劉勝群，張?zhí)熘?，宋鳳斌，朱先燦

(1. 中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長春130102;2. 長春中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，吉林長春130117)

玉米是我國主要的糧食作物，其耗水量大、對水分很敏感［1］。據(jù)報道，我國70%以上的玉米經(jīng)常遭受干旱威脅，每年因此造成嚴重的產(chǎn)量損失［2－3］。干旱是影響我國及世界玉米穩(wěn)產(chǎn)的重要環(huán)境因子［4］，玉米生產(chǎn)中，人們通常采用種植耐旱品種的方法來減少干旱對產(chǎn)量威脅［5］。因此許多學(xué)者對玉米耐旱性開展研究［6－8］。研究顯示，在正常的非干旱脅迫條件下，耐旱基因型玉米具有與耐旱能力密切相關(guān)的性狀，這使得耐旱基因型玉米在干旱脅迫下具有較強的耐旱能力。因此，研究非干旱脅迫條件下耐旱基因型玉米具有的與耐旱能力密切相關(guān)的性狀，對于闡明玉米耐旱性具有重要意義。

根系是吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，是決定玉米耐旱能力的重要方面［9－10］。由于根系生長在地下，給研究工作帶來不便，因此，可以借助傷流液的數(shù)量和成分來表征根系活性［11］，通過傷流成分分析，反映植物內(nèi)部的物質(zhì)循環(huán)、轉(zhuǎn)運、分布情況以及植物對不良環(huán)境的反應(yīng)能力。大量元素在根系吸收的養(yǎng)分中占有重要地位，其濃度及其變化一直受農(nóng)學(xué)家和植物生理學(xué)家的重視［12］。在傷流液成分分析研究中，以絲瓜、煙草和水稻等研究較多［13－15］，有研究將傷流液中礦質(zhì)元素含量與肥料、植株其他部位的關(guān)系開展研究［16－17］，而玉米的研究較少。因此，以不同耐旱基因型玉米為材料，從傷流液中的元素含量差異角度出發(fā)，研究不同耐旱基因型玉米傷流液中的元素含量的差別，以期從傷流液元素含量角度探討玉米的耐旱生理機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

玉米供試品種為耐旱基因型玉米“掖單13”和不耐旱基因型玉米“丹玉13”［18］。于2009 年在位于吉林省德惠市的中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所試驗示范基地實施試驗。試驗地田間土壤為黑土，0～20 cm耕層的土壤有機質(zhì)含量26.9 g·kg－1，全氮1.21 g·kg－1，全磷1.06 g·kg－1，全鉀16.87 g·kg－1，速效氮118.8 mg·kg－1，速效磷18.0 mg·kg－1，速效鉀111.0 mg·kg－1，土壤密度為1.12 g·cm－3，pH 為6.6。實驗采用大田實驗進行。行株距為60 cm×30 cm，行長15 m，小區(qū)面積90 m2，3 次重復(fù)。小區(qū)施肥量為N 189 kg·hm－2，P2O594 kg·hm－2，K2O 95 kg·hm－2。其它田間管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)田相同。

1.2 傷流液的收集

指形管內(nèi)填入松緊適度的干燥脫脂棉(約占指形管容積的一半左右)，管口封以塑料薄膜，用橡皮筋將塑料膜扎在指形管上。苗期在第3 葉節(jié)處切斷莖節(jié)，拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期在第7 葉節(jié)處用刀快速切斷莖桿，用去離子水沖洗切口及根基周圍并用吸水紙擦干，并在管口塑料膜中心穿一小孔，即沿塑料管薄膜上的小孔將莖斷面插入塑料管中，使莖斷面與脫脂棉輕輕接觸，收集時間為早6:00 開始，收集8 h，而后取下稱質(zhì)量，減去收集前的管質(zhì)量，計算傷流量。而后取出脫脂棉離心得傷流液，稱質(zhì)量。每次取5株，合并傷流液，3 次重復(fù)。分別于苗期、拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期取樣。

1.3 測定方法

傷流液中NO－3－N 和NH+4－N 含量用連續(xù)流動分析儀測定，傷流液P、K 和Ca 使用高頻等離子體發(fā)射光譜儀(ICPS－7500)測定，儀器工作溫度20℃、相對濕度45%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

每次試驗對獲得的生理指標數(shù)據(jù)，計算平均數(shù)和標準差。分析用SPSS 16.0 的LSD 檢驗方法，比較不同類型根所含物質(zhì)的差異。p ＜0.05 時為差異顯著。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同耐旱基因型玉米傷流液中硝態(tài)氮(NO－3－N)含量差異

