外源谷胱甘肽對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗的影響

李 林，杜 卓，侯 雯，張 凱，黃 浩，路運(yùn)才

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱150080）

0 引言

玉米(Zea mays L.)原產(chǎn)于中南美洲，是種植面積廣泛、重要的禾谷類作物，在人口日益增長(zhǎng)的當(dāng)今社會(huì)中具有顯著作用[1]。玉米為喜溫作物，其在生長(zhǎng)過(guò)程中高度依賴于適宜的溫度[2]。黑龍江在中國(guó)糧食生產(chǎn)中占主要位置，然而，隨著氣候溫差過(guò)大所引起的低溫?fù)p傷程度的加深，嚴(yán)重影響了東北春玉米的產(chǎn)量[3]。因此探究玉米對(duì)低溫的耐受性，對(duì)玉米增產(chǎn)采取合理有效措施，提高其對(duì)低溫的抵御能力具有重要意義。低溫脅迫是玉米的環(huán)境脅迫因子之一，其導(dǎo)致作物生長(zhǎng)受抑制、發(fā)育遲緩及產(chǎn)量減少[4-5]。當(dāng)農(nóng)作物遭遇低溫時(shí)，葉綠體形態(tài)明顯改變，阻礙葉綠素合成，分解加快[6]，造成葉片的光合作用受到抑制。在低溫條件下，活性氧含量緩慢積累，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)生改變，尤其細(xì)胞膜脂過(guò)氧化現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，細(xì)胞膜透性增大[7]。

目前，隨著綠色農(nóng)業(yè)的推進(jìn)和倡議，植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中。其中，褪黑素已作為生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中[8]。谷胱甘肽(GSH)是一種水溶性硫醇化合物，其在大多數(shù)植物組織中分布，能夠清除自由基及活性氧[9-10]。多年來(lái)，谷胱甘肽在許多植物代謝過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用[11]。它能夠直接或間接的控制細(xì)胞中的濃度，以保衛(wèi)植物免受逆境脅迫下的氧化應(yīng)激，谷胱甘肽與植物逆境的耐受性密切相關(guān)[12]。外源GSH能夠抵御植物對(duì)低溫、鹽脅迫、高溫等脅迫因子的損傷。同時(shí)，谷胱甘肽在多種作物上也有研究，如石竹、水稻、黃瓜、棉花等[13-16]。但在玉米低溫脅迫方面的研究較少。因此，本試驗(yàn)選用不同濃度的谷胱甘肽對(duì)培養(yǎng)至三葉一心的玉米幼苗進(jìn)行葉面噴施，研究外源谷胱甘肽在低溫脅迫下對(duì)玉米幼苗的影響，以利于谷胱甘肽在逆境的合理、有效地利用，為玉米減災(zāi)保產(chǎn)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料玉米種子選用‘鄭單958’。谷胱甘肽試劑購(gòu)自Macklin公司（CAS號(hào)：70-18-8）。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 供試玉米種子種植于150×140 cm塑料花盆中，待玉米幼苗生長(zhǎng)至三葉一心，設(shè)置谷胱甘肽6個(gè)處理水平，采用葉面噴施方法。（1）常溫+噴施去離子水，記為對(duì)照組（CK）；（2）只進(jìn)行低溫處理，記為L(zhǎng)T；（3）低溫處理+噴施0.5 g/L谷胱甘肽，記為G1；（4）低溫處理+噴施1 g/L谷胱甘肽，記為G2；（5）低溫處理+噴施1.5 g/L谷胱甘肽，記為G3；（6）低溫處理+噴施2 g/L谷胱甘肽，記為G4。每個(gè)處理3次重復(fù)，對(duì)玉米幼苗進(jìn)行葉面噴施3天后進(jìn)行低溫脅迫處理，溫度為10℃。光照條件：光照/黑暗(11 h/13 h)，培養(yǎng)3、5、7天后分別取其對(duì)應(yīng)植株用于測(cè)定各指標(biāo)。

1.2.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

（1）生長(zhǎng)指標(biāo)

玉米幼苗在低溫脅迫0、3、5、7天后，用卷尺測(cè)量各處理長(zhǎng)勢(shì)一致的玉米幼苗高度（基部到頂部），3次重復(fù)；剪下3株玉米幼苗葉片用清水沖洗干凈后，用濾紙吸干葉片表面水分，使用萬(wàn)分之一天平稱其葉片鮮重，然后將葉片放入80℃恒溫箱中，烘至恒重，稱量干重，計(jì)算葉片含水量。

（2）葉綠素

經(jīng)低溫處理0、3、5、7天，各處理取玉米幼苗葉片3株，參考鄒琦[17]方法并加以改進(jìn)測(cè)定葉綠素含量，各處理均設(shè)置3次重復(fù)。

（3）過(guò)氧化物酶活性測(cè)定

經(jīng)低溫處理0、3、5、7天，各處理取玉米幼苗葉片3株，參考趙平[18]方法并加以改進(jìn)測(cè)定過(guò)氧化物酶活性。各處理均設(shè)置3次重復(fù)。

