低溫脅迫對不同基因型玉米幼苗的影響

張海嬌 鄒原東 李志強(qiáng) 韓振芹

摘要 以不同基因型玉米品種鄭單958、京科968、先玉335、農(nóng)大108、京農(nóng)科728和正大615為試驗(yàn)材料，在玉米苗期進(jìn)行低溫脅迫，分別在0、2、4 d采集玉米植株樣品進(jìn)行測定，通過比較玉米幼苗株高、株重、丙二醛含量、脯氨酸含量以及可溶性糖含量的變化，研究低溫對不同基因型玉米幼苗的影響。結(jié)果表明，在常溫（25 ℃）和低溫脅迫（5 ℃）的培養(yǎng)條件下，京科968和京農(nóng)科728的株高均高于先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108，其中京科968的株高顯著高于其他基因型玉米幼苗。5 ℃低溫脅迫條件下，京科968和京農(nóng)科728的株重顯著高于先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108。低溫脅迫（5 ℃）0、2和4 d條件下，京科968和京農(nóng)科728種子的丙二醛（MDA）含量和脯氨酸均低于其他基因型玉米幼苗，可溶性糖含量在不同基因型玉米幼苗間呈相反趨勢，在低溫脅迫4 d后優(yōu)勢更明顯。在低溫脅迫下，京科968、京農(nóng)科728表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐冷性，該研究為解決目前玉米生產(chǎn)中遇到的低溫冷害問題提供理論參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞 玉米幼苗;低溫脅迫;耐冷性

中圖分類號 S 513? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A? 文章編號 0517-6611（2021）20-0048-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2021.20.013

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effects of Low Temperature Stress on Seedlings of Different Genotypes Maize

ZHANG Hai-jiao， ZOU Yuan-dong ，LI Zhi-qiang et al

（Beijing Vocational College of Agriculture， Beijing 102442）

Abstract Six widely planted maize varieties in China， including Jingke 968 （JK968）， Jingnongke 728 （JNK728） ， Xianyu 335 （XY335） ， Zhengdan 958 （ZD958） ， Zhengda 615 （ZD615） and Nongda 108 （ND108） were used as materials. Low temperature stress was used in maize seedling stage. Plant samples were collected at 0 ， 2 and 4 d for determination. Experiment was conducted to study the effects of low temperature stress on the plant height， plant weight， proline content， malondialdehyde （MDA）， soluble sugar content of maize seedlings. Under normal temperature （25 ℃） and low temperature stress （5 ℃）， the plant height of JK968 and JNK728 were higher than those of XY335， ZD958， ZD619 and ND108. And JK 968 and JNK728 were significantly higher than those of other genotypes of maize seedlings. Plant weights of JK968 and JNK728 were significantly higher than those of XY335， ZD958， ZD615 and ND108 under 5 ℃. MDA and proline contents of JK968 and JNK728 seeds were lower than those of other genotypes of maize seedlings under low temperature stress for 0， 2 and 4 d. Soluble sugar content showed the opposite trend among different genotypes of maize seedlings， and the advantage was more obvious after 4 d of low temperature stress. JK968 and JNK728 showed the best cold tolerance under low temperature stress. The research results provided theoretical basis for solving the cold injury problems encountered in maize production.

Key words Maize seedlings;Low temperature stress;Cold resistance

基金項(xiàng)目? 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院院級項(xiàng)目（XY-NF-18-01）。

