党永富，曹丽茹，鲁晓民，党尊，邱天，段恩忠，邱军政，田云峰

（1.河南远东生物工程有限公司，河南 周口 466000；2.河南省农业科学院 粮食作物研究所，河南 郑州 450002；3.河南省农业科学院 科研管理处，河南 郑州 450002）

玉米具有较高的营养价值，是重要的粮、饲兼用作物和工业原料。近年来，我国玉米年种植面积平均为4 000 万hm2，总产量占全球玉米总产量的比例仅次于美国[1]。干旱是重要的非生物胁迫之一，影响植物生理生化特性，进而影响植物的生长发育，导致作物产量和品质下降。干旱导致玉米减产20%～50%，是影响玉米产量和品质的主要因素之一[2]。因此，提高玉米抗旱性对保障国家粮食安全具有重要作用。

近年来，借助外部手段提高作物抗旱性的研究受到重视。耿杨阳[3]研究发现，喷施光碳核肥可以提高黄瓜的抗氧化酶活性，从而增强黄瓜的抗逆性。彭凌馨[4]研究发现，叶面喷锌可以通过提高玉米的过氧化氢酶(Catalase，CAT)活性及叶绿素含量，进而提高玉米的抗旱性。王泳超等[5]研究发现，喷施γ-氨基丁酸保护了干旱胁迫下玉米幼苗的光合系统，从而增强了玉米的抗旱性。贾艳萍等[6]研究发现，产聚谷氨酸菌株发酵液增强了土壤的保水能力，提高了干旱胁迫下土壤的含水量，从而提高了玉米幼苗的抗旱性。炭吸附聚谷氨酸是在聚谷氨酸的基础上经生物炭处理得到的新型材料。研究发现，喷施炭吸附聚谷氨酸可以改善土壤环境，提高小麦、玉米的产量[7-9]。目前，炭吸附聚谷氨酸在玉米上的研究多集中于其对产量的影响方面，对非生物胁迫下玉米形态和生理生化特性的影响鲜见报道，尤其是对干旱胁迫下多个玉米品种的生长缓解效应研究。为此，研究炭吸附聚谷氨酸对干旱胁迫下3 个玉米品种幼苗生长及生理生化特性的影响，以期为玉米抗旱高产栽培奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试玉米品种为郑单958、郑单6122 和郑单819，均由河南省农业科学院粮食作物研究所玉米遗传育种室提供。供试炭吸附聚谷氨酸有机物叶面肥（简称炭吸附聚谷氨酸）由河南远东生物工程有限公司生产，其主要成分为有机质（≥80.0 g/L）、聚谷氨酸（≥10.0 g/L）、水不溶物（≤10.0 g/L）。

1.2 试验设计

采用盆栽试验（盆子直径为9 cm，高度为12 cm），在河南省农业科学院温室中进行，环境设置：30 ℃光照16 h、26 ℃黑暗8 h，相对湿度为30%～50%。选择籽粒饱满的玉米种子播种于营养土中，每个玉米品种种植6 盆，出苗后，每个盆中保留5 株生长一致、健壮的玉米苗。三叶期进行干旱处理5 d，然后每个品种(6 盆)分别喷施清水(对照)和炭吸附聚谷氨酸(250 g炭吸附聚谷氨酸+30 kg水)。郑单958 喷施清水处理为T1，喷施炭吸附聚谷氨酸处理为T2；郑单6122 喷施清水处理为T3，喷施炭吸附聚谷氨酸处理为T4；郑单819 喷施清水处理为T5，喷施炭吸附聚谷氨酸处理为T6。喷施5 d 后，测定每个处理玉米幼苗的生长及生理生化指标，每个样品3次生物学重复。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 生长指标 每个处理选取3 株幼苗，根系洗净后用根系扫描仪测定根表面积、根体积和根长，用精度为毫米的尺子测量株高，采用CI-203型叶面积仪(美国，CID 公司)测定单株的叶面积，采用烘干称质量法测定地上部、地下部及总干质量，并计算根冠比。

