劉紅芳，邸仕忠，姚啟倫

(1.長江師范學院 綠色智慧環(huán)境學院，重慶 408100；2.重慶市渝東南農業(yè)科學院， 重慶 408000；3.長江師范學院 生命科學與技術學院，重慶 408100)

水分是作物生長發(fā)育的必需成分，缺水干旱是抑制玉米生長發(fā)育、制約產量的主要非生物脅迫因子[1].全球有43%的干旱、半干旱耕地，我國的干旱、半干旱耕地集中分布在西北、華北、內蒙古地區(qū)，約占全國土地面積的50%[2-3].與其他作物一樣，玉米是干旱敏感作物，干旱對其造成的產量損失在非生物脅迫因子中居首位[4-5].研究表明，缺水減緩細胞分裂速率、抑制玉米植株節(jié)間伸長和葉面積增大[6]；干旱降低硝酸還原酶活性、阻礙葉片光合作用，從而減少碳水化合物和蛋白質積累[7]；干旱缺水造成活性氧自由基積累和膜脂過氧化，進而引起物質代謝紊亂和細胞毒害[8].在缺水條件下，玉米也能通過調節(jié)氣孔、滲透壓、植物激素以及清除活性氧等方式產生抗旱應答[9].

隨著地球溫室效應和水資源匱乏加劇，玉米干旱脅迫的研究日益受到重視，迄今有關玉米干旱脅迫與抗旱性機制的研究已有較多文獻報道[10-13]，但有關干旱脅迫下不同玉米種質差異應答的研究還鮮見報道.為此，筆者以熱帶和溫帶血緣的玉米自交系為材料，在植株形態(tài)和生理水平分析干旱脅迫下熱帶和溫帶玉米自交系的應答差異，以期為玉米耐旱自交系和品種選育提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料由長江師范學院玉米育種課題組分別從熱帶玉米種質“Suwan”和溫帶玉米種質“CIMT27”群體中選育自交系，基于2016年和2017年對玉米自交系耐旱性的田間鑒定結果，從不同種質來源的125份鑒定材料中，選取熱帶玉米自交系“Su-2”“Su-5”“Su-9”“Su-11”“Su-15”以及溫帶玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”“15YC4”作試驗材料.

1.2 試驗設計

干旱脅迫實驗在長江師范學院生命科學與技術學院實驗室進行.采用隨機區(qū)組設計，3次重復，每重復3株(同一營養(yǎng)缽).選擇健康飽滿的種子直播于裝有基質的營養(yǎng)缽中，基質由河沙加“霍格蘭氏營養(yǎng)液”(Hoagland Solution)配制而成，培養(yǎng)過程中每天用營養(yǎng)液澆灌基質.營養(yǎng)缽移至人工培養(yǎng)箱培養(yǎng)玉米幼苗，培養(yǎng)溫度29 ℃(晝)/23 ℃(夜)、空氣濕度70%、12 h光照；待幼苗長至5葉1心時，各供試材料種植18株，其中9株作為對照(CK)在人工氣候箱內繼續(xù)生長，9株在另一人工氣候箱內進行10 d 控水處理，為模擬玉米大田干旱環(huán)境，營養(yǎng)缽中基質的田間持水量控制在45%～50%，人工氣候箱內空氣濕度調節(jié)至50%[6].

1.3 測試項目和方法

待干旱處理結束后，測量形態(tài)指標株高、可見葉數(shù)、葉面積、莖粗、植株鮮重和根體積.供試植株旗葉葉片用于室內測定生理指標：參照李小芳等[14]的方法測定葉綠素含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質含量、過氧化物酶活性(POD)和超氧化物酶活性(SOD)等生理指標；利用便攜式光合儀(LI-COR 6400)測定各供試材料葉綠素熒光參數(shù)值：F′m(光反應最大熒光)、F′o( 光反應最小熒光)、Fm(暗適應最大熒光)、Fo(暗適應最小熒光)和Fs(穩(wěn)態(tài)熒光).

