夏玉米苗期對不同時長干旱-復水的生理響應(yīng)機制

肖 鋼，蔡煥杰，沐 青，趙 龍

(1.西北農(nóng)林科技大學旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

干旱是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要非生物因素之一，提高作物抗旱性是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要舉措[1]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，干旱并非只對植物產(chǎn)生負面影響，一定程度的干旱脅迫能誘導對植物的生長發(fā)育以及后期產(chǎn)量的補償效應(yīng)，以彌補干旱脅迫期間作物遭受到的傷害和損失[2]。玉米是三大栽培作物之一，在干旱半干旱地區(qū)，有限的水資源不足以達到夏玉米正常灌溉需求[3-4]。而夏玉米苗期是適合進行水分調(diào)控的生育期之一[5-6]。因此，研究干旱-復水對夏玉米苗期的生理調(diào)節(jié)機制對探索作物生理活動有著重要意義。滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)干旱的關(guān)鍵過程，可以維持組織的代謝活動。脯氨酸的親水性極強，能穩(wěn)定原生質(zhì)膠體及組織內(nèi)的代謝過程[7]。在干旱脅迫下，葉片和莖的脯氨酸含量明顯增加，以維持細胞膨壓，但隨著脅迫時間的延長而有所下降[8-9]。這種調(diào)節(jié)不是無限制的，在受脅迫程度大于一定范圍時，植物組織的滲透調(diào)節(jié)能力下降[10-11]。干旱脅迫下植物細胞積累的活性氧破壞細胞功能，對作物生長和產(chǎn)量造成負面影響[12-13]。在正常條件下，植物細胞中產(chǎn)生的活性氧與其清除系統(tǒng)能夠保持平衡，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)以及過氧化氫酶(CAT)等抗氧化保護酶在清除活性氧的過程中發(fā)揮重要的作用[13-14]。而當環(huán)境脅迫長期作用于植株，產(chǎn)生的活性氧超出了活性氧清除系統(tǒng)的清除能力時，便引起活性氧累積產(chǎn)生氧化傷害，從而使細胞功能失常[15-16]。研究表明，丙二醛(MDA)含量在作物受到脅迫后會逐漸增大，且隨著脅迫程度的加劇，丙二醛含量上升趨勢更加明顯[17-18]。葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度以及胞間 CO2濃度反映了植株的光合能力[19-20]。研究表明，干旱脅迫在較短的時間里能夠造成部分氣孔的關(guān)閉，導致光合、蒸騰速率在脅迫初期就有了較大幅度的降低，隨著脅迫時間的延長，干旱脅迫可能引起光合結(jié)構(gòu)的異常，從而導致光合能力以及氣體交換參數(shù)的持續(xù)下降[21-22]；復水后，作物的光合以及氣體交換能力逐步恢復，而重度干旱脅迫將對作物光合能力產(chǎn)生不可逆影響[23]。

本研究在夏玉米苗期進行不同時長和程度的干旱處理，以期進一步闡明夏玉米在苗期干旱-復水環(huán)境下的生理調(diào)控機制，探討作物在干旱脅迫下光合、滲透調(diào)節(jié)以及抗氧化酶系統(tǒng)的動態(tài)變化過程，為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效用水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗在西北農(nóng)林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化試驗場(108°04′E，34°18′N)遮雨棚下進行。試驗區(qū)為大陸性暖溫帶季風氣候，海拔506 m，多年平均溫度12.5℃，多年平均降水量609 mm，多年平均蒸發(fā)量1 500 mm，全年無霜期210 d。2018年夏玉米苗期內(nèi)(7月)最高氣溫與平均氣溫動態(tài)變化如圖1。

1.2 試驗設(shè)計

供試玉米品種為吉祥1號，試驗采用桶栽方式，土壤類型為中壤土,取自西北農(nóng)林科技大學附近耕地0～20 cm土層。土壤砂粒(0.05～1.00 mm)、粉砂顆粒(0.05～0.005 mm)和粘粒(≤0.005 mm)分別占23.0%、30.0%和47.0%。1 m土層內(nèi)的田間持水量為24%，土壤干容重為1.31 g·cm-3。試驗采用長×寬×深度=30 cm×30 cm×40 cm的試驗方桶，每桶種植2株玉米，于出苗后選取長勢相同的定苗1株。為保證根部通氣性良好，在桶底打5個直徑為1 cm的小孔，鋪1 cm的砂過濾層來保證透氣性，為避免夏季桶內(nèi)土壤溫度過高，在桶四周包裹一層隔熱膜；每桶裝干土52.10 kg，在土的最上層鋪1 cm珍珠巖以減少水分蒸發(fā)。按200 kg·hm-2的施氮量、100 kg·hm-2的施磷量，換算出每桶施尿素2.37 g，磷酸二銨4.75 g。

