根區(qū)增溫對玉米幼苗主要代謝物傅里葉紅外光譜特性及葉綠素含量的影響

夏鎮(zhèn)卿，司雷勇，金 巖，扶亞芳，王 奇，路海東

西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部西北旱區(qū)玉米生物學(xué)與遺傳育種重點試驗室，陜西 楊凌 712100

引 言

近年來全球溫度持續(xù)升高，溫度變化對作物生長發(fā)育的影響，已成為一個不容忽視的問題[1]。 隨著全球氣候變暖趨勢的不斷加劇，作物根區(qū)土壤溫度也在發(fā)生著顯著變化[2]。 玉米作為我國最為重要的糧食飼料作物之一，保證其產(chǎn)量品質(zhì)，對保障我國糧食安全具有重要意義。 溫度變化對玉米生長發(fā)育的影響已成為當(dāng)下研究的熱點，但目前的研究多集中于冠層溫度對玉米的影響[3]，而根區(qū)溫度對玉米生長發(fā)育尤其是對玉米幼苗期植株中有機(jī)大分子及葉綠素含量的影響方面鮮有報道。

根區(qū)溫度對玉米生長發(fā)育的影響主要有根系及冠層形態(tài)、根系衰老、養(yǎng)分水分吸收速率以及一些生理性狀等，根區(qū)溫度過高過低都會影響玉米生長[4]。 前人研究表明，根區(qū)溫度超過35 ℃時玉米根系生長速率會降低，當(dāng)?shù)陀?.5 ℃時，玉米根系停止生長[5]，同時過高的根區(qū)溫度會使玉米根系及莖稈粗度變細(xì)，對玉米光合特性、根系活力、內(nèi)源激素及酶活性都有顯著影響[4]。 探尋溫度變化下不同抗逆型玉米品種的植株代謝特征對指導(dǎo)未來玉米育種和安全生產(chǎn)具有重要意義。

傅里葉變換紅外光譜(FTIR)是一種基于有機(jī)物分子中極性鍵振動來分析物質(zhì)組成的技術(shù)，可以對樣品進(jìn)行定性定量分析，通過吸收峰的高低可以準(zhǔn)確反映出植株中蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂類以及核酸含量的高低，具有靈敏度高、操作安全性高、測試方法簡單、測試時間短、樣品用量少等優(yōu)點[6]。 周麗平等[7]應(yīng)用FTIR研究了腐殖酸對玉米植株中蛋白質(zhì)、碳水化合物、核酸等有機(jī)大分子含量的影響。 歐全宏等利用FTIR研究了水稻、玉米、蠶豆正常葉和稻瘟病葉、玉米和蠶豆銹病葉的紅外光譜特性，發(fā)現(xiàn)兩者之間的碳水化合物和蛋白質(zhì)的含量存在差異。 但鮮有研究應(yīng)用FTIR方法來檢測根區(qū)增溫條件下玉米幼苗根、莖、葉中有機(jī)大分子含量變化。 采用水培的方法，通過改變水溫來模擬土壤溫度變化，解決了傳統(tǒng)方法土壤水分對試驗結(jié)果的干擾，以及傳統(tǒng)方法增溫不均勻不穩(wěn)定的問題。 應(yīng)用FTIR及SPAD儀測定不同溫度處理下玉米幼苗根、莖、葉中有機(jī)大分子含量變化和葉綠素含量，研究根區(qū)溫度對玉米生長的作用機(jī)理，為全球氣候變暖土壤溫度升高背景下玉米綠色安全生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 材料與設(shè)計

供試玉米為抗逆性較好的保綠型品種陜單609(SD609)和抗逆性較差的衰老型品種陜單902(SD902)，由農(nóng)業(yè)部西北旱區(qū)玉米生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室提供。 選擇飽滿一致的玉米種子經(jīng)70%的酒精消毒5 min，放入蒸餾水中浸種12 h，再放入發(fā)芽盒中催芽2 d后選取生長一致的幼苗，定植于裝有10L的1/2霍格蘭營養(yǎng)液的塑料盒(40 cm×30 cm×12 cm)中，每盒24株，每個品種3個處理，每個處理3盒，放于24 ℃恒溫培養(yǎng)室繼續(xù)培養(yǎng)，待幼苗長至一葉一心時，在塑料盒中放入變頻恒溫加熱棒(中山市日寶公司生產(chǎn)，功率100 W，控溫精度±0.2 ℃)進(jìn)行精確根區(qū)增溫處理，處理如下： 根區(qū)中溫處理(MT，恒溫加熱設(shè)備使水溫保持在30 ℃)、根區(qū)高溫處理(HT，恒溫加熱設(shè)備使水溫保持在36 ℃)、對照(CK，根區(qū)不增溫，溫度保持在24 ℃，此溫度依據(jù)陜西關(guān)中地區(qū)大田春玉米苗期土壤溫度設(shè)定)。

