周 毅，章 灿，程昕昕，蒋 德，刘 正，汪建飞

(1 安徽科技学院 城建与环境学院，安徽 凤阳，233100；2 玉米育种安徽省工程技术研究中心，安徽 凤阳，233100)

种子粒质量不仅是农作物产量的重要构成因素之一，也是决定子代成苗素质的关键。多数研究认为，大粒种子易形成壮苗，并可确保苗期植物具有较强的适应弱光、干旱[1]、养分缺乏[1-6]等逆境条件的能力。在养分缺乏的条件下，植物也存在形成大粒种子的趋势[1]。已有研究证实，玉米穗不同粒位的粒质量自下而上依次降低[7-8]，穗中部以下的籽粒育成苗，一般比全穗种子混播增产10%以上[7]。也有研究认为，在种子营养阶段，幼苗生长受种子贮存物质的质量及其转换效率2个因素的控制[9]。目前，种子大小等性状与植物萌发及成苗素质关系的相关研究大多以草、树木等非农作物作为供试材料[10]，这些作物的大田播种量一般相对较大，且管理精细，掩盖了种子生物学性状对成苗素质和产量形成的效应。本研究以国审对照玉米品种郑单958及与其具有相同母本[11-12]且百粒质量接近的玉米品种鲁单9002为供试材料，比较分析种子库容及外源养分对其成苗过程中同化物积累和氮、磷、钾养分利用的影响，以期为从植物营养角度评价苗期玉米杂交种的营养生态广适性奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试玉米品种为单交种鲁单9002和郑单958，购于安徽省凤阳县种子公司，由玉米育种安徽省工程技术研究中心贮藏保存，其粒质量描述统计量见表1。

表1 玉米杂交种郑单958和鲁单9002的粒质量描述统计量

1.2 试验设计

试验设4个因素，分别为：玉米品种、种子粒质量、种子营养持续时间和外源养分供应水平。以上因素又分别设2，3，2，2个水平。对市售袋装玉米种子逐粒称质量(精确至0.000 1 g)，根据极差将粒质量分为3级：①高(H)，粒质量≥0.46 g；②中(M)，0.46 g>粒质量≥0.32 g；③低(L)，0.32 g>粒质量≥0.19 g。种子营养持续时间：在玉米1叶1心期(在此时期之前处理幼苗成活率极低)，摘除根、茎交接处残存的种子，以终止种子营养过程，以下简称DS；同时，以不摘除种子的玉米作为对照，以下简称KS。外源养分供应水平分别为蒸馏水和霍格兰完全营养液。试验采用完全组合设计，共计24个处理，每处理重复4次。

1.3 试验方法

用体积分数10%的双氧水浸泡玉米种子30 min，洗净后摆放在垫有滤纸的直径9 cm的培养皿中，加入蒸馏水至种子的一半被浸没。置于25 ℃培养箱中暗培养，当萌动明显、胚芽尖呈现黄色时，揭开皿盖进行光照培养(白天10 h/夜晚14 h)。待玉米幼苗培养至1叶1心期，挑选长势一致的幼苗摘除其残存的种子，移栽至盛有砂粒的塑料杯(直径7.1 cm，高8.9 cm)中，每个塑料杯中移栽1棵苗。杯内砂粒高度为8.4 cm，杯底部均匀钻孔，每6个塑料杯放置在1个长方形塑料盒(长×宽×高=21.4 cm×14.0 cm×8.2 cm)中，在饱和CaSO4溶液中缓苗24 h后，转入霍格兰完全营养液中，在人工光照培养室内培养。霍格兰完全营养液配方略作改进：氮素采用铵态氮和硝态氮混合的方式供应，供氮水平为15 mmol/L，以7.5 mmol/L(NH4)2SO4和7.5 mmol/L Ca(NO3)2按1∶1的体积比混合；营养液中其他养分组成与浓度分别为2 mmol/L MgSO4·7H2O，3.75 mmol/L CaCl2，微量元素组成与含量采用阿农营养液配方；铁(0.005 g/L)以EDTA-Fe的形式提供。营养液加入长方形塑料盒中，保持液面高度在距盒底0.5 cm处。培养时采用400 W 高压钠灯(上海亚明)从08：00至18：00人工补光，培养室温度为(25±5) ℃，空气相对湿度为60%～70%。营养液的pH每2 d调节1次，维持在(6.00±0.05)。每7 d更换1次营养液。培养30 d后收获。

1.4 测定项目与方法

将植株取出，洗净根系的砂粒，分为根、茎和叶3部分收获。于105～110 ℃杀青30 min后，再于70～80 ℃烘至质量恒定，称量记录生物量。

粉碎后的植株样品采用H2SO4-H2O2法消煮，待测液中的氮含量采用流动分析仪(AA3，美国BRAN+LUEBBE公司)测定；磷含量采用磷钼蓝比色法测定；钾含量采用火焰光度计法测定。

