鋅對(duì)玉米光合特性及抗氧化體系的影響

黃偉東，楊克軍

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)，黑龍江大慶 163319；2.黑龍江省紅興隆管理局曙光農(nóng)場(chǎng)，黑龍江樺南 154451）

0 引言

玉米是我國(guó)重要的糧食作物之一，其高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)對(duì)于保證糧食安全具有重大意義[1]。鋅是植物體生長(zhǎng)發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，是植物體內(nèi)300多種酶的重要組成成分[2]，并且參與到多種酶系統(tǒng)或代謝過(guò)程中，例如色氨酸合成酶、脫氫酶、磷酸二酯酶及碳酸酐酶（存在于葉綠體中）等酶系統(tǒng)以及生長(zhǎng)素代謝、光合磷酸化及希爾反應(yīng)等過(guò)程[3-5]，在增強(qiáng)植物光合作用、調(diào)控生長(zhǎng)素合成、促進(jìn)氮代謝、增強(qiáng)植物抗逆性、促進(jìn)花粉成熟及提高花粉活力等生理過(guò)程中發(fā)揮重要作用[3，6]。因此，缺鋅則會(huì)嚴(yán)重影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。而玉米作為一種對(duì)鋅敏感的作物[7]，缺鋅一般是在3～5葉期[8]，缺鋅導(dǎo)致植株下部葉片缺綠，葉片呈現(xiàn)淺白條紋，由基部向頂部擴(kuò)張，植株生長(zhǎng)緩慢，節(jié)間縮短且生長(zhǎng)受阻，植株失綠，生長(zhǎng)受抑制，嚴(yán)重時(shí)白化斑變寬，整株失綠變成白化苗[9]；從內(nèi)部結(jié)構(gòu)及生理過(guò)程來(lái)說(shuō)，缺鋅導(dǎo)致葉綠體數(shù)量減少，結(jié)構(gòu)遭到破壞，干擾葉綠素合成，光系統(tǒng)電子傳遞受阻，希爾反應(yīng)受抑制，光合效率下降，并且抑制核糖與蛋白質(zhì)的合成[10-12]。

近年來(lái)，隨著農(nóng)作物從農(nóng)田中獲取的養(yǎng)分逐漸增加，耕地產(chǎn)出的持續(xù)提高，在重視大量元素肥料的同時(shí)，忽視了有機(jī)肥的投入及微量元素肥料的施肥結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致肥料施用不平衡、土壤養(yǎng)分不平衡，致使種植玉米的土壤缺鋅時(shí)有發(fā)生，因此制約了玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的提高[13-16]。尤其在我國(guó)北方地區(qū)，缺鋅現(xiàn)象很普遍，土壤中鋅含量的范圍是3～790 mg/kg，平均含量在100 mg/kg，有效態(tài)的鋅含量常常低于缺鋅的臨界值，而低含量的有效態(tài)鋅往往是造成植物缺鋅的主要原因[6，17]。土壤有效鋅含量主要受土壤pH值、溫度、濕度及施肥種類等因素的影響，土壤酸堿度高、低溫、濕度大、土壤或肥料含磷過(guò)多或有機(jī)肥施用少等均可導(dǎo)致土壤容易發(fā)生缺鋅癥[18-19]。而在曙光農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)地，土壤pH為5.67，偏酸性，且目前玉米施肥量也呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，因此很容易發(fā)生缺鋅癥狀?？赏ㄟ^(guò)適量補(bǔ)充鋅肥來(lái)緩解缺鋅，這對(duì)當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)具有十分重要的意義。因此，本試驗(yàn)設(shè)置不同濃度的鋅葉面肥進(jìn)行噴施，為指導(dǎo)當(dāng)?shù)赜衩咨a(chǎn)提供理論參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基本情況

試驗(yàn)于黑龍江省樺南縣曙光農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)站進(jìn)行。曙光農(nóng)場(chǎng)屬于寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫2.7℃，有效積溫2 400～2 500℃，全年平均降水量535.1 mm，無(wú)霜期125～135 d，平均日照數(shù)2 313.7 h。前茬作物為玉米，土壤類型為黑土，土壤取樣層次為0～20 cm，有機(jī)質(zhì)32.8 g/kg，堿解氮117.8 mg/kg，有效磷27.4 mg/kg，速效鉀177.7 mg/kg，有效鋅3.081 mg/kg，pH為5.67。

1.2 供試材料與試驗(yàn)方法

供試玉米品種為‘德美亞3 號(hào)’，生育期為115 d，需≥10℃活動(dòng)積溫2 300℃左右，由墾豐種業(yè)分公司提供。供試肥料為尿素、磷酸二銨、硫酸鉀、硫酸鋅。

