樊航，張紫瑤，談韞，周曉馥，徐洪偉

(吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/吉林省植物資源科學(xué)與綠色生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 四平 136000)

玉米(Zea maysL.)是世界第三大糧食作物，也是重要的能源、飼料作物，在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域倍受青睞[1，2]。γ－氨基丁酸(γ－aminobutyric acid，GABA)是一種以自由態(tài)廣泛存在于各種生物中的四碳非蛋白質(zhì)氨基酸，廣泛存在于植物中，是植物細(xì)胞游離氨基酸的重要組分之一[3]。農(nóng)作物中的GABA具有貯存氮素、誘導(dǎo)激素產(chǎn)生、調(diào)節(jié)作物生長發(fā)育和調(diào)控信號傳導(dǎo)等作用[4]。自Steward等[5]于1949年首次發(fā)現(xiàn)γ－氨基丁酸存在于植物中以來，其重要的生理功能備受關(guān)注，相關(guān)研究開始增多。高洪波等[6]于2007年采用水培法對NaCl脅迫下的黃瓜幼苗實(shí)施GABA營養(yǎng)液添加處理，證明GABA一定程度上能夠促進(jìn)黃瓜幼苗生長。李敬蕊等[7]的研究表明，葉面噴施GABA可促進(jìn)韭菜生長，也可通過誘導(dǎo)NR、NiR等無機(jī)氮代謝關(guān)鍵酶的活性來提高韭菜產(chǎn)量和品質(zhì)。劉金平等[8]于2016年對不結(jié)球白菜葉片噴施外源GABA發(fā)現(xiàn)，適宜濃度GABA可有效緩解淹水脅迫對光合作用的抑制。沙漢景等[9]的研究表明，外源GABA與水楊酸(SA)、脯氨酸(Pro)復(fù)配后對水稻具有協(xié)同增產(chǎn)作用。王馨等[10]的研究表明，外源GABA可提高西伯利亞白刺葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度，降低細(xì)胞間二氧化碳濃度，以此來促進(jìn)植株生長。徐建功[11]于2021年發(fā)現(xiàn)200μmol/L GABA溶液能夠使豌豆幼苗光合作用的電子傳遞效率、光化學(xué)轉(zhuǎn)化效率增加，利于植物的光合作用，促進(jìn)豌豆生長。GABA可為番茄[12]、玉米等植物的生長提供氮素營養(yǎng)。可以看出，對不同GABA濃度處理下玉米幼苗農(nóng)藝性狀的變化規(guī)律及光合特性進(jìn)行研究，確定玉米幼苗最佳GABA噴施濃度，對于促進(jìn)玉米生長和提高玉米產(chǎn)值具有重要意義。

總體來看，前人研究GABA對玉米的影響主要放在促進(jìn)玉米幼苗逆境下的生長[13]和保護(hù)干旱脅迫下玉米幼苗光合系統(tǒng)的生理響應(yīng)[14]上，而關(guān)于外施GABA對玉米幼苗農(nóng)藝性狀與光合特性影響的研究尚缺乏。GABA有促進(jìn)玉米幼苗生長[15]的作用，但不同濃度GABA對玉米幼苗的促進(jìn)作用存在差異，目前尚不明確其最佳噴施濃度。為此，本試驗(yàn)以玉米品種稷秾107為材料，開展玉米幼苗農(nóng)藝性狀和光合特性指標(biāo)對不同濃度GABA處理的響應(yīng)研究，以揭示GABA處理下玉米光合特性與農(nóng)藝性狀、物質(zhì)積累量的相關(guān)性，確定其最佳噴施濃度，為合理噴施GABA和促進(jìn)玉米生長提供一定技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 供試玉米品種及幼苗培養(yǎng)

本試驗(yàn)于2020年9月在吉林省植物資源科學(xué)與綠色生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試玉米品種為稷秾107。其干種子先經(jīng)溫水浸泡及暗萌芽培養(yǎng)，后選取大小一致的露白種子播于塑料育苗盆(規(guī)格:28 cm×25 cm)，放在溫度26℃、相對濕度60%、CO2濃度450 mg/L的智能人工氣候室培養(yǎng)。盆中土壤取自梨樹試驗(yàn)田。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置7個(gè)處理，分別是葉面噴施15、30、45、60、75、90 mmol/L GABA，以噴施清水為對照(CK)。玉米幼苗長至二葉一心時(shí)進(jìn)行處理，每3天處理1次，期間補(bǔ)充去離子水。每處理共栽植3盆，重復(fù)3次，各處理育苗盆長方形排列。五葉一心時(shí)測定玉米地上生物量及葉片光合特性。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

1.3.1 株高、莖粗和葉寬 使用游標(biāo)卡尺測定莖基部到生長點(diǎn)之間的距離；莖粗:用游標(biāo)卡尺測量子葉節(jié)下1 cm處粗度；葉寬:用游標(biāo)卡尺測量葉片上與主脈垂直方向上的最寬處。