种子氮、磷或钾贮量=种子粒质量×种子氮、磷或钾含量；氮、磷或钾累积量=干物质质量×氮、磷或钾含量；种子粒质量、种子氮、磷或钾贮量的贡献=蒸馏水培养条件下的生物量、氮、磷或钾累积量/霍格兰完全营养液培养条件下的生物量、氮、磷或钾累积量×100%。

试验数据采用SPSS 19.0和Excel 2003进行多元方差分析，多重比较采用LSD法进行。

2 结果与分析

2.1 种子库容及外源养分对苗期玉米生长的影响

种子库容及外源养分对苗期玉米根、茎和叶干物质累积的影响见表2，方差分析结果见表3。

表2 种子库容及外源养分对不同品种玉米苗期根、茎和叶干物质累积的影响

由表3可知，粒质量、1叶1心期摘除种子(以下简称摘除种子)和外源养分3个因素对郑单958和鲁单9002的植株生物量累积的效应均达极显著水平(P<0.01)。以上3个因素中，两两因素之间的交互作用对鲁单9002植株生物量积累的效应也达极显著水平，对郑单958的植株生物量积累效应(摘除种子与外源养分的交互作用除外)达显著水平(P<0.05)。3个因素间交互作用只对郑单958植株生物量积累效应达极显著水平。比较F值的大小可知，单因素对郑单958植株生物量累积的主效应均明显大于因素间的交互效应，且以摘除种子的主效应最高。对鲁单9002植株生物量影响最大的则是外源养分的主效应，其次为摘除种子的主效应，而摘除种子与外源养分的交互效应高于粒质量的主效应。2个品种玉米根生物量变化的最大诱因均是摘除种子，而茎、叶生物量和根冠比变化的最大诱因均是外源养分。除了粒质量与外源养分交互作用对郑单958的叶茎比影响显著外，3个因素及因素间的交互作用对2个品种玉米叶茎比的影响均不显著。

表3 种子库容及外源养分对不同品种玉米苗期根、茎和叶干物质累积影响的方差分析F值

2.2 种子库容及外源养分对苗期玉米氮营养特性的影响

种子库容及外源养分对苗期不同品种玉米根、茎和叶氮含量的影响结果见表4，方差分析结果见表5。

表4 种子库容及外源养分对苗期不同品种玉米根、茎和叶氮含量的影响

由表5可知，3个因素对2个品种玉米植株氮含量的主效应均达极显著水平。两两因素之间的交互作用对鲁单9002植株氮含量的影响也达极显著水平；但对郑单958而言，只有粒质量与外源养分的交互效应达极显著水平。3个因素间交互作用对2个品种玉米植株氮含量的影响也达极显著水平。由F值的大小可知，摘除种子和外源养分对郑单958植株氮含量的主效应均明显大于因素间的交互效应，且以外源养分的主效应最高；对鲁单9002植株氮含量影响最大的是粒质量与外源养分的交互效应，其次为摘除种子和外源养分的主效应。外源养分是郑单958植株、根、茎氮含量，鲁单9002根氮含量以及2个品种叶茎氮含量比和根冠氮含量比变化的最大诱因，而粒质量与外源养分的交互效应则是鲁单9002茎、叶氮含量变化的最大诱因。

表5 种子库容及外源养分对不同品种玉米苗期根、茎和叶氮含量影响的方差分析F值

2.3 种子库容及外源养分对苗期玉米磷营养特性的影响

种子库容及外源养分对苗期不同品种玉米根、茎和叶磷含量的影响见表6，方差分析结果见表7。表7表明，引起郑单958植株、茎、叶磷含量和叶茎磷含量比及鲁单9002植株和叶磷含量变化的最大诱因均为外源养分，引起鲁单9002根和茎磷含量变化的最大诱因均是粒质量与外源养分的交互效应。郑单958根磷含量和根冠磷含量比、鲁单9002叶茎磷含量比、根冠磷含量比变化的最大诱因分别是粒质量、粒质量、摘除种子及摘除种子与外源养分的交互效应。

表6 种子库容及外源养分对不同品种玉米苗期根、茎和叶磷含量的影响

2.4 种子库容及外源养分对苗期玉米钾营养特性的影响

种子库容及外源养分对苗期不同品种玉米根、茎和叶钾含量的影响见表8，方差分析结果见表9。表9表明，引起2个品种玉米植株及其不同部位钾含量、叶茎钾含量比以及根冠钾含量比变化的最大诱因均是外源养分。由表8可知，在蒸馏水培养条件下，1叶1心期未摘除种子郑单958不同粒质量育成苗的植株钾含量均无显著差异，但随着粒质量的增加，鲁单9002的植株钾含量显著升高。因此，2个供试玉米品种的钾营养特性可能存在较大差异。外源养分明显提高了不同粒质量育成苗的植株钾含量，且与蒸馏水培养条件下相比，均以粒质量低(L)的植株钾含量升高幅度最大。在供应外源养分条件下，粒质量高处理(H)的植株钾含量总体均明显高于粒质量中等处理(M)和粒质量低处理(L)(鲁单9002摘除种子处理除外)。

