肖 鋼，蔡煥杰，沐 青，趙 龍

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

干旱是限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要非生物因素之一，提高作物抗旱性是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要舉措[1]。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，干旱并非只對(duì)植物產(chǎn)生負(fù)面影響，一定程度的干旱脅迫能誘導(dǎo)對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育以及后期產(chǎn)量的補(bǔ)償效應(yīng)，以彌補(bǔ)干旱脅迫期間作物遭受到的傷害和損失[2]。玉米是三大栽培作物之一，在干旱半干旱地區(qū)，有限的水資源不足以達(dá)到夏玉米正常灌溉需求[3-4]。而夏玉米苗期是適合進(jìn)行水分調(diào)控的生育期之一[5-6]。因此，研究干旱-復(fù)水對(duì)夏玉米苗期的生理調(diào)節(jié)機(jī)制對(duì)探索作物生理活動(dòng)有著重要意義。滲透調(diào)節(jié)是植物適應(yīng)干旱的關(guān)鍵過(guò)程，可以維持組織的代謝活動(dòng)。脯氨酸的親水性極強(qiáng)，能穩(wěn)定原生質(zhì)膠體及組織內(nèi)的代謝過(guò)程[7]。在干旱脅迫下，葉片和莖的脯氨酸含量明顯增加，以維持細(xì)胞膨壓，但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而有所下降[8-9]。這種調(diào)節(jié)不是無(wú)限制的，在受脅迫程度大于一定范圍時(shí)，植物組織的滲透調(diào)節(jié)能力下降[10-11]。干旱脅迫下植物細(xì)胞積累的活性氧破壞細(xì)胞功能，對(duì)作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量造成負(fù)面影響[12-13]。在正常條件下，植物細(xì)胞中產(chǎn)生的活性氧與其清除系統(tǒng)能夠保持平衡，超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)以及過(guò)氧化氫酶(CAT)等抗氧化保護(hù)酶在清除活性氧的過(guò)程中發(fā)揮重要的作用[13-14]。而當(dāng)環(huán)境脅迫長(zhǎng)期作用于植株，產(chǎn)生的活性氧超出了活性氧清除系統(tǒng)的清除能力時(shí)，便引起活性氧累積產(chǎn)生氧化傷害，從而使細(xì)胞功能失常[15-16]。研究表明，丙二醛(MDA)含量在作物受到脅迫后會(huì)逐漸增大，且隨著脅迫程度的加劇，丙二醛含量上升趨勢(shì)更加明顯[17-18]。葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度以及胞間 CO2濃度反映了植株的光合能力[19-20]。研究表明，干旱脅迫在較短的時(shí)間里能夠造成部分氣孔的關(guān)閉，導(dǎo)致光合、蒸騰速率在脅迫初期就有了較大幅度的降低，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，干旱脅迫可能引起光合結(jié)構(gòu)的異常，從而導(dǎo)致光合能力以及氣體交換參數(shù)的持續(xù)下降[21-22]；復(fù)水后，作物的光合以及氣體交換能力逐步恢復(fù)，而重度干旱脅迫將對(duì)作物光合能力產(chǎn)生不可逆影響[23]。

本研究在夏玉米苗期進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)和程度的干旱處理，以期進(jìn)一步闡明夏玉米在苗期干旱-復(fù)水環(huán)境下的生理調(diào)控機(jī)制，探討作物在干旱脅迫下光合、滲透調(diào)節(jié)以及抗氧化酶系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高效用水提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院農(nóng)田水分轉(zhuǎn)化試驗(yàn)場(chǎng)(108°04′E，34°18′N)遮雨棚下進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)為大陸性暖溫帶季風(fēng)氣候，海拔506 m，多年平均溫度12.5℃，多年平均降水量609 mm，多年平均蒸發(fā)量1 500 mm，全年無(wú)霜期210 d。2018年夏玉米苗期內(nèi)(7月)最高氣溫與平均氣溫動(dòng)態(tài)變化如圖1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試玉米品種為吉祥1號(hào)，試驗(yàn)采用桶栽方式，土壤類型為中壤土,取自西北農(nóng)林科技大學(xué)附近耕地0～20 cm土層。土壤砂粒(0.05～1.00 mm)、粉砂顆粒(0.05～0.005 mm)和粘粒(≤0.005 mm)分別占23.0%、30.0%和47.0%。1 m土層內(nèi)的田間持水量為24%，土壤干容重為1.31 g·cm-3。試驗(yàn)采用長(zhǎng)×寬×深度=30 cm×30 cm×40 cm的試驗(yàn)方桶，每桶種植2株玉米，于出苗后選取長(zhǎng)勢(shì)相同的定苗1株。為保證根部通氣性良好，在桶底打5個(gè)直徑為1 cm的小孔，鋪1 cm的砂過(guò)濾層來(lái)保證透氣性，為避免夏季桶內(nèi)土壤溫度過(guò)高，在桶四周包裹一層隔熱膜；每桶裝干土52.10 kg，在土的最上層鋪1 cm珍珠巖以減少水分蒸發(fā)。按200 kg·hm-2的施氮量、100 kg·hm-2的施磷量，換算出每桶施尿素2.37 g，磷酸二銨4.75 g。

