外源5-ALA對干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

楊奧軍 常巧玲 王 鵬 王 芳 高妍婷 周廣闊 宋小佳 韋恩成

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，730070，甘肅蘭州）

玉米（Zea mays L.）是重要的糧飼兼用作物，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有非常重要的地位。玉米在整個生長過程中，極易受外界環(huán)境條件的影響，其中干旱是最主要的影響因素之一，尤其在抵抗力較弱的幼苗期[1]。干旱脅迫下，玉米植株會出現(xiàn)不同程度的失水現(xiàn)象，從而導(dǎo)致玉米植株體內(nèi)脂質(zhì)過氧化，質(zhì)膜透性增大，含水量降低，光合速率下降，對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長產(chǎn)生抑制作用，進(jìn)而導(dǎo)致玉米減產(chǎn)，這是我國北方地區(qū)玉米產(chǎn)量提高的一個重要限制因素[2]。因此，如何提高玉米抵御干旱的能力，減輕干旱脅迫對玉米產(chǎn)量的影響是生產(chǎn)上亟待解決的問題。

5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，5-ALA）是所有卟啉化合物生物合成的關(guān)鍵前體物質(zhì)，廣泛存在于細(xì)菌、真菌和動植物中，是一種潛在的生理活性物質(zhì)[3]。?？e[4]研究發(fā)現(xiàn)，施加外源5-ALA能緩解逆境脅迫對植物造成的破壞。Phung等[5]研究表明，葉片噴施5-ALA能增強(qiáng)水稻對光脅迫的抗性。5-ALA在煙草育苗環(huán)節(jié)能較好地增強(qiáng)煙苗對抗低溫弱光的能力，提升煙苗素質(zhì)[6]。在鹽脅迫下，5-ALA能夠提高棉花[7]、黃瓜[8]、花生[9]和大豆[10]等植株的抗性。在低溫脅迫下，外源5-ALA能提高玉米[11-12]、茶樹[13]、番茄[14]和大豆[15]幼苗應(yīng)對低溫的能力。5-ALA還可以提高植物的抗旱性，有研究[16]表明，5-ALA處理顯著提高了煙草幼苗葉片過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）活性，減少了丙二醛（MDA）含量，使煙草的耐旱能力增強(qiáng)。偶春等[17]研究表明，5-ALA能顯著提高干旱脅迫下梔子幼苗的抗旱性。張春平等[18]研究表明，施加外源5-ALA能夠有效提高紫蘇種子的萌發(fā)及其幼苗的抗旱能力。劉海英[19]試驗(yàn)結(jié)果表明，5-ALA能提高桔梗的抗旱能力。但是，外源5-ALA對玉米干旱脅迫緩解機(jī)理的研究目前鮮有報道。因此，本試驗(yàn)用20% PEG 6000模擬干旱脅迫，研究不同濃度外源5-ALA處理對玉米種子萌發(fā)及幼苗生長的影響，明晰5-ALA對干旱脅迫下玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的緩解效應(yīng)，同時篩選出緩解作用最佳的濃度，為進(jìn)一步研究5-ALA調(diào)控玉米幼苗抗旱性機(jī)理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)玉米品種為生產(chǎn)上大面積推廣應(yīng)用的品種鄭單958。試驗(yàn)于2020年6-11月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院種子實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，挑選飽滿一致的玉米種子，用1% NaClO消毒10min，蒸餾水沖洗3～4次，25℃條件下浸種24h，在發(fā)芽盒中放入2層濾紙濕潤后置床，每個發(fā)芽盒放置40粒種子。以蒸餾水為對照（CK），用20% PEG 6000進(jìn)行干旱脅迫處理，分別添加0（T1）、5（T2）、10（T3）、15（T4）、20（T5）、25（T6）和 30mg/L（T7）5-ALA，共8個處理，每個處理重復(fù)4次。將處理后的種子置于恒溫培養(yǎng)箱中，箱內(nèi)溫度25℃/20℃（白天/晚上），濕度65%，光照強(qiáng)度4000lx。每隔1d換1次濾紙，并加上相應(yīng)濃度的溶液，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽情況，在第4天計(jì)算發(fā)芽勢，第8天計(jì)算發(fā)芽率，并測定主根長、芽長、根鮮重和芽鮮重等指標(biāo)。

玉米幼苗生長到3葉期移栽到裝有蛭石的塑料花盆中，每盆8株，繼續(xù)置于培養(yǎng)箱進(jìn)行培養(yǎng)，溫度25℃/20℃（白天/晚上），每2d用1/4 Hoagland營養(yǎng)液澆灌，待第4片葉長出后，選取長勢一致的玉米幼苗進(jìn)行干旱脅迫處理。Hoagland營養(yǎng)液為空白對照（CK）。用20% PEG6000進(jìn)行干旱處理，分別添加0（T1）、5（T2）、10（T3）、15（T4）、20（T5）、25（T6）和 30mg/L（T7）5-ALA，每個處理重復(fù)4次。PEG處理采用根部澆灌法，以澆透為止，采用葉面噴施法進(jìn)行5-ALA處理，共8個處理，每2d處理1次，處理12d后取樣，用于測定生理指標(biāo)，每個指標(biāo)重復(fù)3次。

