崔蓉,柳鑫婧,李锦秀,王呈玉,张欣宇,常洪艳,刘淑霞

(吉林农业大学资源与环境学院/吉林省商品粮基地土壤资源可持续利用重点实验室,吉林 长春130118)

在全球气候变暖的背景下,由于气温升高和降水减少,干旱事件发生的频率显著增加,因此干旱被预测为未来农业中最重要的环境压力之一[1]。东北地区是中国主要的玉米生产区,近40%的农田用于种植玉米,约占全国玉米总产量的1/3。几十年来,季节性干旱一直是该地区玉米生产的最大限制因素[2]。有研究表明,玉米对水分的需求量较大,是对干旱胁迫较为敏感的作物之一,因此,干旱已成为世界上许多玉米产区产量低且不稳的重要因素,严重影响玉米生产的进一步发展[3-4]。研究玉米在不同干旱胁迫程度下的生理应激响应是应对作物干旱灾害急需解决的问题之一。大量试验研究了逆境条件下作物活性氧防御系统的应激响应机制与调节作用,其中超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)以及过氧化氢酶(CAT)等抗氧化保护酶在清除活性氧的过程中发挥着重要作用,但由于干旱时间的延迟,致使活性氧的生成速率大于其清除速率,并最终损害作物细胞膜系统[5-6]。也有研究发现玉米品种耐旱能力与抗氧化防御系统之间具有很强的相关性,增强品种耐旱性与其抗氧化防御系统的增加有关[7-8]。通过研究2个不同耐旱程度的玉米品种发现作物体内丙二醛(MDA)含量和质膜透性变化可作为鉴定品种耐旱能力较为可靠的依据之一[9],MDA含量及膜透性增幅越小,品种耐旱性越强。干旱胁迫是一种重要的非生物胁迫因素[10],在干旱程度未能导致作物达到不可逆伤害时及时进行调控,也可使作物正常生长发育,因此研究不同玉米品种对干旱胁迫的抗氧化生理应激响应及对干旱的敏感性胁迫程度是保证玉米作物抗旱稳产的有效途径之一。

本研究选用‘金庆707’‘嫩单19’及‘富单16’3个不同耐旱程度的玉米品种,通过研究不同干旱胁迫程度对玉米叶片抗氧化物质、渗透调节物质及丙二醛的影响,探究3个不同耐旱程度玉米品种对干旱胁迫的响应差异,明确不同干旱胁迫程度下玉米生理变化规律,为玉米抗旱稳产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地点为黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院(123°41′46″E,47°16′26″N),地处松嫩平原西部半干旱区,海拔143 m,属于中温带大陆性季风气候。4—9月平均气温为17.6 ℃,极端最低气温4.9 ℃,极端最高气温27.1 ℃,月平均降雨量为32.9 mm。土壤类型为碳酸盐黑钙土,其土壤有机质含量为25.4 g·kg-1,碱解氮含量为97.3 mg·kg-1,速效磷含量为15.2 mg·kg-1,速效钾含量为131 mg·kg-1,pH7.79,田间持水量为25.92%。

1.2 试验设计

采用抗旱棚进行微区试验,抗旱棚配有大型电动遮雨棚,降雨时启用,排除自然降水干扰。试验设置15个小区,每个小区面积为12 m2(4 m×3 m)。于每个小区内种植3个不同耐旱程度玉米品种(每个品种种植2垄、每垄11～12株),行距60 cm,株距20 cm,种植密度为68 000株·hm-2。分别于玉米拔节期、抽雄期、灌浆期进行干旱胁迫处理,每个时期分别设置5个不同水分梯度的干旱胁迫处理,为正常灌水[CK,为田间持水量的(75±5)%]、轻旱[LS,田间持水量的(55±5)%]、中旱[MS,田间持水量的(45±5)%]、重旱[SS,田间持水量的(35±5)%]以及持续干旱处理(S,田间持水量小于30%),每个时期胁迫时间共持续20 d左右。试验期间根据干旱情况进行不定期测量(每2～3 d进行1次测量),并通过测量结果进行补充灌水,使土壤水分始终保持在各处理含水量的中间值附近。分别于玉米拔节期后期、抽雄期后期、灌浆期后期取样,测定3个玉米品种生长指标,同时于成熟后取样测定其产量指标。供试玉米品种分别为耐旱品种‘金庆707’(JQ707),较耐旱品种‘嫩单19’(ND19),耐旱性较差品种‘富单16’(FD16),不同耐旱性玉米种子皆来自黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院。每小区于春季一次性深施底肥,底肥分别为尿素 1.3 kg、磷酸二铵0.85 kg、硫酸钾0.35 kg。2020年5月5日播种,9月28日收获。

