水分脅迫對玉米葉片脯氨酸和丙二醛含量的影響

李濤龍，胡笑濤，王文娥，杜 斌，馬武光

(西北農林科技大學 旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

我國是一個淡水資源相對比較短缺的國家，人均淡水資源占有量是全世界最貧乏的13個國家之一[1]。隨著我國人口的增加，提高農產品的產量成為急需解決的問題，而農業年灌溉用水量占全國用水總量的70%[2]，因此，農業節水的研究對緩解我國水資源的壓力具有重要的現實意義。

目前人們普遍認為，作物處于某種不利狀態(逆境)時會做出保護植株體免受傷害的響應[3]。作物在逆境初期會利用自身的滲透調節作用來抵御逆境傷害，滲透調節的主要物質分為兩類：一類是無機離子；另一類是有機溶劑[4]。脯氨酸Pro屬于作物滲透調節過程中的有機溶質部分，脯氨酸含量的積累是由于逆境生長過程中為適應不利環境做出的響應，通過積累脯氨酸達到滲透調節的作用。但當不利環境超過作物可調節范圍時，會引發和加劇細胞膜脂過氧化作用造成膜系統的損傷。丙二醛MDA是細胞膜脂過氧化的產物[5]。前人已經研究了茶樹[6]、板栗[7]、大麗花[8]、豌豆[9]、胡楊[10]、馬鈴薯[11]、玉米根葉[3]在低溫脅迫[12-14]、高溫逆境脅迫[15]、干旱脅迫[16]、鹽堿脅迫[17]、鎘脅迫[18]等逆境下的激素調節和細胞膜脂過氧化作用，認為不利環境條件下作物脯氨酸開始得到積累，達到一定程度后引發細胞膜脂過氧化造成膜系統損傷，危害作物的正常生長。但目前人們僅對作物某一個生育階段進行了探索，對全生育期干旱脅迫下作物激素調節機制的認識還沒有形成完善的體系。作物在全生育期內受到的干旱脅迫有可能會提前得到水分虧缺鍛煉，對干旱脅迫有一定的適應性，當作物遭到一定干旱脅迫時，細胞膜脂過氧化產物MDA不會積累那么多。因此，研究全生育期作物體內滲透調節和膜系統損傷程度，對于揭示作物抗旱機理具有重要意義。

玉米是西北地區的主要農作物之一，該地區干旱少雨，產量受土壤水分的影響較大。因此，利用桶栽嚴格控制土壤水分的方法研究玉米全生育期3個不同灌水下限(50%θf、60%θf、70%θf)和3個不同灌水上限(80%θf、90%θf、100%θf)完全組合的9個處理對葉片脯氨酸和丙二醛含量的影響，旨在探討西北地區玉米全生育期水分脅迫的生理響應規律，為制訂避免干旱脅迫的對策和措施提供理論依據，為科學制訂玉米灌溉制度提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2016年4月在西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室節水灌溉試驗站的遮雨棚內進行。該站位于陜西省楊凌區(34°20′N，108°24′E，海拔521 m)，海拔521 m，年平均氣溫為12.5 ℃，年平均降雨量為632 mm，年平均蒸發量為1 500 mm，屬于暖溫帶季風半濕潤氣候區。遮雨棚結構為房脊型，長36 m，寬6 m，高4 m，南北兩側分別配置塑料卷簾，方便通風透氣。供試玉米品種為“農大375”，土質為“塿土”，試驗用桶為高30 cm、直徑30 cm的圓柱桶，于試驗桶中埋管，管體表面打孔并用篩網包裹，用于灌溉。裝入桶中的土壤干容重控制在1.35 g/cm3，經測定田間質量持水率θf為23%。試驗于2015年4月20日播種，每筒種5粒，出苗后至3葉1心期定苗1株，2016年8月18日試驗結束，全生育期共120 d。

1.2 試驗設計

試驗在玉米整個生育期進行水分脅迫處理，設9個處理(T1～T9處理)，控制3個灌水下限分別為田間持水率的50%、60%和70%，3個灌水上限分別為80%、90%和100%，9個重復，共81桶。采用稱重的方法測定每個處理的桶重，從而計算出各處理的土壤相對含水率。當低于灌水下限時，用量筒(精度為10 mL)向管中灌水至該處理的上限，通過管體小孔濕潤土體，并記錄每次各個處理的灌水量和灌水時間。為了防止桶內土壤蒸發過快，在每個桶內的土壤表層均勻地撒滿蛭石。

