不同干旱脅迫程度對不同品種玉米關(guān)鍵生育期抗氧化特性的影響

崔蓉,柳鑫婧,李錦秀,王呈玉,張欣宇,常洪艷,劉淑霞

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院/吉林省商品糧基地土壤資源可持續(xù)利用重點實驗室,吉林 長春130118)

在全球氣候變暖的背景下,由于氣溫升高和降水減少,干旱事件發(fā)生的頻率顯著增加,因此干旱被預(yù)測為未來農(nóng)業(yè)中最重要的環(huán)境壓力之一[1]。東北地區(qū)是中國主要的玉米生產(chǎn)區(qū),近40%的農(nóng)田用于種植玉米,約占全國玉米總產(chǎn)量的1/3。幾十年來,季節(jié)性干旱一直是該地區(qū)玉米生產(chǎn)的最大限制因素[2]。有研究表明,玉米對水分的需求量較大,是對干旱脅迫較為敏感的作物之一,因此,干旱已成為世界上許多玉米產(chǎn)區(qū)產(chǎn)量低且不穩(wěn)的重要因素,嚴(yán)重影響玉米生產(chǎn)的進(jìn)一步發(fā)展[3-4]。研究玉米在不同干旱脅迫程度下的生理應(yīng)激響應(yīng)是應(yīng)對作物干旱災(zāi)害急需解決的問題之一。大量試驗研究了逆境條件下作物活性氧防御系統(tǒng)的應(yīng)激響應(yīng)機制與調(diào)節(jié)作用,其中超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)以及過氧化氫酶(CAT)等抗氧化保護(hù)酶在清除活性氧的過程中發(fā)揮著重要作用,但由于干旱時間的延遲,致使活性氧的生成速率大于其清除速率,并最終損害作物細(xì)胞膜系統(tǒng)[5-6]。也有研究發(fā)現(xiàn)玉米品種耐旱能力與抗氧化防御系統(tǒng)之間具有很強的相關(guān)性,增強品種耐旱性與其抗氧化防御系統(tǒng)的增加有關(guān)[7-8]。通過研究2個不同耐旱程度的玉米品種發(fā)現(xiàn)作物體內(nèi)丙二醛(MDA)含量和質(zhì)膜透性變化可作為鑒定品種耐旱能力較為可靠的依據(jù)之一[9],MDA含量及膜透性增幅越小,品種耐旱性越強。干旱脅迫是一種重要的非生物脅迫因素[10],在干旱程度未能導(dǎo)致作物達(dá)到不可逆?zhèn)r及時進(jìn)行調(diào)控,也可使作物正常生長發(fā)育,因此研究不同玉米品種對干旱脅迫的抗氧化生理應(yīng)激響應(yīng)及對干旱的敏感性脅迫程度是保證玉米作物抗旱穩(wěn)產(chǎn)的有效途徑之一。

本研究選用‘金慶707’‘嫩單19’及‘富單16’3個不同耐旱程度的玉米品種,通過研究不同干旱脅迫程度對玉米葉片抗氧化物質(zhì)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及丙二醛的影響,探究3個不同耐旱程度玉米品種對干旱脅迫的響應(yīng)差異,明確不同干旱脅迫程度下玉米生理變化規(guī)律,為玉米抗旱穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗地點為黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院(123°41′46″E,47°16′26″N),地處松嫩平原西部半干旱區(qū),海拔143 m,屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候。4—9月平均氣溫為17.6 ℃,極端最低氣溫4.9 ℃,極端最高氣溫27.1 ℃,月平均降雨量為32.9 mm。土壤類型為碳酸鹽黑鈣土,其土壤有機質(zhì)含量為25.4 g·kg-1,堿解氮含量為97.3 mg·kg-1,速效磷含量為15.2 mg·kg-1,速效鉀含量為131 mg·kg-1,pH7.79,田間持水量為25.92%。

