锌和铁是植物生长所必需的微量元素。玉米是对锌和铁缺乏反映最敏感的作物之一。全球大约30%的土壤为石灰性土壤^[1],而生长在该类土壤上的玉米表现锌铁缺乏症状十分明显^[2]。高小宽等^[3]在玉米、Bänziger等^[4]在水稻和小麦中发现,同一作物不同基因型间子粒锌铁含量存在显著差异。Rengel等^[5]测定相同供锌条件下不同基因型小麦子粒锌含量,发现子粒高锌基因型的子粒锌含量是低锌基因型的2倍。作物子粒中的锌经过从土壤环境到作物吸收、运转、分配一系列复杂的生理调控过程,最终在子粒中积累^[6]。刘藏珍^[7]认为夏玉米对锌的吸收主要受干物质积累进程制约,杂交品种植株吸收的锌在生育前期主要分配给叶片,此后逐渐向茎秆转移,到生育中后期营养器官中的锌向雌穗集中。Stomph等^[8]证实水稻子粒中的锌主要来自根系直接吸收的锌及茎、叶鞘、穗轴等部位锌的重分配。Prachi等^[9]认为小麦子粒铁含量与植株体内其他器官的铁含量呈显著正相关,在灌浆期所有器官中铁含量较高。王庆成等^[10]发现玉米体内铁含量随着生育时期和生长中心的改变而发生变化,苗期铁含量高于吐丝期,铁含量排序为叶片>茎秆>子粒。郝虎林^[11]指出,水稻子粒中铁的积累受铁从土壤的吸收能力、铁从各个器官运输到子粒的能力、子粒对铁的装载能力3个方面的影响。这些研究结果从不同层面阐述了作物器官中锌铁的来源和分配问题。但有关杂交后代与其双亲间锌铁吸收与分配的比较研究还鲜有报道。

本研究以玉米子粒锌铁含量差异显著的两个自交系及其配制的杂交种（F₁）为供试材料,比较双亲及其后代叶片和茎秆中锌铁含量及积累量在吐丝期和成熟期间的差异,解析亲子代锌铁利用及分配上的特征,为进一步开展玉米子粒富锌铁含量育种提供依据。

以子粒锌和铁含量同时存在显著差异的两个自交系NXR22（母本）和NXR12（父本）作为供试材料。其中,自交系NXR22子粒锌和铁含量分别为29.95和23.51mg/kg,定义为子粒高锌铁自交系;自交系NXR12子粒锌和铁含量分别为13.26和12.59mg/kg,定义为子粒低锌铁自交系;并利用这两个自交系配制杂交种（F₁）。2017年5月将上述3个材料播种于国家玉米改良中心河北分中心试验地（38.87°N,115.45°E）。供试土壤有效锌浓度:土层0~20cm为4.25mg/kg,20~40cm为2.39mg/kg。供试土壤有效铁浓度:土层0~20cm为18.40mg/kg,20~40cm为10.62mg/kg。播种前灌足底墒水,氮磷钾复混肥料（15-15-15）75kg/hm²作为基肥,生育期间不追施任何肥料;苗期、拔节期、抽穗期各喷灌一次,灌溉量约为60mm。其他田间管理按照当地大田生产管理进行。

试验采用完全随机区组设计,2次重复。每个材料播种10行,行长2.5m,行距0.6m,株距0.25m,密度75 000株/hm²。吐丝期时,在重复内挑选4株长势一致的植株挂牌标记,其中2株在吐丝期将整株叶片和茎全部采收;2株在成熟期将整株叶片、茎秆和子粒全部采收。所挑选的单株均匀分布于小区中部。待授粉时,进行人工套袋,自交授粉。

在雌穗花丝从苞叶中伸出3cm左右时进行吐丝期取样,当子粒干硬且基部出现黑色层时进行成熟期取样。

1.3.1 叶片和茎秆的取样 将叶片沿着叶鞘整齐撕下,以穗位叶为分界点,分为穗上叶、穗位叶和穗下叶,分别依次采收放于储存袋中。茎秆以穗位为分界点,分为穗上茎、穗位茎和穗下茎,分别采收并放于储存袋中。

1.3.2 样品预处理 将吐丝期和成熟期所采收的样品依次用自来水、纯水、超纯水各洗3遍,然后将样品置于烘箱中105℃杀青30min,65℃烘72h至恒重,称量干重。用不锈钢粉碎机将烘干的样品粉碎成粉末,装袋,置于65℃烘箱内烘24h,取出后放于干燥器内备用。

使用万分之一天平称取0.3000g待测样品,同时称取相同质量的玉米面标准物质（GBW10012）作为对照。将称量好的样品倒入消解管底部,加入7mL 65% HNO₃,85℃水浴45min,再加入1mL 30% H₂O₂,静置5min后放入微波消解仪（aTOP,Analytik Jena,德国生产）进行消解,同时设置试剂空白对照。使用火焰原子吸收分光光度计（AAnalyst 400,PerkinElmer,美国生产）测定各样品锌铁含量。