2.5 种子库容对苗期玉米生物量及氮、磷和钾累积量的贡献

由表10可知，除高粒质量郑单958外，粒质量对2个品种玉米摘除种子处理生物量累积的贡献均大于其不摘除种子处理，这可能是摘除种子显著抑制了该阶段玉米生长的结果。在同一品种中，高粒质量种子对苗期玉米生物量累积的贡献(除郑单958的不摘除种子处理外)均小于中粒质量和低粒质量种子。

不论摘除种子与否，种子氮贮量对低粒质量郑单958苗期氮累积量的贡献影响不大；摘除中粒质量种子后，明显提高了郑单958种子氮贮量的贡献，但摘除高粒质量种子后则明显降低了郑单958种子氮贮量的贡献。种子氮贮量对苗期鲁单9002氮累积的贡献均以摘除种子处理相对较大。2个品种种子的磷、钾贮量对苗期植株磷、钾累积的贡献总体上也均以摘除种子处理相对较大(郑单958的高粒质量种子磷贮量的贡献和鲁单9002的中粒质量种子钾贮量的贡献除外)。此外，在不摘除种子条件下，高粒质量种子氮贮量的贡献大于低和中粒质量种子，且种子磷和钾贮量的贡献总体上均随粒质量的增加而增大，说明高粒质量种子育成苗对种子中贮存的氮、磷和钾的利用比例可能相对较高。

表9 种子库容及外源养分对不同品种玉米苗期根、茎和叶钾含量影响的方差分析F值

表10 种子粒质量及其氮、磷和钾贮量对不同品种玉米苗期植株生物量、氮、磷和钾累积量的贡献

种子氮、磷和钾贮量对苗期玉米氮、磷和钾累积量的贡献总体上均小于粒质量对生物量干物质累积的贡献。在不摘除种子的条件下，这可能是其氮、磷和钾素吸收速率大于干物质累积速率的结果；而在摘除种子处理条件下，则可能是在1叶1心期以前，籽粒氮、磷和钾的转化速率相对低于淀粉等物质，或幼苗的养分吸收速率受摘除种子的影响相对小于生物量累积所致。总体而言，种子磷贮量对苗期玉米磷累积的贡献小于种子氮贮量对氮累积的贡献，且在不摘除种子时，二者的差异相对较大。种子钾贮量对苗期玉米钾累积的贡献总体小于种子氮和磷贮量对苗期玉米氮、磷累积的贡献。这可能是在成苗过程中，玉米对种子中钾的利用速率低于氮和磷，也可能是植株对外源钾的吸收速率相对高于氮和磷的结果，这有待进一步的研究。在不摘除种子条件下，与鲁单9002相比，郑单958的种子粒质量和氮、磷贮量对其苗期生物量和氮、磷累积的贡献总体上较大，这表明在该阶段，郑单958的生物量和氮、磷累积对外源养分不敏感。

3 讨 论

3.1 粒质量与成苗素质关系的基因型差异

现有研究认为，与小粒种子相比，大粒种子含有更多的贮藏物质，具有萌发优势[1-8，13-14]，并能够在种苗转化过程中为幼苗的发育提供更多的营养物质，促进壮苗的形成[13-14]。对于植物，特别是野生植物[2，4]或树木[1，5-6]而言，籽粒大小与其萌发或成苗素质密切相关。大粒种子植物对外源养分的依赖程度相对低于小粒种子植物[3]。本试验中，蒸馏水培养条件下不摘除种子郑单958的植株、根和叶的生物量均随种子粒质量的增加而递增。证实增大种子库容可促进苗期玉米的生物量累积，这与笔者之前的研究结果[10]相似。也有研究表明，以不同品种和种类植物种子的大小作为评价其是否具有萌发优势的依据不足[4，14]。这是因为，苗期植物生长的种间差异既可能与外界的养分条件有关，也可能与种子自身的养分含量及将其转化为生物量的能力等因素有关[3，11]，其综合作用的结果可能掩盖了籽粒大小对苗期植物生长的效应。本试验粒质量和在1叶1心期摘除种子均可改变种子库容，其对玉米植株生物量累积的主效应均达极显著水平，证实种子库容的变化是影响玉米成苗素质的重要因素。由F值的大小可以进一步看出，摘除种子处理对郑单958植株生物量的影响最大，而粒质量和外源养分的效应大小相近。外源养分对鲁单9002植株生物量的影响最大，且其效应远大于种子库容。由此可见，郑单958对种子库容的依赖性相对高于鲁单9002。

