外源5-ALA对干旱胁迫下玉米种子萌发及幼苗生长的影响

2022-07-06杨奥军常巧玲高妍婷周广阔宋小佳韦恩成

作物杂志 2022年3期

杨奥军常巧玲王鹏王芳高妍婷周广阔宋小佳韦恩成

（甘肃农业大学农学院，730070，甘肃兰州）

玉米（Zea mays L.）是重要的粮饲兼用作物，在农业生产中占有非常重要的地位。玉米在整个生长过程中，极易受外界环境条件的影响，其中干旱是最主要的影响因素之一，尤其在抵抗力较弱的幼苗期[1]。干旱胁迫下，玉米植株会出现不同程度的失水现象，从而导致玉米植株体内脂质过氧化，质膜透性增大，含水量降低，光合速率下降，对玉米种子萌发和幼苗生长产生抑制作用，进而导致玉米减产，这是我国北方地区玉米产量提高的一个重要限制因素[2]。因此，如何提高玉米抵御干旱的能力，减轻干旱胁迫对玉米产量的影响是生产上亟待解决的问题。

5-氨基乙酰丙酸（5-aminolevulinic acid，5-ALA）是所有卟啉化合物生物合成的关键前体物质，广泛存在于细菌、真菌和动植物中，是一种潜在的生理活性物质[3]。牛奎举[4]研究发现，施加外源5-ALA能缓解逆境胁迫对植物造成的破坏。Phung等[5]研究表明，叶片喷施5-ALA能增强水稻对光胁迫的抗性。5-ALA在烟草育苗环节能较好地增强烟苗对抗低温弱光的能力，提升烟苗素质[6]。在盐胁迫下，5-ALA能够提高棉花[7]、黄瓜[8]、花生[9]和大豆[10]等植株的抗性。在低温胁迫下，外源5-ALA能提高玉米[11-12]、茶树[13]、番茄[14]和大豆[15]幼苗应对低温的能力。5-ALA还可以提高植物的抗旱性，有研究[16]表明，5-ALA处理显著提高了烟草幼苗叶片过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性，减少了丙二醛（MDA）含量，使烟草的耐旱能力增强。偶春等[17]研究表明，5-ALA能显著提高干旱胁迫下栀子幼苗的抗旱性。张春平等[18]研究表明，施加外源5-ALA能够有效提高紫苏种子的萌发及其幼苗的抗旱能力。刘海英[19]试验结果表明，5-ALA能提高桔梗的抗旱能力。但是，外源5-ALA对玉米干旱胁迫缓解机理的研究目前鲜有报道。因此，本试验用20% PEG 6000模拟干旱胁迫，研究不同浓度外源5-ALA处理对玉米种子萌发及幼苗生长的影响，明晰5-ALA对干旱胁迫下玉米种子萌发和幼苗生长的缓解效应，同时筛选出缓解作用最佳的浓度，为进一步研究5-ALA调控玉米幼苗抗旱性机理提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验玉米品种为生产上大面积推广应用的品种郑单958。试验于2020年6-11月在甘肃农业大学农学院种子实验室进行，挑选饱满一致的玉米种子，用1% NaClO消毒10min，蒸馏水冲洗3～4次，25℃条件下浸种24h，在发芽盒中放入2层滤纸湿润后置床，每个发芽盒放置40粒种子。以蒸馏水为对照（CK），用20% PEG 6000进行干旱胁迫处理，分别添加0（T1）、5（T2）、10（T3）、15（T4）、20（T5）、25（T6）和 30mg/L（T7）5-ALA，共8个处理，每个处理重复4次。将处理后的种子置于恒温培养箱中，箱内温度25℃/20℃（白天/晚上），湿度65%，光照强度4000lx。每隔1d换1次滤纸，并加上相应浓度的溶液，每天统计发芽情况，在第4天计算发芽势，第8天计算发芽率，并测定主根长、芽长、根鲜重和芽鲜重等指标。

玉米幼苗生长到3叶期移栽到装有蛭石的塑料花盆中，每盆8株，继续置于培养箱进行培养，温度25℃/20℃（白天/晚上），每2d用1/4 Hoagland营养液浇灌，待第4片叶长出后，选取长势一致的玉米幼苗进行干旱胁迫处理。Hoagland营养液为空白对照（CK）。用20% PEG6000进行干旱处理，分别添加0（T1）、5（T2）、10（T3）、15（T4）、20（T5）、25（T6）和 30mg/L（T7）5-ALA，每个处理重复4次。PEG处理采用根部浇灌法，以浇透为止，采用叶面喷施法进行5-ALA处理，共8个处理，每2d处理1次，处理12d后取样，用于测定生理指标，每个指标重复3次。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 种子萌发指标发芽势（%）=4d内发芽种子数/所有供试种子数×100，发芽率（%）=8d内发芽种子数/所有供试种子数×100。