本試驗(yàn)一共7個(gè)處理，每個(gè)處理有5個(gè)重復(fù)，于2018年6月20日播種，五葉期開始進(jìn)行干旱-復(fù)水處理。水分處理分別為：輕度干旱脅迫(W1)：60%～70%θf(wàn)(田間持水量)；中度干旱脅迫(W2)：50%～60%θf(wàn)；W1和W2處理各設(shè)3個(gè)脅迫時(shí)長(zhǎng)處理，分別是7 d(T1)，10 d(T2)，13 d(T3)，其余時(shí)間充分供水。以正常供水(75%～85%θf(wàn))作為對(duì)照(CK)?？厮椒榉Q重法，每次在早上8∶00 進(jìn)行灌水，具體灌水量見表1，其中CK為總灌水量。分別在脅迫前、脅迫期間每3 d取1次葉片樣品，在復(fù)水第3天、第6天取1次葉片樣品進(jìn)行測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

葉片光合參數(shù)：選擇氣候穩(wěn)定的晴天，于上午10∶00進(jìn)行觀測(cè)，采用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定

圖1 2018年7月夏玉米苗期最高氣溫與平均氣溫變化Fig.1 Variation of maximum temperature and averagetemperature in summer maize seedling in July 2018

光合參數(shù)，主要包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)。

脅迫生理指標(biāo)：脯氨酸(Pro)含量使用磺基水楊酸法測(cè)定[24]；丙二醛(MDA)含量使用硫代巴比妥酸法測(cè)定[25]；超氧化物歧化酶(SOD)活性使用NBT光還原法測(cè)定[26]；過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定[27]。

采用SPSS 22、Microsoft Excel 2007和DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)處理分析，并且采用Origin 85進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫-復(fù)水對(duì)夏玉米Pro含量的影響

如圖2所示，相較于CK處理，所有干旱處理組葉片中Pro含量均增高，在脅迫第3天達(dá)到峰值，W1和W2相較于CK分別提高32.7%和44.1%，且差異顯著。隨著脅迫時(shí)長(zhǎng)增加脅迫的程度加劇，Pro含量逐漸減少，均在脅迫周期結(jié)束降低至CK水平。復(fù)水后，脅迫7 d和脅迫10 d的處理更有利于夏玉米Pro的累積，T1處理組在復(fù)水后呈先增后減趨勢(shì)，第3天累積含量最高；T2處理組在復(fù)水后呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，第6天累積量最高；而T3處理組在復(fù)水后的累積量無(wú)明顯變化。說(shuō)明10 d脅迫時(shí)長(zhǎng)更有利于刺激復(fù)水后的夏玉米提高滲透調(diào)節(jié)能力。

2.2 干旱脅迫-復(fù)水對(duì)夏玉米SOD和POD活性的影響

SOD是作物抗氧化系統(tǒng)抵御傷害的第一道防線，將脅迫產(chǎn)生的超氧陰離子反應(yīng)生成O2和H2O2。如圖3所示，脅迫期間，所有處理的SOD活性均呈先增后減趨勢(shì)，在脅迫3 d達(dá)到峰值，W1和W2相較于CK分別提高22.0%、12.4%，且差異顯著。隨著脅迫時(shí)長(zhǎng)增加，脅迫程度加劇，T1處理組在第7天SOD活性降為最小值；T2處理組在第10天SOD活性降為最小值；而T3處理組在第10天SOD活性最小，到脅迫13 d便開始回升。復(fù)水后，SOD活性回升，T1處理組在第6天恢復(fù)至CK處理的活性水平；T2處理組在第6天W1和W2的SOD活性分別是CK處理的1.21倍和1.62倍；T3處理組在復(fù)水3 d活

