钙对低温胁迫下玉米种子萌发及幼苗生长的影响

赵娟，王芳，李永生，姚海梅，张同祯，方永丰，王汉宁

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070)



钙对低温胁迫下玉米种子萌发及幼苗生长的影响

赵娟，王芳，李永生，姚海梅，张同祯，方永丰，王汉宁

(甘肃省干旱生境作物学重点实验室，甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070)

【目的】 研究外源钙对低温胁迫下玉米幼苗根系保护酶活性、玉米种子萌发及幼苗生长的影响，以期为提高玉米苗期抗寒性及玉米抗寒育种提供理论依据.【方法】 以‘郑单958’玉米种子为试验材料，用不同浓度(0、5、10、15、20 mmol/L)的CaCl2溶液处理低温胁迫下的玉米种子，研究低温胁迫下CaCl2对玉米种子萌发和幼苗生长的影响.【结果】 低温明显抑制了玉米种子的萌发，影响了玉米苗高和根长的增加，抑制了脯氨酸和可溶性糖含量的累积，提高了丙二醛(MDA)含量.一定浓度的外源钙(5～15 mmol/L)可提高低温胁迫下玉米种子的发芽率，提高玉米幼苗根系脯氨酸含量的积累，抑制丙二醛含量的增加.【结论】 不同浓度钙对低温胁迫的缓解程度不同，适宜浓度的外源钙(5～15 mmol/L)能明显改善低温胁迫对玉米幼苗生长的抑制作用，提高玉米幼苗对低温胁迫的适应性，增加玉米种子萌发和幼苗正常生长的能力.浓度为10 mmol/L的CaCl2溶液处理对玉米低温胁迫的缓解效果最佳.

玉米；外源钙；低温胁迫；种子萌发；幼苗生长

低温是影响植物生长发育及其产量形成的主要非生物胁迫[1].有研究表明，低温胁迫会破坏细胞膜结构，引起细胞膜脂过氧化，导致蛋白质活性降低，进而抑制作物光合作用及信号应答途径、阻碍作物碳水化合物的合成[2]，使植物的正常生长受阻甚至植株死亡[3,4].玉米(Zeamays)是我国主要的粮食、饲料及加工原料，在我国国民经济发展中具有重要地位.2014年全国玉米播种面积已达到0.37亿hm2，已超过水稻和小麦成为我国第一大粮食作物.同时，玉米生长过程对温度条件要求较高，气温过低会影响苗期根系对水分和矿物质的吸收，阻碍其后期生长发育和产量的形成.

钙是植物生长发育过程中的重要元素之一，它不仅作为第二信使偶联胞外信号与胞内生理反应，并且在酶活性调节、维持细胞壁、细胞膜以及膜蛋白稳定性等方面都发挥着重要作用[5,6].研究表明一定浓度的外源钙可提高水稻[7]和小麦[8]的耐盐性，调节柑橘的抗热性[9]，提高水稻[10]、茄子[11]和辣椒[12]的抗寒性，在植物的生长发育及其对环境的反应和适应性中起着重要的作用[6,13].根系是植物从环境中吸收水分和营养的主要器官，其生长发育状况直接影响着植物的整个生长发育.关于钙对玉米抗寒性调节的报道中，对玉米地上部分的研究较多，而对玉米地下根系的生理特性影响研究报道较少.

本试验以玉米品种‘郑单958’为材料，研究外源钙对低温胁迫下玉米幼苗根系保护酶活性、玉米种子萌发及幼苗生长的影响，以期为提高玉米苗期抗寒性及玉米抗寒育种提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料

试验所用材料为玉米品种‘郑单958’.挑选大小一致的种子，用0.1%的HgCl2消毒5 min，再用蒸馏水漂洗干净，浸种12 h后播种于底部覆有滤纸的无菌培养皿中(直径为15 cm)，分别添加30 mL浓度为0、5、10、15和20 mmol/L的CaCl2处理液(用Hoagland完全营养液配置)，在20 ℃培养箱中黑暗培养24 h.