胚根长和胚芽长：种子萌发后的第8天选取不同处理幼苗各10株，用蒸馏水清洗干净，用游标卡尺测量根长和芽长。

鲜重和干重：待第8天发芽试验结束后，选取不同处理幼苗各10株，用蒸馏水冲洗干净，测量根和芽鲜重，然后置入105℃烘箱中杀青30min后，60℃烘至恒重，即为干重。

1.2.2 幼苗生理特性指标根据文献[20]测定生理指标，采用硫代巴比妥酸（TBA）法测定MDA含量，采用电导仪法测定原生质膜透性，以相对电导率来表示细胞膜受胁迫伤害的程度，采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量，采用蒽酮比色法测定可溶性糖含量，采用酸性茚三酮显色法测定脯氨酸含量，采用NBT光化还原法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈创木酚法测定POD活性，采用紫外吸收法测定CAT活性。

1.3 数据处理

使用Microsoft Office Excel 2016软件作图，用SPSS 25.0对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理玉米种子发芽势和发芽率的变化

由图1可知，在不同浓度的5-ALA处理下，与CK处理相比，T1处理种子的发芽势和发芽率均显著降低，分别降低了39.53%和35.07%，表明干旱胁迫处理显著抑制了种子的萌发。与T1处理相比，添加5-ALA后（T2～T7），发芽势和发芽率均有所提高，随着5-ALA浓度的增大呈先上升后下降的趋势。当5-ALA达到25mg/L时，发芽势与发芽率达到最大值，分别为86.25%和90.00%。与T1处理相比，T6处理的种子发芽势和发芽率分别提高了76.92%和65.52%，并且差异达到显著水平。

图1 不同处理玉米种子发芽势和发芽率的变化Fig.1 Changes of germination potential and germination rate of maize seeds under different treatments

2.2 不同处理玉米幼苗根长、芽长及生物量的变化

由表1可知，与CK处理相比，T1处理下玉米幼苗的根长、芽长、根鲜重、芽鲜重、根干重和芽干重显著降低，分别降低了73.97%、54.46%、63.41%、61.90%、70.87%和42.64%。与T1处理相比，添加不同浓度5-ALA处理的幼苗生物量积累均有所提高，T6处理效果最为明显，幼苗主根长、芽长、根鲜重、芽鲜重、根干重和芽干重均高于T1处理，并且都达到了显著水平。T7处理中，各指标值又有所下降，说明适宜浓度的5-ALA可有效缓解干旱胁迫对玉米幼苗生长的抑制作用

表1 不同处理玉米幼苗生长及生物量的变化Table 1 Changes of growth and biomass of maize seedlings under different treatments

2.3 不同处理玉米幼苗MDA含量和质膜透性的变化

由图2可知，与CK处理相比，T1处理玉米幼苗MDA含量增加了86.04%。添加5-ALA进行处理后（T2～T7），MDA含量显著下降，与T1处理相比，T2、T3、T4、T5、T6和 T7处理下幼苗MAD含量分别减少了19.47%、21.85%、22.42%、27.55%、64.54%和40.18%，T6处理下降值最大，表明适宜浓度的5-ALA可缓解细胞膜脂过氧化。与CK处理相比，干旱胁迫T1处理使玉米幼苗质膜透性显著增大。当用不同浓度5-ALA处理后（T2～T7），幼苗的质膜透性都有不同幅度的减小，其中T6处理最明显，与T1处理相比，T6处理的质膜透性减少了68.21%。说明5-ALA有效减轻了干旱胁迫对质膜的伤害。

图2 不同处理玉米幼苗MDA含量和质膜透性的变化Fig.2 Changes of MDAcontent and plasma membrane permeability of maize seedlings under different treatments

