熱帶和溫帶玉米對干旱的形態(tài)生理應(yīng)答

劉紅芳，邸仕忠，姚啟倫

(1.長江師范學(xué)院 綠色智慧環(huán)境學(xué)院，重慶 408100；2.重慶市渝東南農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 重慶 408000；3.長江師范學(xué)院 生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，重慶 408100)

水分是作物生長發(fā)育的必需成分，缺水干旱是抑制玉米生長發(fā)育、制約產(chǎn)量的主要非生物脅迫因子[1].全球有43%的干旱、半干旱耕地，我國的干旱、半干旱耕地集中分布在西北、華北、內(nèi)蒙古地區(qū)，約占全國土地面積的50%[2-3].與其他作物一樣，玉米是干旱敏感作物，干旱對其造成的產(chǎn)量損失在非生物脅迫因子中居首位[4-5].研究表明，缺水減緩細(xì)胞分裂速率、抑制玉米植株節(jié)間伸長和葉面積增大[6]；干旱降低硝酸還原酶活性、阻礙葉片光合作用，從而減少碳水化合物和蛋白質(zhì)積累[7]；干旱缺水造成活性氧自由基積累和膜脂過氧化，進(jìn)而引起物質(zhì)代謝紊亂和細(xì)胞毒害[8].在缺水條件下，玉米也能通過調(diào)節(jié)氣孔、滲透壓、植物激素以及清除活性氧等方式產(chǎn)生抗旱應(yīng)答[9].

隨著地球溫室效應(yīng)和水資源匱乏加劇，玉米干旱脅迫的研究日益受到重視，迄今有關(guān)玉米干旱脅迫與抗旱性機制的研究已有較多文獻(xiàn)報道[10-13]，但有關(guān)干旱脅迫下不同玉米種質(zhì)差異應(yīng)答的研究還鮮見報道.為此，筆者以熱帶和溫帶血緣的玉米自交系為材料，在植株形態(tài)和生理水平分析干旱脅迫下熱帶和溫帶玉米自交系的應(yīng)答差異，以期為玉米耐旱自交系和品種選育提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料由長江師范學(xué)院玉米育種課題組分別從熱帶玉米種質(zhì)“Suwan”和溫帶玉米種質(zhì)“CIMT27”群體中選育自交系，基于2016年和2017年對玉米自交系耐旱性的田間鑒定結(jié)果，從不同種質(zhì)來源的125份鑒定材料中，選取熱帶玉米自交系“Su-2”“Su-5”“Su-9”“Su-11”“Su-15”以及溫帶玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”“15YC4”作試驗材料.

1.2 試驗設(shè)計

干旱脅迫實驗在長江師范學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院實驗室進(jìn)行.采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，每重復(fù)3株(同一營養(yǎng)缽).選擇健康飽滿的種子直播于裝有基質(zhì)的營養(yǎng)缽中，基質(zhì)由河沙加“霍格蘭氏營養(yǎng)液”(Hoagland Solution)配制而成，培養(yǎng)過程中每天用營養(yǎng)液澆灌基質(zhì).營養(yǎng)缽移至人工培養(yǎng)箱培養(yǎng)玉米幼苗，培養(yǎng)溫度29 ℃(晝)/23 ℃(夜)、空氣濕度70%、12 h光照；待幼苗長至5葉1心時，各供試材料種植18株，其中9株作為對照(CK)在人工氣候箱內(nèi)繼續(xù)生長，9株在另一人工氣候箱內(nèi)進(jìn)行10 d 控水處理，為模擬玉米大田干旱環(huán)境，營養(yǎng)缽中基質(zhì)的田間持水量控制在45%～50%，人工氣候箱內(nèi)空氣濕度調(diào)節(jié)至50%[6].

1.3 測試項目和方法

待干旱處理結(jié)束后，測量形態(tài)指標(biāo)株高、可見葉數(shù)、葉面積、莖粗、植株鮮重和根體積.供試植株旗葉葉片用于室內(nèi)測定生理指標(biāo)：參照李小芳等[14]的方法測定葉綠素含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、過氧化物酶活性(POD)和超氧化物酶活性(SOD)等生理指標(biāo)；利用便攜式光合儀(LI-COR 6400)測定各供試材料葉綠素?zé)晒鈪?shù)值：F′m(光反應(yīng)最大熒光)、F′o( 光反應(yīng)最小熒光)、Fm(暗適應(yīng)最大熒光)、Fo(暗適應(yīng)最小熒光)和Fs(穩(wěn)態(tài)熒光).