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1 種子萌發(fā)指標(biāo) 發(fā)芽勢（%）=4d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/所有供試種子數(shù)×100，發(fā)芽率（%）=8d內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)/所有供試種子數(shù)×100。

胚根長和胚芽長：種子萌發(fā)后的第8天選取不同處理幼苗各10株，用蒸餾水清洗干凈，用游標(biāo)卡尺測量根長和芽長。

鮮重和干重：待第8天發(fā)芽試驗(yàn)結(jié)束后，選取不同處理幼苗各10株，用蒸餾水沖洗干凈，測量根和芽鮮重，然后置入105℃烘箱中殺青30min后，60℃烘至恒重，即為干重。

1.2.2 幼苗生理特性指標(biāo) 根據(jù)文獻(xiàn)[20]測定生理指標(biāo)，采用硫代巴比妥酸（TBA）法測定MDA含量，采用電導(dǎo)儀法測定原生質(zhì)膜透性，以相對電導(dǎo)率來表示細(xì)胞膜受脅迫傷害的程度，采用考馬斯亮藍(lán)法測定可溶性蛋白含量，采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量，采用酸性茚三酮顯色法測定脯氨酸含量，采用NBT光化還原法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定POD活性，采用紫外吸收法測定CAT活性。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Office Excel 2016軟件作圖，用SPSS 25.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理玉米種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的變化

由圖1可知，在不同濃度的5-ALA處理下，與CK處理相比，T1處理種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率均顯著降低，分別降低了39.53%和35.07%，表明干旱脅迫處理顯著抑制了種子的萌發(fā)。與T1處理相比，添加5-ALA后（T2～T7），發(fā)芽勢和發(fā)芽率均有所提高，隨著5-ALA濃度的增大呈先上升后下降的趨勢。當(dāng)5-ALA達(dá)到25mg/L時，發(fā)芽勢與發(fā)芽率達(dá)到最大值，分別為86.25%和90.00%。與T1處理相比，T6處理的種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率分別提高了76.92%和65.52%，并且差異達(dá)到顯著水平。

圖1 不同處理玉米種子發(fā)芽勢和發(fā)芽率的變化Fig.1 Changes of germination potential and germination rate of maize seeds under different treatments

2.2 不同處理玉米幼苗根長、芽長及生物量的變化

由表1可知，與CK處理相比，T1處理下玉米幼苗的根長、芽長、根鮮重、芽鮮重、根干重和芽干重顯著降低，分別降低了73.97%、54.46%、63.41%、61.90%、70.87%和42.64%。與T1處理相比，添加不同濃度5-ALA處理的幼苗生物量積累均有所提高，T6處理效果最為明顯，幼苗主根長、芽長、根鮮重、芽鮮重、根干重和芽干重均高于T1處理，并且都達(dá)到了顯著水平。T7處理中，各指標(biāo)值又有所下降，說明適宜濃度的5-ALA可有效緩解干旱脅迫對玉米幼苗生長的抑制作用

表1 不同處理玉米幼苗生長及生物量的變化Table 1 Changes of growth and biomass of maize seedlings under different treatments

2.3 不同處理玉米幼苗MDA含量和質(zhì)膜透性的變化

由圖2可知，與CK處理相比，T1處理玉米幼苗MDA含量增加了86.04%。添加5-ALA進(jìn)行處理后（T2～T7），MDA含量顯著下降，與T1處理相比，T2、T3、T4、T5、T6和 T7處理下幼苗MAD含量分別減少了19.47%、21.85%、22.42%、27.55%、64.54%和40.18%，T6處理下降值最大，表明適宜濃度的5-ALA可緩解細(xì)胞膜脂過氧化。與CK處理相比，干旱脅迫T1處理使玉米幼苗質(zhì)膜透性顯著增大。當(dāng)用不同濃度5-ALA處理后（T2～T7），幼苗的質(zhì)膜透性都有不同幅度的減小，其中T6處理最明顯，與T1處理相比，T6處理的質(zhì)膜透性減少了68.21%。說明5-ALA有效減輕了干旱脅迫對質(zhì)膜的傷害。

圖2 不同處理玉米幼苗MDA含量和質(zhì)膜透性的變化Fig.2 Changes of MDAcontent and plasma membrane permeability of maize seedlings under different treatments

2.4 不同處理玉米幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化

由圖3可知，與CK處理相比，T1處理玉米幼苗的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量降低了39.75%、29.10%和57.97%（P＜0.05）。用不同濃度的5-ALA處理后（T2～T7），幼苗中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量均有不同幅度的增加。當(dāng)5-ALA濃度達(dá)到25mg/L（T6）時，處理效果最好，脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量較T1處理分別顯著增加了136.82%、81.36%和121.26%。說明5-ALA能夠增加干旱脅迫下玉米幼苗中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量。

圖3 不同處理玉米幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化Fig.3 Changes of osmotic adjustment substance contents of maize seedlings under different treatments