作者簡介 張海嬌（1988—），女，黑龍江雙鴨山人，講師，碩士，從事作物種質(zhì)資源創(chuàng)新與利用研究。

收稿日期 2021-03-11

玉米（Zea mays L.）是世界上種植最廣泛的作物之一，同時(shí)在糧食、飼料和工業(yè)等方面也發(fā)揮著重要作用，其生長情況與環(huán)境因子息息相關(guān)[1] 。玉米是典型的低溫敏感型作物[2]，近些年來，玉米生產(chǎn)中的低溫冷害等極端天氣頻發(fā)，尤其是在北方春玉米播種區(qū)，玉米出苗期間遭遇低溫冷害經(jīng)常導(dǎo)致玉米出現(xiàn)萌發(fā)緩慢、整齊度差、幼苗長勢弱等現(xiàn)象，甚至造成死亡，這已成為限制玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的主要環(huán)境因子之一[3-4]。長期以來，前人對低溫脅迫對玉米幼苗的影響進(jìn)行了大量的研究，許勇等[5]研究發(fā)現(xiàn)，低溫處理8 d后對西瓜幼苗的丙二醛含量進(jìn)行測定，結(jié)果表明對低溫較敏感的西瓜幼苗其丙二醛含量上升幅度明顯高于抗冷西瓜幼苗，對低溫較敏感的西瓜幼苗丙二醛含量約是抗冷西瓜幼苗的2倍。但是目前MDA含量的變化與低溫脅迫時(shí)間的相關(guān)性也存在不同說法[6]。植物在低溫脅迫等逆境條件下，脯氨酸含量往往有明顯積累，研究表明低溫可以明顯地增加玉米體內(nèi)的脯氨酸含量[7]。在低溫脅迫條件下，脯氨酸可以作為植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)起到維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)、防止細(xì)胞脫水以及調(diào)節(jié)細(xì)胞氧化還原反應(yīng)等作用，從而使植物具有一定的耐冷性[8] ?？扇苄蕴鞘堑蜏孛{迫條件下植物體內(nèi)呼吸作用的底物之一，可溶性糖含量的積累可以增加細(xì)胞持水組織中的非結(jié)冰水，降低細(xì)胞質(zhì)的結(jié)冰溫度，從而保護(hù)細(xì)胞質(zhì)膠體不會遇冷而凝固，因此可溶性糖的含量與植物的抗寒性呈正相關(guān)關(guān)系[9] 。鑒于此，筆者以近幾年我國玉米生產(chǎn)的主推品種為研究對象，研究低溫脅迫下玉米幼苗的生長特性和生理特性，以期尋求提高玉米抗冷性的高效、經(jīng)濟(jì)與實(shí)用的方法，為玉米的生產(chǎn)提供理論參考和指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試基因型玉米分別為鄭單958（ZD958）、京科968（JK968）、先玉335（XY335）、農(nóng)大108（ND108）、京農(nóng)科728（JNK728）、正大615（ZD615）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別將籽粒飽滿、無病斑的供試玉米種子放在 75%乙醇中浸泡 10 s，繼而用 5%次氯酸鈣溶液消毒10 min，蒸餾水反復(fù)沖洗3遍后，將種子置于培養(yǎng)皿中，放于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱內(nèi)催芽。將萌發(fā)后的玉米種子播在裝有草炭土的育苗盆中，置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，日溫/夜溫控制在25 ℃/18 ℃，光照強(qiáng)度為400 μmol/（m2·s），光照時(shí)間為12 h/d。待玉米幼苗長到3片葉子后，進(jìn)行低溫處理，日溫/夜溫控制在5 ℃，光照強(qiáng)度白天為300 μmol/（m2·s），晚上為100 μmol/（m2·s），光照時(shí)間12 h/d。低溫脅迫后分別在0、2、4 d進(jìn)行試驗(yàn)測定。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 株高測定。

隨機(jī)測定5株玉米苗期株高，從根部以上到幼苗生長點(diǎn)，求平均值。

1.3.2 重量測定。

利用電子天平測量玉米幼苗鮮重。

1.3.3 丙二醛（MDA）含量測定。

采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定丙二醛（MDA）含量[10]。

1.3.4 脯氨酸含量測定。

采用酸性茚三酮法測定脯氨酸含量（Pro）[10]。

1.3.5 可溶性糖含量測定。

采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[9]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和繪圖;采用SPSS 25軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫下不同基因型玉米幼苗株高的比較