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析采用Microsoft Excel 2010和DPS軟件，基于F′m，F(xiàn)′o，F(xiàn)m，F(xiàn)o和Fs，計算PS II潛在活性 (Fv/Fo)=(Fm-Fo)/Fo、PS II最大光化學量子產量(Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm、PS II 有效光化學量子產量(ΦPSII)=(F′m-Fs)/F′m和光化學熒光淬滅系數(shù)(QP)=(F′m-Fs)/(F′m-F′o)[15-17].耐旱指數(shù)(DTI)為干旱脅迫下的性狀(株高、可見葉數(shù)、葉面積、莖粗、植株鮮重、根體積、Fv/Fo、Fv/Fm、ΦPSII和QP)值與正常條件(CK)下該性狀值的比值[18]，并以該比值反映干旱脅迫下POD、SOD、MDA活性以及可溶性糖和可溶性蛋白質含量的變化(DTC).

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下玉米自交系的植株形態(tài)效應

干旱脅迫對玉米自交系株高、可見葉數(shù)、總葉面積、莖粗、植株鮮重和根體積的影響列于表1.

表1 干旱脅迫對玉米自交系植株形態(tài)的影響

續(xù)表1

注：C和D分別表示對照和干旱脅迫；*，**分別表示同一自交系干旱脅迫與對照間具有0.05，0.01水平的差異；不同小寫字母表示0.05水平的自交系間差異顯著.

從表1可知，干旱脅迫下各玉米自交系的株高、可見葉數(shù)和總葉面積均下降，干旱對株高、可見葉數(shù)和總葉面積產生不利影響.干旱脅迫下，5個溫帶玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的株高、可見葉數(shù)和總葉面積與對照(CK)間的差異均達顯著(p=0.05)或極顯著(p=0.01)水平，而5個熱帶玉米自交系的株高、可見葉數(shù)和總葉面積與其對照(CK)間無明顯差異.就上述3個形態(tài)性狀的耐旱指數(shù)而言，熱帶玉米自交系顯著大于溫帶自交系.干旱脅迫下玉米自交系的莖粗、植株鮮重和根體積也呈下降趨勢，5個溫帶玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的莖粗、植株鮮重和根體積與對照(CK)間的差異也均達顯著(p=0.05)或極顯著(p=0.01)水平，而5個熱帶玉米自交系間無明顯差異.10個自交系莖粗、植株鮮重和根體積耐旱指數(shù)的變幅分別為0.59 ～ 0.96，0.63～0.96，0.50～0.94，莖粗、植株鮮重和根體積的耐旱指數(shù)最大的自交系分別是“Su-2”“Su-5”和“Su-11”， “15YC4”莖粗和根體積的耐旱指數(shù)最小，“13YC6”植株鮮重的耐旱指數(shù)最小.說明干旱脅迫對熱帶和溫帶玉米自交系的植株形態(tài)的影響顯著不同.

2.2 干旱脅迫下玉米自交系主要生理參數(shù)的變化

表2為干旱脅迫下玉米自交系中過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性以及丙二醛、葉綠素、可溶性糖和蛋白質含量的變化.

表2 干旱脅迫下玉米自交系主要生理參數(shù)的變化

續(xù)表2

注：C和D分別表示對照和干旱脅迫；*，**分別表示同一自交系干旱脅迫與對照間具有0.05，0.01水平的差異；不同小寫字母表示0.05水平的自交系間差異顯著.

由表2可見，干旱條件下玉米自交系的過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量明顯上升，其耐旱指數(shù)均大于1，其中自交系“15YC4”的POD和 SOD的活性以及MDA的含量變化最大，分別是2.00，1.95，2.09.干旱脅迫下，5個溫帶玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的過氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量均與對照(CK)間存在極顯著(p= 0.01)差異.就葉綠素、可溶性糖和可溶性蛋白質含量的變化而言，葉綠素含量在干旱條件下呈下降趨勢，而可溶性糖和可溶性蛋白質含量在干旱條件下呈上升趨勢.熱帶玉米自交系中，“Su-5”和“Su-9”葉綠素含量(0.94)的耐旱指數(shù)最大.“Su-9”可溶性糖含量(1.05)以及“Su-2”“Su-11”可溶性蛋白質含量(1.06)的耐旱指數(shù)最小.干旱脅迫下，5個溫帶自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的葉綠素、可溶性糖和蛋白質含量與對照(CK)間的差異均達極顯著(p=0.01)水平.由此表明，熱帶和溫帶玉米自交系對干旱脅迫存在明顯生理應答差異.

2.3 干旱脅迫下玉米自交系的光合特性效應

葉綠素熒光參數(shù)是度量植物光合作用吸收、傳遞、分配和耗散光能的基本參數(shù)，也是反映其光合特性的生理指標.干旱脅迫下玉米自交系的光合特性如圖1所示.

