低温胁迫对玉米生理生化指标的影响

2022-03-15郭扬

广东蚕业 2022年1期

郭　扬

低温胁迫对玉米生理生化指标的影响

郭扬

（潍坊工商职业学院山东潍坊262200）

文章以敏感型玉米品系先玉330及抗性品系先玉335为实验材料，经低温处理后，探究不同品系玉米生理生化的变化。实验发现：低温胁迫下玉米膜脂受损，导致细胞膜透性明显增大；由于膜脂过氧化，丙二醛的含量也明显升高；光合作用相关的数据指标明显呈现下降趋势，造成玉米干物质的积累量下降；为了清除自身多余的活性氧，超氧化物歧化酶和过氧化氢酶的含量明显升高，提高了玉米对低温胁迫的抗性。通过了解玉米在低温胁迫下的生理活性变化，以期为玉米的高效抗逆品系的选育提供理论基础。

玉米；低温冷害；低温胁迫；生理调节；调节机制

低温冷害是目前限制我国农业产业发展的主要环境因素之一，特别是春季时节的倒春寒、秋季霜冻等，对我国作物苗期生长及秋季收获期的产量产生了巨大的影响[1]。有研究表明，低温胁迫影响玉米的光合作用、呼吸作用、水分和营养的吸收和运输等各种生理过程。低温胁迫下，植物细胞膜流动性减弱，细胞液及离子的转运进出细胞受到抑制，因此保卫细胞中水分缺失，造成气孔阻力增大，导致气孔部分甚至完全关闭，影响二氧化碳的吸收。此外，植物体内进行的众多生理生化反应，均需要酶的参与，低温导致酶的催化活性降低，减缓了植物生化反应[2]。

渗透调节是抵御低温胁迫的重要方式。在寒冷条件下，植物体内如可溶性糖、脯氨酸及部分离子等外泄，造成细胞渗透势降低，而在高抗品种中细胞内容物外泄程度低于敏感品系[3]。研究发现渗透调节是植物抗寒的重要机制，寒冷条件下细胞液浓度下降，导致保卫细胞渗透压下降，气孔关闭；当保卫细胞中Ca2+、K+等离子浓度增大时，可以增强保卫细胞的渗透调节能力，保障二氧化碳的正常吸收，维持正常的光合作用。因此，离子、可溶性糖等的含量变化对维持细胞的渗透调节能力有着重要的作用。

植物在低温胁迫下的膜脂过氧化损伤和细胞膜透性的增大是低温对植物的另一伤害途径[4]。低温胁迫条件下，植物体内细胞膜的成分磷脂发生过氧化反应，产生具有强氧化性的脂质过氧化物和丙二醛（MDA）。生物膜损伤程度可以通过叶片电导值来检测，电导值越大代表细胞膜损伤越严重。细胞膜的稳定性实际上也反映了玉米不同品种的抗寒性，可以作为选育优良抗逆性品系的一项生理指标。在低温胁迫下，对不同玉米品种进行电导值的测定，电导值的范围为25%～80%[5]。所以，清除细胞中的氧自由基是植物在低温下的重要自我保护机制。植物体内氧自由基的清除，主要依靠保护酶，包含超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等，在清除生物体内自由基方面具有重要作用。有研究选用15个抗性不同的玉米作为实验材料，在三叶期进行低温处理24 h之后，检测发现CAT活性和SOD活性与玉米的抗性正相关，损伤严重的玉米品种中酶的活性明显低于损伤较低的玉米品种中酶的活性[6]。研究发现，POD能够清除植物体内多余的过氧化氢，抑制过氧化氢进一步反应生成有毒害作用的氧自由基。另有研究发现，POD在不同的植物中参与低温胁迫应答的程度不同，在部分植物中POD只在幼苗期参与植物的低温胁迫的应答[7]。

综上所述，低温已经成为世界性的限制各国农业发展的环境问题，前期关于低温胁迫下玉米的抗逆性研究已经有部分成果，特别是在形态指标到生理生化指标等方面获得了十分重要的结论，但是得到的结果大都不能统一，结论差异性较大。因此，本研究以两个玉米品种为研究对象，设置低温冷害和冻害，研究在低温胁迫下，玉米苗期的生理生化指标如渗透调节物质、保护酶活性及光合作用等的变化，以期为玉米优良性状的选育提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料

