王 芳，王鐵兵，李鵬德

（甘肅農業(yè)大學農學院 / 甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

玉米(Zea mays)是中國第一大作物，廣泛用于食用品生產和工業(yè)品深加工，其中飼用玉米加工占比最高，玉米總產量的70%以上用作飼料，占飼用谷類總量的50%，是主要飼料來源，其在畜牧業(yè)生產中的地位，遠遠超過它在糧食生產中的地位[1]。近年來，隨著經濟的發(fā)展和人民生活水平的提高，人們的飲食結構也發(fā)生著變化，對肉、蛋、奶的需求量日益增加，畜牧業(yè)的迅速發(fā)展成為我國農業(yè)現(xiàn)代化建設的必然趨勢。畜牧業(yè)的發(fā)展也必然導致對飼料的需求大大增加，而我國當前飼料生產的基本狀況是總量不足、質量不高。玉米又是需水量大且對水分脅迫比較敏感的作物，具有分布廣、單產高的特點，干旱是限制玉米生長的主要環(huán)境因子，也是限制其生產力的一個重要因素。玉米生物產量與田間耗水量呈極顯著正相關關系，而我國玉米種植多分布在干旱和半干旱地區(qū)，增強玉米的抗旱能力已經成為現(xiàn)代農業(yè)急需解決的關鍵問題之一[2-3]。

植物的抗旱性與滲透調節(jié)、激素平衡、一些必需離子和礦質元素的積累、水分利用效率和抗氧化防御系統(tǒng)等一系列生理生化進程相關[4]，所有的生理過程可被不同種類的植物生長調節(jié)劑調控，故外源物質對植物抗旱調控機制的研究已成為目前作物逆境生理研究的熱點[5]。脫落酸(abscisic acid，ABA)是一種植物內源激素，參與調控植物對逆境的響應，在干旱、寒害、鹽害等脅迫環(huán)境下對植物起著重要的作用，具有促進植物水、肥吸收平衡和協(xié)調體內代謝的能力，可有效調控植物的營養(yǎng)生長與生殖生長，對提高農作物的產量和品質具有極其重要的作用[6]。另外，ABA能通過引起氣孔關閉，降低蒸騰速率來改善干旱脅迫下植物的滲透調節(jié)作用，調節(jié)植株體內的水分平衡，保持質膜結構和功能，提高植物抗逆性[7-8]。已有研究表明，外源ABA能增強干旱脅迫下甘蔗(Saccharum officinarum)和棉花(Gossypium)幼苗的抗氧化酶活性，降低膜脂過氧化作用，減少干旱脅迫的傷害，提高其抗旱性[9]。但關于外源ABA處理對干旱脅迫下玉米幼苗生長及生理特性的研究卻鮮有報道。鑒于此，以玉米為材料，通過施加外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗進行處理，研究外源ABA對干旱脅迫下幼苗生理特性的影響，明確外源ABA提高玉米幼苗抗旱性的生理機制，為減輕干旱對玉米的危害，增強玉米的耐旱性提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

“富農1號”糧飼兼用玉米品種。

1.2 試驗方法

挑選健康飽滿的玉米種子，用0.5%的NaClO消毒10 min，然后用蒸餾水漂洗干凈，播種到墊有2層濾紙的發(fā)芽盒中，濾紙用蒸餾水浸濕，置于25 ℃培養(yǎng)箱中發(fā)芽。待玉米幼苗生長至三葉一心期時移栽到裝有蛭石的直徑為15 cm的花盆中，每盆移栽幼苗8株，每隔2 d用20%濃度的Hoagland營養(yǎng)液澆灌，待第4片葉長出后，選取長勢良好、生長狀況一致的幼苗進行中度干旱(15%PEG)脅迫試驗。

試驗共設8個處理(表1)，每個處理3盆，即3個重復。各處理液以Hoagland營養(yǎng)液為基礎培養(yǎng)液配置最終濃度為0、5、10、15、20、25和30 μmol·L-1的ABA溶液，以Hoagland營養(yǎng)液為對照(CK)，每隔2 d換一次相應處理液。處理一周后進行各項指標的測定，每個指標至少測3次，結果取平均值。