1.3 测定项目及方法

土壤有机质、碱解氮、速效磷、速效钾及pH值测定参照文献[11]。抗氧化系统酶活性测定:玉米叶中的SOD、CAT及POD均根据ELISA检测试剂盒操作步骤提取,取玉米穗位叶中间部分叶片加入PBS缓冲溶液充分研磨,4 000 r·min-1离心15 min,取上清液,利用酶标仪测定。采用磺基水杨酸法[12]测定脯氨酸含量。采用硫代巴比妥酸法[12]测定丙二醛含量。在玉米成熟后,各品种玉米分别采集鲜穗样本10穗,测定各小区各品种玉米的产量构成因素,取平均值为各处理的结果,并计算收获产量。

1.4 数据统计及分析方法

采用Excel 2016软件整理数据,SPSS Statistics 23软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同干旱胁迫程度对玉米超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

由图1可知:干旱胁迫条件下3个品种玉米SOD活性变化差异较为显著,随干旱胁迫程度的加重,SOD活性呈先增高后降低的趋势,且3个品种玉米SOD活性均在MS处理时达到最高值。拔节期‘金庆707’‘嫩单19’和‘富单16’MS处理SOD活性最高,分别为1 638.92、1 555.58和1 463.56 U·g-1,S处理SOD活性最低,分别为1 380.66、1 211.50和1 185.82 U·g-1。抽雄期玉米叶片SOD活性最高,其中MS处理玉米SOD活性显著增加,MS、SS和S处理3个品种之间SOD活性差异较大,并于S处理‘金庆707’‘嫩单19’和‘富单16’SOD活性呈现出最低值,分别为1 447.99 、1 273.41 和1 143.36 U·g-1。灌浆期MS处理玉米叶片SOD活性增至最大值,与CK相比‘金庆707’‘嫩单19’和‘富单16’分别增加35.12%、33.25%和30.53%。

图1 不同干旱胁迫处理下玉米超氧化物歧化酶(SOD)活性的变化Fig.1 Changes of superoxide dismutase(SOD)activity in maize under different drought stresses JS:拔节期 Jointing stage;TS:抽雄期 Tasseling stage;FS:灌浆期 Filling stage. JQ707:金庆707 Jinqing 707;ND19:嫩单19 Nendan 19;FD16:富单16 Fudan 16. CK为正常供水处理,LS为轻度干旱胁迫处理,MS为中度干旱胁迫处理,SS为重度干旱胁迫处理,S为持续干旱胁迫处理。CK is normal water supply treatment,LS is mild drought stress treatment,MS is moderate drought stress treatment,SS is severe drought stress treatment,S is continuous drought stress treatment. 不同小写字母表示不同处理在0.05水平差异显著,下同。The different small letters indicate significant at 0.05 level,the same below.

2.2 不同干旱胁迫程度对玉米过氧化氢酶(CAT)活性的影响

从图2可知:抽雄期玉米叶片CAT活性最高,随胁迫强度的增加,不同时期的玉米叶片CAT活性均呈先上升后下降的趋势,并在MS处理下玉米叶片CAT活性达到最高值。在生育期内,除S处理外3个品种玉米叶片CAT活性均高于CK处理。拔节期不耐旱‘富单16’叶片CAT活性变化幅度较大,S处理达到最低值,为274.53 U·g-1。抽雄期LS、MS、SS和S处理‘金庆707’玉米叶片CAT活性分别比对照高31.23%、58.91%、34.72%和16.87%,‘富单16’叶片CAT活性分别为对照的1.24、1.41、1.16和0.81倍。灌浆期同一品种LS、MS、和SS处理CAT活性变化差异不大,S处理变化显著(P<0.05),其中品种耐旱性越强,CAT活性越大,与拔节期及抽雄期一致。

图2 不同干旱胁迫处理下玉米过氧化氢酶(CAT)活性的变化Fig.2 Changes of catalase(CAT)activity in maize under different drought stresses

