外源海藻糖對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系生長(zhǎng)及生理特性的影響*

劉 旋，佟昊陽(yáng)，田禮欣，左師宇，孫 磊，曲丹陽(yáng)，李麗杰，魏 湜，李 晶

?

外源海藻糖對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系生長(zhǎng)及生理特性的影響*

劉 旋1，佟昊陽(yáng)1，田禮欣1，左師宇1，孫 磊2，曲丹陽(yáng)1，李麗杰1，魏 湜1，李 晶1

（1．東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150030；2．黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，哈爾濱 150086）

以玉米品種“先玉335”為實(shí)驗(yàn)材料，采用盆栽培養(yǎng)方法，待幼苗長(zhǎng)至三葉一心時(shí)進(jìn)行根系澆注海藻糖處理，海藻糖濃度分別為3、6、9、12、15、18mmol×L?1，以清水為對(duì)照，在人工智能培養(yǎng)箱晝/夜溫度14℃/5℃的低溫條件下培養(yǎng)4d，分析低溫脅迫下海藻糖對(duì)玉米幼苗根系生長(zhǎng)、抗氧化酶活性、細(xì)胞膜穩(wěn)定性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響。結(jié)果顯示：根系澆注海藻糖能促進(jìn)低溫脅迫下玉米幼苗根系生長(zhǎng)，誘導(dǎo)細(xì)胞抗氧化酶活性增加，維持根系細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能的穩(wěn)定。與對(duì)照相比，12mmol×L?1海藻糖處理的幼苗根長(zhǎng)、根表面積和根鮮干重分別增加32.16%、15.87%、41.14%、58.33%；SOD和POD活性分別增加44.16%和62.17%；MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率分別降低50.23%和42.53%；脯氨酸和可溶性蛋白含量分別增加81.32%和87.21%。表明根系澆注適宜濃度海藻糖可有效提高玉米幼苗的抗低溫能力，通過(guò)增強(qiáng)根系抗氧化酶活性，減輕膜損傷，進(jìn)而緩解低溫脅迫對(duì)幼苗生長(zhǎng)的抑制，且12mmol×L?1的海藻糖溶液根系處理效果最佳。

玉米；海藻糖；低溫脅迫；抗氧化系統(tǒng)；滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)

溫度是作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中非常重要的環(huán)境因子，作物在低溫脅迫時(shí)，生長(zhǎng)受到抑制，嚴(yán)重時(shí)甚至死亡，造成作物減產(chǎn)[1]。全球每年由于低溫凍害造成的農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)損失可高達(dá)數(shù)億元。資料統(tǒng)計(jì)，低溫凍害每3～4a就會(huì)發(fā)生一次，造成作物平均減產(chǎn)13%～15%[2]。黑龍江省作為中國(guó)重要的玉米主產(chǎn)區(qū)，地處東北平原，年有效積溫有限，經(jīng)常出現(xiàn)局部性或全省性低溫冷害，影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致其大幅減產(chǎn)。黑龍江省玉米冷害主要發(fā)生在苗期和收獲前期，其中苗期玉米對(duì)低溫冷害更為敏感，并影響整個(gè)生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程[3]。玉米幼苗受到低溫脅迫后，根系生長(zhǎng)受到明顯抑制，生物量降低[4]。根系生長(zhǎng)的限制直接影響后期生育成熟以及產(chǎn)量形成[5]。近年來(lái)，對(duì)于玉米低溫冷害的研究備受關(guān)注，玉米低溫冷害的時(shí)空分布特征、不同品種玉米耐寒性鑒定、玉米低溫冷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)估[6-11]等各方面研究都較為深入，關(guān)于玉米抗冷栽培研究對(duì)于提高產(chǎn)量、擴(kuò)大種植面積具有重要意義。現(xiàn)階段，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用外源物質(zhì)調(diào)控逆境是抗逆栽培的重要手段。

