復合外源物質對玉米幼苗抗寒性的影響

丁 昊，楊曉宇，李 隆，趙 璐，馬秀梅，張 繼　(西北師范大學生命科學學院，甘肅蘭州 730070)

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復合外源物質對玉米幼苗抗寒性的影響

丁 昊，楊曉宇，李 隆，趙 璐，馬秀梅，張 繼*(西北師范大學生命科學學院，甘肅蘭州 730070)

摘要[目的]明確復合外源物質對玉米幼苗抗寒性的影響以及抗寒機理。[方法]以豫玉22號、金穗1203和宇輝早甜粘玉米品種為材料，利用人工模擬低溫方法，研究在5 ℃低溫和不同時長處理下復合外源物質對玉米幼苗抗寒性的影響。[結果]在5 ℃低溫條件下，隨著低溫脅迫時間的延長，3種玉米品種遭受低溫傷害的程度逐漸加劇，尤其在脅迫第5天最明顯。在5 ℃低溫條件下，玉米幼苗葉片中丙二醛含量、游離脯氨酸含量、相對電導率和可溶性蛋白含量隨著脅迫時間的延長呈增加趨勢，恢復生長3 d后又開始下降；超氧化物歧化酶活性隨著脅迫時間的延長不斷降低；可溶性糖含量先上升后下降，在第3天脅迫時達到最大。在5 ℃低溫條件下，隨著低溫脅迫時間的延長，復合外源物質對玉米幼苗葉片中丙二醛含量、游離脯氨酸含量、相對電導率、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和超氧化物歧化酶活性的影響程度越明顯。[結論]復合外源物質能增強玉米幼苗適應低溫脅迫的能力。

關鍵詞復合外源物質；玉米幼苗；低溫脅迫；抗寒性

Effects of Composite Exogenous Substance on Cold Resistance of Maize Seeding

DING Hao, YANG Xiao-yu, LI Long, ZHANG Ji*et al

(College of Life Sciences, Northwest Normal University, Lanzhou, Gansu 730070)

Abstract[Objective] To research the effects of composite exogenous substance on cold resistance of maize seeding and their mechanism of cold resistance. [Method] Yuyu 22, Jinsui 1203 and Yuhui early sweet sticky were selected as test materials in this study. Effects of composite exogenous substance on cold resistance of maize seeding was studied at 5 ℃ with different time durations. [Result] At low temperature of 5 ℃, as the three kinds of maize suffered from low temperature for long hours, the injury degenerated especially at the 5th day. At low temperature of 5 ℃, the content of MDA and free proline content as well as relative conductivity and soluble protein content increased as time prolonged in maize seedling leaves. These indexes began to decline after the growth recovery for three days. SOD activity decreased as time prolonged at 5 ℃. However, the content of soluble sugar increased at the beginning and decreased subsequently after reaching the peak on the 3th day. At low temperature of 5 ℃, as the cold stress time prolonged, effects of composite exogenous substance on the content of MDA, free proline, soluble sugar, soluble protein became more obvious, as well as the relative conductivity and activity of SOD in maize seedling leaves. [Conclusion] Composite exogenous substance enhances the adaptability of maize seedlings under low temperature stress.

Key wordsComposite exogenous substance; Maize seedlings; Low temperature stress; Cold resistance

玉米在我國的播種面積僅次于小麥和水稻[1]。玉米播種期如遇低溫冷害，不僅會影響玉米種子萌發、幼苗生長，還會引起生長遲緩、發育不良、粉種等現象，嚴重影響玉米產量[2-3]。因此，研究如何提高玉米幼苗的抗寒性對于春玉米搶墑早播、高產、穩產都具有重要的理論和實踐意義。

