干旱復水對春玉米幼苗生長和生理特性的影響及其根源ABA調控效應

柳燕蘭，郭賢仕，馬明生，姜小鳳

(甘肅省農業科學院旱地農業研究所/農業部西北作物抗旱栽培與耕作重點開放實驗室/甘肅省旱作區水資源高效利用重點實驗室，甘肅 蘭州 730070)

干旱是植物生長過程中主要的逆境之一[1]。西北地區由干旱導致的玉米減產達25%～30%，苗期干旱造成減產高達21.1%[2]，超過其他因素造成的總和[3]，明確苗期玉米抗旱的生理機制是西北地區抗旱育種、實現生物節水的前提條件之一。

干旱破壞植物體內的水分平衡，導致氣孔關閉、CO2進入受阻[4]，光合速率降低[5]，最終影響作物的生物量及產量[6-7]。干旱脅迫促使PSⅡ的活性和光合電子需求不平衡[8-9]，導致作物體內光能過剩，激發活性氧大量積累。而植株除了可以通過減少光能的捕獲、增加非光化學耗散外，還可以誘導抗氧化酶活性提高來消除體內的活性氧[10]，以適應干旱逆境[11-12]。此外，植物激素脫落酸(ABA)不僅可以通過誘導氣孔關閉來調節植株水分代謝[13]，也可誘導某些酶的重新合成，從而增強植物的抗逆性[14-15]。Chaves等[16]認為在干旱脅迫下研究作物的抗旱機理以及作物的自我保護和修復機制同等重要。作物對干旱缺水有一個從適應到傷害的過程，經過不超過適度范圍的缺水后復水，可在生理上產生補償效應，最終實現增產或不減產[17-18]。作物有限缺水后的補償效應，在農業生產中早已應用,如棉花、玉米“蹲苗”控水；調虧灌溉、根系分區交替灌溉以及各種形式有限灌溉[19]。但在實際農業生產中使用有限缺水補償效應的關鍵要根據具體作物對水分虧缺的敏感性，控制允許虧缺的程度，才能實現補償效應最大化，實現節水高產。為此，本試驗以玉米品種酒單2號為材料，采用盆栽稱重控水法，研究苗期干旱及復水條件下根源ABA含量、春玉米生物量積累、葉綠素含量、光合特性及抗氧化酶活性的變化，探明干旱及復水條件下根源ABA對春玉米苗期生長和生理補償的調控效應，擬為西北旱區進一步優化春玉米生物節水、高產高效栽培技術提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

盆栽試驗于2014年4—7月在甘肅省農業科學院旱作區水資源高效利用重點實驗室的試驗場活動式防雨棚內進行。供試土壤類型為黃麻土，最大田間持水量為24%。以玉米品種酒單2號為試驗材料。用規格基本相同的陶瓷盆(底部直徑20 cm，上部直徑25 cm，盆深38 cm)，分別裝風干土7 kg，施肥用量為每kg風干土0.2 g N和0.2 g P2O5。盆底裝鵝卵石，上鋪濾紙與土隔離，通過插到鵝卵石上的帶孔塑料管澆水。每盆播入經過挑選大小基本一致的包衣玉米種子4粒，播種日期為4月28日，幼苗長到5-6葉期(5月29日)時定苗，每盆留苗2株。

試驗分干旱、復水2個時段進行水分控制。即CK為正常供水，一直保持盆土最大持水量的75%～80%；MS處理是中度干旱水平，2個時段都保持盆土最大持水量的50%～55%；SS處理是重度干旱水平，2個時段都保持盆土最大持水量的35%～40%；MS-CK處理為前一時段中度干旱水平50%～55%，后一時段復水至正常供水水平75%～80%；SS-CK處理為前一時段重度干旱水平35%～40%，后一時段復水至正常供水水平75%～80%。復水方式是一次性增加供水至盆土毛管最大持水量的75%～80%，2個時段都持續10 d。每個處理10盆重復。水分控制從玉米5～6葉期開始，每天8∶00和18∶00采用稱重法補水控水并記錄，保持盆土相對水分含量變化幅度每天在5%之內。復水10天后對所有處理取樣并測定各項生理指標。

