水分脅迫對玉米苗期生理指標(biāo)的影響

鄒原東　韓振芹　李志強(qiáng)

摘要? [目的]探究玉米幼苗期水分脅迫下生理指標(biāo)的變化，衡量不同玉米品種之間的抗旱差異，為抗旱品種選育提供借鑒。[方法]采用PEG-6000水溶液模擬干旱環(huán)境，比較4個玉米品種（林豐香粘、晉超甜1號、石甜玉1號和超甜T-75）幼苗期的可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸的含量變化。[結(jié)果]隨著PEG-6000水溶液的增加，4個品種的可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量相應(yīng)增加，在8.75%濃度處理下林豐香粘和超甜T-75的可溶性蛋白含量與其他濃度處理差異顯著，晉超甜1號和石甜玉1號不同濃度處理的脯氨酸含量差異極顯著，8.75%和7.50%濃度下4個品種的丙二醛含量與其他濃度相比差異極顯著。[結(jié)論]石甜玉1號和晉超甜1號的抗旱性優(yōu)于林豐香粘和超甜T-75。

關(guān)鍵詞? PEG-6000水溶液;水分脅迫;生理指標(biāo)

中圖分類號? S513??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A

文章編號? 0517-6611（2019）24-0025-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.009

Effects of Water Stress on Physiological Indexes of Maize Seedling

ZOU Yuan-dong， HAN Zhen-qin， LI Zhi-qiang? （Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442）

Abstract? [Objective]To explore the changes of physiological indexes under water stress in maize seedling stage， to study the differences in drought resistance among different maize varieties， and to provide references for breeding of drought-resistant varieties. [Method]PEG-6000 aqueous solution was used to simulate the drought environment to compare soluble protein content， malondialdehyde content and proline content of four maize varieties at seedling stage. [Result]Soluble protein content， malondialdehyde content and proline content of the four varieties increased accordingly with the increase of PEG-6000 aqueous solution， the soluble protein contents of Linfengxiangnian and Shitianyu 1 at 8.75% PEG-6000 concentration was significantly different with other concentrations. The differences of proline content between different concentrations of Jinchaotian 1 and Shitianyu 1 was extremely significant. The difference of malondialdehyde content between the two concentrations of 8.75% and 7.50% was significantly different from other concentrations. [Conclusion]Shitianyu 1 and Jinchaotian 1 had better drought resistance than Linfengxiangnian and Chaotian T-75.

Key words? PEG-6000;Water stress;Physiological index

基金項目? 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院科技研發(fā)推廣類項目;菜用玉米親本純化技術(shù)研究（XY-NF-18-02）。

作者簡介? 鄒原東（1980—），男，遼寧丹東人，副教授，碩士，從事作物遺傳育種研究。*通信作者，教授，碩士，從事蔬菜栽培研究。

收稿日期? 2019-06-10

玉米是我國重要的的谷類作物，兼具食用和飼用功能。作為中國第一糧食作物，其播種面積和總產(chǎn)量都位居第一，在中國糧食安全中占有非常重要的地位[1]。隨著國家經(jīng)濟(jì)和社會的深入發(fā)展，農(nóng)業(yè)也迎來了黃金發(fā)展期;隨著技術(shù)和資金投入的逐年增加，農(nóng)業(yè)的發(fā)展也越來越趨向國際化和產(chǎn)業(yè)集約化。作為提升玉米品質(zhì)和產(chǎn)量潛力的基本技術(shù)手段，現(xiàn)代玉米育種發(fā)展速度日新月異?；蚬こ?、基因庫等新技術(shù)的運用極大地提升了行業(yè)的科技創(chuàng)新能力[2]。但近些年自然災(zāi)害頻發(fā)、極端氣候條件對玉米育種工作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如干旱氣象災(zāi)害可能導(dǎo)致玉米減產(chǎn)，甚至絕收等，從而影響玉米產(chǎn)量[3]。研究表明，干旱缺水，尤其是玉米的拔節(jié)期和抽穗期缺水直接導(dǎo)致玉米產(chǎn)量減少20%左右，產(chǎn)量的減少與土壤的干旱程度呈顯著正相關(guān)[4]，直接影響植株外部形態(tài)的變化，也會導(dǎo)致內(nèi)在生理變化，如蛋白質(zhì)濃度的增加、體內(nèi)pH的提升、膜脂過氧化的發(fā)生和氧化傷害的提高[5]。選育抗旱性較強(qiáng)的品種不僅可適應(yīng)當(dāng)下嚴(yán)峻的氣候形式，提高玉米產(chǎn)區(qū)抵御災(zāi)害風(fēng)險的能力，更是干旱地區(qū)提高玉米產(chǎn)量及品質(zhì)亟需面對的首要難題[6-7]。因此，需要從選擇適宜的抗旱品種出發(fā)，對內(nèi)在生理水平進(jìn)行深入研究，從而提升抗旱評價水平，這對玉米產(chǎn)區(qū)應(yīng)對干旱具有現(xiàn)實的指導(dǎo)意義[8-9]。

