玉米幼苗对干旱胁迫的生理响应

玉米幼苗对干旱胁迫的生理响应

王德信;杨晓莹

【摘 要】探明玉米幼苗对干旱胁迫的生理响应,为玉米抗旱育种及生产管理提供参考,采用土培盆栽及人工控制浇水量模拟干旱胁迫的方法,研究耐旱玉米品种鲁玉14在3叶期幼苗受轻度、中度和重度干旱胁迫24 h、48 h和72 h的过氧化物酶活性、可溶性蛋白质含量、丙二醛含量和脯氨酸含量变化.结果表明:玉米幼苗随干旱胁迫强度增加和胁迫时间延长,其过氧化物酶活性逐渐升高,且随胁迫时间延长过氧化物酶活性升高的趋势渐缓,可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量均呈不同程度增加趋势.不同程度干旱胁迫对玉米幼苗各项生理指标的影响明显.

【期刊名称】《贵州农业科学》

【年(卷),期】2018(046)004

【总页数】4页(P26-29)

【关键词】干旱胁迫;玉米;幼苗;生化指标

【作 者】王德信;杨晓莹

【作者单位】菏泽学院农业与生物工程学院,山东菏泽274000;菏泽学院图书馆,山东菏泽274000

【正文语种】中 文

【中图分类】S312

干旱胁迫是限制作物正常生长发育和造成其严重减产的重要胁迫因子之一[1-2]，温室效应等带来的气候变化使环境干旱越来越严重[3]。ARNEL等[4-5]研究表明，到2025年全球将有超过60%的人口面临水资源短缺问题，干旱胁迫将成为影响作物生长发育的重要环境因子。玉米不但是世界重要粮食作物，也是主要的畜禽饲料和工业原料[6]。玉米生长过程不仅需水量大，且在其苗期、拔节期、抽雄期和灌浆期各阶段对水分特别敏感[7]，玉米苗期是对水分最敏感的时期，此时缺水可造成玉米幼苗生长缓慢、成活率低、甚至干枯萎焉，并直接影响后期生长发育[8-9]。目前，关于生理生化特性与玉米抗旱性的关系已成为育种者研究的热点，但由于玉米育种材料的多样性，不同遗传材料的形态结构及生长发育特点等对水分胁迫的反应各异，因此对玉米抗旱相关生理生化指标进行研究，不但有助筛选抗旱玉米材料，还可了解玉米的抗旱机理，培育玉米抗旱新品种。为此，笔者以鲁玉14耐旱玉米品种为试验材料，采用土培盆栽及人工控制浇水量模拟干旱胁迫的方法，研究玉米幼苗对干旱胁迫的生理响应，为抗旱玉米品种选育及生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 玉米品种 鲁玉14耐旱玉米品种，由山东农业大学分子育种室提供。该品种具有高产、早熟、耐旱和抗病等特点，是山东省连续多年推广应用的玉米品种[10]。

1.1.2 试剂 0.05 mol/L愈创木酚、2%过氧化氢、0.05 mol/L磷酸缓冲液(pH 5.5)、100 μg/mL牛血清白蛋白标准蛋白溶液、0.1 g/L考马斯亮蓝G-250溶液、90%乙醇溶液、85%磷酸(W/V)、10%三氯乙酸溶液、0.6%硫代巴比妥酸(TBA)溶液、石英砂、10 μg/mL脯氨酸标准溶液、3%磺基水杨酸溶液、2.5%酸性茚三酮显色液、冰醋酸、磷酸和甲苯等试剂，购于黄河仪器设备有限公司，部分试剂自配。

1.1.3 仪器 722s可见光分光光度计(上海棱光技术有限公司)，离心机(上海艾研生物科技有限公司代理)，智能型光照培养箱(上海百典仪器设备有限公司)。

1.2 种子预处理 挑选健康饱满玉米种子，用75%酒精消毒15 min，用蒸馏水冲洗后浸泡8 h，装入铺有湿润滤纸的培养皿中，再放入25℃光照培养箱发芽。

1.3 试验过程

以菏泽市牡丹区农田氮钾含量丰富的褐化土(潮土)为盆栽土壤。用直径38 cm的相同花盆，装15 kg等量土，然后选择萌发一致的玉米种子放入花盆培养，每盆种植5粒，每处理6盆；在玉米幼苗3叶期，采用称重法调控浇水量，人工模拟干旱胁迫条件控制土壤水分含量。