本試驗一共7個處理，每個處理有5個重復，于2018年6月20日播種，五葉期開始進行干旱-復水處理。水分處理分別為：輕度干旱脅迫(W1)：60%～70%θf(田間持水量)；中度干旱脅迫(W2)：50%～60%θf；W1和W2處理各設(shè)3個脅迫時長處理，分別是7 d(T1)，10 d(T2)，13 d(T3)，其余時間充分供水。以正常供水(75%～85%θf)作為對照(CK)。控水方法為稱重法，每次在早上8∶00 進行灌水，具體灌水量見表1，其中CK為總灌水量。分別在脅迫前、脅迫期間每3 d取1次葉片樣品，在復水第3天、第6天取1次葉片樣品進行測定。

1.3 測定指標與方法

葉片光合參數(shù)：選擇氣候穩(wěn)定的晴天，于上午10∶00進行觀測，采用Li-6400便攜式光合儀測定

圖1 2018年7月夏玉米苗期最高氣溫與平均氣溫變化Fig.1 Variation of maximum temperature and averagetemperature in summer maize seedling in July 2018

光合參數(shù)，主要包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)。

脅迫生理指標：脯氨酸(Pro)含量使用磺基水楊酸法測定[24]；丙二醛(MDA)含量使用硫代巴比妥酸法測定[25]；超氧化物歧化酶(SOD)活性使用NBT光還原法測定[26]；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測定[27]。

采用SPSS 22、Microsoft Excel 2007和DPS 7.05進行數(shù)據(jù)處理分析，并且采用Origin 85進行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫-復水對夏玉米Pro含量的影響

如圖2所示，相較于CK處理，所有干旱處理組葉片中Pro含量均增高，在脅迫第3天達到峰值，W1和W2相較于CK分別提高32.7%和44.1%，且差異顯著。隨著脅迫時長增加脅迫的程度加劇，Pro含量逐漸減少，均在脅迫周期結(jié)束降低至CK水平。復水后，脅迫7 d和脅迫10 d的處理更有利于夏玉米Pro的累積，T1處理組在復水后呈先增后減趨勢，第3天累積含量最高；T2處理組在復水后呈增長趨勢，第6天累積量最高；而T3處理組在復水后的累積量無明顯變化。說明10 d脅迫時長更有利于刺激復水后的夏玉米提高滲透調(diào)節(jié)能力。

2.2 干旱脅迫-復水對夏玉米SOD和POD活性的影響

SOD是作物抗氧化系統(tǒng)抵御傷害的第一道防線，將脅迫產(chǎn)生的超氧陰離子反應(yīng)生成O2和H2O2。如圖3所示，脅迫期間，所有處理的SOD活性均呈先增后減趨勢，在脅迫3 d達到峰值，W1和W2相較于CK分別提高22.0%、12.4%，且差異顯著。隨著脅迫時長增加，脅迫程度加劇，T1處理組在第7天SOD活性降為最小值；T2處理組在第10天SOD活性降為最小值；而T3處理組在第10天SOD活性最小，到脅迫13 d便開始回升。復水后，SOD活性回升，T1處理組在第6天恢復至CK處理的活性水平；T2處理組在第6天W1和W2的SOD活性分別是CK處理的1.21倍和1.62倍；T3處理組在復水3 d活

表1 夏玉米苗期灌水量統(tǒng)計表/kg

性最高，W1和W2分別是CK處理的1.47倍和1.88倍，之后呈下降趨勢。長時間的水分脅迫加劇作物受到的脅迫程度，復水后SOD活性的升高也體現(xiàn)出作物的補償效應(yīng)。

POD 可以將SOD 產(chǎn)生的H2O2還原成為H2O，清除細胞內(nèi)H2O2。由圖4可見，葉片POD活性在輕度脅迫下有一定上升，在第3天相較于CK提高了28.5%，3 d之后便呈下降趨勢。而W2的POD活性呈下降趨勢，且低于CK水平。各處理下的POD活性均在脅迫周期結(jié)束降低至最小值；且脅迫時間越長，脅迫程度越大，POD酶的活性越低。復水后，POD活性均有回升，除W1T1處理下的玉米有顯著的升高，在復水第3天達到567.60 ug·g-1·min-1之外，其他處理均基本恢復至與CK處理相同的水平。