1.2 測定項目及方法

氣體交換參數測定：復水結束后用Li-6400便攜式光合儀于8∶30—11∶30設定飽和光強1 300 μmol·m-2·s-1，活體測定玉米的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

葉片Pn-Ci響應曲線測定：復水結束后用Li-6400型光合儀于8∶30—11∶30采用自動測量方法，選擇紅藍光源葉室，3次重復，測定氣體流速5 ml·min-1，葉室溫度(25±0.5)℃；曲線測定的CO2濃度分別為0、50、100、150、200、300、400、500、800、1 100、1 400 μmol·mol-1；測定時最大測定時間180 s，最大匹配時間120 s，最小匹配時間60 s。用Pn-Ci曲線中Ci低于200 μmol·mol-1的Pn計算羧化效率(CE)；用McMurtrie等[20]的方法計算Rubisco最大羧化速率(VCmax)和RuBP最大再生速率(Jmax)。采用Sharkey等[21]的方法計算磷酸丙糖利用率(triose phosphate utilization, TPU)，TPU=(Pn+Rd)/3，式中Pn為凈光合速率，Rd為光呼吸速率，用Pn-Ci曲線初始數據(50～300 μmol· mol-1測量濃度)的線性回歸方程的截距表示，為光下Ci為零時的Pn的絕對值(μmol CO2·m-2·s-1)。

根系ABA含量測定：在測定葉片氣體交換參數的同時選擇長勢均一的植株作為采樣對象，選取0～30 cm主根作為測定對象，先用自來水將根系洗凈，再用實驗室的無離子水反復沖洗幾遍，然后用濾紙將根部的水吸干并剪碎混合，最后將剪碎混合好的根樣品放入自封袋用液氮速凍，-40℃超低溫冰箱存放待測，采用高效液相色譜儀測定[22]。

酶活性測定：采用氮藍四唑法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[23]，以抑制NBT光化學還原的50%為一個酶活性單位(U)；采用愈創木酚顯色法測定過氧化物酶(POD)活性[24]，以每分鐘內470 nm下的光密度(D470 nm)變化0.10為一個酶活性單位(U)；采用紫外吸收法測定過氧化氫酶(CAT)活性[24]，以1 min內A240降低0.1為一個酶活性單位(U)。

生物量測定：復水結束取樣品植株整體地上部，在105℃下殺青15 min，然后在80℃下烘干至恒重稱量。

1.3 數據統計分析

采用Microsoft Excel 2010整理數據并作圖，利用SAS (SAS Institute, USA)統計軟件Duncan比較法進行差異顯著分析。

2 結果與分析

2.1 干旱復水對玉米葉片光合氣體交換參數的影響

隨著干旱脅迫程度的加劇，玉米葉片Pn、Gs和Tr顯著降低，而Ci呈升高趨勢(圖1)。與CK相比，MS處理的Pn、Gs和Tr分別降低6.42%、15.01%和12.62%，Ci增加的差異不顯著(P>0.05)；SS處理的Pn、Gs和Tr分別降低12.16%、51.56%和32.58%，Ci增加157.55%，差異顯著(P<0.05)。復水后，玉米葉片Pn、Gs和Tr均高于CK和相應的干旱處理。其中，MS-CK處理的Pn、Gs和Tr較MS處理分別增加34.80%、56.67%和7.33%，差異顯著(P<0.05)；較CK分別增加26.15%、33.14%和37.48%，差異顯著(P<0.05)，表現出超補償效應。SS-CK處理的Pn、Gs和Tr較SS處理分別增加20.89%、127.49%和83.52%；較CK分別增加6.19%、10.20%和23.73%，表現出補償效應。MS-CK的Ci與CK和MS差異不顯著；SS-CK處理的Ci顯著低于CK和SS(P<0.05)。

