噴施炭吸附聚谷氨酸對干旱脅迫下玉米幼苗生長的緩解效應

黨永富，曹麗茹，魯曉民，黨尊，邱天，段恩忠，邱軍政，田云峰

（1.河南遠東生物工程有限公司，河南 周口 466000；2.河南省農業(yè)科學院 糧食作物研究所，河南 鄭州 450002；3.河南省農業(yè)科學院 科研管理處，河南 鄭州 450002）

玉米具有較高的營養(yǎng)價值，是重要的糧、飼兼用作物和工業(yè)原料。近年來，我國玉米年種植面積平均為4 000 萬hm2，總產量占全球玉米總產量的比例僅次于美國[1]。干旱是重要的非生物脅迫之一，影響植物生理生化特性，進而影響植物的生長發(fā)育，導致作物產量和品質下降。干旱導致玉米減產20%～50%，是影響玉米產量和品質的主要因素之一[2]。因此，提高玉米抗旱性對保障國家糧食安全具有重要作用。

近年來，借助外部手段提高作物抗旱性的研究受到重視。耿楊陽[3]研究發(fā)現，噴施光碳核肥可以提高黃瓜的抗氧化酶活性，從而增強黃瓜的抗逆性。彭凌馨[4]研究發(fā)現，葉面噴鋅可以通過提高玉米的過氧化氫酶(Catalase，CAT)活性及葉綠素含量，進而提高玉米的抗旱性。王泳超等[5]研究發(fā)現，噴施γ-氨基丁酸保護了干旱脅迫下玉米幼苗的光合系統(tǒng)，從而增強了玉米的抗旱性。賈艷萍等[6]研究發(fā)現，產聚谷氨酸菌株發(fā)酵液增強了土壤的保水能力，提高了干旱脅迫下土壤的含水量，從而提高了玉米幼苗的抗旱性。炭吸附聚谷氨酸是在聚谷氨酸的基礎上經生物炭處理得到的新型材料。研究發(fā)現，噴施炭吸附聚谷氨酸可以改善土壤環(huán)境，提高小麥、玉米的產量[7-9]。目前，炭吸附聚谷氨酸在玉米上的研究多集中于其對產量的影響方面，對非生物脅迫下玉米形態(tài)和生理生化特性的影響鮮見報道，尤其是對干旱脅迫下多個玉米品種的生長緩解效應研究。為此，研究炭吸附聚谷氨酸對干旱脅迫下3 個玉米品種幼苗生長及生理生化特性的影響，以期為玉米抗旱高產栽培奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種為鄭單958、鄭單6122 和鄭單819，均由河南省農業(yè)科學院糧食作物研究所玉米遺傳育種室提供。供試炭吸附聚谷氨酸有機物葉面肥（簡稱炭吸附聚谷氨酸）由河南遠東生物工程有限公司生產，其主要成分為有機質（≥80.0 g/L）、聚谷氨酸（≥10.0 g/L）、水不溶物（≤10.0 g/L）。

1.2 試驗設計

采用盆栽試驗（盆子直徑為9 cm，高度為12 cm），在河南省農業(yè)科學院溫室中進行，環(huán)境設置：30 ℃光照16 h、26 ℃黑暗8 h，相對濕度為30%～50%。選擇籽粒飽滿的玉米種子播種于營養(yǎng)土中，每個玉米品種種植6 盆，出苗后，每個盆中保留5 株生長一致、健壯的玉米苗。三葉期進行干旱處理5 d，然后每個品種(6 盆)分別噴施清水(對照)和炭吸附聚谷氨酸(250 g炭吸附聚谷氨酸+30 kg水)。鄭單958 噴施清水處理為T1，噴施炭吸附聚谷氨酸處理為T2；鄭單6122 噴施清水處理為T3，噴施炭吸附聚谷氨酸處理為T4；鄭單819 噴施清水處理為T5，噴施炭吸附聚谷氨酸處理為T6。噴施5 d 后，測定每個處理玉米幼苗的生長及生理生化指標，每個樣品3次生物學重復。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標 每個處理選取3 株幼苗，根系洗凈后用根系掃描儀測定根表面積、根體積和根長，用精度為毫米的尺子測量株高，采用CI-203型葉面積儀(美國，CID 公司)測定單株的葉面積，采用烘干稱質量法測定地上部、地下部及總干質量，并計算根冠比。