1.3 測定指標和數據處理

在拔節期、抽雄灌漿期和成熟期(分別為7月4日、7月20日和8月10日)系統取樣，每個處理從灌水上限連續取至灌水下限為一次完整取樣。取樣時，剪取玉米葉尖部后用濕紗布擦干，樣品用錫箔紙包好用液氮冷凍后，置超低溫冰箱保存待用。參照張學奎[19]的《植物生理生化實驗原理和技術》，采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測定脯氨酸Pro，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛MDA。土壤含水率的測定，采用稱質量法，電子天平精度0.02 kg，測定土壤含水率，陰天1 d測定1次，晴朗天氣下1 d測2次，取1 d的含水率平均值。

數據處理：利用SPSS17.0進行顯著性檢驗和相關分析，利用SigmaPlot12.0和Excel 2007繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對玉米脯氨酸含量的影響

脯氨酸Pro在植物體內起到重要的滲透調節作用。在逆境條件下，植物體內Pro的含量顯著增加，Pro含量在一定程度上反映了植物的抗逆性[19]。

圖1為不同生育期內3個灌水下限玉米Pro的累積量與土壤相對含水率的相關關系。由圖1可知，土壤相對含水率越高，玉米Pro的累積量越小，即Pro的累積量會隨土壤相對含水率的增加而減小。在圖1(a)中，當土壤相對含水率接近50%θf和60%θf時，作物會隨著水分脅迫的加重Pro的累積量不但不增加反而減小。這是因為，在此含水率范圍內玉米自身所遭受的干旱逆境已經超出了其滲透調節的可控范圍內。在圖1(a)和圖1(b)中，灌水下限為60%θf時，Pro的累積量與土壤相對含水率擬合曲線的斜率增大。這說明，將拔節期和抽雄灌漿期玉米的水下限控制在60%θf時Pro對土壤相對含水率的響應更敏感。由圖1(c)可知，成熟期玉米的灌水下限為50%θf時，Pro對土壤相對含水率的響應更敏感。這從另一方面說明，成熟期灌水下限達到50%θf時才對玉米形成強烈的水分脅迫。經統計計算發現，玉米Pro累積量的均值隨著灌水下限的提高逐漸減?。喊喂澠诜謩e為91.524 5、83.308 4和81.444 4 μg/g；抽雄灌漿期分別為166.563 9、149.944 4和127.761 1 μg/g；成熟期分別為123.844 4、120.108 3和114.744 4 μg/g。整體上看，抽雄灌漿期玉米Pro累積量的均值最大，拔節期的最小。這主要因為抽雄灌漿期正是玉米的需水關鍵期，水分虧缺對作物生長影響最大，植物體內滲透調節作用也最強。

圖1 水分脅迫對玉米脯氨酸含量的影響

Pro與θ的擬合方程均為線性方程，即Y=aX+b形式。表1為不同生育期Pro的累積量與θ的擬合方程參數表。從表1可以看出，同一灌水下限的方程擬合度R2的大小順序分別為：拔節期>抽雄灌漿期>成熟期，即玉米越接近于成熟Pro與θ的擬合度越小，這說明玉米體內的滲透調節作用在玉米生長旺盛時期的發揮最佳。從擬合方程的P值看出，拔節期和抽雄灌漿期的P值均較小而成熟期的較大，說明拔節期和抽雄灌漿期擬合方程中Pro與θ的相關性呈極顯著，成熟期Pro與θ的相關性不顯著，這可能是因為成熟期玉米器官逐漸趨于老化導致此時的Pro對θ的響應不敏感。

表1 不同生育期Pro與θ的擬合方程參數表

2.2 水分脅迫對玉米丙二醛含量的影響

植物器官衰老時，或在逆境條件下，往往發生膜脂過氧化作用，丙二醛MDA是其產物之一，通常利用它作為膜脂過氧化指標，表示細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件反應的強弱[19]。MDA含量的高低反映了細胞膜脂過氧化水平[20]。