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置葉面噴施鋅肥（ZnSO4·7H2O）4個(gè)處理水平，其中鋅肥為2 g/L、4 g/L、6 g/L、8 g/L，分別以Z1、Z2、Z3、Z4 表示，于玉米拔節(jié)期開(kāi)始，每隔7 天噴施一次，連續(xù)噴施3 次，以噴施清水為對(duì)照（CK），共計(jì)5 個(gè)處理，各處理重復(fù)3次。每個(gè)小區(qū)6行，行距0.65 m，行長(zhǎng)10 m，小區(qū)面積39 m2。種植密度7.5萬(wàn)株/hm2。各小區(qū)均施用N 225 kg/hm2、P2O5120 kg/hm2、K2O 90 kg/hm2，其中70%的N 肥和全部P、K肥以基肥形式一次性施入，剩余30%的N肥于拔節(jié)期追施。其他田間管理同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1 光合參數(shù)及葉綠素值（SPAD值）測(cè)定

在玉米大喇叭口期、抽雄吐絲期及灌漿期，選擇晴朗無(wú)風(fēng)的天氣于上午9:00，用美國(guó)生產(chǎn)的Li-6400便攜式光合儀，測(cè)定玉米穗位葉的凈光合速率（Pn）、氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr），每小區(qū)隨機(jī)取10株長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的玉米進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定時(shí)避開(kāi)葉脈和有損傷的葉片。

測(cè)定光合參數(shù)后，立即使用SPAD502葉綠素儀測(cè)定葉片的SPAD值并記錄。

1.3.2 抗氧化酶活性及丙二醛（MDA）含量測(cè)定

于玉米大喇叭口期、抽雄吐絲期及灌漿期，光合數(shù)據(jù)測(cè)定完畢之后，取測(cè)定光合相同部位的葉片包于錫紙迅速放入液氮中帶回室內(nèi)，置于-80℃冰箱中保存，用于測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性及MDA 含量，SOD、POD、CAT 活性分別采用氮藍(lán)四唑法、愈創(chuàng)木酚法、紫外吸收法測(cè)定，MDA 含量采用TBA法測(cè)定[20]。

1.3.3 干物質(zhì)積累測(cè)定

于玉米拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄吐絲期、灌漿期及成熟期，各小區(qū)選取均勻一致的植株3 株，用自來(lái)水和蒸餾水先后沖洗干凈后，用濾紙吸干植株表面水分，稱其鮮重，然后裝入樣品袋中，在鼓風(fēng)干燥箱中105℃殺青30 min，80℃烘至恒重，稱量干重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel2007 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理并畫圖，方差分析用SPSS 19.0，Duncan 檢驗(yàn)法進(jìn)行差異顯著性分析（P＜0.05）；圖和表中的數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 鋅對(duì)玉米葉片光合特性的影響

如圖1-A所示，3個(gè)生育時(shí)期下的玉米葉片Pn隨著Zn噴施量的增加而逐漸升高，其中大喇叭口期，各Zn處理的Pn比對(duì)照分別增加了16.55%、26.67%、37.17%、46.75%，Z3、Z4處理與CK 間差異顯著；抽雄吐絲期，各Zn 處理的Pn 比對(duì)照分別增加了5.33%、10.55%、19.26%、25.37%，Z4 處理與CK 間差異顯著；灌漿期，各Zn 處理的Pn仍比對(duì)照高，其中以Z3、Z4增加顯著。

如圖1-B所示，隨著施Zn量的增加，3個(gè)生育時(shí)期下的Gs整體上均呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，其中大喇叭口期，各Zn 處理的Gs均高于對(duì)照，Z4 處理稍低于Z3，但二者間差異不顯著；抽雄吐絲期和灌漿期下的Gs均呈現(xiàn)出遞增趨勢(shì)，抽雄吐絲期下各Zn處理的Gs分別較對(duì)照增加了3.23%、4.23%、10.60%、14.05%，灌漿期Zn處理的Gs分別較對(duì)照增加了3.40%、6.11%、10.80%、16.78%。

如圖1-C 所示，在不同施Zn量處理下3 個(gè)生育時(shí)期的Ci大致上呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，其中大喇叭口期，各Zn量處理的Ci均比對(duì)照低，且分別降低了6.52%、14.26%、15.01%、16.75%，Z2、Z3、Z4處理與CK 間差異顯著；抽雄吐絲期，Z1處理的Ci比對(duì)照稍高但差異不顯著，之后呈下降趨勢(shì)，Z4處理比對(duì)照下降8.12%，差異顯著；灌漿期Ci變化趨勢(shì)與大喇叭口期相類似，各Zn量處理的Ci分別較對(duì)照降低了2.60%、9.61%、9.87%、11.91%。