1.3.2 生理生化指標 葉片相對含水量(Relative water content of leaves，RWC)采用稱質量法測定；葉片熒光參數Fv/Fm 用FMS-2 脈沖調制式葉綠素熒光儀測定；葉綠素含量采用80%丙酮提取—分光光度法測定；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮藍四唑光化還原法測定[10]，過氧化物酶（Peroxidase，POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[11]，CAT 活性參照文獻[12]測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[13]。

1.4 數據處理

采用Excel 2010 處理數據并作圖，使用SPSS 17.0軟件進行方差及主成分分析。

恢復系數=（炭吸附聚谷氨酸處理指標值-對照指標值）/對照指標值。

2 結果與分析

2.1 炭吸附聚谷氨酸對干旱脅迫下玉米幼苗生長的影響

由表1 可知，與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸提高了干旱脅迫下玉米幼苗的根長、根表面積、根體積、株高、葉面積、地上部干質量、地下部干質量、總干質量及根冠比，除鄭單6122 的株高、根冠比及鄭單819 的根冠比不顯著外，其余均達到顯著水平。其中，鄭單958 噴施炭吸附聚谷氨酸處理葉面積、株高和總干質量分別顯著提高了34.89%、29.92%和23.00%；鄭單6122 噴施炭吸附聚谷氨酸處理的葉面積、根長和根體積分別顯著提高了51.62%、40.14%和25.70%；鄭單819 噴施炭吸附聚谷氨酸處理葉面積、地下部干質量和株高分別顯著提高了53.30%、21.74%和13.62%。

綜上，噴施炭吸附聚谷氨酸后，3 個玉米品種的生長發(fā)育指標均有所提高，尤其是葉面積，表明炭吸附聚谷氨酸緩解了干旱對玉米生長的抑制作用。

2.2 炭吸附聚谷氨酸對干旱脅迫下玉米葉片相對含水量的影響

干旱脅迫下，植物吸收不到充足的水分導致體內的含水量下降，影響植物的正常生長。由圖1 可知，干旱脅迫后噴施清水，鄭單958、鄭單6122 和鄭單819葉片相對含水量無顯著差異。與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸后鄭單958、鄭單6122和鄭單819 的葉片相對含水量分別顯著提高了11.86%、10.17%和18.10%；鄭單819 的相對含水量顯著高于鄭單6122，而與鄭單958 無顯著差異。綜上，炭吸附聚谷氨酸可顯著提高干旱脅迫下玉米葉片的相對含水量，但對不同基因型玉米的作用效果存在差異。

2.3 炭吸附聚谷氨酸對干旱脅迫下玉米葉片葉綠素含量的影響

由圖2可知，與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸后，鄭單958、鄭單6122 和鄭單819 葉片的葉綠素含量分別顯著提高了18.90%、15.70%和19.30%。品種間比較發(fā)現，干旱脅迫后，無論噴施清水還是炭吸附聚谷氨酸，3 個玉米品種的葉綠素含量均無顯著差異。

2.4 炭吸附聚谷氨酸對干旱脅迫下玉米葉片Fv/Fm的影響

Fv/Fm 是PSⅡ最大光化學量子產量，反映PSⅡ反應中心光能轉換效率。圖3 顯示，干旱脅迫后噴施清水，鄭819葉片的Fv/Fm顯著低于鄭單958和鄭單6122，表明鄭單819 對干旱脅迫相對敏感。與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸后，鄭單958、鄭單6122和鄭單819的Fv/Fm分別顯著提高了5.01%、7.02%和10.05%；鄭單6122 葉片的Fv/Fm 顯著高于鄭單958，而與鄭819無顯著差異。

2.5 炭吸附聚谷氨酸對干旱脅迫下玉米葉片抗氧化酶活性的影響

由圖4 可知，干旱脅迫后噴施清水，鄭單958 和鄭單6122 的SOD 活性顯著高于鄭單819。與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸后，鄭單958、鄭單6122 和鄭單819 葉片的SOD 活性分別顯著提高了17.21%、26.61%和23.42%；鄭單6122 的SOD活性最高，顯著高于其他2個品種。