近年來，國內外開展了一系列有關外源物質對作物抗寒性影響的研究。結果表明，添加外源性的植物激素或天然提取物可增強作物適應低溫、高溫、鹽、干旱等逆境脅迫的能力[4-6]。黃腐酸、烯效唑和磷酸二氫鉀均能提高作物幼苗抗氧化物保護酶超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)的活性，降低電解質滲透率，減少膜脂過氧化物丙二醛含量，增加作物體內代謝物質游離脯氨酸含量的作用[7-9]。刺槐豆膠是一種中性儲能多糖，可作為增稠劑、凝膠劑和膠黏劑，復配于抗寒液中是很好的成膜物質，又能將營養物質及水分緩釋給植物體。抗壞血酸不僅具有防腐作用，而且能夠參與逆境脅迫產生的ROS反應，避免植物受到逆境脅迫[5]。松針水提液含有一定比例的酚類物質和松針黃酮，能夠起到較強的抗氧化作用，同時還含有花旗松素、胡椒酮、土槿酸、甲基胡椒酚等抑菌成分，能夠起到較好的抑菌作用[10-12]。筆者采用由烯效唑、黃腐酸、刺槐豆膠、磷酸二氫鉀、抗壞血酸和松針水提液復配而成的抗寒液，選擇豫玉22號、金穗1203和宇輝早甜粘3個玉米品種為試驗材料，通過分析玉米幼苗葉片電導率、丙二醛含量、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、抗氧化保護酶超氧化物歧化酶活性等指標研究了復合外源物質對玉米幼苗抗寒性的影響以及抗寒機理，旨在為玉米高產、穩產提供理論依據。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1供試作物。供試玉米品種為豫玉22號、金穗1203和宇輝早甜粘，均由甘肅省農業科學院提供。

1.1.2儀器。BL320H型電子天平(日本島津公司)、UV1000型紫外可見分光光度計(美國Labtech公司)、931M-1029-0型冷凍離心機(美國Beckman公司)、DDS-11A型電導儀(上海滬粵明科學儀器有限公司)、HH-S2型恒溫水浴鍋(上海普渡生化科技有限公司)、LRH250G型恒溫光照培養箱(上海銀澤儀器設備有限公司)。

1.2方法

1.2.1播種育苗。試驗于2015年4月在西北師范大學進行。采用室內盆栽播種，選取子粒飽滿、大小均勻的玉米種子，用0.1%HgCl2消毒10 min，用清水沖洗后栽于規格為白色、高度和盆口上下直徑為12.0 cm×21.0 cm×14.5 cm的塑料盆。每盆加土量為1 kg，栽5粒種子，播種深度為5.0 cm。

1.2.2低溫脅迫處理。當玉米幼苗長到3葉1心時，給試驗組噴施復合外源物質，對照組噴施清水，早晚各噴施1次，葉面布滿即可，連續噴施3 d，然后放入LRH250G型恒溫光照培養箱進行5 ℃冷脅迫處理，光照強度為1 500 lx，光照周期為12 h。分別在處理前、脅迫3 d、脅迫5 d后和脅迫5 d再恢復生長3 d后(第8天)測定各組葉片相對電導率、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量、SOD活性，3次重復。

1.2.3測定方法。當低溫脅迫處理后立即測定玉米幼苗各項生理指標。細胞膜相對透性的測定采用電導率法；MDA含量的測定采用硫代巴比妥酸法[13]；脯氨酸含量的測定采用酸性茚三酮法；可溶性蛋白含量的測定采用考馬斯亮藍法[14]；可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色[15]；SOD活性的測定采用氮藍四唑(NBT)光還原方法[16]。

1.3數據處理采用SPSS 16.0軟件對數據進行差異顯著性分析，采用Microsoft Excel 2003作圖。

2結果與分析

2.1低溫脅迫下復合外源物質對不同品種玉米幼苗葉片SOD活性的影響SOD廣泛存在于需氧代謝細胞中，能清除超氧陰離子，起到保護細胞膜的作用。由圖1 可知，隨著低溫脅迫時間的加長，無論復合外源物處理組還是清水組，SOD活性均顯著降低，并且下降幅度逐漸增大。在未遭受低溫脅迫時，復合外源物處理組SOD活性的升高程度與清水組差異不顯著，但在遭受低溫脅迫3、5 d和恢復生長3 d時，復合外源物處理組SOD活性顯著高于清水組。由此說明，外源復合物能夠增強SOD活性，增強植物適應低溫脅迫的能力。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖1　低溫處理下玉米幼苗SOD活性的變化Fig.1　Changes of SOD activities in maize seedling under low temperature stress