不同玉米品種對土壤和大氣干旱條件的適應(yīng)性和抵御能力不同，它們在形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、生理生化特性、生長發(fā)育等方面形成了一系列抗御干旱的機(jī)制和對逆境的適應(yīng)反應(yīng)[10-12]。郭效龍等[13]根據(jù)種子在高滲溶液中的萌發(fā)及生理生化反應(yīng)來評價玉米萌發(fā)期和幼苗期的抗旱性，認(rèn)為可溶性蛋白含量、丙二醛含量和SOD活性均可作為鑒定自交系抗旱性的指標(biāo)。鑒于此，筆者以4個玉米雜交種（林豐香粘、晉超甜1號、石甜玉1號和超甜T-75）為試驗材料，研究在不同PEG-6000水溶液濃度（4.00%、6.00%、7.50%、8.75%）脅迫下玉米幼苗期生理指標(biāo)的變化，從而篩選出抗旱性較強(qiáng)的玉米品種，為當(dāng)?shù)剡x育抗旱品種提供借鑒。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

試驗選用4個玉米雜交種林豐香粘、晉超甜1號、石甜玉1號和超甜T-75，編號分別為NT7、T6、TN5和T4。

1.2? 試驗方法

將發(fā)芽盒置于RXZ-400E型人工氣候箱，晝/夜溫度為26 ℃/25 ℃。采用早晚噴水的方法控制濕度在60%～70%，設(shè)定好數(shù)值，將光照時間調(diào)至白天/夜晚為12 h/12 h，光照強(qiáng)度為2 500 lx，連續(xù)培養(yǎng)10 d。

每個品種挑選大小均勻、籽粒飽滿的種子各500粒，用75%乙醇消毒10 min，蒸餾水沖洗3次并浸泡12 h。將準(zhǔn)備好的發(fā)芽盒鋪上一定質(zhì)量的細(xì)沙，倒入相應(yīng)濃度的PEG-6000水溶液，取出浸泡好的種子均勻擺放在發(fā)芽盒內(nèi)，并將發(fā)芽盒置于光照培養(yǎng)箱中發(fā)芽。

以蒸餾水為對照，將PEG-6000水溶液濃度配置為4.00%、6.00%、7.50%、8.75%共4個濃度。試驗設(shè)5個處理，分別記為CK、處理①、處理②、處理③、處理④。每個處理 50 粒，3 次重復(fù)。在第8天取相同部位測定丙二醛、可溶性蛋白及脯氨酸含量。

1.3? 指標(biāo)測定

丙二醛含量用硫代巴比妥酸反應(yīng)比色法測定;可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定;脯氨酸含量用茚三酮顯色法測定。

1.4? 數(shù)據(jù)統(tǒng)計? 采用WPS繪圖;采用SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同PEG-6000濃度處理對玉米可溶性蛋白含量的影響

從圖1可以看出，不同濃度PEG-6000水溶液處理下，不同品種的玉米可溶性蛋白含量有差異。隨著水溶液濃度的增加，玉米的可溶性蛋白含量提高，其中處理③和④提高較明顯。從差異性分析來看，隨著PEG-6000水溶液濃度的增加，處理④的NT7和TN5可溶性蛋白含量與其他處理差異顯著（

