PEG 模擬水分脅迫對玉米苗期生理指標(biāo)的影響

鄒原東，韓振芹，李志強

（北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院園藝系，北京102442）

進入21 世紀(jì)以來，我國整體實力不斷增強，參與世界競爭的機會也逐漸增多。隨著國家科技投入的增多、產(chǎn)業(yè)化的加速升級，玉米的種業(yè)規(guī)模不斷得到提升，玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更是邁上了一個新的臺階[1]。

在國家產(chǎn)業(yè)振興、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的大環(huán)境背景下，育種在玉米產(chǎn)業(yè)振興中發(fā)揮著重要作用，而玉米育種中的科技投入也越來越多，科技產(chǎn)出與科技投入成正比，這與玉米育種科研工作者的努力密不可分。隨著農(nóng)業(yè)向產(chǎn)業(yè)化和集約化發(fā)展，玉米育種在新時代的發(fā)展充滿了機遇和挑戰(zhàn)，育種方法不斷改進，新品種不斷涌現(xiàn)，發(fā)展速度以及科技創(chuàng)新能力有了較大的提升[2]。但是近些年來世界氣候環(huán)境不斷發(fā)生變化，極端氣候現(xiàn)象不斷出現(xiàn)，自然災(zāi)害頻發(fā)，給玉米育種工作帶來了挑戰(zhàn)。有研究表明，低溫會造成玉米穗分化期穗長和穗粒數(shù)顯著減少、穗粒質(zhì)量降低，這可能是由于溫度低使光合特性發(fā)生了改變，造成蒸騰速率的變化，而且低溫時間越長，影響越嚴(yán)重，最終導(dǎo)致產(chǎn)量降低[3]。鹽脅迫下玉米植株葉片的光合速率下降，光合能力得不到有效發(fā)揮，株高和地上部鮮質(zhì)量下降[4]。適度干旱會使玉米根系下扎，提高水分利用率，其中，灌漿期缺水會使作物耗水量增加，產(chǎn)量顯著降低；隨著生育期的推進，至中后期，適度干旱反而有利于玉米節(jié)水保產(chǎn)[5]。在玉米生產(chǎn)中，干旱脅迫最為普遍，也最常發(fā)生，因此，解決干旱地區(qū)的缺水現(xiàn)狀，興修水渠，提升灌溉能力，是根本目標(biāo)。而從育種角度來看，培育抗旱、抗鹽、耐瘠薄的品種，可增強作物在逆境條件下的生存能力，對保障糧食產(chǎn)量有重要意義[6-7]。

玉米不同品種對土壤和大氣干旱條件所具有的適應(yīng)性和抵御能力是不同的，它們在形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、生理生化特性、生長發(fā)育等方面，形成了一系列抗御干旱的機制和對逆境的適應(yīng)反應(yīng)[8-10]。王德信等[11]模擬土壤干旱，觀察玉米苗期生理指標(biāo)的變化來評價玉米萌發(fā)期和苗期的抗旱性，認(rèn)為可溶性蛋白含量、丙二醛含量、脯氨酸含量和POD 活性可作為玉米抗旱育種的評價指標(biāo)。

本試驗以5 個玉米品種為測試對象，研究不同PEG 水溶液濃度處理下玉米苗期生理指標(biāo)的變化，選出抗旱性較強的玉米品種，為當(dāng)?shù)剡x育抗旱品種提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試5 個玉米品種為香糯2 號（N3）、黃晶糯（N7）、品糯28（NT3）、先風(fēng)真甜水果玉米（T3）、北甜玉1 號（TN4）。

1.2 試驗方法

將發(fā)芽盒置于RXZ-400E 型人工氣候箱中，晝/夜溫度為26 ℃/25 ℃，采用早晚噴水的方法控制濕度在60%～70%，設(shè)定好數(shù)值，將光照時間調(diào)至白天/夜晚為12 h/12 h，光照強度為2 500 lx，連續(xù)培養(yǎng)10 d。每個玉米品種挑選大小均勻、籽粒飽滿的種子各500 粒，用75%酒精消毒10 min，再用蒸餾水沖洗3 次并浸泡12 h。將準(zhǔn)備好的發(fā)芽盒鋪上一定質(zhì)量的細(xì)沙，倒入相應(yīng)濃度的PEG 水溶液，取出浸泡好的種子均勻擺放在發(fā)芽盒內(nèi)，并將發(fā)芽盒置于光照培養(yǎng)箱中發(fā)芽。試驗設(shè)PEG 水溶液濃度分別為10%，15%，20%，25%，以蒸餾水為對照，共計5 個處理，每個處理50 粒，3 次重復(fù)。在第8 天取幼苗葉片，測定丙二醛、可溶性蛋白及脯氨酸含量。