2.4 不同处理玉米幼苗渗透调节物质含量的变化

由图3可知，与CK处理相比，T1处理玉米幼苗的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量降低了39.75%、29.10%和57.97%（P＜0.05）。用不同浓度的5-ALA处理后（T2～T7），幼苗中渗透调节物质的含量均有不同幅度的增加。当5-ALA浓度达到25mg/L（T6）时，处理效果最好，脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量较T1处理分别显著增加了136.82%、81.36%和121.26%。说明5-ALA能够增加干旱胁迫下玉米幼苗中渗透调节物质的含量。

图3 不同处理玉米幼苗渗透调节物质含量的变化Fig.3 Changes of osmotic adjustment substance contents of maize seedlings under different treatments

2.5 不同处理玉米幼苗抗氧化酶活性的变化

由图4可知，T1处理的SOD、POD和CAT活性均显著低于CK处理，分别降低了59.85%、59.42%和84.07%，表明干旱胁迫处理显著抑制了玉米幼苗的抗氧化酶活性。用5-ALA处理后，SOD、POD和CAT活性随着5-ALA浓度的升高都表现出先升后降的趋势，并在T6处理达到最大值。与T1处理相比，T6处理的SOD、POD和CAT活性分别增加了200.58%、182.10%和536.56%。说明5-ALA能够提升玉米幼苗叶片中这3种酶的活性，从而增强植株的抗旱性。

图4 不同处理玉米幼苗抗氧化酶活性变化Fig.4 Changes of antioxidant enzyme activities of maize seedlings under different treatments

3 讨论

种子萌发在植物生长发育过程中起着非常重要的作用，直接影响到植物体后期的形态建成和产量形成，种子能够迅速整齐地萌发是获得高产稳产的基础[21]。本研究发现，在20%PEG干旱胁迫处理下，玉米种子的发芽势、发芽率及幼苗的主根长、芽长等生物量的积累明显低于对照。添加外源5-ALA后具有明显的缓解效应，且表现为先促后抑的作用，在添加25mg/L 5-ALA的处理效果最为明显，玉米种子的萌发速率及生物量均有显著提高，缓解了干旱胁迫的抑制作用。

在干旱胁迫下，植物器官往往会出现细胞膜脂过氧化现象。MDA含量和细胞透性均是反映植物遭受逆境伤害程度的良好指标[22]。所以细胞膜脂过氧化水平能很好地体现在MDA含量上，同时它可以间接地反映出细胞损伤程度。本研究表明，在干旱胁迫处理下，玉米幼苗的质膜透性和MDA含量显著增加，幼苗的膜透性增大，膜脂过氧化程度加重。外施一定浓度的5-ALA后，质膜透性和MDA含量均有所降低，表明外源5-ALA能降低细胞膜脂过氧化程度，能很好地保护细胞膜，这与谢英赞[23]研究的外源5-ALA对虎掌干旱胁迫的缓解机理结果一致。

在逆境胁迫下，渗透调节物质在植物体内积累能提高植物细胞的保水能力，对细胞生物膜起到保护作用[24]。在本试验中，干旱胁迫后，玉米幼苗的渗透调节物质含量均显著降低，细胞的保水能力下降，细胞内环境紊乱，对细胞生物膜的保护作用减弱。适当浓度的5-ALA处理可以缓解干旱胁迫对玉米幼苗的伤害，提高渗透调节物质的含量，增强玉米幼苗的抗逆性。说明5-ALA可以通过提高脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖等渗透调节物质的水平，增强植株的渗透调节能力，提高细胞的保水能力，促进玉米幼苗根系对水分的吸收，维持水分平衡，从而保护细胞在逆境胁迫下不受破坏。

正常情况下，植物体内自由基的产生与清除处于一种动态平衡[25]。干旱胁迫等逆境会破坏这种平衡，从而使植物产生的自由基远大于消耗的，植物体内自由基含量上升，导致膜脂过氧化，膜通透性改变，植物体内一系列正常的生理生化代谢反应受到影响，最终导致植株死亡[26]。在逆境胁迫下，植物体内主要的保护酶系的活性要保持协调一致，才能有效清除自由基，使自由基维持在一个低水平，提高抗氧化能力，延缓衰老[27]。本研究表明，干旱胁迫下，玉米幼苗的抗氧化酶活性下降，导致自由基含量过高，产生膜脂过氧化并改变膜的通透性。加入一定浓度的5-ALA后，抗氧化酶活性显著提高，自由基含量下降。说明在干旱胁迫下添加外源5-ALA可通过诱导抗氧化防护系统来提高玉米植株抗氧化的能力，从而有效提高植物抗旱性。