P<0.05），另外2個玉米品種在不同處理間差異不顯著（P>0.05）。由此可見，水分脅迫可使玉米植株的可溶性蛋白含量升高，從而抵抗外界逆境條件帶來的細(xì)胞失水的影響，保證植株在一定脅迫條件下正常生長，而不同品種間可溶性蛋白含量的變化存在差異。

2.2? 不同PEG-6000濃度處理對玉米脯氨酸含量的影響

由圖2可知，隨著PEG-6000水溶液濃度的增加，4個品種的脯氨酸含量都呈增加趨勢，但增加的幅度不同。處理④中NT7、T6、TN5、T4品種的脯氨酸含量比CK分別增加了56.75%、44.79%、77.82%和57.47%，比處理③分別增加了29.59%、3.56%、13.61%和9.92%，與其他濃度處理相比增加較明顯。從差異性分析來看，不同處理T6和TN5的脯氨酸含量差異極顯著（P<0.01），處理③、④中NT7的脯氨酸含量與CK差異極顯著（P<0.01），各處理T4的脯氨酸含量差異不顯著（P>0.05）。由此可見，隨著PEG-6000水溶液濃度的增加，玉米植株體內(nèi)脯氨酸積聚增加，滲透壓降低，以抵御不良環(huán)境造成的影響。

2.3? 不同PEG-6000濃度處理對玉米丙二醛含量的影響

從圖3可以看出，隨著PEG-6000水溶液濃度的增加，玉米幼苗丙二醛的含量明顯增加。其中處理③和④的丙二醛含量與處理①、②和對照差異極顯著（P<0.01）。由此可見，隨著干旱脅迫的增加，玉米植株體內(nèi)膜脂過氧化程度加強(qiáng)，丙二醛含量增加明顯。

3? 結(jié)論與討論

氧自由基反應(yīng)和脂質(zhì)過氧化在植物的新陳代謝過程中發(fā)揮著重要作用，正常狀況下二者處于一種動態(tài)平衡。但當(dāng)植物遭受逆境傷害，如冷害、干旱、鹽堿時該動態(tài)平衡就會被打破，細(xì)胞內(nèi)的生物膜會受到不同程度的損害;如果傷害程度進(jìn)一步加劇，則可能會造成細(xì)胞乃至組織的嚴(yán)重?fù)p傷，最終造成植株的死亡。該膜脂過氧化反應(yīng)過程會產(chǎn)生很多產(chǎn)物，而丙二醛是其中之一。通過丙二醛含量的變化能初步判斷膜脂過氧化的程度和植物對逆境條件的反應(yīng)強(qiáng)弱，丙二醛在體內(nèi)大量積累會造成植物組織的嚴(yán)重傷害，積累量與組織的傷害程度呈正相關(guān)。大量研究表明，隨著逆境傷害程度的加強(qiáng)，植物體內(nèi)丙二醛含量也顯著上升[14-15]。該試驗結(jié)果顯示，隨著水溶液濃度的升高，4個品種的丙二醛含量都相應(yīng)升高，在8.75%濃度下升高最多的為T4，其次為TN5、T6和NT7?？梢娫谠馐芩置{迫時，玉米幼苗體內(nèi)的丙二醛含量相應(yīng)升高，且在不同品種間的表現(xiàn)一致。