海藻糖是一種安全的非還原性雙糖，對(duì)生物大分子和生物體均具有非特異性保護(hù)作用。逆境條件下，它可以保護(hù)細(xì)胞活性物質(zhì)，促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，增強(qiáng)質(zhì)膜流動(dòng)性以及功能酶的穩(wěn)定性[12]。海藻糖可作為植物適應(yīng)環(huán)境脅迫的應(yīng)激代謝產(chǎn)物，協(xié)助植物細(xì)胞內(nèi)組分抵御外界不良環(huán)境，而廣泛存在于耐低溫作物中[13]。研究發(fā)現(xiàn)，黃瓜在受到低溫脅迫時(shí)，外源海藻糖可以減少其體內(nèi)的活性氧積累，同時(shí)，植株體內(nèi)抗氧化酶SOD、POD活性增強(qiáng)，可有效清除活性氧，進(jìn)而減輕低溫對(duì)黃瓜幼苗的傷害[14]。謝冬微等[15]研究發(fā)現(xiàn)，外源海藻糖也可提高小麥幼苗內(nèi)可溶性蛋白、可溶性糖含量，提高抗氧化能力，減輕膜脂過(guò)氧化傷害程度，增強(qiáng)植株的抗寒性。此外，也有研究指出，外源海藻糖通過(guò)提高鹽脅迫下小麥幼苗SOD活性，降低對(duì)細(xì)胞膜的傷害，維持Na+、K?的相對(duì)平衡，增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)能力，進(jìn)而提高小麥幼苗的耐鹽性[16]。目前，關(guān)于海藻糖在玉米抗冷性領(lǐng)域的應(yīng)用及其生理機(jī)制的研究尚未見報(bào)道，而低溫對(duì)東北春玉米產(chǎn)區(qū)造成的影響亟需解決，鑒于海藻糖對(duì)其它作物的抗逆作用，以及海藻糖溶液低施高效抗逆的優(yōu)點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)擬以海藻糖為外源物質(zhì)，初步探討根施海藻糖對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)、保護(hù)酶活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的影響，明確海藻糖緩解低溫效應(yīng)的最適濃度，揭示海藻糖增強(qiáng)玉米幼苗耐低溫作用的機(jī)制，為海藻糖在作物抗低溫冷害中的應(yīng)用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)于2016年在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)盆栽實(shí)驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行，供試玉米品種為先玉335。供試土壤取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)盆栽試驗(yàn)基地，其基本理化性質(zhì)為，有機(jī)質(zhì)21.2g·kg?1，速效鉀290.61mg·kg?1，速效磷14.87 mg·kg?1，速效氮9.22mg·kg?1，全鉀15.5%，全磷0.03%，全氮0.14 %。海藻糖由國(guó)藥集團(tuán)某公司提供。

采用室外盆栽培養(yǎng)，花盆直徑20cm，高17cm，裝土3kg，供試土壤為黑土。選擇籽粒飽滿的種子經(jīng)1%次氯酸鈉消毒10min，滅菌蒸餾水沖洗干凈后，播種在花盆中，每盆播種8粒，出苗后定苗6株。

待玉米幼苗生長(zhǎng)至三葉一心時(shí)，根系澆注海藻糖，使用500mL量筒精準(zhǔn)稱量不同濃度海藻糖溶液350mL，緩慢均勻澆注到花盆中。海藻糖濃度分別為3、6、9、12、15、18mmol×L?1，以清水為對(duì)照，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。海藻糖誘導(dǎo)24h后，將幼苗移入HPG-280HX型人工智能培養(yǎng)箱中進(jìn)行低溫（晝溫/夜=14℃/5℃）處理，4d后，轉(zhuǎn)移至正常生長(zhǎng)條件下（晝溫/夜=24℃/15℃），24h后取根系進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定。除環(huán)境溫度不同外，幼苗生長(zhǎng)每日光照時(shí)間均為14h，光強(qiáng)為4000lx，相對(duì)濕度為55%。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及取樣方法

根長(zhǎng)、根表面積測(cè)定采用加拿大Regent LA-S根系分析系統(tǒng)進(jìn)行根系數(shù)據(jù)采集及分析。干鮮重的測(cè)定是將幼苗根系沖洗干凈后，用濾紙吸干根表面水分，稱取鮮重，在105℃下殺青20min，80℃下烘干至恒重后稱取干重。

取幼苗根系根尖0.1g，采用雷磁DDS-307A電導(dǎo)率儀測(cè)定根尖相對(duì)電導(dǎo)率；取玉米幼苗根系去除根尖后全長(zhǎng)的2/3，稱取0.5g，采用氮藍(lán)四唑（NBT）法測(cè)定SOD活性[17]；愈創(chuàng)木酚法測(cè)定POD活性；分光光度計(jì)法測(cè)定MDA含量；茚三酮比色法測(cè)定Pro含量[18]；考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定可溶性蛋白含量[19]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel和DPS7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，LSD法進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源海藻糖對(duì)低溫脅迫下幼苗根系特征的影響

由表1可見，在低溫脅迫下，澆注清水處理（海藻糖濃度為0）中玉米幼苗根長(zhǎng)、表面積及鮮干重均低于其它處理，隨著澆注海藻糖濃度的增加，低溫處理中根長(zhǎng)、根表面積及鮮干重大小總體呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，其中海藻糖濃度為12mmol×L?1的處理根系各項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)值最大，分別比清水對(duì)照處理增加32.16%（根長(zhǎng)）、15.87%（根表面積）、41.14%（鮮重）和58.33%（干重），且與其它海藻糖處理間差異達(dá)顯著水平（P＜0.05）。這表明根系土壤中澆注海藻糖可有效刺激低溫脅迫下玉米幼苗根系的生長(zhǎng)，而且海藻糖的注入存在一定的濃度效應(yīng)，12mmol×L?1的海藻糖處理表現(xiàn)效果最好。

表1 不同海藻糖濃度處理后低溫脅迫下玉米幼苗根長(zhǎng)、表面積及鮮干重的比較（平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤）

注：小寫字母表示處理間在0.05水平上的差異顯著性。下同。

Note：Lowercase indicates the difference significance among treatments at 0.05 level. The same as below.

