密度和滴灌量對高產春玉米葉片生理指標的影響

陳江魯 王群 蔣興星 張小偉

摘要：以先玉335為研究對象，探究不同種植密度下滴灌量對春玉米葉片生理指標的影響，為新疆高產春玉米節(jié)水灌溉提供理論和試驗依據(jù)。采用2因素裂區(qū)試驗設計，主處理密度（D）共4個水平，即D1（4.5萬株/hm2）、D2（7.5萬株/hm2）、D3（10.5萬株/hm2）、D4（13.5萬株/hm2），以滴灌量（I）為副區(qū)，設置3個不同灌量（6 000、4 800、3 600 m3/hm2），在玉米生長的主要生育時期，測定葉片超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性，以及丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SP）和可溶性糖（SS）含量。結果發(fā)現(xiàn)，滴灌量降低會使保護性酶活性略有升高或變化不顯著;但灌漿后部分密度受水分虧缺時，酶活性降低。MDA、Pro含量在前期均不隨滴灌量降低有顯著差異;灌漿初期D3密度下，MDA含量隨滴灌量減少有升高趨勢;D4密度和乳熟期的MDA含量均隨滴灌量減少有降低趨勢。SS既是分解的產物，也是最初的同化產物;SP含量隨滴灌量減少有降低趨勢或差異不顯著。總體來看，即使在高密度群體內，先玉335的葉片對輕中度水分脅迫仍有一定彈性，即灌水可以緩解植株群體密度增加的壓力，以保證玉米葉片正常的生理特性，減輕水分脅迫對細胞代謝過程的傷害。

關鍵詞：高產春玉米;種植密度;滴灌量;保護性酶;滲透調節(jié)物質

中圖分類號：S513.04;S513.07 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）09-0055-07

玉米在糧食作物栽培過程中需水量大，干旱脅迫嚴重影響我國玉米生產。干旱脅迫會導致農作物體內的活性氧產生與清除機制失衡，從而造成作物器官活性氧累積增加，對農作物蛋白質、膜脂等其他細胞成分構成傷害[1]。Bacelar等研究發(fā)現(xiàn)，灌溉可以提高橄欖樹葉片抗氧化能力，降低氧化損傷[2]。耐密型玉米具有較高的清除活性氧的能力和抗逆性，能夠促進干物質積累，有利于延緩其衰老，是獲得高產的重要生理基礎[3]。研究表明，干旱條件下作物葉片內在保護酶系統(tǒng)活性被誘導，減輕了膜脂過氧化程度[4-6]，植物內源保護酶活性的變化會因植物材料、不同脅迫方式與脅迫程度而異[1]。干旱可使玉米葉片及根系的有機滲透調節(jié)物質上升[7]，且干旱程度越嚴重，其有機滲透調節(jié)物質上升幅度越大，明顯改變了作物的滲透壓，使土壤水難以運輸?shù)阶魑矬w內，降低其蒸騰速率[8]。因此，協(xié)調灌溉量和密度的促控功效，對塑造高效作物個體和合理群體具有重要意義[9]。前人關于干旱脅迫、種植密度對玉米生理指標影響的研究較多，但多集中在低密度、較大水分脅迫程度下，本研究在前人的基礎上研究提高種植密度、降低水分脅迫程度，以及水密互作下保護性酶活性和滲透調節(jié)物質含量在不同處理下的差異及變化規(guī)律，進一步探究不同密度下滴灌量對玉米功能葉生長發(fā)育的促控作用，為春玉米高產節(jié)水栽培研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地點和試驗設計

試驗于2020年在新疆維吾爾自治區(qū)奇臺農場（89°46′01″E，43°50′41″N）高產試驗田進行，海拔750 m，太陽總輻射量≥ 546.3 kJ/cm2，年大于10 ℃積溫3 000～3 200 ℃，年日照時數(shù)2 500～2 800 h，無霜期130～156 d，年均降水量180～480 mm。試驗于2016年開展，選用先玉335玉米雜交種為試驗材料，采用裂區(qū)設計，密度為主區(qū)，滴灌量為副區(qū)，密度設置為D1（4.5萬株/hm2）、D2（7.5萬株/hm2）、D3（10.5萬株/hm2）、D4（13.5萬株/hm2），滴灌量水平為I1（6 000m3/hm2）、I2（4 800 m3/hm2）、I3（3 600 m3/hm2），3次重復，小區(qū)面積60 m2，寬窄行（70 cm+40 cm）種植。4月 18日播種，采用膜下滴灌，10 月 13日收獲。V10期設置不同的灌溉水平，灌溉量用水表計量控制，灌溉間隔為10 d。其他管理與大田生產相同。