1.2 試驗設(shè)計

采用抗旱棚進(jìn)行微區(qū)試驗,抗旱棚配有大型電動遮雨棚,降雨時啟用,排除自然降水干擾。試驗設(shè)置15個小區(qū),每個小區(qū)面積為12 m2(4 m×3 m)。于每個小區(qū)內(nèi)種植3個不同耐旱程度玉米品種(每個品種種植2壟、每壟11～12株),行距60 cm,株距20 cm,種植密度為68 000株·hm-2。分別于玉米拔節(jié)期、抽雄期、灌漿期進(jìn)行干旱脅迫處理,每個時期分別設(shè)置5個不同水分梯度的干旱脅迫處理,為正常灌水[CK,為田間持水量的(75±5)%]、輕旱[LS,田間持水量的(55±5)%]、中旱[MS,田間持水量的(45±5)%]、重旱[SS,田間持水量的(35±5)%]以及持續(xù)干旱處理(S,田間持水量小于30%),每個時期脅迫時間共持續(xù)20 d左右。試驗期間根據(jù)干旱情況進(jìn)行不定期測量(每2～3 d進(jìn)行1次測量),并通過測量結(jié)果進(jìn)行補充灌水,使土壤水分始終保持在各處理含水量的中間值附近。分別于玉米拔節(jié)期后期、抽雄期后期、灌漿期后期取樣,測定3個玉米品種生長指標(biāo),同時于成熟后取樣測定其產(chǎn)量指標(biāo)。供試玉米品種分別為耐旱品種‘金慶707’(JQ707),較耐旱品種‘嫩單19’(ND19),耐旱性較差品種‘富單16’(FD16),不同耐旱性玉米種子皆來自黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院。每小區(qū)于春季一次性深施底肥,底肥分別為尿素 1.3 kg、磷酸二銨0.85 kg、硫酸鉀0.35 kg。2020年5月5日播種,9月28日收獲。

1.3 測定項目及方法

土壤有機質(zhì)、堿解氮、速效磷、速效鉀及pH值測定參照文獻(xiàn)[11]?？寡趸到y(tǒng)酶活性測定:玉米葉中的SOD、CAT及POD均根據(jù)ELISA檢測試劑盒操作步驟提取,取玉米穗位葉中間部分葉片加入PBS緩沖溶液充分研磨,4 000 r·min-1離心15 min,取上清液,利用酶標(biāo)儀測定。采用磺基水楊酸法[12]測定脯氨酸含量。采用硫代巴比妥酸法[12]測定丙二醛含量。在玉米成熟后,各品種玉米分別采集鮮穗樣本10穗,測定各小區(qū)各品種玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因素,取平均值為各處理的結(jié)果,并計算收獲產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及分析方法

采用Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù),SPSS Statistics 23軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干旱脅迫程度對玉米超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

由圖1可知:干旱脅迫條件下3個品種玉米SOD活性變化差異較為顯著,隨干旱脅迫程度的加重,SOD活性呈先增高后降低的趨勢,且3個品種玉米SOD活性均在MS處理時達(dá)到最高值。拔節(jié)期‘金慶707’‘嫩單19’和‘富單16’MS處理SOD活性最高,分別為1 638.92、1 555.58和1 463.56 U·g-1,S處理SOD活性最低,分別為1 380.66、1 211.50和1 185.82 U·g-1。抽雄期玉米葉片SOD活性最高,其中MS處理玉米SOD活性顯著增加,MS、SS和S處理3個品種之間SOD活性差異較大,并于S處理‘金慶707’‘嫩單19’和‘富單16’SOD活性呈現(xiàn)出最低值,分別為1 447.99 、1 273.41 和1 143.36 U·g-1。灌漿期MS處理玉米葉片SOD活性增至最大值,與CK相比‘金慶707’‘嫩單19’和‘富單16’分別增加35.12%、33.25%和30.53%。

圖1 不同干旱脅迫處理下玉米超氧化物歧化酶(SOD)活性的變化Fig.1 Changes of superoxide dismutase(SOD)activity in maize under different drought stresses JS:拔節(jié)期 Jointing stage;TS:抽雄期 Tasseling stage;FS:灌漿期 Filling stage. JQ707:金慶707 Jinqing 707;ND19:嫩單19 Nendan 19;FD16:富單16 Fudan 16. CK為正常供水處理,LS為輕度干旱脅迫處理,MS為中度干旱脅迫處理,SS為重度干旱脅迫處理,S為持續(xù)干旱脅迫處理。CK is normal water supply treatment,LS is mild drought stress treatment,MS is moderate drought stress treatment,SS is severe drought stress treatment,S is continuous drought stress treatment. 不同小寫字母表示不同處理在0.05水平差異顯著,下同。The different small letters indicate significant at 0.05 level,the same below.