本实验按照前期萌发实验选择敏感型和耐冷型的2个玉米品种先玉330和先玉335。

1.2 实验材料处理

将玉米种子经75%的酒精消毒后，用无菌水冲洗表面多余的酒精；将营养土混合少量蛭石的混合土壤灭菌，用于玉米幼苗的培养。

种期接种：将育苗基质按草炭土∶田间土∶河沙=2∶2∶1的体积比混合均匀，浇透水，将消毒后的种子均匀点种于基质上，于25 ℃温度条件，16 h/8 h（光/暗）光周期，光强120 μmol/（m2·s）～400 μmol/（m2·s）下培养。

苗期接种：将生长4周（三叶一心）、生长状态一致的幼苗移栽至含灭菌河沙的小盆中（直径×高=11.5 cm×8 cm），每2 d喷施一次Hoagland营养液。

低温胁迫处理：玉米长到三叶一心时，在人工智能型培养箱（RXZ-0450）中进行培养，低温冷害（8 ℃）和冻害（0 ℃）处理，第1 d、2 d取样进行相关指标的测定。

1.3 指标测定方法

1.3.1 细胞膜透性的测定

取玉米同一位置的叶片，灭菌水洗净，用打孔器打取小圆片（避开大叶脉）。取适量小圆片于试管中，加入10 mL去离子水。将试管放入真空干燥器内抽气10 min，取出试管，间隔几分钟振荡1次。在室温（25 ℃）下保持30 min，用DDSJ-308A型电导仪测定外渗液的电导值。将试管放入沸水中水浴10 min，冷却至室温后，再测定电导值。细胞膜相对透性以两次电导值的百分比表示。

1.3.2 叶绿素含量的测定

随机选取符合实验要求的叶片，插入到SPAD-502叶绿素仪测量其叶绿素含量。

1.3.3 MDA含量的测定

取玉米同一位置的叶片，用10%三氯乙酸（TCA）提取MDA，离心取上清液，加入0.6%硫代巴比妥酸（TBA），沸水浴15 min，迅速冷却，利用比色法测定MDA含量。

1.3.4 SOD活性的测定

测定SOD的活性采用氯化硝基四氮唑蓝光化还原法，其原理是SOD能够抑制氮蓝四唑（NBT）在光下的还原作用。在氧化物质存在的条件下，核黄素被光还原，在有氧的条件下易再氧化产生O2-，可以将氮蓝四唑还原为蓝色的甲腙，并且在560 nm处有最大的吸光度，而SOD能够清除O2-，从而抑制甲腙的形成，通过反应体系中蓝色的变化，可以计算SOD活性的大小。测定方法参考汤绍虎等[8]（2012）。

1.3.5 CAT活性的测定

测定CAT的活性采用高锰酸钾滴定法，其原理是CAT能够催化H2O2分解为H2O2和O2，可以根据H2O2的消耗量以及O2的生成量测定CAT活力的大小。H2O2在240 nm波长下有一定的吸光值，可以根据吸光值的变化速度计算CAT的活性，测定方法参考汤绍虎等[8]（2012）。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对玉米幼苗细胞膜透性的影响

由图1可知，0 ℃处理下的两个玉米品种叶片的细胞膜透性均大于8 ℃和25 ℃处理，说明温度越低，对细胞膜的伤害越大，电导物质渗出增多。8 ℃处理对细胞膜通透性的影响程度不及0 ℃低温处理，仍可以看出冷害的作用，并且耐冷型品种的细胞膜透性明显低于敏感型品种。

图1　低温胁迫对不同玉米品种细胞膜透性的影响

2.2 低温胁迫对玉米幼苗光合作用的影响

由表1可以看出，在正常培养条件下不同玉米品种的光合指标不同。低温处理后，敏感品系先玉330和抗性品系先玉335的光合作用相关指标都有相应程度的下降，特别是0 ℃处理2 d之后，两个品系的光合速率都有明显的下降，但是抗性品系的下降程度明显低于敏感品系，气孔导度、细胞间二氧化碳浓度和叶绿素含量也都有相应的下降。