（4）丙二醛

經(jīng)低溫處理0、3、5、7天，各處理取玉米幼苗葉片3株，采用硫代巴比妥酸法[19]測(cè)定丙二醛含量。各處理均設(shè)置3次重復(fù)。

（5）可溶性糖

經(jīng)低溫處理0、3、5、7天，各處理取玉米幼苗葉片3株，采用蒽酮比色法[20]并加以改進(jìn)測(cè)定可溶性糖含量。各處理均設(shè)置3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源谷胱甘肽對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)的影響

如表1所示，與對(duì)照相比，玉米幼苗在低溫逆境下生長(zhǎng)明顯遲緩，外施不同濃度谷胱甘肽處理則對(duì)其損傷具有減緩效果。葉面噴施谷胱甘肽3天后低溫處理第0天，CK與其他各處理間無(wú)顯著差異。低溫脅迫3天，CK、G1、G2、G3、G4比 LT 分別增加 16.11%、8.86%、5.82%、3.60%、6.44%，G2與G4之間無(wú)顯著差異性，其他處理之間存在顯著性差異；低溫脅迫5天，CK比LT處理增加20.02%；低溫脅迫7天，CK、G1、G2、G3、G4比LT分別增加26.28%、8.38%、7.06%、3.89%、5.29%，各處理與LT均存在顯著差異。

表1 谷胱甘肽對(duì)不同天數(shù)低溫脅迫下玉米苗高的影響

如表2所示，在不同天數(shù)低溫脅迫下，玉米幼苗葉片含水量隨著低溫天數(shù)的增長(zhǎng)而下降，但6個(gè)處理組玉米幼苗葉片含水量之間差異性并不顯著，在低溫脅迫0、3、5天后，葉片含水量無(wú)差異性，低溫脅迫7天后，G3、G4與LT處理表現(xiàn)顯著性差異，分別比LT處理高37.15%、31.31%。

表2 谷胱甘肽對(duì)不同天數(shù)低溫條件下玉米苗期葉片含水量的影響

2.2 外源谷胱甘肽對(duì)低溫條件下玉米苗期葉綠素值的影響

如圖1所示，通過(guò)低溫脅迫天數(shù)的延長(zhǎng)，各處理組葉綠素含量明顯下降。在脅迫3天后，G3、G4與LT處理表現(xiàn)無(wú)明顯差異，G1、G2、G4與LT相比葉綠素含量分別增加了9.97%、12.43%、3.96%；脅迫5天后，G4處理比LT處理增加了20.88%；脅迫7天后，LT處理與脅迫后第五天相比，葉綠素含量下降8.42%，且與G1、G3、G4存在顯著差異。

圖1 谷胱甘肽對(duì)不同天數(shù)低溫條件下玉米葉綠素含量的影響

2.3 外源谷胱甘肽對(duì)低溫條件下玉米苗期過(guò)氧化物酶活性的影響

如圖2所示，通過(guò)低溫脅迫天數(shù)的延長(zhǎng)，過(guò)氧化物酶活性先升高后逐漸下降。低溫脅迫后第0天，各處理組間的差異性不顯著；低溫脅迫3天后，G4與LT處理無(wú)明顯差異；低溫脅迫5天后，CK、G1、G2、G3、G4均高于LT處理下過(guò)氧化物酶活性，分別提高了9.37%、31.34%、7.98%、79.25%、40.55%，各處理與LT均存在顯著差異；低溫脅迫7天后，G1、G3與LT處理存在明顯差異，提高了33.44%、4.24%。

圖2 谷胱甘肽對(duì)低溫條件下玉米苗期過(guò)氧化物酶活性的影響

2.4 外源谷胱甘肽對(duì)低溫脅迫下玉米苗期丙二醛含量的影響

如圖3所示，低溫脅迫天數(shù)延長(zhǎng)，幼苗葉片體內(nèi)丙二醛含量平穩(wěn)升高。低溫脅迫0天后，各處理組之間差異性不顯著；低溫脅迫3天后，G1、G2、G4比LT下降了40.07%、29.96%、37.91%，分別與LT處理差異性顯著；低溫脅迫5天后，G1與LT處理表現(xiàn)明顯差異性，下降42.33%；低溫脅迫7天后，G1、G2、G3、G4與LT處理差異顯著，下降了28.46%、21.28%、24.47%、19.15%。

圖3 谷胱甘肽對(duì)低溫脅迫下玉米苗期丙二醛含量的影響

2.5 外源谷胱甘肽對(duì)低溫脅迫下玉米苗期可溶性糖含量的影響

如圖4所示，通過(guò)低溫脅迫天數(shù)的延長(zhǎng)，各處理玉米幼苗可溶性糖含量逐漸升高。在低溫3天后，G4比G3處理下降了31.95%，但無(wú)顯著差異；當(dāng)?shù)蜏孛{迫5天后，各處理組可溶性糖含量逐漸增加，G1與LT處理表現(xiàn)為顯著性差異，比LT降低了16.10%；在低溫脅迫7天后，低溫處理導(dǎo)致可溶性糖增多，LT處理可溶性糖含量最高，且與其他5各處理組差異性顯著。