1.4 试验设计

按土壤水分含量不同，试验设4个处理：处理1，正常生长需水量(CK，土壤含水量为13%～15%)；处理2，轻度干旱胁迫(土壤含水量为8%～10%)；处理3，中度干旱胁迫(土壤含水量为5%～7%)；处理4，重度干旱胁迫(土壤含水量为2%～4%)。在干旱胁迫24 h、48 h和72 h时，分别取相同部位玉米鲜叶片测定其过氧化物酶(POD)活性、可溶性蛋白质含量、丙二醛(MDA)含量和脯氨酸(Pro)含量，3次重复。

1.5 指标测定

参照陈均辉等[11-15]的方法，过氧化物酶(POD)活性用愈创木酚法测定，可溶性蛋白质含量用考马斯亮蓝G-250染色法测定，丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸反应比色法测定，脯氨酸(Pro)含量用茚三酮显色法测定。

1.6 数据统计

利用SPSS 22.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫玉米幼苗过氧化物酶的活性

由图1可知，随着干旱胁迫强度增加和胁迫时间延长，玉米幼苗过氧化物酶的活性逐渐升高，但在48 h后升高趋势减弱，并渐趋平缓。其中，在干旱胁迫24 h时，各处理玉米幼苗过氧化物酶的活性差异达极显著水平；在干旱胁迫48 h和72 h时，轻度干旱胁迫、中度干旱胁迫及重度干旱胁迫各处理玉米幼苗过氧化物酶的活性明显升高，且各处理间差异达极显著水平。说明，在干旱胁迫初期随着土壤含水量降低，玉米幼苗过氧化物酶的活性升高以抵御活性氧对细胞膜的伤害，但随着胁迫时间延长，过氧化物酶的活性接近饱和，其升高趋势渐缓。

注：相同胁迫时间的不同大写字母表示差异达极显著(P<0.01)水平，下同。

Note:Different capital letters with the same stress time indicate

significance of difference at 0.01 level. The same below.

图1 干旱胁迫玉米幼苗过氧化物酶的活性

Fig.1 Peroxidase activity of maize seedlings under drought stress

2.2 干旱胁迫玉米幼苗可溶性蛋白质的含量

由图2看出，随着干旱胁迫强度增加和胁迫时间延长，玉米幼苗的可溶性蛋白含量明显增加。在干旱胁迫24 h、48 h和72 h时，各处理玉米幼苗的可溶性蛋白含量极显著提高。说明，干旱胁迫可使玉米幼苗的可溶性蛋白含量提高，并通过降低细胞渗透势以维持细胞的膨压稳定，抵抗干旱缺水威胁，保证玉米幼苗的正常生理机能。

图2 干旱胁迫玉米幼苗可溶性蛋白质的含量

Fig.2 Soluble protein content of maize seedlings under drought stress

2.3 干旱胁迫玉米幼苗丙二醛的含量

从图3看出，随着土壤含水量降低，玉米幼苗的丙二醛含量逐渐升高，且在干旱胁迫24 h后，升高迅速，且各处理间差异达极显著水平。其中，在干旱胁迫72 h时，各处理玉米幼苗的丙二醛含量差异达极显著水平。说明，随着干旱胁迫程度增加，玉米幼苗的活性氧积累量增加，膜脂过氧化作用增强，丙二醛积累量增多。 图3 干旱胁迫玉米幼苗丙二醛的含量

Fig.3 Malondialdehyde content of maize seedlings under drought stress

2.4 干旱胁迫玉米幼苗游离脯氨酸的含量

由图4看出，随着干旱胁迫强度增加和胁迫时间延长，玉米幼苗脯氨酸的含量呈明显增加趋势。在干旱胁迫24 h、48 h和72 h时，各处理玉米幼苗的游离脯氨酸含量差异达极显著水平。说明，在干旱胁迫下，玉米幼苗积累大量脯氨酸以维持细胞的较低渗透势，达到抗旱保水作用。