由表1可知，在25 ℃下，不同基因型玉米品種間株高存在較大差異，京科968的株高顯著高于其他基因型玉米幼苗，其中京科968的株高較京農(nóng)科728、先玉335、鄭單958和正大615分別高12.02%、12.02%、16.15%、17.48%。低溫處理4 d后，各基因型玉米幼苗株高有所上升，其中京科968和京農(nóng)科728的株高顯著高于先玉335、鄭單958、農(nóng)大108和正大615。正大615株高增加較小，且株高顯著低于京科968、京農(nóng)科728、先玉335玉米幼苗，說明低溫脅迫對正大615株高有顯著影響，在低溫條件下京科968和京農(nóng)科728表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐低溫萌發(fā)能力。

2.2 低溫脅迫下不同基因型玉米幼苗株重的比較

由表2可知，在25 ℃下，京科968、京農(nóng)科728、先玉335、鄭單958的株重差異不顯著，農(nóng)大108的株重顯著低于其他基因型玉米幼苗。低溫處理4 d后，各玉米品種株重均有所增加，京科968的株重較京農(nóng)科728、先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別高28.30%、36.00%、44.68%、44.68%和58.14%。由此說明，在低溫條件下京科968較其他基因型玉米幼苗具有更強(qiáng)的耐低溫能力。

2.3 低溫脅迫下不同基因型玉米幼苗MDA含量比較

由圖1可知，隨著低溫脅迫時(shí)間的增加，參試基因型玉米幼苗的MDA含量均呈逐漸升高趨勢。其中，京科968和京農(nóng)科728幼苗的MDA含量均低于其他基因型玉米幼苗。京科968在低溫脅迫4 d后MDA 含量平均較先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別低20.41%、16.43%、27.78%和35.36%，京農(nóng)科728在低溫脅迫4 d后MDA含量較先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別低13.61%、9.29%、21.60%和29.83%。農(nóng)大108的MDA含量增加幅度最顯著，增加了0.83 μmol/g，正大615、先玉335、鄭單958次之，京農(nóng)科728和京科968的MDA含量增加較小，說明農(nóng)大108的耐冷性較弱，京農(nóng)科728、京科968的耐冷性較好。

2.4 低溫脅迫下不同基因型玉米幼苗脯氨酸含量比較

由圖2可知，隨著低溫脅迫時(shí)間的增加，不同基因型玉米幼苗脯氨酸含量呈增加趨勢，且差異顯著，增加幅度依次為農(nóng)大108>正大615>鄭單958>先玉335>京農(nóng)科728>京科968。在低溫脅迫2、4 d時(shí)，京科968和京農(nóng)科728的脯氨酸含量均低于其他基因型玉米幼苗，尤其在低溫脅迫4 d時(shí)優(yōu)勢更明顯。其中，京科968的脯氨酸含量較先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別低20.71%、24.74%、27.60%和36.51%，京農(nóng)科728的脯氨酸含量較先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別低2.92%、7.85%、11.35%和22.25%，說明農(nóng)大108的耐冷性較差，京農(nóng)科728、京科968131、先玉335的耐冷性較好。

2.5 低溫脅迫下不同基因型玉米幼苗可溶性糖含量比較

由圖3可知，在低溫脅迫條件下，不同基因型玉米幼苗的可溶性糖含量隨處理天數(shù)的增加呈升高趨勢，且差異顯著，京科968、鄭單958的可溶性糖含量增加幅度最明顯，京農(nóng)科728、先玉335和正大615次之，農(nóng)大108的可溶性糖含量增加幅度最小。其中，在低溫脅迫4 d后，京科968的可溶性糖含量較先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別高8.26%、10.18%、10.67%和11.66%，京農(nóng)科728的可溶性糖含量較先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別高3.48%、5.31%、5.78%和6.73%。因此，農(nóng)大108受低溫影響顯著，而京科968、京農(nóng)科728、鄭單958的耐冷性較好。

