調環酸鈣對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗生長及生理特性的影響

趙肖瓊， 梁泰帥， 李 琪， 張恒慧

(1.太原工業學院環境與安全工程系，山西太原 030008； 2.山西醫科大學藥學院，山西太原 030001)

近年來，隨著全球溫室效應的影響以及人類不合理活動的加劇，我國干旱半干旱土地以及鹽堿土地面積分別超過全國總土地面積的1/2和1/10，且均表現出逐年擴大的趨勢，土壤干旱和鹽堿化已成為我國生態環境和農林業生產持續發展面臨的兩大難題[1-2]。自然條件下，土壤中往往存在干旱和鹽堿化相伴發生的現象，二者形成的復合逆境引發的滲透脅迫、離子毒害以及活性氧脅迫使得植物種子萌發率降低、植株生長矮小、營養器官發育受阻、光合作用等生理代謝紊亂，嚴重時甚至導致植物脫水死亡[3-4]。玉米(ZeamaysL.)是我國乃至全球范圍內非常重要的糧食、經濟和飼料作物[5]，但其生育期內對干旱和鹽脅迫比較敏感，因此，探討玉米對干旱和鹽脅迫的耐受性及保護機制，對穩定和提升我國玉米生產具有至關重要的意義。調環酸鈣(prohexadione-calcium，Pro-Ca)是一種新型的抗赤霉素植物生長延緩劑，能夠促進生殖生長，抑制地上部營養器官生長，提高作物產量和果實品質等，同時不會對環境和植物產生污染及毒性[6]。此外，Pro-Ca還能參與調控植物對逆境的響應。李瑤等認為，葉面噴施100 mg/L Pro-Ca能夠通過提升超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶活性、葉綠素含量及脯氨酸等滲透調節物質含量，有效緩解NaCl脅迫對水稻的氧化損傷，促進幼苗生長及光合速率上升[7]。潘明君等認為，低溫脅迫下噴施Pro-Ca能顯著提高煙草葉片的最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光能轉換效率(Fv/Fm)、PSⅡ電子傳遞效率(ETR)，降低初始熒光(Fo)，從而減弱葉綠素的降解[8]。Bazzi等發現Pro-Ca處理能顯著增強蘋果對火疫病以及土豆對細菌性枯萎病、細菌性斑點病的抗性[9-10]。然而，目前關于Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下植物生長及抗氧化生理特性影響的研究尚未見報道。因此，本研究以玉米種子為試材，設置單一干旱脅迫(20%PEG)、單一鹽脅迫(5.85 g/L NaCl)以及旱鹽交叉脅迫(20%PEG+5.85 g/L NaCl)，分析葉面噴施Pro-Ca溶液對旱鹽單一及交叉脅迫下玉米幼苗生長、活性氧代謝、抗氧化及滲透調節能力的影響，闡明Pro-Ca緩解玉米旱鹽單一及交叉脅迫的生理機制，以期為Pro-Ca在玉米抗旱耐鹽栽培方面的合理使用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2021年4—9月在太原工業學院環境與安全工程系生物工程實驗室進行，供試玉米品種為鄭單958，購于河南金博士種業股份有限公司。

1.2 試驗設計

精選的玉米種子經5%次氯酸鈉消毒10 min、無菌水洗滌后置于25 ℃環境催芽，將發芽的種子播種于石英砂中培養。在幼苗長到2葉1心時，精選整齊一致的玉米幼苗定植到帶有圓孔的泡沫板上(8株/板)，用1/2 Hoagland營養液進行培養，每3 d更換1次營養液。在幼苗長到3葉1心時，依據前期試驗及相關研究結果對幼苗進行旱鹽單一及交叉脅迫處理(表1)，每處理3次重復，每天10：00向植株葉面均勻噴施等量的蒸餾水或Pro-Ca溶液，以葉面濕潤不滴液為宜，處理5 d后，隨機抽取每處理的8株幼苗測定相關指標。

表1 旱鹽單一及交叉脅迫處理設計

1.3 測定項目和方法

1.3.1 生長指標測定 用卷尺測定株高及總根長，隨后用剪刀將幼苗分為地上部和根部，80 ℃烘干至恒質量后稱定地上干質量和根干質量。

1.4 數據處理

分別采用WPS Office 2019和SPSS 19.0軟件進行試驗數據整理和統計分析。

2 結果與分析

2.1 Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗地上部和根部生長特性的影響

由表2可知，單一的干旱脅迫、鹽脅迫以及旱鹽交叉脅迫均對玉米幼苗生長產生了顯著的抑制效應，株高較CK分別降低26.78%、21.90%、18.30%，總根長分別降低43.36%、40.37%、37.59%，地上干質量分別降低34.36%、31.27%、25.87%，根干質量分別降低38.55%、35.05%、30.37%。葉面噴施Pro-Ca能夠不同程度緩解旱鹽單一及交叉脅迫對玉米幼苗生長的抑制，與單一的干旱脅迫相比，噴施Pro-Ca株高、總根長、地上干質量、根干質量分別增加12.91%、17.59%、7.06%、12.93%；與單一的鹽脅迫相比，株高、總根長、地上干質量、根干質量分別增加8.56%、17.18%、9.55%、9.71%；與旱鹽交叉脅迫相比，株高、總根長、地上干質量、根干質量分別增加7.52%、21.59%、11.98%、13.42%。

