水分脅迫對(duì)玉米葉片脯氨酸和丙二醛含量的影響

李濤龍，胡笑濤，王文娥，杜 斌，馬武光

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

我國是一個(gè)淡水資源相對(duì)比較短缺的國家，人均淡水資源占有量是全世界最貧乏的13個(gè)國家之一[1]。隨著我國人口的增加，提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量成為急需解決的問題，而農(nóng)業(yè)年灌溉用水量占全國用水總量的70%[2]，因此，農(nóng)業(yè)節(jié)水的研究對(duì)緩解我國水資源的壓力具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前人們普遍認(rèn)為，作物處于某種不利狀態(tài)(逆境)時(shí)會(huì)做出保護(hù)植株體免受傷害的響應(yīng)[3]。作物在逆境初期會(huì)利用自身的滲透調(diào)節(jié)作用來抵御逆境傷害，滲透調(diào)節(jié)的主要物質(zhì)分為兩類：一類是無機(jī)離子；另一類是有機(jī)溶劑[4]。脯氨酸Pro屬于作物滲透調(diào)節(jié)過程中的有機(jī)溶質(zhì)部分，脯氨酸含量的積累是由于逆境生長過程中為適應(yīng)不利環(huán)境做出的響應(yīng)，通過積累脯氨酸達(dá)到滲透調(diào)節(jié)的作用。但當(dāng)不利環(huán)境超過作物可調(diào)節(jié)范圍時(shí)，會(huì)引發(fā)和加劇細(xì)胞膜脂過氧化作用造成膜系統(tǒng)的損傷。丙二醛MDA是細(xì)胞膜脂過氧化的產(chǎn)物[5]。前人已經(jīng)研究了茶樹[6]、板栗[7]、大麗花[8]、豌豆[9]、胡楊[10]、馬鈴薯[11]、玉米根葉[3]在低溫脅迫[12-14]、高溫逆境脅迫[15]、干旱脅迫[16]、鹽堿脅迫[17]、鎘脅迫[18]等逆境下的激素調(diào)節(jié)和細(xì)胞膜脂過氧化作用，認(rèn)為不利環(huán)境條件下作物脯氨酸開始得到積累，達(dá)到一定程度后引發(fā)細(xì)胞膜脂過氧化造成膜系統(tǒng)損傷，危害作物的正常生長。但目前人們僅對(duì)作物某一個(gè)生育階段進(jìn)行了探索，對(duì)全生育期干旱脅迫下作物激素調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)識(shí)還沒有形成完善的體系。作物在全生育期內(nèi)受到的干旱脅迫有可能會(huì)提前得到水分虧缺鍛煉，對(duì)干旱脅迫有一定的適應(yīng)性，當(dāng)作物遭到一定干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA不會(huì)積累那么多。因此，研究全生育期作物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)和膜系統(tǒng)損傷程度，對(duì)于揭示作物抗旱機(jī)理具有重要意義。

