水分胁迫对玉米叶片脯氨酸和丙二醛含量的影响

2017-03-21李涛龙胡笑涛王文娥马武光

节水灌溉 2017年6期

李涛龙，胡笑涛，王文娥，杜斌，马武光

(西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西杨凌 712100)

我国是一个淡水资源相对比较短缺的国家，人均淡水资源占有量是全世界最贫乏的13个国家之一[1]。随着我国人口的增加，提高农产品的产量成为急需解决的问题，而农业年灌溉用水量占全国用水总量的70%[2]，因此，农业节水的研究对缓解我国水资源的压力具有重要的现实意义。

目前人们普遍认为，作物处于某种不利状态(逆境)时会做出保护植株体免受伤害的响应[3]。作物在逆境初期会利用自身的渗透调节作用来抵御逆境伤害，渗透调节的主要物质分为两类：一类是无机离子；另一类是有机溶剂[4]。脯氨酸Pro属于作物渗透调节过程中的有机溶质部分，脯氨酸含量的积累是由于逆境生长过程中为适应不利环境做出的响应，通过积累脯氨酸达到渗透调节的作用。但当不利环境超过作物可调节范围时，会引发和加剧细胞膜脂过氧化作用造成膜系统的损伤。丙二醛MDA是细胞膜脂过氧化的产物[5]。前人已经研究了茶树[6]、板栗[7]、大丽花[8]、豌豆[9]、胡杨[10]、马铃薯[11]、玉米根叶[3]在低温胁迫[12-14]、高温逆境胁迫[15]、干旱胁迫[16]、盐碱胁迫[17]、镉胁迫[18]等逆境下的激素调节和细胞膜脂过氧化作用，认为不利环境条件下作物脯氨酸开始得到积累，达到一定程度后引发细胞膜脂过氧化造成膜系统损伤，危害作物的正常生长。但目前人们仅对作物某一个生育阶段进行了探索，对全生育期干旱胁迫下作物激素调节机制的认识还没有形成完善的体系。作物在全生育期内受到的干旱胁迫有可能会提前得到水分亏缺锻炼，对干旱胁迫有一定的适应性，当作物遭到一定干旱胁迫时，细胞膜脂过氧化产物MDA不会积累那么多。因此，研究全生育期作物体内渗透调节和膜系统损伤程度，对于揭示作物抗旱机理具有重要意义。

玉米是西北地区的主要农作物之一，该地区干旱少雨，产量受土壤水分的影响较大。因此，利用桶栽严格控制土壤水分的方法研究玉米全生育期3个不同灌水下限(50%θf、60%θf、70%θf)和3个不同灌水上限(80%θf、90%θf、100%θf)完全组合的9个处理对叶片脯氨酸和丙二醛含量的影响，旨在探讨西北地区玉米全生育期水分胁迫的生理响应规律，为制订避免干旱胁迫的对策和措施提供理论依据，为科学制订玉米灌溉制度提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2016年4月在西北农林科技大学旱区农业水土工程教育部重点实验室节水灌溉试验站的遮雨棚内进行。该站位于陕西省杨凌区(34°20′N，108°24′E，海拔521 m)，海拔521 m，年平均气温为12.5 ℃，年平均降雨量为632 mm，年平均蒸发量为1 500 mm，属于暖温带季风半湿润气候区。遮雨棚结构为房脊型，长36 m，宽6 m，高4 m，南北两侧分别配置塑料卷帘，方便通风透气。供试玉米品种为“农大375”，土质为“塿土”，试验用桶为高30 cm、直径30 cm的圆柱桶，于试验桶中埋管，管体表面打孔并用筛网包裹，用于灌溉。装入桶中的土壤干容重控制在1.35 g/cm3，经测定田间质量持水率θf为23%。试验于2015年4月20日播种，每筒种5粒，出苗后至3叶1心期定苗1株，2016年8月18日试验结束，全生育期共120 d。

1.2 试验设计

试验在玉米整个生育期进行水分胁迫处理，设9个处理(T1～T9处理)，控制3个灌水下限分别为田间持水率的50%、60%和70%，3个灌水上限分别为80%、90%和100%，9个重复，共81桶。采用称重的方法测定每个处理的桶重，从而计算出各处理的土壤相对含水率。当低于灌水下限时，用量筒(精度为10 mL)向管中灌水至该处理的上限，通过管体小孔湿润土体，并记录每次各个处理的灌水量和灌水时间。为了防止桶内土壤蒸发过快，在每个桶内的土壤表层均匀地撒满蛭石。

