外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗氧化损伤的保护作用

王 芳，王铁兵，李鹏德

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

玉米(Zea mays)是中国第一大作物，广泛用于食用品生产和工业品深加工，其中饲用玉米加工占比最高，玉米总产量的70%以上用作饲料，占饲用谷类总量的50%，是主要饲料来源，其在畜牧业生产中的地位，远远超过它在粮食生产中的地位[1]。近年来，随着经济的发展和人民生活水平的提高，人们的饮食结构也发生着变化，对肉、蛋、奶的需求量日益增加，畜牧业的迅速发展成为我国农业现代化建设的必然趋势。畜牧业的发展也必然导致对饲料的需求大大增加，而我国当前饲料生产的基本状况是总量不足、质量不高。玉米又是需水量大且对水分胁迫比较敏感的作物，具有分布广、单产高的特点，干旱是限制玉米生长的主要环境因子，也是限制其生产力的一个重要因素。玉米生物产量与田间耗水量呈极显著正相关关系，而我国玉米种植多分布在干旱和半干旱地区，增强玉米的抗旱能力已经成为现代农业急需解决的关键问题之一[2-3]。

植物的抗旱性与渗透调节、激素平衡、一些必需离子和矿质元素的积累、水分利用效率和抗氧化防御系统等一系列生理生化进程相关[4]，所有的生理过程可被不同种类的植物生长调节剂调控，故外源物质对植物抗旱调控机制的研究已成为目前作物逆境生理研究的热点[5]。脱落酸(abscisic acid，ABA)是一种植物内源激素，参与调控植物对逆境的响应，在干旱、寒害、盐害等胁迫环境下对植物起着重要的作用，具有促进植物水、肥吸收平衡和协调体内代谢的能力，可有效调控植物的营养生长与生殖生长，对提高农作物的产量和品质具有极其重要的作用[6]。另外，ABA能通过引起气孔关闭，降低蒸腾速率来改善干旱胁迫下植物的渗透调节作用，调节植株体内的水分平衡，保持质膜结构和功能，提高植物抗逆性[7-8]。已有研究表明，外源ABA能增强干旱胁迫下甘蔗(Saccharum officinarum)和棉花(Gossypium)幼苗的抗氧化酶活性，降低膜脂过氧化作用，减少干旱胁迫的伤害，提高其抗旱性[9]。但关于外源ABA处理对干旱胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的研究却鲜有报道。鉴于此，以玉米为材料，通过施加外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗进行处理，研究外源ABA对干旱胁迫下幼苗生理特性的影响，明确外源ABA提高玉米幼苗抗旱性的生理机制，为减轻干旱对玉米的危害，增强玉米的耐旱性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

“富农1号”粮饲兼用玉米品种。

1.2 试验方法

挑选健康饱满的玉米种子，用0.5%的NaClO消毒10 min，然后用蒸馏水漂洗干净，播种到垫有2层滤纸的发芽盒中，滤纸用蒸馏水浸湿，置于25 ℃培养箱中发芽。待玉米幼苗生长至三叶一心期时移栽到装有蛭石的直径为15 cm的花盆中，每盆移栽幼苗8株，每隔2 d用20%浓度的Hoagland营养液浇灌，待第4片叶长出后，选取长势良好、生长状况一致的幼苗进行中度干旱(15%PEG)胁迫试验。

试验共设8个处理(表1)，每个处理3盆，即3个重复。各处理液以Hoagland营养液为基础培养液配置最终浓度为0、5、10、15、20、25和30 μmol·L-1的ABA溶液，以Hoagland营养液为对照(CK)，每隔2 d换一次相应处理液。处理一周后进行各项指标的测定，每个指标至少测3次，结果取平均值。

