生長(zhǎng)，根冠比增大，有利于對(duì)有限氮素資源的有效吸收。玉米雜交種與其親本相比，具有更強(qiáng)的氮素平衡能力，多個(gè)根系性狀存在明顯差異，其中側(cè)根數(shù)目對(duì)低氮的響應(yīng)可能受加性或顯性效應(yīng)作用，根冠比對(duì)低氮的響應(yīng)可能受母體遺傳，但眾多根系性狀的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)對(duì)低氮的響應(yīng)會(huì)因遺傳背景、生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)間的不同而存在較大差異。因此，若想深入研究玉米在氮素利用上的雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)制，還應(yīng)充分考慮這些影響因素，首先應(yīng)清楚親本自交系的遺傳背景，然后分析各性狀對(duì)低氮的響應(yīng)差異，而在氮高效雜交種選育過程中應(yīng)注意親本間各性狀的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。