干旱脅迫下甜玉米對施氮的生長生理響應

李永靖

摘 要 為揭示氮元素對干旱脅迫下甜玉米的影響機制，以甜玉米為試驗材料，分析了不同土壤水分條件（田間持水量為50%、65%、80%）下施氮對甜玉米生長生理的影響。結果表明：施加0.3‰尿素能有效改善輕度干旱脅迫（65%田間持水量）下甜玉米的生長狀況，且脯氨酸與可溶性糖含量增加，過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）活性上升。初步認為，在干旱脅迫程度較輕的情況下，通過施加氮素能提升甜玉米的抗旱性。

關鍵詞 抗旱栽培;甜玉米;氮肥;生長生理

中圖分類號：S513 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2022.07.021

玉米作為我國重要的糧食作物與工業(yè)原料，在我國農業(yè)經濟建設與糧食安全保障中發(fā)揮著重要作用[1]。玉米生長發(fā)育過程中需要大量的水分，然而我國多個玉米主產區(qū)水資源匱乏，加上落后的灌溉條件、旱災等影響，玉米產量不高[2-3]。甜玉米作為兩廣地區(qū)的一種主要農作物，其需水量極大，土壤水分條件對其產量與質量的影響顯著[4]。氮元素是作物生長發(fā)育中的關鍵營養(yǎng)元素，玉米需氮量大，以往研究證明施氮能有效提升玉米的生長量[5]，然而在干旱條件下施氮能否改善甜玉米的生長情況，以及其生理響應機制目前仍不明確。本試驗以市售的廣東省優(yōu)良甜玉米品種為材料，研究不同土壤水分條件下，通過施氮與未施氮處理，甜玉米生長量、滲透調節(jié)物質及膜系統(tǒng)保護酶活性的變化，探究干旱脅迫下施氮對甜玉米生長生理的影響。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗材料

甜玉米品種粵甜10號。

1.2 ?試驗方法

試驗采用盆栽的方法在防雨塑料大棚內進行。供試土壤為紅壤，pH值5.2，有機質含量為12.3 g·kg-1，有效磷含量為3.2 mg·kg-1，速效鉀含量為24.3 mg·kg-1，土壤最大持水量為16.8%。

將甜玉米播于裝有紅壤的塑料盆內，待玉米生長到4葉期時開始試驗。共設置3個土壤水分和2個施氮處理：土壤水分處理包括W1（田間持水量80%，正常水分條件）、W2（田間持水量65%，輕度干旱脅迫）、W3（田間持水量50%，重度干旱脅迫）;施氮處理為N1（CK，未施氮）、N2（0.3‰尿素）。其中，土壤水分控制采用稱重法，施氮采用施基肥方式，即裝盆時加入0.3‰尿素（1 kg土壤混0.3 g尿素），使用尿素的氮含量為46%。本試驗共6個處理，每處理5次重復。待干旱脅迫與施氮處理試驗結束后，采用隨機取樣的方式，進行生長生理指標測定。

1.3 ?檢測指標

1.3.1 ?生長指標

將各處理植株地上部分經流水沖洗干凈后，放入105 ℃烘箱內殺青30 min，然后在80 ℃條件下烘干至恒重，最后在電子天平上稱量植株干物質重。

1.3.2 ?生理指標

過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）活性采用王相敏等的方法進行測定[6]。其中SOD活性測定方法略有修改，具體方法為：從低溫冰箱中取出貯存的各處理新鮮葉片中，取每處理約0.25 g樣于預冷的研缽中，加入5 mL預冷的提取介質[內含1%聚乙烯吡咯烷酮的磷酸緩沖液（50 mmol·L-1，pH=7.8）]，在冰浴下研磨成勻漿后移入離心管，于4 ℃、10 000 r·min-1下離心15 min，上清液即為SOD粗酶液。SOD的反應體系：1.5 mL磷酸緩沖液（0.05 mol·L-1，pH=7.8）+0.3 mL甲硫氨酸（13 mmol·L-1）+0.3 mL氮藍四唑（75 μmol·L-1）+0.3 mL EDTA-Na2（10 μmol·L-1）+0.3 mL核黃素（2.0 μmol·L-1）+0.1 mL粗提取液+0.5 mL水。對照管不加酶液，1.5 mL磷酸緩沖液（0.05 mol·L-1，pH=7.8），其他與上述反應體系相同。樣品與對照管均為3次重復，將試管置于光照培養(yǎng)箱內反應20～30 min（要求各試管光照情況一致，反應溫度控制在25～35 ℃，根據(jù)酶的活性高低適當調整酶的濃度和反應時間）。用U-2900分光光度計在560 nm波長下測定OD值。

[SOD活性=（OD0-ODs）×VT0.5OD0×FW×V1] ?（1）

式（1）中，SOD活性為每克樣品含酶單位數(shù)，U·g-1;OD0為光照對照管的光吸收值;ODS為樣品管的光吸收值;VT為樣液總體積，mL;V1為測定時樣品用量，mL;FW為樣品鮮重，g。

脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定，可溶性糖含量采用硫酸蒽酮法檢測[7-8]。

1.4 ?數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 19.0統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、方差分析。其中，3個干旱脅迫處理間的差異性檢驗采用Duncan新復極差法進行多重比較，2個施氮處理間差異性檢驗采用t-test（P<0.05）。

