NO供体硝普钠对干旱胁迫下玉米幼苗抗性生理的影响

2016-10-20王辉植爽吴钰祥

江苏农业科学 2016年7期

王辉　植爽　吴钰祥

摘要：研究不同浓度（0、10、50、100、150、200 μmol/L）硝普钠（SNP）对10%PEG-6000模拟干旱胁迫下玉米幼苗生长及叶片可溶性蛋白含量、丙二醛（MDA）含量、过氧化物酶（POD）活性、活性超氧化物歧化酶（SOD）活性、过氧化氢酶（CAT）活性的影响。结果表明，与对照相比，10% PEG-6000对玉米幼苗的生长起明显的抑制作用，MDA含量升高，可溶性蛋白含量降低，POD、SOD、CAT活性降低。适宜浓度的SNP能有效促进干旱胁迫下玉米幼苗生长发育，显著缓解干旱胁迫对玉米幼苗造成的伤害，使MDA含量降低，可溶性蛋白含量增加，POD、CAT、SOD活性增强，且以 100 μmol/L SNP喷施效果最好。

关键词：玉米幼苗；硝普钠；干旱胁迫；生理特性

中图分类号： S513.01；Q945.78 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0151-04

干旱是一种水量相对亏缺的自然现象，随着环境的恶化，全球气候变暖，干旱已经成为全球性的问题，对作物生长发育和农业生产有巨大影响。作物生长在干旱环境下，由于水分不足，体内的糖类、蛋白质、脂质以及酶系统都会受到严重的影响[1]。因此，研究农作物的抗旱性已成为当前的热门课题。玉米是中国重要的粮食作物和饲料来源，也是全世界总产量最高的粮食作物。玉米原产于拉丁美洲，在我国主要种植于北方干旱少雨地区，玉米是对水分胁迫很敏感的作物之一[2]。因此，研究玉米的抗旱性和植物内在物质的调节机理对玉米的生长发育和增产以及农业发展具有重要意义。

硝普钠（sodium nitroprusside，SNP）全名亚硝基铁氰化钠，是NO的主要供体，NO是参与植物生理活动和生长发育的信号分子[3]，很多研究表明，NO参与植物生长发育的许多过程，例如种子萌发、幼苗生长及植物对逆境环境的响应等[4]。NO的作用具有双重性，适宜浓度的NO可以增强植物抗逆性和抗氧化能力，有效缓解多种胁迫对植物的影响[5-6]。目前，关于玉米在干旱胁迫下各项生理指标变化的研究较多，但对于一定程度干旱胁迫下，硝普钠缓解作用的探究却鲜有报道。本试验用聚乙二醇（10%PEG-6000）模拟干旱胁迫，以玉米幼苗为材料，研究其在一定程度干旱胁迫下，硝普钠对玉米幼苗生长和生理特性的影响，为硝普钠提高玉米幼苗抗旱性提供理论依据，也可为玉米在干旱地区的生产提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

供试玉米种子品种为正田1号，于内江种子市场购得。

1.2 试验方法

选取籽粒饱满、大小均匀的玉米种子，用0.1% HgCl2消毒5 min后，用蒸馏水冲洗5～6次，置于25 ℃恒温箱中浸种24 h，播种在铺有2层滤纸的培养皿中催芽。

1.2.1 PEG-6000浓度筛选选取发芽程度基本一致的种子，播种在直径为15 cm左右的塑料花盆中，定期浇水。待长到3叶1心时，分别加入0、5%、10%、15%、20% PEG-6000处理液，每个花盆种植4株，每个处理栽5盆，每隔 3 d 喷施1次，每个处理每次喷洒PEG-6000体积为1 L，刚好浇透，喷洒时间为18：00以后，共喷5次。培养20 d后根据幼苗生长状况筛选出10% PEG-6000模拟干旱胁迫。

