冷（熱）激對干旱脅迫下玉米活性氧清除及膜脂過氧化的調(diào)控機(jī)制

張永?！↑S鶴平　銀立新　陳澤斌　劉佳妮　彭聲靜

摘要：為了揭示冷（熱）激對干旱脅迫下玉米活性氧清除系統(tǒng)及膜脂過氧化的調(diào)控機(jī)制，以會單2號幼苗為試材，經(jīng)冷（熱）激預(yù)處理后，待苗長至50cm左右時用15%聚乙二醇（PEG-6000）模擬干旱處理。結(jié)果表明，隨著干旱脅迫時間的延長，玉米葉片的相對電導(dǎo)率、丙二醛含量顯著增加，質(zhì)膜遭到損害，其中對照質(zhì)膜的損害明顯比冷（熱）激處理的嚴(yán)重；SOD和POD活性在干旱脅迫初期迅速升高，隨著脅迫時間的延長而逐漸變緩并略有下降，冷（熱）激處理對干旱脅迫下玉米葉片這2種酶活性的響應(yīng)差異較大，具有相互協(xié)調(diào)的作用；冷（熱）激能顯著降低玉米葉片在干旱脅迫下O2-·產(chǎn)生速率和H2O2含量；葉綠素和類胡蘿卜素含量在干旱脅迫初期呈現(xiàn)上升趨勢，但隨后便有不同程度的下降，其中冷（熱）激處理能夠顯著地減緩這種下降的速率；在干旱脅迫初期，各試材根系活力的下降幅度較小，但到了干旱脅迫中期以后，各試材根系活力迅速下降，其中冷（熱）激預(yù)處理能夠顯著減緩根系活力的下降速率?？梢姡洌幔┘ぬ幚砟軌蝻@著增強(qiáng)干旱脅迫下玉米葉片活性氧清除系統(tǒng)的功效，減輕膜質(zhì)過氧化對玉米葉片的傷害，增強(qiáng)其耐旱性，其中以4℃冷激處理的效果最顯著。

關(guān)鍵詞：玉米；冷（熱）激；干旱脅迫；活性氧；膜質(zhì)過氧化；調(diào)控機(jī)制

中圖分類號：Q945.78；S513.01 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1002-1302（2015）05-0056-05

玉米（Zea mays L.）是世界主要糧食作物之一，以其適應(yīng)性廣、產(chǎn)量高而著稱。但近年來，由于氣候異常，每年玉米生長季節(jié)中干旱災(zāi)害頻繁，制約著玉米的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。因此，研究玉米在干旱逆境下的生長生理及抗旱機(jī)制具有重要意義。植物的抗旱性與活性氧代謝密切相關(guān)，干旱脅迫下植物體內(nèi)會產(chǎn)生大量的H2O2、O2-·等活性氧自由基，導(dǎo)致膜脂過氧化，進(jìn)而造成膜系統(tǒng)的損傷。植物體內(nèi)的酶促和非酶促的抗氧化劑能夠清除活性氧，保護(hù)其細(xì)胞免受活性氧的傷害，維持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定，以增強(qiáng)植株的耐旱性。誘導(dǎo)植物對不同逆境的交叉適應(yīng)性是其獲得抗逆性的一種經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的有效手段。關(guān)于各種逆境誘導(dǎo)植物的交叉適應(yīng)性的報道較多。在玉米上，熱激預(yù)處理可誘導(dǎo)對熱、冷、干早和鹽脅迫的交叉適應(yīng)性；在葡萄上，高溫鍛煉和低溫鍛煉能夠誘導(dǎo)對溫度逆境的交叉適應(yīng)性；在黑麥上，冷鍛煉后能夠明顯提高其耐熱性。但有關(guān)這種交叉適應(yīng)的生理機(jī)制還不夠清楚，武杭菊等認(rèn)為干旱、低溫交叉逆境和ABA處理下小麥幼苗活性氧清除能力的增強(qiáng)是交叉適應(yīng)的生理機(jī)制之一。那么能否通過冷（熱）激處理來提高干旱脅迫下玉米植抹的抗氧化能力，減輕活性氧的傷害，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)和功能，緩解干旱逆境對玉米的傷害？為了解決這個問題，采用冷（熱）激預(yù)處理玉米發(fā)芽種子，待幼苗長至50cm左右時采用聚乙二醇（PEG-6000）模擬干旱，研究玉米葉片電導(dǎo)率、丙二醛、H2O2、葉綠素含量的差異，以及葉片保護(hù)酶活性、O2-·產(chǎn)生速率和根系活力等的變化規(guī)律，旨在探討冷（熱）激對干旱脅迫下玉米活性氧代謝系統(tǒng)的生理機(jī)制，為提高玉米耐旱性及其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1.材料與方法