图4 干旱胁迫玉米幼苗游离脯氨酸的含量

Fig.4 Proline content of maize seedlings under drought stress

3 结论与讨论

1) 过氧化物酶是植物体内活性较高的一种膜系统保护酶，可消除植物体内活性氧的积累，使活性氧维持正常，从而保证植物的正常生命活动。干旱胁迫易破坏植物膜系统，而过氧化物酶活性增加可缓解逆境胁迫对膜系统的伤害[16]。植物体内的过氧化物酶能够有效清除生物体内的自由基，防御活性氧对植物的伤害[17]。研究结果表明，随着干旱胁迫强度增加，过氧化物酶活性逐渐升高，且随干旱胁迫时间的延长，玉米幼苗过氧化物酶活性升高的趋势逐渐平缓。与苏冬梅等[18]的研究结果相似。表明，干旱胁迫可使植物体内的活性氧代谢失调，膜脂过氧化增强，氧化物酶产生相应的适应性变化以维持植物体内的正常生理代谢。

2) 大多数植物可溶性蛋白均是参与各种代谢的酶类，其具有良好的渗透调节作用；干旱胁迫可产生具有脱水保护功能的新胁迫蛋白维持细胞内较低的渗透势，以保证植物的正常生理功能[19]。王保莉等[20]研究指出，干旱胁迫会导致植物新胁迫蛋白产生，干旱胁迫蛋白的主要功能是调节渗透势。本研究结果显示，随着干旱胁迫强度增加和胁迫时间延长，玉米植株可溶性蛋白的含量明显增加。说明，干旱胁迫可诱导产生可溶性胁迫蛋白，这些蛋白在降低细胞渗透势、维持细胞正常生理代谢和抵御干旱胁迫环境中起着重要作用。

3) 在逆境胁迫下，植物体内的活性氧平衡失调等一系列生理代谢变化和活性氧大量积累均可造成植物膜脂过氧化，从而使细胞膜系统受损，严重时植物细胞致死。丙二醛是植物膜脂过氧化的重要产物，能加剧膜损伤。因此，在植物抗逆生理研究中，丙二醛含量变化是一个重要指标，常以丙二醛含量变化来反映植物膜脂过氧化的水平和对细胞膜的伤害程度[21]。干旱胁迫主要是造成植物膜系统伤害，使植物活性氧的活性增强，膜系统发生过氧化作用，产生丙二醛，而丙二醛含量的高低则可衡量膜过氧化程度的强弱。本研究表明，随着干旱胁迫程度增加玉米幼苗的丙二醛含量升高，且在干旱胁迫48 h时增加明显。表明，丙二醛含量与膜系统的过氧化强度密切相关。因此，丙二醛含量是衡量玉米品种抗旱性强弱的重要指标。

4) 脯氨酸既是植物体内的渗透调节物质，又是干旱条件下植物氮源的贮藏形式，可作为干旱胁迫期间植物生成氨的解毒剂[22]。因此，在干旱胁迫下，从植物脯氨酸的含量变化即可预测其受干旱胁迫的程度。渗透调节是植物抵御干旱胁迫的另一种重要方式，其中脯氨酸是重要的渗透调节物质，在干旱胁迫下植物体内会产生大量脯氨酸以维持较高的细胞渗透压，帮助植物适应干旱胁迫环境，对植物抵御干旱胁迫具有重要作用[23]。本研究结果表明，随着干旱胁迫强度增加和胁迫时间延长，玉米幼苗的脯氨酸含量大幅升高。与张喜华等[24-25]研究发现，玉米抽丝期受到干旱胁迫可造成其叶片脯氨酸含量骤增的结果存在一定差异，可能与研究品种及生态条件等不同有关。因此，脯氨酸也是玉米抗旱性研究的重要指标。

5) 研究表明，在干旱胁迫下，玉米幼苗随干旱胁迫程度增加，其过氧化物酶活性逐渐增强且变化趋势渐趋平缓，可溶性蛋白和脯氨酸含量也不同程度增加。因此，过氧化物酶活性、可溶性蛋白质含量、丙二醛含量和脯氨酸含量均可作为玉米抗旱育种的重要评价依据。由于玉米品种的多样性，因此不同玉米品种植株的生理代谢