低溫脅迫對墨西哥玉米幼苗抗寒性的影響

蔣 安,郭彥軍,范 彥,向白菊,何 瑋,王琳,張 健

(1.重慶市畜牧科學院,重慶 400080;2.西南大學動物科技學院,重慶400716)

墨西哥玉米Zea mexicana是四川農業大學玉米研究所榮廷昭院士為首的研究團隊,以玉米Z.mays近緣種屬(大芻草Euch laean等)為基礎材料,結合高新育種技術,進行種質創新,品種選育,經過多年的研究,育成的一個產量高、飼用品質優良、多抗、廣適應性、一年能刈割多次的多年生優質飼草玉米新材料[1-2]。經試驗表明,該材料在我國南方和西南地區植株能多年生,生長季節未發現任何病害,生態適應性強。該玉米草莖葉嫩綠多汁,清香甜脆,適口性好,干物質中粗蛋白含量17.9%、粗纖維含量 19.0%、無氮浸出物含量45.5%、粗脂肪和灰分含量分別為 5.5%和12.1%。青飼價值最高,也可青貯或曬制干草,為牛、羊、豬、魚等喜食的高產優質牧草。

為了促進重慶草地畜牧業發展和提高農民收入,結合當地草地畜牧業和生態建設的現狀,重慶市畜牧科學院引入了墨西哥玉米新材料,栽培試驗時發現在重慶山區立體氣候條件下,該材料在中海拔越冬率較低,自然越冬率為21.4%,低海拔自然越冬率為60.5%。可見,墨西哥玉米雖然適合在重慶地區推廣利用,但其越冬情況較差,難以實現多年生長和利用。其原因在于冬春季節低溫冷害的發生,導致牧草植株的潛在損傷以致發展成慢性病或不可逆傷害,強烈影響著牧草生長發育,造成牧草產量和品質下降。在低溫脅迫下墨西哥玉米植株體內發生一系列生理生化反應,不同品種牧草表現出的抗低溫能力也有一定的差異。此研究選擇具有突破性的牧草新材料墨西哥玉米——玉米草1號和2號,對其進行低溫處理后,研究其植株體內的生理指標變化趨勢,探索在低溫脅迫下的生理響應規律,并對不同材料的抗低溫能力進行比較,為研究防御墨西哥玉米低溫冷害提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試品種 墨西哥玉米玉米草1號、2號由四川農業大學玉米研究所提供。

1.2 人工氣候模擬 人工模擬鑒定與田間自然鑒定具有很好的一致性,這種方法具有快捷、可重復性高的特點,因此,試驗采用人工模擬冷凍試驗研究玉米草抗寒生理,對照溫度為 25℃(室溫),處理溫度為5和15℃(在西南大學牧草栽培實驗室光照培養箱進行),處理時間分別為6、24、48、72 h 。

1.3 取樣 于2009年3月10日,選取玉米草三葉期幼苗移栽于花盆中,待植株恢復穩定生長后,帶回實驗室低溫處理后立即取樣并測定各項生理指標。測定分析的樣本是幼苗地上部的混合樣,樣品用量為1～2 g,3次重復。

1.4 指標的測定與分析 脯氨酸(Pro)含量測定采用茚三酮比色法;丙二醛(MDA)含量測定參照張憲政等所用的方法[3];電導率的測定采用電阻法。取3次重復的平均值進行數據分析,以25℃(室溫)為對照,著重分析比較5和15℃不同低溫處理下,2種材料生理指標變化情況,通過變化規律分析其抗寒性大小。

2 結果與分析

2.1 電導率的變化 電解質滲出率是衡量植株體內細胞內溶物擴散到細胞外的一項生理指標,也是衡量細胞組織的幼嫩程度和細胞質膜是否受到傷害的指標[4]。在通常情況下,細胞內的電解質常受細胞膜的阻隔保留在細胞內,當細胞膜遭受某種傷害時,電解質則大量涌向細胞外,導致電解質激增。研究表明,對低溫敏感的植物受到低溫脅迫時,細胞原生質結構受到傷害,引起透性增大,而透性越大,電導率越高,說明受到的傷害越重,抗寒性越弱[5]。圖1表明,低溫脅迫后,玉米草1號和2號的葉片電解質滲出率都呈上升趨勢,溫度越低,上升得越快,且幅度隨脅迫時間的增加而增大,15℃下2種材料的電解質滲出率都表現出先升高后降低的趨勢,表明玉米草幼苗對15℃低溫在后期產生了某些程度的脅迫適應,但5℃低溫下經過72 h仍看不出電解質滲出率有下降的趨勢,說明細胞膜受到的傷害較重。2個材料間變化差異明顯,5和15℃脅迫后各個處理時間的電解質滲出率均以玉米草1號的增幅最小,說明玉米草1號葉片的細胞膜受低溫傷害程度小于2號。

