低溫脅迫對(duì)玉米生理生化指標(biāo)的影響

郭　揚(yáng)

低溫脅迫對(duì)玉米生理生化指標(biāo)的影響

郭揚(yáng)

（濰坊工商職業(yè)學(xué)院山東濰坊262200）

文章以敏感型玉米品系先玉330及抗性品系先玉335為實(shí)驗(yàn)材料，經(jīng)低溫處理后，探究不同品系玉米生理生化的變化。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：低溫脅迫下玉米膜脂受損，導(dǎo)致細(xì)胞膜透性明顯增大；由于膜脂過(guò)氧化，丙二醛的含量也明顯升高；光合作用相關(guān)的數(shù)據(jù)指標(biāo)明顯呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，造成玉米干物質(zhì)的積累量下降；為了清除自身多余的活性氧，超氧化物歧化酶和過(guò)氧化氫酶的含量明顯升高，提高了玉米對(duì)低溫脅迫的抗性。通過(guò)了解玉米在低溫脅迫下的生理活性變化，以期為玉米的高效抗逆品系的選育提供理論基礎(chǔ)。

玉米；低溫冷害；低溫脅迫；生理調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)機(jī)制

低溫冷害是目前限制我國(guó)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要環(huán)境因素之一，特別是春季時(shí)節(jié)的倒春寒、秋季霜凍等，對(duì)我國(guó)作物苗期生長(zhǎng)及秋季收獲期的產(chǎn)量產(chǎn)生了巨大的影響[1]。有研究表明，低溫脅迫影響玉米的光合作用、呼吸作用、水分和營(yíng)養(yǎng)的吸收和運(yùn)輸?shù)雀鞣N生理過(guò)程。低溫脅迫下，植物細(xì)胞膜流動(dòng)性減弱，細(xì)胞液及離子的轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)出細(xì)胞受到抑制，因此保衛(wèi)細(xì)胞中水分缺失，造成氣孔阻力增大，導(dǎo)致氣孔部分甚至完全關(guān)閉，影響二氧化碳的吸收。此外，植物體內(nèi)進(jìn)行的眾多生理生化反應(yīng)，均需要酶的參與，低溫導(dǎo)致酶的催化活性降低，減緩了植物生化反應(yīng)[2]。

滲透調(diào)節(jié)是抵御低溫脅迫的重要方式。在寒冷條件下，植物體內(nèi)如可溶性糖、脯氨酸及部分離子等外泄，造成細(xì)胞滲透勢(shì)降低，而在高抗品種中細(xì)胞內(nèi)容物外泄程度低于敏感品系[3]。研究發(fā)現(xiàn)滲透調(diào)節(jié)是植物抗寒的重要機(jī)制，寒冷條件下細(xì)胞液濃度下降，導(dǎo)致保衛(wèi)細(xì)胞滲透壓下降，氣孔關(guān)閉；當(dāng)保衛(wèi)細(xì)胞中Ca2+、K+等離子濃度增大時(shí)，可以增強(qiáng)保衛(wèi)細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，保障二氧化碳的正常吸收，維持正常的光合作用。因此，離子、可溶性糖等的含量變化對(duì)維持細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力有著重要的作用。

植物在低溫脅迫下的膜脂過(guò)氧化損傷和細(xì)胞膜透性的增大是低溫對(duì)植物的另一傷害途徑[4]。低溫脅迫條件下，植物體內(nèi)細(xì)胞膜的成分磷脂發(fā)生過(guò)氧化反應(yīng)，產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化性的脂質(zhì)過(guò)氧化物和丙二醛（MDA）。生物膜損傷程度可以通過(guò)葉片電導(dǎo)值來(lái)檢測(cè)，電導(dǎo)值越大代表細(xì)胞膜損傷越嚴(yán)重。細(xì)胞膜的穩(wěn)定性實(shí)際上也反映了玉米不同品種的抗寒性，可以作為選育優(yōu)良抗逆性品系的一項(xiàng)生理指標(biāo)。在低溫脅迫下，對(duì)不同玉米品種進(jìn)行電導(dǎo)值的測(cè)定，電導(dǎo)值的范圍為25%～80%[5]。所以，清除細(xì)胞中的氧自由基是植物在低溫下的重要自我保護(hù)機(jī)制。植物體內(nèi)氧自由基的清除，主要依靠保護(hù)酶，包含超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）等，在清除生物體內(nèi)自由基方面具有重要作用。有研究選用15個(gè)抗性不同的玉米作為實(shí)驗(yàn)材料，在三葉期進(jìn)行低溫處理24 h之后，檢測(cè)發(fā)現(xiàn)CAT活性和SOD活性與玉米的抗性正相關(guān)，損傷嚴(yán)重的玉米品種中酶的活性明顯低于損傷較低的玉米品種中酶的活性[6]。研究發(fā)現(xiàn)，POD能夠清除植物體內(nèi)多余的過(guò)氧化氫，抑制過(guò)氧化氫進(jìn)一步反應(yīng)生成有毒害作用的氧自由基。另有研究發(fā)現(xiàn)，POD在不同的植物中參與低溫脅迫應(yīng)答的程度不同，在部分植物中POD只在幼苗期參與植物的低溫脅迫的應(yīng)答[7]。