2.2 不同干旱脅迫程度對玉米過氧化氫酶(CAT)活性的影響

從圖2可知:抽雄期玉米葉片CAT活性最高,隨脅迫強度的增加,不同時期的玉米葉片CAT活性均呈先上升后下降的趨勢,并在MS處理下玉米葉片CAT活性達(dá)到最高值。在生育期內(nèi),除S處理外3個品種玉米葉片CAT活性均高于CK處理。拔節(jié)期不耐旱‘富單16’葉片CAT活性變化幅度較大,S處理達(dá)到最低值,為274.53 U·g-1。抽雄期LS、MS、SS和S處理‘金慶707’玉米葉片CAT活性分別比對照高31.23%、58.91%、34.72%和16.87%,‘富單16’葉片CAT活性分別為對照的1.24、1.41、1.16和0.81倍。灌漿期同一品種LS、MS、和SS處理CAT活性變化差異不大,S處理變化顯著(P<0.05),其中品種耐旱性越強,CAT活性越大,與拔節(jié)期及抽雄期一致。

圖2 不同干旱脅迫處理下玉米過氧化氫酶(CAT)活性的變化Fig.2 Changes of catalase(CAT)activity in maize under different drought stresses

2.3 不同干旱脅迫程度對玉米過氧化物酶(POD)活性的影響

從圖3可知:玉米葉片中POD活性隨干旱程度的增加均呈先上升后下降的趨勢,各時期玉米于MS處理時上升至最高,之后逐漸下降,其中S處理‘嫩單19’和‘富單16’葉片POD活性小于CK。拔節(jié)期干旱脅迫處理下的玉米POD活性較對照上升幅度較小。抽雄期玉米POD變化幅度較大,MS處理‘金慶707’‘嫩單19’和‘富單16’比對照增加了44.90%、39.43%和28.97%,S處理POD活性分別為對照的1.06、0.94和0.98倍,且MS和S干旱脅迫處理下3個品種玉米POD含量差異顯著(P<0.05)。灌漿期POD活性與拔節(jié)期差異不大,均低于抽雄期的POD活性。

圖3 不同干旱脅迫處理下玉米過氧化物酶(POD)活性的變化Fig.3 Changes of peroxidase(POD)activity in maize under different drought stresses

2.4 不同干旱脅迫程度對玉米脯氨酸(Pro)含量的影響

由圖4可知:干旱脅迫顯著增加了3個品種玉米葉片中Pro含量。拔節(jié)期‘金慶707’‘嫩單19’和‘富單16’S處理Pro含量最高,分別較CK增加35.26%、30.19%和28.63%。抽雄期‘金慶707’‘嫩單19’和‘富單16’S處理下Pro含量最高,分別為2 101.12、1 963.04 和1 811.92 ng·g-1。灌漿期時,隨干旱脅迫強度的增加,Pro含量增加幅度相對于拔節(jié)期及抽雄期較小。3個時期Pro含量從大到小分別為抽雄期、拔節(jié)期、灌漿期,但其差異并不顯著,同時3個時期耐旱性強的玉米品種‘金慶707’葉片Pro含量最大,‘嫩單19’‘富單16’次之。

圖4 不同干旱脅迫處理下玉米脯氨酸(Pro)含量的變化Fig.4 Changes of proline(Pro)content in maize under different drought stresses