1.2.2 试验设计不同浓度SNP对干旱胁迫下玉米幼苗生长的影响，选取发芽程度基本一致的种子，播种在铺有泥土厚度为18～20 cm的水泥地上，间距6～7 cm，定期浇水。待长到4叶1心时，根据PEG-6000筛选的结果，分别喷洒以下处理液：A，蒸馏水；B，10%PEG-6000；C，10% PEG-6000+10 μmol/L SNP；D，10% PEG-6000+50 μmol/L SNP；E，10% PEG-6000+100 μmol/L SNP；F，10% PEG-6000+150 μmol/L SNP；G，10% PEG-6000+200 μmol/L SNP，试验共设7个处理，3次重复，每次重复30粒种子，种植于内江师范学院大棚。每隔3 d喷施处理液1次，喷洒时间为18：00以后，10% PEG-6000与各浓度SNP体积为1 ∶ 1，3个重复共计使用处理液1 L，共喷洒5次，处理后19 d进行形态指标的测定，20 d进行各项生理指标的测定。

1.3 测定方法

1.3.1 形态指标的测定株高（茎基部至生长点）用直尺测量；地上鲜样先用白色纱布轻轻擦干净，地下鲜样用自来水清洗干净，用吸水纸吸干水分后称取鲜质量，后置于105 ℃恒温箱中杀青15 min，75 ℃烘干至恒质量，分别称取地上干质量和地下干质量。

1.3.2 生理指标的测定可溶性蛋白含量参照Bradford的方法[7]；MDA含量的测定采用硫代巴比妥酸法[8]，POD、CAT活性的测定参考Cakmak等的方法[9]；SOD活性的测定参考Giannopolities等的方法[10]；以上生理指标的测定均重复3次。

1.4 数据分析

采用Excel 2007软件处理数据和绘图，采用SPSS 17.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度聚乙二醇处理对玉米幼苗生长的影响

从表1可以看出，用不同浓度（5%～20%）的PEG-6000处理玉米，幼苗株高、地上鲜质量、地下鲜质量、地上干质量和地下干质量均显著低于对照。当PEG-6000浓度为10%时，与对照比较分别减少了40.13%、59.04%、29.65%、21.43%、41.67%。随着PEG-6000处理浓度上升，玉米幼苗的株高、地上部分和地下部分的鲜质量及干质量呈减少趋势，但3个浓度处理间无显著差异。

2.2 硝普钠对干旱胁迫下玉米幼苗生长的影响

从表2可以看出，10% PEG-6000模拟干旱胁迫下，B处理抑制了玉米幼苗的生长，添加10～200 μmol/L SNP时，玉米幼苗的株高、地上部分和地下部分的鲜质量及干质量均发生变化；SNP处理浓度不同，对玉米幼苗的生长影响不同，其中以SNP浓度为100 μmol/L E处理时效果最好，与干旱胁迫下相比，其株高、地上鲜质量、地上干质量、地下鲜质量和地下干质量分别显著增加54.32%、49.73%、38.40%、65.52%、45.45%；添加150 μmol/L SNP的F处理和添加 200 μmol/L SNP的G处理的玉米幼苗株高、地上部分和地下部分的鲜质量及干质量与E处理相比呈减少趋势。表明外加一定浓度SNP可在一定程度上缓解干旱胁迫对玉米幼苗生长的伤害，但SNP浓度过高或过低均不利于幼苗生长。

2.3 硝普钠对干旱胁迫下玉米幼苗叶片可溶性蛋白含量的影响

从图1可以看出，玉米幼苗在受到干旱胁迫后，叶片中可溶性蛋白含量显著减少，10% PEG-6000干旱胁迫下，B处理蛋白含量比对照减少13.74%；干旱胁迫条件下，随着SNP浓度的升高，可溶性蛋白质含量表现出先增加后减少的趋势，在E处理时达到最高，相比干旱胁迫下增加了15.61%，与其他处理差异显著，但与对照处理差异不显著；添加150 μmol/L SNP的F处理可溶性蛋白含量开始减少，G处理比干旱胁迫下可溶性蛋白含量少9.10%，与其他处理间差异显著。结果表明，可溶性蛋白含量与玉米的抗旱性关系密切，干旱胁迫抑制了可溶性蛋白含量的积累，适宜浓度的SNP能有效缓解干旱胁迫对玉米幼苗的伤害，但过高浓度的SNP可能会对玉米生长产生毒害作用。

