低溫對孕穗期玉米根系生理特性的影響

胡文河，于 飛，谷 巖，楊 溢，閆 麗，吳春勝

(1吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，吉林長春 130118;2吉林省農(nóng)安縣高家店農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，吉林長春 130200;3吉林省農(nóng)安縣植保植檢站，吉林長春 130200)

玉米Zea mays L.是一種起源于熱帶亞熱帶的喜溫作物，低溫冷害是影響其生長發(fā)育、產(chǎn)量和品質(zhì)的主要限制因素之一［1］.低溫脅迫下，玉米植株體內(nèi)會發(fā)生一系列生理生化反應(yīng)，不同玉米品種會表現(xiàn)出不同的抗低溫能力［2］;冷害程度越深，相關(guān)抗冷性生理指標(biāo)變化越明顯［3］.近年來，國內(nèi)外學(xué)者對玉米低溫冷害的生理機(jī)制開展了很多研究.有研究表明玉米苗期低溫脅迫能夠使其相對生長率和凈同化速率降低，且耐寒基因型玉米的干物質(zhì)積累量要高于低溫敏感型玉米［4-5］.高素華等［6］針對低溫脅迫下玉米苗期生理特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在低溫處理下，葉片脯氨酸含量上升，光合速率下降;高燦紅等［7］通過對玉米幼苗根、中胚軸和胚芽鞘3個部位過氧化氫酶、過氧化物酶和脯氨酸含量變化及與耐寒性的關(guān)系研究指出，玉米幼苗中胚軸對低溫反應(yīng)最敏感，其中脯氨酸含量變化率與玉米耐寒性關(guān)系最密切.玉米除了苗期受低溫影響外，花粉母細(xì)胞減數(shù)分裂到四分體形成小孢子在內(nèi)的玉米孕穗期也是玉米生理上低溫冷害的關(guān)鍵時期，對玉米產(chǎn)量的影響尤為嚴(yán)重［8］.張毅等［9］在玉米孕穗期經(jīng)10℃低溫處理后發(fā)現(xiàn)，可溶性糖和游離氨基酸含量增加，淀粉、蛋白質(zhì)含量下降，嚴(yán)重阻礙了雌穗的發(fā)育.綜上所述，低溫逆境對玉米生理特性影響的報道較多，無論是苗期還是孕穗期低溫，多以玉米地上部分研究為主，針對玉米根系生理特性影響的研究較少.事實上，低溫脅迫時，玉米根系細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)特性和生理功能均受到影響［10-11］.本文以2個不同抗低溫能力的玉米品種為試驗材料，探討玉米根系對孕穗期低溫的生理響應(yīng)機(jī)制，分析不同低溫脅迫時間下，玉米根系生理指標(biāo)的動態(tài)變化規(guī)律，以期為玉米抗低溫冷害生理研究提供重要的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

供試玉米品種為抗低溫品種先玉335(由美國先鋒公司提供)和低溫敏感型東單213(由遼寧東亞種業(yè)提供).

1.2 試驗設(shè)計

供試土壤采自吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)作物研究中心試驗基地，基本理化指標(biāo)為:w(有機(jī)質(zhì))1.21%，全氮1.093 g·kg-1，全磷381.83 mg·kg-1，堿解氮 65.27 mg·kg-1，速效磷 10.68 mg·kg-1，速效鉀 103.84 mg·kg-1，pH 6.8.2011年5月12日在試驗基地網(wǎng)室進(jìn)行盆栽，盆直徑30 cm、高32 cm，每盆裝土21 kg，參照楊玉畫等［12］的方法計算得出每盆施肥量:尿素2.8 g、磷酸二銨1.2 g、氯化鉀1 g.每盆播3粒玉米種子，苗期定苗1株.于孕穗初期(出苗后第45天)移至人工氣候室內(nèi)進(jìn)行低溫處理，溫度10℃，光周期晝/夜為12 h/12 h，相對濕度60% ～70%，分別于處理后第1、3、5、7天每個處理取6盆，小心取出玉米根系，去除周邊土壤和表面污垢后，用蒸餾水沖洗干凈.挑選根尖部分進(jìn)行根系活力的測定，取根尖向上10～20 cm根系剪下，進(jìn)行生理指標(biāo)的測定，同時以室外不進(jìn)行低溫處理的植株各項指標(biāo)作為對照，每處理重復(fù)6次.