1.2 測定項目及方法

在玉米大喇叭口期，于各處理選取具有代表性的玉米，取下最后1張展開葉;吐絲期、灌漿初期、乳熟期，取穗位葉，置于超低溫冰箱中保存，用于生理指標測定。氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性、考馬斯亮藍G-250法測定可溶性蛋白（SP）含量、硫代巴比妥酸法測定丙二醛（MDA）含量，以上方法均參照李合生的 《植物生理生化實驗原理和技術》[10];紫外分光光度法[11]測定過氧化氫酶（CAT）活性的相對大?。↘值）;愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性、蒽酮比色法測定可溶性糖（SS）含量，參照高俊鳳的《植物生理學實驗指導》[12];脯氨酸（Pro）含量測定參照張憲政的《作物生理研究法》[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)通過DPS 7.05軟件進行SSR檢驗和Duncans多重比較法（α=0.05）進行統(tǒng)計分析，圖表使用Microsoft Excel 2010制作。

2 結果與分析

2.1 不同種植密度下滴灌量對玉米葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

從表1可以看出，各生育時期內不同種植密度間的SOD活性均達到極顯著水平，除大喇叭口期外，其他生育時期的SOD活性在不同滴灌量間均達到顯著或極顯著水平，且隨種植密度增大SOD活性總體呈降低趨勢。在吐絲期的D4密度下，SOD活性隨滴灌量減少有升高趨勢，I2、I3處理間差異不顯著。進入灌漿初期，除D1處理下SOD活性隨滴灌量的減少而降低外，其他密度下酶活性均不隨滴灌量下降有顯著變化。D2密度下乳熟期的SOD活性隨滴灌量減少有增加趨勢，且D2、D4下各灌量處理間差異不顯著。

2.2 不同種植密度下滴灌量對玉米葉片過氧化物酶（POD）活性的影響5A43E19C-6A53-4052-BC07-6D590CC13758

從表2可以看出，除吐絲期外不同密度間的POD活性均達到極顯著水平; 灌漿初期和乳熟期的POD活性在不同滴灌量間均達到極顯著水平。在大喇叭口期和吐絲期的各密度下，POD活性均不隨滴灌量減少有顯著變化。進入灌漿初期，表現(xiàn)為D1密度下I2和I3的POD活性顯著低于I1;D4密度下I2的POD活性顯著低于I1，I3和I1差異不顯著;D2、D3處理下差異不顯著。乳熟期的D1、D2密度處理下，隨滴灌量減少POD活性有升高趨勢;D3密度下I1與I2和I3差異顯著，隨著滴灌量的降低，POD活性呈先降低后升高趨勢;D4密度下POD活性隨滴灌量降低呈下降趨勢，I1、I2、I3之間差異顯著。

2.3 不同種植密度下滴灌量對玉米葉片過氧化氫酶（CAT）活性的影響

從表3可以看出，在大喇叭口期和灌漿初期的不同密度間CAT活性有極顯著差異;除大喇叭口期外，不同滴灌量間的差異均達到顯著或極顯著水平。在吐絲期的D1密度下，I1處理的CAT活性顯著低于I2、I3。灌漿初期，D1～D3密度下，隨滴灌量減少CAT活性有降低趨勢，密度越大，不同灌量間差異越顯著;而D4密度下，酶活性則有先降后升趨勢，且I1、I2處理間差異不顯著。進入乳熟期時，D1和D4密度下，隨滴灌量減少CAT活性有升高趨勢;D2密度下，各灌量處理的CAT活性差異不顯著;D3密度下，隨滴灌量減少CAT活性呈先升后降趨勢。

2.4 不同種植密度下滴灌量對玉米葉片丙二醛（MDA）含量的影響

從表4可以看出，MDA含量在各生育時期的不同密度處理間差異均達到顯著或極顯著水平;在生育后期，不同滴灌量處理間的差異均達到極顯著水平。灌漿初期D3密度下，I3灌量的MDA含量顯著高于I1、I2處理。到乳熟期時，隨滴灌量減少MDA有降低趨勢。

2.5 不同種植密度下滴灌量對玉米葉片脯氨酸（Pro）含量的影響

從表5可以看出，除大喇叭口期外，不同密度條件下的Pro含量差異均達顯著或極顯著水平;僅灌漿初期各滴灌量處理下Pro含量有極顯著差異。灌漿初期的D1～D3密度下，隨滴灌量減少Pro含量升高;D4密度下，隨滴灌量減少Pro呈先微降再上升趨勢。