表 1 试验处理Table 1 Experimental treatments

1.3 测定方法

植株株高和茎粗的测定：取10株长势相对一致的玉米幼苗，用蒸馏水清洗干净玉米根，用直尺测定株高，用游标卡尺测定茎粗，记录数据并求平均值。

地下鲜重及地上部分鲜重的测定：取10株长势相对一致的玉米幼苗，先用自来水冲洗，再用蒸馏水冲洗净后用吸水纸吸干其表面水分，自茎基部将根系剪下，用电子天平分别称重，记录数据。

地下干重及地上部分干重的测定：取10株长势相对一致的玉米幼苗，先用自来水冲洗，再用蒸馏水洗干净玉米幼苗根和地上部分，将根从植株基部剪下，放入烘箱，将温度调至105 ℃，杀青1 h，然后80 ℃烘干至恒重，最后用电子天平称量，记录数据。

抗氧化酶活性的测定参照《植物生理学实验指导》[10]；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法进行测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化还原法进行测定；过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外分光光度法进行测定。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250染色法进行测定[10]。可溶性糖含量采用蒽酮比色法进行测定[11]；游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮显色法进行测定[11]；质膜相对透性采用电导仪法进行测定，以相对电导率表示[12]；丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定[11]；玉米幼苗叶绿素含量的测定参考冯双华[13]的方法。

1.4 数据处理

试验所有数据采用SPSS19.0数据处理软件利用最小显著差异法(LSD)进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗生长的影响

与对照(CK)相比，干旱胁迫明显降低了玉米幼苗的生物量(表2)；与干旱胁迫处理(ABA0)相比，添加外源ABA使玉米幼苗在干旱胁迫下的生物量基本上显著增加（P＜0.05)。不同浓度ABA处理对玉米幼苗生物量积累的影响存在差异，呈先上升后下降的趋势，其中以15 μmol·L-1(ABA15)处理效果最为显著，株高、茎粗、地上鲜重、地上干重、地下鲜重、地下干重均显著高于干旱胁迫处理(ABA0)，分别提高了41.68%、34.79%、40.26%、29.26%、47.84%、45.45%。

表 2 不同浓度外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗生长的影响Table 2 Effect of exogenous ABA treatments on the growth rates of maize seedlings under drought stress

2.2 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗抗氧化酶活性的影响

与对照(CK)相比，干旱胁迫处理(ABA0)显著降低了玉米幼苗CAT、SOD和POD的活性，分别下降了65.56%、51.27%和39.05% (图1)。与ABA0相比，用不同浓度的ABA处理后玉米幼苗的CAT、SOD和POD活性有了不同幅度改变，呈先上升 后 下 降 的 趋 势，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30处理的CAT活性分别上升了23.47%、37.82%、73.91%、64.34%、53.04%、25.21%(图1A)；SOD活性分别上升了7.29%、38.54%、69.79%、56.25%、31.25%、16.67% (图1B)；POD活性分别上升了5.07%、29.02%、50.69%、38.84%、24.33%、17.49% (图1C)。可见，在干旱胁迫下，ABA15、ABA20、ABA25处理明显缓解了干旱对抗氧化酶的抑制作用，其中ABA15的处理效果最好。

图 1 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗CAT、SOD和POD活性的影响Figure 1 Effect of exogenous ABA on CAT, SOD and POD activity rates in leaves of maize seedlings under drought stress

2.3 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗相对电导率和MDA含量的影响

与对照(CK)相比，受到干旱胁迫后，玉米幼苗电导率显著增大(图2A)，表明干旱胁迫后玉米幼苗的细胞膜结构完整性被破坏，膜透性增大，细胞内的电解质外渗，而使电导率增大。与干旱胁迫处理(ABA0)相比，PEG + ABA处理幼苗的膜透性都有不同幅度的减小，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30处理幼苗细胞膜透性分别减少了9.87%、35.60%、40.47%、30.17%、15.68%、7.57%。可以看出，ABA10，ABA15，ABA20处理显著抑制干旱胁迫下玉米幼苗细胞膜的破坏，ABA15的效果最好。