1.3 測定指標(biāo)及方法

將剪下的根系鮮樣剪碎，加0.05 mol·L-1的磷酸緩沖液(pH 7.8)6 mL及少量石英砂，冰浴研磨提取，用磷酸緩沖液定容至 10 mL，4℃、15 000 r·min-1條件下離心15 min，上清液即酶提取液.超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化還原法［13］，以單位時間內(nèi)抑制光還原50%所需的酶量為1個酶活力單位(U);過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法［14］，以每分鐘內(nèi)D470nm變化0.01為1個酶活力單位(U);過氧化氫(CAT)酶參照徐田軍等［15］的方法，以1 min內(nèi)D240nm減少0.1的酶量為1個酶活力單位(U).丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥法測定［16］;脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮比色法［17］;根系活力采用TTC法［17］;可溶性糖和可溶性蛋白分別采用蒽酮比色法和考馬斯亮藍(lán)法［17］.以上指標(biāo)均以每克鮮質(zhì)量樣品計.

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗所有數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析;利用Microsoft Excel 2003軟件進(jìn)行作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫對孕穗期玉米根系保護(hù)酶活性的影響

從圖1可以看出，先玉335根系SOD活性先降低后升高，東單213則先升高后降低.在低溫處理第5和第7天，先玉335根系SOD酶活性均顯著高于東單213，平均高26.3%.低溫處理期間，2個玉米品種根系POD的變化規(guī)律一致，呈現(xiàn)“降低-升高-降低”的變化趨勢，在第5和第7天，2個品種之間的POD活性差異顯著，先玉335比東單213分別高37.3%(第5天)和36.2%(第7天).在整個低溫處理期間，2個品種之間的CAT酶活性無顯著差異，且均在低溫第5天開始迅速降低.

圖1 低溫對孕穗期玉米根系保護(hù)酶活性的影響Fig.1 Effects of low temperature on activities of protective enzymes ofmaize root at booting stage

2.2 低溫對孕穗期玉米根系MDA含量的影響

圖2A表明，在低溫處理第1和第3天，2個品種之間MDA含量無顯著差異.低溫第5和第7天，東單213根系MDA含量迅速升高，分別比先玉335高18.5%(第5天)和27.8%(第7天).根系中 MDA含量的迅速增加使得膜透性增加，細(xì)胞質(zhì)膜的完整性易被破壞，對作物根系造成嚴(yán)重傷害.

2.3 低溫對孕穗期玉米根系脯氨酸含量的影響

從圖2B可以看出，2個玉米品種根系脯氨酸含量對低溫比較敏感.隨著低溫脅迫時間的延長，均呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢.其中先玉335在低溫處理第7天后開始下降，而東單213則在第5天開始降低.同一處理時間內(nèi)，先玉335根系脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)均顯著高于東單213.整個處理時間內(nèi)，先玉335根系脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)比東單213平均高77.9%.脯氨酸的積累使得先玉335根系細(xì)胞和組織有很好的持水能力，增強(qiáng)其抗低溫能力.

圖2 低溫對孕穗期玉米根系MDA和脯氨酸含量的影響Fig.2 Effects of low temperature on MDA and proline contents ofmaize root at booting stage

2.4 低溫對孕穗期玉米根系可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響

孕穗期低溫對玉米根系可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響如圖3所示.可溶性蛋白含量隨著低溫處理后時間的延長呈現(xiàn)單峰曲線變化，先玉335最高點出現(xiàn)在脅迫后第5天，東單213峰值在第3天.在低溫處理的第7天，先玉335根系可溶性蛋白含量比東單213高72.3%.低溫當(dāng)天，先玉335和東單213根系可溶性糖含量無顯著差異，均于第3天開始降低，至第7天時先玉335和東單213可溶性糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別僅為0.04和0.02 mg·g-1.

2.5 低溫對孕穗期玉米根系活力的影響

低溫處理第3天開始，2個玉米品種根系活力開始降低，東單213降幅較大.在低溫脅迫第3和第5天，東單213根系活力比同期先玉335低26.7%和41.1%，差異達(dá)顯著水平(圖4).

圖3 低溫對孕穗期玉米根系可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響Fig.3 Effects of low temperature on soluble protein and sugar contents ofmaize root at booting stage

圖4 低溫對孕穗期玉米根系活力的影響Fig.4 Effects of low temperature on root activity in maize at booting stage

2.6 玉米根系活力與各生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果(表1)表明:根系活力與各生理指標(biāo)之間的相關(guān)性因品種而不同.2個品種根系活力均與脯氨酸含量呈顯著正相關(guān)，與MDA含量呈顯著負(fù)相關(guān);先玉335根系活力與SOD活性、可溶性糖含量和脯氨酸含量呈顯著正相關(guān);而東單213根系活力與CAT活性和脯氨酸含量呈顯著正相關(guān).