如圖1-D 所示，在各施Zn量處理下3個(gè)生育時(shí)期的Tr表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，其中大喇叭口期，Z1處理稍低于對(duì)照，但差異不顯著，Z2、Z3、Z4處理分別較對(duì)照增加了5.28%、16.00%、20.11%，Z3、Z4處理與CK間差異顯著；抽雄吐絲期Tr 的Zn 量處理分別比對(duì)照增加5.60%、11.69%、16.66%、21.72%，其中Z3、Z4 增加顯著；灌漿期變化趨勢(shì)與此相同，以Z2、Z3、Z4增加顯著。

圖1 鋅對(duì)玉米葉片光合參數(shù)的影響Fig.1 Effects of zinc on photosynthetic parameters in leaves of maize

2.2 鋅對(duì)玉米葉片SPAD值的影響

如圖2 所示，3 個(gè)生育時(shí)期下的葉片SPAD 值隨著施Zn 量的增加呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，其中大喇叭口期，各Zn 處理的SPAD 值分別比對(duì)照高11.48%、15.59%、16.81%、22.28%，與CK 間差異顯著；抽雄吐絲期，Z1處理稍低于對(duì)照但差異不顯著，其它Zn量處理的SPAD 值分別比對(duì)照高15.38%、20.51%、23.34%，與CK 間差異顯著；灌漿期，各Zn量處理的SPAD 比分別對(duì)照高13.91%、16.54%、21.67%、23.09%，與CK間差異顯著。

圖2 鋅對(duì)玉米葉片SPAD值的影響Fig.2 Effects of zinc on SPAD in leaves of maize

2.3 鋅對(duì)玉米葉片抗氧化酶活性及MDA含量的影響

如圖3-A 所示，3個(gè)生育時(shí)期下的葉片SOD活性隨著施Zn量的增加表現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，其中大喇叭口期，各Zn 處理的SOD 活性均高于對(duì)照，分別較對(duì)照升高了9.36%、13.17%、16.08%、19.52%，Z2、Z3、Z4處理與CK 間差異顯著；抽雄吐絲期，各Zn 處理的SOD 活性分別較對(duì)照顯著升高了8.70%、12.82%、22.34%、30.90%；灌漿期，以Z3、Z4處理增加顯著。

如圖3-B所示，3個(gè)生育時(shí)期下的POD活性隨施Zn量的增加基本呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，其中大喇叭口期和抽雄吐絲期的POD 活性變化相同，抽雄吐絲期POD 活性分別較對(duì)照升高了6.97%、11.26%、22.94%、25.65%，Z2、Z3、Z4 差異顯著；灌漿期，Z2 稍低于Z1 且差異不顯著，各Zn 量處理的POD 活性分別較對(duì)照升高了10.88%、9.78%、17.23%、19.48%，且與CK間差異均顯著。

如圖3-C 所示，大喇叭口期，Z1、Z2 處理的CAT 活性低于對(duì)照，Z3、Z4 高于對(duì)照，分別升高了2.29%、12.56%；抽雄吐絲期，各Zn 量處理的CAT 活性均高于對(duì)照，分別升高了6.66%、10.85%、16.15%、20.42%，Z3、Z4 處理與CK 間差異顯著；灌漿期，各Zn量處理的CAT活性仍高于對(duì)照，但Z2處理稍低于Z1且差異不顯著，之后表現(xiàn)出升高趨勢(shì)，Z4處理最高且與CK間差異顯著。

如圖3-D 所示，3 個(gè)生育時(shí)期下的葉片MDA 含量隨施Zn 量的升高呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，其中大喇叭口期，各Zn量處理的MDA含量分別較對(duì)照下降了4.98%、18.31%、23.28%、29.95%，Z2、Z3、Z4處理與CK間差異顯著；抽雄吐絲期，Z3、Z4 處理的MDA 含量分別較對(duì)照顯著下降了14.37%、21.18%；灌漿期，Z2、Z3、Z4 處理的MDA含量顯著降低，分別較對(duì)照下降了18.49%、27.14%、30.07%。

圖3 鋅對(duì)玉米葉片抗氧化酶活性及MDA含量的影響Fig.3 Effects of zinc on activities of antioxidant enzymes and MDA content in leaves of maize

2.4 鋅對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響

由表1 可知，隨施Zn量的增加，玉米各生育時(shí)期下的單株干物質(zhì)積累大致呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，其中拔節(jié)期各Zn 處理的干物質(zhì)積累分別較對(duì)照增加了9.27%、22.65%、39.46%、28.10%，Z4 處理稍低于Z3，且處理間差異均不顯著；大喇叭口期的變化趨勢(shì)與拔節(jié)期相類似；抽雄吐絲期，Z2稍低于Z1且差異不顯著，之后呈遞增趨勢(shì)，Z4 處理顯著高于對(duì)照，比對(duì)照增加了22.33%；灌漿期，干物質(zhì)積累呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，各Zn 處理分別比對(duì)照增加了8.45%、16.41%、22.98%、29.72%，以Z2、Z3、Z4處理增加顯著；成熟期，Z2稍低于Z1，Z4稍低于Z3，但二者間差異均不顯著，Z3、Z4處理下干物質(zhì)積累分別較對(duì)照顯著增加了13.99%、9.63%。

