谷英楠 楊克軍 王玉鳳 張翼飛 趙長江 付健 趙瑩 劉承 張發(fā)明 楊系玲 劉慧迪 劉瑀 方永江

摘要 [目的]研究寒地不同玉米（Zea mays L.）品種萌發(fā)及幼苗生長和抗氧化酶活性對低溫的響應(yīng)特性。[方法]以14份寒地玉米品種為試材，在萌芽期及幼苗期對耐低溫能力進行比較研究。[結(jié)果]在低溫下（5～15 ℃），隨著溫度降低參試品種的發(fā)芽率均呈下降趨勢。低溫脅迫下各玉米品種幼苗的超氧化物歧化酶（SOD）活性增加，其中，澤玉16、綏玉19的變化最明顯；各玉米品種幼苗的過氧化物酶（POD）活性增強，其中，久龍2、南北4、澤玉16、綏玉19的變化最明顯；南北4、哲單37、海玉5的相對生長速率最高。[結(jié)論]南北4、海玉5、哲單37為苗期耐低溫型玉米品種；墾玉7、綏玉19、唐玉15、綏玉1、德美亞1、久龍2、蠡玉18為苗期中間型玉米品種；甘玉1、克單8、澤玉16、吉單522為苗期低溫敏感型玉米品種。

關(guān)鍵詞 玉米；低溫脅迫；種子萌發(fā)；保護性酶

中圖分類號 S513 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05092-05

溫度是影響植物生長的最重要的環(huán)境因素之一。玉米是一種喜溫作物，玉米的早期發(fā)育過程中若是接觸到低溫，光合性能會降低[1-2]。低溫常常降低玉米種子萌發(fā)速率，限制玉米幼苗生長，從而不利于早春播種[3]，以及玉米的生長周期和產(chǎn)量[4]。植物本身有各種保護系統(tǒng)，以減少低溫對植物自身的影響[5-11]，包括抗氧化酶系統(tǒng)。植物的細胞器、細胞、組織和植物的水平結(jié)構(gòu)和功能改變了對低溫的適應(yīng)。前人研究表明，耐低溫品種相比低溫敏感型品種有更有效的抗氧化系統(tǒng)[1，12-14]。前人研究中指出，在低溫脅迫條件下，細胞膜和酶的變化最大[15-16]。為此，筆者將不同玉米品種進行不同低溫處理，探討寒地不同品種玉米萌發(fā)和幼苗生長的影響及抗氧化酶活性對低溫的響應(yīng)特性，為寒地玉米生產(chǎn)及耐低溫玉米品種的選擇和選育提供參考依據(jù)，為低溫冷害下采用有效的防御技術(shù)，保證玉米穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 選用黑龍江省寒冷地區(qū)主要栽培的玉米品種14份，分別為甘玉1、久龍2、墾玉7、綏玉1、綏玉19、哲單37、德美亞1、克單8、南北4、海玉5、蠡玉18、唐玉15、吉單522、澤玉16。

1.2 試驗方法

1.2.1 溫度對發(fā)芽率及發(fā)芽勢的影響。每個品種分別取1 200粒種子，用1%次氯酸鈉消毒30 min。在室溫下浸種12 h，分別裝入發(fā)芽盒內(nèi)，每盒100粒，分別置于5（T1）、10（T2）、15 ℃（T3）條件下，以28 ℃（T4）為對照，進行發(fā)芽試驗。各品種每個溫度下設(shè)3次重復(fù)，分別于第3、7天測定種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽率。

1.2.2 溫度對幼苗生長及生理指標的影響。每個品種選250粒種子，消毒，浸種，發(fā)芽后，待1葉期開始進行低溫處理。處理溫度分別為5（T1）、10（T2）、15 ℃（T3），以28 ℃（T4）為對照，處理7 d后測定相對生長速率、超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化物酶（POD）活性。

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 保護酶活性。SOD活性測定采用氮藍四唑法，POD活性測定采用愈創(chuàng)木酚顯色法[17]。

1.3.2 相對發(fā)芽率。相對發(fā)芽率（%）=（低溫處理下的發(fā)芽率/對照發(fā)芽率）×100%。

1.3.3 相對生長速率。參照Baligar [18] 、邱念偉[19]的方法，相對生長速率（Relative Growth Rate，RGR）=（lnW2- lnW1）/（T2- T1），當植株生長至1葉1心時稱重記為W1，7 d后再次測量記為W2。