2.2 外源海藻糖對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系抗氧化酶活性的影響

SOD是生物防御活性氧傷害的重要保護(hù)酶之一，在作物適應(yīng)逆境的過(guò)程中起著重要作用。由圖1可知，各濃度海藻糖處理后SOD活性均顯著高于清水處理（P＜0.05），說(shuō)明海藻糖有效提高了低溫脅迫下玉米幼苗根系內(nèi)SOD的活性，且隨著海藻糖濃度的增加，SOD活性呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在濃度為12mmol×L?1時(shí)SOD酶活性最高，與對(duì)照相比，增加了44.16%，且與其它處理差異均達(dá)顯著水平（P＜0.05）。根系SOD活性的增加表明植株抗低溫能力的增強(qiáng)，且海藻糖的誘導(dǎo)效應(yīng)表現(xiàn)出濃度差異。

POD是植物體內(nèi)活性較高的抗氧化酶，通過(guò)清除體內(nèi)自由基，可有效防御組織細(xì)胞發(fā)生膜脂過(guò)氧化，在逆境脅迫下起到保護(hù)作用[20]。由圖2可知，低溫脅迫下各濃度海藻糖處理POD活性變化與SOD酶活性變化規(guī)律相似，均呈現(xiàn)低促高抑的趨勢(shì)，且在海藻糖濃度為12mmol×L?1時(shí)酶活性最高，較清水對(duì)照增加了62.17%，與其它處理差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），海藻糖濃度進(jìn)一步提高后，POD活性出現(xiàn)下降趨勢(shì)，但POD酶活性仍顯著高于對(duì)照，表明應(yīng)用海藻糖可有效提高玉米幼苗根系的抗氧化活性，顯著增強(qiáng)玉米幼苗清除體內(nèi)自由基的能力，進(jìn)而減輕低溫脅迫造成的傷害。

圖1 不同海藻糖濃度處理后低溫脅迫下玉米幼苗根系SOD活性的比較（短線為標(biāo)準(zhǔn)誤,下同）

圖2 不同海藻糖濃度處理后低溫脅迫下玉米幼苗根系POD活性的比較

2.3 外源海藻糖對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系細(xì)胞膜穩(wěn)定性的影響

丙二醛（MDA）是植物在受到逆境脅迫時(shí)產(chǎn)生的膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物，是反映植物受到逆境傷害程度的重要指標(biāo)。由圖3可知，隨著海藻糖濃度的增加，玉米幼苗根系MDA含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，在濃度為12mmol×L?1時(shí)，MDA含量顯著低于其它處理（P＜0.05）。不同濃度海藻糖處理植株根系，MDA含量與清水對(duì)照相比均顯著降低（P＜0.05），降低范圍在11.85%～50.23%。說(shuō)明海藻糖的應(yīng)用可以減少植物細(xì)胞MDA的生成，增強(qiáng)玉米抗低溫能力。

圖3 不同海藻糖濃度處理后低溫脅迫下玉米幼苗根系丙二醛活性的比較

相對(duì)電導(dǎo)率是衡量細(xì)胞膜透性大小的指標(biāo)，相對(duì)電導(dǎo)率越大，細(xì)胞膜受損傷的程度也就越大。從圖4可知，經(jīng)過(guò)3～18mmol×L?1海藻糖處理后玉米幼苗根系相對(duì)電導(dǎo)率均顯著下降，分別比清水對(duì)照減少12.48%、24.65%、29.89%、42.53%、34.98%和29.28%，在海藻糖濃度為12mmol×L?1時(shí)幼苗根系相對(duì)電導(dǎo)率降幅最大，且與其它處理差異顯著（P＜0.05）。由此可知，海藻糖可減輕低溫脅迫下細(xì)胞膜的損傷程度，且在濃度為12mmol×L?1時(shí)效果最為明顯。

圖4 不同海藻糖濃度處理后低溫脅迫下玉米幼苗根系相對(duì)電導(dǎo)率的比較

2.4 外源海藻糖對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

玉米幼苗在低溫脅迫下，通過(guò)滲透調(diào)節(jié)作用，產(chǎn)生可溶性蛋白以維持細(xì)胞膨壓，保證細(xì)胞代謝正常進(jìn)行[21]。由圖5可以看出，經(jīng)海藻糖處理后，玉米幼苗根系可溶性蛋白含量均與對(duì)照存在顯著差異（P＜0.05）。說(shuō)明海藻糖可以調(diào)控產(chǎn)生更多的可溶性蛋白以增強(qiáng)幼苗的抗低溫能力，在海藻糖濃度為12mmol×L?1時(shí)可溶性蛋白含量最高，較清水對(duì)照增加了87.21%，且與其它處理差異均達(dá)到顯著水平。隨著海藻糖濃度的增加，可溶性蛋白含量變化呈現(xiàn)出先增后降的規(guī)律，因此，適宜的海藻糖濃度對(duì)于提高根系內(nèi)可溶性蛋白含量效果更明顯。

