淹水脅迫對(duì)不同抗性甜玉米自交系幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東省植物分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640)

甜玉米，作為普通栽培玉米的胚乳突變型亞種，果蔬兼用。由于富含各種氨基酸、維生素、膳食纖維等營(yíng)養(yǎng)保健成分，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類保健意識(shí)增強(qiáng)，人們對(duì)甜玉米的需求不斷增加，世界甜玉米生產(chǎn)得到了飛速發(fā)展。然而隨著全球氣候變化日益加劇，澇漬災(zāi)害已經(jīng)成為限制甜玉米生產(chǎn)的重要非生物逆境脅迫因素之一[1]。

關(guān)于澇漬脅迫對(duì)甜玉米影響的相關(guān)研究已有報(bào)道，僧姍姍等研究表明，淹水脅迫下，玉米品種的根干重明顯下降，且隨著淹水天數(shù)的增長(zhǎng)，根干重降低的幅度增大，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)玉米植株受淹水脅迫后從形態(tài)和生理上對(duì)淹水脅迫產(chǎn)生一定的適應(yīng)性，如莖伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，莖基部有不定根生成[2]。梁哲軍等研究發(fā)現(xiàn)，淹水會(huì)導(dǎo)致玉米根系不定根的大量產(chǎn)生，光合色素總含量下降[3]。Blikhina等認(rèn)為，在低氧條件或者再通氧環(huán)境下，植物組織細(xì)胞會(huì)形成過(guò)多的活性氧(ROS)[4]。

注：每個(gè)柱均表示均值±標(biāo)準(zhǔn)差。下同。圖1 淹水脅迫對(duì)根長(zhǎng)、根鮮重、氣生根的影響

ROS能夠改變細(xì)胞膜的特性，這會(huì)降低水分的轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)而造成滲透脅迫，同時(shí)也會(huì)過(guò)量產(chǎn)生過(guò)氧化物自由基，進(jìn)一步引起脂質(zhì)過(guò)氧化及光合作用能力的減弱。Colmer等研究發(fā)現(xiàn)，玉米植株體內(nèi)存在著非酶體系抗氧化劑和保護(hù)酶體系來(lái)保護(hù)細(xì)胞免受ROS的傷害[5]。涂攀峰等對(duì)甜玉米幼苗進(jìn)行淹水處理發(fā)現(xiàn)，淹水后葉片保護(hù)酶(SOD、POD)活性較對(duì)照升高，玉米不同基因型或同一基因型在不同生育時(shí)期的耐漬能力存在差異[6]。

當(dāng)今對(duì)于玉米逆境的研究主要集中在普通玉米及逆境對(duì)葉片生長(zhǎng)發(fā)育的影響，而逆境對(duì)甜玉米及其根系的生長(zhǎng)發(fā)育影響的報(bào)道較少。因此，本研究主要以耐漬性存在明顯差異的2個(gè)甜玉米自交系品種為材料，對(duì)澇漬前后甜玉米幼苗的表型和保護(hù)酶活性的變化進(jìn)行研究，旨在探討玉米耐漬性與表型及保護(hù)酶之間的關(guān)系，為耐漬性品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料選用不同耐漬性甜玉米自交系為K 61(敏感型)和K 85(耐漬型)，由華南農(nóng)業(yè)大學(xué)甜玉米雜種優(yōu)勢(shì)利用實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1生長(zhǎng)環(huán)境與淹水處理

選取K 85與K 61的種子各15粒種植于長(zhǎng)18.5 cm，寬13 cm，高8 cm的發(fā)芽盒內(nèi)，每盒包含60目的石英砂2.5 kg，同時(shí)施以300 mL的無(wú)菌水。然后將其放入光照培養(yǎng)箱內(nèi)。培養(yǎng)條件為：14 h與10 h晝夜循環(huán)，白天溫度26 ℃，夜間22 ℃，光照強(qiáng)度為18 000 lx。試驗(yàn)重復(fù)3次，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。在2葉1心期，保留6株生長(zhǎng)一致的幼苗進(jìn)行淹水處理，水面維持在石英砂上面2 cm。同時(shí)進(jìn)行平行對(duì)照組試驗(yàn)。