2.3 不同干旱胁迫程度对玉米过氧化物酶(POD)活性的影响

从图3可知:玉米叶片中POD活性随干旱程度的增加均呈先上升后下降的趋势,各时期玉米于MS处理时上升至最高,之后逐渐下降,其中S处理‘嫩单19’和‘富单16’叶片POD活性小于CK。拔节期干旱胁迫处理下的玉米POD活性较对照上升幅度较小。抽雄期玉米POD变化幅度较大,MS处理‘金庆707’‘嫩单19’和‘富单16’比对照增加了44.90%、39.43%和28.97%,S处理POD活性分别为对照的1.06、0.94和0.98倍,且MS和S干旱胁迫处理下3个品种玉米POD含量差异显著(P<0.05)。灌浆期POD活性与拔节期差异不大,均低于抽雄期的POD活性。

图3 不同干旱胁迫处理下玉米过氧化物酶(POD)活性的变化Fig.3 Changes of peroxidase(POD)activity in maize under different drought stresses

2.4 不同干旱胁迫程度对玉米脯氨酸(Pro)含量的影响

由图4可知:干旱胁迫显著增加了3个品种玉米叶片中Pro含量。拔节期‘金庆707’‘嫩单19’和‘富单16’S处理Pro含量最高,分别较CK增加35.26%、30.19%和28.63%。抽雄期‘金庆707’‘嫩单19’和‘富单16’S处理下Pro含量最高,分别为2 101.12、1 963.04 和1 811.92 ng·g-1。灌浆期时,随干旱胁迫强度的增加,Pro含量增加幅度相对于拔节期及抽雄期较小。3个时期Pro含量从大到小分别为抽雄期、拔节期、灌浆期,但其差异并不显著,同时3个时期耐旱性强的玉米品种‘金庆707’叶片Pro含量最大,‘嫩单19’‘富单16’次之。

图4 不同干旱胁迫处理下玉米脯氨酸(Pro)含量的变化Fig.4 Changes of proline(Pro)content in maize under different drought stresses

2.5 不同干旱胁迫程度对玉米丙二醛(MDA)含量的影响

从图5可知:干旱胁迫显著增加了玉米叶片MDA含量,3个时期中S处理玉米叶片膜损伤最严重,MDA含量最高。拔节期和抽雄期不同干旱处理的叶片MDA含量均高于CK,3个时期的干旱胁迫均使 3个品种玉米叶片MDA含量增加,但增幅不同。拔节期‘金庆707’‘嫩单19’和‘富单16’叶片MDA含量S处理较CK处理增加了27.56%、40.49%和41.24%,且差异显著;抽雄期‘金庆707’‘嫩单19’和‘富单16’叶片MDA含量S处理较CK增加了36.80%、34.76%和28.75%,增加幅度略小于拔节期。随着玉米的生长发育,干旱胁迫加剧了玉米的衰老过程,导致灌浆期玉米叶片MDA含量显著高于拔节期及抽雄期。从玉米拔节期至灌浆期的生长过程中,3个品种玉米叶片MDA含量从大到小依次为‘富单16’‘嫩单19’‘金庆707’,表明‘金庆707’玉米叶片活性氧系统受干旱胁迫影响较小,积累的 MDA 含量也较少,进而印证了其耐旱性强的特点。

图5 不同干旱胁迫处理下玉米丙二醛(MDA)含量的变化Fig.5 Changes of malondialdehyde(MDA)content in maize under different drought stresses

2.6 不同干旱胁迫程度对玉米产量的影响

由表1可知:干旱胁迫显著降低玉米产量,其中抽雄期干旱胁迫减产最为严重,灌浆期次之,拔节期最小。拔节期‘金庆707’产量在LS、MS和SS处理下较CK分别降低13.30%、13.20%和50.26%,‘嫩单19’产量分别降低11.03%、22.03%和47.90%,‘富单16’产量分别降低12.98%、31.06%和31.22%;抽雄期‘金庆707’产量在LS、MS和SS处理下较CK分别降低75.31%、92.36%和106.47%,‘嫩单19’产量分别降低55.43%、68.74%和77.91%,‘富单16’产量分别降低36.44%、49.62%和83.47%;灌浆期‘金庆707’产量在LS、MS和SS处理下较CK分别降低22.48%、67.74%和92.23%,‘嫩单19’产量分别降低27.88%、48.56%和65.01%,‘富单16’产量分别降低18.90%、33.29%和46.46%。由此可以看出,抽雄期干旱胁迫减产最为严重,且3个耐旱品种玉米产量均随着干旱胁迫程度的增加而降低。其中,与不耐旱玉米品种‘富单16’相比,‘金庆707’始终处于增产的状态,产量增加19.59%～81.73%,‘嫩单19’除拔节期SS处理、抽雄期LS和MS处理、灌浆期SS处理外其他处理均处于增产状态,3个玉米品种产量从高到低依次为‘金庆707’‘嫩单19’‘富单16’,3个品种玉米中S处理均无产量。