脯氨酸是植物體內(nèi)最為重要的滲透調(diào)節(jié)保護(hù)物質(zhì)，低溫脅迫時(shí)脯氨酸含量會(huì)大幅度提高[22-23]。由圖6可知，經(jīng)海藻糖處理后的玉米幼苗根系脯氨酸含量明顯升高，均與清水對(duì)照處理存在顯著差異，且隨著海藻糖濃度的增加，脯氨酸含量變化呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在濃度為12mmol×L?1時(shí)，脯氨酸含量最高，較清水對(duì)照增加了81.32%，且與其它處理相比，差異均達(dá)到顯著水平（P＜0.05）。

圖5 不同海藻糖濃度處理后低溫脅迫下玉米幼苗根系可溶性蛋白含量的比較

圖6 不同海藻糖濃度處理后低溫脅迫下玉米幼苗根系脯氨酸含量的比較

3 結(jié)論與討論

3.1 討論

（1）海藻糖處理對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系生理特征的影響。根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的重要營(yíng)養(yǎng)器官，與植株抗低溫能力具有十分密切的關(guān)系。研究指出，根系在土壤中的生長(zhǎng)及分布狀況決定玉米植株對(duì)土壤中水分與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收以及抗低溫能力[24-25]，低溫條件下，玉米幼苗根系生長(zhǎng)受到抑制，生物量明顯降低[26]。本研究中，在低溫脅迫條件下，對(duì)玉米幼苗根系澆注海藻糖處理后，受低溫脅迫的玉米幼苗根長(zhǎng)、根表面積以及鮮干重均明顯增加，說(shuō)明外源海藻糖可明顯促進(jìn)植株生長(zhǎng)，減緩低溫對(duì)植株的傷害。這與丁順華等[16]在鹽脅迫下外源海藻糖對(duì)小麥幼苗耐鹽性的研究規(guī)律相似。本研究還發(fā)現(xiàn)，不同濃度海藻糖處理間，玉米幼苗抗低溫能力存在顯著差異，在海藻糖濃度為12mmol×L?1時(shí)，刺激根系生長(zhǎng)的作用效果最為明顯，但在海藻糖濃度增加至15mmol×L?1時(shí)，玉米幼苗根系生物量明顯下降，導(dǎo)致這一結(jié)果的原因可能是高濃度外源海藻糖抑制了幼苗體內(nèi)其它糖類物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，影響了細(xì)胞正常生理代謝功能，具體原因有待深入探究。

（2）海藻糖處理對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系抗氧化酶活性的影響。低溫脅迫下活性氧會(huì)在植物體內(nèi)大量生成，這不僅會(huì)造成作物細(xì)胞膜損傷，還可透過(guò)生物膜快速擴(kuò)散至植物各組織中[27]。SOD和POD的協(xié)同作用可以有效抵御活性氧自由基對(duì)細(xì)胞膜的傷害，抑制膜脂過(guò)氧化作用，緩解逆境脅迫對(duì)植物造成的傷害。在逆境脅迫下，植物自身的抗氧化系統(tǒng)中抗氧化酶活性會(huì)有所增強(qiáng)[28-29]，徐田軍等[30]在對(duì)玉米幼苗的研究中進(jìn)一步證實(shí)了這一結(jié)論。趙瑩等[31]研究認(rèn)為，外源蔗糖和葡萄糖可以有效提高鹽脅迫下玉米幼苗葉片中SOD含量，減輕活性氧自由基對(duì)細(xì)胞的傷害，增強(qiáng)鹽脅迫下細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，經(jīng)過(guò)海藻糖處理后，受到低溫?fù)p害的玉米幼苗根系內(nèi)SOD、POD活性增強(qiáng)，且呈現(xiàn)低濃度促進(jìn)高濃度抑制的規(guī)律，這說(shuō)明適宜濃度的海藻糖可有效激活低溫脅迫下玉米幼苗的酶促防御系統(tǒng)，增強(qiáng)抗氧化酶活性，進(jìn)而快速清除體內(nèi)大量的活性氧，減輕膜損傷，最終達(dá)到提高作物抗低溫能力的目的。而當(dāng)海藻糖濃度超過(guò)一定值時(shí)，根系內(nèi)SOD、POD含量顯著下降，導(dǎo)致這種低促高抑現(xiàn)象的原因可能是由于較高濃度海藻糖對(duì)植株根系內(nèi)的防御系統(tǒng)產(chǎn)生一定的限制，抑制了SOD、POD等對(duì)活性氧的清除。徐婷等[32]對(duì)薄皮甜瓜的研究也表明，葉面噴施不同濃度海藻糖可通過(guò)增強(qiáng)SOD和POD活性來(lái)緩解鹽脅迫對(duì)其造成的損傷，且濃度為4%時(shí)效果最顯著。前人研究表明，外源蔗糖能夠誘導(dǎo)擬南芥超氧化物歧化酶基因的表達(dá)，說(shuō)明外源糖有效誘導(dǎo)保護(hù)酶系統(tǒng)也是其緩解逆境脅迫的重要機(jī)制之一[33]。至于海藻糖緩解玉米幼苗抗低溫能力是否與誘導(dǎo)超氧化物歧化酶基因表達(dá)有關(guān)，還需進(jìn)一步展開研究。