表1 夏玉米苗期灌水量統(tǒng)計(jì)表/kg

性最高，W1和W2分別是CK處理的1.47倍和1.88倍，之后呈下降趨勢(shì)。長(zhǎng)時(shí)間的水分脅迫加劇作物受到的脅迫程度，復(fù)水后SOD活性的升高也體現(xiàn)出作物的補(bǔ)償效應(yīng)。

POD 可以將SOD 產(chǎn)生的H2O2還原成為H2O，清除細(xì)胞內(nèi)H2O2。由圖4可見，葉片POD活性在輕度脅迫下有一定上升，在第3天相較于CK提高了28.5%，3 d之后便呈下降趨勢(shì)。而W2的POD活性呈下降趨勢(shì)，且低于CK水平。各處理下的POD活性均在脅迫周期結(jié)束降低至最小值；且脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，脅迫程度越大，POD酶的活性越低。復(fù)水后，POD活性均有回升，除W1T1處理下的玉米有顯著的升高，在復(fù)水第3天達(dá)到567.60 ug·g-1·min-1之外，其他處理均基本恢復(fù)至與CK處理相同的水平。

2.3 干旱脅迫-復(fù)水對(duì)夏玉米MDA含量的影響

MDA是植物細(xì)胞膜酯化最重要的產(chǎn)物之一，其大小可用來(lái)反映植物膜系統(tǒng)的受損程度。由圖5可得知，脅迫0～3 d，MDA含量基本不變，從3 d之后隨著脅迫時(shí)長(zhǎng)和脅迫程度的加大，MDA累積量逐漸增多，3個(gè)試驗(yàn)組均于脅迫最后1 d達(dá)到峰值，此時(shí)T1處理組的W1和W2處理分別為CK處理的1.5倍和2.02倍(圖5A),T2處理組的W1和W2處理分別為CK處理的1.47倍和2.2倍(圖5B),T3處理組的W1和W2處理分別為CK處理的2.4倍和3.81倍(圖5C)，且均達(dá)顯著性差異。復(fù)水后MDA含量迅速降低，逐漸恢復(fù)至與CK處理相同的水平。水分脅迫處理下，W2的MDA含量高于W1,且脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，MDA含量越高，細(xì)胞膜酯化程度更為嚴(yán)重。

注：BS：脅迫前；S3：脅迫3 d;S7:脅迫7 d;S10:脅迫10 d;S13:脅迫13 d;R3:復(fù)水3 d;R6:復(fù)水6 d。下同。Note: BS: Before stress; S3: Stress for 3 days; S7: Stress for 7 days; S10: Stress for 10 days; S13: Stress for 13 days; R3: Rehydration for 3 dasy; R6: Rehydration for 6 days. The same below.圖2 干旱脅迫-復(fù)水對(duì)夏玉米苗期脯氨酸(Pro)含量的影響Fig.2 Effects of drought stress and rewatering on proline content of maize in seedling stage

圖3 干旱脅迫-復(fù)水對(duì)夏玉米苗期超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響Fig.3 Effects of drought stress and rewatering on SOD activities of maize in seedling stage

圖4 干旱脅迫-復(fù)水對(duì)夏玉米苗期過(guò)氧化物酶(POD)活性的影響Fig.4 Effects of drought stress and rewatering on POD activities of maize in seedling stage

2.4 干旱脅迫-復(fù)水對(duì)夏玉米苗期葉片光合參數(shù)的影響

由圖6可見，干旱脅迫期間，夏玉米在不同脅迫水平下的Pn、Gs、Tr大小均表現(xiàn)為：CK >W1>W2，復(fù)水后各處理各參數(shù)值均高于其脅迫期間，且存在光合補(bǔ)償效應(yīng)，Pn表現(xiàn)為：W2>W1>CK。復(fù)水后T1處理組Pn、Gs、Tr均表現(xiàn)為W2>W1>CK，W1、W2顯著高于CK；T2處理組除Pn的W2外，其余指標(biāo)在處理間無(wú)顯著性差異；而T3處理組各指標(biāo)大小均表現(xiàn)為W2最高，且顯著高于W1及CK處理。由此可知，經(jīng)過(guò)中度水分脅迫鍛煉的夏玉米復(fù)水后的光合補(bǔ)償效應(yīng)更顯著，代謝能力更強(qiáng)。