2.2 干旱復水對玉米葉片光合特性的影響

隨著干旱脅迫程度的加劇，玉米葉片RuBP再生的最大電子傳遞速率(Jmax)、最大羧化速率(VCmax)、磷酸丙糖利用率(TPU)及RuBP羧化酶的羧化效率(CE)均降低(圖2)。與CK相比，MS處理的Jmax、VCmax、TPU、CE分別降低6.42%、7.50%、2.96%、35.98%；SS處理的分別降低12.04%、16.25%、12.69%、37.15%。復水后，MS-CK處理玉米葉片的Jmax、VCmax、TPU、CE均高于CK和MS；而SS-CK處理的CE低于CK和SS(圖2)。其中，MS-CK處理玉米葉片Jmax、VCmax、TPU及CE較MS處理分別增加34.29%、27.03%、20.58%及60.29%，差異顯著(P<0.05)；較CK分別增加25.67%、17.50%、17.01%及2.62%，表現出超補償效應。SS-CK處理的Jmax、VCmax、TPU較SS處理分別增加38.85%、25.37%、26.64%，CE降低不明顯；較CK分別增加16.58%、5.00%、10.56%，CE降低41.50%，差異顯著(P<0.05)，表明干旱脅迫下葉片光合作用降低的一個原因是其碳同化過程中光合能量傳遞速率降低，復水后光合作用升高與其提高了玉米葉片的光能利用有關。

注：CK：正常供水；MS：中度干旱;SS：重度干旱;MS-CK：中度干旱后復水;SS-CK：重度干旱后復水。不同字母表示在P<0.05下差異顯著。下同。Note:CK：well-watered; MS：moderately stressed; SS：severely stressed; MS-CK：rehydration after moderately stressed; SS-CK：rehydration after moderately stressed. Different letters mean significant difference at P<0.05. The same below.圖1 干旱及復水對玉米葉片凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)的影響Fig.1 Effects of drought and rewatering on net photosynthetic rate (Pn), stomatal conductance (Gs), intercellular CO2 concentration (Ci), transpiration rate (Tr) in leaves of maize

2.3 干旱復水對玉米葉片抗氧化酶活性的影響

隨著干旱脅迫強度增大，玉米葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)活性明顯增加(圖3B、C、D)。與CK相比，MS處理的SOD、POD、CAT活性分別增加64.72%、41.72%、11.62%，差異顯著(P<0.05)；SS處理的分別增加85.48%、72.67%、22.58%，差異顯著(P<0.05)。重度脅迫處理增加的幅度顯著大于中度脅迫處理。復水后，玉米葉片抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT) 均降低，且低于干旱處理，但均高于正常供水水平(MS-CK處理的CAT活性除外)(圖3B、3C、3D)。其中，MS-CK處理的SOD、POD、CAT活性較MS處理的分別降低24.73%、22.62%、23.92%，差異顯著(P<0.05)；較CK分別提高23.99%、9.66%、-15.08%。SS-CK處理的SOD、POD、CAT活性較SS處理的分別降低17.06%、14.39%、14.67%，差異顯著(P<0.05)；較CK分別提高53.84%、47.82%、4.60%。MS-CK處理的SOD、POD、CAT活性降低幅度顯著大于SS-CK處理。表明前期中度干旱脅迫后復水，抗氧化酶的修復能力明顯大于前期重度干旱脅迫后復水，解除干旱逆境后具有較強的清除活性氧和修復適應能力。

2.4 干旱復水對玉米根系ABA含量的影響

干旱脅迫顯著增加了玉米根部的ABA含量(圖3A)。與CK相比，MS和SS處理的玉米根部ABA含量分別增加23.53%和80.15%，差異顯著(P<0.05)。復水后，玉米根部ABA含量均降低，低于相應的干旱處理，但高于CK。其中，MS-CK處理的玉米根部ABA含量較MS處理降低14.11%，SS-CK處理較SS處理降低16.24%，差異顯著(P<0.05)；MS-CK處理的玉米根部ABA含量較CK提高6.10%，SS-CK處理的提高50.89%。

2.5 干旱復水對玉米單株生物量積累的影響

干旱脅迫導致玉米植株生物量降低，且隨著脅迫程度增強下降幅度增大(圖4)。與CK相比，MS、SS處理的玉米單株生物量分別降低13.64%、46.56%，干旱處理間差異顯著(P<0.05)。前期干旱鍛煉后復水,玉米單株生物量得到不同程度的恢復(圖4)。其中，MS-CK處理的玉米單株生物量較MS處理增加30.71%，差異顯著(P<0.05)，較CK增加12.88%，表現出超補償效應；SS-CK處理較SS處理增加90.36%，差異顯著(P<0.05)，較CK增加1.73%，表現出補償效應。