2 ?結果與分析

2.1 ?生長量變化

干物重是反映植株遭受脅迫傷害最客觀、直接的指標。由圖1可知，在不同干旱脅迫處理下，甜玉米單株干物重隨著脅迫程度加劇而顯著減小。其中，與田間持水量為80%的正常土壤水分處理（W1）相比，在田間持水量為65%的輕度干旱脅迫處理（W2）下，單株干物重降低了36.5%，而在田間持水量為50%的重度干旱脅迫處理（W3）下，單株干物重降低了77.6%。從施氮處理結果來看，與未施氮處理相比，正常土壤水分處理（W1）的單株干物重在施氮后并未明顯增加，但在輕度和重度干旱脅迫處理（W2、W3）下施氮明顯增加了單株干物重;且從3個土壤水分處理在施氮后單株干物重的差異性分析來看，W2與W1處理間單株干物重無顯著差異。結果表明，本試驗的供氮量水平（以0.3‰的尿素為基肥）能有效改善甜玉米在遭受輕度干旱脅迫時的生長情況。

2.2 ?滲調物質變化

滲透調節(jié)物質含量的變化與植株受到的逆境脅迫傷害程度密切相關。通過檢測甜玉米葉片中脯氨酸和可溶性糖含量發(fā)現(xiàn)，與正常土壤水分處理（W1）相比，干旱脅迫處理（W2、W3）下脯氨酸與可溶性糖含量均顯著下降，且隨著干旱脅迫程度加劇，葉片中二者含量的下降幅度越大（見圖2）。進行施氮處理后，在正常土壤水分條件下，施氮前后脯氨酸含量無明顯變化，但在干旱脅迫處理下施氮后脯氨酸含量明顯增加，且施氮后輕度干度脅迫處理下葉片脯氨酸含量與正常土壤水分處理無顯著差異。

從可溶性糖含量變化來看，受干旱脅迫影響，葉片中可溶性糖含量下降，且脅迫程度越重可溶性糖含量越低。施氮后，3個土壤水分處理葉片中可溶性糖含量均顯著增加。這說明與脅迫程度無關，施氮均能有效提升甜玉米葉片中可溶性糖含量，從而反映了甜玉米對氮素的高需求量。但從甜玉米對干旱脅迫的生理響應角度來看，可溶性糖含量的變化不能作為甜玉米遭受干旱脅迫傷害的可靠生理指標。

2.3 ?保護酶活性變化

超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）是公認的反映植株遭受生物或非生物脅迫傷害的重要指標。從表1可以看出，與正常土壤水分處理相比，受到輕度和重度干旱脅迫時，甜玉米葉片中SOD、POD和CAT 3種膜系統(tǒng)保護酶活性均顯著降低。進行施氮處理后，正常土壤水分處理下3種酶活性無明顯變化，說明本試驗中W1處理下植株生長狀況正常，未遭受到任何脅迫傷害，滿足作為對照處理的要求，本試驗處理的設置是科學可靠的。而在輕度干旱脅迫W2處理下，通過施氮葉片中SOD、CAT、POD活性均顯著上升，但在重度干旱脅迫W3處理下，施氮處理的POD、CAT活性均高于未施氮處理，而施氮與未施氮處理間SOD活性無明顯變化。從施氮后3個土壤水分處理間3種酶活性變化來看，POD和CAT活性大小為W1>W2>W3，SOD活性大小為W2>W1>W3，表明SOD活性變化與植株在干旱脅迫與施氮處理后生長變化情況的高度相似性。這說明，在所檢測的3種膜系統(tǒng)保護酶中，SOD靈敏性高于POD、CAT。

3 ?結論與討論

干旱作為影響玉米生長發(fā)育最主要的逆境脅迫，遭受干旱脅迫時，玉米通過自身的生長生理上變化應對干旱[2-3]。本試驗結果證明，干旱能導致供試甜玉米生長量下降，但在輕度干旱脅迫下，通過施用0.3‰尿素能顯著改善其生長情況。但考慮到正常水分條件下，施氮與未施氮處理間生長并無差異，說明本試驗中供氮水平可能偏低。是否在重度干旱脅迫下，通過增加施氮量（>0.3‰）能提高甜玉米的生長量有待進一步研究。

滲透調節(jié)物質是植物為適應逆境脅迫傷害的重要代謝產物，其含量變化是植物對逆境脅迫作出的響應。通常，植物通過在體內增加滲透調節(jié)物質能減輕干旱脅迫產生的傷害，但遭受脅迫程度較為嚴重時，植物將喪失這種自我調節(jié)能力[9]。在本研究中，干旱脅迫下甜玉米葉片中脯氨酸與可溶性糖含量均下降，說明50%～65%田間持水量均對甜玉米造成了較為嚴重的干旱脅迫傷害。相較于可溶性糖，脯氨酸含量變化趨勢與植株生長情況變化較為一致，可作為判斷甜玉米受干旱脅迫傷害的早期生理指標之一。

在干旱脅迫條件下，植物體內活性氧類物質（ROS）將大量積累，從而破壞細胞膜系統(tǒng)，SOD、POD、CAT等膜系統(tǒng)保護酶活性將增加，減少細胞內ROS含量，維持膜穩(wěn)定性。因此，SOD、POD、CAT活性變化被視為鑒定植物早期抗旱性的關鍵指標[9-10]。在供試土壤水分條件下，本試驗中甜玉米葉片中3種膜系統(tǒng)保護酶活性顯著降低，說明膜系統(tǒng)穩(wěn)定性已遭到破壞，在65%田間持水量條件下，通過施氮均能提高3種酶活性;但田間持水量僅為50%時，施氮提升了POD、CAT活性，而SOD活性變化不明顯。因此，認為以SOD作為判斷干旱脅迫下甜玉米膜系統(tǒng)遭受損傷的指標更為可靠。

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（責任編輯：劉寧寧 ?丁志祥）