与CK相比，干旱胁迫处理ABA0使玉米幼苗MDA含量显著上升，其含量增加了85.06%；与干旱处理相比，PEG + ABA处理的幼苗MDA含量显著减小，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30处理幼苗MDA含量分别减少了19.02%、20.89%、40.63%、27.81%、20.74%、14.26%，其中，ABA15处理的缓解效果最好(图2B)。

2.4 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗渗透调节物质含量的影响

干旱处理(ABA0)与对照(CK)相比，玉米幼苗可溶性糖含量显著降低，降低了55.91% (图3A)；与干旱处理ABA0相比，PEG + ABA处理使玉米幼苗叶片中的可溶性糖含量显著提高，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30处理幼苗中可溶性糖含量分别上升了21.25%、45.19%、79.75%、63.62%、49.76%、33.35%，ABA15处理能够有效抑制干旱胁迫下玉米幼苗中可溶性糖含量的降低。

图 2 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗相对电导率和MDA含量的影响Figure 2 Effect of exogenous ABA on the relative electrical conductivity and MDA content in leaves of maize seedlings under drought stress

干旱处理使玉米幼苗中可溶性蛋白含量显著降低，与对照相比，其可溶性蛋白含量下降了54.80%；与干旱处理相比，PEG + ABA处理的幼苗中可溶性蛋白均有不同幅度的增加，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30处理的幼苗中可溶性蛋白含量分别上升了16.44%、31.86%、57.81%、41.47%、37.71%、10.64%，ABA15处理的幼苗中可溶性蛋白含量显著上升(图3B)。

与对照(CK)相比，玉米幼苗受干旱胁迫后游离脯氨酸含量明显上升，增加了23.79%；与干旱胁迫处理ABA0相比，PEG + ABA处理使玉米幼苗中的游离脯氨酸含量显著提高，但提高的幅度不同，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30处理的幼苗中游离脯氨酸含量分别上升了16.44%、31.85%、57.80%、41.47%、31.70%、10.64%，其中，ABA15，ABA20处理能够有效促进干旱胁迫下玉米幼苗中游离脯氨酸含量的上升(图3C)。

图 3 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量的影响Figure 3 Effect of exogenous ABA on the soluble sugar,soluble protein and proline contents in leaves of maize seedlings under drought stress

2.5 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗叶绿素含量的影响

干旱胁迫处理使玉米幼苗叶片中的叶绿素a + b含量显著降低(表3)，与对照(CK)相比，下降了43.08%，表明干旱胁迫明显降低了幼苗的光合作用速率；与干旱处理相比，PEG + ABA处理的幼苗的叶绿素含量均有不同程度的提升，ABA5、ABA10、ABA15、ABA20、ABA25、ABA30处理幼苗叶绿素a + b含量分别增加了13.00%、22.28%、44.24%、28.63%、13.85%、3.13%，其 中ABA5、ABA10、ABA20之间无显著差异(P ＞ 0.05)，ABA15处理的效果最为显著。

表 3 外源ABA对干旱胁迫下玉米幼苗叶片叶绿素含量的影响Table 3 Effect of exogenous ABA on the chlorophyll content in leaves of maize seedlings under drought stressmg·g-1

3 讨论

干旱对植物的影响主要是降低植物组织和细胞的水势，从而影响植物的各种生理过程。干旱胁迫下，细胞渗透势降低，使植物可以继续从外界吸收水分，保持细胞膨压，植物体内的各种代谢过程才能正常进行。由于植物自身的渗透调节有一定的局限性，如作用的暂时性、调节的幅度有限以及不能完全维持生理过程等，当干旱严重时，植物会表现出膨压不能维持、生长率下降和气孔阻力增加[2]。因此，对植物细胞来说，如何维持活性氧产生与清除之间的平衡，增强抗氧化酶活性，从而避免对膜、光合器官等造成伤害，是其抵御逆境伤害的重要途径[14]。研究表明，ABA能诱导植株叶片气孔关闭，调节植株体内的水分平衡，保持质膜结构和功能，提高植物抗旱性[15]。本研究结果表明，外源ABA可以显著提高干旱胁迫下玉米幼苗抗氧化酶活性，增加叶绿素和细胞渗透调节物质含量，能显著降低细胞膜透性和缓解细胞膜脂过氧化，提高玉米幼苗的抗旱性。

