低温胁迫对墨西哥玉米幼苗抗寒性的影响

蒋 安,郭彦军,范 彦,向白菊,何 玮,王琳,张 健

(1.重庆市畜牧科学院,重庆 400080;2.西南大学动物科技学院,重庆400716)

墨西哥玉米Zea mexicana是四川农业大学玉米研究所荣廷昭院士为首的研究团队,以玉米Z.mays近缘种属(大刍草Euch laean等)为基础材料,结合高新育种技术,进行种质创新,品种选育,经过多年的研究,育成的一个产量高、饲用品质优良、多抗、广适应性、一年能刈割多次的多年生优质饲草玉米新材料[1-2]。经试验表明,该材料在我国南方和西南地区植株能多年生,生长季节未发现任何病害,生态适应性强。该玉米草茎叶嫩绿多汁,清香甜脆,适口性好,干物质中粗蛋白含量17.9%、粗纤维含量 19.0%、无氮浸出物含量45.5%、粗脂肪和灰分含量分别为 5.5%和12.1%。青饲价值最高,也可青贮或晒制干草,为牛、羊、猪、鱼等喜食的高产优质牧草。

为了促进重庆草地畜牧业发展和提高农民收入,结合当地草地畜牧业和生态建设的现状,重庆市畜牧科学院引入了墨西哥玉米新材料,栽培试验时发现在重庆山区立体气候条件下,该材料在中海拔越冬率较低,自然越冬率为21.4%,低海拔自然越冬率为60.5%。可见,墨西哥玉米虽然适合在重庆地区推广利用,但其越冬情况较差,难以实现多年生长和利用。其原因在于冬春季节低温冷害的发生,导致牧草植株的潜在损伤以致发展成慢性病或不可逆伤害,强烈影响着牧草生长发育,造成牧草产量和品质下降。在低温胁迫下墨西哥玉米植株体内发生一系列生理生化反应,不同品种牧草表现出的抗低温能力也有一定的差异。此研究选择具有突破性的牧草新材料墨西哥玉米——玉米草1号和2号,对其进行低温处理后,研究其植株体内的生理指标变化趋势,探索在低温胁迫下的生理响应规律,并对不同材料的抗低温能力进行比较,为研究防御墨西哥玉米低温冷害提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试品种 墨西哥玉米玉米草1号、2号由四川农业大学玉米研究所提供。

1.2 人工气候模拟 人工模拟鉴定与田间自然鉴定具有很好的一致性,这种方法具有快捷、可重复性高的特点,因此,试验采用人工模拟冷冻试验研究玉米草抗寒生理,对照温度为 25℃(室温),处理温度为5和15℃(在西南大学牧草栽培实验室光照培养箱进行),处理时间分别为6、24、48、72 h 。

1.3 取样 于2009年3月10日,选取玉米草三叶期幼苗移栽于花盆中,待植株恢复稳定生长后,带回实验室低温处理后立即取样并测定各项生理指标。测定分析的样本是幼苗地上部的混合样,样品用量为1～2 g,3次重复。

1.4 指标的测定与分析 脯氨酸(Pro)含量测定采用茚三酮比色法;丙二醛(MDA)含量测定参照张宪政等所用的方法[3];电导率的测定采用电阻法。取3次重复的平均值进行数据分析,以25℃(室温)为对照,着重分析比较5和15℃不同低温处理下,2种材料生理指标变化情况,通过变化规律分析其抗寒性大小。

2 结果与分析

2.1 电导率的变化 电解质渗出率是衡量植株体内细胞内溶物扩散到细胞外的一项生理指标,也是衡量细胞组织的幼嫩程度和细胞质膜是否受到伤害的指标[4]。在通常情况下,细胞内的电解质常受细胞膜的阻隔保留在细胞内,当细胞膜遭受某种伤害时,电解质则大量涌向细胞外,导致电解质激增。研究表明,对低温敏感的植物受到低温胁迫时,细胞原生质结构受到伤害,引起透性增大,而透性越大,电导率越高,说明受到的伤害越重,抗寒性越弱[5]。图1表明,低温胁迫后,玉米草1号和2号的叶片电解质渗出率都呈上升趋势,温度越低,上升得越快,且幅度随胁迫时间的增加而增大,15℃下2种材料的电解质渗出率都表现出先升高后降低的趋势,表明玉米草幼苗对15℃低温在后期产生了某些程度的胁迫适应,但5℃低温下经过72 h仍看不出电解质渗出率有下降的趋势,说明细胞膜受到的伤害较重。2个材料间变化差异明显,5和15℃胁迫后各个处理时间的电解质渗出率均以玉米草1号的增幅最小,说明玉米草1号叶片的细胞膜受低温伤害程度小于2号。