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2010和DPS軟件，基于F′m，F(xiàn)′o，F(xiàn)m，F(xiàn)o和Fs，計算PS II潛在活性 (Fv/Fo)=(Fm-Fo)/Fo、PS II最大光化學(xué)量子產(chǎn)量(Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm、PS II 有效光化學(xué)量子產(chǎn)量(ΦPSII)=(F′m-Fs)/F′m和光化學(xué)熒光淬滅系數(shù)(QP)=(F′m-Fs)/(F′m-F′o)[15-17].耐旱指數(shù)(DTI)為干旱脅迫下的性狀(株高、可見葉數(shù)、葉面積、莖粗、植株鮮重、根體積、Fv/Fo、Fv/Fm、ΦPSII和QP)值與正常條件(CK)下該性狀值的比值[18]，并以該比值反映干旱脅迫下POD、SOD、MDA活性以及可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量的變化(DTC).

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下玉米自交系的植株形態(tài)效應(yīng)

干旱脅迫對玉米自交系株高、可見葉數(shù)、總?cè)~面積、莖粗、植株鮮重和根體積的影響列于表1.

表1 干旱脅迫對玉米自交系植株形態(tài)的影響

續(xù)表1

注：C和D分別表示對照和干旱脅迫；*，**分別表示同一自交系干旱脅迫與對照間具有0.05，0.01水平的差異；不同小寫字母表示0.05水平的自交系間差異顯著.

從表1可知，干旱脅迫下各玉米自交系的株高、可見葉數(shù)和總?cè)~面積均下降，干旱對株高、可見葉數(shù)和總?cè)~面積產(chǎn)生不利影響.干旱脅迫下，5個溫帶玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的株高、可見葉數(shù)和總?cè)~面積與對照(CK)間的差異均達(dá)顯著(p=0.05)或極顯著(p=0.01)水平，而5個熱帶玉米自交系的株高、可見葉數(shù)和總?cè)~面積與其對照(CK)間無明顯差異.就上述3個形態(tài)性狀的耐旱指數(shù)而言，熱帶玉米自交系顯著大于溫帶自交系.干旱脅迫下玉米自交系的莖粗、植株鮮重和根體積也呈下降趨勢，5個溫帶玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的莖粗、植株鮮重和根體積與對照(CK)間的差異也均達(dá)顯著(p=0.05)或極顯著(p=0.01)水平，而5個熱帶玉米自交系間無明顯差異.10個自交系莖粗、植株鮮重和根體積耐旱指數(shù)的變幅分別為0.59 ～ 0.96，0.63～0.96，0.50～0.94，莖粗、植株鮮重和根體積的耐旱指數(shù)最大的自交系分別是“Su-2”“Su-5”和“Su-11”， “15YC4”莖粗和根體積的耐旱指數(shù)最小，“13YC6”植株鮮重的耐旱指數(shù)最小.說明干旱脅迫對熱帶和溫帶玉米自交系的植株形態(tài)的影響顯著不同.

2.2 干旱脅迫下玉米自交系主要生理參數(shù)的變化

表2為干旱脅迫下玉米自交系中過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性以及丙二醛、葉綠素、可溶性糖和蛋白質(zhì)含量的變化.

表2 干旱脅迫下玉米自交系主要生理參數(shù)的變化

續(xù)表2

注：C和D分別表示對照和干旱脅迫；*，**分別表示同一自交系干旱脅迫與對照間具有0.05，0.01水平的差異；不同小寫字母表示0.05水平的自交系間差異顯著.

由表2可見，干旱條件下玉米自交系的過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量明顯上升，其耐旱指數(shù)均大于1，其中自交系“15YC4”的POD和 SOD的活性以及MDA的含量變化最大，分別是2.00，1.95，2.09.干旱脅迫下，5個溫帶玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量均與對照(CK)間存在極顯著(p= 0.01)差異.就葉綠素、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量的變化而言，葉綠素含量在干旱條件下呈下降趨勢，而可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量在干旱條件下呈上升趨勢.熱帶玉米自交系中，“Su-5”和“Su-9”葉綠素含量(0.94)的耐旱指數(shù)最大.“Su-9”可溶性糖含量(1.05)以及“Su-2”“Su-11”可溶性蛋白質(zhì)含量(1.06)的耐旱指數(shù)最小.干旱脅迫下，5個溫帶自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的葉綠素、可溶性糖和蛋白質(zhì)含量與對照(CK)間的差異均達(dá)極顯著(p=0.01)水平.由此表明，熱帶和溫帶玉米自交系對干旱脅迫存在明顯生理應(yīng)答差異.

2.3 干旱脅迫下玉米自交系的光合特性效應(yīng)

葉綠素?zé)晒鈪?shù)是度量植物光合作用吸收、傳遞、分配和耗散光能的基本參數(shù)，也是反映其光合特性的生理指標(biāo).干旱脅迫下玉米自交系的光合特性如圖1所示.