由圖4 可知，干旱脅迫后噴施清水，3 個玉米品種的POD 活性無顯著差異。與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸后，3 個玉米品種的POD 活性均顯著升高，而品種間無顯著差異。

由圖4 可知，干旱脅迫后噴施清水，鄭單958 葉片的CAT 活性顯著高于鄭單819，而與鄭單6122 無顯著差異。與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸后，鄭單958、鄭單6122 和鄭單819 葉片的CAT活性分別顯著提高了7.14%、9.86%和14.29%；鄭單819 葉片的CAT 活性最高，顯著高于鄭單958，與鄭單6122無顯著差異。

綜上，炭吸附聚谷氨酸可以增強干旱脅迫下玉米抗氧化酶活性，進而緩解干旱脅迫對細胞膜造成的損傷。

2.6 炭吸附聚谷氨酸對干旱脅迫下玉米可溶性蛋白含量的影響

細胞缺水時，細胞內滲透勢降低，吸水能力下降，此時植物會產生大量滲透調節(jié)物質以提升滲透勢，增強細胞的吸水能力?？扇苄缘鞍资且环N重要的滲透調節(jié)物質。由圖5 可知，干旱脅迫后噴施清水，3個玉米品種的可溶性蛋白含量差異顯著，從大到小依次為鄭單6122、鄭單958、鄭單819。與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸后，鄭單958、鄭單6122 和鄭單819 葉片的可溶性蛋白含量分別顯著提高了52.11%、38.41%和76.05%；3 個品種葉片可溶性蛋白含量差異顯著，以鄭單819最高，鄭單958次之。

2.7 玉米生長及生理生化指標恢復系數間的相關性分析

由表2 可知，玉米根長恢復系數與POD 活性恢復系數呈顯著正相關，株高恢復系數與地上部干質量恢復系數呈顯著正相關，葉綠素含量恢復系數與可溶性蛋白恢復系數呈極顯著正相關，總干質量恢復系數與地上部干質量恢復系數、地下部干質量恢復系數均呈顯著正相關，可溶性蛋白恢復系數與葉片相對含水量恢復系數呈極顯著正相關，表明玉米的個體生長是多個生理生化反應協(xié)同的結果，各指標間存在密切的關系。

2.8 玉米生長及生理生化指標恢復系數的主成分分析

為了確定炭吸附聚谷氨酸緩解玉米干旱的關鍵指標，依據各指標的恢復系數進行主成分分析（圖6），發(fā)現第一主成分和第二主成分對總方差的貢獻率分別為55.58%和44.42%。其中，葉片相對含水量、葉綠素含量和可溶性蛋白含量恢復系數具有較高的特征向量和特征值，表明這3 個指標是噴施炭吸附聚谷氨酸緩解玉米干旱的關鍵指標。

2.9 玉米幼苗生長及生理生化指標與總干質量的關聯(lián)分析

玉米總干質量是玉米生長狀態(tài)的一個重要指標。對玉米總干質量與生長形態(tài)和生理生化指標進行灰色關聯(lián)分析（表3），發(fā)現玉米總干質量與葉綠素含量、根冠比、Fv/Fm 關聯(lián)度較高，關聯(lián)系數分別為0.566 4、0.454 9、0.449 1；與抗氧化酶POD、SOD 和CAT 活性的關聯(lián)系數較高，分別為0.429 9、0.418 2和0.400 1。

表3 玉米生長及生理生化指標與總干質量的灰色關聯(lián)分析Tab.3 Grey correlation analysis between growth，physiological and biochemical indexes and total dry weight of maize

3 結論與討論

干旱是影響玉米產量與品質的重要因素之一，缺水時，玉米通過生理生化的改變積極響應干旱脅迫，從而減輕干旱脅迫對自身生長帶來的不良影響。研究發(fā)現，當植物體內缺少水分時，會影響植物的細胞分裂，導致植株矮小，甚至降低產量[14-16]。本研究發(fā)現，與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸顯著提高了干旱脅迫下玉米幼苗的株高、根長、根表面積、根體積、根冠比、地上部和地下部及總干質量，表明炭吸附聚谷氨酸可以增強玉米對干旱脅迫的適應能力，與陳東義等[9]在小麥上的研究結果相似。