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖2　低溫處理下玉米幼苗MDA含量的變化Fig.2　Changes of MDA content in maize seedling under low temperature stress

2.2低溫脅迫下復合外源物質對不同品種玉米幼苗葉片MDA含量的影響由圖2 可知，隨著低溫脅迫時間的延長，無論復合外源物處理組還是清水組，玉米幼苗葉片中MDA含量均顯著上升；在恢復生長3 d后，復合外源物處理組和清水組玉米幼苗葉片中MDA含量均顯著下降。在低溫脅迫時間相同的條件下，經復合外源物處理過的玉米幼苗中MDA含量均低于清水組，但在低溫脅迫0和3 d時，經復合外源物處理過的玉米幼苗中MDA含量較清水組下降程度不顯著，而在低溫脅迫5 d和恢復生長3 d時，經復合外源物處理過的玉米幼苗中MDA含量顯著低于清水組。由此說明，外源復合物能夠使MDA含量下降，降低脂質過氧化程度；同時，玉米幼苗遭受低溫脅迫的時間越長，葉片中MDA含量下降越明顯。

2.3低溫脅迫下復合外源物質對不同品種玉米幼苗葉片脯氨酸含量的影響植物細胞內游離脯氨酸含量的積累有利于降低細胞水勢，增強植物適應逆境能力。由圖3 可知，在低溫脅迫時間相同的情況下，經復合外源物處理過的玉米幼苗中游離脯氨酸含量均顯著高于清水組，說明外源復合物能提高玉米幼苗葉片中游離脯氨酸含量，增強玉米抵抗低溫脅迫的能力。對豫玉22號和金穗1203玉米而言，不論是復合外源物處理組還是清水組，隨著低溫脅迫時間的延長，玉米幼苗葉片中游離脯氨酸含量均顯著增加；但宇輝早甜粘玉米幼苗葉片中游離脯氨酸含量隨著低溫脅迫時間的加長而先快速上升后緩慢下降。在恢復生長3 d后，玉米幼苗葉片中游離脯氨酸含量均下降。由此說明在一定時間內，低溫脅迫時間越長，外源復合物使玉米幼苗中游離脯氨酸含量增加幅度越大，使玉米適應低溫脅迫的能力越強。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖3　低溫處理下玉米幼苗游離脯氨酸含量的變化Fig.3　Changes of proline content in maize seedling under low temperature stress

2.4低溫脅迫下復合外源物質對不同品種玉米幼苗葉片相對電導率的影響由圖4可知，隨著低溫脅迫時間的加長，不論是復合外源物質處理組還是清水組，玉米幼苗葉片相對電導率均顯著增大；在恢復生長之后相對電導率繼續增大。在低溫脅迫0 d時，外源復合物處理組相對電導率與清水組差異不顯著；在低溫脅迫時長相同時，外源復合物處理組玉米幼苗葉片相對電導率均顯著低于清水組；在恢復生長后外源復合物處理組玉米幼苗葉片相對電導率均顯著低于清水組。由此說明，外源復合物能夠降低質膜過氧化水平，減輕低溫脅迫對細胞膜造成的傷害；同時隨著低溫脅迫時間的延長，外源復合物處理組玉米幼苗葉片相對電導率較清水組下降程度明顯。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖4　低溫處理下玉米幼苗相對電導率的變化Fig.4　Changes of electric conductivity in maize seedling under low temperature stress

2.5低溫脅迫下復合外源物質對不同品種玉米幼苗葉片可溶性蛋白含量的影響由圖5可知，隨著低溫脅迫時間的延長，無論是外源復合物處理組還是清水組，玉米幼苗葉片中可溶性蛋白含量均呈先上升后下降趨勢。在低溫脅迫時長相同的情況下，復合外源物質處理組玉米幼苗葉片中可溶性蛋白含量均顯著高于清水組，在低溫脅迫0 d時，復合外源物質處理組玉米幼苗葉片中可溶性蛋白含量與清水組差異不顯著。由此說明，復合外源物質可提高玉米幼苗葉片中可溶性蛋白含量。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖5　低溫處理下玉米幼苗可溶性蛋白含量的變化Fig.5　Changes of soluble protein content in maize seedling under low temperature stress