表 1 試驗處理Table 1 Experimental treatments

1.3 測定方法

植株株高和莖粗的測定：取10株長勢相對一致的玉米幼苗，用蒸餾水清洗干凈玉米根，用直尺測定株高，用游標卡尺測定莖粗，記錄數(shù)據(jù)并求平均值。

地下鮮重及地上部分鮮重的測定：取10株長勢相對一致的玉米幼苗，先用自來水沖洗，再用蒸餾水沖洗凈后用吸水紙吸干其表面水分，自莖基部將根系剪下，用電子天平分別稱重，記錄數(shù)據(jù)。

地下干重及地上部分干重的測定：取10株長勢相對一致的玉米幼苗，先用自來水沖洗，再用蒸餾水洗干凈玉米幼苗根和地上部分，將根從植株基部剪下，放入烘箱，將溫度調至105 ℃，殺青1 h，然后80 ℃烘干至恒重，最后用電子天平稱量，記錄數(shù)據(jù)。

抗氧化酶活性的測定參照《植物生理學實驗指導》[10]；過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法進行測定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化還原法進行測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外分光光度法進行測定。可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法進行測定[10]。可溶性糖含量采用蒽酮比色法進行測定[11]；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮顯色法進行測定[11]；質膜相對透性采用電導儀法進行測定，以相對電導率表示[12]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定[11]；玉米幼苗葉綠素含量的測定參考馮雙華[13]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗所有數(shù)據(jù)采用SPSS19.0數(shù)據(jù)處理軟件利用最小顯著差異法(LSD)進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗生長的影響

與對照(CK)相比，干旱脅迫明顯降低了玉米幼苗的生物量(表2)；與干旱脅迫處理(ABA0)相比，添加外源ABA使玉米幼苗在干旱脅迫下的生物量基本上顯著增加（P＜0.05)。不同濃度ABA處理對玉米幼苗生物量積累的影響存在差異，呈先上升后下降的趨勢，其中以15 μmol·L-1(ABA15)處理效果最為顯著，株高、莖粗、地上鮮重、地上干重、地下鮮重、地下干重均顯著高于干旱脅迫處理(ABA0)，分別提高了41.68%、34.79%、40.26%、29.26%、47.84%、45.45%。

表 2 不同濃度外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗生長的影響Table 2 Effect of exogenous ABA treatments on the growth rates of maize seedlings under drought stress

2.2 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗抗氧化酶活性的影響

與對照(CK)相比，干旱脅迫處理(ABA0)顯著降低了玉米幼苗CAT、SOD和POD的活性，分別下降了65.56%、51.27%和39.05% (圖1)。與ABA0相比，用不同濃度的ABA處理后玉米幼苗的CAT、SOD和POD活性有了不同幅度改變，呈先上升 后 下 降 的 趨 勢，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30處理的CAT活性分別上升了23.47%、37.82%、73.91%、64.34%、53.04%、25.21%(圖1A)；SOD活性分別上升了7.29%、38.54%、69.79%、56.25%、31.25%、16.67% (圖1B)；POD活性分別上升了5.07%、29.02%、50.69%、38.84%、24.33%、17.49% (圖1C)?？梢?，在干旱脅迫下，ABA15、ABA20、ABA25處理明顯緩解了干旱對抗氧化酶的抑制作用，其中ABA15的處理效果最好。

圖 1 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗CAT、SOD和POD活性的影響Figure 1 Effect of exogenous ABA on CAT, SOD and POD activity rates in leaves of maize seedlings under drought stress

2.3 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗相對電導率和MDA含量的影響

與對照(CK)相比，受到干旱脅迫后，玉米幼苗電導率顯著增大(圖2A)，表明干旱脅迫后玉米幼苗的細胞膜結構完整性被破壞，膜透性增大，細胞內的電解質外滲，而使電導率增大。與干旱脅迫處理(ABA0)相比，PEG + ABA處理幼苗的膜透性都有不同幅度的減小，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30處理幼苗細胞膜透性分別減少了9.87%、35.60%、40.47%、30.17%、15.68%、7.57%。可以看出，ABA10，ABA15，ABA20處理顯著抑制干旱脅迫下玉米幼苗細胞膜的破壞，ABA15的效果最好。