2.6 不同種植密度下滴灌量對玉米葉片可溶性糖（SS）含量的影響

從表6可以看出，在不同生育時期，不同密度下的SS含量差異均達到顯著或極顯著水平;灌漿初期和乳熟期的不同灌量間SS含量差異分別達到顯著和極顯著水平。灌漿初期的D3、D4密度下，隨滴灌量減少SS含量有升高趨勢。乳熟期，D1～D3處理下，隨滴灌量減少SS含量有降低趨勢，且I1、I2處理間差異不顯著。

2.7 不同種植密度下滴灌量對玉米葉片可溶性蛋白（SP）含量的影響

從表7可以看出，除乳熟期的不同密度間差異不顯著外，其他生育時期的SS含量均在不同密度間存在顯著或極顯著差異;僅灌漿初期SP含量在不同的滴灌量下有極顯著差異。在D4密度下，隨滴灌量降低SP含量有下降趨勢，且大喇叭口期和灌漿初期I2、I3處理間差異不顯著，吐絲期和乳熟期不同灌量間無顯著差異。灌漿初期D1密度下，各滴灌量間SP含量差異不顯著;D2～D4密度下，均隨滴灌量減少SP含量呈下降趨勢。

3 討論與結論

3.1 不同滴灌量對玉米葉片超氧化物歧化酶（SOD）活性的影響

Tahi等指出，初期水分虧缺會增加葉片SOD活性[14]。本試驗發(fā)現(xiàn)，灌漿初期D1密度下，SOD活性隨滴灌量減少而降低; D2密度下， 隨滴灌量減少呈先升后降趨勢，D3、D4密度下，隨滴灌量減少呈先降后升趨勢。由此可以推斷，在低密度條件下，灌漿初期的水分脅迫并不會促使SOD合成相關基因的表達而產生過多的SOD。

3.2 不同滴灌量對玉米葉片過氧化物酶（POD）活性的影響

本試驗發(fā)現(xiàn)POD活性呈單峰曲線變化，峰值出現(xiàn)在灌漿初期，與前人研究結果[1，15]一致。在灌漿初期D4密度和乳熟期D3密度下POD活性隨滴灌量減少呈先降后升趨勢，即生育后期高密度條件下的水分脅迫使葉片內膜系統(tǒng)受損，不能產生較多的POD酶，與馬秀芳等結果[16]一致;而乳熟期D1、D2密度下的POD活性卻隨滴灌量減少而增加，從而保證葉片的功能，這是先玉335后期葉片衰老慢，保持綠葉面積時間多，葉片功能期長的主要原因，因而具有較強的光合時間和能力，也是超高產玉米具有較高產量潛力的主要原因[17]。灌漿初期D1處理下的變化原因與SOD活性相同。

3.3 不同滴灌量對玉米葉片過氧化氫酶（CAT）活性的影響

Zhang等對匍匐翦股穎的研究發(fā)現(xiàn)，輕度干旱脅迫可以增加CAT活性[18]。本試驗發(fā)現(xiàn)在D1密度下，CAT活性均隨滴灌量減少有升高趨勢或差異不顯著，乳熟期和灌漿初期的D4密度下也發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律;與閆素輝等對干旱脅迫下小麥旗葉CAT活性的研究結果[19]類似，可能是植株對干旱逆境的適應性反應，在一定程度上可減少自由基的積累，緩解傷害，但這種適應能力是很有限的。本試驗在灌漿初期，在D1～D3密度條件下也發(fā)現(xiàn)土壤水分脅迫加劇會使葉片中的CAT活性降低，與石巖等研究結果[20]一致。

3.4 不同滴灌量對玉米葉片丙二醛（MDA）含量的影響

本試驗發(fā)現(xiàn)在灌漿初期的D3密度，隨滴灌量減少MDA含量有升高趨勢，與前人研究結果[1，16，21]一致，本研究結果，對應處理下的SOD、POD活性差異不顯著，而CAT活性有降低趨勢，表明保護酶活性的下降與MDA積累密切相關，可能互為因果。一方面由于SOD、CAT活性下降，使有害自由基積累乃至超過傷害值，直接或間接啟動膜脂過氧化反應，使MDA含量增加;CAT和POD是蛋白質，MDA 的聚集和增加，勢必造成它們的活性下降，清除自由基的能力減弱[22]。另一方面，MDA的積累又反過來抑制保護酶活性，促使膜系統(tǒng)受損加重[3]。MDA含量在灌漿前并不隨滴灌量減少發(fā)生顯著變化，僅在乳熟期和灌漿初期的D4密度下，隨滴灌量減少有降低趨勢，而此時期葉片的抗氧化酶活性均保持較高水平，表明MDA含量低與耐密型品種玉米清除活性氧能力較強有關，即膜脂過氧化水平低、膜系統(tǒng)穩(wěn)定性好、抗衰老能力強。5A43E19C-6A53-4052-BC07-6D590CC13758