1.2 測試分析

1.2.1 根系活力測定

處理8 d后，采用TTC法進(jìn)行根系活力測定[8]。

1.2.2 葉綠素含量

處理8 d后，利用SPAD-502葉綠素測量儀測定玉米幼苗最后一片展開葉的葉綠素含量。

1.2.3 傅里葉變換紅外光譜分析

處理8 d后，將玉米幼苗根、莖、葉烘干，磨碎然后過0.2 mm網(wǎng)篩，將樣品與溴化鉀(KBr)按1∶100的比例混合后，放入瑪瑙研缽中研磨混勻，進(jìn)行壓片，采用傅里葉變換紅外光譜儀(Tensor Ⅱ，德國布魯克)測定玉米幼苗根、莖、葉的光譜特征(掃描范圍4 000～400 cm-1，分辨率2 cm-1，掃描次數(shù)64次)。

2 結(jié)果與討論

2.1 根區(qū)增溫處理對玉米根系活力和葉綠素含量的影響

隨著根區(qū)溫度升高，兩個品種根系活力呈先上升后下降的趨勢[圖1(a)]，MT處理下SD609與SD902根系活力分別較對照升高18.72%和13.61%(p<0.05)，在CK和MT處理下SD902根系活力要略高于SD609； HT處理下兩品種根系活力迅速下降，與CK相比SD609根系活力下降18.50%(p<0.05)，而SD902根系活力下降38.53%(p<0.01)，在36 ℃根區(qū)高溫處理下SD902根系活力要比SD609低20.03%(p<0.05)。 可見，根區(qū)高溫條件下SD609更能維持較高的根系活力。

在不同根區(qū)溫度處理下，SPAD值差異顯著[圖1(b)]，且都是中溫處理SPAD值最高，高溫處理SPAD值最低，兩者之間差異達(dá)到極顯著(p<0.01)。 與對照相比，SD609中溫處理SPAD值升高了5.79%(p<0.05)，高溫處理降低了13.22%(p<0.05)。 SD902中溫處理與對照相比SPAD值升高了12.75%(p<0.05)，高溫處理降低了22.89%(p<0.05)。 可見，保綠型玉米品種SD609在溫度變化下葉綠素合成比較穩(wěn)定，高溫脅迫下能夠維持相對較高的葉綠素含量； 而衰老型玉米品種SD902在溫度變化下葉綠素合成變化幅度較大，玉米幼苗期適當(dāng)?shù)脑黾痈鶇^(qū)溫度有利于葉綠素含量的顯著升高，但根區(qū)溫度過高會顯著降低玉米幼苗期葉片葉綠素含量。

圖1 不同根區(qū)溫度處理下玉米幼苗根系活力和SPAD值

2.2 玉米根FTIR分析

不同根區(qū)溫度處理下玉米幼苗主要官能團(tuán)及其FTIR的特征波長見表1。 在不同根區(qū)溫度處理下，玉米幼苗根系的傅里葉變換紅外光譜的特征峰位置無顯著差異，但不同品種及不同處理各個官能團(tuán)對應(yīng)特征波長的透射率有顯著差異(圖2)。 兩個品種根區(qū)高溫處理在3 330，2 927和1 055 cm-1處透射率高于中溫處理和對照。 由于3 330 cm-1附近的吸收峰是由碳水化合物中的飽和O—H以及蛋白質(zhì)、氨基酸、核酸的N—H伸縮振動的疊加效應(yīng)產(chǎn)生(表1)，所以根區(qū)高溫處理在此處的透射率高于其他處理，說明36℃根區(qū)高溫對玉米幼苗期根系生長有一定抑制作用，而中溫處理此處透射率較其他處理顯著降低，其中以SD902根區(qū)中溫處理下降幅度最明顯，而SD609隨著根區(qū)溫度的變化差異相對較小。 說明衰老型玉米SD902根系對根區(qū)溫度反應(yīng)較為敏感，適當(dāng)?shù)靥岣吒鶇^(qū)溫度有利于玉米幼苗的生長發(fā)育。 2 927 cm-1附近的吸收峰是脂類化合物中飽和—CH2中的C—H伸縮振動產(chǎn)生(表1)，此峰主要來自細(xì)胞內(nèi)各種膜及細(xì)胞壁的成分，SD609根區(qū)中溫處理此處透射率略低于根區(qū)高溫處理和對照，處理間差異不大，SD902根區(qū)中溫處理與對照無顯著差異，而根區(qū)高溫處理此處透射率要顯著高于對照，說明36 ℃根區(qū)高溫脅迫對SD902幼苗期根系細(xì)胞壁、細(xì)胞膜及其他的一些膜結(jié)構(gòu)有破壞作用。 1 055 cm-1附近吸收峰由多糖中的C—O和C—C伸縮振動產(chǎn)生(表1)，根區(qū)增溫對玉米幼苗根系中多糖的影響較為明顯，從圖3可以看出，隨著根區(qū)溫度的升高，各個根系多糖含量呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，且36 ℃處理下SD902多糖含量最低。 說明根區(qū)增溫有利于玉米幼苗期根系多糖積累，但溫度過高反而會使多糖含量迅速降低，而衰老型玉米品種SD902根系多糖含量受根區(qū)溫度影響較大。