1.3.2 植株鮮重和干重 每處理收取1株玉米幼苗莖葉并分別裝入寫好編號的信封中稱鮮重，之后放入烘箱，100℃下殺青30 min后80℃烘干稱取干重，計(jì)算單株地上部鮮重和干重。

1.3.3 凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度 在光照充足的上午，將便攜式光合作用測定系統(tǒng)(PPSystems，英國)的光量子通量密度設(shè)定為1 600μmol/(m2?s)，葉室溫度為25℃，之后選取玉米第5片完全展開葉，在距葉尖端1/3處進(jìn)行葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)及胞間CO2濃度(Ci)測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016和SPSS 23軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，用最小顯著差異法(LSD法)進(jìn)行多重比較，用SigmaPlot 12.5和Origin 2021作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施不同濃度GABA對玉米幼苗地上部生長的影響

2.1.1 對玉米幼苗莖葉生長的影響 隨著GABA濃度升高，玉米幼苗株高(圖1A)、莖粗(圖1B)、葉寬(圖1C)整體呈先升高后降低趨勢，絕大多數(shù)處理較對照表現(xiàn)為增加。噴施60 mmol/L GABA處理株高較對照增加41.32%，達(dá)顯著水平。噴施60 mmol/L GABA處理玉米幼苗莖粗較對照增加50.71%。噴施15~75 mmol/L GABA各處理玉米幼苗葉寬較對照分別增加12.32%、19.74%、32.94%、35.66%和11.51%，其中60 mmol/L GABA處理達(dá)顯著水平，且均優(yōu)于噴施90 mmol/L GABA。

圖1 不同濃度GABA對玉米幼苗莖葉生長的影響

2.1.2 對地上部鮮重和干重的影響 由圖2可知，15~90 mmol/L GABA各處理玉米幼苗地上部鮮重和干重都有增加，其中60 mmol/L GABA處理較對照增幅最大，分別增78.96%和113.01%，差異顯著。說明60 mmol/L GABA濃度更有利于玉米幼苗有機(jī)物積累。

圖2 不同濃度GABA對玉米幼苗地上部鮮重和干重的影響

2.2 噴施不同濃度GABA對玉米幼苗光合特性的影響

2.2.1 對玉米幼苗胞間CO2濃度的影響 噴施GABA各處理玉米幼苗胞間CO2濃度較CK均呈下降趨勢，除90 mmol/L GABA處理外彼此間差異顯著(圖3)。其中，75 mmol/L GABA處理胞間CO2濃度降幅最大，較CK降低53.89%；90 mmol/L GABA處理較CK降低22.35%，但較75 mmol/L GABA處理增加68.37%。說明75 mmol/L濃度GABA更利于玉米幼苗無機(jī)物吸收。

圖3 不同濃度GABA對玉米幼苗 胞間CO2濃度的影響

2.2.2 對玉米幼苗蒸騰速率的影響 隨著GABA濃度增加，玉米幼苗蒸騰速率(Tr)呈先上升后下降趨勢，且15~75 mmol/L GABA各處理與CK差異顯著(圖4)。其中，噴施75 mmol/L GABA玉米幼苗Tr最高，較CK增加118.50%。說明75 mmol/L GABA更利于玉米幼苗水分吸收與利用。

圖4 不同濃度GABA對玉米幼苗蒸騰速率的影響

2.2.3 對玉米幼苗凈光合速率的影響 隨著GABA濃度水平的提高，玉米幼苗凈光合速率(Pn)呈先上升后下降趨勢，且30~75 mmol/L GABA各處理與CK差異顯著(圖5)。其中，噴施75 mmol/L GABA玉米幼苗Pn最高，較CK增加174.64%，噴施90 mmol/L GABA較CK降低40.36%。說明75 mmol/L GABA更利于玉米幼苗有機(jī)物合成與利用。

圖5 不同濃度GABA對玉米幼苗 凈光合速率的影響

2.2.4 對玉米幼苗氣孔導(dǎo)度的影響 隨著GABA濃度水平的提高，玉米幼苗氣孔導(dǎo)度(Gs)呈先上升后下降趨勢，且45~75 mmol/L GABA各處理與CK差異顯著(圖6)。其中，噴施75 mmol/L GABA玉米幼苗氣孔導(dǎo)度最高，較CK增加134.50%，噴施90 mmol/L GABA較CK降低49.12%。說明75 mmol/L GABA更利于玉米幼苗氣孔開放。

圖6 不同濃度GABA對玉米幼苗 氣孔導(dǎo)度的影響

2.3 玉米幼苗地上部性狀與光合特性參數(shù)的相關(guān)性分析

為了比較不同濃度GABA處理下玉米幼苗地上部各性狀與光合特性參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系，對獲取的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行雙變量相關(guān)分析，結(jié)果(圖7)表明:玉米幼苗葉片的凈光合速率(Pn)與株高、葉寬呈顯著正相關(guān)，其皮爾森相關(guān)系數(shù)分別為0.56、0.55；蒸騰速率(Tr)與株高呈顯著正相關(guān)，其皮爾森相關(guān)系數(shù)為0.57；胞間CO2濃度(Ci)與地上部干重鮮重、凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度呈顯著負(fù)相關(guān)，其皮爾森相關(guān)系數(shù)分別為－0.59、－0.56、－0.74、－0.76和－0.73；株高與氣孔導(dǎo)度，葉寬與氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率，莖粗與凈光合速率、蒸騰速率均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.57、0.49、0.54、0.44和0.45。因此凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度與玉米幼苗地上部各性狀間均顯著相關(guān)。