3.5 不同滴灌量對玉米葉片脯氨酸（Pro）含量的影響

孫彩霞指出，滲透調節(jié)相關基因表達受環(huán)境脅迫誘導，如proβA基因編碼Pro合成酶系統(tǒng)，其功能是促進Pro在細胞內的合成和累積;干旱條件下玉米葉片的飽和滲透勢下降，Pro含量增加明顯，以提高原生質的滲透壓，防止水分的過多散失，對葉片正常生理代謝起到一定的保護作用[21]。本試驗發(fā)現(xiàn)，僅在葉片代謝活動較旺盛的灌漿初期，D1～D3密度條件下，隨滴灌量減少Pro含量呈增加趨勢，以提高了原生質的滲透壓，防止水分的過多散失;除乳熟期D1密度下I1和I2差異顯著，其他時期和密度處理下滴灌量減少對Pro含量均沒有顯著影響。王靜等指出，隨水分脅迫強度增強，葉片游離Pro含量成倍增加，但不同抗旱性品種間的變化規(guī)律不明顯[23];說明水分脅迫條件下葉片Pro含量不宜作為品種抗旱性鑒定指標，但可作為水分脅迫的征兆作用，不排除Pro的累積參與滲透調節(jié)、有利抗旱的作用。Wassom等通過測定不同基因型玉米葉片的游離Pro含量提出，Pro含量似乎并不是一個預測玉米對水分脅迫耐受性可靠的指標[24]。

3.6 不同滴灌量對玉米葉片可溶性糖（SS）含量的影響

在水分脅迫下一些植物可在一定的水勢變化范圍內通過滲透勢的改變來維持膨壓，如增加SS含量來抵御干旱的影響[23]，從而維持細胞的正常功能[25]，SS不僅參與細胞的滲透調節(jié)作用，而且是適應環(huán)境的信號物質[23]。孫彩霞發(fā)現(xiàn)，干旱處理時SS含量下降，并認為SS可能既是分解的產物，也是最初的同化產物[21]。王靜等指出，一方面水分脅迫時光合作用受抑制，同化產物減少，致使玉米葉片SS減少;另一方面水分脅迫時有機物分解大于合成，葉片SS又有增加來抵御水分脅迫的趨勢[23]。本試驗也發(fā)現(xiàn)，在不同的處理下SS含量可能隨灌溉量減少而有增加或減少的趨勢。

3.7 不同滴灌量對玉米葉片可溶性蛋白（SP）含量的影響

本試驗發(fā)現(xiàn)，水分脅迫會使玉米葉片的SP含量降低，與前人研究結果[26]一致，但此規(guī)律僅在灌漿初期和D4密度下表現(xiàn)明顯。本試驗還發(fā)現(xiàn)，隨著功能期推進，葉片SP含量呈下降趨勢，與馬超等試驗結果[27]相同，即隨著功能期推進，葉片同化功能降低，衰老加劇，密度較高時早衰現(xiàn)象嚴重，對光合作用過程有重要貢獻的二氧化碳固定酶也隨著葉片的老化，被迅速分解，這是老化過程中葉片光合作用機能迅速減退的重要原因[28];前期SP含量高說明光合速率有利于生產與積累較多的光合產物，有較充足的源為籽粒灌漿提供重要的物質基礎。

由于保護酶的反應是一種被動的適應，不能完全避免逆境傷害，而且在不同的時期和環(huán)境條件下，這種適應能力也不相同。總體來看，即使在高密度群體內，先玉335的葉片對輕中度水分脅迫仍有一定彈性，即使在高密度群體內，降低滴灌量，春玉米仍可通過株體內一系列生理生化反應來減輕或分散水分脅迫對細胞代謝過程的傷害，即在生育后期仍保持一定的抗氧化酶活性，MDA含量相對較低，且有一定的滲透調節(jié)物質維持細胞的正常滲透壓，以保證玉米葉片正常的生理特性，減輕水分脅迫對細胞代謝過程的傷害。本研究僅對保護性酶類以及滲透調節(jié)相關物質在水密互作時隨水分和密度變化的規(guī)律進行了初步探索，具體原因還有待于基因表達和物料合成方面的進一步深入研究闡明。

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