圖2為不同生育期3個灌水下限玉米MDA的累積量與土壤相對含水率的相關關系。由圖2可知，MDA累積量的變化規律與Pro的相似，均隨著土壤相對含水率的增加而減小。由圖2(a)可知，當灌水下限為50%θf時，MDA的累積量隨土壤相對含水率的變化速度最快，斜率最大。這說明，拔節期灌水下限為50%θf時水分脅迫對玉米細胞膜脂過氧化的影響最嚴重。在圖2(b)和圖2(c)中，灌水下限為70%θf時，MDA累積量與土壤相對含水率擬合曲線的斜率最大，這可能是因為灌水下限為70%θf的處理從未得到過水分脅迫的鍛煉在抽雄灌漿期這一需水關鍵期MDA對θ的響應比其他處理更加敏感。而成熟期的灌水可能會加速作物器官的老化使細胞遭受膜脂過氧化的傷害，這種傷害是不可逆的。

需要特別指出的是，圖2(a)中灌水下限為50%θf的MDA與土壤相對含水率擬合曲線的斜率最大，但同生育期的Pro擬合直線[圖1(a)]中斜率最??；灌水下限為60%θf的MDA與土壤相對含水率擬合直線的斜率最小，但同生育期的Pro擬合曲線[圖1(a)]斜率最大，說明拔節期50%θf的灌水下限對玉米造成了嚴重的水分脅迫，MDA是作物Pro的滲透調節作用超過其可控范圍后所造成的細胞膜脂過氧化產物之一，MDA和Pro的累積量是相互制約的關系；60%θf的灌水下限使得Pro的滲透調節作用充分發揮時MDA的累積速度變得很緩慢，此灌水下限是Pro的滲透調節作用發揮最大的灌水閾值。圖2(b)中灌水下限為60%θf的MDA與土壤相對含水率擬合曲線的斜率最小，但同生育期的Pro擬合直線[圖1(b)]斜率最大；灌水下限為70%θf的MDA與土壤相對含水率擬合曲線的斜率最大，但Pro擬合直線中是最小。這說明，在抽雄灌漿期60%θf的灌水下限會使作物自身滲透調節作用的發揮達到最理想狀態，免受細胞膜脂過氧化作用的傷害。玉米MDA累積量的均值隨灌水下限的提高逐漸減?。喊喂澠诜謩e為0.987 3、0.785 6和0.680 6 μmol/L；抽雄灌漿期分別為0.523 7、0.519 9和0.459 8 μmol/L；成熟期分別為0.351 8、0.314 0和0.292 3 μmol/L。

圖2 水分脅迫對玉米丙二醛含量的影響

MDA與θ的擬合方程為線性方程，即Y=aX+b形式。下表為玉米3個生育期MDA的累積量與θ的擬合方程參數表。從表2可以看出，方程擬合度R2的大小隨著生育期的延長逐漸在減小，即玉米越接近于成熟MDA與θ的擬合度越小，這一點與Pro較相似。從方程擬合度R2可以看出，玉米細胞受膜脂過氧化傷害程度與θ的擬合度隨著生育期的延長越來越小，這可能是因為作物生育后期器官老化對MDA變化產生了一定的影響。而從擬合方程的P值上來比較，發現P值均小于0.01，即不同生育期的擬合方程中MDA與θ均呈極顯著相關性。

3 結 論

(1)水分脅迫對不同灌水下限處理玉米的Pro和MDA含量的影響顯著，Pro和MDA含量均會隨著水分脅迫的加重而增加。Pro在作物體內起到重要的滲透調節作用，隨著土壤相對含水率的減少作物通過積累一定量的Pro來降低水勢，調節體內滲透平衡，促進作物根系吸收水分。MDA是作物遭受水分脅迫后細胞膜脂過氧化產物之一，土壤相對含水率越低作物體內MDA的累積量越高。

表2 不同生育期MDA與θ的擬合參數表

(2)3個生育期內，玉米Pro累積量的均值和50%θf處的截距最大值均出現在抽雄灌漿期，在抽雄灌漿期作物體內Pro的滲透調節作用能夠得到充分地發揮；MDA累積量的均值和50%θf處的截距最大值均出現在拔節期，在拔節期對玉米遭受水分脅迫后所造成的細胞膜脂過氧化最嚴重。