用植株叶片（茎秆）成熟期与吐丝期锌（铁）积累量相对值反映叶片（茎秆）中锌（铁）的转移,若相对值小于1,认为叶片（茎秆）中锌（铁）发生了向子粒的再转移。计算公式:吐丝后叶片（茎秆）锌（铁）积累量相对值=同一部位叶片（茎秆）成熟期锌（铁）积累量/吐丝期锌（铁）积累量。

不同部位叶（茎）锌、铁积累量等于该部位叶（茎）干重与该部位锌、铁含量的乘积。中亲优势（mid-parent heterosis,MPH）是指杂交种F₁的某个数量性状数值超过中亲值（mean of parents,MP）的百分率。

$MPH=\frac{F_{1}-MP}{MP}\times 100\%, MP=\frac{P_{1}+P_{2}}{2}$。

超亲优势（best-parent heterosis,BPH）是指杂交种F₁的某个数量性状数值超过最优亲本（high parent,HP,即锌铁含量或积累量高的亲本）的百分率。

$BPH=\frac{F_{1}-HP}{HP}\times 100\%$。

使用Excel和IBM SPSS Statistics 19.0软件进行数据统计分析。

在吐丝期（图1-a）,F₁穗上叶、穗位叶和穗下叶锌含量不仅显著高于中亲值,也高于最优亲本,表现出超亲优势（BPH分别为86.9%、100.1%和107.6%）;F₁穗上叶、穗位叶铁含量显著高于父本NXR12,与母本NXR22差异不显著,表现为中亲优势（MPH分别为23.9%、30.9%）;穗下叶铁含量虽显著高于父本NXR12,但未表现出中亲优势。在成熟期（图1-b）,F₁穗上叶锌铁含量均与子粒低锌铁的父本（NXR12）差异显著,其值介于双亲之间;穗位叶锌含量显著低于父本,铁含量显著低于双亲;穗下叶的锌铁含量均介于双亲之间。3个供试材料在吐丝期和成熟期穗上叶、穗位叶和穗下叶铁的含量均表现出高于锌的含量。

在吐丝期（图1-c）,F₁穗上叶和穗下叶锌铁积累量均显著高于最优亲本,表现出超亲优势,其锌积累量BPH为80.6%、110.5%,铁为41.9%、36.4%;穗位叶的锌积累量表现出超亲优势（BPH为24.5%）,而铁积累量无优势。在成熟期（图1-d）,F₁穗上叶和穗下叶锌铁的积累量均显著高于最优亲本,具有超亲优势,其锌积累量BPH分别为41.9%和36.4%,铁为55.3%和18.6%;穗位叶锌积累量表现出中亲优势（MPH为13.4%）,铁积累量显著高于父本,其值与母本接近。由图1还可以看出,3个供试材料成熟期穗上叶、穗位叶和穗下叶锌铁积累量均比吐丝期有增加,不同穗位叶中铁的积累量显著高于锌的积累量。

除F₁和NXR12穗下叶锌积累量、NXR12穗下叶铁积累量外,其他材料不同叶位锌铁积累量成熟期与吐丝期相对比值均大于1（表1）,这说明,不论是亲本自交系还是杂交后代的穗上叶、穗位叶和部分穗下叶锌铁积累量都会随着植株的生长而增加,但不同基因型材料、不同部位的增加量存在着差异。其中,F₁穗上叶、穗位叶和穗下叶锌积累量增加幅度要低于双亲,与母本变化趋势一致;铁积累量穗上叶、穗位叶增加幅度高于双亲,穗下叶与父本一致。比较锌铁两个元素积累量增加的幅度发现,不同穗位叶中铁积累量的增加要高于锌的增加。

在吐丝期（图2-a）,F₁穗上茎锌含量与双亲差异显著,而铁含量与双亲差异不显著;穗位茎锌铁含量均与双亲差异显著,穗上茎和穗位茎锌铁含量均未表现出杂种优势;穗下茎的锌含量与双亲差异不显著,而铁含量显著高于双亲,表现出超亲优势（BPH为31.0%）。在成熟期（图2-b）,F₁穗上茎锌含量偏向于父本并显著高于母本,而铁含量显著低于双亲;F₁穗位茎锌含量表现出显著的超亲优势（BPH为46.1%）,虽然F₁穗位茎铁含量高于双亲,但与铁含量高的父本差异不显著,为中亲优势（MPH为44.8%）;穗下茎锌含量介于双亲之间且与父本的含量差异显著,铁含量显著低于双亲。3个供试材料穗上茎、穗位茎和穗下茎中的锌铁含量变化幅度要低于叶片,同一穗位茎中锌铁含量成熟期要比吐丝期高。