表2 Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗株高、總根長、地上干質量和根干質量的影響

2.2 Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片活性氧水平和膜穩定性的影響

表3 Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片活性氧水平和膜穩定性的影響

2.3 Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由表4可知，單一的干旱脅迫、鹽脅迫以及旱鹽交叉脅迫均能夠顯著提升抗氧化酶的活性，SOD活性較CK分別增加51.34%、29.90%、17.95%，POD活性分別增加68.35%、44.83%、30.73%，CAT活性分別增加46.76%、31.10%、21.19%，APX活性分別增加58.14%、37.85%、24.15%。葉面噴施Pro-Ca能夠進一步顯著增強旱鹽單一及交叉脅迫下抗氧化酶的活性，與單一的干旱脅迫相比，噴施Pro-Ca幼苗葉片SOD、POD、CAT及APX活性分別增加18.60%、42.79%、15.86%、25.36%；與單一的鹽脅迫相比，SOD、POD、CAT及APX活性分別增加23.92%、18.31%、13.71%、14.72%；與旱鹽交叉脅迫相比，SOD、POD、CAT及APX活性分別增加15.28%、23.26%、16.93%、16.87%。

表4 Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

2.4 Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片滲透調節物質含量的影響

由表5可知，單一的干旱脅迫、鹽脅迫以及旱鹽交叉脅迫均能夠顯著增加滲透調節物質的含量，脯氨酸含量較CK分別增加53.51%、36.79%、18.57%，可溶性糖含量分別增加33.71%、18.19%、22.11%，可溶性蛋白含量分別增加33.61%、45.16%、53.03%，游離氨基酸含量分別增加59.38%、42.56%、25.67%。葉面噴施Pro-Ca能夠進一步顯著促進旱鹽單一及交叉脅迫下滲透調節物質的累積，與單一的干旱脅迫相比，噴施 Pro-Ca 脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白及游離氨基酸含量分別增加16.58%、12.26%、12.88%、22.67%；與單一的鹽脅迫相比，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白及游離氨基酸含量分別增加21.32%、10.20%、8.07%、16.84%；與旱鹽交叉脅迫相比，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白及游離氨基酸含量分別增加21.16%、9.50%、15.21%、20.21%。

表5 Pro-Ca對旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片滲透調節物質含量的影響

3 結論與討論

植物能夠通過改變基因表達和激發多種抗逆生理機制來響應逆境環境[14]，且生物量是植物對逆境環境的綜合體現，也是檢驗植物抗逆性的基本標準[15]。本試驗中旱鹽單一及交叉脅迫均對玉米幼苗株高、總根長、地上干質量、根干質量產生顯著的抑制效應，且玉米幼苗對單一干旱脅迫的響應更加敏感；相比旱鹽單一脅迫而言，旱鹽交叉脅迫能夠不同程度促進玉米幼苗的生長，說明旱鹽交叉脅迫對玉米幼苗生長的抑制并不是旱鹽單一脅迫的簡單疊加，而是表現出交叉適應性，這與翁亞偉等在小麥[16]、朱秀紅等在白花泡桐[3]和余淑艷等在沙蘆草[4]上的研究結果類似。葉面噴施Pro-Ca能夠促進旱鹽單一及交叉脅迫下玉米幼苗的株高、總根長、地上干質量和根干質量，說明Pro-Ca對干旱和鹽脅迫下玉米幼苗的生長表現為正向調控作用。

逆境條件下，植物通常會大量增加體內的滲透調節物質(如脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸等)來增加細胞滲透壓，從而動態維持細胞滲透勢平衡[24]。已有研究發現外源Pro-Ca能夠增加NaCl脅迫[7]、低溫脅迫[8]、鹽堿脅迫[25]下植物體內脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的含量以適應各種逆境脅迫。本試驗中旱鹽單一及交叉脅迫均顯著促進了滲透調節物質的積累，其中單一干旱脅迫下可溶性蛋白含量最低，其他3種滲透調節物質含量最高，可能是由于玉米幼苗對干旱脅迫更加敏感，導致蛋白質降解加快，產生了大量的游離氨基酸。旱鹽單一及交叉脅迫下，葉面噴施Pro-Ca能夠進一步顯著增加脯氨酸等滲透調節物質的含量，說明Pro-Ca能夠調控旱鹽單一及交叉脅迫下玉米幼苗的滲透調節機制，有助于維持細胞的滲透平衡。

綜上，旱鹽單一及交叉脅迫下玉米幼苗生長受到不同程度的抑制，其中玉米幼苗對單一干旱脅迫的響應更加敏感，相比旱鹽單一脅迫，旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗表現出一定的交叉適應性。葉面噴施Pro-Ca能夠通過上調抗氧化酶活性和滲透調節物質含量來降低細胞膜脂過氧化傷害，增強植株對干旱和鹽脅迫的適應性，從而促進植株生長。為更好地闡明Pro-Ca對玉米旱鹽單一及交叉脅迫的緩解機制，其生化代謝途徑及分子作用機制還需進一步探究。