1.2 方法

将培养24 h的玉米种子分为2组.第1组：将处理后的种子置于10 ℃、黑暗条件下进行低温培养.采用称量法每日补足CaCl2处理液到30 mL.每天记录玉米发芽数及发根数(以芽长超过40 mm，根长超过1 cm为发芽标准).30 d后统计其发芽率、活力指数和萌发速率，每处理设3次重复.第2组：将处理后的种子置于25 ℃培养箱中暗发芽出苗，到三叶一心期时选取生长一致的幼苗移栽到装有蛭石的塑料花盆(外裹遮光黑布)中，每盆3株，每隔2 d用1/5浓度的Hoagland营养液浇灌.待幼苗长出第4片真叶时，选取整齐一致的幼苗分别用不同浓度CaCl2营养液(Hoagland)处理3 d，随后将幼苗置于10 ℃下预处理2 h，缓慢降温至4 ℃进行低温胁迫，分别在处理0 h和48 h后取样，测量幼苗苗高、根长、茎叶干质量、根系干质量、茎叶鲜质量及根系鲜质量.根系活力采用α-萘胺法测定[14]，根系活跃吸收面积采用甲烯蓝吸附法测定[15]，脯氨酸含量测定采用茚三酮法[14]，丙二醛(MDA)和可溶性糖含量采用TBA法测定[16]，每处理设3次重复.

1.3 数据处理

所有试验数据用SPSS 19.0软件进行数据分析，Microsoft Excel 2003软件作图.

2 结果与分析

2.1 外源钙对低温胁迫下玉米种子萌发的影响

不同浓度外源Ca2+处理显著提高了低温胁迫下玉米种子发芽率(图1)、种子活力指数(图2-A)和种子萌发速率(图2-B).5、10、15和20 mmol/L CaCl2溶液处理下玉米种子发芽率较对照分别提高了8.0%、44.0%、20.0%和12.0%；种子活力指数分别提高了58.6%、157.6%、84.7%和55.7%；种子萌发速率较对照分别增加了37.3%、123.4%、72.0%和36.2%.其中10 mmol/L CaCl2溶液处理缓解作用显著好于其他CaCl2溶液浓度处理(P<0.05).说明外源钙处理能够缓解低温胁迫对玉米种子萌发的抑制作用，不同浓度CaCl2处理对低温胁迫的缓解效果不同，其中缓解效果最佳的CaCl2溶液浓度为10 mmol/L.

2.2 外源钙对低温胁迫下玉米幼苗生长的影响

生物量是植物抗逆性的直接指标之一，能够综合体现植物对逆境胁迫的反应.从表1和表2可知，不论低温胁迫前(0 h)还是低温胁迫(48 h)后，不同CaCl2溶液浓度处理下玉米幼苗苗高、根长、根条数、玉米茎叶鲜质量、根鲜质量、茎叶干质量和根干质量与对照相比皆有不同幅度的增加，且大部分处理间存在显著差异(P<0.05).说明一定浓度范围内的CaCl2溶液(5～20 mmol/L)处理对玉米幼苗的生长起到促进作用，且可以明显缓解低温胁迫对玉米幼苗生长的抑制作用.

图1 外源钙对低温胁迫下玉米种子发芽率的影响Fig.1 Effects of exogenous Ca2+ on the germination of maize seeds under chilling stress

图2 外源钙对低温胁迫下玉米种子活力指数和萌发速率的影响Fig.2 Effect of exogenous Ca2+ on index of vigor and germination rate of maize seeds under chilling stress

表1 外源钙对低温胁迫下玉米幼苗生长的影响Tab.1 Effects of exogenous Ca2+ on growth of maize seedlings under chilling stress

同列不同字母表示差异显著(P<0.05,n=5).

表2 外源钙对低温胁迫下玉米幼苗生长的影响

Tab.2 Effects of exogenous Ca2+on growth of maize seedlings under chilling stress