玉米是西北地區(qū)的主要農(nóng)作物之一，該地區(qū)干旱少雨，產(chǎn)量受土壤水分的影響較大。因此，利用桶栽嚴(yán)格控制土壤水分的方法研究玉米全生育期3個(gè)不同灌水下限(50%θf、60%θf、70%θf)和3個(gè)不同灌水上限(80%θf、90%θf、100%θf)完全組合的9個(gè)處理對(duì)葉片脯氨酸和丙二醛含量的影響，旨在探討西北地區(qū)玉米全生育期水分脅迫的生理響應(yīng)規(guī)律，為制訂避免干旱脅迫的對(duì)策和措施提供理論依據(jù)，為科學(xué)制訂玉米灌溉制度提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2016年4月在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室節(jié)水灌溉試驗(yàn)站的遮雨棚內(nèi)進(jìn)行。該站位于陜西省楊凌區(qū)(34°20′N，108°24′E，海拔521 m)，海拔521 m，年平均氣溫為12.5 ℃，年平均降雨量為632 mm，年平均蒸發(fā)量為1 500 mm，屬于暖溫帶季風(fēng)半濕潤氣候區(qū)。遮雨棚結(jié)構(gòu)為房脊型，長36 m，寬6 m，高4 m，南北兩側(cè)分別配置塑料卷簾，方便通風(fēng)透氣。供試玉米品種為“農(nóng)大375”，土質(zhì)為“塿土”，試驗(yàn)用桶為高30 cm、直徑30 cm的圓柱桶，于試驗(yàn)桶中埋管，管體表面打孔并用篩網(wǎng)包裹，用于灌溉。裝入桶中的土壤干容重控制在1.35 g/cm3，經(jīng)測(cè)定田間質(zhì)量持水率θf為23%。試驗(yàn)于2015年4月20日播種，每筒種5粒，出苗后至3葉1心期定苗1株，2016年8月18日試驗(yàn)結(jié)束，全生育期共120 d。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在玉米整個(gè)生育期進(jìn)行水分脅迫處理，設(shè)9個(gè)處理(T1～T9處理)，控制3個(gè)灌水下限分別為田間持水率的50%、60%和70%，3個(gè)灌水上限分別為80%、90%和100%，9個(gè)重復(fù)，共81桶。采用稱重的方法測(cè)定每個(gè)處理的桶重，從而計(jì)算出各處理的土壤相對(duì)含水率。當(dāng)?shù)陀诠嗨孪迺r(shí)，用量筒(精度為10 mL)向管中灌水至該處理的上限，通過管體小孔濕潤土體，并記錄每次各個(gè)處理的灌水量和灌水時(shí)間。為了防止桶內(nèi)土壤蒸發(fā)過快，在每個(gè)桶內(nèi)的土壤表層均勻地撒滿蛭石。

1.3 測(cè)定指標(biāo)和數(shù)據(jù)處理

在拔節(jié)期、抽雄灌漿期和成熟期(分別為7月4日、7月20日和8月10日)系統(tǒng)取樣，每個(gè)處理從灌水上限連續(xù)取至灌水下限為一次完整取樣。取樣時(shí)，剪取玉米葉尖部后用濕紗布擦干，樣品用錫箔紙包好用液氮冷凍后，置超低溫冰箱保存待用。參照張學(xué)奎[19]的《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》，采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測(cè)定脯氨酸Pro，采用硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛MDA。土壤含水率的測(cè)定，采用稱質(zhì)量法，電子天平精度0.02 kg，測(cè)定土壤含水率，陰天1 d測(cè)定1次，晴朗天氣下1 d測(cè)2次，取1 d的含水率平均值。

數(shù)據(jù)處理：利用SPSS17.0進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)和相關(guān)分析，利用SigmaPlot12.0和Excel 2007繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對(duì)玉米脯氨酸含量的影響

脯氨酸Pro在植物體內(nèi)起到重要的滲透調(diào)節(jié)作用。在逆境條件下，植物體內(nèi)Pro的含量顯著增加，Pro含量在一定程度上反映了植物的抗逆性[19]。

圖1為不同生育期內(nèi)3個(gè)灌水下限玉米Pro的累積量與土壤相對(duì)含水率的相關(guān)關(guān)系。由圖1可知，土壤相對(duì)含水率越高，玉米Pro的累積量越小，即Pro的累積量會(huì)隨土壤相對(duì)含水率的增加而減小。在圖1(a)中，當(dāng)土壤相對(duì)含水率接近50%θf和60%θf時(shí)，作物會(huì)隨著水分脅迫的加重Pro的累積量不但不增加反而減小。這是因?yàn)?，在此含水率范圍?nèi)玉米自身所遭受的干旱逆境已經(jīng)超出了其滲透調(diào)節(jié)的可控范圍內(nèi)。在圖1(a)和圖1(b)中，灌水下限為60%θf時(shí)，Pro的累積量與土壤相對(duì)含水率擬合曲線的斜率增大。這說明，將拔節(jié)期和抽雄灌漿期玉米的水下限控制在60%θf時(shí)Pro對(duì)土壤相對(duì)含水率的響應(yīng)更敏感。由圖1(c)可知，成熟期玉米的灌水下限為50%θf時(shí)，Pro對(duì)土壤相對(duì)含水率的響應(yīng)更敏感。這從另一方面說明，成熟期灌水下限達(dá)到50%θf時(shí)才對(duì)玉米形成強(qiáng)烈的水分脅迫。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，玉米Pro累積量的均值隨著灌水下限的提高逐漸減小：拔節(jié)期分別為91.524 5、83.308 4和81.444 4 μg/g；抽雄灌漿期分別為166.563 9、149.944 4和127.761 1 μg/g；成熟期分別為123.844 4、120.108 3和114.744 4 μg/g。整體上看，抽雄灌漿期玉米Pro累積量的均值最大，拔節(jié)期的最小。這主要因?yàn)槌樾酃酀{期正是玉米的需水關(guān)鍵期，水分虧缺對(duì)作物生長影響最大，植物體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)作用也最強(qiáng)。