1.3 测定指标和数据处理

在拔节期、抽雄灌浆期和成熟期(分别为7月4日、7月20日和8月10日)系统取样，每个处理从灌水上限连续取至灌水下限为一次完整取样。取样时，剪取玉米叶尖部后用湿纱布擦干，样品用锡箔纸包好用液氮冷冻后，置超低温冰箱保存待用。参照张学奎[19]的《植物生理生化实验原理和技术》，采用磺基水杨酸提取茚三酮显色法测定脯氨酸Pro，采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛MDA。土壤含水率的测定，采用称质量法，电子天平精度0.02 kg，测定土壤含水率，阴天1 d测定1次，晴朗天气下1 d测2次，取1 d的含水率平均值。

数据处理：利用SPSS17.0进行显著性检验和相关分析，利用SigmaPlot12.0和Excel 2007绘制图表。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对玉米脯氨酸含量的影响

脯氨酸Pro在植物体内起到重要的渗透调节作用。在逆境条件下，植物体内Pro的含量显著增加，Pro含量在一定程度上反映了植物的抗逆性[19]。

图1为不同生育期内3个灌水下限玉米Pro的累积量与土壤相对含水率的相关关系。由图1可知，土壤相对含水率越高，玉米Pro的累积量越小，即Pro的累积量会随土壤相对含水率的增加而减小。在图1(a)中，当土壤相对含水率接近50%θf和60%θf时，作物会随着水分胁迫的加重Pro的累积量不但不增加反而减小。这是因为，在此含水率范围内玉米自身所遭受的干旱逆境已经超出了其渗透调节的可控范围内。在图1(a)和图1(b)中，灌水下限为60%θf时，Pro的累积量与土壤相对含水率拟合曲线的斜率增大。这说明，将拔节期和抽雄灌浆期玉米的水下限控制在60%θf时Pro对土壤相对含水率的响应更敏感。由图1(c)可知，成熟期玉米的灌水下限为50%θf时，Pro对土壤相对含水率的响应更敏感。这从另一方面说明，成熟期灌水下限达到50%θf时才对玉米形成强烈的水分胁迫。经统计计算发现，玉米Pro累积量的均值随着灌水下限的提高逐渐减小：拔节期分别为91.524 5、83.308 4和81.444 4 μg/g；抽雄灌浆期分别为166.563 9、149.944 4和127.761 1 μg/g；成熟期分别为123.844 4、120.108 3和114.744 4 μg/g。整体上看，抽雄灌浆期玉米Pro累积量的均值最大，拔节期的最小。这主要因为抽雄灌浆期正是玉米的需水关键期，水分亏缺对作物生长影响最大，植物体内渗透调节作用也最强。

图1 水分胁迫对玉米脯氨酸含量的影响

Pro与θ的拟合方程均为线性方程，即Y=aX+b形式。表1为不同生育期Pro的累积量与θ的拟合方程参数表。从表1可以看出，同一灌水下限的方程拟合度R2的大小顺序分别为：拔节期>抽雄灌浆期>成熟期，即玉米越接近于成熟Pro与θ的拟合度越小，这说明玉米体内的渗透调节作用在玉米生长旺盛时期的发挥最佳。从拟合方程的P值看出，拔节期和抽雄灌浆期的P值均较小而成熟期的较大，说明拔节期和抽雄灌浆期拟合方程中Pro与θ的相关性呈极显著，成熟期Pro与θ的相关性不显著，这可能是因为成熟期玉米器官逐渐趋于老化导致此时的Pro对θ的响应不敏感。

表1 不同生育期Pro与θ的拟合方程参数表

2.2 水分胁迫对玉米丙二醛含量的影响

植物器官衰老时，或在逆境条件下，往往发生膜脂过氧化作用，丙二醛MDA是其产物之一，通常利用它作为膜脂过氧化指标，表示细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件反应的强弱[19]。MDA含量的高低反映了细胞膜脂过氧化水平[20]。