1.4 統(tǒng)計分析 采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度對不同玉米品種發(fā)芽率的影響 從表1可以看出，隨著溫度的降低所有品種的發(fā)芽率均呈下降趨勢。隨著溫度的降低所有品種的發(fā)芽率均呈下降趨勢。5 ℃時所有品種均不萌發(fā)；在10 ℃時南北4發(fā)芽率達到96.67%；在15 ℃時南北4發(fā)芽率為97.78%，克單8發(fā)芽率是16.67%為最低。

2.2 溫度對不同玉米品種發(fā)芽勢的影響 從圖1可以看出，供試品種發(fā)芽勢與溫度呈正相關(guān)。在5 ℃時所有品種均無發(fā)芽勢；在10 ℃時，甘玉1和蠡玉18的發(fā)芽勢為0，南北4的發(fā)芽勢達到66.60%；在15 ℃時南北4的發(fā)芽勢仍為最高，達到91.11%；在對照條件下，所有品種的發(fā)芽勢最高，德美亞1達到92.11%。

2.3 低溫對不同玉米品種相對發(fā)芽率的影響 從表2可以看出，15 ℃/28 ℃的相對發(fā)芽率百分比最大是吉單522，為0.997，最小是克單8，相對發(fā)芽率百分比為0.275。10 ℃/28 ℃的相對發(fā)芽率百分比最大是南北4，為0.907，最小是蠡玉18，相對發(fā)芽率百分比為0。5 ℃/28 ℃的相對發(fā)芽率百分比均為0。通過相對發(fā)芽率可以將其分為3類：甘玉1、蠡玉18、德美亞1、唐玉15、吉單522、南北4、海玉5、哲單37、澤玉16為耐低溫型品種；久龍2、墾玉7、綏玉19為中間型品種；克單8、綏玉1為低溫敏感型品種。

2.4 低溫對不同玉米品種根長、芽長的影響 從圖2可以看出，在5 ℃時，所有品種均未生長。在10 ℃時，海玉5根長最長為1.80 cm，吉單522最短為0.40 cm。在15 ℃時，南北4根長最長為9.10 cm，甘玉1最短為2.26 cm。在28 ℃時，唐玉15根長最長為20 cm，澤玉16最短為1.80 cm。

從圖3可以看出，在5 ℃時，所有品種均未生長。在10 ℃時，綏玉1芽長最長為4.23 cm，吉單522最短為0.17 cm。在15 ℃，時唐玉15芽長最長為1.40 cm，德美亞1最短為0.63 cm。在28 ℃時，唐玉15芽長最長為11.73 cm，德美亞1最短為1.83 cm。

2.5 不同玉米品種在不同溫度下各指標主成分分析和聚類分析 從表3可以看出，通過主成分分析可以將不同溫度下的各個指標劃分4個成分，在成分矩陣下各溫度下的發(fā)芽勢在第1個成分中所占的比率最大，分別為0.847、0.739、0.864，旋轉(zhuǎn)成分矩陣中各溫度下的發(fā)芽勢在第1個成分中所占的比率為最大，分別為0.902、0.893、0.838。確定發(fā)芽勢為第1個主成分，下一步可以通過聚類分析進行分類。

從圖4可以看出，將不同基因型玉米品種劃分為3類：耐低溫型，包括海玉5、南北4；中間型，包括綏玉1、綏玉19、唐玉15、澤玉16、哲單37、吉單522、久龍2、德美亞1；低溫敏感型，包括甘玉1、蠡玉18、墾玉7、克單8。

2.6 低溫對不同玉米品種幼苗期SOD活性的影響 在低溫時SOD活性的升高表明該品種具有較高的耐低溫性，可以此進行分類。從圖5可以看出，隨著溫度的降低，所有品種的SOD活性均有所升高，在5 ℃時，澤玉16的SOD活性最高，比吉單522的SOD活性高1.41倍。在10 ℃時，久龍2的SOD活性最高，比吉單522的SOD活性高1.42倍。在15 ℃時，吉單522的SOD活性最高，比克單8的SOD活性高2.84倍。在28 ℃時，哲單37的SOD活性最高，比海玉5的SOD活性高1.46倍。