1.3.2 生理生化指标 叶片相对含水量(Relative water content of leaves，RWC)采用称质量法测定；叶片荧光参数Fv/Fm 用FMS-2 脉冲调制式叶绿素荧光仪测定；叶绿素含量采用80%丙酮提取—分光光度法测定；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮蓝四唑光化还原法测定[10]，过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性采用愈创木酚法测定[11]，CAT 活性参照文献[12]测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定[13]。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 处理数据并作图，使用SPSS 17.0软件进行方差及主成分分析。

恢复系数=（炭吸附聚谷氨酸处理指标值-对照指标值）/对照指标值。

2 结果与分析

2.1 炭吸附聚谷氨酸对干旱胁迫下玉米幼苗生长的影响

由表1 可知，与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸提高了干旱胁迫下玉米幼苗的根长、根表面积、根体积、株高、叶面积、地上部干质量、地下部干质量、总干质量及根冠比，除郑单6122 的株高、根冠比及郑单819 的根冠比不显著外，其余均达到显著水平。其中，郑单958 喷施炭吸附聚谷氨酸处理叶面积、株高和总干质量分别显著提高了34.89%、29.92%和23.00%；郑单6122 喷施炭吸附聚谷氨酸处理的叶面积、根长和根体积分别显著提高了51.62%、40.14%和25.70%；郑单819 喷施炭吸附聚谷氨酸处理叶面积、地下部干质量和株高分别显著提高了53.30%、21.74%和13.62%。

综上，喷施炭吸附聚谷氨酸后，3 个玉米品种的生长发育指标均有所提高，尤其是叶面积，表明炭吸附聚谷氨酸缓解了干旱对玉米生长的抑制作用。

2.2 炭吸附聚谷氨酸对干旱胁迫下玉米叶片相对含水量的影响

干旱胁迫下，植物吸收不到充足的水分导致体内的含水量下降，影响植物的正常生长。由图1 可知，干旱胁迫后喷施清水，郑单958、郑单6122 和郑单819叶片相对含水量无显著差异。与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸后郑单958、郑单6122和郑单819 的叶片相对含水量分别显著提高了11.86%、10.17%和18.10%；郑单819 的相对含水量显著高于郑单6122，而与郑单958 无显著差异。综上，炭吸附聚谷氨酸可显著提高干旱胁迫下玉米叶片的相对含水量，但对不同基因型玉米的作用效果存在差异。

2.3 炭吸附聚谷氨酸对干旱胁迫下玉米叶片叶绿素含量的影响

由图2可知，与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸后，郑单958、郑单6122 和郑单819 叶片的叶绿素含量分别显著提高了18.90%、15.70%和19.30%。品种间比较发现，干旱胁迫后，无论喷施清水还是炭吸附聚谷氨酸，3 个玉米品种的叶绿素含量均无显著差异。

2.4 炭吸附聚谷氨酸对干旱胁迫下玉米叶片Fv/Fm的影响

Fv/Fm 是PSⅡ最大光化学量子产量，反映PSⅡ反应中心光能转换效率。图3 显示，干旱胁迫后喷施清水，郑819叶片的Fv/Fm显著低于郑单958和郑单6122，表明郑单819 对干旱胁迫相对敏感。与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸后，郑单958、郑单6122和郑单819的Fv/Fm分别显著提高了5.01%、7.02%和10.05%；郑单6122 叶片的Fv/Fm 显著高于郑单958，而与郑819无显著差异。

2.5 炭吸附聚谷氨酸对干旱胁迫下玉米叶片抗氧化酶活性的影响

由图4 可知，干旱胁迫后喷施清水，郑单958 和郑单6122 的SOD 活性显著高于郑单819。与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸后，郑单958、郑单6122 和郑单819 叶片的SOD 活性分别显著提高了17.21%、26.61%和23.42%；郑单6122 的SOD活性最高，显著高于其他2个品种。