2.4 硝普钠对干旱胁迫下玉米幼苗叶片丙二醛含量的影响

从图2可以看出，在干旱胁迫下，玉米幼苗叶片中MDA含量增加了14.48%，但差异不显著；不同浓度的SNP作用下叶片中的MDA含量呈现先减少再增加的趋势，但均明显低于对照，添加100 μmol/L SNP时MDA含量达到最低，与对照相比减少47.16%，与10% PEG-6000干旱胁迫相比减少53.84%，处理间差异显著，缓解效果最好。结果表明，干旱胁迫下，MDA含量会有所增加，但适宜浓度SNP能在一定程度上有效地抑制MDA含量的积累，缓解干旱胁迫对玉米幼苗生长的伤害。

2.5 硝普钠对干旱胁迫下玉米幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

从图3可以看出，玉米幼苗在干旱胁迫条件下，POD、SOD、CAT活性分别比对照减弱33.63%、69.50%、10.87%，其中POD、SOD活性与对照差异显著；加入不同浓度的SNP后，可不同程度地增强抗氧化酶活性，总体上随着SNP浓度的升高，抗氧化酶活性先增强后减弱，其中 100 μmol/L SNP处理时活性最强，与干旱胁迫下相比，POD、SOD、CAT活性分别增强15.31%、97.67%、51.21%，与对照差异显著。

加入SNP后POD活性有所增强，但在添加10～200 μmol/L SNP后，C～G 5个处理间差异不明显；SOD活性在10 μmol/L SNP C处理、200 μmol/L SNP G处理相比干旱胁迫下，酶活性增强幅度相似，2个处理间差异不显著，且在50 μmol/L SNP D处理、150 μmol/L SNP F处理间也无显著差异。CAT活性在不同浓度SNP之间走势与SOD活性类似。结果表明，低浓度SNP（10、50、100 μmol/L）能增强抗氧化酶的活性，缓解干旱对玉米幼苗的胁迫作用，高浓度的SNP（150、200 μmol/L）缓解能力下降。

3 结论与讨论

植物的生长发育受各种环境因素的影响，干旱是其中一种常见的非生物因素，它能影响植物的生长，调节物质的代谢合成。硝普钠是一种常见的NO供体，NO是生物体内一种重要的信号分子，逆境胁迫能够诱导植物体内NO的产生，NO也能够触发细胞的防御反应，调节植物对周围环境的适应反应[11]。相关研究认为，经过不同程度干旱处理，玉米幼苗长势出现明显差异，干旱程度越严重，植株的长势越差[12-13]。相关研究表明，适宜浓度的SNP对Cd2+胁迫下玉米幼苗的生长具有缓解作用[14]，还可提高盐胁迫下玉米幼苗的干物质积累速率[15]。本试验结果表明，加入10～200 μmol/L SNP可增加玉米幼苗株高、地上鲜质量、地下鲜质量、地上干质量、地下干质量，其中以100 μmol/L效果最好，与前人提出植物的生长速率是对逆境胁迫最直观的反应相一致。

可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质之一，具有较强的亲水性，因而能够增强植物吸水和保水的能力，提高细胞液浓度，从而降低渗透势，以提高抗胁迫能力[16]。大多数的可溶性蛋白是参与代谢的酶类，其含量是了解植物体总代谢水平的一个重要指标[17]。干旱胁迫可抑制植物体内蛋白质的合成，减少蛋白质的总含量[18]，加入低浓度的SNP，可溶性蛋白合成能力增强，SNP含量增加可缓解干旱胁迫对植物幼苗的毒害，但过高浓度的SNP会抑制蛋白质含量的积累，不利于植物的生长[19]，本研究中可溶性蛋白质的试验结果与此相同。但在张怀山等对中型狼尾草幼苗的研究中，可溶性蛋白含量在轻度0～10% PEG胁迫下总体表现为显著增加[20]，与本试验结果不同，分析认为干旱胁迫下可溶性蛋白含量的变化可能与试验材料有关。