圖2 干旱及復水對玉米葉片光合特征參數的影響Fig.2 Effects of drought and rewatering on photosynthetic parameters in leaves of maize

圖3 干旱及復水對玉米根部ABA含量和葉片SOD、POD、CAT活性的影響Fig.3 Effects of drought and rewatering on ABA content in root and activities of SOD，POD and CAT in leaves of maize

2.6 干旱復水條件下玉米根系ABA含量與各參數的相關性分析

以ABA含量為自變量對各個參數做一元線性回歸，得到表1所示的回歸關系方程式、擬合度及回歸顯著性。由表1可知，干旱及復水條件下，根系ABA含量與抗氧化酶系SOD、POD、CAT活性之間分別呈顯著正相關關系，而與光合參數(Pn、Gs、Tr、Jmax、VCmax、TPU及CE)及生物量之間為顯著負相關關系。表明干旱及復水誘導根源ABA含量的變化，通過對氣孔行為和細胞膜耐性調控，顯著影響玉米幼苗的生長。

3 討 論

干旱脅迫使玉米葉片中脫落酸含量增加[25]，從而引起氣孔關閉，氣孔導度下降，光合速率降低。本研究中，中度和重度干旱脅迫下玉米根部ABA含量分別增加23.53%和80.15% (圖3A)，導致葉片氣孔導度、光合速率分別降低15.01%、6.42%和51.56%、12.62% (圖1)，且ABA與Gs、Pn、Tr呈顯著負相關關系(表1)。表明干旱條件下，玉米根系通過大量合成ABA來調節葉片氣孔導度，從而降低光合速率，與羅宏海等[26]在棉花上的研究結果一致。復水后玉米根部ABA含量均降低，但都高于正常供水水平(圖3A)。中度干旱脅迫復水后玉米根部ABA含量恢復速度快，較正常供水處理僅提高6.10%，其對氣孔的負調控效應小，導致其Gs較正常供水增加幅度大，為33.14%，相應的Pn增加幅度也大，為26.15%；而重度干旱脅迫復水后玉米根部ABA含量恢復速度較慢，與正常供水處理差異顯著，提高幅度為50.89%，對氣孔的負調控效應相對大，導致其Gs較正常供水處理增加幅度小，為10.20%，相應的Pn提高幅度也小，為6.19%。表明復水后玉米根系ABA仍然對葉片氣孔導度起調控作用，并進一步調節光合速率。

圖4 干旱及復水條件下玉米單株生物量的變化Fig.4 Changes of individual biomass in maize under different drought and rewatering

y關系式 EquationR2P光合速率Pny=37.688-0.1634x0.780.046氣孔導度Gsy=0.2736-0.0012x0.600.040蒸騰速率Try=5.2551-0.0275x0.690.020最大電子傳遞速率Jmaxy=294.93-1.1095x0.530.012最大羧化速率VCmaxy=59.857-0.2154x0.560.034磷酸丙糖利用效率 TPUy=19.205-0.0431x0.510.031羧化效率 CEy=0.4792-0.0027x0.610.013超氧化物歧化酶 SODy=51.659+1.929x0.610.039過氧化物酶 PODy=4.7415+0.1657x0.950.001過氧化氫酶 CATy=16.768+0.052x0.750.030生物量 Biomassy=41.056-0.1739x0.560.013

注：x-根系ABA含量。

Note:x-root ABA concentrations.

干旱脅迫下玉米葉片光合速率降低伴隨著最大電子傳遞速率(Jmax)、最大羧化速率(VCmax)及Rubisco羧化酶的羧化效率(CE)降低(圖2)，與前人在干旱脅迫下玉米[27]和番茄[28]等的研究結果相類似。VCmax、CE降低主要是干旱脅迫下RuBP羧化酶活性降低或失活引起，Jmax降低主要是干旱脅迫限制了RuBP的再生速率[27]，同時ATP和NADPH的合成能力降低也會導致Jmax降低[29]。重度干旱脅迫下Jmax、VCmax、TPU降低幅度大于中度干旱脅迫(圖2)，表明中度干旱脅迫能保持較高的Rubisco羧化酶活性和RuBP的再生速率，以維持較高的光合作用能力。復水顯著提高了玉米葉片的Jmax和VCmax(圖2A、2B)，表明前期干旱鍛煉后復水可以提高Rubisco羧化酶活性和數量，使葉片保持較高的電子傳遞速率，提高了光合機構碳同化能力。磷酸丙糖利用效率(TPU)是光合作用的最初產物，水分脅迫使葉片中的淀粉水解加強，糖類積累增加，光合產物輸出變慢，導致磷酸丙糖利用速率TPU降低，進而使光合作用產生負反饋抑制[30]。本研究中，前期干旱鍛煉后復水使玉米葉片保持了較高的TPU水平(圖2C)，減輕了前期干旱脅迫對光合作用的抑制，使中度脅迫復水后玉米葉片的光合速率和蒸騰速率分別較正常供水提高26.15%、6.19%，重度脅迫復水后分別提高37.48%、23.73%(圖1A、1D)。