2.5 不同處理玉米幼苗抗氧化酶活性的變化

由圖4可知，T1處理的SOD、POD和CAT活性均顯著低于CK處理，分別降低了59.85%、59.42%和84.07%，表明干旱脅迫處理顯著抑制了玉米幼苗的抗氧化酶活性。用5-ALA處理后，SOD、POD和CAT活性隨著5-ALA濃度的升高都表現(xiàn)出先升后降的趨勢，并在T6處理達(dá)到最大值。與T1處理相比，T6處理的SOD、POD和CAT活性分別增加了200.58%、182.10%和536.56%。說明5-ALA能夠提升玉米幼苗葉片中這3種酶的活性，從而增強(qiáng)植株的抗旱性。

圖4 不同處理玉米幼苗抗氧化酶活性變化Fig.4 Changes of antioxidant enzyme activities of maize seedlings under different treatments

3 討論

種子萌發(fā)在植物生長發(fā)育過程中起著非常重要的作用，直接影響到植物體后期的形態(tài)建成和產(chǎn)量形成，種子能夠迅速整齊地萌發(fā)是獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，在20%PEG干旱脅迫處理下，玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率及幼苗的主根長、芽長等生物量的積累明顯低于對照。添加外源5-ALA后具有明顯的緩解效應(yīng)，且表現(xiàn)為先促后抑的作用，在添加25mg/L 5-ALA的處理效果最為明顯，玉米種子的萌發(fā)速率及生物量均有顯著提高，緩解了干旱脅迫的抑制作用。

在干旱脅迫下，植物器官往往會出現(xiàn)細(xì)胞膜脂過氧化現(xiàn)象。MDA含量和細(xì)胞透性均是反映植物遭受逆境傷害程度的良好指標(biāo)[22]。所以細(xì)胞膜脂過氧化水平能很好地體現(xiàn)在MDA含量上，同時它可以間接地反映出細(xì)胞損傷程度。本研究表明，在干旱脅迫處理下，玉米幼苗的質(zhì)膜透性和MDA含量顯著增加，幼苗的膜透性增大，膜脂過氧化程度加重。外施一定濃度的5-ALA后，質(zhì)膜透性和MDA含量均有所降低，表明外源5-ALA能降低細(xì)胞膜脂過氧化程度，能很好地保護(hù)細(xì)胞膜，這與謝英贊[23]研究的外源5-ALA對虎掌干旱脅迫的緩解機(jī)理結(jié)果一致。

在逆境脅迫下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物體內(nèi)積累能提高植物細(xì)胞的保水能力，對細(xì)胞生物膜起到保護(hù)作用[24]。在本試驗(yàn)中，干旱脅迫后，玉米幼苗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量均顯著降低，細(xì)胞的保水能力下降，細(xì)胞內(nèi)環(huán)境紊亂，對細(xì)胞生物膜的保護(hù)作用減弱。適當(dāng)濃度的5-ALA處理可以緩解干旱脅迫對玉米幼苗的傷害，提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，增強(qiáng)玉米幼苗的抗逆性。說明5-ALA可以通過提高脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的水平，增強(qiáng)植株的滲透調(diào)節(jié)能力，提高細(xì)胞的保水能力，促進(jìn)玉米幼苗根系對水分的吸收，維持水分平衡，從而保護(hù)細(xì)胞在逆境脅迫下不受破壞。

正常情況下，植物體內(nèi)自由基的產(chǎn)生與清除處于一種動態(tài)平衡[25]。干旱脅迫等逆境會破壞這種平衡，從而使植物產(chǎn)生的自由基遠(yuǎn)大于消耗的，植物體內(nèi)自由基含量上升，導(dǎo)致膜脂過氧化，膜通透性改變，植物體內(nèi)一系列正常的生理生化代謝反應(yīng)受到影響，最終導(dǎo)致植株死亡[26]。在逆境脅迫下，植物體內(nèi)主要的保護(hù)酶系的活性要保持協(xié)調(diào)一致，才能有效清除自由基，使自由基維持在一個低水平，提高抗氧化能力，延緩衰老[27]。本研究表明，干旱脅迫下，玉米幼苗的抗氧化酶活性下降，導(dǎo)致自由基含量過高，產(chǎn)生膜脂過氧化并改變膜的通透性。加入一定濃度的5-ALA后，抗氧化酶活性顯著提高，自由基含量下降。說明在干旱脅迫下添加外源5-ALA可通過誘導(dǎo)抗氧化防護(hù)系統(tǒng)來提高玉米植株抗氧化的能力，從而有效提高植物抗旱性。

4 結(jié)論

干旱脅迫會影響玉米幼苗的生長發(fā)育，而添加25mg/L的外源5-ALA處理可以提高玉米種子的發(fā)芽率，提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和幼苗中抗氧化酶活性，緩解膜脂過氧化，降低細(xì)胞膜透性，從而緩解干旱脅迫帶來的負(fù)面影響，使玉米幼苗抗旱性得到明顯增強(qiáng)。