2.5 不同干旱脅迫程度對玉米丙二醛(MDA)含量的影響

從圖5可知:干旱脅迫顯著增加了玉米葉片MDA含量,3個時期中S處理玉米葉片膜損傷最嚴(yán)重,MDA含量最高。拔節(jié)期和抽雄期不同干旱處理的葉片MDA含量均高于CK,3個時期的干旱脅迫均使 3個品種玉米葉片MDA含量增加,但增幅不同。拔節(jié)期‘金慶707’‘嫩單19’和‘富單16’葉片MDA含量S處理較CK處理增加了27.56%、40.49%和41.24%,且差異顯著;抽雄期‘金慶707’‘嫩單19’和‘富單16’葉片MDA含量S處理較CK增加了36.80%、34.76%和28.75%,增加幅度略小于拔節(jié)期。隨著玉米的生長發(fā)育,干旱脅迫加劇了玉米的衰老過程,導(dǎo)致灌漿期玉米葉片MDA含量顯著高于拔節(jié)期及抽雄期。從玉米拔節(jié)期至灌漿期的生長過程中,3個品種玉米葉片MDA含量從大到小依次為‘富單16’‘嫩單19’‘金慶707’,表明‘金慶707’玉米葉片活性氧系統(tǒng)受干旱脅迫影響較小,積累的 MDA 含量也較少,進(jìn)而印證了其耐旱性強的特點。

圖5 不同干旱脅迫處理下玉米丙二醛(MDA)含量的變化Fig.5 Changes of malondialdehyde(MDA)content in maize under different drought stresses

2.6 不同干旱脅迫程度對玉米產(chǎn)量的影響

由表1可知:干旱脅迫顯著降低玉米產(chǎn)量,其中抽雄期干旱脅迫減產(chǎn)最為嚴(yán)重,灌漿期次之,拔節(jié)期最小。拔節(jié)期‘金慶707’產(chǎn)量在LS、MS和SS處理下較CK分別降低13.30%、13.20%和50.26%,‘嫩單19’產(chǎn)量分別降低11.03%、22.03%和47.90%,‘富單16’產(chǎn)量分別降低12.98%、31.06%和31.22%;抽雄期‘金慶707’產(chǎn)量在LS、MS和SS處理下較CK分別降低75.31%、92.36%和106.47%,‘嫩單19’產(chǎn)量分別降低55.43%、68.74%和77.91%,‘富單16’產(chǎn)量分別降低36.44%、49.62%和83.47%;灌漿期‘金慶707’產(chǎn)量在LS、MS和SS處理下較CK分別降低22.48%、67.74%和92.23%,‘嫩單19’產(chǎn)量分別降低27.88%、48.56%和65.01%,‘富單16’產(chǎn)量分別降低18.90%、33.29%和46.46%。由此可以看出,抽雄期干旱脅迫減產(chǎn)最為嚴(yán)重,且3個耐旱品種玉米產(chǎn)量均隨著干旱脅迫程度的增加而降低。其中,與不耐旱玉米品種‘富單16’相比,‘金慶707’始終處于增產(chǎn)的狀態(tài),產(chǎn)量增加19.59%～81.73%,‘嫩單19’除拔節(jié)期SS處理、抽雄期LS和MS處理、灌漿期SS處理外其他處理均處于增產(chǎn)狀態(tài),3個玉米品種產(chǎn)量從高到低依次為‘金慶707’‘嫩單19’‘富單16’,3個品種玉米中S處理均無產(chǎn)量。

表1 不同干旱脅迫處理對玉米產(chǎn)量的影響Table 1 Effects of different drought stress treatments on maize yield