（3）海藻糖處理對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響。滲透調(diào)節(jié)能力的強(qiáng)弱是植物適應(yīng)低溫強(qiáng)度的重要反映。植物在逆境脅迫下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可以維持細(xì)胞膨壓，穩(wěn)定細(xì)胞器結(jié)構(gòu)，調(diào)控某些生理功能，緩解逆境脅迫對(duì)植物的傷害[34-35]?？扇苄缘鞍缀透彼崾侵参矬w內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，有研究表明，海藻糖可通過(guò)提高鹽脅迫下番茄幼苗葉片中可溶性蛋白和脯氨酸的含量，提高滲透調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)幼苗的耐鹽性[36]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，低溫脅迫下，經(jīng)不同濃度的海藻糖處理后，玉米幼苗根系可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸的含量均顯著增加，這與馬光恕等[37]在對(duì)鹽脅迫下甜瓜幼苗生長(zhǎng)的影響中結(jié)果相似。海藻糖可通過(guò)增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，維持細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和調(diào)節(jié)滲透壓，從而有效提高玉米幼苗的耐低溫能力。在海藻糖濃度超過(guò)12mmol·L?1后，植株根系內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)會(huì)有所下降，出現(xiàn)這種情況可能是由于海藻糖濃度過(guò)高，造成植株體內(nèi)代謝酶紊亂，或是對(duì)細(xì)胞膜造成機(jī)械損傷。此外，根據(jù)以上結(jié)果推測(cè)，海藻糖澆注玉米幼苗根系可以促進(jìn)可溶性蛋白合成途徑中重要酶的合成或提高酶活性，使其含量在植株根系內(nèi)維持較高的水平，以增強(qiáng)幼苗的抗寒能力。

（4）海藻糖處理對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系細(xì)胞膜穩(wěn)定性的影響。植物細(xì)胞膜是對(duì)低溫最為敏感的細(xì)胞器，MDA是植物在逆境脅迫下膜脂過(guò)氧化的分解產(chǎn)物，MDA含量和相對(duì)電導(dǎo)率的高低可以有效反映細(xì)胞受傷害程度大小。譚孟祥等[38]研究結(jié)果表明，由于低溫的影響，水稻葉片內(nèi)MDA含量明顯降低。有研究指出，葡萄糖處理香雪蘭花朵可以緩解由于低溫傷害導(dǎo)致其體內(nèi)MDA含量升高的狀況[39]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在低溫條件下，不同濃度海藻糖處理均可以降低玉米幼苗根系內(nèi)相對(duì)電導(dǎo)率和MDA含量，表明海藻糖可以減輕低溫脅迫對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)造成的傷害，進(jìn)而增強(qiáng)其耐低溫能力。這與前人對(duì)黃瓜[14]、小麥[15]等作物的研究結(jié)果一致，且均表現(xiàn)為較低濃度的海藻糖處理效果最好，這可能是由于高濃度的海藻糖處理會(huì)抑制植株體內(nèi)碳水化合物的合成，抑制碳物質(zhì)積累，其具體機(jī)理還有待研究。

當(dāng)前，在大田中為提高玉米抗低溫能力而被廣泛推廣的外源物質(zhì)有水楊酸和脫落酸，生產(chǎn)上成本較低，而海藻糖在較低濃度時(shí)也可獲得較好的抗低溫效果，且作為糖類物質(zhì)對(duì)土壤無(wú)任何副作用，也是作物抗低溫外源物質(zhì)的一種選擇。此外，本研究是在盆栽基礎(chǔ)上進(jìn)行，與大田生長(zhǎng)環(huán)境相比，根系生長(zhǎng)范圍具有局限性、土壤微生物種群也存在一定差異，本實(shí)驗(yàn)只是研究體系的一部分。因此，關(guān)于海藻糖在大田中的應(yīng)用還需深入探究。

3.2 結(jié)論

海藻糖可以緩解由于低溫脅迫而引起的玉米幼苗根系生長(zhǎng)受到抑制的現(xiàn)象，增加生物量的積累；提高低溫條件下根系抗氧化酶活性，增強(qiáng)細(xì)胞清除活性氧的能力；減少M(fèi)DA含量，降低相對(duì)電導(dǎo)率，維持低溫后玉米幼苗根系細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能穩(wěn)定；增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，提高滲透調(diào)節(jié)能力，從而緩解低溫脅迫對(duì)植株的傷害，提高對(duì)低溫的適應(yīng)能力，其中12mmol×L?1濃度海藻糖表現(xiàn)最佳。

[1]李祎君,王遠(yuǎn)皓,張雪芬,等.東北地區(qū)玉米低溫冷害規(guī)律研究[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2011,20(6):75-80.

Li Y J,Wang Y H,Zhang X F,el at.Research on chilling damage of maize in northeast China[J].Journal of Natural Disasters, 2011,20(6):75-80.(in Chinese)

[2]楊德光,秦東玲,李釗,等.低溫脅迫下外源水楊酸對(duì)玉米幼苗生理特性的影響[J].玉米科學(xué),2016,24(4):122-129.

