PEG 模擬水分脅迫對玉米苗期生理指標的影響

鄒原東，韓振芹，李志強

（北京農業職業學院園藝系，北京102442）

進入21 世紀以來，我國整體實力不斷增強，參與世界競爭的機會也逐漸增多。隨著國家科技投入的增多、產業化的加速升級，玉米的種業規模不斷得到提升，玉米產業的發展更是邁上了一個新的臺階[1]。

在國家產業振興、產業結構調整的大環境背景下，育種在玉米產業振興中發揮著重要作用，而玉米育種中的科技投入也越來越多，科技產出與科技投入成正比，這與玉米育種科研工作者的努力密不可分。隨著農業向產業化和集約化發展，玉米育種在新時代的發展充滿了機遇和挑戰，育種方法不斷改進，新品種不斷涌現，發展速度以及科技創新能力有了較大的提升[2]。但是近些年來世界氣候環境不斷發生變化，極端氣候現象不斷出現，自然災害頻發，給玉米育種工作帶來了挑戰。有研究表明，低溫會造成玉米穗分化期穗長和穗粒數顯著減少、穗粒質量降低，這可能是由于溫度低使光合特性發生了改變，造成蒸騰速率的變化，而且低溫時間越長，影響越嚴重，最終導致產量降低[3]。鹽脅迫下玉米植株葉片的光合速率下降，光合能力得不到有效發揮，株高和地上部鮮質量下降[4]。適度干旱會使玉米根系下扎，提高水分利用率，其中，灌漿期缺水會使作物耗水量增加，產量顯著降低；隨著生育期的推進，至中后期，適度干旱反而有利于玉米節水保產[5]。在玉米生產中，干旱脅迫最為普遍，也最常發生，因此，解決干旱地區的缺水現狀，興修水渠，提升灌溉能力，是根本目標。而從育種角度來看，培育抗旱、抗鹽、耐瘠薄的品種，可增強作物在逆境條件下的生存能力，對保障糧食產量有重要意義[6-7]。

玉米不同品種對土壤和大氣干旱條件所具有的適應性和抵御能力是不同的，它們在形態結構特征、生理生化特性、生長發育等方面，形成了一系列抗御干旱的機制和對逆境的適應反應[8-10]。王德信等[11]模擬土壤干旱，觀察玉米苗期生理指標的變化來評價玉米萌發期和苗期的抗旱性，認為可溶性蛋白含量、丙二醛含量、脯氨酸含量和POD 活性可作為玉米抗旱育種的評價指標。

本試驗以5 個玉米品種為測試對象，研究不同PEG 水溶液濃度處理下玉米苗期生理指標的變化，選出抗旱性較強的玉米品種，為當地選育抗旱品種提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試5 個玉米品種為香糯2 號（N3）、黃晶糯（N7）、品糯28（NT3）、先風真甜水果玉米（T3）、北甜玉1 號（TN4）。

1.2 試驗方法

將發芽盒置于RXZ-400E 型人工氣候箱中，晝/夜溫度為26 ℃/25 ℃，采用早晚噴水的方法控制濕度在60%～70%，設定好數值，將光照時間調至白天/夜晚為12 h/12 h，光照強度為2 500 lx，連續培養10 d。每個玉米品種挑選大小均勻、籽粒飽滿的種子各500 粒，用75%酒精消毒10 min，再用蒸餾水沖洗3 次并浸泡12 h。將準備好的發芽盒鋪上一定質量的細沙，倒入相應濃度的PEG 水溶液，取出浸泡好的種子均勻擺放在發芽盒內，并將發芽盒置于光照培養箱中發芽。試驗設PEG 水溶液濃度分別為10%，15%，20%，25%，以蒸餾水為對照，共計5 個處理，每個處理50 粒，3 次重復。在第8 天取幼苗葉片，測定丙二醛、可溶性蛋白及脯氨酸含量。

1.3 測定項目及方法

丙二醛含量采用紫外分光光度法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250 染色法測定，脯氨酸含量采用茚三酮顯色法測定。

1.4 數據統計

利用WPS 作圖，SPSS 20.0 進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 不同濃度PEG 水溶液對玉米苗期丙二醛含量的影響

從圖1 可以看出，隨著PEG 水溶液濃度的升高，玉米幼苗的丙二醛含量相應升高，在達到15%濃度之后，丙二醛含量增加明顯。25%濃度下的丙二醛含量最高，與其他濃度下的含量相比差異達到極顯著（P＜0.01）。可見，隨著干旱脅迫的加強，玉米幼苗植株的膜脂過氧化程度加劇，丙二醛含量的積累增加。

2.2 不同濃度PEG 水溶液對玉米可溶性蛋白含量的影響

從圖2 可以看出，隨著PEG 水溶液濃度的升高，玉米幼苗植株的可溶性蛋白含量相應增加，在N3、N7、T3 和TN4 這4 個品種中，可溶性蛋白含量隨著PEG 水溶液濃度的升高增加較少，各濃度之間差異不顯著（P＞0.01），25%濃度下的可溶性蛋白含量分別比10%濃度下的增加24.29%，38.60%，55.66%和32.11%，N3 品種增加最少。NT3 品種各濃度下的可溶性蛋白含量與對照相比差異達極顯著（P＜0.01）。可見，隨著植物在干旱脅迫下失水，內部滲透壓相應增加，可溶性蛋白含量升高，以應對逆境，保證植株正常生長。

