低溫脅迫對(duì)墨西哥玉米幼苗抗寒性的影響

蔣 安,郭彥軍,范 彥,向白菊,何 瑋,王琳,張 健

(1.重慶市畜牧科學(xué)院,重慶 400080;2.西南大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院,重慶400716)

墨西哥玉米Zea mexicana是四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所榮廷昭院士為首的研究團(tuán)隊(duì),以玉米Z.mays近緣種屬(大芻草Euch laean等)為基礎(chǔ)材料,結(jié)合高新育種技術(shù),進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新,品種選育,經(jīng)過(guò)多年的研究,育成的一個(gè)產(chǎn)量高、飼用品質(zhì)優(yōu)良、多抗、廣適應(yīng)性、一年能刈割多次的多年生優(yōu)質(zhì)飼草玉米新材料[1-2]。經(jīng)試驗(yàn)表明,該材料在我國(guó)南方和西南地區(qū)植株能多年生,生長(zhǎng)季節(jié)未發(fā)現(xiàn)任何病害,生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)。該玉米草莖葉嫩綠多汁,清香甜脆,適口性好,干物質(zhì)中粗蛋白含量17.9%、粗纖維含量 19.0%、無(wú)氮浸出物含量45.5%、粗脂肪和灰分含量分別為 5.5%和12.1%。青飼價(jià)值最高,也可青貯或曬制干草,為牛、羊、豬、魚(yú)等喜食的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草。

為了促進(jìn)重慶草地畜牧業(yè)發(fā)展和提高農(nóng)民收入,結(jié)合當(dāng)?shù)夭莸匦竽翗I(yè)和生態(tài)建設(shè)的現(xiàn)狀,重慶市畜牧科學(xué)院引入了墨西哥玉米新材料,栽培試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在重慶山區(qū)立體氣候條件下,該材料在中海拔越冬率較低,自然越冬率為21.4%,低海拔自然越冬率為60.5%?？梢?jiàn),墨西哥玉米雖然適合在重慶地區(qū)推廣利用,但其越冬情況較差,難以實(shí)現(xiàn)多年生長(zhǎng)和利用。其原因在于冬春季節(jié)低溫冷害的發(fā)生,導(dǎo)致牧草植株的潛在損傷以致發(fā)展成慢性病或不可逆?zhèn)?強(qiáng)烈影響著牧草生長(zhǎng)發(fā)育,造成牧草產(chǎn)量和品質(zhì)下降。在低溫脅迫下墨西哥玉米植株體內(nèi)發(fā)生一系列生理生化反應(yīng),不同品種牧草表現(xiàn)出的抗低溫能力也有一定的差異。此研究選擇具有突破性的牧草新材料墨西哥玉米——玉米草1號(hào)和2號(hào),對(duì)其進(jìn)行低溫處理后,研究其植株體內(nèi)的生理指標(biāo)變化趨勢(shì),探索在低溫脅迫下的生理響應(yīng)規(guī)律,并對(duì)不同材料的抗低溫能力進(jìn)行比較,為研究防御墨西哥玉米低溫冷害提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試品種 墨西哥玉米玉米草1號(hào)、2號(hào)由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所提供。

1.2 人工氣候模擬 人工模擬鑒定與田間自然鑒定具有很好的一致性,這種方法具有快捷、可重復(fù)性高的特點(diǎn),因此,試驗(yàn)采用人工模擬冷凍試驗(yàn)研究玉米草抗寒生理,對(duì)照溫度為 25℃(室溫),處理溫度為5和15℃(在西南大學(xué)牧草栽培實(shí)驗(yàn)室光照培養(yǎng)箱進(jìn)行),處理時(shí)間分別為6、24、48、72 h 。

1.3 取樣 于2009年3月10日,選取玉米草三葉期幼苗移栽于花盆中,待植株恢復(fù)穩(wěn)定生長(zhǎng)后,帶回實(shí)驗(yàn)室低溫處理后立即取樣并測(cè)定各項(xiàng)生理指標(biāo)。測(cè)定分析的樣本是幼苗地上部的混合樣,樣品用量為1～2 g,3次重復(fù)。

1.4 指標(biāo)的測(cè)定與分析 脯氨酸(Pro)含量測(cè)定采用茚三酮比色法;丙二醛(MDA)含量測(cè)定參照張憲政等所用的方法[3];電導(dǎo)率的測(cè)定采用電阻法。取3次重復(fù)的平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,以25℃(室溫)為對(duì)照,著重分析比較5和15℃不同低溫處理下,2種材料生理指標(biāo)變化情況,通過(guò)變化規(guī)律分析其抗寒性大小。

