不同種植方式下玉米葉片葉綠素和可溶性蛋白含量變化

周 璇，宋鳳斌

(1. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130012;2. 中國科學(xué)院研究生院，北京100049)

葉片是進(jìn)行光合作用的主要器官，玉米葉片趨于衰老時(shí)，葉片內(nèi)葉綠體出現(xiàn)有序崩解，葉綠素分解加快，含量隨衰老的進(jìn)程而逐步下降，所以葉片的葉綠素含量可作為葉片衰老的重要生理指標(biāo)，葉綠素逐漸喪失是玉米葉片衰老最明顯的特點(diǎn)?？扇苄缘鞍踪|(zhì)是植物所有蛋白質(zhì)組分中最活躍的部分，包括各種酶源、酶分子和代謝調(diào)節(jié)物?？扇苄缘鞍追从持参矬w的總代謝水平，其含量是了解植物對環(huán)境抗逆性的一個(gè)重要指標(biāo)［1］。在玉米衰老的過程中，葉片可溶性蛋白含量可作為衡量葉片衰老程度的指標(biāo)之一。玉米不同葉位葉片的生長發(fā)育進(jìn)程不同，各組葉片的功能也不同［2］，研究玉米不同葉片的葉綠素及可溶性蛋白含量隨葉片生育進(jìn)程的變化，可了解不同種植方式對不同葉位葉片衰老進(jìn)程的影響，進(jìn)而評價(jià)不同種植方式對玉米產(chǎn)量的影響。研究采用的種植方式包括傳統(tǒng)均勻壟種植方式和兩種寬窄行種植方式。很多研究表明寬窄行種植方式有利于提高玉米產(chǎn)量［3－5］，而為什么寬窄行種植方式能提高玉米產(chǎn)量，不同寬窄行種植方式的增產(chǎn)效果是否不同，增產(chǎn)效果是植株哪部分葉片的貢獻(xiàn)，卻沒有從理論上給出回答。對不同寬窄行配置的種植方式下的玉米群體葉片的生長發(fā)育過程中葉片的葉綠素含量、可溶性蛋白含量狀況進(jìn)行分析，可以得知整個(gè)植株個(gè)體生長狀況，更好地了解不同葉位葉片在生長發(fā)育上的異同，有助于在高產(chǎn)栽培實(shí)踐中采取相應(yīng)的技術(shù)措施，促進(jìn)葉片的光合作用，延長葉片功能期，為防治葉片早衰提供栽培技術(shù)措施依據(jù)［6］。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2010 年在吉林省德惠市米沙子鎮(zhèn)晨光村進(jìn)行，地處吉林中部平原黑土區(qū)，屬于寒溫帶半濕潤區(qū)，大陸性季風(fēng)氣候水資源豐富，雨熱同季，該地區(qū)2010 年平均氣溫4.2 ℃，≥10℃的有效積溫為2 860 ℃·d，年降水量409.7 mm，無霜期145 d 左右。試驗(yàn)區(qū)土壤類型為中層典型黑土，壤質(zhì)黏土;表層0～20 cm 土壤屬中性或微酸性，pH 值在6.5 左右;20 cm～30 cm 土壤屬中性土壤，pH 值在7.0 左右。基礎(chǔ)肥力為有機(jī)質(zhì)含量26.90 g·kg－1，全氮1.20 g·kg－1，全磷1.06 g·kg－1，全鉀16.87 g·kg－1，速效氮118.80 mg·kg－1，速效磷18.00 mg·kg－1，速效鉀111.00 mg·kg－1，土壤密度1.12 g·cm－3。

1.2 供試品種及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)選用了玉米耐密春玉米品種，實(shí)驗(yàn)地3 個(gè)大區(qū)，采用3 種種植方式，見表1，每種種植方式為1個(gè)區(qū)。其中選用兩種寬窄行種植方式，第一種寬窄行種植方式90 ×40 (P1)是在東北地區(qū)推廣多年的種植方式，取得了一定的增產(chǎn)效果;第二種寬窄行種植方式170 ×30 (P2)是中科院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所已進(jìn)行幾年的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，已連續(xù)幾年增產(chǎn)。P2O5和K2O 用量均為82.5 kg·hm－2，氮肥用量為180 kg·hm－2，其中磷、鉀肥基施，氮肥40%作基肥，60%作追肥。2010 年5 月4 日播種，均采用機(jī)械播種，田間管理均一致，2010 年9 月27 日收獲。

