不同耐旱基因型玉米傷流及其傷流液中碳、氮代謝相關(guān)成分含量分析

劉勝群，張?zhí)熘?，閆璇鈴，宋鳳斌，周 璇，4，朱先燦，劉鐵東，4

(1. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130012;2. 長春中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，吉林長春130117;3. 長春市農(nóng)民職業(yè)教育中心，吉林長春130052;4. 中國科學(xué)院研究生院，北京100039)

高等植物根系具有吸收水分、養(yǎng)分，合成氨基酸、植物生長調(diào)節(jié)物質(zhì)、有機(jī)酸和生物大分子物質(zhì)(如多糖、蛋白質(zhì))等功能，這些物質(zhì)一部分用于根系本身，另一部分隨木質(zhì)部液流運(yùn)往地上部，這些成分均可在傷流液中檢測到。根系吸收土壤水分有根壓和蒸騰拉力2 種動力，傷流是根壓的一種表現(xiàn)。傷流的數(shù)量和成分可以表征植物生長勢和根系生理活性強(qiáng)弱［1］，在不同季節(jié)、不同植物及不同土壤水分環(huán)境下，根系的生理活動機(jī)能強(qiáng)弱不同，傷流量也不同［2］。因此，傷流成分的變化可以反映植物體內(nèi)的物質(zhì)循環(huán)、轉(zhuǎn)運(yùn)、分布情況以及植物對不良環(huán)境的反應(yīng)能力。

作物不同品種以及不同生育時期傷流強(qiáng)度和傷流液成分含量存在差別［3-4］。玉米對干旱脅迫較敏感［5］，不同耐旱基因型玉米對干旱脅迫的反應(yīng)和適應(yīng)性不同。根系是植株體吸收水分和養(yǎng)分的重要器官，與耐旱能力存在著十分密切的關(guān)系［6］，耐旱基因型玉米的根系必然存在著與耐旱能力相適應(yīng)的特性，這一特性對于植株在干旱條件下仍能吸收水分和養(yǎng)分從而保證植株正常生長尤為重要。從形態(tài)、生理代謝方面揭示玉米在耐旱性方面的遺傳差異性，是提高玉米耐旱品種選擇效率的途徑之一。從傷流液角度分析不同耐旱基因型玉米傷流及其成分含量差異，對于闡明基因型之間耐旱差異是必要的，但這方面的研究未見報道。研究不同耐旱基因型玉米不同生育時期傷流量及其傷流液中碳氮物質(zhì)含量差異，以其揭示不同耐旱基因型玉米體內(nèi)元素的轉(zhuǎn)運(yùn)、積累等情況，明確其根系生理功能差異，為玉米耐旱育種及耐旱生理研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米(Zea mays L. )為耐旱基因型玉米“掖單13” (Yedan -13)和不耐旱基因型玉米“丹玉13”(Danyu-13)(已經(jīng)過耐旱性鑒定)［7］。試驗于2009 年在位于吉林省德惠市的中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所試驗示范基地實(shí)施。供試土壤為黑土，0～20 cm 耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為26.9 g·kg-1，全氮1.21 g·kg-1，全磷1.06 g·kg-1，全鉀16.9 g·kg-1，速效氮119 mg·kg-1，速效磷18 mg·kg-1，速效鉀111 mg·kg-1，土壤密度1.12 g·cm-3，pH 6.6。大田試驗按60 cm×30 cm 的行株距種植，行長15 m，小區(qū)面積90 m2，3 次重復(fù)。施肥量為N 189 kg·hm-1，P2O594 kg·hm-1，K2O 95 kg·hm-1。