1.3 測定項目及方法

丙二醛含量采用紫外分光光度法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250 染色法測定，脯氨酸含量采用茚三酮顯色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

利用WPS 作圖，SPSS 20.0 進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度PEG 水溶液對玉米苗期丙二醛含量的影響

從圖1 可以看出，隨著PEG 水溶液濃度的升高，玉米幼苗的丙二醛含量相應(yīng)升高，在達(dá)到15%濃度之后，丙二醛含量增加明顯。25%濃度下的丙二醛含量最高，與其他濃度下的含量相比差異達(dá)到極顯著（P＜0.01）?？梢?，隨著干旱脅迫的加強，玉米幼苗植株的膜脂過氧化程度加劇，丙二醛含量的積累增加。

2.2 不同濃度PEG 水溶液對玉米可溶性蛋白含量的影響

從圖2 可以看出，隨著PEG 水溶液濃度的升高，玉米幼苗植株的可溶性蛋白含量相應(yīng)增加，在N3、N7、T3 和TN4 這4 個品種中，可溶性蛋白含量隨著PEG 水溶液濃度的升高增加較少，各濃度之間差異不顯著（P＞0.01），25%濃度下的可溶性蛋白含量分別比10%濃度下的增加24.29%，38.60%，55.66%和32.11%，N3 品種增加最少。NT3 品種各濃度下的可溶性蛋白含量與對照相比差異達(dá)極顯著（P＜0.01）?？梢?，隨著植物在干旱脅迫下失水，內(nèi)部滲透壓相應(yīng)增加，可溶性蛋白含量升高，以應(yīng)對逆境，保證植株正常生長。

2.3 不同濃度PEG 水溶液對玉米脯氨酸含量的影響

從圖3 可以看出，PEG 水溶液濃度的升高導(dǎo)致了脯氨酸含量的增加，而且增加的幅度直觀可見，尤其在15%濃度之后，增加的趨勢更為明顯。不同濃度間N7、NT3、T3 品種的脯氨酸含量差異達(dá)極顯著（P＜0.01）。可見，在植株受到水分脅迫的條件下，脯氨酸含量會隨著體內(nèi)滲透能力的增強而相應(yīng)的增加，是一種應(yīng)對逆境的應(yīng)激反應(yīng)。

3 結(jié)論與討論

作物一生的生長過程要經(jīng)歷很多“磨難”，有外界逆境的傷害，有自身免疫的提升，還有與衰老的對抗，尤其植物在衰老過程中及在逆境傷害中，植物體內(nèi)都會產(chǎn)生一系列反應(yīng)，來適應(yīng)這種變化。當(dāng)植物面臨衰老及逆境傷害時，機體內(nèi)會通過多種途徑產(chǎn)生自由基和活性氧，這2 種物質(zhì)會阻斷植物細(xì)胞的正常生長，在一定限度內(nèi)植物也會很巧妙地自我清除上述物質(zhì)，保持體內(nèi)正常的生長平衡。當(dāng)平衡被打破，自由基和活性氧所對應(yīng)的氧自由基反應(yīng)和膜脂過氧化反應(yīng)就會加劇，丙二醛含量就會增加，則可能會造成細(xì)胞乃至組織的嚴(yán)重?fù)p傷，最終造成植株的死亡[12-14]。也可以說，在一定限度內(nèi)丙二醛含量可看作是植物對逆境傷害及衰老過程的應(yīng)激反應(yīng)，含量的變化能初步判斷膜脂過氧化的程度和植物對逆境條件的反應(yīng)強弱，初期植物會通過體內(nèi)各種器官、組織的協(xié)調(diào)配合來清除這種傷害，對細(xì)胞甚至組織起到保護作用，而超過了植物所能忍受的限度時，植物無法正常代謝，會出現(xiàn)膜的降解，滲透能力下降，傷害是不可逆的。大量研究表明，隨著逆境傷害程度的加強，植物體內(nèi)丙二醛含量也顯著上升[15-17]。本試驗研究表明，隨著PEG 水溶液濃度的升高，5 個玉米品種的丙二醛含量都增加，在25%濃度下含量達(dá)到峰值?？梢?，隨著干旱脅迫的加強，玉米幼苗植株的膜脂過氧化程度加劇，丙二醛含量的積累增加，與氧化系統(tǒng)相關(guān)，可作為評價抗旱強弱的指標(biāo)。