目前，郑单958是我国种植面积最大的玉米品种[15]，它与鲁单9002的母本均是以掖478作为选系基础材料育成的郑58[12]。值得注意的是，在多数对比性研究中，这2个品种对逆境的抗性接近[16-17]，但在实际生产中，鲁单9002的推广面积小于郑单958。在本试验中，无论有无外源养分，中粒质量鲁单9002的植株生物量均最高，其中在蒸馏水培养条件下，随着粒质量的增加，不摘除种子鲁单9002叶茎比呈现先升高再降低的趋势，而根冠比则始终呈降低趋势，与不摘除种子郑单958的叶茎比和根冠比均呈先升高再降低的趋势存在明显差异，这可能是种子库容变化对以上2个玉米品种同化物分配主效应影响均不显著的原因。而2个品种对种子粒质量变化响应的基因型差异则可能是造成二者生态适应性差异的原因，这有待进一步研究。

3.2 种子养分含量与玉米成苗素质的关系

一般认为，在养分缺乏条件下，植物可通过增加粒质量提高种子的养分贮量，降低子代幼苗对外源养分的依赖[1-3，6]。因此，在种苗转化过程中，种子养分含量[18]及其转化特性[14]可能明显影响幼苗的生长。已有研究表明，种子含氮量高不仅可降低低氮胁迫条件对幼苗叶片发育的抑制效应，也可快速诱导硝酸转运蛋白的合成，加快幼苗对外源氮素的吸收，增强其适应能力[18]。在供应外源磷的条件下，玉米早期生长所需的磷也主要来自其对种子中贮存磷的活化。增加种子的磷含量可显著提高子代幼苗叶片和根系的含磷量[19]。但提高种子钾含量却可明显降低种子的萌发率[20]。本试验所用材料郑单958和鲁单9002的种子养分含量相近[10]，在无外源养分供应条件下，摘除种子郑单958植株、根和叶的生物量均随种子粒质量的增加而递增，这与Naegle等[18]的研究结果基本相同；但摘除种子鲁单9002的植株、根和叶的生物量及在供应外源养分条件下2个品种玉米的植株生物量均以中粒质量育成苗最高，说明种子粒质量和外源养分可能均不是该阶段玉米生长的最小限制因子。有研究表明，在种子吸涨过程中，来自穗中下部的种子，其胚乳贮藏物的外渗相对较多，会造成种子本身的生理失调，可能导致种子更易于被周围的病菌侵染，降低田间出苗率和幼苗生长势，而玉米的高粒质量种子均来自穗的中下部[7]。在本试验中，由于要进行1叶1心期摘除种子处理，所有的处理均采用了育苗移栽的方式，故在整个过程中，有可能造成移栽前已经外渗至介质的胚乳贮藏物或其他养分的损失。已有研究证实，在种子贮存的养分中，钾的消耗速率最快[10]，这可能是本试验条件下供应外源养分时，郑单958的根冠比明显下降，以及无外源养分供应且摘除种子时，2个品种高粒质量育成苗植株生物量较低的主要原因之一。由于低粒质量种子的发芽势、发芽指数都极显著高于高粒质量种子，低粒质量种子育成苗早期的生长速度也大于高粒质量种子育成苗[14]。因此可以认为，高粒质量种子胚乳中贮存物质的转化率可能相对较低，在1叶1心期摘除种子时，转移至胚芽和胚根的干物质质量也相对较少，故其成苗素质受到的影响相对较大。在种子的萌发过程中，关于种子中钾的转化特性及其与成苗素质的关系，尚待进一步研究。在本试验中，同一品种高粒质量种子对苗期玉米生物量累积的贡献总体上均小于低粒质量和中粒质量种子(不摘除种子郑单958除外)，但其对种子中贮存的氮、磷和钾的利用比例总体却相对较高。同时，种子对苗期不同粒质量郑单958生物量、氮和磷累积量的贡献均大于鲁单9002。因此，推测郑单958能够更充分地利用种子中贮存的养分，降低苗期玉米对外源养分的依赖，这可能是其具有较强推广潜力的主要原因之一，也进一步证实了郑单958在萌发阶段对外源养分较其他品种不敏感的结论[14]。在郑单958的成苗过程中，为了更好地研究籽粒中贮存物质转化和调控的生理机制，有必要同步测定其种子中的淀粉、蛋白质、脂类、植酸物质含量及其降解酶活性、代谢底物含量变化的规律，以及氮、磷和钾作为结构和功能性组分在其中所起的作用，为高抗逆玉米的选育及评价提供植物营养生理方面的依据和参考。这也是本课题组今后需要继续深入研究的主要方向之一。

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