表1 3 種種植方式Table 1 Three kinds of cropping patterns

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 取樣時(shí)間與方法 玉米全株葉片分組情況見表2。葉尖抽出5 cm 開始算抽出的第一天，每隔7 d取樣，直至葉片衰老或收獲為止。每個(gè)大區(qū)，每次采樣按“S”型采樣法進(jìn)行采樣，按隨機(jī)、等量的原則進(jìn)行破壞性取樣，每小區(qū)取有代表性植株3 株，每株取的各葉組的代表葉1 片，見表2，將其及時(shí)放入冰盒帶回實(shí)驗(yàn)室，洗凈葉片表面的塵土和污物并用吸水紙小心擦干，去除葉脈。每片代表葉取3 次重復(fù)，即分別取葉片根部、中部和葉尖進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測定。

表2 玉米全株葉片分組情況Table 2 Different leaf groups under three planting patterns

1.3.2 指標(biāo)測定與方法。葉綠素含量測定法:采用丙酮浸提分光光度法測定，參照Lichtenthaler 等對Amon 法修正過的方法。在樣品葉片中部取一定葉面積，稱出0.2 g，剪碎，放人一定體積的80%丙酮中充分提取，充分浸泡、搖勻，用分光光度計(jì)測定663 nm、646 nm 下的吸光度D663、D646，重復(fù)測定3 次。通過以下公式計(jì)算:

通過換算并計(jì)算得出總?cè)~綠素a+b、葉綠素a、葉綠素b 含量和葉綠素a/b 比值。

可溶性蛋白含量測定:考馬斯亮藍(lán)G－250 染色法［7］，重復(fù)測定3 次。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

用Excel 軟件分析處理數(shù)據(jù)、畫圖，用SPSS 17.0 進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植方式下不同葉位葉片葉綠素含量的變化

圖1 不同種植方式下玉米不同葉位葉片葉綠素總量變化Fig.1 Changes of total chlorophyll under different planting patterns

2.1.1 不同葉位葉片葉綠素a+b 含量。由圖1 可知，不同葉位葉片的葉綠素總量的變化趨勢一致，都呈“單峰狀”:葉片伸展初期的快速上升階段、葉片全展后的相對穩(wěn)定階段和葉片開始衰老的下降階段，并且不同葉位葉片從葉尖伸出到葉片葉綠素總量達(dá)到峰值所需的天數(shù)大致相同，大約在葉片全展后很快就達(dá)到峰值。所不同的是不同葉位葉片的葉綠素總量的峰值不同，并且不同葉位葉片的葉綠素含量保持高值的時(shí)間長度也不同。其中以第16 葉(中部葉片)的葉綠素含量最高，功能期最長;其次是第10 葉(下部葉片)、第20 葉(上部葉片)，以第4 葉(基部葉片)的功能期最短，葉綠素含量最低。上部葉片雖然比中部葉片后抽出，但比中部葉片早衰。

表3 3 種種植方式下不同葉位葉片整個(gè)生長期內(nèi)葉綠素a+b 含量SSR 比較Table 3 SSR comparision of chlorophyll atb contents under different planting patterns

表3 表明，寬窄行處理對基部葉片和下部葉片的葉綠素a +b 含量影響比對中部葉片和上部葉片影響大。對于基部葉片和下部葉片來說，葉綠素a+b 含量大小隨著寬行距的增大而增大，寬窄行處理與等行距處理之間存在顯著性差異;而對于中部葉片和上部葉片來說，葉綠素a +b 含量大小順序是:寬窄行90×40 (P1) ＞寬窄行170 ×30 (P2) ＞傳統(tǒng)種植方式65 ×65 (CK)，并且兩種寬窄行之間的差異均不顯著，差異性主要體現(xiàn)在寬窄行處理與等行距處理之間。3 種種植方式之間的葉綠素a +b 含量差異大小隨著葉片生育進(jìn)程的推進(jìn)而逐漸加大，葉片全展后葉綠素a +b 含量下降加快?？煽闯?，中部葉片葉綠素含量變化最大，基部葉片變化幅度最小;寬窄行處理對基部葉片的葉綠素含量變化幅度影響大。