有研究表明外源ABA能誘導生物膜系統抗氧化酶活性升高，降低膜脂過氧化程度，增強植物水分脅迫下的抗氧化能力，進而提高植物的抗旱性[15]。而外源ABA對植株體內各種抗氧化酶活性的調節主要是通過內源ABA的變化來實現的[31]。本研究中，隨著干旱脅迫強度增加，玉米根源ABA含量增加23.53%～80.15% (圖3A)，誘導其抗氧化酶系SOD、POD、CAT活性分別提升64.72%～85.48%、41.72%～72.67%、11.62%～22.58%(圖3B、3C、3D)，差異顯著(P<0.05)；且根源ABA含量與葉片SOD、POD、CAT活性間分別呈顯著正相關關系(表1)，表明干旱條件下植株通過根源ABA的增加誘導其抗氧化酶活性的提高而有效地調節了活性氧的代謝平衡，從而保護細胞膜免受干旱脅迫傷害，減輕植株的干旱損傷，與姚滿生等[15]研究結果相類似。復水后，前期中度干旱脅迫處理的玉米根部ABA含量恢復速度快，較正常供水處理僅提高6.10%，誘導其抗氧化酶活性迅速大幅降低，SOD、POD、CAT活性較中度干旱脅迫分別降低24.73%、22.62%、23.92%，較正常供水提高幅度也小，分別為23.99%、9.66%、-15.08%；而重度干旱脅迫復水后玉米根部ABA含量恢復速度較慢，與正常供水處理差異顯著，提高幅度為50.89%，誘導其SOD、POD、CAT活性較重度干旱脅迫降低幅度小，分別為17.06%、14.39%、14.67%，較正常供水提高幅度相對較大，分別為53.84%、47.82%、4.60%，且旱后復水根源ABA含量與葉片SOD、POD、CAT活性間呈顯著正相關關系，表明旱后復水根源ABA對植株抗氧化酶活性的變化依然起正調控作用。

綜上所述，隨著干旱脅迫程度的加劇，春玉米根源ABA含量顯著增加，增強了其對干旱后復水玉米幼苗氣孔行為和細胞膜抗氧化酶的調控效應，最終體現在單株生物量上。重度干旱脅迫玉米根部ABA積累量高，誘導抗氧化酶活性提高，減輕了膜脂過氧化，但其帶來的干旱信號強，促使氣孔關閉的程度大，使葉片光合速率明顯降低，影響光合碳同化能力，最終使其玉米單株生物量較正常供水降低幅度大，為46.56%;復水后其根源ABA分解慢，影響復水后細胞膜修復和光合功能恢復的速度，進而影響了光合產物的生產，使其單株生物量較未復水的重度干旱脅迫增加90.36%，較正常供水增加1.73%，表現出補償效應。而中度干旱脅迫玉米根部ABA積累量相對較低，但也誘導抗氧化酶活性提高，減輕了膜脂過氧化，較低的ABA含量促使其氣孔部分關閉或關閉程度較小，引起光合速率降低幅度小，進而使其玉米單株生物量較正常供水降低幅度較小，為13.64%;復水后其根源ABA分解快，使其膜修復和光合功能恢復也較快，最終使單株生物量較未復水的中度干旱脅迫增加30.71%，較正常供水增加12.88%，表現出超補償效應。因此，依據本研究結果，在西北干濕交替和低水多變環境下，春玉米生產實踐中實現節水高產最適的土壤含水率應控制在50%～55%范圍內。