表1低温胁迫对玉米叶片光合指标的影响

处理蒸腾速率（E）光合速率（A）气孔导度（G）胞间CO2浓度（CI）叶绿素含量（SPAD）先玉33025 ℃5.89±0.1214.4±0.15756.7±0.154418±0.10646.9±0.134 8 ℃ 1 d4.39±0.1454.3±0.12652.63±0.129398±1.6445.69±0.629 8 ℃ 2 d4.03±0.1783.92±0.12948.98±0.106384±3.14140.29±0.756 0 ℃ 1 d3.98±0.1533.56±0.13945.98±0.126376±5.32135.79±0.151 0 ℃ 2 d3.14±0.1253.26±0.11836.98±0.104354±6.17630.86±0.932 先玉33525 ℃6.19±0.7195.89±0.12560.56±0.107455±6.12655.96±0.965 8 ℃ 1 d5.78±0.1375.04±0.10858.76±0.104432±5.64952.98±1.256 8 ℃ 2 d5.04±0.1034.59±0.19850.89±0.109405±4.95648.85±1.563 0 ℃ 1 d5.23±0.1174.59±0.16551.72±0.128398±5.67650.79±0.688 0 ℃ 2 d4.89±0.1043.46±0.13248.24±0.261375±6.98545.89±1.985

2.3 低温胁迫对玉米幼苗丙二醛（MDA）的影响

MDA作为膜脂过氧化产物，在一定程度上也可以反映植物受低温伤害的程度。以生长4周（三叶一心）的两个品系的玉米为材料，经低温处理后，使用比色法测定MDA的含量，结果如图2。低温处理后两个品系中的MDA含量明显升高，而抗性品系先玉335中MDA含量上升幅度明显低于敏感品系先玉330。

图2　低温胁迫对不同玉米品种MDA的影响

2.4 低温胁迫对玉米幼苗SOD活性的影响

超氧化物歧化酶（SOD）是植物在逆境条件下产生的自我保护的酶，能够清除体内多余的活性氧，防止细胞膜脂质的过氧化。由图3分析可知，低温处理之后，两个品系的玉米品种SOD活性明显升高，且抗性品系的提升幅度明显高于敏感品系。

图3　低温胁迫对不同玉米品种SOD活性的影响

2.5 低温胁迫对玉米幼苗POD活性的影响

过氧化物酶（POD）是植物产生的一种氧化还原酶，能够清除由于膜脂过氧化产生的过氧化氢，抑制氧自由基的产生，减弱膜脂的过氧化。由图4可知，经过低温处理之后，玉米体内POD活性明显升高，且先玉335的POD活性提升幅度明显高于先玉330。

图4　低温胁迫对不同玉米品种POD活性的影响

3 讨论

玉米生长发育的发芽期、苗期对低温胁迫非常敏感。本研究采用生长4周的幼苗进行低温处理下生理指标的检测，实验中可以发现，随着低温胁迫处理时间的延长，两个品系均受到不同程度的生理损害。细胞膜具有选择透过性，能够允许部分分子、离子通过，但是低温损伤会导致细胞膜通透性增大。有研究发现，作物在低温胁迫下细胞膜结构遭到破坏，导致丙二醛含量明显升高[9]。玉米是高光效作物，适合在较强的光下生长，有研究发现逆境条件下，玉米光合色素含量降低，最终导致光合作用减弱，严重影响玉米有机物的积累[10,13]。本研究中抗性品种的受抑制程度明显低于敏感品种，充分体现了选育优良品种的重要性。

有研究发现，在逆境条件下，植物细胞内的活性氧大量积累，组织和器官受到氧化，会造成不可逆的损伤[11]。因此，为了清除体内的活性氧，植物进化了依靠保护酶的完整的清除活性氧的机制，细胞中产生SOD、POD、CAT等作为抗氧化系统的重要组成部分，能够优先清除生物体内多余的氧自由基，提升细胞的防御能力，防止细胞损伤，维持细胞内正常的生理生化反应[12]。本研究中，在低温胁迫下两个玉米品种体内的保护酶的含量都有明显的上升，能够有效地清除多余的活性氧，提高自身抵御低温胁迫的能力。

有研究发现，可溶性糖、脯氨酸等渗透调节物质也能够稳定植物渗透压，提高植物的逆境调节能力，因此，渗透压的调节的研究可以作为一种重要的研究作物抵御逆境胁迫的途径[12]。植物体内的众多转录因子及其调控的功能基因也都在其逆境胁迫的应答过程中发挥着不可替代的作用[14]。为了深入探究玉米抵御低温胁迫的过程，除部分生理指标外，生化分子途径也可以作为深入研究的方向。

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