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

彭云玲，王 濤，李 燕，張為龍，方子森

(甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗室 甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗室 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

玉米(Zeamays)是世界上主要的糧食和飼料作物之一，而干旱是影響我國及世界玉米穩(wěn)產(chǎn)的重要環(huán)境因子。我國2/3的玉米種植面積分布在東北、華北、西南和西北依靠自然降水的丘陵旱地或平原旱地上。玉米耐旱性已愈來愈引起人們的重視。目前，在玉米耐旱指標(biāo)方面已經(jīng)作了大量工作[1-3]，斐英杰等[4]的研究表明，用幼苗耐旱性鑒定結(jié)果可以評價玉米自交系的耐旱性。同一植物不同品種之間由于基因型的差異其抗旱能力存在差異[5]，周樹峰[6]鑒定了57份玉米自交系的耐旱性，認(rèn)為苗期耐旱性與成株期的耐旱性顯著相關(guān)。劉賢德等[7]采用葉面積指數(shù)、葉片相對含水量和耐旱系數(shù)等指標(biāo)在苗期評價了9份耐旱系和9份旱敏感系的性狀差異。本試驗以2010年在54份玉米自交系中初步篩選出耐旱性有差異的自交系廊黃、昌7-2和TS141為材料，探討玉米耐旱系與旱敏感系的耐旱性差異，以期揭示耐旱玉米基因型適應(yīng)干旱的機(jī)理，從而為玉米種質(zhì)改良和最大限度地挖掘玉米自身的生物學(xué)潛力提供材料，為大幅度地提高玉米水分利用效率和產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗材料 玉米耐旱自交系廊黃、昌7-2和旱敏感自交系TS141由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。其中廊黃來源于四平頭系，昌7-2來源于(黃早4×濰95)×S901的后代，TS141引自臨洮農(nóng)業(yè)學(xué)校，親緣不詳。

1.2材料培養(yǎng)與干旱處理 2011年7月在溫室中將3個玉米自交系播種在高15 cm、內(nèi)徑9 cm的塑料花盆中，栽培基質(zhì)由1∶1的花卉土、蛭石構(gòu)成，每盆10粒，播種前統(tǒng)一配土、裝缽、澆透底水。試驗設(shè)對照組和干旱脅迫組，每個品種每個處理3個重復(fù)。播種后5 d出苗，對照組每缽每隔5 d澆水50 mL。干旱脅迫組在出苗后每缽澆50 mL水，而后停止?jié)菜?周后旱敏感自交系基部葉片開始萎蔫，以此為標(biāo)準(zhǔn)，5 d后觀察3個自交系植株的葉片萎蔫和卷曲程度，7 d后分別測定植株的各個生理指標(biāo)。

1.3幼苗干旱脅迫后的存活率 將供試玉米種子播于寬20 cm、高15 cm、長40 cm的盆缽中，在栽培基質(zhì)中生長2周后進(jìn)行干旱脅迫，控水處理至玉米葉片永久萎蔫后，復(fù)水1周，統(tǒng)計存活率，試驗設(shè)3次重復(fù)。

1.4測定指標(biāo)與方法 超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性測定參照鄒琦[8]的方法，葉片組織含水量、脯氨酸(Pro)含量和質(zhì)膜相對透性(相對電導(dǎo)率)的測定參照李合生[9]的方法。

1.5數(shù)據(jù)處理 所有數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2003軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，通過學(xué)生t檢驗對正常澆水和干旱脅迫條件下耐旱自交系廊黃、昌7-2與旱敏感自交系TS141的耐旱性分別進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1干旱脅迫下玉米自交系的形態(tài)特征和存活率 在水分供應(yīng)充足的情況下，3個自交系的植株生長正常且一致。輕度干旱脅迫時，旱敏感自交系TS141植株的基部葉片邊緣開始向內(nèi)卷曲，而耐旱自交系廊黃和昌7-2植株的葉子邊緣沒有出現(xiàn)卷曲現(xiàn)象。干旱脅迫處理5 d后，所有旱敏感自交系TS141植株的成熟葉片出現(xiàn)萎蔫，最上部的幼嫩葉片也出現(xiàn)嚴(yán)重的卷曲，基部葉片變黃。而耐旱系廊黃植株葉片仍然保持綠色，昌7-2葉片出現(xiàn)略微的萎蔫，但是葉片仍然保持綠色，基部葉片沒有變黃(圖1)。

圖1 干旱脅迫下玉米耐旱自交系與旱敏感自交系幼苗的生長狀況Fig.1 Seediling growth of drought-tolerant and -sensitive maize lines under drought stress