C和D分別表示對照和干旱脅迫；*，**分別表示同一自交系干旱脅迫與對照間0.05，0.01水平差異.圖1 干旱脅迫下不同玉米種質(zhì)的光合特性

由圖1可見，在控制條件(CK)下各玉米自交系的4個葉綠素?zé)晒鈪?shù)值(Fv/Fo，F(xiàn)v/Fm，ΦPSII，QP)無明顯差異，而在干旱脅迫下4個葉綠素?zé)晒鈪?shù)值均呈下降趨勢，且溫帶玉米自交系的下降幅度更大，F(xiàn)v/Fo，F(xiàn)v/Fm，ΦPSII，QP的變幅分別為0.36～0.80(圖1(a))，2.14～4.07(圖1(b))，0.006～0.014(圖1(c))和0.052～0.115(圖1(d))；就4個葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異顯著性而論，5個自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的Fv/Fo，F(xiàn)v/Fm，ΦPSII，QP與對照(CK)間均存在極顯著(p=0.01)差異.這一結(jié)果也表明干旱脅迫下熱帶和溫帶玉米自交系存在明顯光合特性應(yīng)答差異.

3 討 論

為適應(yīng)干旱缺水環(huán)境，植物可在形態(tài)、生理和分子水平產(chǎn)生脅迫應(yīng)答[18].筆者的試驗結(jié)果表明，干旱脅迫對玉米自交系形態(tài)生理的影響主要表現(xiàn)在形態(tài)上降低株高,減少可見葉數(shù)、總?cè)~面積、莖粗、植株鮮重和根體積，生理上通過提高過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性以調(diào)節(jié)其生理機制.就干旱脅迫對光合特性的影響而論，供試材料在干旱脅迫下的4個葉綠素?zé)晒鈪?shù)一致降低，其光合強度不同程度地下降，且溫帶玉米自交系的下降幅度更大.比較不同種質(zhì)來源的自交系的耐旱性差異顯示，熱帶玉米自交系“Su-2”“Su-5”“Su-9”“Su-11”和“Su-15”的6個形態(tài)指標(biāo)、4個光合特性指標(biāo)以及葉綠素含量的耐旱指數(shù)均明顯高于溫帶玉米自交系，而POD、SOD活性和MDA含量低于溫帶玉米自交系.這一結(jié)果不僅表明熱帶和溫帶玉米種質(zhì)對干旱脅迫在形態(tài)、生理水平存在明顯應(yīng)答差異，同時表明熱帶種質(zhì)的耐旱性高于溫帶種質(zhì)，可在熱帶種質(zhì)中篩選耐旱玉米自交系，進(jìn)而培育耐旱玉米品種.

POD和SOD是作物在逆境脅迫下產(chǎn)生的抗氧化保護(hù)性物質(zhì)，POD和SOD活性增強有助于激活植物細(xì)胞生理活性、增加次生代謝產(chǎn)物和減緩脅迫危害[19-20].MDA是植物逆境脅迫下的指示性物質(zhì)，反映植物受逆境脅迫的危害程度，高濃度的MDA則產(chǎn)生過量活性氧(O2-)、促進(jìn)細(xì)胞膜脂過氧化作用和破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，從而對細(xì)胞生理產(chǎn)生毒害效應(yīng)[21-23].干旱脅迫下玉米自交系的POD、SOD活性和MDA含量大幅度提高，這與Gong等[24]在大豆上的研究結(jié)果一致.葉綠素是植物光合作用的主要色素，高溫、缺水等逆境因子通常抑制葉綠素合成[24]，葉綠素含量下降，說明干旱脅迫有降低玉米自交系光合強度和生物產(chǎn)量的負(fù)面效應(yīng).可溶性糖和蛋白質(zhì)是植物體內(nèi)的主要代謝產(chǎn)物[25-26]，筆者的試驗發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下植株葉內(nèi)可溶性糖和蛋白質(zhì)含量上升，且溫帶玉米自交系較熱帶自交系上升幅度更大，應(yīng)為干旱條件下植株葉片失水、含水量下降而致，且溫帶玉米自交系較熱帶自交系失水嚴(yán)重.葉綠素?zé)晒鈪?shù)是快速、無損地檢測活體葉片光合功能的探針[27].葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fo，F(xiàn)v/Fm，ΦPSII，QP可較全面地反映植株葉片光合特性和生理狀態(tài)，目前也是體現(xiàn)植物應(yīng)答逆境脅迫的主要生理指標(biāo)[28]，干旱脅迫下10個玉米自交系4個熒光參數(shù)程度不同地下降，說明干旱脅迫下葉片光合功能受阻，熱帶和溫帶玉米種質(zhì)間存在較大應(yīng)答差異.