2.5 夏玉米苗期抗性生理指標(biāo)及光合參數(shù)的相關(guān)性分析

由表2可知，不同的干旱-復(fù)水處理下，Pro含量與SOD、POD活性呈極顯著正相關(guān)，POD活性與MDA含量呈極顯著負(fù)相關(guān)；SOD活性與Pn、Gs和Tr呈極顯著正相關(guān),MDA和Pro含量與Pn、Gs和Tr呈極顯著負(fù)相關(guān)，POD活性與凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系；凈光合速率、氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率3個(gè)光合指標(biāo)之間均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。

圖5 干旱脅迫-復(fù)水對(duì)夏玉米苗期丙二醛(MDA)含量的影響Fig.5 Effects of drought stress and rewatering on MDA content of maize in seedling stage

表2 夏玉米苗期抗氧化系統(tǒng)、脯氨酸以及光合參數(shù)的相關(guān)關(guān)系

3 討 論

本試驗(yàn)結(jié)果表明，夏玉米苗期受到不同水平、不同時(shí)長(zhǎng)的干旱脅迫時(shí)，植株體內(nèi)脯氨酸(Pro)含量在脅迫期間先增大后減小，且W2>W1> CK；隨著脅迫時(shí)長(zhǎng)增加，脅迫程度加劇，Pro含量降低明顯,脅迫13 d的累積量顯著低于脅迫10 d和脅迫7 d的累積量。說(shuō)明在脅迫初期，水分虧缺可誘導(dǎo)植株提高體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)能力，避免對(duì)自身產(chǎn)生傷害，但隨脅迫程度的加劇，植物自身的滲透調(diào)節(jié)能力隨之降低；復(fù)水后，前期遭受傷害的植株進(jìn)一步提高滲透調(diào)節(jié)能力，維持系統(tǒng)與脅迫傷害的平衡，產(chǎn)生補(bǔ)償累積效應(yīng)。本試驗(yàn)脅迫10 d復(fù)水后的脯氨酸含量呈上升趨勢(shì)，可能此時(shí)已達(dá)峰值，后期還是會(huì)回落。T1脅迫時(shí)間短，因此峰值出現(xiàn)在復(fù)水第3天，T2峰值可能出現(xiàn)在復(fù)水第6天。由此可見，高強(qiáng)度的水分脅迫尤其是長(zhǎng)時(shí)間脅迫后，夏玉米的補(bǔ)償效應(yīng)會(huì)減弱，甚至造成傷害。

超氧化物歧化酶(SOD)活性在脅迫期間呈先增大后減小的趨勢(shì)，在脅迫最后一天表現(xiàn)為CK>W2>W1，復(fù)水之后有明顯回升，且脅迫時(shí)間越長(zhǎng)，復(fù)水后的SOD活性越高。劉佳等[28]對(duì)辣椒的研究中，隨著水分脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，SOD活性也呈先增大后減小趨勢(shì)，而郝舒雪等[29]對(duì)番茄幼苗的研究中發(fā)現(xiàn)SOD活性在水分脅迫下呈持續(xù)升高趨勢(shì)。過(guò)氧化物酶(POD)活性在輕度脅迫下0～3 d有所提高，但在7 d 之后呈下降趨勢(shì)，而遭受中度脅迫的植株P(guān)OD活性持續(xù)呈下降趨勢(shì)，復(fù)水后雖有回升，但也僅達(dá)到與CK基本相同的水平。丙二醛(MDA)在脅迫期間呈增大趨勢(shì)，且W2>W1> CK，復(fù)水后迅速下降。杜彩艷等[30]在夏玉米苗期的研究中也得到相同結(jié)論。對(duì)比SOD和POD與MDA的變化趨勢(shì)，本研究發(fā)現(xiàn)，SOD、POD(W1)從脅迫前到脅迫3 d呈增大趨勢(shì)，有效抑制脅迫傷害(MDA基本保持不變)；隨著脅迫程度加劇，植物體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)活力和平衡遭到破壞，MDA含量增加，酶活性和Pro含量開始降低，復(fù)水后MDA含量回到正常水平。由此也可進(jìn)一步證明上述結(jié)論。