1.1材料

參試玉米品種為會單2號，于2013年5-7月在昆明學(xué)院農(nóng)學(xué)院校園實訓(xùn)基地進(jìn)行試驗。

1.2方法

玉米種子置于50℃溫水中浸泡10min后用10%過氧化氫浸泡10min消毒，然后每個培養(yǎng)皿中放入50粒種子，于25℃生化培養(yǎng)箱中催芽。待芽長至2～3 cm時，把小苗放入25cm×35cm搪瓷盤中，置于盛有Hoagland's營養(yǎng)液光照培養(yǎng)箱中分別進(jìn)行冷（熱）激處理。設(shè)置2個冷激處理（4、8 qC）和2個熱激處理（36、40℃），時間72h，室溫為對照（CK）。每個處理3次重復(fù)。培養(yǎng)箱晝一夜時間設(shè)置為14h一10h，白天光量子通量密度約為100umol/（m²·s）。處理3d后移入10cm×10cm營養(yǎng)缽中，每缽種植2株，基質(zhì)為草炭：蛭石：珍珠巖=2：2：1，每3d更換1次Hoagland's營養(yǎng)液（pH值為6.5）。待幼苗長至50cm左右時，向營養(yǎng)液中加入15%PEG-6000進(jìn)行模擬干旱處理。

分別于干旱處理0、2、4、6、8、10d采樣，樣品為葉或根。剪取功能葉和根尖，混合取樣后測定各項指標(biāo)。氧自由基（O2-·）產(chǎn)生速率測定采用羥胺法，丙二醛（MDA）和過氧化氫（H2O2）含量測定參照鄒琦的方法，超氧化物歧化酶（SOD）活性測定采用NBT光還原法，過氧化物酶（POD）活性測定采用愈創(chuàng)木酚顯色法，相對電導(dǎo)率測定采用電導(dǎo)儀法，葉綠素含量的測定采用酒精提取法，根系活力的測定采用TFC染色法。每個樣品重復(fù)3次，取平均值。

1.3數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)單因素方差分析用SPSS 17.0軟件，并運(yùn)用Duncan's新復(fù)極差檢驗差異顯著性，并用Excel 2007作圖。

2.結(jié)果與分析

2.1冷（熱）激對干旱脅迫下玉米葉片相對電導(dǎo)率和MDA含量的影響

在PEG模擬干旱脅迫中，通過冷（熱）激處理可有效地降低玉米葉片電解質(zhì)滲出率。由圖1可以看出，在干旱脅迫O～2d，各處理與CK的相對電導(dǎo)率基本保持穩(wěn)定，但之后CK的相對電導(dǎo)率開始迅速上升，到試驗結(jié)束時達(dá)42.17%，顯著高于冷（熱）激處理的植株。而冷（熱）激處理的植株葉片相對電導(dǎo)率直到干旱脅迫6d以后才快速上升，到干旱脅迫結(jié)束時，40℃熱激的植株葉片相對電導(dǎo)率最低，為37.51%。