玉米不同生育時期傷流液中NO3－－N 元素含量不同，見圖1。在生育期內(nèi)大體呈倒“V”型，以苗期的含量最低，到拔節(jié)期其含量達到生育期內(nèi)的最高峰，而后的孕穗期和灌漿期又逐漸降低。拔節(jié)期玉米傷流液中NO3－－N 含量是苗期的3.72～4.51 倍，是孕穗期其含量的2.28～2.57 倍，是灌漿期的2.80～2.95倍。

不同耐旱基因型玉米傷流液中NO3－－N 含量比較，“掖單13”在所測定的各生育時期中的NO3－－N含量均高于“丹玉13”。但在苗期兩基因型差異未達到顯著水平(p ＞0.05)，而拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期二者的差異達到顯著水平(p ＜0.05)。

2.2 不同耐旱基因型玉米傷流液中銨態(tài)氮(NH4+－N)含量差異

整個生育期內(nèi)玉米傷流液中NH4+－N 含量的變化趨勢為:從苗期到孕穗期其含量逐漸增加，孕穗期其含量達到最高值，而后迅速下降，灌漿期其值降至最低，見圖2。孕穗期玉米傷流液中NH4+－N 含量是苗期其含量的1.42～1.80 倍，孕穗期其值是拔節(jié)期的1.01～1.27 倍，孕穗期其值是灌漿期的2.67～4.53倍。

生育期內(nèi)兩基因型玉米傷流液中NH4+－N 含量比較分析顯示，苗期、拔節(jié)期和灌漿期兩基因型玉米傷流液中NH4+－N 含量差異未達到顯著水平(p ＞0.05)，而孕穗期二者差異達到顯著水平(p ＜0.05)，孕穗期二者相差37.34 mg·L－1。

圖1 不同生育時期不同耐旱類型玉米傷流液中硝態(tài)氮含量變化動態(tài)Fig.1 Dynamic diversification nitrate nitrogen content of bleeding sap between maize genotypes with different tolerance to drought

圖2 不同生育時期不同耐旱類型玉米傷流液中銨態(tài)氮含量變化動態(tài)Fig.2 Dynamic diversification ammoniacal nitrogen content of bleeding sap between maize genotypes with different tolerance to drought

2.3 不同耐旱基因型玉米傷流液中磷(P)含量分析

整個生育期內(nèi)玉米傷流液中P 含量變化動態(tài)，如圖3。整個生育期內(nèi)以拔節(jié)期傷流液中P 含量為最高，其它各時期含量較低。拔節(jié)期傷流液中P 含量是苗期的4.41～5.30 倍，拔節(jié)期其含量是孕穗期的4.91～7.63 倍，是灌漿期其含量的3.48～4.63 倍。

不同耐旱類型玉米傷流液中P 含量相比較，各時期兩基因型玉米傷流液中P 含量差異均未達到顯著水平(p ＞0.05)。

2.4 不同耐旱類型玉米傷流液中鉀(K)含量分析

整個生育期內(nèi)玉米傷流液中K 含量變化趨勢為生育前期其含量高于生育后期，見圖4。從苗期到拔節(jié)期含量逐漸增加，拔節(jié)期含量最高，之后逐漸降低，灌漿期其含量降至最低。拔節(jié)期傷流液中K 含量是苗期含量的1.05～1.24 倍，拔節(jié)期其含量是孕穗期的1.44～1.83 倍，拔節(jié)期其含量是灌漿期的1.96～2.46 倍。

不同耐旱基因型玉米傷流液中K 含量相比較，各時期傷流液中K 含量均是“掖單13”的含量“丹玉13”顯著高于的含量(p ＜0.05)。苗期二者相差132.83 mg·L－1，拔節(jié)期二者相差46.44 mg·L－1，孕穗期二者相差122.69 mg·L－1，灌漿期二者相差86.06 mg·L－1。

2.5 不同耐旱類型玉米傷流液中鈣(Ca)含量分析

生育期內(nèi)玉米傷流液中Ca 含量總體變化趨勢是生育前期低于生育后期，見圖5。從苗期到孕穗期傷流液中Ca 的含量逐漸增加，孕穗期其含量最高，到灌漿期其含量又有所降低，但灌漿期其含量高于苗期和拔節(jié)期。孕穗期傷流液中Ca 含量是苗期的1.82～1.90 倍，孕穗期其含量是拔節(jié)期的1.49～1.54 倍，孕穗期其含量是灌漿期的1.16～1.21 倍。