CaCl2处理/(mmol·L-1)胁迫时间/h茎叶鲜质量/g根系鲜质量/g茎叶干质量/g根系干质量/g0(CK)00.3396±0.013a0.4040±0.024b0.0316±0.0021bc0.0352±0.0019b480.3198±0.018a0.3332±0.011a0.0230±0.0007a0.0302±0.0011a续表2CaCl2处理/(mmol·L-1)胁迫时间/h茎叶鲜质量/g根系鲜质量/g茎叶干质量/g根系干质量/g500.4450±0.034b0.4836±0.016c0.0522±0.0012e0.0374±0.0018bc480.3588±0.016a0.4142±0.018b0.0312±0.0007b0.0310±0.0008a1000.4754±0.032b0.6758±0.010f0.0590±0.0023f0.0450±0.0021e480.4910±0.014b0.6412±0.014ef0.0412±0.0016d0.0436±0.0014de1500.4684±0.025b0.6456±0.027ef0.0562±0.0032ef0.0426±0.0012de480.4596±0.018b0.5982±0.005de0.0374±0.0023cd0.0404±0.0010cd2000.4280±0.015b0.5804±0.008d0.0554±0.0021ef0.0378±0.0007bc480.4398±0.023b0.4718±0.018c0.0358±0.0018bcd0.0384±0.0009bc

续表

同列不同字母表示差异显著P<0.05,n=5.

2.3 外源钙对低温胁迫下玉米根冠比、玉米幼苗根系活力和根系活跃吸收面积的影响

根系是植物重要的器官之一，其生长发育直接影响植物地上部分生长，根系严重发育不良极有可能直接导致植物死亡.从图3可知，不同浓度的外源CaCl2处理下，低温胁迫前(0 h)和低温胁迫(48 h)后的玉米根冠比(图3-A)、根系活力(图3-B)及根系活跃吸收面积(图3-C)与对照相比均有提高.其中，10和15 mmol/L 的CaCl2溶液处理缓解作用最明显.低温胁迫前(0 h)根冠比较对照显著提高21.3%和16.3%；根系活力显著提高48.2%和35.8%；根系活跃吸收面积显著增加33.0%和6.3%(P<0.05).低温胁迫48 h后根冠比显著增加23.2%和21.4%；根系活力显著提高了54.3%和38.7%；根系活跃吸收面积显著增加了54.8%和45.1%(P<0.05).说明外源Ca2+处理能够减小低温对玉米根系的胁迫，改善低温胁迫下玉米幼苗根系的生长发育.

2.4 外源钙对低温胁迫下玉米幼苗根系可溶性糖含量、MDA含量和脯氨酸含量的影响

大多数植物体内可溶性糖含量、MDA含量和脯氨酸含量往往被证明与植物抗寒性相关.有图4可知，低温胁迫48 h后10 mmol/L的CaCl2溶液处理下可溶性糖含量(图4-A)较对照显著增加5.9%(P<0.05).10和15 mmol/L的CaCl2溶液处理下脯氨酸含量(图4-C)与对照相比差异达到极显著水平(P<0.01)，分别增加了23.0%和17.5%.5、10和15 mmol/L的CaCl2溶液处理下MDA含量(图4-B)较对照分别减少了32.8%、57.9%和6.0%.其中10 mmol/L的CaCl2溶液处理与对照相比差异显著(P<0.05).说明低温胁迫下外施不同浓度外源Ca2+能够调控这些与抗寒性相关物质的含量，从而缓解低温胁迫伤害.

图3 外源钙对低温胁迫下玉米幼苗根冠比、根系活力和根系活跃吸收面积的影响Fig.3 Effect of exogenous Ca2+ on root/shoot ratio,root activity and active uptake area of maize seedlings under chilling stress

图4 外源钙对低温胁迫下玉米幼苗根系可溶性糖含量、MDA含量和脯氨酸含量的影响Fig.4 Effect of exogenous Ca2+ on the soluble sugar,MDA and proline content in roots of maize seedling under chilling stress

3 讨论

目前，关于Ca2+在植物抗逆性中的作用已有大量报道，包括外界刺激使植物细胞质内钙短暂增加[17]，钙可提高植物的抗寒性[18]，以及钙、钙调素对原生质体抗冻性的调节作用等[19].在植物生长过程中，根系起着至关重要的作用[20]，根系活力、生长情况和代谢水平更是直接影响植株地上部分的生长和发育[21].持续的低温导致植物根系生长缓慢，呼吸作用减小，植物体内营养物质的吸收和运输被限制，进而影响植物的正常生长.本研究用不同浓度(5～20 mmol/L)的CaCl2溶液处理低温下的玉米种子和幼苗，其根冠比、根系活力和根系活跃吸收面积均高于未经CaCl2的对照.同时，CaCl2对低温胁迫下玉米种子萌发和幼苗生物量累积的抑制作用也得到明显缓解.说明适宜浓度的Ca2+可促进玉米种子的萌发和幼苗的生长，对加快根系生长、提高呼吸速率和幼苗生物量的累积起到一定的作用.因此，外施CaCl2可缓解低温胁迫对玉米幼苗的伤害，提高玉米植株的耐寒性.这与姜丽娜等[22]和宋广树等[23]的研究结果一致.