干旱脅迫前，冷（熱）激處理對MDA含量具有一定的影響，其中38℃熱激的植株葉片MDA含量最高，為8.02umoL/g，顯著高于其余各個處理和CK。干旱脅迫開始岳，CK的MDA含量急劇上升，到干旱脅迫6d，MDA含量達(dá)到最高，為13.76umol/g，隨岳開始下降，到干旱脅迫結(jié)束時降至11.10umol/g。從干旱脅迫4d到干旱脅迫結(jié)束的整個過程中，CK的MDA含量均顯著高于冷（熱）激處理。在干旱脅迫0～4d，8℃冷激的植抹葉片MDA含量最低，4d以后開始上升，到脅迫6d達(dá)到最高水平，隨后開始緩慢下降，但變化不大。其余3個處理在整個試驗期間MDA含量均比較平穩(wěn)。由此可見，干旱脅迫開始岳，CK的膜脂過氧化加劇，受傷嚴(yán)重，到干旱脅迫6d以后，已經(jīng)開始出現(xiàn)葉肉組織死亡的現(xiàn)象（圖1）。

2.2冷（熱）激對干旱脅迫下玉米葉片SOD和POD活性的影響

從圖2可看出，冷（熱）激處理后，在干旱脅迫前，4℃預(yù)處理的玉米植株SOD活性為115.60U/g，顯著低于其余各個處理和對照。干旱脅迫0～2d，所有試材的SOD活性均迅速上升，其中40℃預(yù)處理的最高，這種趨勢一直保持到干旱脅迫6d，之后便開始下降。在整個干旱脅迫期間，8℃預(yù)處理和CK的植株SOD活性均差異不顯著，到干旱脅迫結(jié)束時，4℃預(yù)處理的植株仍保持較高的SOD活性，2個高溫預(yù)處理的植株SOD活性基本相同。

圖2還顯示，在干旱脅迫前，各個處理和CK植株的POD活性均較低，且差異不大。在干旱脅迫O～2d，各試材的POD活性迅速上升，到干旱脅迫2d時，4℃預(yù)處理植株的POD活性最高，為1.26U/（mg·min），而CK最低，為0.98U/（mg·min），二者差異顯著。此后，在整個干旱脅迫期間，各個處理和CK的POD活性均逐漸上升，且一直保持4℃預(yù)處理的活性最高，CK的活性最低的規(guī)律，其余3個處理的POD活性居中，且差異不大。到干旱脅迫結(jié)束時，4℃預(yù)處理植株的POD活性為1.70U/（mg·min），CK植株的POD活性為1.42U/（mg·min）。

2.3冷（熱）激對干旱脅迫下玉米葉片氧自由基產(chǎn)生速率和過氧化氫含量的影響

圖3顯示，冷（熱）激處理能夠降低干旱脅迫下玉米葉片的氧自由基產(chǎn)生速率。在干旱脅迫前，除40℃熱激的植株葉片氧自由基產(chǎn)生速率略低以外，其余3個處理和CK的氧自由基產(chǎn)生速率幾乎相同，且在干旱脅迫0～2d均幾乎無變化。干旱脅迫2d開始，各個處理和CK的氧自由基產(chǎn)生速率均快速上升，到干旱脅迫10d以后，CK的氧自由基產(chǎn)生速率一直保持最高。到干旱脅迫結(jié)束時，CK的氧自由基產(chǎn)生速率是原來的4.3倍，而4℃冷激處理的氧自由基產(chǎn)生速率是原來的3.0倍，為最低。

從圖3還可以看出，冷（熱）激處理對玉米葉片的過氧化氫含量具有一定的影響。干旱脅迫后，各個處理和CK植株葉片過氧化氫含量均迅速上升，其中CK上升速度最快，且在整個試驗期間均高于冷（熱）激處理，到干旱脅迫結(jié)束時，增長了21.45umol/g。4℃冷激處理的玉米葉片過氧化氫含量從干旱脅迫4d開始一直到干旱脅迫結(jié)束，均保持最低水平，在整個試驗期間僅增長了14.36umol/g。