圖1 水分脅迫對(duì)玉米脯氨酸含量的影響

Pro與θ的擬合方程均為線性方程，即Y=aX+b形式。表1為不同生育期Pro的累積量與θ的擬合方程參數(shù)表。從表1可以看出，同一灌水下限的方程擬合度R2的大小順序分別為：拔節(jié)期>抽雄灌漿期>成熟期，即玉米越接近于成熟Pro與θ的擬合度越小，這說明玉米體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)作用在玉米生長旺盛時(shí)期的發(fā)揮最佳。從擬合方程的P值看出，拔節(jié)期和抽雄灌漿期的P值均較小而成熟期的較大，說明拔節(jié)期和抽雄灌漿期擬合方程中Pro與θ的相關(guān)性呈極顯著，成熟期Pro與θ的相關(guān)性不顯著，這可能是因?yàn)槌墒炱谟衩灼鞴僦饾u趨于老化導(dǎo)致此時(shí)的Pro對(duì)θ的響應(yīng)不敏感。

表1 不同生育期Pro與θ的擬合方程參數(shù)表

2.2 水分脅迫對(duì)玉米丙二醛含量的影響

植物器官衰老時(shí)，或在逆境條件下，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛MDA是其產(chǎn)物之一，通常利用它作為膜脂過氧化指標(biāo)，表示細(xì)胞膜脂過氧化程度和植物對(duì)逆境條件反應(yīng)的強(qiáng)弱[19]。MDA含量的高低反映了細(xì)胞膜脂過氧化水平[20]。

圖2為不同生育期3個(gè)灌水下限玉米MDA的累積量與土壤相對(duì)含水率的相關(guān)關(guān)系。由圖2可知，MDA累積量的變化規(guī)律與Pro的相似，均隨著土壤相對(duì)含水率的增加而減小。由圖2(a)可知，當(dāng)灌水下限為50%θf時(shí)，MDA的累積量隨土壤相對(duì)含水率的變化速度最快，斜率最大。這說明，拔節(jié)期灌水下限為50%θf時(shí)水分脅迫對(duì)玉米細(xì)胞膜脂過氧化的影響最嚴(yán)重。在圖2(b)和圖2(c)中，灌水下限為70%θf時(shí)，MDA累積量與土壤相對(duì)含水率擬合曲線的斜率最大，這可能是因?yàn)楣嗨孪逓?0%θf的處理從未得到過水分脅迫的鍛煉在抽雄灌漿期這一需水關(guān)鍵期MDA對(duì)θ的響應(yīng)比其他處理更加敏感。而成熟期的灌水可能會(huì)加速作物器官的老化使細(xì)胞遭受膜脂過氧化的傷害，這種傷害是不可逆的。