2.3 干旱脅迫-復水對夏玉米MDA含量的影響

MDA是植物細胞膜酯化最重要的產(chǎn)物之一，其大小可用來反映植物膜系統(tǒng)的受損程度。由圖5可得知，脅迫0～3 d，MDA含量基本不變，從3 d之后隨著脅迫時長和脅迫程度的加大，MDA累積量逐漸增多，3個試驗組均于脅迫最后1 d達到峰值，此時T1處理組的W1和W2處理分別為CK處理的1.5倍和2.02倍(圖5A),T2處理組的W1和W2處理分別為CK處理的1.47倍和2.2倍(圖5B),T3處理組的W1和W2處理分別為CK處理的2.4倍和3.81倍(圖5C)，且均達顯著性差異。復水后MDA含量迅速降低，逐漸恢復至與CK處理相同的水平。水分脅迫處理下，W2的MDA含量高于W1,且脅迫時間越長，MDA含量越高，細胞膜酯化程度更為嚴重。

注：BS：脅迫前；S3：脅迫3 d;S7:脅迫7 d;S10:脅迫10 d;S13:脅迫13 d;R3:復水3 d;R6:復水6 d。下同。Note: BS: Before stress; S3: Stress for 3 days; S7: Stress for 7 days; S10: Stress for 10 days; S13: Stress for 13 days; R3: Rehydration for 3 dasy; R6: Rehydration for 6 days. The same below.圖2 干旱脅迫-復水對夏玉米苗期脯氨酸(Pro)含量的影響Fig.2 Effects of drought stress and rewatering on proline content of maize in seedling stage

圖3 干旱脅迫-復水對夏玉米苗期超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響Fig.3 Effects of drought stress and rewatering on SOD activities of maize in seedling stage

圖4 干旱脅迫-復水對夏玉米苗期過氧化物酶(POD)活性的影響Fig.4 Effects of drought stress and rewatering on POD activities of maize in seedling stage

2.4 干旱脅迫-復水對夏玉米苗期葉片光合參數(shù)的影響

由圖6可見，干旱脅迫期間，夏玉米在不同脅迫水平下的Pn、Gs、Tr大小均表現(xiàn)為：CK >W1>W2，復水后各處理各參數(shù)值均高于其脅迫期間，且存在光合補償效應(yīng)，Pn表現(xiàn)為：W2>W1>CK。復水后T1處理組Pn、Gs、Tr均表現(xiàn)為W2>W1>CK，W1、W2顯著高于CK；T2處理組除Pn的W2外，其余指標在處理間無顯著性差異；而T3處理組各指標大小均表現(xiàn)為W2最高，且顯著高于W1及CK處理。由此可知，經(jīng)過中度水分脅迫鍛煉的夏玉米復水后的光合補償效應(yīng)更顯著，代謝能力更強。

2.5 夏玉米苗期抗性生理指標及光合參數(shù)的相關(guān)性分析

由表2可知，不同的干旱-復水處理下，Pro含量與SOD、POD活性呈極顯著正相關(guān)，POD活性與MDA含量呈極顯著負相關(guān)；SOD活性與Pn、Gs和Tr呈極顯著正相關(guān),MDA和Pro含量與Pn、Gs和Tr呈極顯著負相關(guān)，POD活性與凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率無顯著相關(guān)關(guān)系；凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率3個光合指標之間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。

圖5 干旱脅迫-復水對夏玉米苗期丙二醛(MDA)含量的影響Fig.5 Effects of drought stress and rewatering on MDA content of maize in seedling stage

表2 夏玉米苗期抗氧化系統(tǒng)、脯氨酸以及光合參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3 討 論

本試驗結(jié)果表明，夏玉米苗期受到不同水平、不同時長的干旱脅迫時，植株體內(nèi)脯氨酸(Pro)含量在脅迫期間先增大后減小，且W2>W1> CK；隨著脅迫時長增加，脅迫程度加劇，Pro含量降低明顯,脅迫13 d的累積量顯著低于脅迫10 d和脅迫7 d的累積量。說明在脅迫初期，水分虧缺可誘導植株提高體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)能力，避免對自身產(chǎn)生傷害，但隨脅迫程度的加劇，植物自身的滲透調(diào)節(jié)能力隨之降低；復水后，前期遭受傷害的植株進一步提高滲透調(diào)節(jié)能力，維持系統(tǒng)與脅迫傷害的平衡，產(chǎn)生補償累積效應(yīng)。本試驗脅迫10 d復水后的脯氨酸含量呈上升趨勢，可能此時已達峰值，后期還是會回落。T1脅迫時間短，因此峰值出現(xiàn)在復水第3天，T2峰值可能出現(xiàn)在復水第6天。由此可見，高強度的水分脅迫尤其是長時間脅迫后，夏玉米的補償效應(yīng)會減弱，甚至造成傷害。