1.2 傷流液的收集

在指形管內(nèi)填入松緊適度的干燥脫脂棉(約占指形管容積的一半左右)，管口封以塑料薄膜，用橡皮筋將塑料膜扎在指形管上。苗期在第3 葉節(jié)處切斷莖節(jié)，拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期在第7 葉節(jié)處用刀快速切斷莖桿，用去離子水沖洗切口及根基周圍并用吸水紙擦干，并在管口塑料膜中心穿一小孔，即沿塑料管薄膜上的小孔將莖斷面插入塑料管中，使莖斷面與脫脂棉輕輕接觸，收集時間為早6:00 開始，收集8 h，而后取下稱質(zhì)量，減去收集前的管質(zhì)量，計算傷流量。而后取出脫脂棉離心得傷流液，稱質(zhì)量，計算傷流強(qiáng)度［8］。每次取5 株，合并傷流液，3 次重復(fù)。分別于玉米的苗期、拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期進(jìn)行取樣測定。

1.3 測定方法

傷流液中的可溶蛋白含量測定采用考馬斯亮蘭比色法，可溶性總糖含量測定采用蒽酮法，游離氨基酸總量的測定采用茚三酮顯色法［9］。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每次試驗對獲得的生理指標(biāo)數(shù)據(jù)，計算平均數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差。分析用SPSS 16.0 的LSD 檢驗方法，比較不同類型根所含物質(zhì)的差異，p ＜0.05 時為差異顯著。

2 結(jié)果

2.1 不同耐旱基因型玉米傷流強(qiáng)度差異

不同耐旱基因型玉米傷流強(qiáng)度在整個生育期內(nèi)變化趨勢大體一致，圖1?？傮w呈單峰曲線，最大值出現(xiàn)在拔節(jié)期，拔節(jié)以后呈現(xiàn)下降趨勢，到灌漿期傷流強(qiáng)度降至最低。其中拔節(jié)期傷流強(qiáng)度是苗期的1.37～1.93 倍，是孕穗期的2.98～5.63 倍，是灌漿期的6.70～10.13 倍。

不同耐旱類型玉米整個生育期內(nèi)的傷流強(qiáng)度差異較大。耐旱基因型玉米“掖單13”在整個生育期內(nèi)傷流強(qiáng)度的變化幅度大于不耐旱基因型玉米“丹玉13”。兩基因型玉米相比較，拔節(jié)期“掖單13”傷流強(qiáng)度顯著高于“丹玉13”(p ＜0.05)，二者相差0.73 g·h-1，苗期“丹玉13”傷流強(qiáng)度顯著高于“掖單13”(p ＜0.05)，孕穗期和灌漿期兩基因型差異未達(dá)到顯著水平(p ＞0.05)。

2.2 不同耐旱基因型玉米傷流液中的可溶性糖含量差異

不同生育時期玉米傷流液中可溶性糖含量不同，圖2。整個生育期兩基因型玉米均以苗期傷流液中的含量最低，拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期傷流液中可溶性糖含量較高，拔節(jié)期其含量是苗期含量的94～97 倍。拔節(jié)期以后，不同基因型玉米傷流液中的可溶性糖含量變化不同，其中“掖單13”從拔節(jié)期以后含量逐漸增加，灌漿期含量最高，而“丹玉13”的最大值則是出現(xiàn)在孕穗期，到灌漿期其含量顯著下降。

兩基因型玉米傷流液中可溶性糖含量相比較，苗期二者數(shù)值相差較小，為9.18 mg·ml-1，兩基因型之間差異未達(dá)到顯示水平(p ＞0.05)，拔節(jié)期后，“掖單13”的含量均顯著高于“丹玉13”(p ＜0.05)，拔節(jié)期二者相差103.7 mg·ml-1，孕穗期相差38.4 mg·ml-1，灌漿期相差92.9 mg·ml-1。

圖1 生育時期間不同耐旱類型玉米傷流強(qiáng)度動態(tài)變化Fig.1 Dynamic diversification bleeding intensity during different stages between maize genotypes with different drought resistance

圖2 生育時期間不同耐旱類型玉米傷流液中可溶性糖含量變化動態(tài)Fig.2 Dynamic diversification soluble sugar content of bleeding sap during different stages between maizegenotypes with different drought resistance