植物缺少水分時，其生理反應會受到嚴重的影響。干旱脅迫下，玉米葉片的相對含水量較正常生長條件下明顯下降[17-19]。張富國等[20]研究發(fā)現，干旱脅迫下，玉米自交系葉片葉綠素含量明顯下降，但抗旱性較強玉米自交系的葉綠素含量高于對水分敏感的玉米自交系。本研究發(fā)現，與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸后，鄭單819、鄭單958和鄭單6122 的葉片相對含水量、葉綠素含量和Fv/Fm 值均顯著升高，這與王泳超等[5]在干旱脅迫下噴施γ-氨基丁酸提高了玉米葉片相對含水量、葉綠素含量和Fv/Fm 的研究結果類似，但是兩者的作用原理尚有待進一步研究。

水分缺失會造成植物體內活性氧的增加，進而對氨基酸殘基造成破壞，形成羰基衍生物，還會使一些含有金屬的酶失活[21-22]，此時植物細胞內清除活性氧的酶促體系SOD、CAT、POD活性和抗氧化物質含量上升，清除植物體內多余的活性氧，以維持植物的正常生理生化狀態(tài)。本研究發(fā)現，干旱脅迫后，與噴施清水處理相比，噴施炭吸附聚谷氨酸顯著提高了玉米葉片的SOD、POD、CAT 活性，有效緩解了干旱脅迫對玉米細胞膜的損害。楊麗文等[23]研究發(fā)現，外源施加γ-氨基丁酸能提高番茄幼苗SOD、POD、CAT 活性，進而有效緩解脅迫帶來的損傷。另外，本研究還發(fā)現，噴施炭吸附聚谷氨酸對3個玉米品種的抗氧化酶活性的增強幅度不同，推測與玉米基因型有關。

滲透調節(jié)物質在植物缺水狀態(tài)下對維持細胞吸水起著重要的作用，可以改變細胞內的滲透壓，穩(wěn)定細胞內外的滲透勢差，維持細胞內各項生命活動的有序進行[24]?？扇苄缘鞍鬃鳛橹参镏匾臐B透調節(jié)物質之一，常被用作評價作物抗逆性的重要指標。本研究發(fā)現，與對照相比，噴施炭吸附聚谷氨酸可顯著提高干旱脅迫下玉米幼苗葉片的可溶性蛋白含量，有效緩解干旱脅迫造成的細胞內外滲透勢失衡，維持玉米的吸水能力和保水能力，與周靜云等[25]聚谷氨酸可提高水稻秧苗可溶性物質含量的研究結果類似。

玉米作為一個有機生命體，其體內的各項生理生化活動具有緊密的關聯(lián)性，研究相關指標間的關聯(lián)度及關鍵指標，對調控玉米的生長具有重要意義。張春宵等[26]通過相關性分析及主成分分析明確了玉米萌發(fā)期抗旱鑒定的關鍵指標。崔靜宇等[27]通過主成分分析等統(tǒng)計方法對10 個玉米品種苗期抗旱性進行了綜合評定。本研究結果顯示，噴施炭吸附聚谷氨酸后玉米生長及生理生化指標的恢復系數間具有緊密的聯(lián)系，其中葉片相對含水量、葉綠素含量和可溶性蛋白含量是炭吸附聚谷氨酸提高玉米苗期耐旱性的關鍵指標，為玉米抗旱栽培及培育抗旱新品種提供了參考。

玉米總干質量是對光合產物進行消耗、運輸和分配的結果，是玉米生長狀態(tài)和潛在產量的一個重要參考指標。韓學坤等[28]利用灰色關聯(lián)分析得出，單穗粒質量、百粒質量、穗長等是提高玉米產量的主要因素。本研究發(fā)現，玉米總干質量與葉綠素含量、根冠比、Fv/Fm 關聯(lián)度較高，與抗氧化酶活性也存在著較高的關聯(lián)度。張秀偉等[29]研究發(fā)現，SOD活性、葉綠素含量與玉米自交系產量存在較大的關聯(lián)度，與本研究結果相似。本研究結果為生產上使用炭吸附聚谷氨酸提供理論依據，為抗旱栽培提供技術支持，后期將系統(tǒng)地探究炭吸附聚谷氨酸緩解干旱脅迫對玉米生長抑制的分子機制。