圖1 低溫脅迫后玉米草幼苗細胞膜透性的變化

2.2 脯氨酸含量的變化 Pro含量的多少直接影響可溶性蛋白質的多少,因為游離Pro能促進蛋白質的水合作用,蛋白質膠體親水面積增大,能使可溶性蛋白質增多,因此植物處于低溫協迫時,它使植物具有一定的抗寒性和保護作用[5],Pro在逆境下的積累對調節滲透壓、保持水分、提高原生質膠體穩定性及保持細胞結構可能產生有利效果。游離Pro在細胞內的含量與溫度變化有很大關聯,研究表明低溫可以明顯地增加Pro含量,提高細胞的抗逆能力[6]。試驗也表明(圖2):在低溫處理下,玉米草 1號和2號的Pro含量都有所增加,說明低溫脅迫下,玉米草幼苗產生了一種防御反應。而15℃低溫處理下,玉米草1號和2號Pro含量變化基本一致,前期增加并不明顯,到48 h才開始表現出上升趨勢。但5℃低溫處理下,墨西哥玉米則迅速上升,尤其是玉米草1號在5℃低溫處理48 h后Pro含量迅速達到117.09 μ g/g 的峰值,比對照增加了 179%,差異顯著,從2個材料Pro含量增加幅度可以看出,墨西哥玉米草1號比2號Pro含量明顯增加得多,表明其抗寒性較強。

圖2 低溫脅迫對玉米草幼苗脯氨酸含量的影響

2.3丙二醛含量的變化 低溫脅迫下,植物膜脂過氧化的產物MDA會大量積累,從膜上產生的位置釋放出后,與蛋白質、核酸起反應修飾其特征,使纖維素分子間的橋鍵松弛或抑制蛋白質的合成。MDA的積累可能對細胞,特別是膜造成一定的傷害。隨著低溫時間的加長,植物本身清除能力下降 ,其MDA含量上升。因而,MDA在植物中的含量多少,可以作為判斷植株抗冷害能力的指標之一[7]。由圖3可以看出,2個材料葉片中的MDA含量在5℃低溫處理下先迅速升高后下降,表明墨西哥玉米對低溫的適應需要一定的時間。2個材料的MDA含量上升幅度存在較大差異,玉米草1號MDA含量上升幅度明顯低于2號,2號材料在處理24 h后MDA含量迅速達到7.54 μ mol/g的峰值,而 1號材料則是在處理48 h后 MDA含量達到6.62 μ mol/g的峰值,從15℃低溫處理后2個材料的MDA含量和上升幅度來看,2個材料耐寒性無明顯差異,但從5℃低溫處理后2個材料的MDA含量和上升幅度來看,2號材料MDA含量在低溫時巨增出現得早,說明5℃低溫脅迫下2號材料耐寒性較差。

圖3 低溫脅迫對玉米草幼苗丙二醛含量的影響

3 討論與結論

研究表明,低溫脅迫下,植物細胞質膜透性會增大,隨著胞外電解質大量滲漏,相對電導率也相應增大,但抗寒性強的品種原生質膜的穩定性大于抗寒性弱的品種,因此這一指標可在一定程度上反映品種抗寒性強弱[9]。另一方面,在低溫脅迫條件下植物體內超常積累活性氧自由基,引起膜脂過氧化導致冷傷害,這種傷害最明顯的變化之一就是積累了大量的膜脂過氧化產物(MDA)。因而MDA是逆境脅迫對生物膜危害程度的重要指標之一[10]。MDA含量變化與植物的抗寒性呈負相關,如果某一品種MDA含量在低溫時巨增出現的早,說明抗寒性較差。反之,抗寒性就強。另外,經低溫脅迫后Pro含量增加,增加的幅度與品種的抗寒性強弱有關,抗寒性強的品種Pro含量增加多,抗寒性弱的品種則增加少,說明耐寒性強的品種對寒害適應性強,可以積極調動內源物質來防御寒害。

許多的研究表明,植物的耐寒性是一種復雜的生命現象,雖然玉米草是耐寒性較差的作物,但品種間存在較大的差異,并且其耐寒性在不同種質間,同一種質的不同生長階段表現出明顯的不同[11]。本試驗中,在5和15℃低溫脅迫處理后,玉米草1號和2號的Pro、MDA含量和電解質滲出率變化趨勢大體一致,但變化幅度都有所不同。2個材料葉片中的MDA含量在5和15℃低溫處理下先迅速升高后下降,而1號MDA含量和上升幅度都較2號小,這說明低溫脅迫下1號材料葉片細胞膜脂受傷害程度最輕;低溫脅迫還使玉米草1號Pro含量比2號明顯增加得多;5和15℃脅迫后各個處理時間的電解質滲出率,均以玉米草1號的增幅最小,說明玉米草1號葉片的細胞膜受低溫傷害程度小于2號。因此,以上3個抗寒性相關生理指標的測定結果,均表明玉米草1號比2號有更強的耐寒性。

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