2.1.2 葉片葉綠素a 含量。圖1 表明，所有葉位葉片的生長期間葉片的葉綠素a 含量同葉綠素a +b 含量都有極顯著的相關(guān)性(p ＜0.01)，葉綠素a 含量變化與葉綠素a +b 含量變化是同增同降的關(guān)系。葉綠素a 含量在3 種種植方式下的大小順序?yàn)?寬窄行170 ×30 處理(P2) ＞寬窄行90 ×40 (P1) ＞傳統(tǒng)種植方式65 ×65 (CK)，此結(jié)果同葉綠素a+b 含量一致。從表4 可看出，對于基部葉片和下部葉片來說，葉綠素a 含量大小隨著寬行距的增大而增大，寬窄行處理同等行距處理之間兩者都有顯著性差異;而對于中部葉片和上部葉片來說，葉綠素a 含量大小接近，以等行距處理值最小，兩種寬窄行之間的差異均不顯著，差異性主要體現(xiàn)在寬窄行處理與等行距處理之間。

表4 3 種種植方式下不同葉位葉片整個(gè)生長期內(nèi)葉綠素a 含量均值SSR 比較Table 4 SSR comparison of chlorophyll a contents under different planting patterns

2.1.3 葉片葉綠素b 含量。

表5 3 種種植方式下不同葉位葉片整個(gè)生長期內(nèi)葉綠素b 含量均值SSR 比較Table 5 SSR comparison of chlorophyll b contents under different planting patterns

由圖1 可知，對于不同葉位的葉片來說，葉綠素b 含量變化曲線趨勢很相似，都呈現(xiàn)出先緩慢上升又緩慢下降的趨勢，在葉片全展后出現(xiàn)了相對的高值，并且這個(gè)高值出現(xiàn)的時(shí)間要早于葉綠素a +b 含量、葉綠素a 含量的峰值出現(xiàn)時(shí)間。對于基部葉片和下部葉片來說，葉綠素b 含量在傳統(tǒng)種植方式(CK)與兩種寬窄行種植方式之間差異均顯著;對于中部葉片和上部葉片來說，處理間差異均不顯著性，說明葉綠素b 含量受光照環(huán)境影響較大，葉綠素b 含量大小與葉片衰老進(jìn)程關(guān)系較大。

2.1.4 葉綠素a/b 的變化情況。

圖2 3 種種植方式下玉米不同葉位葉片葉綠素a/b 比值變化情況Fig.2 Chlorophyll a/b ratio under different planting patterns

從圖2 可看出，葉綠素a/b 比值在不同葉位的變化趨勢一致，從葉片伸出到葉片開始衰老葉綠素a/b比值一直處于下降的趨勢中，直到葉片衰老中后期葉綠素a/b 比值開始上升，且上升速度比葉片生長前期下降速度快。不同葉位間的葉綠素a/b 比值的范圍大小一致，說明對于同一株玉米來說不同層次的葉片雖然光照環(huán)境不同，但是葉綠素中葉綠素a 和葉綠素b 的比值穩(wěn)定。

2.3 不同種植方式下不同葉位可溶性蛋白含量的變化情況

圖3 不同種植方式下玉米不同葉位可溶性蛋白含量的變化情況Fig.3 Solute protein of leaf groups under different planting patterns

從圖3 看出，玉米不同葉位葉片的可溶性蛋白含量在葉片整個(gè)生育期內(nèi)呈現(xiàn)單峰曲線，從葉片抽出初期到葉片全展之間呈上升趨勢，葉片全展后到葉片開始衰老期間維持較高水平，玉米葉片衰老后期可溶性蛋白含量明顯降低。其中，基部葉片和下部葉片的峰值沒有中部葉片和上部葉片那么明顯。

表6 表明，玉米的下部葉片對于種植方式較敏感，可溶性蛋白含量在處理間均表現(xiàn)差異性顯著。不同葉位葉片的可溶性蛋白含量在寬窄行處理和均勻壟處理之間均有顯著性差異。