Yang D G,Qin D L,Li Z,el at.Physiological effects of exogenous salicylic acid on maize seedlings under low temperature stress[J]. Journal of Maize Sciences,2016,24(4):122-129.(in Chinese)

[3]陳笑瑩,宋鳳斌,朱先燦,等.低溫脅迫下叢枝菌根真菌對(duì)玉米幼苗形態(tài)、生長(zhǎng)和光合的影響[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2014,29(S1): 155-161.

Chen X Y,Song F B,Zhu X C,el at.Effect of arbuscular mycorrhizal fungus on morphology,growth and photosynthetic characteristics in maize seedlings under low temperature stress[J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica,2014,29(S1):155-161. (in Chinese)

[4]晉鵬宇,趙鑫,趙麗曉,等.芽苗期低溫對(duì)玉米生長(zhǎng)的影響及抗逆栽培措施[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2012,27(S1):139-143.

Jin P Y,Zhao X,Zhao L X,et al.Effects of low temperature at germination and seedling stage on maize growth and cultivation technique for alleviation[J].Acta Agriculturae Boreali-Sinica, 2012,27(S1):139-143.(in Chinese)

[5]羅寧,魏湜,李晶,等.低溫冷害對(duì)玉米苗期根系特征及電導(dǎo)率的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2014,33(10):2694-2699.

Luo N,Wei S,Li J,et al.Effects of low-temperature stress on root system characteristics and electric conductivity of maize seedlings[J].Chinese Journal of Ecology,2014,33(10):2694-2699. (in Chinese)

[6]吉春容,劉海蓉,羅繼,等.低溫凍害過(guò)程中棗樹枝條相關(guān)生理指標(biāo)的變化[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2016,37(5):545-554.

Ji C R,Liu H R,Luo J,et al.Changes of physiological indices of jujube branches under process of low temperature and freeze injury[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2016,37(5):545- 554. (in Chinese)

[7]楊若子,周廣勝.1961-2013年?yáng)|北三省玉米低溫冷害強(qiáng)度的時(shí)空分布特征[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(14):4386-4394．

Yang R Z,Zhou G S.Spatio-temporal distribution of maize chilling damage intensity in the three provinces of Northeast China during 1961 to 2013[J].Acta Ecologica Sinica,2016,36 (14):4386-4394.(in Chinese)

[8]陳鵬獅,張玉書,紀(jì)瑞鵬,等.1961-2010年遼寧省玉米低溫冷害時(shí)空分布特征[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2017,26(4):411-418.

Chen P S,Zhang Y S,Ji R P,et al.Spatio-temporal distribution characteristics of maize chilling damage in Liaoning province during 1961-2010[J].Journal of Natural Disasters,2017,26(4): 411-418.(in Chinese)

[9]王騰飛,裴玉賀,郭新梅,等. 3個(gè)玉米品種苗期耐寒性鑒定[J]. 核農(nóng)學(xué)報(bào),2017,31(4):803-808.

Wang P F,Pei Y H,Guo X H,et al.3 Identification of the cold tolerance of three maize varieties in the seedling stage[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences,2017,31(4): 803-808. (in Chinese)

[10]陳凱奇,米娜.遼寧省玉米低溫冷害和霜凍災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[J].氣象與環(huán)境學(xué)報(bào),2016,32(1):89-94．

Chen K Q,Mi N.Risk evaluation on maize cold damage and frost damage in Liaoning province[J].Journal of Meteorology and Environment,2016,32(1):89-94.(in Chinese)

[11]朱紅蕊,劉赫男,張洪玲,等.黑龍江省玉米低溫冷害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)估[J].氣候變化研究進(jìn)展,2015,11(3):173-178.

Zhu H R,Liu H N,Zhang H L,et al.Evaluation and projection of maize cold damage in Heilongjiang[J].Progressus Inquisiones de Mutatione Climatis,2015,11(3):173-178.(in Chinese)

[12]楊巧玲,楊曉梅,閆道良,等. 外源海藻糖對(duì)鹽脅迫下海濱錦葵種子萌發(fā)的影響[J].江西林業(yè)科技,2014,42(42):1-4.

Yang Q L,Yang X M,Yan D L,el at.Effect of exogenous trehalose on the germination of(L.)Ledeb.seeds under salt stress[J].Jiangxi Forestry Science and Technology,2014,42(42):1-4.(in Chinese)

[13]Williams B,Njaci I,Moghaddam L,el at.Trehalose accumul- ation triggers autophagy during plant desiccation[J]. PLoS Genet,2015,11(12):e1005705.

[14]胡慧芳.外源海藻糖對(duì)黃瓜幼苗抗冷性的影響[J].北方園藝,2008,(2):11-13.

Hu H F.The effect of exogenous trehalose on cold resistance of cucumber seedlings[J].Northern Horticulture, 2008,(2):11-13. (in Chinese)

[15]謝冬微,王曉楠,付連雙,等.外源海藻糖對(duì)冬小麥低溫下胚芽長(zhǎng)及幼苗抗寒性的影響[J].麥類作物學(xué)報(bào),2015,35(2): 215-223.

Xie D W,Wang X N,Fu L S,et al.Effect of exogenous trehalose on germ length and seedling freeze resistance of winter wheat under cold stress[J].Journal of Triticeac Crops, 2015, 35(2):215-223.(in Chinese)

[16]丁順華,李艷艷,王寶山.外源海藻糖對(duì)小麥幼苗耐鹽性的影響[J].西北植物學(xué)報(bào),2005,25(3):513-518.