C和D分別表示對照和干旱脅迫；*，**分別表示同一自交系干旱脅迫與對照間0.05，0.01水平差異.圖1 干旱脅迫下不同玉米種質的光合特性

由圖1可見，在控制條件(CK)下各玉米自交系的4個葉綠素熒光參數(shù)值(Fv/Fo，F(xiàn)v/Fm，ΦPSII，QP)無明顯差異，而在干旱脅迫下4個葉綠素熒光參數(shù)值均呈下降趨勢，且溫帶玉米自交系的下降幅度更大，F(xiàn)v/Fo，F(xiàn)v/Fm，ΦPSII，QP的變幅分別為0.36～0.80(圖1(a))，2.14～4.07(圖1(b))，0.006～0.014(圖1(c))和0.052～0.115(圖1(d))；就4個葉綠素熒光參數(shù)的差異顯著性而論，5個自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的Fv/Fo，F(xiàn)v/Fm，ΦPSII，QP與對照(CK)間均存在極顯著(p=0.01)差異.這一結果也表明干旱脅迫下熱帶和溫帶玉米自交系存在明顯光合特性應答差異.

3 討 論

為適應干旱缺水環(huán)境，植物可在形態(tài)、生理和分子水平產生脅迫應答[18].筆者的試驗結果表明，干旱脅迫對玉米自交系形態(tài)生理的影響主要表現(xiàn)在形態(tài)上降低株高,減少可見葉數(shù)、總葉面積、莖粗、植株鮮重和根體積，生理上通過提高過氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性以調節(jié)其生理機制.就干旱脅迫對光合特性的影響而論，供試材料在干旱脅迫下的4個葉綠素熒光參數(shù)一致降低，其光合強度不同程度地下降，且溫帶玉米自交系的下降幅度更大.比較不同種質來源的自交系的耐旱性差異顯示，熱帶玉米自交系“Su-2”“Su-5”“Su-9”“Su-11”和“Su-15”的6個形態(tài)指標、4個光合特性指標以及葉綠素含量的耐旱指數(shù)均明顯高于溫帶玉米自交系，而POD、SOD活性和MDA含量低于溫帶玉米自交系.這一結果不僅表明熱帶和溫帶玉米種質對干旱脅迫在形態(tài)、生理水平存在明顯應答差異，同時表明熱帶種質的耐旱性高于溫帶種質，可在熱帶種質中篩選耐旱玉米自交系，進而培育耐旱玉米品種.

POD和SOD是作物在逆境脅迫下產生的抗氧化保護性物質，POD和SOD活性增強有助于激活植物細胞生理活性、增加次生代謝產物和減緩脅迫危害[19-20].MDA是植物逆境脅迫下的指示性物質，反映植物受逆境脅迫的危害程度，高濃度的MDA則產生過量活性氧(O2-)、促進細胞膜脂過氧化作用和破壞細胞結構穩(wěn)定，從而對細胞生理產生毒害效應[21-23].干旱脅迫下玉米自交系的POD、SOD活性和MDA含量大幅度提高，這與Gong等[24]在大豆上的研究結果一致.葉綠素是植物光合作用的主要色素，高溫、缺水等逆境因子通常抑制葉綠素合成[24]，葉綠素含量下降，說明干旱脅迫有降低玉米自交系光合強度和生物產量的負面效應.可溶性糖和蛋白質是植物體內的主要代謝產物[25-26]，筆者的試驗發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下植株葉內可溶性糖和蛋白質含量上升，且溫帶玉米自交系較熱帶自交系上升幅度更大，應為干旱條件下植株葉片失水、含水量下降而致，且溫帶玉米自交系較熱帶自交系失水嚴重.葉綠素熒光參數(shù)是快速、無損地檢測活體葉片光合功能的探針[27].葉綠素熒光參數(shù)Fv/Fo，F(xiàn)v/Fm，ΦPSII，QP可較全面地反映植株葉片光合特性和生理狀態(tài)，目前也是體現(xiàn)植物應答逆境脅迫的主要生理指標[28]，干旱脅迫下10個玉米自交系4個熒光參數(shù)程度不同地下降，說明干旱脅迫下葉片光合功能受阻，熱帶和溫帶玉米種質間存在較大應答差異.