由图4 可知，干旱胁迫后喷施清水，3 个玉米品种的POD 活性无显著差异。与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸后，3 个玉米品种的POD 活性均显著升高，而品种间无显著差异。

由图4 可知，干旱胁迫后喷施清水，郑单958 叶片的CAT 活性显著高于郑单819，而与郑单6122 无显著差异。与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸后，郑单958、郑单6122 和郑单819 叶片的CAT活性分别显著提高了7.14%、9.86%和14.29%；郑单819 叶片的CAT 活性最高，显著高于郑单958，与郑单6122无显著差异。

综上，炭吸附聚谷氨酸可以增强干旱胁迫下玉米抗氧化酶活性，进而缓解干旱胁迫对细胞膜造成的损伤。

2.6 炭吸附聚谷氨酸对干旱胁迫下玉米可溶性蛋白含量的影响

细胞缺水时，细胞内渗透势降低，吸水能力下降，此时植物会产生大量渗透调节物质以提升渗透势，增强细胞的吸水能力。可溶性蛋白是一种重要的渗透调节物质。由图5 可知，干旱胁迫后喷施清水，3个玉米品种的可溶性蛋白含量差异显著，从大到小依次为郑单6122、郑单958、郑单819。与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸后，郑单958、郑单6122 和郑单819 叶片的可溶性蛋白含量分别显著提高了52.11%、38.41%和76.05%；3 个品种叶片可溶性蛋白含量差异显著，以郑单819最高，郑单958次之。

2.7 玉米生长及生理生化指标恢复系数间的相关性分析

由表2 可知，玉米根长恢复系数与POD 活性恢复系数呈显著正相关，株高恢复系数与地上部干质量恢复系数呈显著正相关，叶绿素含量恢复系数与可溶性蛋白恢复系数呈极显著正相关，总干质量恢复系数与地上部干质量恢复系数、地下部干质量恢复系数均呈显著正相关，可溶性蛋白恢复系数与叶片相对含水量恢复系数呈极显著正相关，表明玉米的个体生长是多个生理生化反应协同的结果，各指标间存在密切的关系。

2.8 玉米生长及生理生化指标恢复系数的主成分分析

为了确定炭吸附聚谷氨酸缓解玉米干旱的关键指标，依据各指标的恢复系数进行主成分分析（图6），发现第一主成分和第二主成分对总方差的贡献率分别为55.58%和44.42%。其中，叶片相对含水量、叶绿素含量和可溶性蛋白含量恢复系数具有较高的特征向量和特征值，表明这3 个指标是喷施炭吸附聚谷氨酸缓解玉米干旱的关键指标。

2.9 玉米幼苗生长及生理生化指标与总干质量的关联分析

玉米总干质量是玉米生长状态的一个重要指标。对玉米总干质量与生长形态和生理生化指标进行灰色关联分析（表3），发现玉米总干质量与叶绿素含量、根冠比、Fv/Fm 关联度较高，关联系数分别为0.566 4、0.454 9、0.449 1；与抗氧化酶POD、SOD 和CAT 活性的关联系数较高，分别为0.429 9、0.418 2和0.400 1。

表3 玉米生长及生理生化指标与总干质量的灰色关联分析Tab.3 Grey correlation analysis between growth，physiological and biochemical indexes and total dry weight of maize

3 结论与讨论

干旱是影响玉米产量与品质的重要因素之一，缺水时，玉米通过生理生化的改变积极响应干旱胁迫，从而减轻干旱胁迫对自身生长带来的不良影响。研究发现，当植物体内缺少水分时，会影响植物的细胞分裂，导致植株矮小，甚至降低产量[14-16]。本研究发现，与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸显著提高了干旱胁迫下玉米幼苗的株高、根长、根表面积、根体积、根冠比、地上部和地下部及总干质量，表明炭吸附聚谷氨酸可以增强玉米对干旱胁迫的适应能力，与陈东义等[9]在小麦上的研究结果相似。