當(dāng)植株處在逆境條件并受到脅迫傷害時，體內(nèi)脯氨酸含量會相應(yīng)增加，起到滲透調(diào)節(jié)作用。很多學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在植株受到水分脅迫、鹽脅迫、低溫冷害脅迫等時，植株體內(nèi)的脯氨酸在一定程度范圍內(nèi)相應(yīng)增加，這是植物體內(nèi)自我保護(hù)狀態(tài)的開啟，從而免于細(xì)胞失水，增強(qiáng)蛋白質(zhì)以及脯氨酸合成酶合成、減弱脯氨酸氧化作用、保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定、調(diào)節(jié)滲透壓、增加植株體內(nèi)的保水能力[16-17]。而隨著傷害程度的進(jìn)一步加強(qiáng)，超過了植株所能承載的最大傷害量時，器官就會發(fā)生質(zhì)的變化，如葉片萎蔫，體內(nèi)脯氨酸含量也會越過臨界值轉(zhuǎn)而下降，該傷害是不可逆轉(zhuǎn)的。在水分脅迫下，玉米幼苗的脯氨酸含量增加，滲透調(diào)節(jié)能力增強(qiáng)，在一定程度范圍內(nèi)可抵御不良條件所帶來的影響，使體內(nèi)的細(xì)胞避免受到嚴(yán)重傷害，是植株自我調(diào)節(jié)能力的表現(xiàn)[18]。該研究結(jié)果與彭云玲等[19]研究結(jié)果一致，水分脅迫程度的增加能顯著增加玉米幼苗葉片中脯氨酸的含量，在不同濃度PEG水溶液下，脯氨酸含量的增加程度隨品種的不同而出現(xiàn)不同程度的差異。在8.75%濃度處理下，不同玉米品種脯氨酸含量由高到低依次為TN5、T4、T6、NT7，植物對應(yīng)激反應(yīng)表現(xiàn)出的差異與其自身調(diào)節(jié)能力的高低一致。

研究表明，在植株遭受逆境傷害時，可溶性蛋白含量在一定程度上增加，細(xì)胞液的濃度也增加，從而調(diào)節(jié)組織的滲透能力;但隨著傷害程度的增加，植株體內(nèi)滲透能力下降，引起細(xì)胞內(nèi)吸收水分障礙，造成水分的流失[20-21]。也有研究發(fā)現(xiàn)，在側(cè)柏葉片遭受鹽旱單一脅迫或復(fù)合脅迫處理時，體內(nèi)可溶性蛋白含量呈下降趨勢，這既與品種自身的調(diào)節(jié)能力有關(guān)，也可能與蛋白質(zhì)降解速度大于合成速度有關(guān)[22]。該研究結(jié)果表明，水分脅迫會增加玉米幼苗體內(nèi)可溶性蛋白含量，不同品種之間可溶性蛋白含量變化一致且有小幅度差異，這與王德信等[23]研究結(jié)果一致。從統(tǒng)計上看，品種之間在不同濃度上的差異性表現(xiàn)也不同，T4和T6的可溶性蛋白在不同濃度之間差異不顯著，NT7、TN5在8.75%濃度處理下的可溶性蛋白含量與4.00%濃度處理和CK差異顯著。由此可見，隨著濃度的增加，植物細(xì)胞滲透能力增強(qiáng)，抵抗脅迫能力提升。

綜合來看，植物在遭受水分脅迫后，活性氧平衡代謝失調(diào)導(dǎo)致膜脂過氧化，伴隨產(chǎn)生丙二醛含量和活性氧濃度的升高，這在一定程度上反映了品種的抗旱強(qiáng)弱?？扇苄缘鞍缀透彼岫际菨B透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植株遭受水分脅迫時可發(fā)揮作用，但因傷害程度、品種和環(huán)境不同其作用存在差異。綜合4個試驗品種來看，TN5和T6相關(guān)的生理指標(biāo)變化反映出的抗旱水平要優(yōu)于NT7和T4。該試驗從苗期對玉米進(jìn)行生理指標(biāo)的測定，玉米幼株在設(shè)計濃度下全部能正常生長，未見死亡現(xiàn)象發(fā)生，因此試驗設(shè)計濃度未超過幼苗植株所能承受最大濃度，在一定程度上可用來衡量玉米受水分脅迫程度的強(qiáng)弱，而這種逆境傷害受品種的影響表現(xiàn)也有所不同，這為進(jìn)一步研究抗旱評價及區(qū)域性抗旱指標(biāo)的篩選提供理論支持。

參考文獻(xiàn)

[1]吳天龍，姜楠，習(xí)銀生，等.新時期中國玉米貿(mào)易特點及展望[J].農(nóng)業(yè)展望，2018，14（2）：74-78.