2 結(jié)果與分析

2.1 電導(dǎo)率的變化 電解質(zhì)滲出率是衡量植株體內(nèi)細(xì)胞內(nèi)溶物擴(kuò)散到細(xì)胞外的一項(xiàng)生理指標(biāo),也是衡量細(xì)胞組織的幼嫩程度和細(xì)胞質(zhì)膜是否受到傷害的指標(biāo)[4]。在通常情況下,細(xì)胞內(nèi)的電解質(zhì)常受細(xì)胞膜的阻隔保留在細(xì)胞內(nèi),當(dāng)細(xì)胞膜遭受某種傷害時(shí),電解質(zhì)則大量涌向細(xì)胞外,導(dǎo)致電解質(zhì)激增。研究表明,對(duì)低溫敏感的植物受到低溫脅迫時(shí),細(xì)胞原生質(zhì)結(jié)構(gòu)受到傷害,引起透性增大,而透性越大,電導(dǎo)率越高,說(shuō)明受到的傷害越重,抗寒性越弱[5]。圖1表明,低溫脅迫后,玉米草1號(hào)和2號(hào)的葉片電解質(zhì)滲出率都呈上升趨勢(shì),溫度越低,上升得越快,且幅度隨脅迫時(shí)間的增加而增大,15℃下2種材料的電解質(zhì)滲出率都表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì),表明玉米草幼苗對(duì)15℃低溫在后期產(chǎn)生了某些程度的脅迫適應(yīng),但5℃低溫下經(jīng)過(guò)72 h仍看不出電解質(zhì)滲出率有下降的趨勢(shì),說(shuō)明細(xì)胞膜受到的傷害較重。2個(gè)材料間變化差異明顯,5和15℃脅迫后各個(gè)處理時(shí)間的電解質(zhì)滲出率均以玉米草1號(hào)的增幅最小,說(shuō)明玉米草1號(hào)葉片的細(xì)胞膜受低溫傷害程度小于2號(hào)。

圖1 低溫脅迫后玉米草幼苗細(xì)胞膜透性的變化

2.2 脯氨酸含量的變化 Pro含量的多少直接影響可溶性蛋白質(zhì)的多少,因?yàn)橛坞xPro能促進(jìn)蛋白質(zhì)的水合作用,蛋白質(zhì)膠體親水面積增大,能使可溶性蛋白質(zhì)增多,因此植物處于低溫協(xié)迫時(shí),它使植物具有一定的抗寒性和保護(hù)作用[5],Pro在逆境下的積累對(duì)調(diào)節(jié)滲透壓、保持水分、提高原生質(zhì)膠體穩(wěn)定性及保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生有利效果。游離Pro在細(xì)胞內(nèi)的含量與溫度變化有很大關(guān)聯(lián),研究表明低溫可以明顯地增加Pro含量,提高細(xì)胞的抗逆能力[6]。試驗(yàn)也表明(圖2):在低溫處理下,玉米草 1號(hào)和2號(hào)的Pro含量都有所增加,說(shuō)明低溫脅迫下,玉米草幼苗產(chǎn)生了一種防御反應(yīng)。而15℃低溫處理下,玉米草1號(hào)和2號(hào)Pro含量變化基本一致,前期增加并不明顯,到48 h才開(kāi)始表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。但5℃低溫處理下,墨西哥玉米則迅速上升,尤其是玉米草1號(hào)在5℃低溫處理48 h后Pro含量迅速達(dá)到117.09 μ g/g 的峰值,比對(duì)照增加了 179%,差異顯著,從2個(gè)材料Pro含量增加幅度可以看出,墨西哥玉米草1號(hào)比2號(hào)Pro含量明顯增加得多,表明其抗寒性較強(qiáng)。

