不同种植方式下玉米叶片叶绿素和可溶性蛋白含量变化

2012-12-23宋凤斌

土壤与作物 2012年1期

周璇，宋凤斌

(1. 中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130012;2. 中国科学院研究生院，北京100049)

叶片是进行光合作用的主要器官，玉米叶片趋于衰老时，叶片内叶绿体出现有序崩解，叶绿素分解加快，含量随衰老的进程而逐步下降，所以叶片的叶绿素含量可作为叶片衰老的重要生理指标，叶绿素逐渐丧失是玉米叶片衰老最明显的特点。可溶性蛋白质是植物所有蛋白质组分中最活跃的部分，包括各种酶源、酶分子和代谢调节物。可溶性蛋白反映植物体的总代谢水平，其含量是了解植物对环境抗逆性的一个重要指标［1］。在玉米衰老的过程中，叶片可溶性蛋白含量可作为衡量叶片衰老程度的指标之一。玉米不同叶位叶片的生长发育进程不同，各组叶片的功能也不同［2］，研究玉米不同叶片的叶绿素及可溶性蛋白含量随叶片生育进程的变化，可了解不同种植方式对不同叶位叶片衰老进程的影响，进而评价不同种植方式对玉米产量的影响。研究采用的种植方式包括传统均匀垄种植方式和两种宽窄行种植方式。很多研究表明宽窄行种植方式有利于提高玉米产量［3－5］，而为什么宽窄行种植方式能提高玉米产量，不同宽窄行种植方式的增产效果是否不同，增产效果是植株哪部分叶片的贡献，却没有从理论上给出回答。对不同宽窄行配置的种植方式下的玉米群体叶片的生长发育过程中叶片的叶绿素含量、可溶性蛋白含量状况进行分析，可以得知整个植株个体生长状况，更好地了解不同叶位叶片在生长发育上的异同，有助于在高产栽培实践中采取相应的技术措施，促进叶片的光合作用，延长叶片功能期，为防治叶片早衰提供栽培技术措施依据［6］。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验于2010 年在吉林省德惠市米沙子镇晨光村进行，地处吉林中部平原黑土区，属于寒温带半湿润区，大陆性季风气候水资源丰富，雨热同季，该地区2010 年平均气温4.2 ℃，≥10℃的有效积温为2 860 ℃·d，年降水量409.7 mm，无霜期145 d 左右。试验区土壤类型为中层典型黑土，壤质黏土;表层0～20 cm 土壤属中性或微酸性，pH 值在6.5 左右;20 cm～30 cm 土壤属中性土壤，pH 值在7.0 左右。基础肥力为有机质含量26.90 g·kg－1，全氮1.20 g·kg－1，全磷1.06 g·kg－1，全钾16.87 g·kg－1，速效氮118.80 mg·kg－1，速效磷18.00 mg·kg－1，速效钾111.00 mg·kg－1，土壤密度1.12 g·cm－3。

1.2 供试品种及试验设计

试验选用了玉米耐密春玉米品种，实验地3 个大区，采用3 种种植方式，见表1，每种种植方式为1个区。其中选用两种宽窄行种植方式，第一种宽窄行种植方式90 ×40 (P1)是在东北地区推广多年的种植方式，取得了一定的增产效果;第二种宽窄行种植方式170 ×30 (P2)是中科院东北地理与农业生态研究所已进行几年的实验项目，已连续几年增产。P2O5和K2O 用量均为82.5 kg·hm－2，氮肥用量为180 kg·hm－2，其中磷、钾肥基施，氮肥40%作基肥，60%作追肥。2010 年5 月4 日播种，均采用机械播种，田间管理均一致，2010 年9 月27 日收获。

表1 3 种种植方式Table 1 Three kinds of cropping patterns

1.3 测定项目与方法

1.3.1 取样时间与方法玉米全株叶片分组情况见表2。叶尖抽出5 cm 开始算抽出的第一天，每隔7 d取样，直至叶片衰老或收获为止。每个大区，每次采样按“S”型采样法进行采样，按随机、等量的原则进行破坏性取样，每小区取有代表性植株3 株，每株取的各叶组的代表叶1 片，见表2，将其及时放入冰盒带回实验室，洗净叶片表面的尘土和污物并用吸水纸小心擦干，去除叶脉。每片代表叶取3 次重复，即分别取叶片根部、中部和叶尖进行实验测定。

表2 玉米全株叶片分组情况Table 2 Different leaf groups under three planting patterns

1.3.2 指标测定与方法。叶绿素含量测定法:采用丙酮浸提分光光度法测定，参照Lichtenthaler 等对Amon 法修正过的方法。在样品叶片中部取一定叶面积，称出0.2 g，剪碎，放人一定体积的80%丙酮中充分提取，充分浸泡、摇匀，用分光光度计测定663 nm、646 nm 下的吸光度D663、D646，重复测定3 次。通过以下公式计算:

通过换算并计算得出总叶绿素a+b、叶绿素a、叶绿素b 含量和叶绿素a/b 比值。

可溶性蛋白含量测定:考马斯亮蓝G－250 染色法［7］，重复测定3 次。

1.4 统计分析

用Excel 软件分析处理数据、画图，用SPSS 17.0 进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植方式下不同叶位叶片叶绿素含量的变化

图1 不同种植方式下玉米不同叶位叶片叶绿素总量变化Fig.1 Changes of total chlorophyll under different planting patterns

2.1.1 不同叶位叶片叶绿素a+b 含量。由图1 可知，不同叶位叶片的叶绿素总量的变化趋势一致，都呈“单峰状”:叶片伸展初期的快速上升阶段、叶片全展后的相对稳定阶段和叶片开始衰老的下降阶段，并且不同叶位叶片从叶尖伸出到叶片叶绿素总量达到峰值所需的天数大致相同，大约在叶片全展后很快就达到峰值。所不同的是不同叶位叶片的叶绿素总量的峰值不同，并且不同叶位叶片的叶绿素含量保持高值的时间长度也不同。其中以第16 叶(中部叶片)的叶绿素含量最高，功能期最长;其次是第10 叶(下部叶片)、第20 叶(上部叶片)，以第4 叶(基部叶片)的功能期最短，叶绿素含量最低。上部叶片虽然比中部叶片后抽出，但比中部叶片早衰。

表3 3 种种植方式下不同叶位叶片整个生长期内叶绿素a+b 含量SSR 比较Table 3 SSR comparision of chlorophyll atb contents under different planting patterns

表3 表明，宽窄行处理对基部叶片和下部叶片的叶绿素a +b 含量影响比对中部叶片和上部叶片影响大。对于基部叶片和下部叶片来说，叶绿素a+b 含量大小随着宽行距的增大而增大，宽窄行处理与等行距处理之间存在显著性差异;而对于中部叶片和上部叶片来说，叶绿素a +b 含量大小顺序是:宽窄行90×40 (P1) ＞宽窄行170 ×30 (P2) ＞传统种植方式65 ×65 (CK)，并且两种宽窄行之间的差异均不显著，差异性主要体现在宽窄行处理与等行距处理之间。3 种种植方式之间的叶绿素a +b 含量差异大小随着叶片生育进程的推进而逐渐加大，叶片全展后叶绿素a +b 含量下降加快。可看出，中部叶片叶绿素含量变化最大，基部叶片变化幅度最小;宽窄行处理对基部叶片的叶绿素含量变化幅度影响大。

2.1.2 叶片叶绿素a 含量。图1 表明，所有叶位叶片的生长期间叶片的叶绿素a 含量同叶绿素a +b 含量都有极显著的相关性(p ＜0.01)，叶绿素a 含量变化与叶绿素a +b 含量变化是同增同降的关系。叶绿素a 含量在3 种种植方式下的大小顺序为:宽窄行170 ×30 处理(P2) ＞宽窄行90 ×40 (P1) ＞传统种植方式65 ×65 (CK)，此结果同叶绿素a+b 含量一致。从表4 可看出，对于基部叶片和下部叶片来说，叶绿素a 含量大小随着宽行距的增大而增大，宽窄行处理同等行距处理之间两者都有显著性差异;而对于中部叶片和上部叶片来说，叶绿素a 含量大小接近，以等行距处理值最小，两种宽窄行之间的差异均不显著，差异性主要体现在宽窄行处理与等行距处理之间。

表4 3 种种植方式下不同叶位叶片整个生长期内叶绿素a 含量均值SSR 比较Table 4 SSR comparison of chlorophyll a contents under different planting patterns

2.1.3 叶片叶绿素b 含量。

表5 3 种种植方式下不同叶位叶片整个生长期内叶绿素b 含量均值SSR 比较Table 5 SSR comparison of chlorophyll b contents under different planting patterns

由图1 可知，对于不同叶位的叶片来说，叶绿素b 含量变化曲线趋势很相似，都呈现出先缓慢上升又缓慢下降的趋势，在叶片全展后出现了相对的高值，并且这个高值出现的时间要早于叶绿素a +b 含量、叶绿素a 含量的峰值出现时间。对于基部叶片和下部叶片来说，叶绿素b 含量在传统种植方式(CK)与两种宽窄行种植方式之间差异均显著;对于中部叶片和上部叶片来说，处理间差异均不显著性，说明叶绿素b 含量受光照环境影响较大，叶绿素b 含量大小与叶片衰老进程关系较大。

2.1.4 叶绿素a/b 的变化情况。

图2 3 种种植方式下玉米不同叶位叶片叶绿素a/b 比值变化情况Fig.2 Chlorophyll a/b ratio under different planting patterns