表1 鋅對(duì)玉米干物質(zhì)積累的影響Table 1 Effects of zinc on dry matter accumulation of maize

3 討論

玉米產(chǎn)量形成所需要的基礎(chǔ)就是光合作用，光合作用可以促進(jìn)有機(jī)物合成與積累，從而為植物生長(zhǎng)發(fā)育提供物質(zhì)基礎(chǔ)和能量基礎(chǔ)[21]。Zn 屬于微量元素，雖然在植物體中的量不多，但若缺乏該種元素，就會(huì)表現(xiàn)出特定的缺素癥，因此微量元素在植物體中也占有非常重要的地位。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著Zn噴施量的增加，Pn、Gs、Tr大致呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，Ci逐漸下降，這與李鐵利[22]、戴志鋮等[23]的研究結(jié)論一致，表明葉面噴施Zn 可以促進(jìn)玉米生長(zhǎng)發(fā)育，并提高光合作用。Zn是葉綠體碳酸酐酶的專性活化離子，是控制光合作用的關(guān)鍵點(diǎn)，此酶具有催化CO2和H2O 合成H2CO3的作用，并且在光呼吸過(guò)程中可捕捉植物釋放的H2CO3，釋放出CO2，為光合作用提供固定CO2時(shí)的底物[11]。同時(shí)，Zn也是醛縮酶的激活劑，而醛縮酶是光合作用的關(guān)鍵酶之一[24]。因此，Zn 處理可能是為光合作用提供固定CO2時(shí)的底物奠定了基礎(chǔ)，或激活了醛縮酶，促進(jìn)了光合作用。本試驗(yàn)中，葉片SPAD 值也呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，而Zn是合成葉綠素前身鋅卟啉的合成物[11]，故Zn處理有利于促進(jìn)葉綠素合成，而葉綠素對(duì)于光合作用發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，因此推測(cè)施用Zn 促進(jìn)葉綠素合成可能也是增強(qiáng)光合作用的原因之一。眾所周知，干物質(zhì)積累依賴于植物的光合作用。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著生育進(jìn)程遞進(jìn)，干物質(zhì)積累呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，并且隨著Zn噴施量的增加，各個(gè)生育時(shí)期下干物質(zhì)積累基本上呈現(xiàn)出逐漸升高的趨勢(shì)，這與Zn處理增強(qiáng)光合作用有關(guān)。

SOD、POD、CAT 是氧代謝過(guò)程中的重要參與酶，SOD 具有清除活性氧，減輕活性氧對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)傷害的作用，延緩植物衰老；POD 不但能夠清除線粒體或胞漿中的H2O2，防止膜損傷，還參與葉綠素降解及活性氧產(chǎn)生；主要存在于過(guò)氧化物體中的CAT可以清除該細(xì)胞器中的H2O2，對(duì)保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)發(fā)揮重要作用，MDA是自由基進(jìn)行膜質(zhì)過(guò)氧化作用的產(chǎn)物之一，對(duì)蛋白質(zhì)、酶及核酸等功能分子具有破壞作用，其含量高低反映了膜質(zhì)過(guò)氧化的強(qiáng)弱程度[3]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，隨著Zn 噴施量的增加，SOD、POD、CAT 活性大致上呈現(xiàn)出升高的趨勢(shì)，MDA 含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，說(shuō)明Zn 處理有助于提高玉米植株的抗氧化能力，從而降低MDA 帶來(lái)的膜質(zhì)過(guò)氧化損傷，有利于保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)。張玉瓊等[25]在研究Zn營(yíng)養(yǎng)對(duì)淹水玉米抗性的影響時(shí)也得出相類似的結(jié)論。吳志輝等[26]在研究微肥對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)施用Zn肥可以提高作物抗性。

4 結(jié)論

綜上所述，施用Zn 葉面肥通過(guò)提高SPAD 值促進(jìn)了葉綠素合成，通過(guò)提高Pn、Gs、Tr，降低Ci，提高了玉米葉片固定CO2的能力，增強(qiáng)了光合作用，提高了光合能力，促進(jìn)了植株干物質(zhì)積累；同時(shí)，通過(guò)提高葉片抗氧化酶SOD、POD、CAT 活性，降低MDA 含量，增強(qiáng)了植株抗氧化、清除自由基的能力，緩解了細(xì)胞膜免受MDA傷害，延緩了葉片衰老，從而有利于玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。綜合來(lái)看，Zn噴施以8 g/L處理效果最好。