3 討論

干旱脅迫會導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧代謝失調(diào),并最終影響產(chǎn)量。隨著干旱脅迫的加劇,活性氧和自由基大量積累[13],SOD、CAT、POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶系統(tǒng)保護(hù)酶[14],它們的協(xié)調(diào)作用有利于維持作物體內(nèi)的活性氧產(chǎn)生和淬滅的動態(tài)平衡,從而抑制膜脂過氧化進(jìn)程,保證作物免受傷害[15],進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)產(chǎn)的效果。本研究中,隨著干旱脅迫的加重,SOD、CAT、POD活性均呈先升高后降低的趨勢,這是因為一定程度的干旱脅迫會使SOD將植物體內(nèi)毒性較強的超氧陰離子自由基轉(zhuǎn)化為H2O2,進(jìn)而通過CAT及POD的分解作用,防止細(xì)胞膜的過氧化[16],這也解釋了本研究中玉米品種抗氧化酶活性越高,耐旱性越強的原因,這與謝志明[17]的研究結(jié)果基本一致。而當(dāng)干旱程度增至重旱甚至持續(xù)干旱時,過度的干旱脅迫使得不耐旱玉米品種體內(nèi)酶的活性大幅度降低,活性氧和自由基的增加量大于消除量,影響了玉米的正常生長發(fā)育,進(jìn)而導(dǎo)致玉米大量減產(chǎn)。李秋祝[18]研究表明,抽雄期為玉米抗氧化酶活性變化最大時期,也是抵抗外界逆境變化的關(guān)鍵時期,這也印證了本研究中抽雄期干旱脅迫減產(chǎn)最嚴(yán)重的現(xiàn)象。

當(dāng)作物受到干旱脅迫等逆境因素時,作物體內(nèi)會通過增加脯氨酸等含量來增加細(xì)胞液濃度,降低滲透勢[19],并促進(jìn)干旱環(huán)境下根系的生長,保證玉米產(chǎn)量穩(wěn)定。脯氨酸作為植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),可以防止活性氧對蛋白和膜脂的過氧化,其含量高低與細(xì)胞持水性有關(guān)[20]。本研究表明,玉米受干旱脅迫程度越大,脯氨酸含量就越高,3個時期玉米脯氨酸含量無較大差異,這與王德權(quán)[21]的研究結(jié)果一致。耐旱性強的玉米品種中脯氨酸含量顯著高于耐旱性弱的品種[22]。本研究中‘金慶707’玉米脯氨酸含量明顯高于‘富單16’,由此也印證了玉米品種脯氨酸含量越高,其耐旱性越強的特點。

MDA作為作物膜脂過氧化的最終產(chǎn)物,它的生成是由體內(nèi)自由基引發(fā)的,其積累是來自不飽和脂肪酸的降解,具有很強的毒性。在作物遭受干旱脅迫時,它會使蛋白質(zhì)發(fā)生變性或通過 DNA 鏈斷裂等作用,導(dǎo)致作物細(xì)胞功能失常,進(jìn)而降低作物產(chǎn)量[23]。肖鋼等[24]在研究干旱脅迫下MDA積累的動態(tài)變化規(guī)律時認(rèn)為,處于中度及重度干旱脅迫時的玉米MDA含量同CK相比明顯增加。本文中干旱程度越嚴(yán)重,MDA含量越高,產(chǎn)量就越低的研究結(jié)果與之一致。郝玉蘭等[25]研究表明,耐旱性弱的玉米體內(nèi)SOD、POD、CAT活性增加較少,導(dǎo)致活性氧及自由基積累超過玉米所能承受的臨界值,因此MDA含量增加量較大。本研究中,‘金慶707’MDA含量明顯低于‘富單16’,因此在同一干旱脅迫處理下其始終處于增產(chǎn)狀態(tài),這表明在同樣的不利環(huán)境下,‘金慶707’的膜脂過氧化程度較低,進(jìn)一步證明了它的抗旱能力較強的特點。

綜上所述,在干旱脅迫條件下,SOD、POD、CAT活性及脯氨酸和丙二醛含量均能通過影響玉米作物膜脂過氧化程度來影響產(chǎn)量。干旱脅迫程度越嚴(yán)重,產(chǎn)量越低,且耐旱性強的玉米品種在干旱脅迫時受到的傷害程度要小于耐旱性弱的品種。結(jié)合玉米生理特性指標(biāo)綜合性分析可知,抽雄期為抵抗外界逆境變化的關(guān)鍵時期,且將土壤水分維持在田間持水量的50%以上時,玉米的抗氧化特性較強,能夠穩(wěn)定維持玉米產(chǎn)量,在水分低于田間持水量的50%時則較易受到干旱脅迫的影響。