不同耐旱基因型玉米傷流液中Ca 含量相比較，各生育時期傷流液中Ca 含量差異均未達到顯著水平(p ＞0.05)。

圖3 不同生育時期不同耐旱類型玉米傷流液中P 含量變化動態(tài)Fig.3 Dynamic diversification phosphorous content of bleeding sap of root during different stages between maize genotypes with different tolerance to drought

圖4 不同耐旱類型玉米不同生育時期傷流液中K 含量變化動態(tài)Fig.4 Dynamic diversification kalian content of bleeding sap between maize genotypes with different tolerance to drought

圖5 不同耐旱類型玉米不同生育時期傷流液中Ca 含量變化動態(tài)Fig.5 Dynamic diversification calcium content of bleeding sap between maize genotypes with different tolerance to drought

3 討 論

根系是吸收水分和養(yǎng)分的主要器官，同時也是重要的合成器官，根系傷流液組分是重要的根系活力指標，同時根系傷流液中無機元素和氨基酸等物質(zhì)的變化是根冠交流的重要形式［19］。傷流液中的養(yǎng)分主要是根系吸收和轉(zhuǎn)化的結(jié)果［20］，氮素是玉米必需礦質(zhì)元素中的核心元素之一，NO3－－N 和NH4+－N 是植株氮素的主要形式。玉米傷流液中NO3－－N 和NH4+－N 等的種類和含量變化是其根系吸氮能力和氮代謝狀況的直接反映。研究結(jié)果顯示玉米傷流液中NO3－－N 含量高于NH4+－N 含量，且在苗期傷流液中的NO3－－N 含量最低，拔節(jié)期達到一個極高值，以后又逐漸下降。不同耐旱基因型玉米傷流液中比較，除苗期耐旱基因型玉米和不耐旱基因型玉米傷流液中的NO3－－N 含量差異未達到顯著水平外，拔節(jié)期、孕穗期和灌漿期二者差異均達到顯著水平。玉米是旱地作物，主要吸收NO3－－N，NO3－－N 吸收得多，形成的有機物質(zhì)多。研究認為，大多數(shù)植物利用了本身的相當(dāng)一部分碳源和能量儲備以進行硝酸鹽的吸收和同化，硝酸鹽既是營養(yǎng)成分，也是信號分子，它對植物的新陳代謝和生長有著強烈的影響［21］，NO3－－N 的累積強度直接或間接地取決于土壤、光照、溫度、水分和肥料供應(yīng)等外界因子以及植物的基因型、器官特征、呼吸和光合強度、根系吸收能力等內(nèi)部因素的影響［22］。研究是在相同試驗條件下進行的，因此，形成這種差異的原因主要歸因于玉米的內(nèi)部因素。質(zhì)流作為水分驅(qū)動的物質(zhì)運動，在水分運動下得以進行。質(zhì)流對NO3－－N 的吸收有著重大貢獻，通過質(zhì)流進入植物體內(nèi)的NO3－－N 隨著蒸騰流而上升，依靠水分運動向各處遷移，NO3－－N 的還原和利用也都需要水分參與。因此，水分既有利于NO3－－N 的吸收和累積，也有利于NO3－－N 的遷移、轉(zhuǎn)化和還原。耐旱基因型玉米根系的構(gòu)型、結(jié)構(gòu)［6－7］等特點使其具有較不耐旱基因型玉米更強的水分吸收能力，因此，相應(yīng)的傷流液中的NO3－－N 含量較高。

K 元素是玉米植株生長發(fā)育的必需元素之一。鉀離子是高等植物體液的重要滲透活性成分［23］，能提高細胞液的滲透壓，對于克服干旱條件下顯著升高的土壤溶液滲透壓的影響，使根系能吸收到土壤水分十分重要。在棉花的研究結(jié)果中顯示，傷流液中的鉀含量和棉株在不同的鉀水平下的根莖葉中的鉀含量及鉀積累量都有顯著或極顯著的關(guān)系，這在一定程度上反映了傷流液中的鉀含量和積累量可以作為衡量棉花體內(nèi)鉀含量和鉀積累量的指標［24］。研究中不同耐旱基因型玉米比較，耐旱基因型玉米傷流液中鉀元素含量在不同生育時期均顯著高于不耐旱基因型玉米。這種顯著差異為提高植株向上運輸?shù)乃值哪芰Φ奶岣呒澳秃瞪婺芰τ兄匾纳碜饔谩?/p>

研究取樣時發(fā)現(xiàn)，玉米傷流量受土壤水分含量影響顯著。當(dāng)土壤水分含量較低時，傷流強度降低。這在水稻的研究中有過類似報道［15］，其結(jié)果認為土壤水分脅迫條件下水稻苗的傷流量降低。供試樣品分別于不同生育時期取樣，不同取樣時期的田間土壤的水分和溫度等性狀存在差異，因此，在分析實驗結(jié)果的時候，要將這一因素考慮在內(nèi)。

［1］王曉琴，袁繼超，熊慶娥. 玉米抗旱性研究的現(xiàn)狀及展望［J］. 玉米科學(xué)，2002，10 (1):57－60.