在水分供應(yīng)充足的條件下，3個自交系的存活率都是100%。玉米幼苗經(jīng)干旱處理后，3個玉米自交系的存活率均下降，耐旱自交系廊黃和昌7-2的存活率分別是88%和75%，而旱敏感自交系TS141的存活率僅為33%，耐旱自交系的存活率顯著高于與旱敏感自交系的存活率(P<0.05)(圖2)。

圖2 干旱脅迫下玉米耐旱自交系與旱敏感自交系的幼苗存活率 Fig.2 Survival rates of seedlings of drought-tolerant and -sensitive maize lines under drought stress

2.2干旱脅迫對玉米自交系生理指標(biāo)的影響

2.2.1相對含水量 水分充足條件下，3個玉米自交系的相對含水量在94%左右。幼苗遭受干旱脅迫后，耐旱系和旱敏感系的相對含水量都下降，耐旱系廊黃和昌7-2分別為89%和90%，而旱敏感自交系的相對含水量為37%。顯著性差異分析表明耐旱自交系廊黃、昌7-2與TS141相對含水量的差異達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(圖3)，說明耐旱自交系的相對含水量下降幅度小，而旱敏感自交系相對含水量的下降幅度大。

2.2.2葉片質(zhì)膜透性 在水分充足條件下，耐旱自交系廊黃、昌7-2和旱敏感自交系都有較低的相對電導(dǎo)率，分別為11.45%、11.14%和12.56%。當(dāng)植株遭到干旱脅迫后，3個自交系的相對電導(dǎo)率明顯上升，耐旱自交系廊黃和昌7-2的相對電導(dǎo)率為28%和44%,旱敏感自交系的為57%，且耐旱自交系廊黃、昌7-2與旱敏感系TS141相對電導(dǎo)率的差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)(圖4)。

圖3 干旱脅迫下玉米耐旱自交系與旱敏感自交系的葉片組織含水量Fig.3 Relative water contents of seedlings of drought-tolerant and -sensitive maize lines under drought stress

圖4 干旱脅迫下玉米耐旱自交系與旱敏感自交系的葉片相對電導(dǎo)率Fig.4 Relative conductivities of seedlings of drought-tolerant and -sensitive maize lines under drought stress

2.2.3葉片脯氨酸含量 水分充足條件下，3個自交系廊黃、昌7-2和TS141植株中的Pro含量都比較低，分別為159.44、101.46和185.04 μg·g-1。干旱脅迫處理后，3個玉米自交系的Pro含量均有不同程度的增加，但是耐旱自交系增加幅度較大，高于旱敏感自交系(圖5)。干旱脅迫后，耐旱自交系廊黃和昌7-2中的Pro含量分別達(dá)到291和270 μg·g-1，而旱敏感自交系中的Pro含量是223 μg·g-1，耐旱自交系中的Pro含量高于旱敏感自交系。

圖5 干旱脅迫下玉米耐旱自交系與旱敏感自交系的葉片脯氨酸含量Fig.5 Proline contents of seedlings of drought-tolerant and -sensitive maize lines under drought stress

2.2.4葉片SOD活性 在未受干旱脅迫時，3個玉米自交系都有較低的SOD活性，耐旱自交系廊黃和昌7-2的SOD活性分別為23和49 U·g-1，旱敏感自交系的SOD活性為94 U·g-1；脅迫處理后，3個玉米自交系中的SOD活性都升高，但是耐旱自交系廊黃中的SOD含量顯著高于旱敏感自交系(P<0.05)(圖6)。

圖6 干旱脅迫下玉米耐旱自交系與旱敏感自交系的葉片SOD活性Fig.6 SOD activities of seedlings of drought-tolerant and -sensitive maize lines under drought stress

2.2.5葉片POD活性 在水分充足條件下，3個玉米自交系中的POD活性都很低，但是有一定的差異，這可能是由不同自交系的基因型差異造成的。干旱脅迫后，廊黃、昌7-2和TS141的POD含量都增加了，分別達(dá)到47、35和23 U·g-1，耐旱自交系中廊黃和昌7-2的POD活性分別極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)高于旱敏感自交系(圖7)。

圖7 干旱脅迫下玉米耐旱自交系與旱敏感自交系的幼苗葉片POD活性Fig.7 POD activities of seedlings of drought-tolerant and -sensitive maize lines under drought stress

3 討論與結(jié)論

玉米的耐旱機(jī)理十分復(fù)雜，耐旱性可能存在于生長發(fā)育的各個階段，主要包括萌發(fā)期、苗期、開花期和成熟期。不同時期，在耐旱性鑒定中需分別采用相應(yīng)的形態(tài)及生理生化等指標(biāo)。相對于玉米生長的其他時期，苗期鑒定耐旱性具有時間短、重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且苗期和成株期抗旱性具有比較高的相關(guān)性，因此進(jìn)行苗期抗旱性研究具有重要意義。