與CK相比，干旱脅迫處理ABA0使玉米幼苗MDA含量顯著上升，其含量增加了85.06%；與干旱處理相比，PEG + ABA處理的幼苗MDA含量顯著減小，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30處理幼苗MDA含量分別減少了19.02%、20.89%、40.63%、27.81%、20.74%、14.26%，其中，ABA15處理的緩解效果最好(圖2B)。

2.4 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗滲透調節(jié)物質含量的影響

干旱處理(ABA0)與對照(CK)相比，玉米幼苗可溶性糖含量顯著降低，降低了55.91% (圖3A)；與干旱處理ABA0相比，PEG + ABA處理使玉米幼苗葉片中的可溶性糖含量顯著提高，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30處理幼苗中可溶性糖含量分別上升了21.25%、45.19%、79.75%、63.62%、49.76%、33.35%，ABA15處理能夠有效抑制干旱脅迫下玉米幼苗中可溶性糖含量的降低。

圖 2 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗相對電導率和MDA含量的影響Figure 2 Effect of exogenous ABA on the relative electrical conductivity and MDA content in leaves of maize seedlings under drought stress

干旱處理使玉米幼苗中可溶性蛋白含量顯著降低，與對照相比，其可溶性蛋白含量下降了54.80%；與干旱處理相比，PEG + ABA處理的幼苗中可溶性蛋白均有不同幅度的增加，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30處理的幼苗中可溶性蛋白含量分別上升了16.44%、31.86%、57.81%、41.47%、37.71%、10.64%，ABA15處理的幼苗中可溶性蛋白含量顯著上升(圖3B)。

與對照(CK)相比，玉米幼苗受干旱脅迫后游離脯氨酸含量明顯上升，增加了23.79%；與干旱脅迫處理ABA0相比，PEG + ABA處理使玉米幼苗中的游離脯氨酸含量顯著提高，但提高的幅度不同，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30處理的幼苗中游離脯氨酸含量分別上升了16.44%、31.85%、57.80%、41.47%、31.70%、10.64%，其中，ABA15，ABA20處理能夠有效促進干旱脅迫下玉米幼苗中游離脯氨酸含量的上升(圖3C)。

圖 3 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量的影響Figure 3 Effect of exogenous ABA on the soluble sugar,soluble protein and proline contents in leaves of maize seedlings under drought stress

2.5 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗葉綠素含量的影響

干旱脅迫處理使玉米幼苗葉片中的葉綠素a + b含量顯著降低(表3)，與對照(CK)相比，下降了43.08%，表明干旱脅迫明顯降低了幼苗的光合作用速率；與干旱處理相比，PEG + ABA處理的幼苗的葉綠素含量均有不同程度的提升，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30處理幼苗葉綠素a + b含量分別增加了13.00%、22.28%、44.24%、28.63%、13.85%、3.13%，其 中ABA5、ABA10、ABA20之間無顯著差異(P ＞ 0.05)，ABA15處理的效果最為顯著。

表 3 外源ABA對干旱脅迫下玉米幼苗葉片葉綠素含量的影響Table 3 Effect of exogenous ABA on the chlorophyll content in leaves of maize seedlings under drought stressmg·g-1

3 討論

干旱對植物的影響主要是降低植物組織和細胞的水勢，從而影響植物的各種生理過程。干旱脅迫下，細胞滲透勢降低，使植物可以繼續(xù)從外界吸收水分，保持細胞膨壓，植物體內的各種代謝過程才能正常進行。由于植物自身的滲透調節(jié)有一定的局限性，如作用的暫時性、調節(jié)的幅度有限以及不能完全維持生理過程等，當干旱嚴重時，植物會表現(xiàn)出膨壓不能維持、生長率下降和氣孔阻力增加[2]。因此，對植物細胞來說，如何維持活性氧產生與清除之間的平衡，增強抗氧化酶活性，從而避免對膜、光合器官等造成傷害，是其抵御逆境傷害的重要途徑[14]。研究表明，ABA能誘導植株葉片氣孔關閉，調節(jié)植株體內的水分平衡，保持質膜結構和功能，提高植物抗旱性[15]。本研究結果表明，外源ABA可以顯著提高干旱脅迫下玉米幼苗抗氧化酶活性，增加葉綠素和細胞滲透調節(jié)物質含量，能顯著降低細胞膜透性和緩解細胞膜脂過氧化，提高玉米幼苗的抗旱性。