圖2 低溫脅迫對(duì)玉米草幼苗脯氨酸含量的影響

2.3丙二醛含量的變化 低溫脅迫下,植物膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物MDA會(huì)大量積累,從膜上產(chǎn)生的位置釋放出后,與蛋白質(zhì)、核酸起反應(yīng)修飾其特征,使纖維素分子間的橋鍵松弛或抑制蛋白質(zhì)的合成。MDA的積累可能對(duì)細(xì)胞,特別是膜造成一定的傷害。隨著低溫時(shí)間的加長(zhǎng),植物本身清除能力下降 ,其MDA含量上升。因而,MDA在植物中的含量多少,可以作為判斷植株抗冷害能力的指標(biāo)之一[7]。由圖3可以看出,2個(gè)材料葉片中的MDA含量在5℃低溫處理下先迅速升高后下降,表明墨西哥玉米對(duì)低溫的適應(yīng)需要一定的時(shí)間。2個(gè)材料的MDA含量上升幅度存在較大差異,玉米草1號(hào)MDA含量上升幅度明顯低于2號(hào),2號(hào)材料在處理24 h后MDA含量迅速達(dá)到7.54 μ mol/g的峰值,而 1號(hào)材料則是在處理48 h后 MDA含量達(dá)到6.62 μ mol/g的峰值,從15℃低溫處理后2個(gè)材料的MDA含量和上升幅度來(lái)看,2個(gè)材料耐寒性無(wú)明顯差異,但從5℃低溫處理后2個(gè)材料的MDA含量和上升幅度來(lái)看,2號(hào)材料MDA含量在低溫時(shí)巨增出現(xiàn)得早,說(shuō)明5℃低溫脅迫下2號(hào)材料耐寒性較差。

圖3 低溫脅迫對(duì)玉米草幼苗丙二醛含量的影響

3 討論與結(jié)論

研究表明,低溫脅迫下,植物細(xì)胞質(zhì)膜透性會(huì)增大,隨著胞外電解質(zhì)大量滲漏,相對(duì)電導(dǎo)率也相應(yīng)增大,但抗寒性強(qiáng)的品種原生質(zhì)膜的穩(wěn)定性大于抗寒性弱的品種,因此這一指標(biāo)可在一定程度上反映品種抗寒性強(qiáng)弱[9]。另一方面,在低溫脅迫條件下植物體內(nèi)超常積累活性氧自由基,引起膜脂過(guò)氧化導(dǎo)致冷傷害,這種傷害最明顯的變化之一就是積累了大量的膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物(MDA)。因而MDA是逆境脅迫對(duì)生物膜危害程度的重要指標(biāo)之一[10]。MDA含量變化與植物的抗寒性呈負(fù)相關(guān),如果某一品種MDA含量在低溫時(shí)巨增出現(xiàn)的早,說(shuō)明抗寒性較差。反之,抗寒性就強(qiáng)。另外,經(jīng)低溫脅迫后Pro含量增加,增加的幅度與品種的抗寒性強(qiáng)弱有關(guān),抗寒性強(qiáng)的品種Pro含量增加多,抗寒性弱的品種則增加少,說(shuō)明耐寒性強(qiáng)的品種對(duì)寒害適應(yīng)性強(qiáng),可以積極調(diào)動(dòng)內(nèi)源物質(zhì)來(lái)防御寒害。

許多的研究表明,植物的耐寒性是一種復(fù)雜的生命現(xiàn)象,雖然玉米草是耐寒性較差的作物,但品種間存在較大的差異,并且其耐寒性在不同種質(zhì)間,同一種質(zhì)的不同生長(zhǎng)階段表現(xiàn)出明顯的不同[11]。本試驗(yàn)中,在5和15℃低溫脅迫處理后,玉米草1號(hào)和2號(hào)的Pro、MDA含量和電解質(zhì)滲出率變化趨勢(shì)大體一致,但變化幅度都有所不同。2個(gè)材料葉片中的MDA含量在5和15℃低溫處理下先迅速升高后下降,而1號(hào)MDA含量和上升幅度都較2號(hào)小,這說(shuō)明低溫脅迫下1號(hào)材料葉片細(xì)胞膜脂受傷害程度最輕;低溫脅迫還使玉米草1號(hào)Pro含量比2號(hào)明顯增加得多;5和15℃脅迫后各個(gè)處理時(shí)間的電解質(zhì)滲出率,均以玉米草1號(hào)的增幅最小,說(shuō)明玉米草1號(hào)葉片的細(xì)胞膜受低溫傷害程度小于2號(hào)。因此,以上3個(gè)抗寒性相關(guān)生理指標(biāo)的測(cè)定結(jié)果,均表明玉米草1號(hào)比2號(hào)有更強(qiáng)的耐寒性。

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