前人研究表明，MDA作为膜脂过氧化的最终产物，能抑制抗氧化酶的活性，损伤生物膜，通常可以将MDA含量作为膜脂过氧化指标，以表示细胞膜脂过氧化程度及对逆境反应的强弱，MDA含量越高说明植物抗逆性越弱，含量越低则说明抗逆性越强[19]。本试验中玉米幼苗在干旱胁迫下MDA含量增加，加入不同浓度的SNP后，对活性氧伤害后的自我修复能力增强，不同程度地抑制了MDA含量的积累，其中 100 μmol/L SNP处理下MDA含量最少，玉米幼苗的抗旱能力最强。结果表明，适宜浓度SNP可以增强玉米幼苗对干旱胁迫的抵抗能力，具有保护或修复植物细胞膜的作用，从而减轻干旱胁迫对自身造成的伤害。李慧等对小麦的研究结果[21]也证实了这一点。

植物体内的SOD、POD、CAT系统可以清除体内的活性氧，在维持细胞膜结构的完整性和防御活性氧自由基对膜脂的攻击伤害中发挥着重要作用[22]。逆境胁迫使植物体内代谢受阻，打破植物体内氧自由基在正常条件下所持的动态平衡状态，产生大量的活性氧，发生质膜过氧化作用，累积过多有害的过氧化物，致使在细胞水平上对植物造成氧化损伤[23]。本试验结果显示，10% PEG-6000模拟干旱胁迫下SOD、POD、CAT活性显著低于对照，说明干旱胁迫下，抗氧化物酶系统在清除产生的大量活性氧时，活性急剧减弱，以抵御外界伤害。添加SNP后，SOD、POD、CAT活性增强，其中以浓度100 μmol/L效果最为显著。说明SNP对抗氧化酶活性有促进作用，10～200 μmol/LSNP能不同程度地有效缓解干旱胁迫对玉米幼苗造成的伤害。相关研究认为，抗氧化酶活性会随着干旱程度的加剧，呈现先增强后减弱的趋势[24]。也有研究指出，SOD、POD、CAT等3种抗氧化酶中，有的抗氧化酶活性在植物受到干旱的短期内会增强，但随着胁迫时间的延长酶活性又会减弱，但有的酶活性会持续增强[25-26]。综合前人对植物干旱胁迫的研究，认为抗氧化物酶活性的变化会因干旱胁迫程度、胁迫时间、胁迫方式以及试验用材而异。

植物的抗旱性机制比较复杂[27-29]，不能从单一的角度来评定，应综合多个指标进行衡量，从而全面揭示植物抗旱性的本质[30]。本试验中，SNP浓度在10～100 μmol/L时，植物幼苗的株高、地上部分和地下部分的鲜质量及干质量、可溶性蛋白质含量逐渐增加，MDA含量逐渐减少，POD、SOD、CAT酶活性逐渐增强，在 100 μmol/L SNP时各项指标均达到最大值，但当SNP浓度等于大于150 μmol/L，各项指标均出现相反的变化趋势。说明NO对植物体的生理生化代谢具有双重性，与前人研究提出的SNP可以在一定程度上缓解逆境胁迫对植物生长的抑制，但SNP浓度过高或过低均不利于幼苗生长的观点[21，31]一致。

综上所述，在一定程度的干旱胁迫下，适宜浓度的SNP能够改善玉米幼苗生长状况，抑制玉米幼苗MDA含量的积累，促进可溶性蛋白含量的积累，使SOD、POD、CAT活性增强，从而提高玉米幼苗的抗旱能力，缓解玉米幼苗因水分亏缺受到的伤害。

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