綜上所述，低溫已經(jīng)成為世界性的限制各國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的環(huán)境問(wèn)題，前期關(guān)于低溫脅迫下玉米的抗逆性研究已經(jīng)有部分成果，特別是在形態(tài)指標(biāo)到生理生化指標(biāo)等方面獲得了十分重要的結(jié)論，但是得到的結(jié)果大都不能統(tǒng)一，結(jié)論差異性較大。因此，本研究以?xún)蓚€(gè)玉米品種為研究對(duì)象，設(shè)置低溫冷害和凍害，研究在低溫脅迫下，玉米苗期的生理生化指標(biāo)如滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、保護(hù)酶活性及光合作用等的變化，以期為玉米優(yōu)良性狀的選育提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)按照前期萌發(fā)實(shí)驗(yàn)選擇敏感型和耐冷型的2個(gè)玉米品種先玉330和先玉335。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料處理

將玉米種子經(jīng)75%的酒精消毒后，用無(wú)菌水沖洗表面多余的酒精；將營(yíng)養(yǎng)土混合少量蛭石的混合土壤滅菌，用于玉米幼苗的培養(yǎng)。

種期接種：將育苗基質(zhì)按草炭土∶田間土∶河沙=2∶2∶1的體積比混合均勻，澆透水，將消毒后的種子均勻點(diǎn)種于基質(zhì)上，于25 ℃溫度條件，16 h/8 h（光/暗）光周期，光強(qiáng)120 μmol/（m2·s）～400 μmol/（m2·s）下培養(yǎng)。

苗期接種：將生長(zhǎng)4周（三葉一心）、生長(zhǎng)狀態(tài)一致的幼苗移栽至含滅菌河沙的小盆中（直徑×高=11.5 cm×8 cm），每2 d噴施一次Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。

低溫脅迫處理：玉米長(zhǎng)到三葉一心時(shí)，在人工智能型培養(yǎng)箱（RXZ-0450）中進(jìn)行培養(yǎng)，低溫冷害（8 ℃）和凍害（0 ℃）處理，第1 d、2 d取樣進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

1.3.1 細(xì)胞膜透性的測(cè)定

取玉米同一位置的葉片，滅菌水洗凈，用打孔器打取小圓片（避開(kāi)大葉脈）。取適量小圓片于試管中，加入10 mL去離子水。將試管放入真空干燥器內(nèi)抽氣10 min，取出試管，間隔幾分鐘振蕩1次。在室溫（25 ℃）下保持30 min，用DDSJ-308A型電導(dǎo)儀測(cè)定外滲液的電導(dǎo)值。將試管放入沸水中水浴10 min，冷卻至室溫后，再測(cè)定電導(dǎo)值。細(xì)胞膜相對(duì)透性以?xún)纱坞妼?dǎo)值的百分比表示。

1.3.2 葉綠素含量的測(cè)定

隨機(jī)選取符合實(shí)驗(yàn)要求的葉片，插入到SPAD-502葉綠素儀測(cè)量其葉綠素含量。

1.3.3 MDA含量的測(cè)定

取玉米同一位置的葉片，用10%三氯乙酸（TCA）提取MDA，離心取上清液，加入0.6%硫代巴比妥酸（TBA），沸水浴15 min，迅速冷卻，利用比色法測(cè)定MDA含量。