超氧化物歧化酶(SOD)活性在脅迫期間呈先增大后減小的趨勢，在脅迫最后一天表現(xiàn)為CK>W2>W1，復水之后有明顯回升，且脅迫時間越長，復水后的SOD活性越高。劉佳等[28]對辣椒的研究中，隨著水分脅迫時間的延長，SOD活性也呈先增大后減小趨勢，而郝舒雪等[29]對番茄幼苗的研究中發(fā)現(xiàn)SOD活性在水分脅迫下呈持續(xù)升高趨勢。過氧化物酶(POD)活性在輕度脅迫下0～3 d有所提高，但在7 d 之后呈下降趨勢，而遭受中度脅迫的植株P(guān)OD活性持續(xù)呈下降趨勢，復水后雖有回升，但也僅達到與CK基本相同的水平。丙二醛(MDA)在脅迫期間呈增大趨勢，且W2>W1> CK，復水后迅速下降。杜彩艷等[30]在夏玉米苗期的研究中也得到相同結(jié)論。對比SOD和POD與MDA的變化趨勢，本研究發(fā)現(xiàn)，SOD、POD(W1)從脅迫前到脅迫3 d呈增大趨勢，有效抑制脅迫傷害(MDA基本保持不變)；隨著脅迫程度加劇，植物體內(nèi)保護酶系統(tǒng)活力和平衡遭到破壞，MDA含量增加，酶活性和Pro含量開始降低，復水后MDA含量回到正常水平。由此也可進一步證明上述結(jié)論。

結(jié)合對比氣溫變化和SOD、POD活性以及Pro、MDA含量變化， CK處理下Pro、MDA含量基本保持不變，而SOD活性表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，POD活性表現(xiàn)為持續(xù)減小趨勢。施春暉等[31]在對獼猴桃的研究中表明，SOD活性對溫度比較敏感，且與溫度呈正相關(guān)；方芳等[32]對夏玉米幼苗的研究表明，在高溫脅迫下，SOD 活性存在先上升后下降的現(xiàn)象，而POD活性在高溫處理中呈下降趨勢。本試驗發(fā)現(xiàn)，SOD在T3試驗組中脅迫第10天后活性開始增大，且基本達到與CK處理相同的水平；推測是因為脅迫第10天到脅迫第13天之間(7月24日至7月27日)氣溫降低，最高氣溫由36℃降低至32.6℃，平均氣溫由30.1℃降低至27.5℃。在水分脅迫和溫度的雙重影響下，氣溫降低減少溫度對作物的脅迫，減緩對SOD活性的抑制，故SOD活性有增高趨勢，復水后SOD的高活性仍在修復細胞膜所受到的損傷。

本試驗發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下，夏玉米葉片的Pn、Gs、Tr均小于CK，且W1>W2。其原因是水分脅迫影響氣孔的開張度，進而影響細胞內(nèi)外的氣體交換，導致進入細胞的CO2受阻，光合原料不足，光合能力下降。畢建杰等[21]也得出葉片凈光合速率隨著葉片含水量的下降而減小的結(jié)論。在復水過后，葉片的Pn、Gs、Tr均高于脅迫期間，且W2>W1，可見中度脅迫處理后夏玉米光合的補償作用相較于輕度脅迫處理更加明顯。

由表2可看出，SOD活性和Pro含量呈極顯著正相關(guān)，且在脅迫13 d的處理下，Pro的累積含量無明顯變化，SOD活性出現(xiàn)上升趨勢。由此可猜測在脅迫10 d夏玉米能承受的干旱脅迫達到閾值，可對此作進一步研究，探索夏玉米生理調(diào)節(jié)響應(yīng)機制所對應(yīng)的干旱閾值。

4 結(jié) 論

在苗期進行水分脅迫處理，夏玉米體內(nèi)Pro含量呈先增大后減少的趨勢，復水后回升，存在累積效應(yīng)，脅迫10 d的累積量最大，且中度脅迫的累積量大于輕度脅迫；SOD在脅迫期間呈先增大后減小趨勢，復水后有輕微增長，而且T1處理的SOD活性在復水6 d仍有明顯升高；POD在W1處理下呈先增大后減小趨勢，在第3天達到峰值，而W2處理下POD活性呈減少趨勢；MDA在脅迫期間呈上升趨勢，脅迫時長越長，MDA含量越高，復水后含量下降至正常水平。通過MDA的變化可以了解植物的受損情況，也能從側(cè)面驗證植物的滲透調(diào)節(jié)與抗氧化系統(tǒng)的調(diào)控機制。結(jié)合夏玉米的光合參數(shù)，中度脅迫(W1)處理下試驗組在復水后Pn、Gs、Tr均高于W1組和CK對照組。故在灌溉水量受到限制的條件下，從植物生理的角度來看，維持10 d土壤50%～60%田間持水量的灌水量較利于作物生長，作物在復水后的光合補償效果更加顯著，有利于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水。

致謝：感謝徐家屯、李亮、丁怡博等在試驗中以及論文寫作中給予我的支持與幫助。