干旱胁迫下玉米幼苗对外源壳寡糖处理的生理响应

2022-03-10徐婷

安徽农学通报 2022年3期

徐婷

摘要：为明确干旱胁迫下玉米幼苗对外源壳寡糖处理的生理响应，以先玉335为供试材料，研究干旱胁迫下叶面喷施壳寡糖对玉米幼苗生长、抗氧化系统及渗透调节物质的影响。结果表明，干旱胁迫显著影响玉米植株的生长，显著降低叶片叶绿素的含量;而喷施壳寡糖能有效地缓解干旱带来的生长抑制作用，增加叶绿素含量。干旱胁迫下喷施壳寡糖，能显著地降低过氧化氢、MDA含量，增强抗氧化酶活性（SOD、POD、CAT、APX），缓解干旱胁迫对细胞膜的伤害。同时，喷施壳寡糖能显著提高叶片内脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量，从而提高叶片的保水能力。因此，壳寡糖可通过降低植株的氧化损伤和提高保水能力来改善玉米幼苗对干旱胁迫的适应，从而提高其抗旱能力。

关键词：干旱胁迫;玉米幼苗;壳寡糖;抗氧化系统

中图分类号 S513 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2022）03-0024-04

Abstract： In order to clarify the physiological response of maize seedlings to exogenous chitosan under drought stress， Xianyu 335 was used as the test material to study the effects of foliar spraying chitosan on the growth， antioxidant system and osmotic adjustment substances of maize seedlings under drought stress. Influence. The results showed that drought stress significantly affected plant growth and significantly reduced the chlorophyll content of leaves. Spraying oligochitosan could effectively alleviate the growth inhibition caused by drought and increase the chlorophyll content. Spraying oligochitosan under drought stress can significantly reduce the content of hydrogen peroxide and MDA， enhance the activity of antioxidant enzymes （SOD， POD， CAT， APX）， and alleviate the damage of drought stress to cell membranes. At the same time， spraying oligochitosan can significantly increase the content of proline， soluble sugar and soluble protein in the leaves， thereby improving the water retention capacity of the leaves. Therefore， chitooligosaccharides can improve the adaptation of maize seedlings to drought stress by reducing the oxidative damage of plants and increasing the water retention capacity， thereby enhancing its drought resistance.

Key words： Drought stress; Corn; COS; Antioxidant system

随着全球变暖，极端天气变化日益频繁，人类面临水资源短缺等一系列严重的挑战。近年来，我国干旱频发，干旱已经成为限制农作物产量的主要因素，严重影响农作物的生长发育与产量形成[1]。在我国，干旱、半干旱地区的面积约占耕地总面积的50%，主要分布于华北、西北、西南等地区[2]。玉米是我国第一大粮食作物，50%以上种植在干旱、半干旱地区。玉米属于需水量较多且对水分较敏感的作物[3]，生长期需水量较大，增强玉米的抗旱能力已成为玉米生产上亟待解决的关键问题。

目前在玉米生产中，多采用抗旱玉米品种选育及多种耕作栽培措施和化学调控来减少干旱胁迫对玉米生长的危害。其中，外源施用化学调控物质因具有成本低、效率高、易操作等特点而被广泛應用。壳寡糖（COS）是甲壳素脱N-乙酰基的产物壳聚糖降解而成的低聚糖，也是天然糖中唯一大量存在的碱性氨基多糖[4，5]。壳寡糖不仅可以调节植物的生长发育，还可以诱导激活植物免疫系统，提高植物的抗逆能力[6]。因此，施用壳寡糖类物质是减少化学农药施用量、提高作物抗性和产量的有效途径。

目前，干旱胁迫对玉米生理生化特性影响的研究已有大量报道，而关于壳寡糖对缓解干旱米幼苗生长、渗透调节系统及抗氧化系统伤害的研究则较少。基于此，本研究以玉米为试材，研究壳寡糖对干旱胁迫下玉米幼苗生理特性，明确壳寡糖缓解干旱胁迫对玉米幼苗伤害的生理机制，以期为增强玉米抗旱性以及减缓干旱胁迫对玉米的危害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料玉米品种为种植面积较大有代表性的玉米品种先玉335。

1.2 试验设计试验于2020年于黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院进行。挑选种子籽粒饱满，大小均匀一致的玉米种子，用10%（V/V）次氯酸钠消毒10min，后用蒸馏水冲洗3次，清水浸种12h，种于高12cm、直径12cm装满营养土的盆中。待玉米幼苗3叶1心时定植每盆3株苗，进行干旱胁迫（采用称重法进行水分控制），并用壳寡糖进行叶面喷施。试验处理如下：（1）CK，土壤相对含水量75%，叶片喷施清水;（2）T1，土壤相对含水量45%，叶片喷施清水;（3）T2，土壤相对含水量75%，叶片喷施0.3%壳寡糖溶液;（4）T3，土壤相对含水量45%，叶片喷施0.3%壳寡糖溶液。叶面喷施以植株叶片全部湿润，欲滴水为度。处理3、5、7d后取样，测定玉米幼苗的生理指标，3次重复，取平均值。