結(jié)合對(duì)比氣溫變化和SOD、POD活性以及Pro、MDA含量變化， CK處理下Pro、MDA含量基本保持不變，而SOD活性表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，POD活性表現(xiàn)為持續(xù)減小趨勢(shì)。施春暉等[31]在對(duì)獼猴桃的研究中表明，SOD活性對(duì)溫度比較敏感，且與溫度呈正相關(guān)；方芳等[32]對(duì)夏玉米幼苗的研究表明，在高溫脅迫下，SOD 活性存在先上升后下降的現(xiàn)象，而POD活性在高溫處理中呈下降趨勢(shì)。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SOD在T3試驗(yàn)組中脅迫第10天后活性開始增大，且基本達(dá)到與CK處理相同的水平；推測(cè)是因?yàn)槊{迫第10天到脅迫第13天之間(7月24日至7月27日)氣溫降低，最高氣溫由36℃降低至32.6℃，平均氣溫由30.1℃降低至27.5℃。在水分脅迫和溫度的雙重影響下，氣溫降低減少溫度對(duì)作物的脅迫，減緩對(duì)SOD活性的抑制，故SOD活性有增高趨勢(shì)，復(fù)水后SOD的高活性仍在修復(fù)細(xì)胞膜所受到的損傷。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下，夏玉米葉片的Pn、Gs、Tr均小于CK，且W1>W2。其原因是水分脅迫影響氣孔的開張度，進(jìn)而影響細(xì)胞內(nèi)外的氣體交換，導(dǎo)致進(jìn)入細(xì)胞的CO2受阻，光合原料不足，光合能力下降。畢建杰等[21]也得出葉片凈光合速率隨著葉片含水量的下降而減小的結(jié)論。在復(fù)水過(guò)后，葉片的Pn、Gs、Tr均高于脅迫期間，且W2>W1，可見中度脅迫處理后夏玉米光合的補(bǔ)償作用相較于輕度脅迫處理更加明顯。

由表2可看出，SOD活性和Pro含量呈極顯著正相關(guān)，且在脅迫13 d的處理下，Pro的累積含量無(wú)明顯變化，SOD活性出現(xiàn)上升趨勢(shì)。由此可猜測(cè)在脅迫10 d夏玉米能承受的干旱脅迫達(dá)到閾值，可對(duì)此作進(jìn)一步研究，探索夏玉米生理調(diào)節(jié)響應(yīng)機(jī)制所對(duì)應(yīng)的干旱閾值。

4 結(jié) 論

在苗期進(jìn)行水分脅迫處理，夏玉米體內(nèi)Pro含量呈先增大后減少的趨勢(shì)，復(fù)水后回升，存在累積效應(yīng)，脅迫10 d的累積量最大，且中度脅迫的累積量大于輕度脅迫；SOD在脅迫期間呈先增大后減小趨勢(shì)，復(fù)水后有輕微增長(zhǎng)，而且T1處理的SOD活性在復(fù)水6 d仍有明顯升高；POD在W1處理下呈先增大后減小趨勢(shì)，在第3天達(dá)到峰值，而W2處理下POD活性呈減少趨勢(shì)；MDA在脅迫期間呈上升趨勢(shì)，脅迫時(shí)長(zhǎng)越長(zhǎng)，MDA含量越高，復(fù)水后含量下降至正常水平。通過(guò)MDA的變化可以了解植物的受損情況，也能從側(cè)面驗(yàn)證植物的滲透調(diào)節(jié)與抗氧化系統(tǒng)的調(diào)控機(jī)制。結(jié)合夏玉米的光合參數(shù)，中度脅迫(W1)處理下試驗(yàn)組在復(fù)水后Pn、Gs、Tr均高于W1組和CK對(duì)照組。故在灌溉水量受到限制的條件下，從植物生理的角度來(lái)看，維持10 d土壤50%～60%田間持水量的灌水量較利于作物生長(zhǎng)，作物在復(fù)水后的光合補(bǔ)償效果更加顯著，有利于實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效用水。

致謝：感謝徐家屯、李亮、丁怡博等在試驗(yàn)中以及論文寫作中給予我的支持與幫助。