從圖6可以看出，在低溫時玉米品種根部的SOD活性上升，在5、10 ℃時的SOD活性都比28 ℃時的高。在5 ℃時所有品種的SOD活性都比在對照28 ℃時高，并且以甘玉1、久龍2、墾玉7、克單8、南北4的變化最明顯，比對照分別高出2.43、1.96、1.88、1.71、1.71倍。在10 ℃時所有品種的SOD活性都比28 ℃時高，并且以久龍2、德美亞1、南北4、甘玉1、

蠡玉18的變化最明顯，分別比對照高出2.00、1.77、1.76、1.74、1.72倍。在15 ℃時變化均不明顯，分別以綏玉19的SOD活性最高，為179.58 U/g（FW）。

2.7 低溫對不同玉米品種幼苗期POD活性的影響 與SOD活性的變化相似，在低溫時POD活性的增加表明該品種在低溫下具有耐低溫能力。從圖7可以看出，所有品種的POD活性表現(xiàn)為28 ℃處理>5 ℃處理>10 ℃處理>15 ℃處理。在5 ℃時久龍2、南北4的POD活性與28 ℃時大小差異較大，分別比28 ℃下的POD活性高出1.85和1.64倍，在10和15 ℃時POD活性的變化不是很明顯。

從圖8可以看出，隨著溫度的降低，所有玉米品種根部的POD活性均升高。在5 ℃時綏玉19的POD活性為最高，比甘玉1的POD活性高2.98倍。在10 ℃時蠡玉18的POD活性最高，比哲單37的POD活性高2.60倍。在15 ℃時澤玉16的POD活性最高，比蠡玉18的POD活性高1.66倍。在28 ℃時所有品種的POD活性均不高。

2.8 低溫對不同品種玉米幼苗期相對生長速率的影響 從表4可以看出，隨著溫度的降低所有品種的相對生長速率均下降。在5 ℃時相對生長速率最高為南北4，是綏玉19的4.30倍。在10 ℃時相對生長速率最高為哲單37，是甘玉1的1.60倍。在15 ℃時相對生長速率最高為海玉5，是唐玉15的1.92倍。在28 ℃時所有品種的相對生長速率均較高。

3 結(jié)論與討論

該試驗通過對14種不同基因型玉米萌芽期及幼苗期的耐低溫能力進行研究，發(fā)現(xiàn)發(fā)芽率、根長、芽長、相對生長速率與品種耐低溫能力的強弱呈正相關(guān)，苗期耐低溫型玉米品種在低溫時SOD、POD活性均比對照顯著升高；苗期中間型玉米品種在低溫時SOD、POD活性也較對照有所升高；苗期低溫敏感型玉米品種在低溫時SOD、POD活性升高較低。

試驗結(jié)果表明，南北4、久龍2、海玉5、哲單37為苗期耐低溫型玉米品種；墾玉7、綏玉19、唐玉15、綏玉1、德美亞1、蠡玉18為苗期中間型玉米品種；甘玉1、克單8、澤玉16、吉單522為苗期低溫敏感型玉米品種。

一些植物的抗氧化酶活性的變化為在低溫時抗氧化酶活性增強，這些變化也同前人研究相符合[20-23]。然而，變化的程度與酶的種類有關(guān)，也與作物品種有關(guān)。所有品種的SOD活性的變化和前人研究結(jié)果一樣 [21-23]。該研究中，不同品種進行低溫處理以后，POD活性在葉片部位的變化有所不同，在低溫時雖然POD活性有所升高，但均未超出28 ℃時的POD活性，這一結(jié)果有待于進行進一步研究驗證。

參考文獻

[1] LEIPNER J，F(xiàn)RACHEBOUD Y，STAMP P.Effect of growing season on the photosynthetic apparatus and leaf antioxidative defenses in two maize genotypes of different chilling tolerance[J].Environ Exp Bot，1999，42：129-139.

[2] STIRLING C M，NIE G Y，AGUILERA C，et al.Photosynthetic productivity of an immature maize crop：Changes in quantum yield of CO2 assimilation，conversion efficiency and thylakoid proteins[J].Plant Cell Environ，1991，14：947-954.