表1 玉米植株主要有機(jī)物、官能團(tuán)及其對應(yīng)的FTIR特征波長

另外，兩品種根區(qū)高溫處理后在1 639，1 515，1 350和1 250 cm-1處透射率有不同程度的降低。 1 750～1 500 cm-1波數(shù)中的1 639 cm-1吸收峰是酰胺化合物中的氨基酸、多肽類物質(zhì)中N—H變形振動產(chǎn)生，另外1 350 cm-1附近的吸收峰為蛋白質(zhì)中—CH2和—CH3的彎曲振動(表1)，相比于中溫處理和對照，SD902和SD609根區(qū)高溫處理在1 750～1 500和1 296～1 352 cm-1處透射率有較為明顯的降低，表明了根區(qū)高溫脅迫下玉米幼苗根系蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽含量是升高的，這可能與高溫脅迫下氨基酸的積累效應(yīng)與植物的抗逆性有關(guān)，同時由于植物的抗逆機(jī)制，在1 250 cm-1附近核酸降低，以此來合成大量的酶和蛋白質(zhì)來應(yīng)對根區(qū)高溫脅迫，相對于衰老型品種SD902，保綠型品種SD609的根系抗高溫機(jī)制明顯增強(qiáng)。

圖2 不同根區(qū)溫度處理下玉米幼苗根系的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)譜圖

2.3 玉米莖FTIR分析

在根區(qū)高溫脅迫下，各品種玉米幼苗莖的紅外光譜在3 330，2 927，1 639，1 515，1 350，1 250和1 055 cm-1處透射率有不同程度的升高，根區(qū)增溫處理對不同品種莖稈發(fā)育影響程度不同，SD902各處理間差異較大，SD609各處理在3 330和1 055 cm-1處有顯著差異，其他特征波長處差異較小，與根系對根區(qū)高溫反應(yīng)不同，各品種莖稈在根區(qū)高溫脅迫下蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽及核酸含量也有所降低，SD902降低幅度最為明顯。 同時，各品種根區(qū)中溫脅迫莖稈中碳水化合物、蛋白質(zhì)、核酸以及多糖含量要高于對照。 由此可知，根區(qū)溫度的變化對玉米幼苗期莖稈中主要有機(jī)物含量有顯著影響，莖稈中的蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽、多糖、核酸含量隨著溫度的升高呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，在36 ℃高溫處理下各種物質(zhì)含量最低，適當(dāng)提高根區(qū)溫度有利于玉米幼苗期莖稈的發(fā)育，但高溫脅迫顯著阻礙了其玉米莖稈中的內(nèi)源物質(zhì)合成，造成莖稈發(fā)育不良。 衰老型品種SD902莖稈發(fā)育受根區(qū)高溫影響明顯大于保綠型品種SD609，相對于衰老型品種，在根區(qū)高溫脅迫下，保綠型品種莖稈中具有相對穩(wěn)定的蛋白質(zhì)、核酸以及多糖合成。

2.4 玉米葉FTIR分析

不同根區(qū)溫度處理的玉米幼苗期葉片紅外光譜譜圖存在一定差異(圖4)，但與根系、莖稈相比，不同處理間差異較小； 兩品種在3 330，2 927，1 639，1 515，1 350，1 250和1 055 cm-1波數(shù)特征峰處透射率總體上表現(xiàn)為HT>CK>MT，CK與HT之間差異不顯著，SD609 MT處理在3 330和1 055 cm-1處透射率較低，SD902 MT處理在3 330，1 639，1 515，1 350，1 250和1 055 cm-1處透射率有顯著降低。 說明本試驗根區(qū)溫度對于玉米幼苗期葉片主要有機(jī)物含量的影響要比對根系和莖稈的影響小，根區(qū)溫度對SD609葉片多糖含量以及SD902葉片多糖、蛋白質(zhì)、核酸含量影響較大，過高根區(qū)溫度不利于植物葉片中多糖、蛋白質(zhì)、核酸的合成。