[2]王向峰，才卓.中國種業(yè)科技創(chuàng)新的智能時代——“玉米育種4.0”[J].玉米科學(xué)，2019，27（1）：1-9.

[3]陸占東.氣象災(zāi)害對玉米種植生產(chǎn)的影響[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2019，39（5）：151-152.

[4]米娜，蔡福，張玉書，等.不同生育期持續(xù)干旱對玉米的影響及其與減產(chǎn)率的定量關(guān)系[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2017，28（5）：1563-1570.

[5]郭金生，魯曉民，曹麗茹，等.不同生育時期干旱脅迫下玉米自交系生理指標(biāo)與產(chǎn)量的關(guān)系及抗旱性評價[J].河南農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，47（11）：18-24.

[6]蔡甫格，張秀偉，鮑菊，等.3個雜交玉米種子萌發(fā)及苗期對水分脅迫的響應(yīng)[J].中國種業(yè)，2016（5）：46-48.

[7]劉志芳，張春梅，閆治斌，等.干旱脅迫與復(fù)水對玉米苗期滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及抗氧化酶的影響[J].甘肅農(nóng)業(yè)科技，2014（1）：3-6.

[8]邱美娟，郭春明，王冬妮，等.基于作物水分虧缺指數(shù)的吉林省玉米不同生育時段干旱特征分析[J].災(zāi)害學(xué)，2018，33（2）：89-98.

[9]衛(wèi)士美，陳莉.干旱脅迫下玉米幼苗的生理生化指標(biāo)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，50（18）：3691-3692，3704.

[10]胡興波，曹敏建，王學(xué)智，等.不同玉米品種萌芽期及苗期抗旱性初步研究[J].玉米科學(xué)，2004，12（3）：66-67，70.

[11]宋碧，曾永德，左乾勇，等.不同玉米品種萌芽期抗旱性研究[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，33（1）：17-19.

[12]趙麗英，鄧西平，山侖.滲透脅迫對玉米幼苗水分狀況及生長的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報，2003，18（2）：33-35.

[13]郭效龍，宋希云，裴玉賀，等.玉米自交系萌發(fā)期和苗期抗旱性指標(biāo)的篩選[J].植物生理學(xué)報，2018，54（11）：1719-1726.

[14]向梅梅，陳江，位杰，等.鹽旱交叉脅迫對玉米幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響[J].新疆農(nóng)墾科技，2015，38（5）：7-9.

[15]魏雙霞，師尚禮，康文娟，等.三個抗寒紫花苜蓿品系的寒境生理適應(yīng)性研究[J].甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2016，51（6）：95-101，109.

[16]趙建誠，秦柱南，孫超，等.紫穗槐種子萌發(fā)對鹽旱逆境的生理響應(yīng)[J].種子，2012，31（5）：26-29.

[17]包秀霞，包秀平，廉勇.干旱脅迫對內(nèi)蒙古草原多根蔥生理生化指標(biāo)的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報， 2017，32（1）：233-238.

[18]姚海梅，李永生，張同禎，等.旱-鹽復(fù)合脅迫對玉米種子萌發(fā)和生理特性的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2016，27（7）：2301-2307.

[19]彭云玲，王濤，李燕，等.干旱脅迫對玉米耐旱自交系與旱敏感自交系苗期生理特性的影響[J].草業(yè)科學(xué)，2012，29（9）：1401-1406.

[20]韓占江，胡超越，李芮，等.硬枝堿蓬幼苗對鹽旱脅迫的生理響應(yīng)[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2017，31（7）：145-150.

[21]張俊杰，孫萬倉，李學(xué)才，等.北方旱寒區(qū)冬油菜適宜群體的生長發(fā)育特性及生理生化基礎(chǔ)[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011， 20（8）：82-88.

[22]偶春，胡欣，姚俠妹，等.鹽旱脅迫下側(cè)柏幼苗的生理響應(yīng)及水楊酸的調(diào)控作用[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境，2019，33（8）：186-193.

[23]王德信，楊曉瑩.玉米幼苗對干旱脅迫的生理響應(yīng)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（4）：26-29.