需要特別指出的是，圖2(a)中灌水下限為50%θf的MDA與土壤相對(duì)含水率擬合曲線的斜率最大，但同生育期的Pro擬合直線[圖1(a)]中斜率最?。还嗨孪逓?0%θf的MDA與土壤相對(duì)含水率擬合直線的斜率最小，但同生育期的Pro擬合曲線[圖1(a)]斜率最大，說明拔節(jié)期50%θf的灌水下限對(duì)玉米造成了嚴(yán)重的水分脅迫，MDA是作物Pro的滲透調(diào)節(jié)作用超過其可控范圍后所造成的細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物之一，MDA和Pro的累積量是相互制約的關(guān)系；60%θf的灌水下限使得Pro的滲透調(diào)節(jié)作用充分發(fā)揮時(shí)MDA的累積速度變得很緩慢，此灌水下限是Pro的滲透調(diào)節(jié)作用發(fā)揮最大的灌水閾值。圖2(b)中灌水下限為60%θf的MDA與土壤相對(duì)含水率擬合曲線的斜率最小，但同生育期的Pro擬合直線[圖1(b)]斜率最大；灌水下限為70%θf的MDA與土壤相對(duì)含水率擬合曲線的斜率最大，但Pro擬合直線中是最小。這說明，在抽雄灌漿期60%θf的灌水下限會(huì)使作物自身滲透調(diào)節(jié)作用的發(fā)揮達(dá)到最理想狀態(tài)，免受細(xì)胞膜脂過氧化作用的傷害。玉米MDA累積量的均值隨灌水下限的提高逐漸減?。喊喂?jié)期分別為0.987 3、0.785 6和0.680 6 μmol/L；抽雄灌漿期分別為0.523 7、0.519 9和0.459 8 μmol/L；成熟期分別為0.351 8、0.314 0和0.292 3 μmol/L。

圖2 水分脅迫對(duì)玉米丙二醛含量的影響

MDA與θ的擬合方程為線性方程，即Y=aX+b形式。下表為玉米3個(gè)生育期MDA的累積量與θ的擬合方程參數(shù)表。從表2可以看出，方程擬合度R2的大小隨著生育期的延長逐漸在減小，即玉米越接近于成熟MDA與θ的擬合度越小，這一點(diǎn)與Pro較相似。從方程擬合度R2可以看出，玉米細(xì)胞受膜脂過氧化傷害程度與θ的擬合度隨著生育期的延長越來越小，這可能是因?yàn)樽魑锷笃谄鞴倮匣瘜?duì)MDA變化產(chǎn)生了一定的影響。而從擬合方程的P值上來比較，發(fā)現(xiàn)P值均小于0.01，即不同生育期的擬合方程中MDA與θ均呈極顯著相關(guān)性。

3 結(jié) 論

(1)水分脅迫對(duì)不同灌水下限處理玉米的Pro和MDA含量的影響顯著，Pro和MDA含量均會(huì)隨著水分脅迫的加重而增加。Pro在作物體內(nèi)起到重要的滲透調(diào)節(jié)作用，隨著土壤相對(duì)含水率的減少作物通過積累一定量的Pro來降低水勢(shì)，調(diào)節(jié)體內(nèi)滲透平衡，促進(jìn)作物根系吸收水分。MDA是作物遭受水分脅迫后細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物之一，土壤相對(duì)含水率越低作物體內(nèi)MDA的累積量越高。

表2 不同生育期MDA與θ的擬合參數(shù)表

(2)3個(gè)生育期內(nèi)，玉米Pro累積量的均值和50%θf處的截距最大值均出現(xiàn)在抽雄灌漿期，在抽雄灌漿期作物體內(nèi)Pro的滲透調(diào)節(jié)作用能夠得到充分地發(fā)揮；MDA累積量的均值和50%θf處的截距最大值均出現(xiàn)在拔節(jié)期，在拔節(jié)期對(duì)玉米遭受水分脅迫后所造成的細(xì)胞膜脂過氧化最嚴(yán)重。

(3)玉米體內(nèi)的Pro和MDA含量呈相互制約的關(guān)系，Pro滲透調(diào)節(jié)作用充分發(fā)揮了MDA的累積量才會(huì)減小，作物細(xì)胞免遭膜脂過氧化傷害，如：抽雄灌漿期，Pro的累積量較大滲透調(diào)節(jié)作用較理想，MDA的累積量相對(duì)較少；Pro的累積量減小了，起到的滲透調(diào)節(jié)作用不足以保護(hù)作物細(xì)胞后必然會(huì)加大MDA的累積量，如：拔節(jié)期，Pro的累積量較少，細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA的累積量明顯增加了。

因灌水上限對(duì)Pro和MDA的影響不明顯，故本文只討論了灌水下限對(duì)它們的影響。

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