在吐丝期（图2-c）,F₁穗上茎、穗位茎锌积累量与双亲差异显著,铁积累量与双亲差异不显著,均未表现杂种优势;穗下茎的锌铁积累量表现出超亲优势（BPH分别为23.2%、78.0%）。在成熟期（图2-d）,F₁穗上茎锌积累量表现为中亲优势（MPH为66.1%）,铁积累量虽与双亲差异显著但无杂种优势;穗位茎和穗下茎锌铁积累量表现出超亲优势（BPH分别为61.6%和122.2%,铁分别为36.0%和91.1%）。各穗位茎锌积累量在吐丝期要稍高于铁,成熟期锌铁积累量相近。

多数穗位茎中锌铁积累量从吐丝到成熟是增加的（表2）。其中,F₁穗上茎、穗位茎和穗下茎锌积累量增加幅度均高于双亲,表现出杂种优势;而不同穗位茎铁积累量与双亲增加的幅度不同,穗上茎铁积累量低于双亲,穗位茎、穗下茎高于双亲,均未表现出超亲优势。

由图3-a看出,F₁子粒锌铁含量均介于双亲之间。其中,锌含量显著高于父本,偏向于母本;铁含量显著低于母本,偏向于父本。由图3-b看出,F₁子粒锌积累量高于双亲平均值56.4%,且趋向于子粒高锌铁的母本NXR22,表现出中亲优势;铁积累量介于双亲之间,与母本差异不显著,与父本差异显著。

本研究结果表明,F₁与双亲叶片、茎及子粒中锌铁含量和积累量存在显著差异。F₁除吐丝期叶片中锌含量表现出超亲优势外,吐丝期茎和成熟期叶、茎及子粒中锌铁含量均未表现出超亲优势,但大部分表现出中亲优势,其值偏向于母本。文建成等^[12]在水稻中也发现类似的结果,大部分杂交稻稻米的锌铁含量居于双亲之间,只有少数组合的锌铁含量超亲明显。高小宽等^[3]研究表明玉米子粒锌含量主要受遗传控制,遗传力为中等偏上,在有些组合表现出较高的超亲优势。李华雄等^[13]研究发现玉米子粒杂交种铁含量主要以超低亲杂种优势为主,同时也出现中亲优势和超高亲优势为正值的一些组合。本研究还发现F₁各穗位叶及茎中锌铁积累量表现出超亲优势或中亲优势,尤其是穗下叶和穗下茎超亲优势更为明显。出现这个结果可能与F₁干物质增加有关,也可能与基因型不同有关。王芝棠^[14]研究发现由于玉米杂交种株高、茎粗、叶片数等显著高于双亲,所以这些器官中锌的积累量呈现出F₁均高于亲本的现象。Karim等^[15]指出玉米茎中锌积累量的差异与基因型不同有关,而与施锌量关系不大。本研究同时还发现,F₁子粒锌积累量显著高于双亲,表现出杂种优势,而铁积累量介于双亲之间,其值偏向于子粒锌铁含量高的母本。因此,在玉米富锌铁育种上,建议选用子粒锌铁含量高的材料作为母本。

本研究发现3个供试材料成熟期叶片和茎锌铁积累量与吐丝期比值多数大于1,也就是说不论是杂交后代还是双亲,吐丝后叶片或茎中锌铁很少向外部转运,更多的是后期锌铁吸收的累积。王庆成等^[10]指出玉米茎秆中N、P、K等元素后期向其他器官转移,而铁没有发生转移。

Karim等^[15]研究结果中指出在锌含量低的土壤中,与锌低效基因型相比,锌高效基因型玉米具有更高的锌吸收效率和转运机制。Maas等^[16]研究发现铁在韧皮部移动性强弱与基因型有关,铁高效基因型铁在韧皮部移动性强,铁低效基因型铁在韧皮部移动性弱。张雅风^[17]研究表明与子粒低锌铁基因型玉米相比,子粒高锌铁基因型中锌向子粒分配比例高,而铁向叶片分配比例高。本研究虽选用子粒锌铁含量高低差异显著的自交系为亲本,但F₁叶片、茎和子粒中锌铁含量与双亲子粒的含量并不一致。也就是说父母本各器官锌铁含量高,子代并不一定含量高。由此认为,不能依据父母本的锌铁吸收分配机制来推测F₁的吸收分配规律。

锌铁元素在化学性质上相似,存在相同的转运系统,因而很多情况下表现出相互竞争的关系^[18,19]。本研究发现,F₁及双亲不同部位不同时期锌铁含量和积累量的表现是一致的,成熟期积累量比吐丝期均有所增加,且F₁锌铁积累量都表现出显著的超亲优势。Cakmak等^[20]研究发现小麦缺锌铁均会引起小麦根系分泌铁载体,从而缓解锌铁胁迫对植株的影响。许多转运蛋白参与植物体内锌铁离子平衡网络系统,比如在大麦中过表达AtZIP1基因能够增加锌和铁在种子中的含量^[21]。过表达OsIRT1基因,水稻中锌和铁的含量在地上部、地下部和种子中均有所提高^[22]。本试验结果与前人研究一致,均表明锌铁具有相似的变化趋势。