圖3 不同根區(qū)溫度處理下玉米幼苗莖稈的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)譜圖

圖4 不同根區(qū)溫度處理下玉米幼苗葉片的傅里葉變換紅外光譜(FTIR)譜圖

氮和鎂是葉綠素的基本組成成分，鐵、錳、鋅、銅等元素在葉綠素合成中有重要作用[11]，這些葉綠素合成需要的營養(yǎng)元素主要通過植物根系吸收，根系生長發(fā)育及吸收能力可能是造成不同根溫條件下玉米幼苗期葉綠素差異的主要原因，根區(qū)溫度可以通過調(diào)控玉米幼苗根系活力來間接影響葉綠素含量。

實驗發(fā)現(xiàn)，根區(qū)溫度影響了玉米幼苗期根、莖、葉的傅里葉紅外光譜特征，適當(dāng)提高根區(qū)溫度有利于玉米幼苗期根、莖、葉碳水化合物尤其是多糖含量的提高，以及葉片莖稈中蛋白質(zhì)、核糖含量的升高。 而當(dāng)根區(qū)溫度過高時，玉米幼苗期根、莖、葉碳水化合物、脂類、含量下降，以碳水化合物含量下降幅度最為明顯，這與前人研究發(fā)現(xiàn)的玉米在根區(qū)高溫脅迫下干物質(zhì)積累量快速下降這一現(xiàn)象一致[5]； 同時，莖稈和葉片中蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽、核酸含量也有所下降。 根區(qū)溫度對玉米幼苗期各個器官的影響程度表現(xiàn)為根系>莖稈>葉片。 衰老型品種SD902對根區(qū)溫度反應(yīng)較為敏感，根區(qū)中溫處理下SD902長勢要略優(yōu)于SD609； 但在36 ℃根區(qū)高溫脅迫下SD902根、莖、葉中多糖含量明顯下降，同時根系中脂類含量也出現(xiàn)較為明顯的下降，表明保綠型品種SD609比衰老型品種SD902具有更好的耐熱性。

根區(qū)高溫處理下，蛋白質(zhì)、氨基酸、多肽以及核酸含量有所升高，這主要是由于植物的抗逆機(jī)制。 有研究表明，高溫脅迫可以促進(jìn)抗逆性相關(guān)的酶以及蛋白質(zhì)尤其是可溶性蛋白的生成[12]，本試驗中玉米根系可能通過核酸轉(zhuǎn)錄翻譯出大量氨基酸、蛋白質(zhì)來形成相關(guān)的酶和可溶性蛋白以抵御根區(qū)高溫脅迫。 根區(qū)高溫條件下玉米根系脂類化合物含量降低明顯，這可能是過高的溫度破壞了根系的生物膜系統(tǒng)。 而玉米莖稈和葉片中蛋白質(zhì)、脂類以及核酸含量的變化可能主要與不同處理間根系的吸收及輸送功能有較大的關(guān)系。 根區(qū)增溫處理下玉米幼苗期各個器官碳水化合物含量變化最明顯且呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，可能有以下幾點原因： 首先植物生長所需糖類主要由葉片光合作用產(chǎn)生并運(yùn)送到各個器官，根區(qū)增溫處理通過影響根系的吸收功能，從而影響了玉米葉綠素的含量，從源頭上導(dǎo)致了不同處理玉米各個器官碳水化合物的差異； 其次不同器官不同處理之間碳水化合物含量差異的顯著性不同，根系差異最大，而葉片差異最小，這可能是因為根區(qū)土壤溫度影響了玉米輸導(dǎo)組織的運(yùn)輸效率。 有研究表明，高溫脅迫可以影響植物維管束的發(fā)育[13]，本試驗中根區(qū)高溫脅迫可能使玉米幼苗各部分維管束發(fā)育不良，從而導(dǎo)致葉片生成的光合產(chǎn)物運(yùn)輸受阻，另外，根區(qū)增溫可能會影響植物尤其是根系的呼吸作用，溫度升高呼吸作用也會升高，碳水化合物消耗速率也會加快[14]，這可能也是造成不同處理間碳水化合物差異的一個重要因素。

3 結(jié) 論

玉米幼苗根系活力和葉綠素含量與土壤溫度顯著相關(guān)(p<0.05)，適當(dāng)提高根區(qū)溫度有利于植物根系活力及葉綠素含量的升高，但根區(qū)溫度過高會降低玉米幼苗期的根系活力及葉綠素含量，研究發(fā)現(xiàn)，衰老型玉米品種SD902在根區(qū)高溫脅迫下葉綠素含量下降最明顯，耐熱性較差； 而保綠型品種SD609的耐熱性相對較好，根區(qū)高溫脅迫下葉綠素含量下降幅度較小。 兩品種根區(qū)增溫處理下根系活力變化與葉綠素含量變化趨勢相似，在高溫脅迫下，相對于衰老型品種，保綠型品種具有更好的根系吸收能力。