2.3 不同濃度PEG 水溶液對玉米脯氨酸含量的影響

從圖3 可以看出，PEG 水溶液濃度的升高導致了脯氨酸含量的增加，而且增加的幅度直觀可見，尤其在15%濃度之后，增加的趨勢更為明顯。不同濃度間N7、NT3、T3 品種的脯氨酸含量差異達極顯著（P＜0.01）。可見，在植株受到水分脅迫的條件下，脯氨酸含量會隨著體內滲透能力的增強而相應的增加，是一種應對逆境的應激反應。

3 結論與討論

作物一生的生長過程要經歷很多“磨難”，有外界逆境的傷害，有自身免疫的提升，還有與衰老的對抗，尤其植物在衰老過程中及在逆境傷害中，植物體內都會產生一系列反應，來適應這種變化。當植物面臨衰老及逆境傷害時，機體內會通過多種途徑產生自由基和活性氧，這2 種物質會阻斷植物細胞的正常生長，在一定限度內植物也會很巧妙地自我清除上述物質，保持體內正常的生長平衡。當平衡被打破，自由基和活性氧所對應的氧自由基反應和膜脂過氧化反應就會加劇，丙二醛含量就會增加，則可能會造成細胞乃至組織的嚴重損傷，最終造成植株的死亡[12-14]。也可以說，在一定限度內丙二醛含量可看作是植物對逆境傷害及衰老過程的應激反應，含量的變化能初步判斷膜脂過氧化的程度和植物對逆境條件的反應強弱，初期植物會通過體內各種器官、組織的協調配合來清除這種傷害，對細胞甚至組織起到保護作用，而超過了植物所能忍受的限度時，植物無法正常代謝，會出現膜的降解，滲透能力下降，傷害是不可逆的。大量研究表明，隨著逆境傷害程度的加強，植物體內丙二醛含量也顯著上升[15-17]。本試驗研究表明，隨著PEG 水溶液濃度的升高，5 個玉米品種的丙二醛含量都增加，在25%濃度下含量達到峰值。可見，隨著干旱脅迫的加強，玉米幼苗植株的膜脂過氧化程度加劇，丙二醛含量的積累增加，與氧化系統相關，可作為評價抗旱強弱的指標。

當植物處在逆境環境下，自身的“免疫”系統會開啟，處于一種防衛的姿態，內在生理的變化也在構筑防衛系統。比如在水分脅迫下，細胞會主動積累溶質，降低滲透勢和水勢，維持膨壓，進行滲透調節。脯氨酸作為一種滲透調節物質，在植物遭受逆境傷害尤其是干旱、鹽脅迫時，含量會增加，增強蛋白質以及脯氨酸合成酶的合成，減弱脯氨酸氧化作用，保持細胞結構與功能的穩定，調節滲透壓，增加植株體內的保水能力[18-19]。同時，它還具有清除活性氧、維持光合特性的作用[20]。華智銳等[21]研究發現，在用IAA 處理后黃芩幼苗的脯氨酸含量升高，耐鹽能力增強。本研究與朱虹等[22]的研究一致，隨著水分脅迫程度的增加，能顯著增加玉米幼苗葉片中脯氨酸的含量，脯氨酸的作用加強，但在不同濃度PEG水溶液下脯氨酸含量的增加量不同。本試驗研究發現，在15%濃度之后，脯氨酸含量增加明顯，脯氨酸可作為評價抗旱的指標。

研究表明，可溶性蛋白在植株遭受逆境傷害時含量增加，作為一種滲透調節物質，相應地增加細胞液的濃度，調節組織的滲透能力，是對逆境反映的一種表現[23-24]。有研究表明，可溶性蛋白作為催化各種生理過程的酶類，當植物處在逆境時，參與滲透調節，提升抗氧化能力，在一定程度上減輕受傷害程度[25]。因作物種類不同，參與滲透調節的物質、種類及調節強度也會產生差異[26]。可溶性蛋白含量的提升往往伴隨著多種滲透調節物質含量的提高，在多重指標的共同作用下，來評價供試材料的抗逆能力[27]。本研究表明，水分脅迫會增加玉米幼苗體內可溶性蛋白含量，不同品種、不同濃度之間可溶性蛋白含量有所差異，這與韋仕甜等[28]的研究一致。可見，隨著滲透液濃度增加，干旱水平加劇，植物細胞提高可溶性蛋白含量以保持滲透調節能力，維持正常的生長代謝。

植物在遭受水分脅迫后，細胞會出現膜脂過氧化，而產生的產物丙二醛則在一定程度上反映出了傷害程度的強弱。可溶性蛋白、脯氨酸都是作為滲透調節物質在植株遭受水分脅迫時來發揮作用的，卻因傷害程度不同、品種不同、環境不同而產生差別。鑒于本試驗僅從苗期對玉米進行生理指標的測定，玉米幼株在設計濃度下全部能夠正常生長，未見死亡現象發生，也從另一方面看出本試驗設計濃度沒有超過幼苗植株所能承受的最大濃度，在一定程度上可用來衡量玉米受水分脅迫程度的強弱，而這種逆境傷害受品種的影響表現也有所不同，這也為進一步研究抗旱評價及區域性抗旱指標的篩選提供借鑒。