1.3 测定指标

1.3.1 幼苗生长指标试验处理7d后，每处理选取3株幼苗，测量株高和叶面积（叶面积仪）。将植株于烘箱内105℃杀青30min，之后80℃烘干至恒重，测定茎叶和根系的干物质含量。

1.3.2 幼苗叶绿素含量（SPAD值）叶绿素含量用叶绿素仪（SPAD-502）测定。

1.3.3 幼苗过氧化氢（H2O2）含量及MDA含量过氧化氢（H2O2）含量测定采用二氨基联苯胺显色法，丙二醛（MDA）含量测定参照李合生硫代巴比妥酸法。

1.3.4 幼苗渗透调节物质脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定;可溶性糖含量采用蒽酮法测定;可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定。

1.3.5 幼苗抗氧化酶活性超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑光化学反应法;过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定;过氧化氢酶（CAT）活性采用Velikova等方法测定;抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性采用徐朗莱的方法。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下壳寡糖对玉米幼苗生长的影响由表1可知，干旱胁迫下，T1处理玉米幼苗的株高、叶面积、干物质含量及根冠比均显著降低，其中对叶面积和根系干重的影响较大，与对照相比降幅达到40%以上。T3处理，玉米幼苗叶面喷施壳寡糖，与T1处理相比其株高增加18.1%、叶面积增加66.2%、茎叶干重增加38.46%、根系干重增62.5%。叶面喷施壳寡糖可有效地缓解干旱胁迫带来的生长抑制作用。

2.2 干旱胁迫下壳寡糖对玉米幼苗叶绿素含量的影响由图1可知，与正常浇水（CK、T2处理）相比，干旱胁迫处理的玉米幼苗（T1，T3处理）SPAD值显著下降。T3处理较T1处理相比，SPAD值增加7%～29%，且随着干旱胁迫时间的增长，SPAD值增加越多。CK与T2处理未见显著差异。在干旱胁迫下，叶面喷施壳寡糖溶液可有效地增加玉米幼苗叶绿素含量，缓解干旱胁迫的抑制作用，壳寡糖对正常情况下玉米幼苗叶绿素含量的影响不大。

2.3 干旱胁迫下壳寡糖对玉米幼苗过氧化氢（H2O2）含量及MDA含量的影响由图2可知，与正常浇水（CK、T2处理）相比，干旱胁迫处理的玉米幼苗（T1，T3处理）H2O2含量显著上升，T1处理显示出更高的H2O2含量。T3较T1处理相比，H2O2含量降低5.4%%～25.31%，差异显著，且随着处理时间的增加，降低幅度逐渐增大。正常浇水的CK，T2处理相比未见显著差异。植物体内的H2O2会对植物细胞产生毒害作用，干旱胁迫下玉米幼苗体内的H2O2含量显著上升，叶面喷施壳寡糖显著降低了H2O2含量，缓解了干旱胁迫对植株带来的伤害。

MDA是脂膜过氧化的产物，过量的积累对细胞膜具有损害的作用。与正常浇水（CK、T2处理）相比，干旱胁迫处理的玉米幼苗（T1，T3处理）MDA含量显著上升，T1处理显示出更高的MDA含量。T3较T1处理相比MDA含量降低19.03%～22.44%，叶面喷施壳寡糖显著显著降低了玉米幼苗体内MDA含量，有效地缓解了干旱对植株带来的伤害。

2.4 干旱胁迫下壳寡糖对玉米幼苗渗透调节物质的影响由图3可知，脯氨酸含量可反映植物遭受干旱胁迫的情况，与正常浇水（CK、T2处理）相比，干旱胁迫处理的玉米幼苗（T1、T3处理）脯氨酸含量显著上升，T3处理显示出更高的脯氨酸含量。且随着干旱胁迫时间的延长呈现增加的趋势。较T1处理相比，T3处理脯氨酸含量增加39.7%～47.11%，差异显著，叶面喷施壳寡糖有效地增加了玉米幼苗体内脯氨酸含量，提高植株的抗旱能力。正常浇水条件下，CK与T2处理差异不显著，壳寡糖对正常条件下脯氨酸含量无影响。

可溶性蛋白与可溶性糖含量是重要的渗透调节物质。由图3可知，可溶性蛋白、可溶性糖脯氨酸含量呈相同的增长趋势。与T1处理相比，T3处理可溶性蛋白含量增加9.3%～23.95%，可溶性糖含量增加16.64%～21.78%，差异均达到显著差异水平。因此，叶面喷施壳寡糖可有效地增加玉米幼苗体内可溶性蛋白与可溶性糖含量，有效提高植株细胞的保水能力，缓解干旱对植株的伤害。