表1 不同干旱胁迫处理对玉米产量的影响Table 1 Effects of different drought stress treatments on maize yield

3 讨论

干旱胁迫会导致细胞内活性氧代谢失调,并最终影响产量。随着干旱胁迫的加剧,活性氧和自由基大量积累[13],SOD、CAT、POD是植物体内重要的抗氧化酶系统保护酶[14],它们的协调作用有利于维持作物体内的活性氧产生和淬灭的动态平衡,从而抑制膜脂过氧化进程,保证作物免受伤害[15],进而达到稳产的效果。本研究中,随着干旱胁迫的加重,SOD、CAT、POD活性均呈先升高后降低的趋势,这是因为一定程度的干旱胁迫会使SOD将植物体内毒性较强的超氧阴离子自由基转化为H2O2,进而通过CAT及POD的分解作用,防止细胞膜的过氧化[16],这也解释了本研究中玉米品种抗氧化酶活性越高,耐旱性越强的原因,这与谢志明[17]的研究结果基本一致。而当干旱程度增至重旱甚至持续干旱时,过度的干旱胁迫使得不耐旱玉米品种体内酶的活性大幅度降低,活性氧和自由基的增加量大于消除量,影响了玉米的正常生长发育,进而导致玉米大量减产。李秋祝[18]研究表明,抽雄期为玉米抗氧化酶活性变化最大时期,也是抵抗外界逆境变化的关键时期,这也印证了本研究中抽雄期干旱胁迫减产最严重的现象。

当作物受到干旱胁迫等逆境因素时,作物体内会通过增加脯氨酸等含量来增加细胞液浓度,降低渗透势[19],并促进干旱环境下根系的生长,保证玉米产量稳定。脯氨酸作为植物体内重要的渗透调节物质,可以防止活性氧对蛋白和膜脂的过氧化,其含量高低与细胞持水性有关[20]。本研究表明,玉米受干旱胁迫程度越大,脯氨酸含量就越高,3个时期玉米脯氨酸含量无较大差异,这与王德权[21]的研究结果一致。耐旱性强的玉米品种中脯氨酸含量显著高于耐旱性弱的品种[22]。本研究中‘金庆707’玉米脯氨酸含量明显高于‘富单16’,由此也印证了玉米品种脯氨酸含量越高,其耐旱性越强的特点。

MDA作为作物膜脂过氧化的最终产物,它的生成是由体内自由基引发的,其积累是来自不饱和脂肪酸的降解,具有很强的毒性。在作物遭受干旱胁迫时,它会使蛋白质发生变性或通过 DNA 链断裂等作用,导致作物细胞功能失常,进而降低作物产量[23]。肖钢等[24]在研究干旱胁迫下MDA积累的动态变化规律时认为,处于中度及重度干旱胁迫时的玉米MDA含量同CK相比明显增加。本文中干旱程度越严重,MDA含量越高,产量就越低的研究结果与之一致。郝玉兰等[25]研究表明,耐旱性弱的玉米体内SOD、POD、CAT活性增加较少,导致活性氧及自由基积累超过玉米所能承受的临界值,因此MDA含量增加量较大。本研究中,‘金庆707’MDA含量明显低于‘富单16’,因此在同一干旱胁迫处理下其始终处于增产状态,这表明在同样的不利环境下,‘金庆707’的膜脂过氧化程度较低,进一步证明了它的抗旱能力较强的特点。

综上所述,在干旱胁迫条件下,SOD、POD、CAT活性及脯氨酸和丙二醛含量均能通过影响玉米作物膜脂过氧化程度来影响产量。干旱胁迫程度越严重,产量越低,且耐旱性强的玉米品种在干旱胁迫时受到的伤害程度要小于耐旱性弱的品种。结合玉米生理特性指标综合性分析可知,抽雄期为抵抗外界逆境变化的关键时期,且将土壤水分维持在田间持水量的50%以上时,玉米的抗氧化特性较强,能够稳定维持玉米产量,在水分低于田间持水量的50%时则较易受到干旱胁迫的影响。