當(dāng)植物處在逆境環(huán)境下，自身的“免疫”系統(tǒng)會開啟，處于一種防衛(wèi)的姿態(tài)，內(nèi)在生理的變化也在構(gòu)筑防衛(wèi)系統(tǒng)。比如在水分脅迫下，細(xì)胞會主動積累溶質(zhì)，降低滲透勢和水勢，維持膨壓，進行滲透調(diào)節(jié)。脯氨酸作為一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物遭受逆境傷害尤其是干旱、鹽脅迫時，含量會增加，增強蛋白質(zhì)以及脯氨酸合成酶的合成，減弱脯氨酸氧化作用，保持細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的穩(wěn)定，調(diào)節(jié)滲透壓，增加植株體內(nèi)的保水能力[18-19]。同時，它還具有清除活性氧、維持光合特性的作用[20]。華智銳等[21]研究發(fā)現(xiàn)，在用IAA 處理后黃芩幼苗的脯氨酸含量升高，耐鹽能力增強。本研究與朱虹等[22]的研究一致，隨著水分脅迫程度的增加，能顯著增加玉米幼苗葉片中脯氨酸的含量，脯氨酸的作用加強，但在不同濃度PEG水溶液下脯氨酸含量的增加量不同。本試驗研究發(fā)現(xiàn)，在15%濃度之后，脯氨酸含量增加明顯，脯氨酸可作為評價抗旱的指標(biāo)。

研究表明，可溶性蛋白在植株遭受逆境傷害時含量增加，作為一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，相應(yīng)地增加細(xì)胞液的濃度，調(diào)節(jié)組織的滲透能力，是對逆境反映的一種表現(xiàn)[23-24]。有研究表明，可溶性蛋白作為催化各種生理過程的酶類，當(dāng)植物處在逆境時，參與滲透調(diào)節(jié)，提升抗氧化能力，在一定程度上減輕受傷害程度[25]。因作物種類不同，參與滲透調(diào)節(jié)的物質(zhì)、種類及調(diào)節(jié)強度也會產(chǎn)生差異[26]?？扇苄缘鞍缀康奶嵘殡S著多種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的提高，在多重指標(biāo)的共同作用下，來評價供試材料的抗逆能力[27]。本研究表明，水分脅迫會增加玉米幼苗體內(nèi)可溶性蛋白含量，不同品種、不同濃度之間可溶性蛋白含量有所差異，這與韋仕甜等[28]的研究一致。可見，隨著滲透液濃度增加，干旱水平加劇，植物細(xì)胞提高可溶性蛋白含量以保持滲透調(diào)節(jié)能力，維持正常的生長代謝。

植物在遭受水分脅迫后，細(xì)胞會出現(xiàn)膜脂過氧化，而產(chǎn)生的產(chǎn)物丙二醛則在一定程度上反映出了傷害程度的強弱?？扇苄缘鞍?、脯氨酸都是作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植株遭受水分脅迫時來發(fā)揮作用的，卻因傷害程度不同、品種不同、環(huán)境不同而產(chǎn)生差別。鑒于本試驗僅從苗期對玉米進行生理指標(biāo)的測定，玉米幼株在設(shè)計濃度下全部能夠正常生長，未見死亡現(xiàn)象發(fā)生，也從另一方面看出本試驗設(shè)計濃度沒有超過幼苗植株所能承受的最大濃度，在一定程度上可用來衡量玉米受水分脅迫程度的強弱，而這種逆境傷害受品種的影響表現(xiàn)也有所不同，這也為進一步研究抗旱評價及區(qū)域性抗旱指標(biāo)的篩選提供借鑒。