图2为不同生育期3个灌水下限玉米MDA的累积量与土壤相对含水率的相关关系。由图2可知，MDA累积量的变化规律与Pro的相似，均随着土壤相对含水率的增加而减小。由图2(a)可知，当灌水下限为50%θf时，MDA的累积量随土壤相对含水率的变化速度最快，斜率最大。这说明，拔节期灌水下限为50%θf时水分胁迫对玉米细胞膜脂过氧化的影响最严重。在图2(b)和图2(c)中，灌水下限为70%θf时，MDA累积量与土壤相对含水率拟合曲线的斜率最大，这可能是因为灌水下限为70%θf的处理从未得到过水分胁迫的锻炼在抽雄灌浆期这一需水关键期MDA对θ的响应比其他处理更加敏感。而成熟期的灌水可能会加速作物器官的老化使细胞遭受膜脂过氧化的伤害，这种伤害是不可逆的。

需要特别指出的是，图2(a)中灌水下限为50%θf的MDA与土壤相对含水率拟合曲线的斜率最大，但同生育期的Pro拟合直线[图1(a)]中斜率最小；灌水下限为60%θf的MDA与土壤相对含水率拟合直线的斜率最小，但同生育期的Pro拟合曲线[图1(a)]斜率最大，说明拔节期50%θf的灌水下限对玉米造成了严重的水分胁迫，MDA是作物Pro的渗透调节作用超过其可控范围后所造成的细胞膜脂过氧化产物之一，MDA和Pro的累积量是相互制约的关系；60%θf的灌水下限使得Pro的渗透调节作用充分发挥时MDA的累积速度变得很缓慢，此灌水下限是Pro的渗透调节作用发挥最大的灌水阈值。图2(b)中灌水下限为60%θf的MDA与土壤相对含水率拟合曲线的斜率最小，但同生育期的Pro拟合直线[图1(b)]斜率最大；灌水下限为70%θf的MDA与土壤相对含水率拟合曲线的斜率最大，但Pro拟合直线中是最小。这说明，在抽雄灌浆期60%θf的灌水下限会使作物自身渗透调节作用的发挥达到最理想状态，免受细胞膜脂过氧化作用的伤害。玉米MDA累积量的均值随灌水下限的提高逐渐减小：拔节期分别为0.987 3、0.785 6和0.680 6 μmol/L；抽雄灌浆期分别为0.523 7、0.519 9和0.459 8 μmol/L；成熟期分别为0.351 8、0.314 0和0.292 3 μmol/L。

图2 水分胁迫对玉米丙二醛含量的影响

MDA与θ的拟合方程为线性方程，即Y=aX+b形式。下表为玉米3个生育期MDA的累积量与θ的拟合方程参数表。从表2可以看出，方程拟合度R2的大小随着生育期的延长逐渐在减小，即玉米越接近于成熟MDA与θ的拟合度越小，这一点与Pro较相似。从方程拟合度R2可以看出，玉米细胞受膜脂过氧化伤害程度与θ的拟合度随着生育期的延长越来越小，这可能是因为作物生育后期器官老化对MDA变化产生了一定的影响。而从拟合方程的P值上来比较，发现P值均小于0.01，即不同生育期的拟合方程中MDA与θ均呈极显著相关性。

3 结论

(1)水分胁迫对不同灌水下限处理玉米的Pro和MDA含量的影响显著，Pro和MDA含量均会随着水分胁迫的加重而增加。Pro在作物体内起到重要的渗透调节作用，随着土壤相对含水率的减少作物通过积累一定量的Pro来降低水势，调节体内渗透平衡，促进作物根系吸收水分。MDA是作物遭受水分胁迫后细胞膜脂过氧化产物之一，土壤相对含水率越低作物体内MDA的累积量越高。

表2 不同生育期MDA与θ的拟合参数表

(2)3个生育期内，玉米Pro累积量的均值和50%θf处的截距最大值均出现在抽雄灌浆期，在抽雄灌浆期作物体内Pro的渗透调节作用能够得到充分地发挥；MDA累积量的均值和50%θf处的截距最大值均出现在拔节期，在拔节期对玉米遭受水分胁迫后所造成的细胞膜脂过氧化最严重。

(3)玉米体内的Pro和MDA含量呈相互制约的关系，Pro渗透调节作用充分发挥了MDA的累积量才会减小，作物细胞免遭膜脂过氧化伤害，如：抽雄灌浆期，Pro的累积量较大渗透调节作用较理想，MDA的累积量相对较少；Pro的累积量减小了，起到的渗透调节作用不足以保护作物细胞后必然会加大MDA的累积量，如：拔节期，Pro的累积量较少，细胞膜脂过氧化产物MDA的累积量明显增加了。

因灌水上限对Pro和MDA的影响不明显，故本文只讨论了灌水下限对它们的影响。

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