此外，圖3還顯示，冷激處理比熱激處理更能有效地降低干旱脅迫下玉米葉片氧自由基產(chǎn)生速率和過氧化氫含量，減輕氧自由基對玉米葉片的傷害，提高其抗旱性。

2.4冷（熱）激對干旱脅迫下玉米葉片葉綠素含量的影響

由圖4可以看出，在干旱脅迫前，各處理的葉綠素a含量相差不大，均在0.8～1.0mg/g之問，但在PEG模擬干旱處理2 d時，葉綠素a含量急劇上升，其中上升幅度最大的是36℃熱激處理的材料，是原來的2.4倍，而CK的上升幅度最小，是原來的2倍。隨后，除4℃冷激處理的材料繼續(xù)緩慢上升外，其余3個處理和CK均開始下降，在整個下降過程中，CK的葉綠素a含量均顯著低于冷（熱）激處理，而4℃冷激處理的材料則保持相對較高的水平。干旱脅迫結(jié)束后，CK的葉綠素a含量已降至1.O m∥g，而冷（熱）激處理的含量則在1.5mg/g以上，顯著高于CK。

冷（熱）激處理對干旱脅迫下玉米葉片葉綠素b含量的影響無明顯規(guī)律。在干旱脅迫前，8℃冷激處理的葉綠素b含量最高，為O.65mgg；36℃熱激處理的含量最低，為0.39mg/g。到干旱脅迫2 d時，這種狀況發(fā)生了較大的變化，4℃冷激處理的葉綠素b含量最高，是干旱脅迫前的3.1倍，而8℃冷激處理的含量最低，與干旱脅迫前相比并未明顯上升。干旱脅迫2d以后，各個處理的葉綠素b含量均表現(xiàn)出不同程度的下降，到干旱脅迫結(jié)束時，所有試材的葉綠素b含量均降至0.5mg/g左右。

葉綠素a+b的變化規(guī)律總體上與葉綠素a的變化規(guī)律相似。干旱脅迫前，各試材的葉綠素a+b含量在1.3～1.6mg/g之間，但在干旱脅迫0～2d，各試材的葉綠素a+b含量均急劇上升，到干旱脅迫2 d時，36℃熱激處理的材料葉綠素a+b含量最高，達(dá)3.46mg/g，CK的葉綠素a+b含量最低，為2.86mg/g。從干旱脅迫4 d起，各試材的葉綠素a+b含量便迅速下降，其中4℃冷激處理的葉綠素a+1）含量在各個時段均基本保持最高水平，而CK則一直均為最低水平。到干旱脅迫結(jié)束時，CK的葉綠素a+b含量僅為1.62mg/g，顯著低于冷（熱）激處理。

冷（熱）激對干旱脅迫下玉米葉片類胡蘿卜素含量的影響較大。在干旱脅迫前，36℃熱激處理的類胡蘿卜素含量最高，為0.14mg/g，40℃熱激處理的含量最低，為0.05mg/g，二者差異顯著。在干旱脅迫過程中，所有試材的類胡蘿卜素含量均呈不同程度上升，其中40 qC預(yù)處理的上升較慢，在干旱脅迫4d時，其含量均顯著低于其余3個處理和CK。到干旱脅迫結(jié)束時，冷（熱）激處理的類胡蘿卜素含量均顯著高于CK，其中36℃熱激的最高為0.31mh/g，而CK為.0.23mg/g。

2.5冷（熱）激對干旱脅迫下玉米根系活力的影響

圖5顯示，在PEG模擬干旱脅迫下，冷（熱）激處理對玉米根系活力的影響較大。在干旱脅迫前，8 qC冷激處理的試材根系活力最高，TTC還原強(qiáng)度為1.71mh/（g·h），而36℃熱激處理的試材則根系活力最低，TI'C還原強(qiáng)度為1.36mg/（g·h），二者差異顯著。干旱脅迫后，各試材的根系活力便開始下降，其中4℃冷激和36℃熱激處理的試材在干旱脅迫0-4d根系活力下降緩慢，但干旱脅迫4d以后，根系活力迅速下降。干旱脅迫4d時及以后，4℃冷激處理的試材根系活力在下降的過程中始終保持最高水平，而CK則始終處于最低水平。到干旱脅迫結(jié)束時，4℃冷激處理的玉米根系活力顯著高于其余處理和CK，TFC還原強(qiáng)度為0.87mg/（g·h），而CK的玉米根系活力則顯著低于其余處理，TTC還原強(qiáng)度為0.50mg/（g·h）。