图1 低温胁迫后玉米草幼苗细胞膜透性的变化

2.2 脯氨酸含量的变化 Pro含量的多少直接影响可溶性蛋白质的多少,因为游离Pro能促进蛋白质的水合作用,蛋白质胶体亲水面积增大,能使可溶性蛋白质增多,因此植物处于低温协迫时,它使植物具有一定的抗寒性和保护作用[5],Pro在逆境下的积累对调节渗透压、保持水分、提高原生质胶体稳定性及保持细胞结构可能产生有利效果。游离Pro在细胞内的含量与温度变化有很大关联,研究表明低温可以明显地增加Pro含量,提高细胞的抗逆能力[6]。试验也表明(图2):在低温处理下,玉米草 1号和2号的Pro含量都有所增加,说明低温胁迫下,玉米草幼苗产生了一种防御反应。而15℃低温处理下,玉米草1号和2号Pro含量变化基本一致,前期增加并不明显,到48 h才开始表现出上升趋势。但5℃低温处理下,墨西哥玉米则迅速上升,尤其是玉米草1号在5℃低温处理48 h后Pro含量迅速达到117.09 μ g/g 的峰值,比对照增加了 179%,差异显著,从2个材料Pro含量增加幅度可以看出,墨西哥玉米草1号比2号Pro含量明显增加得多,表明其抗寒性较强。

图2 低温胁迫对玉米草幼苗脯氨酸含量的影响

2.3丙二醛含量的变化 低温胁迫下,植物膜脂过氧化的产物MDA会大量积累,从膜上产生的位置释放出后,与蛋白质、核酸起反应修饰其特征,使纤维素分子间的桥键松弛或抑制蛋白质的合成。MDA的积累可能对细胞,特别是膜造成一定的伤害。随着低温时间的加长,植物本身清除能力下降 ,其MDA含量上升。因而,MDA在植物中的含量多少,可以作为判断植株抗冷害能力的指标之一[7]。由图3可以看出,2个材料叶片中的MDA含量在5℃低温处理下先迅速升高后下降,表明墨西哥玉米对低温的适应需要一定的时间。2个材料的MDA含量上升幅度存在较大差异,玉米草1号MDA含量上升幅度明显低于2号,2号材料在处理24 h后MDA含量迅速达到7.54 μ mol/g的峰值,而 1号材料则是在处理48 h后 MDA含量达到6.62 μ mol/g的峰值,从15℃低温处理后2个材料的MDA含量和上升幅度来看,2个材料耐寒性无明显差异,但从5℃低温处理后2个材料的MDA含量和上升幅度来看,2号材料MDA含量在低温时巨增出现得早,说明5℃低温胁迫下2号材料耐寒性较差。

图3 低温胁迫对玉米草幼苗丙二醛含量的影响

3 讨论与结论

研究表明,低温胁迫下,植物细胞质膜透性会增大,随着胞外电解质大量渗漏,相对电导率也相应增大,但抗寒性强的品种原生质膜的稳定性大于抗寒性弱的品种,因此这一指标可在一定程度上反映品种抗寒性强弱[9]。另一方面,在低温胁迫条件下植物体内超常积累活性氧自由基,引起膜脂过氧化导致冷伤害,这种伤害最明显的变化之一就是积累了大量的膜脂过氧化产物(MDA)。因而MDA是逆境胁迫对生物膜危害程度的重要指标之一[10]。MDA含量变化与植物的抗寒性呈负相关,如果某一品种MDA含量在低温时巨增出现的早,说明抗寒性较差。反之,抗寒性就强。另外,经低温胁迫后Pro含量增加,增加的幅度与品种的抗寒性强弱有关,抗寒性强的品种Pro含量增加多,抗寒性弱的品种则增加少,说明耐寒性强的品种对寒害适应性强,可以积极调动内源物质来防御寒害。

许多的研究表明,植物的耐寒性是一种复杂的生命现象,虽然玉米草是耐寒性较差的作物,但品种间存在较大的差异,并且其耐寒性在不同种质间,同一种质的不同生长阶段表现出明显的不同[11]。本试验中,在5和15℃低温胁迫处理后,玉米草1号和2号的Pro、MDA含量和电解质渗出率变化趋势大体一致,但变化幅度都有所不同。2个材料叶片中的MDA含量在5和15℃低温处理下先迅速升高后下降,而1号MDA含量和上升幅度都较2号小,这说明低温胁迫下1号材料叶片细胞膜脂受伤害程度最轻;低温胁迫还使玉米草1号Pro含量比2号明显增加得多;5和15℃胁迫后各个处理时间的电解质渗出率,均以玉米草1号的增幅最小,说明玉米草1号叶片的细胞膜受低温伤害程度小于2号。因此,以上3个抗寒性相关生理指标的测定结果,均表明玉米草1号比2号有更强的耐寒性。

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