Ding S H,Li Y Y,Wang B S.Effect of exogenous trehalose on salt tolerance of wheat seedlings[J].Acta Botanica Boreali- occident. sin,2005,25(3):513-518.(in Chinese)

[17]郝再彬. 植物生理實(shí)驗(yàn)[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

Hao Z B.Plant physiology experiment[M].Harbin:Harbin Institute of Technology Press,2004.(in Chinese)

[18]鄒琦.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,2000.

Zou Q.Experimental guidance on plant physiology[M]. Beijing:China Agricultural Press,2000.(in Chinese)

[19]李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京:高等教育出版社,2000

Li H S.Plant physiological and biochemical test guidance[M]. Beijing:Higher Education Publishing House,2000.(in Chinese)

[20]史紅梅,張海燕,楊彬,等.低溫脅迫對(duì)高粱幼苗MDA含量SOD和POD活性的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2015,31(18):74-79.

Shi H M,Zhang H Y,Yang B,et al.Effects of low temperature stress on the content of MDA,SOD and POD activity in sorghum seedlings[J].Chinese Agricultural Science Bulletin, 2015,31(18):74-79.(in Chinese)

[21]孫陽(yáng),王燚,曲丹陽(yáng),等.5-氨基乙酰丙酸提高玉米幼苗抗低溫性及其生理機(jī)制[J].生態(tài)學(xué)雜志,2016,35(7):1737-1743.

Sun Y,Wang Y,Qu D Y,et al.Enhanced low-temperature resistance and physiological mechanism of maize seedlings by exogenous application of 5-aminolevulinic acid[J].Chinese Journal of Ecology,2016,35(7):1737-1743.(in Chinese)

[22]Habibi F,Normahamadi G H,Heidary S A H,et al.Effect of cold stress on cell membrane stability, chlorophyll a and b contain and proline accumulation in wheat (L.)variety[J].African J Agri Res,2011,6:5854-5859.

[23]Azymi S,Sofalian O,Jahanbakhsh G S,et al.Effect of chilling stress on soluble protein,sugar and proline accumulation in cotton (L.)genotypes[J].Intl J Agri Crop Sci,2011,4:825-830.

[24]Hund A,Fracheboud Y,SoldatiA Stamp P.Cold tolerance of maize seedlings as determined by root morphology and photosynthetic traits[J].European Joumal Agronomy,2008,28: 178-175.

[25]Jordan-Meille L,Pellerin S.Shoot and root growth of hydroponic maize (L.)as infiuenced by K deficiency [J].Plant and Soil,2008,304:157-168

[26]Gill S S,Tuteja N.Reactive oxygen species and antioxidant machinery in abiotic stress tolerance in crop plants[J].Plant Physiol Bioch,2010,48(12):909-930.

[27]Almeselmani M,Deshmukh P S,Chinnusamy V.Effects of prolonged high temperature stress on respiration, photosyn- thesis and gene expression in wheat(L.)varieties differing in their thermotolerance[J].Plant Stress, 2012,6:25-32.

[28]Farooq M,Wahid A,Kobayashi N,et al.Plant drought stress: effects mechanisms and management[J].Agronomy for Sustai- nable Development,2009,29:185-212.

[29]Back K H,Skinner D Z.Alteration of antioxidant enzyme gene expression during cold ac climation of near-isogonics wheat lines[J].Plant Sci,2003,165:1221-1227.

[30]徐田軍,董志強(qiáng),蘭宏亮,等.低溫脅迫下聚糠萘合劑對(duì)玉米幼苗光合作用和抗氧化酶活性的影響[J].作物學(xué)報(bào),2012, 38(2):352-359.

Xu T J,Dong Z Q,Lan H L,et al.Effects of PASP-KT-NAA on photosynthesis and antioxidant enzyme activities of maize seedlings under low temperature stress[J].Acta Agronomica Sinica,2012,38(2):352-359.(in Chinese)

[31]趙瑩,楊克軍,趙長(zhǎng)江,等.外源糖調(diào)控玉米光合系統(tǒng)和活性氧代謝緩解鹽脅迫[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,47(20):3962-3972.

Zhao Y,Yang K J,Zhao C J,et al.Alleviation of the adverse effects of salt stress by regulating photosynthetic system and active oxygen metabolism in maize seedlings[J].Scientia Agricultura Sinica,2014,47(20):3962-3972.(in Chinese)

[32]徐婷,周傳余,周超,等.海藻糖對(duì)鹽脅迫下薄皮甜瓜幼苗抗氧化系統(tǒng)的影響[J].北方園藝,2014,(19):28-30.

Xu T,Zhou C Y,Zhou C,et al.Effect of trehalose on antioxidant system of melon seedling under salt stress[J].Northern Hortic- ulture, 2014,(19):28-30.(in Chinese)

[33]Sulmon C,Gouesbet C,Amrani A E,et al.Sugar-induced tolerance to the herbicide atrazine in Arabidopsis seedlings involves activation of oxidative and xenobiotic stress responses [J].Plant Cell Reports,2006,25:489-498.