[3] PARERA C A，CANTLIFFE D J.Presowing seed priming [J].Horticultural Reviews，1994，16（16）：109-141.

[4] MIEDEMA P.The effects of low temperature on Zea mays L[J].Adv Agron，1982，35：93-129.

[5] HODGES D M，ANDREWS C J，JOHNSON D A，et al.Antioxidant enzyme responses to chilling stress in differentially sensitive inbred maize lines[J].J Exp Bot，1997，48：1105-1113.

[6] FOYER C H，VANACKER H，GOMEZ L D，et al.Regulation of photosynthesis and antioxidant metabolism in maize leaves at optimal and chilling temperatures：Review[J].Plant Physiol，Biochem，2002，40：659-668.

[7] TAKAC T.The relationship of antioxidant enzymes and some physiological parameters in maize during chilling[J].Plant Soil Environ，2004，50：27-32.

[8] ZOU H，WU Z.Gene expression analyses of Zm Pti1，encoding a maize Pti-kinase，suggest a role in stress signaling[J].Plant Sci，2006，171：99-105.

[9] CHINNUSAMY V，ZHU J，ZHU J K.Cold stress regulation of gene expression in plants[J].Trends Plant Sci，2007，12：444-451.

[10] KOSOV K，VTMVS P，PRIL I T.The role of dehydrins in plant response to cold[J].Biol Plant，2007，51：601-617.

[11] SUNKAR R，CHINNUSANG V，ZHU J，et al.Small RNAs as big players in plant abiotic stress responses and nutrient deprivation[J].Trends Plant Sci，2007，12：301-309.

[12] JAHNKE L S，HULL M R，LONG S P.Chilling stress and oxygen metabolizing enzymes in Zea mays amd Zea diploperennis[J].Plant Cell Environ，1991，14：98-104.

[13] WALKER M A，MCKERSIE B D.Role of the ascorbateglutathione antioxidant system in chilling resistance of tomato[J].Plant Physiol，1993，141：234-239.

[14] WISE R R.Chilling-enhanced photooxidation.The production，action and study of reactive oxygen species produced during chilling in the light[J].Photosynth Res，1995，45：79-97.

[15] ZHOU W J，LEUL M.Uniconazole-induced alleviation of freezing injury in relation to changes in hormonal balance，enzyme activities and lipid peroxidation in winter rape[J].Plant Growth Regulation，1998，26（1）：41-47.

[16] LUKATKIN A S.Contribution of oxidative stress to the development of cold-induced damage to leaves of chilling-sensitive plants：3.Injury of cell membranes by chilling temperatures[J].Russian Journal of Plant Physiology，2003，50（2）：243-246.

[17] 李玲.植物生理學(xué)模塊實驗指導(dǎo)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[18] BALIGAR V C，SCHAFFERTRE R E，DOS SANTOS H L，et al.Growth and nurient uptake parameters in sorghum as influenced by aluminum[J].Agronomy Journal，1993，85：1068-1074.

[19] 邱念偉，馬宗琪，王鳳德，等.一種測定植物相對生長量的方法[J].山東科學(xué)，2007，20（2）：24-28.

[20] KUBO A，AONO M，NAKAJIMA N，et al.Differential responses in activity of antioxidant enzymes to different environmental stress in Arabidopsis thaliana[J].Plant Res，1999，112：279-290.

[21] AROCA R，IRIGOYEN J J，SNCHEZ-DIAZ M.Photosynthetic characteristics and protective mechanisms against oxidative stress during chilling and subsequent recovery in two maize varieties differing in chilling sensitivity[J].Plant Sci，2001，161：719-726.

[22] VAN HEERDEN P D R，KRGER H J G.Separately and simultaneously induced dark chilling and drought stress effect on photosynthesis，proline accumulation and antioxidant metabolism in soybean[J].Plant Physiol，2002，159：1077-1086.

[23] TAKAC T.The relationship of antioxidant enzymes and some physiological parameters in maize during chilling[J].Plant Soil Environ，2004，50：27-32.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（16）：5097-5099，5103

責任編輯 高菲 責任校對 李巖