3 結(jié)論與討論

溫度是影響玉米種子萌發(fā)的重要因素之一[11-12]。低溫脅迫對玉米苗期的植株葉片和根系生長發(fā)育影響較大[13]。楊德光等[14]研究認(rèn)為，低溫脅迫降低幼苗株高、地上部及地下部干鮮重。該研究發(fā)現(xiàn)，與25 ℃培養(yǎng)條件相比，6個(gè)參試玉米品種在低溫脅迫條件下的株高及株重均受到影響，不同基因型間，京科968和京農(nóng)科728的株高和株重均高于其他品種，尤其在5 ℃低溫脅迫條件下優(yōu)勢更為顯著。丙二醛是植物在逆境脅迫條件下產(chǎn)生的一種對自身有害的物質(zhì)，因此玉米幼苗在逆境條件下，細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能遭到破壞，代謝功能失去平衡，活性氧在植株體內(nèi)大量積累，使得細(xì)胞脂過氧化作用不斷增強(qiáng)。該研究中，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，參試基因型玉米幼苗的丙二醛含量均呈明顯上升趨勢。其中，京科968和京農(nóng)科728幼苗的丙二醛含量均低于其他基因型玉米幼苗，農(nóng)大108的MDA含量增加幅度最顯著，正大615、先玉335、鄭單958次之，京農(nóng)科728和京科968的MDA濃度增加較小，這與對辣椒、夏威夷椰子等的研究結(jié)果一致[15-16]。脯氨酸具有調(diào)節(jié)植物細(xì)胞內(nèi)的滲透平衡，穩(wěn)定原生質(zhì)膠體及組織內(nèi)的代謝過程，防止細(xì)胞脫水，并能增加植物對逆境的適應(yīng)性作用，因此是植物體內(nèi)最有效的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一[17]。脯氨酸作為植物體內(nèi)的一種游離氨基酸對低溫比較敏感，前人對玉米苗期進(jìn)行低溫處理后，發(fā)現(xiàn)脯氨酸含量逐漸增加[18]，這與該試驗(yàn)所得的結(jié)論相同。低溫脅迫后玉米幼苗淀粉含量下降，維持滲透勢的糖類增加，從而增強(qiáng)玉米幼苗的抗凍性[19]。前人研究發(fā)現(xiàn)，作為眾多植物的呼吸作用底物，植物體內(nèi)的可溶性糖含量在低溫脅迫條件下會顯著增加[20-21]。該試驗(yàn)中，隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，參試玉米幼苗的可溶性糖含量顯著增加;在低溫脅迫4 d后，京科968的可溶性糖含量較先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別高8.26%、10.18%、10.67%和11.66%，京農(nóng)科728的可溶性糖含量較先玉335、鄭單958、正大615和農(nóng)大108分別高3.48%、5.31%、5.78%和6.73%?？傊?，植物在低溫脅迫下的表現(xiàn)是多方面的，因此研究玉米幼苗耐冷性時(shí)應(yīng)該根據(jù)多個(gè)指標(biāo)綜合衡量，該試驗(yàn)人工模擬低溫條件來研究玉米的耐冷性，只能初步判斷外源物質(zhì)對玉米耐寒性的影響，而且試驗(yàn)材料準(zhǔn)備較少，因此最準(zhǔn)確的變化趨勢仍有待進(jìn)一步研究。

在低溫逆境條件下，對不同基因型玉米幼苗的農(nóng)藝性狀及生理指標(biāo)的測定結(jié)果表明，低溫脅迫顯著抑制不同基因型玉米幼苗的生長，抑制幼苗株高和株重，促進(jìn)玉米幼苗MDA、脯氨酸和可溶性糖含量的增加。隨著低溫脅迫時(shí)間的延長，不同基因型玉米幼苗各個(gè)測定指標(biāo)的變化量差異顯著。可以初步判定不同基因型玉米幼苗對低溫脅迫的耐受性存在較大差異，在同等低溫脅迫條件下不同基因型玉米幼苗耐冷性關(guān)系為京科968、京農(nóng)科728耐冷性最優(yōu)，先玉335、鄭單958、正大615次之，而農(nóng)大108的耐冷性較弱。

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