[34]張保青,楊麗濤,李楊瑞.自然條件下甘蔗品種抗寒生理生化特性的比較[J].作物學(xué)報(bào),2011,37(3):496-505.

Zhang B Q,Yang L T,Li Y R.Comparison of physiological and biochemical characteristics related to cold resistance in sugarcane under field conditions[J].Acta Agronomica Sinica, 2011,37(3):496-505.(in Chinese)

[35]康云艷,楊暹,郭世榮,等.24-表油菜素內(nèi)酯對(duì)低氧脅迫下黃瓜幼苗碳水化合物代謝的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2011,44(12): 2495-2503.

Kang Y Y,Yang X,Guo S R,et al.Effects of 24-epibrassinolide on carbohydrate metabolism and enhancement of tolerance to root-zone hypoxia in cucumber[J].Scientia Agricultura Sinica,2011,44(12):2495-2503.(in Chinese)

[36]劉巖.外源海藻糖對(duì)番茄幼苗生化指標(biāo)的影響[J].中國(guó)園藝文摘,2016,(12):59,95.

Liu Y.Effects of exogenous trehalose on the biochemical indexes of tomato seedling[J].Chinese Horticulture Abstracts, 2016,(12):59,95.(in Chinese)

[37]馬光恕,廉華,靳亞忠,等.海藻糖對(duì)NaCl脅迫下甜瓜幼苗生長(zhǎng)的影響[J].廣東農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,(16):40-43.

Ma G S,Lian H,Jin Y Z,et al.Effect of trehalose on the growth of muskmelon seedlings under NaCl stress[J].Guangdong Agricultural Sciences,2013,(16):40-43.(in Chinese)

[38]譚孟祥,景元書,薛楊,等.水層深度對(duì)早稻幼穗分化期遭遇低溫過(guò)程時(shí)葉片生理特性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2015, 36(5):553-560

Tan M X,Jing Y S,Xue Y,et al.Effects of different water depth on leaf physiological characteristics of early rice during panicle primordium suffered to low temperature[J].ChineseJournal of Agrometeorology,2015,36(5):553-560.(in Chinese)

[39]劉亞杰,常蘋,唐東芹.外源糖對(duì)香雪蘭切花活性氧平衡的影響[J].北方園藝,2014,(9):140-147.

Liu Y J,Chang P,Tang D Q.Effect of exogenous sugars on active oxygen balance of cut freesia flowers[J].Northern Horticulture,2014,(9):140-147.(in Chinese)

Effects of Exogenous Trehalose on Growth and Physiological Characteristics of Maize Seedling Roots under Chilling Stress

LIU Xuan1, TONG Hao-yang1, TIAN Li-xin1, ZUO Shi-yu1, SUN Lei2, QU Dan-yang1, LI Li-jie1, WEI Shi1, LI Jing1

（1.College of Agriculture, Northeast Agricultural University, Harbin 150030,China; 2.Heilongjiang Academy of Agricultural Sciences, Harbin 150086）

In order to investigate the trehalose on root growth, antioxidant enzyme activity, cell membrane stability and osmotic adjustment of maize seedlings,＂Xianyu335＂was chosen as the experimental materials by pot culture method. When the seedlings grow to three leaves, the roots were treated with trehalose at the concentration of 3, 6, 9, 12, 15, 18mmol×L?1, with the treatment of spraying clear water as CK. Afterwards, the seedling are placed in artificial intelligence incubator (day/night temperature of 14℃/5℃ low temperature condition) for 4 days. The results showed that the application of trehalose effectively promoted the root growth of maize seedlings under low temperature stress, enhanced the antioxidant enzyme activities, and maintained the stability of cell membrane structure and function of root system. Compared with the control, with the application of 12mmol×L?1trehalose, the root length, root surface area and root dry weight of the seedlings increased by 32.16%, 15.87%, 41.14% and 58.33%, the activities of SOD and POD increased by 44.16% and 62.17%, the content of MDA and the relative conductivity were reduced by 50.23% and 42.53%, and the contents of proline and soluble protein were increased by 81.32% and 87.21%, respectively. The results showed that the optimum concentration of trehalose could significantly improved the low temperature resistance of maize seedlings, alleviated the inhibition of low temperature stress on seedling growth, enhanced the activity of antioxidant enzymes and reduced the membrane damage, and 12mmol×L?1trehalose solution has the best treatment effect.

Maize; Trehalose; Low temperature; Antioxidant system; Osmotic adjustment substance

2018?01?19

。E-mail：jingli1027@163.com

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“東北春玉米減災(zāi)保產(chǎn)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)研究”（2017YFD0300405）

劉旋（1992?），女，碩士，主要從事玉米高產(chǎn)栽培及抗冷性研究。E-mail：18345033400@163.com

10.3969/j.issn.1000?6362.2018.08.006

劉旋,佟昊陽(yáng),田禮欣,等.外源海藻糖對(duì)低溫脅迫下玉米幼苗根系生長(zhǎng)及生理特性的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(8):538?547