2.3 不同耐旱基因型玉米傷流液中可溶蛋白含量差異

生育期內(nèi)不同耐旱基因型玉米傷流液中可溶蛋白含量變化呈“V”字型，圖3，苗期傷流液中的可溶蛋白含量較高，而后逐漸降低，到孕穗期降至最低，灌漿期又有大幅回升。苗期傷流液中可溶蛋白含量是孕穗期的6.70～12.88 倍，拔節(jié)期其含量是孕穗期的4.97～7.73 倍，灌漿期其含量是孕穗期的8.82～10.67 倍。

不同耐旱基因型玉米相比較，苗期和拔節(jié)期二者差異達(dá)顯著水平(p ＜0.05)，而孕穗期和灌漿期二者差異未達(dá)到顯著水平(p ＞0.05)。苗期二者相差較大，“丹玉13”高于“掖單13”8.55 mg·ml-1，至拔節(jié)期“掖單13”高于“丹玉13”7.06 mg·ml-1。

圖3 生育時期間不同耐旱類型玉米傷流液中可溶蛋白含量變化Fig.3 Dynamic diversification soluble protein content of bleeding sap between maize genotypes with different drought resistance

圖4 不同耐旱類型玉米生育時期間傷流液中游離氨基酸總量變化動態(tài)Fig.4 Dynamic diversification amino acid content of bleeding sap between maize genotypes with different drought resistance

2.4 不同耐旱基因型玉米傷流液中游離氨基酸含量差異

玉米傷流液中的游離氨基酸總量的變化趨勢為:苗期傷流液中游離氨基酸總量最高，拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期的含量較低，其中灌漿期的含量高于拔節(jié)期和孕穗期的含量，圖4。

不同耐旱類型玉米傷流液中游離氨基酸總含量相比較∶苗期二者相差較小，差異未達(dá)到顯著水平(p ＞0.05);拔節(jié)期后二者相差較大，“掖單13”大于“丹玉13”3.93 mg·100ml-1;孕穗期二者相差進(jìn)一步加大，相差7.67 mg·100ml-1;灌漿期二者相差減小，相差5.58 mg·100ml-1。拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期差異均達(dá)到顯著水平(p ＜0.05)。

3 討論

根系吸收的礦質(zhì)養(yǎng)分和水分以及自身合成的有機(jī)物質(zhì)，除了滿足根系本身需要外，還通過木質(zhì)部液流輸送到地上部。傷流量的多少反映了植物主動吸收水分能力的強(qiáng)弱，從一定意義上，植物傷流的數(shù)量代表了根系生理活動的強(qiáng)弱［10］。研究表明，根系傷流強(qiáng)度可作為根系活力的指標(biāo)，可以說明根系活性的變化［11-12］。傷流量差異因物種類型、品種［3，13］和生育時期［4，14］不同而產(chǎn)生差異，并且受土壤質(zhì)地和肥力、溫度、風(fēng)速、濕度等環(huán)境因素的影響。研究顯示，兩基因型玉米傷流強(qiáng)度在生育期內(nèi)呈單峰曲線，這與宋海星和李生秀［15］、姚萬山［8］報道相類似。孕穗期和灌漿期傷流強(qiáng)度相對減小，除外界因素外，可能是由于玉米在生殖生長階段，生長重心是籽粒建成，葉片生產(chǎn)的同化產(chǎn)物優(yōu)先供給籽粒，相對地上部而言，地上部向根系分配的同化產(chǎn)物相對減少，導(dǎo)致根系向地上部攝取碳水化合物能力下降［3］。鐘希瓊和林麗超［16］比較了苗期甘蔗傷流強(qiáng)度，結(jié)果顯示不同抗旱品種的傷流強(qiáng)度差異達(dá)顯著水平。研究顯示，不同耐旱基因型玉米比較，耐旱基因型玉米“掖單13”在苗期傷流強(qiáng)度顯著小于不耐旱基因型玉米，而拔節(jié)期其傷流強(qiáng)度顯著大于不耐旱基因型玉米，拔節(jié)期以后二者差異未達(dá)到顯著水平。苗期和拔節(jié)期不同耐旱基因型玉米形成的傷流強(qiáng)度的差異可能與苗期和拔節(jié)期根系的數(shù)量、根系的解剖結(jié)構(gòu)有關(guān)(另文待發(fā))，拔節(jié)期“掖單13”的根系數(shù)量多，且根系解剖結(jié)構(gòu)具有的優(yōu)勢(導(dǎo)管數(shù)量多，導(dǎo)管面積大)也顯現(xiàn)出來，從而傷流強(qiáng)度增加［17］，超過了“丹玉13”。