正常情況下，植物體內自由基的產生和清除處于穩(wěn)定狀態(tài)，而干旱脅迫會使自由基積累，破壞植物正常的生理生化功能，導致植物體生理代謝失調[16]。POD、SOD和CAT是植物體內主要的保護酶系，對于逆境下清除有害自由基有重要的作用。本研究表明，在15% PEG脅迫下，SOD、CAT、POD活性顯著下降，這與杜彩艷等[17]對中度干旱脅迫下抗旱性不同的玉米保護酶的活性有不同程度下降的結果相似。加入一定濃度的ABA后，提高了SOD、CAT、POD的活性，對干旱脅迫下玉米活性氧清除系統(tǒng)功能有增強效果，這與前人對小麥(Triticum aestivum)和高羊茅(Festuca arundinacea)的研究結果一致[18-19]。說明干旱脅迫下添加外源ABA可通過誘導抗氧化防護系統(tǒng)來提高玉米植株抗氧化脅迫的能力，從而有效避免了干旱脅迫下玉米幼苗細胞膜脂質過氧化、DNA和蛋白質的降解。

MDA是植物細胞膜脂過氧化作用的主要產物之一。干旱脅迫時MDA含量增加，能清除有害氧自由基的CAT和POD等保護酶活性下降，加劇了膜脂過氧化，從而使膜系統(tǒng)受損程度加重[20]。本研究中玉米幼苗經15% PEG處理且未施加ABA時，幼苗相對電導率和MDA含量與對照相比顯著增加，外施ABA后，相對電導率和MDA含量均有所降低，其中15 μmol·L-1ABA處理效果較好，對細胞膜保護作用最好。表明外源ABA能提高抗氧化酶活性，提高清除活性氧自由基的能力，降低細胞膜脂過氧化程度。

脯氨酸作為植物葉片中的主要滲透調節(jié)物質，在干旱脅迫下植物葉片內脯氨酸含量增加，可以降低植物細胞內滲透勢以適應干旱脅迫[21]?？扇苄蕴呛涂扇苄缘鞍鬃鳛橹参矬w內的重要調節(jié)物質，在植物抵抗逆境脅迫時起到平衡細胞代謝的作用，以保持細胞內環(huán)境的相對穩(wěn)定，其含量的增加有利于緩解逆境脅迫對植物造成的傷害[22]。本研究表明，10～20 μmol·L-1ABA處理使玉米幼苗葉片中脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量增加，緩解了干旱脅迫對玉米幼苗的傷害，提高了玉米幼苗的抗逆性。說明ABA可以通過提高脯氨酸和可溶性糖等滲透調節(jié)物質的水平，增強滲透調節(jié)能力，促進玉米根系從土壤中吸收水分，調節(jié)水分平衡，由此維持玉米植株水分平衡，保護細胞免受干旱損傷。

植物生長發(fā)育的物質能量來源主要是光合作用，葉綠素是植物進行光合作用的主要色素，其含量對光合活性具有重要意義[23]。孟軍等[24]通過對水稻劍葉凈光合速率與葉綠素含量的研究指出，在一定范圍內葉片凈光合速率與葉綠素含量呈正相關。本研究表明干旱脅迫明顯使玉米幼苗葉片中葉綠素含量減少，施加15 μmol·L-1ABA使干旱脅迫下玉米葉片葉綠素含量升高，將會提高葉片凈光合速率。由此可以推測外源ABA可維持葉綠體結構穩(wěn)定，延緩葉綠素的降解。

4 結論

干旱脅迫嚴重影響植物的生長發(fā)育，10～20 μmol·L-1ABA處理能顯著提高干旱脅迫下玉米幼苗過氧化酶(SOD，POD，CAT)活性，增加葉綠素含量、可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量，能顯著降低MDA含量、細胞膜透性。外源ABA能夠提高玉米幼苗的耐旱性，其中以15 μmol·L-1ABA處理后效果最好。