1.3.4 SOD活性的測(cè)定

測(cè)定SOD的活性采用氯化硝基四氮唑藍(lán)光化還原法，其原理是SOD能夠抑制氮藍(lán)四唑（NBT）在光下的還原作用。在氧化物質(zhì)存在的條件下，核黃素被光還原，在有氧的條件下易再氧化產(chǎn)生O2-，可以將氮藍(lán)四唑還原為藍(lán)色的甲腙，并且在560 nm處有最大的吸光度，而SOD能夠清除O2-，從而抑制甲腙的形成，通過(guò)反應(yīng)體系中藍(lán)色的變化，可以計(jì)算SOD活性的大小。測(cè)定方法參考湯紹虎等[8]（2012）。

1.3.5 CAT活性的測(cè)定

測(cè)定CAT的活性采用高錳酸鉀滴定法，其原理是CAT能夠催化H2O2分解為H2O2和O2，可以根據(jù)H2O2的消耗量以及O2的生成量測(cè)定CAT活力的大小。H2O2在240 nm波長(zhǎng)下有一定的吸光值，可以根據(jù)吸光值的變化速度計(jì)算CAT的活性，測(cè)定方法參考湯紹虎等[8]（2012）。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗細(xì)胞膜透性的影響

由圖1可知，0 ℃處理下的兩個(gè)玉米品種葉片的細(xì)胞膜透性均大于8 ℃和25 ℃處理，說(shuō)明溫度越低，對(duì)細(xì)胞膜的傷害越大，電導(dǎo)物質(zhì)滲出增多。8 ℃處理對(duì)細(xì)胞膜通透性的影響程度不及0 ℃低溫處理，仍可以看出冷害的作用，并且耐冷型品種的細(xì)胞膜透性明顯低于敏感型品種。

圖1　低溫脅迫對(duì)不同玉米品種細(xì)胞膜透性的影響

2.2 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗光合作用的影響

由表1可以看出，在正常培養(yǎng)條件下不同玉米品種的光合指標(biāo)不同。低溫處理后，敏感品系先玉330和抗性品系先玉335的光合作用相關(guān)指標(biāo)都有相應(yīng)程度的下降，特別是0 ℃處理2 d之后，兩個(gè)品系的光合速率都有明顯的下降，但是抗性品系的下降程度明顯低于敏感品系，氣孔導(dǎo)度、細(xì)胞間二氧化碳濃度和葉綠素含量也都有相應(yīng)的下降。

表1低溫脅迫對(duì)玉米葉片光合指標(biāo)的影響

處理蒸騰速率（E）光合速率（A）氣孔導(dǎo)度（G）胞間CO2濃度（CI）葉綠素含量（SPAD） 先玉33025 ℃5.89±0.1214.4±0.15756.7±0.154418±0.10646.9±0.134 8 ℃ 1 d4.39±0.1454.3±0.12652.63±0.129398±1.6445.69±0.629 8 ℃ 2 d4.03±0.1783.92±0.12948.98±0.106384±3.14140.29±0.756 0 ℃ 1 d3.98±0.1533.56±0.13945.98±0.126376±5.32135.79±0.151 0 ℃ 2 d3.14±0.1253.26±0.11836.98±0.104354±6.17630.86±0.932 先玉33525 ℃6.19±0.7195.89±0.12560.56±0.107455±6.12655.96±0.965 8 ℃ 1 d5.78±0.1375.04±0.10858.76±0.104432±5.64952.98±1.256 8 ℃ 2 d5.04±0.1034.59±0.19850.89±0.109405±4.95648.85±1.563 0 ℃ 1 d5.23±0.1174.59±0.16551.72±0.128398±5.67650.79±0.688 0 ℃ 2 d4.89±0.1043.46±0.13248.24±0.261375±6.98545.89±1.985

2.3 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗丙二醛（MDA）的影響

MDA作為膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物，在一定程度上也可以反映植物受低溫傷害的程度。以生長(zhǎng)4周（三葉一心）的兩個(gè)品系的玉米為材料，經(jīng)低溫處理后，使用比色法測(cè)定MDA的含量，結(jié)果如圖2。低溫處理后兩個(gè)品系中的MDA含量明顯升高，而抗性品系先玉335中MDA含量上升幅度明顯低于敏感品系先玉330。