1.2.2表型測(cè)定

在淹水脅迫6 d后，測(cè)量2個(gè)材料的苗高、根長(zhǎng)、莖鮮重、根鮮重、氣生根數(shù)，此外將莖和根分別置于牛皮紙袋中，于105 ℃下殺青2 h后于70 ℃下烘至恒重，用萬(wàn)分之一天平稱量。

1.2.3超氧化物歧化酶(SOD)與過(guò)氧化物酶(POD)的測(cè)定

在淹水處理2，4 d和處理6 d后，分別取對(duì)照和處理樣本的根系，準(zhǔn)確稱量后在液氮中研磨成粉末，按重量(g)∶體積(mL)=1∶4的比例，加入4倍體積的磷酸緩沖液(0.1 mol/L)，迅速研磨成勻漿，勻漿離心15 min，取上清液待測(cè)。SOD與POD的測(cè)定根據(jù)相應(yīng)的試劑盒說(shuō)明進(jìn)行(南京建成生物工程研究所)，每項(xiàng)分析進(jìn)行3次生物學(xué)重復(fù)。

1.2.4數(shù)據(jù)處理

采用GraphPadPrism 7軟件和Excel 2010軟件對(duì)表型數(shù)據(jù)進(jìn)行基本的統(tǒng)計(jì)分析，包括均值(Mean)和標(biāo)準(zhǔn)差(SD)等相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 淹水脅迫下K 85與K 61根系的差異

根系對(duì)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育起著重要的作用，它是受淹水脅迫影響最直接的器官。如圖1 A所示，淹水處理6 d后，K 61的根長(zhǎng)短于對(duì)照組，而K 85的根長(zhǎng)則長(zhǎng)于對(duì)照組。表明淹水脅迫對(duì)K 61的根長(zhǎng)具有顯著的抑制作用。圖1 B表明，淹水對(duì)甜玉米根鮮重影響較大，無(wú)論耐漬還是敏感材料。淹水能極顯著的促進(jìn)氣生根的產(chǎn)生且K 85產(chǎn)生氣生根數(shù)目較K 61更多(圖1 C)。

2.2 淹水脅迫下K 85與K 61地上部分的差異

淹水處理6 d后，甜玉米自交系K 61與K 85的莖長(zhǎng)較對(duì)照組略微下降(圖2 A)，表明莖長(zhǎng)受淹水脅迫影響較??；對(duì)于莖鮮重而言，淹水脅迫下K 61較對(duì)照組莖鮮重表現(xiàn)為下降趨勢(shì)，而K 85的莖鮮重在淹水處理下則表現(xiàn)出上升趨勢(shì)(圖2 B)。由圖2可以發(fā)現(xiàn)，淹水脅迫會(huì)抑制甜玉米自交系莖長(zhǎng)的增加，對(duì)K 61的莖鮮重也有抑制作用，對(duì)K 85的莖鮮重則無(wú)抑制作用。

圖2 淹水脅迫對(duì)莖長(zhǎng)、莖鮮重的影響

圖3 淹水脅迫對(duì)根系SOD酶活性的影響

圖4 淹水脅迫對(duì)根系POD酶活性的影響

2.3 淹水脅迫下K 85與K 61根系SOD活性的差異

為了分析K 85與K 61在淹水脅迫后根系的SOD酶活性的差異，分別測(cè)量了處理2、4 d和處理6 d后幼苗根系在淹水處理和正常條件下SOD酶活性(圖3)。K 61在淹水處理2 d后SOD酶活性低于對(duì)照組；淹水4 d時(shí)，其SOD酶活性較對(duì)照組增加19.5%；淹水第6天，K 61的SOD酶活性比對(duì)照組增加33.29%。在K 85中，淹水2 d后，SOD酶活性較對(duì)照組增加15.9%；隨后淹水處理4 d，SOD酶活性進(jìn)一步增加，較對(duì)照組增加達(dá)47.1%；淹水處理第6天，K 85的SOD酶活性變化不明顯。結(jié)果說(shuō)明，K 61隨淹水時(shí)間的增加會(huì)使根系SOD酶活性不斷增加；K 85的SOD酶活性先隨淹水時(shí)間的增加而增大，隨后趨于穩(wěn)定。