圖7 不同處理下玉米幼苗地上部性狀與 光合特性參數(shù)的相關(guān)性

2.4 噴施不同濃度GABA下玉米幼苗地上部性狀與光合特性參數(shù)的主成分分析

2.4.1 主成分選擇 為了將玉米幼苗株高、葉寬、莖粗、地上部鮮重干重、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度這9個(gè)性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)換成能說明玉米幼苗對外施GABA響應(yīng)的較少綜合指標(biāo)，再對這些指標(biāo)進(jìn)行KMO和Bartlett球形度檢驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算，KMO＝0.690，Bartlett球形檢驗(yàn)結(jié)果為192.862，sig值為0.000，表明拒絕了相關(guān)系數(shù)是單位陣，即各個(gè)指標(biāo)是相關(guān)的，也說明可以使用主成分分析對上述9個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析。主成分分析結(jié)果(圖8)表明，系統(tǒng)中共抽取出3個(gè)主成分，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分別記作F1、F2和F3。其中，葉寬在第一主成分中系數(shù)最大，起決定作用；凈光合速率在第二主成分中起決定作用；地上部干重在第三主成分中起決定作用。

圖8 玉米幼苗地上部性狀與光合特性參數(shù)的主成分選擇

2.4.2 綜合得分分析 為了說明不同濃度GABA處理對玉米幼苗主要性狀和光合特性的影響，根據(jù)各指標(biāo)特征值的特征向量、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)以及綜合得分計(jì)算公式計(jì)算各處理玉米幼苗考察指標(biāo)的綜合得分，結(jié)果見表1。從7個(gè)不同濃度GABA處理玉米幼苗考察指標(biāo)的綜合得分和排名可以看出，60 mmol/L GABA處理綜合得分最高(2.885)，其次是45 mmol/L GABA和30 mmol/L GABA處理(0.769和0.607)，15、75、90 mmol/L GABA處理綜合得分為負(fù)值。不同濃度GABA處理玉米幼苗考察指標(biāo)綜合得分由大到小的順序依次為60 mmol/L>45 mmol/L>30 mmol/L>75 mmol/L>90 mmol/L>15 mmol/L>CK。

表1 不同濃度GABA處理玉米幼苗各性狀綜合評定得分

3 討論與結(jié)論

γ－氨基丁酸是生物應(yīng)激反應(yīng)體系的重要氨基酸，廣泛分布于自然界中[16]。GABA在生物體組織發(fā)育和形成、生物內(nèi)和生物間的信號交流中扮演著重要角色，可以通過腐胺途徑和GABA分流途徑干涉生物內(nèi)能量代謝、碳氮代謝的方式緩解生物體內(nèi)壓力[17，18]。研究認(rèn)為外源GABA可以提高玉米植株根系活力，進(jìn)而促進(jìn)根系對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，改善根系的生長狀況[19]。王泳超等[14]研究表明，外源GABA可以通過降低葉片的氧化損傷和提高細(xì)胞保水能力，從而保護(hù)玉米幼苗的光合系統(tǒng)。李武等[20]研究表明，葉面噴施GABA可提高玉米植株的單穗總粒數(shù)、葉片凈光合速率，并對其生育時(shí)期進(jìn)行相關(guān)代謝調(diào)控。本試驗(yàn)條件下，與CK相比，適宜濃度外源GABA可顯著提高玉米幼苗株高、莖粗、葉寬、地上部鮮重和干重。說明GABA可以通過改變玉米的農(nóng)藝性狀及地上部物質(zhì)積累量來促進(jìn)幼苗生長。

光合作用直接影響玉米籽粒產(chǎn)量，并且玉米葉片的光合產(chǎn)物是其籽粒產(chǎn)量的主要來源[21]。外源GABA(15~75 mmol/L)處理后玉米幼苗凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)呈上升趨勢，胞間CO2濃度(Ci)呈下降趨勢。外源GABA可能通過調(diào)控玉米植株的碳代謝和氮代謝來影響光合作用。本試驗(yàn)表明，葉面噴施GABA有利于提高玉米幼苗葉片的光合能力。相關(guān)性分析表明，玉米幼苗葉片凈光合速率(Pn)與株高、葉寬，蒸騰速率(Tr)與株高均呈顯著正相關(guān)。不同濃度GABA處理玉米幼苗考察指標(biāo)的綜合得分依次為:60 mmol/L>45 mmol/L>30 mmol/L>75 mmol/L>90 mmol/L>15 mmol/L>CK。其中，60 mmol/L GABA處理玉米幼苗農(nóng)藝性狀及光合特性考察指標(biāo)的綜合評價(jià)值最高，說明60 mmol/L GABA為最佳葉面噴施濃度。