正常情况下，植物体内自由基的产生和清除处于稳定状态，而干旱胁迫会使自由基积累，破坏植物正常的生理生化功能，导致植物体生理代谢失调[16]。POD、SOD和CAT是植物体内主要的保护酶系，对于逆境下清除有害自由基有重要的作用。本研究表明，在15% PEG胁迫下，SOD、CAT、POD活性显著下降，这与杜彩艳等[17]对中度干旱胁迫下抗旱性不同的玉米保护酶的活性有不同程度下降的结果相似。加入一定浓度的ABA后，提高了SOD、CAT、POD的活性，对干旱胁迫下玉米活性氧清除系统功能有增强效果，这与前人对小麦(Triticum aestivum)和高羊茅(Festuca arundinacea)的研究结果一致[18-19]。说明干旱胁迫下添加外源ABA可通过诱导抗氧化防护系统来提高玉米植株抗氧化胁迫的能力，从而有效避免了干旱胁迫下玉米幼苗细胞膜脂质过氧化、DNA和蛋白质的降解。

MDA是植物细胞膜脂过氧化作用的主要产物之一。干旱胁迫时MDA含量增加，能清除有害氧自由基的CAT和POD等保护酶活性下降，加剧了膜脂过氧化，从而使膜系统受损程度加重[20]。本研究中玉米幼苗经15% PEG处理且未施加ABA时，幼苗相对电导率和MDA含量与对照相比显著增加，外施ABA后，相对电导率和MDA含量均有所降低，其中15 μmol·L-1ABA处理效果较好，对细胞膜保护作用最好。表明外源ABA能提高抗氧化酶活性，提高清除活性氧自由基的能力，降低细胞膜脂过氧化程度。

脯氨酸作为植物叶片中的主要渗透调节物质，在干旱胁迫下植物叶片内脯氨酸含量增加，可以降低植物细胞内渗透势以适应干旱胁迫[21]。可溶性糖和可溶性蛋白作为植物体内的重要调节物质，在植物抵抗逆境胁迫时起到平衡细胞代谢的作用，以保持细胞内环境的相对稳定，其含量的增加有利于缓解逆境胁迫对植物造成的伤害[22]。本研究表明，10～20 μmol·L-1ABA处理使玉米幼苗叶片中脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量增加，缓解了干旱胁迫对玉米幼苗的伤害，提高了玉米幼苗的抗逆性。说明ABA可以通过提高脯氨酸和可溶性糖等渗透调节物质的水平，增强渗透调节能力，促进玉米根系从土壤中吸收水分，调节水分平衡，由此维持玉米植株水分平衡，保护细胞免受干旱损伤。

植物生长发育的物质能量来源主要是光合作用，叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，其含量对光合活性具有重要意义[23]。孟军等[24]通过对水稻剑叶净光合速率与叶绿素含量的研究指出，在一定范围内叶片净光合速率与叶绿素含量呈正相关。本研究表明干旱胁迫明显使玉米幼苗叶片中叶绿素含量减少，施加15 μmol·L-1ABA使干旱胁迫下玉米叶片叶绿素含量升高，将会提高叶片净光合速率。由此可以推测外源ABA可维持叶绿体结构稳定，延缓叶绿素的降解。

4 结论

干旱胁迫严重影响植物的生长发育，10～20 μmol·L-1ABA处理能显著提高干旱胁迫下玉米幼苗过氧化酶(SOD，POD，CAT)活性，增加叶绿素含量、可溶性糖、可溶性蛋白和脯氨酸含量，能显著降低MDA含量、细胞膜透性。外源ABA能够提高玉米幼苗的耐旱性，其中以15 μmol·L-1ABA处理后效果最好。