2.5 干旱胁迫下壳寡糖对玉米幼苗抗氧化酶活性的影响由图4可知，超氧化物歧化酶（SOD酶）对于保护细胞至关重要。图4-A所示，随着胁迫天数的增加，较对照CK相比，其余3个处理SOD酶活性均呈现先上升后下降的趋势。干旱胁迫下，T3处理呈现出更高的SOD酶活性，较T1处理增加54.38%～118.92%，差异达到显著差异水平，原因可能是随时干旱胁迫时间的增加，植物体内遭到破坏导致SOD酶活性降低。正常浇水的处理，T2较对照CK增加54.12%～68.97%，差异达到显著差异水平，正常浇水条件下，叶面喷施壳寡糖可增加玉米幼苗SOD酶活性。

过氧化物酶（POD）H2O2的清除酶。图4-B所示，随着胁迫天数的增加，较对照CK相比，其余3个处理POD酶活性均呈现先上升后下降的趋势。干旱胁迫下，T3处理呈现出更高的活性，较T1处理增加18.64%～44.12%，差异达到显著差异水平。正常浇水的处理，T2较对照CK增加5.24%～28.31%，差异达到显著差异水平，正常浇水条件下，叶面喷施壳寡糖可增加玉米幼苗POD酶活性。

过氧化氢酶（CAT）可将H2O2分解，从而降低H2O2含量。图4-C所示，随着胁迫天数的增加，较对照CK相比，其余3个处理CAT酶活性均呈现先上升后下降的趋势。干旱胁迫下，T3处理呈现出更高的活性，较T1处理增加52.32%～103.04%，差异达到显著差异水平。正常浇水的处理，T2较对照CK增加了23.87%～56.98%，差异达到显著差异水平，正常浇水条件下，叶面喷施壳寡糖可增加玉米幼苗CAT酶活性。

抗坏血酸过氧化物酶（APX）是叶绿体中解毒H2O2的关键酶。图4-D所示，隨着胁迫天数的增加，较对照CK相比，其余3个处理APX酶活性均呈现先上升后下降的趋势。干旱胁迫下，T3处理呈现出更高的活性，较T1处理增加31.25%～90.15%，差异达到显著差异水平。正常浇水的处理，T2较对照CK增加22.51%～46.36%，差异达到显著差异水平，正常浇水条件下，叶面喷施壳寡糖可增加玉米幼苗APX酶活性。

3 结论与讨论

近年来，随着全球气候的急剧变化，干旱已成为限制玉米生长的最常见的环境胁迫之一，严重影响到玉米生长发育和产量形成[7]。研究发现，与正常条件相比，干旱胁迫显著降低了植株的株高、叶面积、干物质含量。叶面喷施壳寡糖可有效地缓解干旱对植株造成的生长抑制作用。这与赵肖琼壳寡糖明显促进PEG下小麦幼苗的结果一致[8]。

安玉艳等研究认为，干旱胁迫下植物体内活性氧失去平衡平衡，自由基大量积累，膜脂过氧化加剧，引起膜脂过氧化产物（MDA）含量增加，加大对几包膜的结构及功能的伤害[9]。本研究发现，在干旱胁迫下，叶面喷施壳寡糖能有效降低玉米幼苗体内过氧化氢、MDA含量，减轻膜脂过氧化程度。

在干旱胁迫下，为了维持细胞的正常生理功能，植物自身进行调节，叶片内渗透调节物质含量升高，而维持自身细胞一定的膨压。脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白是植物中重要的渗透调节物质，在干旱胁迫下，植物叶片内脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量增加，可保持细胞内环境的相对稳定，降低植物细胞内渗透势以适应干旱胁迫。渗透调节物质含量的增加，有利于缓解干旱胁迫对植物造成的伤害[10-11]。本研究发现，干旱胁迫下叶片喷施0.3%壳寡糖溶液，可显著增加脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量，有效保护细胞膜的完整性，缓解干旱胁迫给玉米幼苗带来的伤害。

干旱环境下，植物自身的抗氧化系统开始工作，抗氧化酶活性显著升高，清除活性氧来减少膜质过氧化物的积累，从而保证植物细胞膜的正常功能[12]。本研究表明，随着胁迫时间的延长，喷施壳寡糖后抗氧化酶活性呈现先上升后下降的趋势。说明胁迫初期壳寡糖能有效地增加抗氧化酶的活性，缓解干旱胁迫带来的损伤。随着胁迫时间的增加，植株生理功能受到严重影响，自身调控能力开始减弱。壳寡糖的施用时间及次数则成为壳寡糖有效提高玉米抗旱性的关键，下一步将对这方面的内容展开研究。

参考文献

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[8]趙肖琼，梁泰帅，赵润柱.壳寡糖对PEG胁迫下小麦幼苗生长及抗氧化系统的影响[J].中国农业科技导报，2018，20（4）：20-28.

[9]安玉艳，梁宗锁，郝文芳.杠柳幼苗对不同强度干旱胁迫的生长与生理响应[J].生态学报，2011，31（3）：716-725.

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[11]朱安婷.聚γ-谷氨酸缓解水稻干旱、高盐和低温胁迫的生理机制[J].武汉：华中农业大学，2011.