2.4 淹水脅迫下K 85與K 61根系POD活性的差異

如圖4所示，K 61在淹水2 d后酶活性較對(duì)照組降低6.29%，且隨淹水時(shí)間的增加，其POD酶活性變化不明顯，表明淹水脅迫對(duì)K 61根系POD酶活性的抑制較小。K 85淹水2 d后其酶活性低于對(duì)照組，在淹水第4天其酶活性較淹水第2天明顯上升，且高于對(duì)照組，淹水脅迫6 d后，POD酶活性與淹水第4天相似。結(jié)果表明，K 85根系POD酶活性在淹水脅迫下比K 61反應(yīng)更敏感。

3 討論與結(jié)論

植物淹水后其組織中有氧代謝功能會(huì)急劇下降。大部分情況下，植物缺氧會(huì)對(duì)植物根部造成直接影響，對(duì)地上部造成間接影響。在本研究中，澇漬處理6 d后澇敏感型的K 61根長(zhǎng)顯著下降，而耐漬較好的K 85根長(zhǎng)顯著增加；在淹水脅迫下，K 61和K 85的根鮮重均受到影響；K 61與K 85氣生根數(shù)目在淹水處理后均較對(duì)照組數(shù)量更多，且耐漬材料K 85的氣生根數(shù)比K 61增加更多。地上部分在淹水脅迫后，K 61的莖長(zhǎng)受到的影響不大，莖鮮重則受到一定抑制；K 85的莖長(zhǎng)略微下降而莖鮮重有所升高。

由于根系氧氣含量的下降，植物有氧呼吸受阻，植物要生存必須維持一定的能量代謝水平，而無(wú)氧呼吸會(huì)產(chǎn)生大量的活性氧[7]。活性氧會(huì)破壞脂類、蛋白質(zhì)、核酸等大分子物質(zhì)，最終導(dǎo)致植株代謝混亂，甚至死亡[8]。在正常情況下，植物體內(nèi)存在一套保護(hù)系統(tǒng)來(lái)清除多余的活性氧，以減輕對(duì)細(xì)胞膜的傷害。活性氧的清除系統(tǒng)也稱為抗氧化系統(tǒng)，主要由抗氧化酶和抗氧化物質(zhì)組成。當(dāng)植物處于逆境時(shí)，植物可以通過(guò)提高抗氧酶的活性來(lái)提高活性氧的清除能力[9]。其中超氧化物歧化酶(SOD)和過(guò)氧化物酶(POD)是主要的抗氧化酶。本研究中，淹水脅迫使自交系K 61和K 85的SOD酶活性升高，表明淹水脅迫提高了SOD酶性的活性，但2個(gè)自交系存在明顯差異，這與僧珊珊等[10]的研究結(jié)果相近；K 61的SOD酶活性在淹水處理第2天時(shí)低于對(duì)照組，在淹水處理第4天和第6天SOD酶活性則高于對(duì)照組，且隨著處理時(shí)間的增加SOD酶活性呈上升趨勢(shì)；K 85淹水處理后酶活性一直高于對(duì)照組，且隨脅迫時(shí)間的增加其酶活性先上升后趨于穩(wěn)定。表明兩者在淹水脅迫下抵御活性氧毒害能力有較大差異。對(duì)于過(guò)氧化物酶POD而言在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在淹水脅迫下K 61的POD酶活性隨淹水時(shí)間的增加均受到一定抑制，而K 85則在淹水脅迫4 d后表現(xiàn)出酶活性增加，表明兩自交系在淹水脅迫下POD酶活性也存在差異。姜華武等[11]研究認(rèn)為，在淹水脅迫下自交系的POD酶活性均受抑制，但不同耐漬性品種根系中POD酶活性受抑制程度不同；但姜華武等研究表明，耐漬材料在受淹水脅迫后POD酶活性會(huì)有所上升而敏感材料則表現(xiàn)為酶活性下降[11]，與本研究結(jié)果相似。