表1 2個玉米品種根系活力與各生理指標(biāo)之間的相關(guān)性分析1)Tab.1 The correlation analysis of root activity and physiological indicators of two maize varieties

3 討論與結(jié)論

作物在低溫脅迫下細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷可能與自由基和活性氧引起的膜脂過氧化和蛋白質(zhì)破壞有關(guān)［18］.在正常情況或適度的低溫脅迫下，植物體內(nèi)自由基的產(chǎn)生和清除處于相對的動態(tài)平衡狀態(tài).當(dāng)溫度繼續(xù)下降或低溫持續(xù)時間延長，該平衡會被破壞，自由基產(chǎn)生量增加，清除量下降，膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛大量積累，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜系統(tǒng)的嚴(yán)重?fù)p傷［19］.此時，保護(hù)酶系統(tǒng)會協(xié)同作用，共同防御活性氧及其過氧化物自由基對細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害，超氧化物歧化酶(SOD)可以催化氧自由基歧化生成H2O2，而植物組織中高濃度的H2O2主要被過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)分解，從而對細(xì)胞膜起著保護(hù)作用［13-15］.本試驗結(jié)果表明，POD和 CAT保護(hù)酶活性在低溫脅迫下先升高后降低，但先玉335的SOD活性則在脅迫的第7天仍然保持較高水平.張敬賢等［20］在低溫對玉米幼苗的影響研究中指出:保護(hù)酶活性和玉米幼苗抗冷性密切相關(guān)，抗冷性弱的各種保護(hù)酶活性要低于抗冷性強(qiáng)的品種.MDA含量的上升與膜透性的增加呈顯著正相關(guān)，其積累是活性氧毒害作用的表現(xiàn)［21］.但在本研究中，玉米孕穗期低溫處理后前5天，根系MDA含量變化不大，僅在第5和第7天開始升高，但低溫處理第3天開始，玉米葉片中MDA含量顯著上升，說明葉片對低溫的反應(yīng)比根系要敏感(另文待發(fā)).

植物細(xì)胞為維持正常的生理功能，必須通過滲透調(diào)節(jié)保證一定的膨壓.脯氨酸、可溶性糖等小分子有機(jī)物參與這種滲透調(diào)節(jié)，低溫條件下植物體內(nèi)的脯氨酸和可溶性糖含量升高，以增加細(xì)胞對不良環(huán)境的適應(yīng)性［2］.但在水稻的研究中發(fā)現(xiàn)，敏感型品種比抗逆性強(qiáng)的品種體內(nèi)的脯氨酸累積量更高，認(rèn)為脯氨酸含量并不能作為抗冷性的篩選因子［22］.本研究中，整個低溫脅迫期間，抗低溫能力較強(qiáng)的玉米品種先玉335根系脯氨酸和可溶性糖含量均顯著高于東單213.

根系是最活躍的吸收器官和合成器官，根的生長情況、代謝水平和根系活力直接影響地上部分的生長和營養(yǎng)狀況［23］，對于作物的健康生長尤為重要［24］.自然條件下，植物根系和冠層所處環(huán)境溫度不同，根系內(nèi)部溫度也不一致.有研究表明，土溫變化1℃就能引起植物生長的明顯變化［25］.張金龍等［3］在低溫對玉米幼苗抗冷性的影響研究中也指出，在溫度14和4℃時，玉米根系活力顯著降低，溫度越低，降幅越大.本研究中，2個品種玉米根系活力隨低溫冷害時間的延長而降低，低溫處理第3天開始，玉米根系活力即迅速下降，對低溫較敏感的玉米品種東單213降低幅度高于抗性較強(qiáng)的先玉335.

相關(guān)分析結(jié)果表明，根系活力與所有抗逆性生理指標(biāo)并不均呈現(xiàn)極顯著相關(guān)性，且不同抗性品種相關(guān)性不同.但2個品種根系活力均與脯氨酸含量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)，與MDA含量呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān).低溫脅迫下玉米的抗性反應(yīng)是一個復(fù)雜的過程，需要通過體內(nèi)的各種代謝活動來調(diào)節(jié)對低溫環(huán)境的適應(yīng)性，表現(xiàn)出植物本身的抗低溫能力，某一個單一指標(biāo)很難揭示其抗低溫冷害的機(jī)理，必須對各項生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評價，以揭示其抗冷害的復(fù)雜本質(zhì).

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【責(zé)任編輯 周志紅】