圖4 谷胱甘肽對(duì)低溫脅迫下玉米苗期可溶性糖含量的影響

3 討論

低溫脅迫會(huì)造成植物體內(nèi)生長(zhǎng)代謝系統(tǒng)紊亂，植物的生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，嚴(yán)重時(shí)植物減產(chǎn)。分析結(jié)果表明，外源谷胱甘肽對(duì)低溫逆境下玉米幼苗生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，這與索琳格等[21]在低溫脅迫下谷胱甘肽促進(jìn)黃瓜幼苗生長(zhǎng)一致。

低溫脅迫會(huì)影響植物內(nèi)葉綠素分解加快，導(dǎo)致葉片萎蔫，植物生活活力受到傷害。分析結(jié)果表明，環(huán)境脅迫會(huì)使葉綠素含量下降，G1、G2、G3、G4的葉綠素含量高于LT處理，這與單長(zhǎng)卷等[22]對(duì)干旱脅迫下外源谷胱甘肽探究光合作用的研究相符。

低溫脅迫能夠降低植物抗氧化能力，造成細(xì)胞氧化傷害，外源谷胱甘肽通過(guò)提高植株抗氧化作用，延緩葉片衰老，從而加強(qiáng)植物對(duì)低溫的耐受性。本研究結(jié)果表明，在低溫脅迫下過(guò)氧化物酶活性先升高后降低，且外源施用谷胱甘肽的處理組過(guò)氧化物酶活性明顯高于LT處理組，這與Zhou等[23]對(duì)番茄和田娜等[24]對(duì)黃瓜幼苗的研究相符。

低溫逆境下植物細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝受阻，導(dǎo)致ROS的積累，損傷細(xì)胞膜系統(tǒng)，從而加重膜脂過(guò)氧化，產(chǎn)生丙二醛，丙二醛使膜流動(dòng)性降低，導(dǎo)致植物遭受傷害[25]。本研究結(jié)果表明，低溫冷害使葉片細(xì)胞中丙二醛濃度顯著上升，但外源施用谷胱甘肽可以明顯緩解植物受到的傷害，這一結(jié)果與單長(zhǎng)卷等[26]研究外源谷胱甘肽對(duì)鹽脅迫的影響相符。

當(dāng)受到低溫冷害時(shí)，植物細(xì)胞中可溶性糖含量增多，平衡細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)進(jìn)而保持組織水分能力，減輕低溫對(duì)植物的傷害。此分析結(jié)果表明，隨著低溫天數(shù)的延長(zhǎng)，植物體內(nèi)可溶性糖含量顯著上升，在葉面噴施后5天，LT處理的可溶性糖比第3天逐漸升高，同時(shí)通過(guò)外源谷胱甘肽處理后，G1、G2、G3、G4的可溶性糖含量明顯低于LT處理組，這一結(jié)果與王紹嫻[27]和溫澤林[28]研究鹽脅迫下外施谷胱甘肽對(duì)植物幼苗的影響一致。

4 結(jié)論

（1）葉片表面噴施外源谷胱甘肽能夠一定程度上提升低溫冷害下玉米幼苗的高度和葉片含水量。外施谷胱甘肽后3、5、7天，G1、G2、G3、G4各處理的玉米幼苗均高于LT處理，且達(dá)到顯著差異水平；由于低溫天數(shù)的延長(zhǎng)，幼苗葉片發(fā)生萎蔫，直到第7天，LT處理葉片含水量與G3、G4處理組差異性顯著，且數(shù)據(jù)表明，G3比LT處理高3.72%，處理效果最好。

（2）低溫脅迫下，谷胱甘肽提升了玉米葉片中葉綠素含量，谷胱甘肽處理第7天時(shí)，G2處理的葉綠素含量高于LT處理，且緩解效果最好。

（3）隨著低溫脅迫天數(shù)不斷增加，玉米過(guò)氧化物酶活性先上升后下降，在谷胱甘肽處理后5天，G1、G2、G3、G4的過(guò)氧化物酶活性均高于LT處理組，說(shuō)明外施谷胱甘肽可以增強(qiáng)植物體過(guò)氧化物酶活性，以除去低溫脅迫下的活性損傷，且處理后第5天可以看出，G3效果顯著。

（4）低溫冷害致使植物細(xì)胞內(nèi)MDA含量明顯的增加，在谷胱甘肽處理后0、3、5、7天，G1、G2、G3、G4的丙二醛含量均低于LT處理，且LT處理丙二醛含量與其他處理組之間存在顯著差異；第7天結(jié)果顯示，G1處理效果最好。

（5）低溫冷害使可溶性糖含量在玉米幼苗內(nèi)增加，外源施用谷胱甘肽后第7天，G1、G2、G3、G4的可溶性糖含量低于LT處理組，同時(shí)與LT處理組之間表現(xiàn)為顯著差異，與LT處理相比，G4可溶性糖含量降低51.22%，處理效果最好。