孫彩霞等[10]、王敏等[11]報道干旱脅迫后幼苗的存活率能夠從表觀上較好地反映植物的耐旱性。本研究表明，TS141在受到干旱脅迫后的存活率最低，對干旱脅迫最為敏感，廊黃存活率最高，對干旱脅迫最不敏感，這與干旱脅迫后耐旱自交系與旱敏感自交系形態(tài)特征相一致。

劉惠芬等[12]報道在干旱脅迫條件下，植株的葉片含水量越高，則耐旱性越強(qiáng)，反之則耐旱性越弱。本研究中，干旱脅迫條件下，耐旱自交系廊黃和昌7-2的葉片相對含水量較高，耐旱性較強(qiáng)，而旱敏感自交系TS141的葉片相對含水量較低，耐旱性較弱。

細(xì)胞膜透性是反映質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)，相對電導(dǎo)率可以反映植物細(xì)胞膜透性。干旱脅迫條件下，相對電導(dǎo)率升高，說明葉片的質(zhì)膜受到了傷害，引起細(xì)胞內(nèi)容物質(zhì)的外滲，而且相對電導(dǎo)率隨干旱脅迫程度的加深而不斷升高[13-15]。本研究中3個玉米自交系受到干旱脅迫后，相對電導(dǎo)率增加，但是廊黃和昌7-2的增幅較小，TS141的增幅最大，說明旱敏感自交系細(xì)胞膜被破壞的程度最大，耐旱性最弱，而耐旱自交系能更好地保護(hù)葉片細(xì)胞免于受到傷害，有較強(qiáng)的耐旱性。

目前，脯氨酸與植物耐旱性之間的關(guān)系說法不一。一種說法認(rèn)為，當(dāng)植物受到干旱脅迫時，植物體內(nèi)脯氨酸的含量積累增加[14,16-17]，且耐旱性強(qiáng)的植物種類(自交系)比耐旱性弱的脯氨酸含量上升幅度大[18]。另外一種說法認(rèn)為，脯氨酸積累量與自交系的耐旱性無關(guān)，因為有些在干旱脅迫條件下脯氨酸含量高的材料或植物種類耐旱性并不一定高[19-21]。史燕山等[22]和宋海鵬等[23]報道，隨干旱脅迫程度的加重，葉片中游離脯氨酸含量呈增加趨勢，增加幅度越大的植物，其抗旱能力越小。本研究表明，在水分充足條件下，不同自交系中脯氨酸的含量有一定的差異，旱敏感自交系TS141中的含量稍微高一點(diǎn)，這可能與玉米的品種不同有關(guān)系。在干旱脅迫下，3個玉米自交系受到干旱脅迫時幼苗葉片的脯氨酸含量均增加，但增加的幅度不同，耐旱自交系廊黃和昌7-2增加幅度大，旱敏感自交系TS141增加幅度小，這與第一種說法相一致。

在自然干旱條件下，保護(hù)酶活性往往升高，但不同植物以及同種植物不同生長時期上升的程度不同。在本研究中，3個玉米自交系在干旱脅迫后幼苗葉片SOD、POD活性均呈上升趨勢，耐旱自交系廊黃幼苗葉片中兩種酶的活性上升幅度較大，旱敏感自交系TS141中兩種酶的活性上升幅度較小，說明在干旱脅迫下，與旱敏感自交系相比，耐旱系保持了較高的酶活性，具有較強(qiáng)的活性氧清除能力。這一結(jié)果與呂長平等[24]和Frazeli等[25]有關(guān)植物SOD活性變化與耐旱性強(qiáng)弱關(guān)系的研究結(jié)果一致，而與袁曉晶[26]和何淼等[27]等報道的保護(hù)酶活性隨著干旱脅迫程度的加深而呈現(xiàn)出先增加后降低再增加趨勢的研究結(jié)果不一致，推測可能與不同試驗所用的脅迫強(qiáng)度不同有關(guān)。

在本研究中，廊黃、昌7-2和TS141在干旱脅迫下表現(xiàn)出了不同的響應(yīng)機(jī)制。干旱脅迫下,廊黃和昌7-2葉片脯氨酸含量增加較快，且葉片具有較強(qiáng)的保護(hù)酶活性，細(xì)胞膜受到的傷害較輕，使葉片保持了相對高的相對含水量和較低的相對電導(dǎo)率，其耐旱性較強(qiáng)，而TS141的表現(xiàn)則相反。該結(jié)果對揭示玉米耐旱機(jī)理有重要意義，并且可以為玉米耐旱種質(zhì)改良和分子育種提供寶貴的材料。

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