2.6低溫脅迫下復合外源物質對不同品種玉米幼苗葉片可溶性糖含量的影響在低溫脅迫下，植物細胞內碳水化合物水解增強，產生的可溶性糖增加從而增加了細胞的滲透壓，在抵御逆境脅迫方面具有重要作用。由圖6 可知，隨著低溫脅迫時間的延長，無論是外源復合物處理組還是清水組，玉米幼苗葉片中可溶性糖含量均呈先上升后下降趨勢；在低溫脅迫3 d時，3種玉米幼苗葉片中可溶性糖含量的積累均達到最大值，并且外源復合物處理組玉米幼苗中可溶性糖的積累量均顯著高于清水組，說明外源復合物有助于玉米幼苗葉片中可溶性糖的積累。3種玉米未受低溫脅迫時，復合外源物質處理組與清水組的可溶性糖含量差異不顯著；在低溫脅迫5 d時，經復合外源物質處理的豫玉22號和金穗1203玉米幼苗葉片中可溶性糖含量與清水組差異不顯著，但經復合外源物質處理的宇輝早甜粘玉米幼苗葉片中可溶性糖含量顯著高于清水組；在恢復生長后，經復合外源物質處理的3種玉米幼苗葉片中可溶性糖含量均顯著高于清水組。由此說明，復合外源物質對不同品種玉米可溶性糖含量的影響不同。

注：柱上不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。Note：Lowercases indicated significant differences at 0.05 level.圖6　低溫處理下玉米幼苗可溶性糖含量的變化Fig.6　Changes of soluble glucose content in maize seedling under low temperature stress

3結論與討論

該研究表明，復合外源物質能通過增強玉米幼苗葉片抗氧化酶SOD活性，降低MDA含量和相對電導率，提高細胞內滲透劑可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、游離脯氨酸含量，增強玉米幼苗適應低溫脅迫的能力。

SOD是活性氧清除系統中第1個發揮作用的抗氧化酶，能夠清除植物體內活性氧和自由基，防止活性氧對植物造成傷害。MDA是植物膜脂過氧化產物，通常將它作為脂質過氧化指標，表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱。武輝等[17]研究表明，低溫脅迫會造成玉米幼苗葉片中抗氧化物酶活性降低，同時使植物膜脂過氧化的產物MDA大量積累。張富平等[18]認為，外源物質水楊酸能夠增加玉米幼苗SOD活性，降低MDA的積累，增強玉米幼苗適應低溫脅迫的能力。該研究表明，在低溫脅迫下，隨著低溫脅迫時間的延長，SOD活性下降，MDA含量增加；復合外源物質能夠增加玉米幼苗葉片中SOD活性，降低MDA的積累。

細胞質膜是半透性膜，低溫脅迫使質膜通透性變大，電解質滲透率增大，使玉米植株體內細胞內溶物擴散到細胞外。電導率不僅是衡量細胞組織幼嫩程度的指標，也是判斷細胞質膜是否受到傷害的指標[19]。該研究表明，隨著低溫脅迫時間的延長，玉米幼苗葉片相對電導率不斷增大；同時，外源復合物能夠降低質膜過氧化水平，減輕低溫脅迫對細胞膜造成的傷害，這與吳海燕等[20]的研究結果基本一致。

脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖均為植物體內重要的滲透調節劑。脯氨酸能維持細胞水勢，促進蛋白質的水合作用，并能維持細胞結構、物質運輸和滲透調節等[21]；可溶性蛋白可束縛更多的水分，減少原生質內結冰而傷害致死的機會[22-23]；可溶性糖可提高細胞液的滲透濃度，降低冰點，增加細胞持水力，同時還有冰凍保護劑的作用，從而提高植物的抗寒性。該研究表明，低溫脅迫導致可溶性蛋白含量和游離脯氨酸含量的增加，這與大多數研究結果[24-26]一致。

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中圖分類號S 482.8

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-129-05

收稿日期2016-02-01

作者簡介丁昊(1988- )，男，甘肅安定人，碩士研究生，研究方向：植物資源開發與利用。*通訊作者，研究員，博士，從事植物資源開發與利用研究。

基金項目國家科技支撐計劃項目(2012BAD20B06)；國家自然基金項目(31200255)。