圖2　低溫脅迫對(duì)不同玉米品種MDA的影響

2.4 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗SOD活性的影響

超氧化物歧化酶（SOD）是植物在逆境條件下產(chǎn)生的自我保護(hù)的酶，能夠清除體內(nèi)多余的活性氧，防止細(xì)胞膜脂質(zhì)的過(guò)氧化。由圖3分析可知，低溫處理之后，兩個(gè)品系的玉米品種SOD活性明顯升高，且抗性品系的提升幅度明顯高于敏感品系。

圖3　低溫脅迫對(duì)不同玉米品種SOD活性的影響

2.5 低溫脅迫對(duì)玉米幼苗POD活性的影響

過(guò)氧化物酶（POD）是植物產(chǎn)生的一種氧化還原酶，能夠清除由于膜脂過(guò)氧化產(chǎn)生的過(guò)氧化氫，抑制氧自由基的產(chǎn)生，減弱膜脂的過(guò)氧化。由圖4可知，經(jīng)過(guò)低溫處理之后，玉米體內(nèi)POD活性明顯升高，且先玉335的POD活性提升幅度明顯高于先玉330。

圖4　低溫脅迫對(duì)不同玉米品種POD活性的影響

3 討論

玉米生長(zhǎng)發(fā)育的發(fā)芽期、苗期對(duì)低溫脅迫非常敏感。本研究采用生長(zhǎng)4周的幼苗進(jìn)行低溫處理下生理指標(biāo)的檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，隨著低溫脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，兩個(gè)品系均受到不同程度的生理?yè)p害。細(xì)胞膜具有選擇透過(guò)性，能夠允許部分分子、離子通過(guò)，但是低溫?fù)p傷會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞膜通透性增大。有研究發(fā)現(xiàn)，作物在低溫脅迫下細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致丙二醛含量明顯升高[9]。玉米是高光效作物，適合在較強(qiáng)的光下生長(zhǎng)，有研究發(fā)現(xiàn)逆境條件下，玉米光合色素含量降低，最終導(dǎo)致光合作用減弱，嚴(yán)重影響玉米有機(jī)物的積累[10,13]。本研究中抗性品種的受抑制程度明顯低于敏感品種，充分體現(xiàn)了選育優(yōu)良品種的重要性。

有研究發(fā)現(xiàn)，在逆境條件下，植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧大量積累，組織和器官受到氧化，會(huì)造成不可逆的損傷[11]。因此，為了清除體內(nèi)的活性氧，植物進(jìn)化了依靠保護(hù)酶的完整的清除活性氧的機(jī)制，細(xì)胞中產(chǎn)生SOD、POD、CAT等作為抗氧化系統(tǒng)的重要組成部分，能夠優(yōu)先清除生物體內(nèi)多余的氧自由基，提升細(xì)胞的防御能力，防止細(xì)胞損傷，維持細(xì)胞內(nèi)正常的生理生化反應(yīng)[12]。本研究中，在低溫脅迫下兩個(gè)玉米品種體內(nèi)的保護(hù)酶的含量都有明顯的上升，能夠有效地清除多余的活性氧，提高自身抵御低溫脅迫的能力。

有研究發(fā)現(xiàn)，可溶性糖、脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)也能夠穩(wěn)定植物滲透壓，提高植物的逆境調(diào)節(jié)能力，因此，滲透壓的調(diào)節(jié)的研究可以作為一種重要的研究作物抵御逆境脅迫的途徑[12]。植物體內(nèi)的眾多轉(zhuǎn)錄因子及其調(diào)控的功能基因也都在其逆境脅迫的應(yīng)答過(guò)程中發(fā)揮著不可替代的作用[14]。為了深入探究玉米抵御低溫脅迫的過(guò)程，除部分生理指標(biāo)外，生化分子途徑也可以作為深入研究的方向。

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10.3969/j.issn.2095-1205.2022.01.06

S513

A

2095-1205(2022)01-16-03

郭揚(yáng)（1991- ），男，漢族，山東諸城人，碩士研究生，助教，研究方向?yàn)檗r(nóng)學(xué)。