表6 3 種種植方式下不同葉位葉片整個(gè)生長期內(nèi)可溶性蛋白含量均值SSR 比較Table 6 SSR comparison of solute protein contents under different planting patterns

3 討論

葉綠素存在于光合作用重要器官——葉綠體中，是植物光合色素中最重要的一類色素，葉綠素包括葉綠素a 和葉綠素b，約占葉綠體色素總量的75%左右。葉綠素含量能直接反映葉片光合能力，葉綠素的損失是葉片衰老的最明顯的生理標(biāo)志，其降低幅度可以代表葉片的衰老程度。葉綠素a 是光合作用的中心色素分子，它能把光能轉(zhuǎn)換為電能，然后轉(zhuǎn)化為活躍的化學(xué)能供生命活動(dòng)所需;葉綠素b 主要功能是吸收和傳遞光能，同時(shí)在PSⅡ復(fù)合體的組裝及維持其穩(wěn)定性中也必不可少。葉綠素中葉綠素a 對活性氧的反應(yīng)較葉綠素b 敏感［8］。對水稻的研究中發(fā)現(xiàn)，葉綠素含量隨葉片衰老加深逐漸下降，其中葉綠素a 比葉綠素b 降解速度更快［9］。從表3、4、5，可以看出，基部葉片和下部葉片的葉綠素總量及葉綠素a 和葉綠素b的含量均表現(xiàn)為:寬窄行170 ×30 (P2) ＞寬窄行90 ×40 (P1) ＞傳統(tǒng)65 ×65 (CK)，說明寬窄行的寬行距的增加使冠層內(nèi)透光變好，較好的光照條件促進(jìn)葉綠素a 的形成，延緩葉綠素a 的降解。當(dāng)然也有人認(rèn)為，遮蔭低光照環(huán)境下葉片中葉綠素a 含量會(huì)增加［11－12］。葉綠素a/b 低，表明光合單位較大，收集光的能力強(qiáng)，光補(bǔ)償點(diǎn)低;高的葉綠素a/b 值有利于其保持更高的光合速率、光合能力和更穩(wěn)定的光合結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)中葉綠素a/b 在葉片剛展開時(shí)較高，可能與葉片自身生長迅速，需要大量光合產(chǎn)物有關(guān);中期出現(xiàn)最低點(diǎn)，但在葉片生長后期隨著生育期的推進(jìn)呈升高趨勢，是由于葉片接近衰老時(shí)葉綠素a 降解速度高于葉綠素b。

玉米葉片中可溶性蛋白主要是一些酶蛋白，包括磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和核酮糖二磷酸羧化酶(RuBPC)等活化酶，是反映碳素同化的關(guān)鍵酶。葉片的衰老往往與葉片中可溶性蛋白的減少有密切關(guān)系［13］，葉片失綠的蛋白質(zhì)含量減少可作為衡量葉片衰老最重要的生理指標(biāo)［1］。葉片衰老期間蛋白質(zhì)被大量降解，其降解產(chǎn)物被運(yùn)往生長旺盛的部位繼續(xù)利用［14］。研究發(fā)現(xiàn)，在葉綠素尚未破壞之前，葉片內(nèi)蛋白質(zhì)已下降到正常水平之下，蛋白質(zhì)喪失是葉片衰老的一個(gè)早期表現(xiàn)，與葉綠素和RNA 相比，蛋白質(zhì)的喪失要早得多［15］。葉片衰老過程中可溶性蛋白的減少被認(rèn)為主要是蛋白質(zhì)降解加速的結(jié)果［13，16－18］。結(jié)果顯示:可溶性蛋白含量下降的確早于葉綠素。隨著種植方式中寬行距的增加，不同葉位可溶性蛋白含量變化不明顯，說明種植方式對不同層次葉片的環(huán)境調(diào)控不同。寬窄行處理下可溶性蛋白含量顯著高于均勻壟處理，說明寬行距的增加有利于葉片生產(chǎn)和積累較多的光合產(chǎn)物，有較充足的源為籽粒灌漿提供重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

寬窄行處理改善了玉米群體環(huán)境條件，對于不同層位葉片的影響效果不同，而這種影響對于最終的光合產(chǎn)物積累效果如何，值得進(jìn)一步研究，這將對玉米的高產(chǎn)栽培提供合理的理論支持。

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