(3)玉米體內的Pro和MDA含量呈相互制約的關系，Pro滲透調節作用充分發揮了MDA的累積量才會減小，作物細胞免遭膜脂過氧化傷害，如：抽雄灌漿期，Pro的累積量較大滲透調節作用較理想，MDA的累積量相對較少；Pro的累積量減小了，起到的滲透調節作用不足以保護作物細胞后必然會加大MDA的累積量，如：拔節期，Pro的累積量較少，細胞膜脂過氧化產物MDA的累積量明顯增加了。

因灌水上限對Pro和MDA的影響不明顯，故本文只討論了灌水下限對它們的影響。

[1] 張 薇,趙亞娟.國際水資源現狀與研究熱點[J].地質通報第,2009,28(2-3):177-183．

[2] 李宗禮,趙文舉,孫 偉,等.噴灌技術在北方缺水地區的應用前景[J].農業工程學報,2012,(6):1-6.

[3] 葛體達,隋方功,白莉萍,等.水分脅迫下夏玉米根葉保護酶活性變化及其對膜脂過氧化作用的影響[J].中國農業科學,2005,(5):922-928.

[4] 李云飛.土壤干旱脅迫對李屬彩葉植物抗旱生理及葉色的影響[D]. 河北秦皇島：河北農業大學,2008.

[5] 李潮海,尹 飛,王 群.不同耐旱性玉米雜交種及其親本葉片活性氧代謝對水分脅迫的響應[J].生態學報,2006,(6):1 912-1 919.

[6] 薄曉培,王夢馨,崔 林,等.茶樹3類滲透調節物質與冬春低溫相關性及其品種間的差異評價[J].中國農業科學,2016,(19):3 807-3 817.

[7] 馬雙艷,姜遠茂,彭福田,等.干旱脅迫對不同板栗品種葉片滲透調節物質含量及光合的影響[J]. 干旱地區農業研究,2003,(3):114-118.

[8] 范蘇魯,苑兆和,馮立娟,等.干旱脅迫對大麗花生理生化指標的影響[J]. 應用生態學報,2011,(3):651-657.

[9] 張紅萍,牛俊義,軒春香,等.干旱脅迫及復水對豌豆葉片脯氨酸和丙二醛含量的影響[J].甘肅農業大學學報,2008,(5):50-54.

[10] 陳亞鵬,陳亞寧,李衛紅,等.干旱脅迫下的胡楊脯氨酸累積特點分析[J].干旱區地理,2003,(4):420-424.

[11] 丁玉梅,馬龍海,周曉罡,等.干旱脅迫下馬鈴薯葉片脯氨酸、丙二醛含量變化及與耐旱性的相關性分析[J].西南農業學報,2013,(1):106-110.

[12] 薄曉培,王夢馨,崔 林,等.茶樹3類滲透調節物質與冬春低溫相關性及其品種間的差異評價[J].中國農業科學,2016,(19):3 807-3 817.

[13] 陳 璇,李金耀,馬 紀,等.低溫脅迫對春小麥和冬小麥葉片游離脯氨酸含量變化的影響[J].新疆農業科學,2007,(5):553-556,544.

[14] 高燦紅,胡 晉,鄭昀曄,等.玉米幼苗抗氧化酶活性、脯氨酸含量變化及與其耐寒性的關系[J].應用生態學報,2006,(6):1 045-1 050.

[15] 尤 超,沈 虹,郭世榮,等.高溫逆境脅迫對油桃生理特征影響的研究[J].中國農學通報,2016,(10):79-84.

[16] 范蘇魯,苑兆和,馮立娟,等.干旱脅迫對大麗花生理生化指標的影響[J].應用生態學報,2011,(3):651-657.

[17] 張婷婷,楊美英,王春紅,等.鹽堿脅迫下不同水稻品種滲透調節物質及相關基因的變化[J].西北農林科技大學學報(自然科學版),2016,(4):39-47.

[18] 宋 敏,徐文競,彭向永,等.外源脯氨酸對鎘脅迫下小麥幼苗生長的影響[J].應用生態學報,2013,(1):129-134.

[19] 張學奎.植物生理生化實驗原理和技術[M].北京:高等教育出版社,2006.

[20] 曹 慧,韓振海,許雪峰.水分脅迫下蘋果屬植物葉片葉綠素降解的膜脂過氧化損傷作用[J].中國農業科學,2003,(10):1 191-1 195.