植物缺少水分时，其生理反应会受到严重的影响。干旱胁迫下，玉米叶片的相对含水量较正常生长条件下明显下降[17-19]。张富国等[20]研究发现，干旱胁迫下，玉米自交系叶片叶绿素含量明显下降，但抗旱性较强玉米自交系的叶绿素含量高于对水分敏感的玉米自交系。本研究发现，与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸后，郑单819、郑单958和郑单6122 的叶片相对含水量、叶绿素含量和Fv/Fm 值均显著升高，这与王泳超等[5]在干旱胁迫下喷施γ-氨基丁酸提高了玉米叶片相对含水量、叶绿素含量和Fv/Fm 的研究结果类似，但是两者的作用原理尚有待进一步研究。

水分缺失会造成植物体内活性氧的增加，进而对氨基酸残基造成破坏，形成羰基衍生物，还会使一些含有金属的酶失活[21-22]，此时植物细胞内清除活性氧的酶促体系SOD、CAT、POD活性和抗氧化物质含量上升，清除植物体内多余的活性氧，以维持植物的正常生理生化状态。本研究发现，干旱胁迫后，与喷施清水处理相比，喷施炭吸附聚谷氨酸显著提高了玉米叶片的SOD、POD、CAT 活性，有效缓解了干旱胁迫对玉米细胞膜的损害。杨丽文等[23]研究发现，外源施加γ-氨基丁酸能提高番茄幼苗SOD、POD、CAT 活性，进而有效缓解胁迫带来的损伤。另外，本研究还发现，喷施炭吸附聚谷氨酸对3个玉米品种的抗氧化酶活性的增强幅度不同，推测与玉米基因型有关。

渗透调节物质在植物缺水状态下对维持细胞吸水起着重要的作用，可以改变细胞内的渗透压，稳定细胞内外的渗透势差，维持细胞内各项生命活动的有序进行[24]。可溶性蛋白作为植物重要的渗透调节物质之一，常被用作评价作物抗逆性的重要指标。本研究发现，与对照相比，喷施炭吸附聚谷氨酸可显著提高干旱胁迫下玉米幼苗叶片的可溶性蛋白含量，有效缓解干旱胁迫造成的细胞内外渗透势失衡，维持玉米的吸水能力和保水能力，与周静云等[25]聚谷氨酸可提高水稻秧苗可溶性物质含量的研究结果类似。

玉米作为一个有机生命体，其体内的各项生理生化活动具有紧密的关联性，研究相关指标间的关联度及关键指标，对调控玉米的生长具有重要意义。张春宵等[26]通过相关性分析及主成分分析明确了玉米萌发期抗旱鉴定的关键指标。崔静宇等[27]通过主成分分析等统计方法对10 个玉米品种苗期抗旱性进行了综合评定。本研究结果显示，喷施炭吸附聚谷氨酸后玉米生长及生理生化指标的恢复系数间具有紧密的联系，其中叶片相对含水量、叶绿素含量和可溶性蛋白含量是炭吸附聚谷氨酸提高玉米苗期耐旱性的关键指标，为玉米抗旱栽培及培育抗旱新品种提供了参考。

玉米总干质量是对光合产物进行消耗、运输和分配的结果，是玉米生长状态和潜在产量的一个重要参考指标。韩学坤等[28]利用灰色关联分析得出，单穗粒质量、百粒质量、穗长等是提高玉米产量的主要因素。本研究发现，玉米总干质量与叶绿素含量、根冠比、Fv/Fm 关联度较高，与抗氧化酶活性也存在着较高的关联度。张秀伟等[29]研究发现，SOD活性、叶绿素含量与玉米自交系产量存在较大的关联度，与本研究结果相似。本研究结果为生产上使用炭吸附聚谷氨酸提供理论依据，为抗旱栽培提供技术支持，后期将系统地探究炭吸附聚谷氨酸缓解干旱胁迫对玉米生长抑制的分子机制。