从图2 可看出，叶绿素a/b 比值在不同叶位的变化趋势一致，从叶片伸出到叶片开始衰老叶绿素a/b比值一直处于下降的趋势中，直到叶片衰老中后期叶绿素a/b 比值开始上升，且上升速度比叶片生长前期下降速度快。不同叶位间的叶绿素a/b 比值的范围大小一致，说明对于同一株玉米来说不同层次的叶片虽然光照环境不同，但是叶绿素中叶绿素a 和叶绿素b 的比值稳定。

2.3 不同种植方式下不同叶位可溶性蛋白含量的变化情况

图3 不同种植方式下玉米不同叶位可溶性蛋白含量的变化情况Fig.3 Solute protein of leaf groups under different planting patterns

从图3 看出，玉米不同叶位叶片的可溶性蛋白含量在叶片整个生育期内呈现单峰曲线，从叶片抽出初期到叶片全展之间呈上升趋势，叶片全展后到叶片开始衰老期间维持较高水平，玉米叶片衰老后期可溶性蛋白含量明显降低。其中，基部叶片和下部叶片的峰值没有中部叶片和上部叶片那么明显。

表6 表明，玉米的下部叶片对于种植方式较敏感，可溶性蛋白含量在处理间均表现差异性显著。不同叶位叶片的可溶性蛋白含量在宽窄行处理和均匀垄处理之间均有显著性差异。

表6 3 种种植方式下不同叶位叶片整个生长期内可溶性蛋白含量均值SSR 比较Table 6 SSR comparison of solute protein contents under different planting patterns

3 讨论

叶绿素存在于光合作用重要器官——叶绿体中，是植物光合色素中最重要的一类色素，叶绿素包括叶绿素a 和叶绿素b，约占叶绿体色素总量的75%左右。叶绿素含量能直接反映叶片光合能力，叶绿素的损失是叶片衰老的最明显的生理标志，其降低幅度可以代表叶片的衰老程度。叶绿素a 是光合作用的中心色素分子，它能把光能转换为电能，然后转化为活跃的化学能供生命活动所需;叶绿素b 主要功能是吸收和传递光能，同时在PSⅡ复合体的组装及维持其稳定性中也必不可少。叶绿素中叶绿素a 对活性氧的反应较叶绿素b 敏感［8］。对水稻的研究中发现，叶绿素含量随叶片衰老加深逐渐下降，其中叶绿素a 比叶绿素b 降解速度更快［9］。从表3、4、5，可以看出，基部叶片和下部叶片的叶绿素总量及叶绿素a 和叶绿素b的含量均表现为:宽窄行170 ×30 (P2) ＞宽窄行90 ×40 (P1) ＞传统65 ×65 (CK)，说明宽窄行的宽行距的增加使冠层内透光变好，较好的光照条件促进叶绿素a 的形成，延缓叶绿素a 的降解。当然也有人认为，遮荫低光照环境下叶片中叶绿素a 含量会增加［11－12］。叶绿素a/b 低，表明光合单位较大，收集光的能力强，光补偿点低;高的叶绿素a/b 值有利于其保持更高的光合速率、光合能力和更稳定的光合结构。本实验中叶绿素a/b 在叶片刚展开时较高，可能与叶片自身生长迅速，需要大量光合产物有关;中期出现最低点，但在叶片生长后期随着生育期的推进呈升高趋势，是由于叶片接近衰老时叶绿素a 降解速度高于叶绿素b。

玉米叶片中可溶性蛋白主要是一些酶蛋白，包括磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)和核酮糖二磷酸羧化酶(RuBPC)等活化酶，是反映碳素同化的关键酶。叶片的衰老往往与叶片中可溶性蛋白的减少有密切关系［13］，叶片失绿的蛋白质含量减少可作为衡量叶片衰老最重要的生理指标［1］。叶片衰老期间蛋白质被大量降解，其降解产物被运往生长旺盛的部位继续利用［14］。研究发现，在叶绿素尚未破坏之前，叶片内蛋白质已下降到正常水平之下，蛋白质丧失是叶片衰老的一个早期表现，与叶绿素和RNA 相比，蛋白质的丧失要早得多［15］。叶片衰老过程中可溶性蛋白的减少被认为主要是蛋白质降解加速的结果［13，16－18］。结果显示:可溶性蛋白含量下降的确早于叶绿素。随着种植方式中宽行距的增加，不同叶位可溶性蛋白含量变化不明显，说明种植方式对不同层次叶片的环境调控不同。宽窄行处理下可溶性蛋白含量显著高于均匀垄处理，说明宽行距的增加有利于叶片生产和积累较多的光合产物，有较充足的源为籽粒灌浆提供重要的物质基础。

宽窄行处理改善了玉米群体环境条件，对于不同层位叶片的影响效果不同，而这种影响对于最终的光合产物积累效果如何，值得进一步研究，这将对玉米的高产栽培提供合理的理论支持。

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