植物适应低温胁迫的一大基本特征即渗透调节.低温胁迫下植物细胞膜透性首先发生变化，植物细胞内溶液外渗，引起代谢紊乱，积累大量自由基，加剧膜脂过氧化作用，大量积累MDA，破坏细胞膜结构的稳定性，最终导致植物死亡.因此，低温胁迫下的植物可通过增加渗透调节物质的积累量来适应外界刺激.脯氨酸和可溶性糖均为植物体内重要的渗透调节物质.本研究中，外源Ca2+可明显提高玉米幼苗根系中脯氨酸和可溶性糖含量，从而增加玉米幼苗细胞内溶液浓度，降低冰点，增强细胞的保水能力，维持细胞内外物质交换的平衡，保证细胞代谢正常.这一结果与彭向永等[24]和廖金柯等[25]的研究结果基本一致.同时，外源Ca2+处理可降低低温胁迫下玉米幼苗根系中MDA含量，说明Ca2+能够缓解胁迫下玉米幼苗细胞膜过氧化程度，增强细胞内抗氧化酶的活性，减少胞内自由基的累积，提高细胞膜结构的稳定性，从而提高玉米幼苗耐寒性.这一结果与张燕等[26]、周玉萍等[27]、张化生等[28]的研究结果基本一致.

不同浓度的Ca2+对玉米低温胁迫的缓解效果不同，存在最适Ca2+浓度，当超过最适浓度后，会产生毒害作用，影响Ca2+对玉米抗寒性的调节效果.这与冀乙萌等[29]的研究结果一致.其原因可能是Ca2+与植物细胞内磷酸根形成磷酸钙沉淀，从而抑制呼吸作用所致[30].本研究中10 mmol/L的CaCl2溶液对缓解玉米在低温胁迫下受到的抑制效果最为显著.

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(责任编辑 胡文忠)

Effects of calcium on maize seed germination and seedling growth under low temperature stress

ZHAO Juan,WANG Fang,LI Yong-sheng,YAO Hai-mei,ZHANG Tong-zhen,FANG Yong-feng,WANG Han-ning

(Gansu Provincial Key Lab of Aridland Crop Science，College of Agronomy,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China)

【Objective】 The research aimed to study the effect of exogenous calcium on maize root protective enzyme activity,seed germination and seedling growth under chilling stress and provide theoretical basis for improving cold-resistance at seedling stage and cold-resistance breeding.【Method】 Zhengdan 958 maize seeds was used as the experiment material to study the effects of calcium at different concentrations (0,5,10,15 and 20 mmol/L) on maize seed germination and seedling growth under low temperature stress.【Result】 The results showed that low temperature obviously inhibited the germination of maize,impacted the increase of seedling height and root length,inhibited the accumulation and increased MDA content.Exogenous calcium (5～15 mmol/L) was able to enhance the seed germination rate,improve the accumulation of proline and inhibit the increase of MDA content in roots of maize seedling under low temperature stress.【Conclusion】 The exogenous calcium at the concentrations of 5～15 mmol/L could significantly reduce the inhibiting effect of low temperature stress on growth of maize seedlings,improve the adaptability,seed germination and seedling growth under low temperature stress.The best abating effect of CaCl2appeared at the concentration of 10 mmol/L.

maize;calcium;low temperature stress;seed germination;seeding growth

赵娟(1991-)，女，硕士研究生，主要研究方向为玉米育种.E-mail:chirinese@126.com

王汉宁，男，教授，博士，主要从事玉米遗传育种研究.E-mail:wanghn@gsau.edu.cn

国家“973”计划前期研究专项(2012CB722902)；甘肃农业大学盛彤笙科技创新基金项目(GSAU-STS-1229)；甘肃省创新研究群体基金项目(1308RJZA005).

2015-10-28；

2015-12-25

S 513

A

1003-4315(2016)06-0030-06