植物體內(nèi)可溶性糖的代謝很大程度上影響著植株的生長發(fā)育［18］。根系吸收養(yǎng)分和水分的多少依賴于光合產(chǎn)物的投入［19-20］?？扇苄蕴鞘翘即x的主要物質(zhì)之一，較高的糖含量有利于根部的呼吸代謝，為根部生理活動提供能量，從而保證較強(qiáng)的根系吸收能力［4］。根系通過木質(zhì)部汁液向上形成的液流不僅向地上部輸送水分和養(yǎng)分，也與其進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息交換，維持正常生命活動。植物器官或組織內(nèi)可溶性物質(zhì)含量直接影響細(xì)胞滲透勢，根系內(nèi)可溶性物質(zhì)的含量決定了根系細(xì)胞的基態(tài)滲透濃度，而基態(tài)滲透濃度是滲透勢的一種表達(dá)方式。一般說來，細(xì)胞的基態(tài)滲透濃度大，其吸水保水能力就強(qiáng)。研究顯示，苗期傷流液中可溶性糖含量較低，拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期傷流液中的可溶性糖含量都保持了較高水平。不同基因型比較，傷流液中可溶性糖含量在苗期差異未達(dá)到顯著水平，但拔節(jié)期以后，耐旱基因型玉米傷流液中可溶性糖含量顯著高于不耐旱基因型玉米。可溶性糖是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，參與滲透調(diào)節(jié)。干旱條件下可溶性糖主動積累，可以參與降低植物體內(nèi)滲透勢，以利植物在干旱逆境下維持植物體正常生長所需水分，以提高抗逆適應(yīng)性［21］。研究顯示，拔節(jié)期以后，耐旱基因型玉米“掖單13”傷流液中可溶性糖含量高，說明耐旱基因型玉米具有的滲透調(diào)節(jié)優(yōu)勢，可以使玉米在干旱脅迫下保持較好的水分狀態(tài)，具備干旱適應(yīng)性的物質(zhì)基礎(chǔ)，因此有助于作物即使處于干旱條件下也具備較強(qiáng)的適應(yīng)能力，這可能是耐旱基因型玉米具有的對干旱脅迫的一種主動適應(yīng)能力［22］。

傷流液中含有大量氨基酸，根系傷流液中的氨基酸濃度的變化反映了根系無機(jī)氮吸收同化水平及玉米整株的氮循環(huán)水平。傷流液中的氨基酸含量可以看作是根系合成能力的間接指標(biāo)［23］。研究結(jié)果顯示，在整個生育期內(nèi)，傷流液中的氨基酸含量是苗期最高，拔節(jié)期和孕穗期相對較低，灌漿期其含量又升高。產(chǎn)生這種波動的原因可能與苗期和灌漿期分別是營養(yǎng)器官和生殖器官形態(tài)建成的重要時期有關(guān)。不同耐旱基因型相比較，拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期“掖單13”傷流液中的氨基酸含量顯著高于“丹玉13”，這一結(jié)果與傷流液中的可溶性糖含量差異相一致。

植物耐旱能力強(qiáng)弱，除與地上部相關(guān)外，根系性狀也與耐旱能力密切相關(guān)，例如根系構(gòu)型分布、形態(tài)、生理、解剖等方面，傷流液只是表征生理代謝的一個層面，因此，進(jìn)行玉米耐旱性的研究，不僅要充分考慮這些因素，同時還要考慮不同生育時期不同基因型具有的差異，并制定出與之匹配的高產(chǎn)栽培技術(shù)，達(dá)到耐旱高產(chǎn)的目的。

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