［2］施關(guān)正，趙 致，袁玉清. 干旱脅迫下玉米雜交組合抗旱性及水分利用的研究［J］. 玉米科學(xué)，2008，16 (5):103－107.

［3］趙欣欣，賈恩吉，于運國，等. 玉米雜交種抗旱性鑒定與選擇［J］. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，22 (2):56－61.

［4］王士謙. 玉米抗旱性的研究進展(綜述)［J］. 河北科技師范學(xué)院學(xué)報，2005，19 (3):76－80.

［5］張振平，孫世賢，張 悅，等. 玉米葉部形態(tài)指標與抗旱性的關(guān)系研究［J］. 玉米科學(xué)，2009，17 (3):68－70.

［6］劉勝群，宋鳳斌. 玉米不同耐旱性品種根系構(gòu)型和動態(tài)建成研究［J］. 揚州大學(xué)學(xué)報:農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2007，28 (1):68－71，78.

［7］劉勝群，宋鳳斌. 不同耐旱基因型玉米根系生理性狀研究［J］. 浙江大學(xué)學(xué)報:農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版，2007，33 (4):407－412.

［8］譚 靜，黃必華，陳紅梅，等. 玉米品種耐旱性鑒定及耐旱指標篩選［J］. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010，25 (2):189－194.

［9］Tuberosa R，Sanguineti M C，Landi P，et al. Identification of QTLs for root characteristics in maize grown in hydroponics and analysis of their overlap with QTLs for grain yield in the field at two regimes ［J］. Plant Molecular Biology，2002，48 (5－6):697－712.

［10］Davies W J，Zhang J. Root signals and the regulation of growth and development of plants in drying soil ［J］. Annual Reviews Plant Physiology and Plant Molecular Biology，1991，42:55－76.

［11］金成忠，許德威. 作為根系活力指標的傷流液簡易收集法［J］. 植物生理通訊，1959 (4):51－53.

［12］李潮海，劉 奎，連艷鮮. 玉米碳氮代謝研究進展［J］. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2000，34 (4):318－323.

［13］劉國順，肖慶禮，王艷麗. 不同供磷能力的土壤施磷對烤煙根體積和根冠比以及根系傷流組分的影響［J］. 中國煙草學(xué)報，2009，15 (2):28－32，40.

［14］王蔓麗，唐澤紫，陳敏敏，等. 絲瓜傷流液的抗氧化活性及穩(wěn)定性研究［J］. 食品科技，2009，34 (7):149－154.

［15］柏彥超，錢曉晴，沈淮東，等. 不同水、氮條件對水稻苗生長及傷流液的影響［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2009，15 (1):76－81.

［16］李佛琳，蕭鳳回，彭桂芬. 煙草植株傷流液鉀含量的研究［J］. 煙草科技，2000 (8):38－41.

［17］蘇 帆，王 毅，瞿 興，等. 菜籽餅肥與化肥配合施用對烤煙傷流液組分的影響［J］. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2006，5 (3):249－253.

［18］宋鳳斌. 玉米生殖器官旱害機理及抗旱應(yīng)變措施的研究［D］. 沈陽:沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，1996.

［19］董學(xué)會，段留生，何鐘佩，等.30%己乙水劑對玉米根系傷流液及其組分的影響［J］. 西北植物學(xué)報，2005，25 (3):587－591.

［20］宋海星，李生秀. 水、氮供應(yīng)對玉米傷流及其養(yǎng)分含量的影響［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，2004，10 (6):574－578.

［21］布坎南B B，依森姆W 格魯，瓊斯R L，等. 植物生物化學(xué)與分子生物學(xué)［M］. 北京:科學(xué)出版社，2004.

［22］王朝輝，李生秀. 蔬菜不同器官的硝態(tài)氮與水分、全氮、全磷的關(guān)系［J］. 植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報，1996，2 (2):144－152.

［23］Hall A E. Physiological ecology of crops in relation to light，water，and temperature ［J］. Agroecology，1990:191－234.

［24］夏 穎，姜存?zhèn)}，陳 防，等. 不同鉀效率棉花基因型傷流液鉀狀況的研究［J］. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，49 (1):45－48.