水磷耦合对春玉米叶片抗氧化酶活性的影响

董浩,曹国军,耿玉辉,梁欣冉,李昊,申凯宏,刘思航

水磷耦合对春玉米叶片抗氧化酶活性的影响

董浩,曹国军,耿玉辉*,梁欣冉,李昊,申凯宏,刘思航

吉林农业大学资源与环境学院, 吉林 长春 130118

探明不同灌水量和施磷量条件下水磷耦合对春玉米叶片抗氧化酶活性及产量的影响，为干旱地区玉米生产的水肥调控及稳产高产提供理论支撑。于2020-2021连续两年在吉林省乾安县设置大田试验，试验设置3个灌溉水平，分别为W1（50 mm，重度干旱）、W2（150 mm，轻度干旱）和W3（250 mm正常灌水）；3个施磷量水平，分别为P0（不施磷）、P1（P2O580 kg·hm-2）和P2（P2O5120 kg·hm-2），两两交互，共有W1P0、W1P1、W1P2、W2P0、W2P1、W2P2、W3P0、W3P1和W3P2九个处理。测定春玉米叶片全生育期的超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）的活性、可溶性糖含量以及春玉米的产量等指标。结果表明，不同处理春玉米叶片的SOD、CAT、POD活性和可溶性糖含量在生育期的变化趋势基本一致，呈先上升后下降趋势，且在抽雄期活性达到最高。三种酶活性均在150 mm灌水量条件下达到最高，W2处理的SOD、POD和CAT活性比W1处理分别增加8.5%、13.1%和10.1%，比W3处理分别增加3.6%、5.6%、4.3%。酶活性在施磷量为80 kg·hm-2时达到最高，P1处理的SOD、POD和CAT活性比P0处理分别增加14.3%、19.6%和16.9%，比P2处理分别增加1.8%、2.2%和1.9%。说明灌水量为150 mm和施磷量为80 kg·hm-2的条件下有利于SOD、POD和CAT活性的提高，在灌水量250 mm和施磷量为80 kg·hm-2时，可溶性糖含量达到最高，过量或不足则会影响春玉米抗逆能力。

水磷耦合; 春玉米; 抗氧化酶

玉米是我国重要的谷类作物，其总产量占全国总产量的1/3。东北地区是玉米的主要产地，但由于近几年全球变暖加剧，干旱的逆境胁迫对于玉米产量的影响愈加严重，已成为影响该地区玉米生产的最大因素之一[1]。水分会影响作物对土壤养分的吸收，进而影响作物的产量。磷是植物必需的第二大营养元素[2]，也是植物细胞分裂和抗氧化酶形成过程中的重要元素，在植物生长发育、提高抗逆性等方面发挥着不可替代的作用[3-5]。有研究表明，玉米对于缺磷非常的敏感[6]，会延缓玉米幼苗的生长，在生育后期会加速其衰老[7]。水分会影响磷在土壤中的移动和植物对其的吸收利用，合理的施磷水平能在一定程度上提高植物的抗逆性，因此磷与水分之间有着密切的关系[8]。水磷互作对玉米的研究表明，水分的亏缺与过量均不利于磷素的吸收，适量的灌溉定额能够提高磷肥利用率，同时适当的水磷耦合配比也可以达到水磷协同效应[9]。同时有研究表明，当玉米在生育时期处在缺磷或缺水的逆境胁迫下时，会影响其体内活性氧的产生与积累，作物体内的保护酶防御系统活性会失衡，损伤细胞膜系统，从而加速作物衰老，影响作物产量[10]。施磷量会影响玉米叶片中多种抗氧化酶的活性，合理地施用磷肥可提高玉米超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶的活性[11, 12]。

目前虽然在水分及养分对春玉米影响的研究较多，但从水磷耦合对春玉米叶片抗氧化酶活性影响的研究相对较少。本研究以春玉米为研究对象，设置灌水量和施磷量两个变量因素，探究了不同的水磷耦合处理对春玉米不同生育时期超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性以及可溶性糖含量的影响。以期为干旱、半干旱地区农业生产中的水肥合理调控及产量的提高提供理论科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2020-2021年在吉林省松原市乾安县赞字乡父字村试验示范基地进行，该地区为温带大陆性季风气候，年平均降水量为420.6 mm，生育期内平均温度为20.2 ℃，年均水面蒸发量1 240.0 mm，陆地蒸发量为405.0 mm，本区蒸发强烈，降雨量较少，属于半干旱区。供试土壤类型为黑钙土，土壤pH为7.83，有机质含量为17.92 g·kg-1，全氮1.31 g·kg-1，碱解氮61.4 mg·kg-1，全磷0.50 g·kg-1，有效磷23.2 mg·kg-1，速效钾102.51 mg·kg-1。

1.2 试验材料

供试玉米：品种为“富民985”，种植密度为每公顷80000株，株距为19.2 cm，施肥罐选用25 L压差式施肥罐。

供试肥料：基肥：尿素（N 46%），磷酸二铵（N 18%，P2O546%），硫酸钾（K2O 50%）；追肥：尿素（N 46%），工业级磷酸一铵（N 12%，P2O560%），工业级氯化钾（K2O 60%）。

1.3 试验方法

试验采用膜下覆盖双因素裂区设计，设灌水量和施磷量两个试验因素。综合考虑到试验区所在地玉米全生育期需水量，蒸发量，蒸腾量和降雨量等因素[13]，本试验将玉米生长季内常规灌溉量设定为正常灌水，常规灌溉量减少100 mm为轻度干旱，减少灌溉量200 mm为重度干旱，对应的灌水量3个水平分别为W1（灌溉定额50 mm，重度干旱）、W2（灌溉定额150 mm，轻度干旱）和W3（灌溉定额250 mm，正常灌水）；施磷量设3个水平，分别为P0（不施磷）、P1（P2O580 kg·hm-2）和P2（P2O5120 kg·hm-2），两两交互，共包括W1P0、W1P1、W1P2、W2P0、W2P1、W2P2、W3P0、W3P1和W3P2，共9个处理，每个处理3次重复，共27个小区，各处理小区面积为30 m2（垄宽1.3 m×3垄×7.7 m长）。本试验9个处理均施N 180 kg·hm-2，其中基肥占总氮量的30%；均施K2O 80 kg·hm-2，其中基肥占总钾量的30%；磷肥P2O5按3种施磷水平施入，其中基肥占总磷量的40%。各处理灌溉定额需按比例分配（表1），每次灌溉应依据玉米不同生育时期的降雨情况及土壤墒情确定，且需达到土壤相对含水量的下限。

表1 各生育时期灌溉定额及分配比例

1.4 取样时期与方法

分别于春玉米拔节期、喇叭口期、抽雄期、灌浆期、乳熟期、完熟期取样，选取大小及长势都比较均匀的4株植株进行采样，采集后的叶、茎、穗和籽粒放入液氮中速冻，于-80 ℃冰箱中保存待测。

1.5 测定项目与方法

超氧化物歧化酶（SOD）活性的测定：采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法[14]；

过氧化物酶（POD）活性的测定：采用愈创木酚比色法[14]；

过氧化氢酶（CAT）活性的测定：采用紫外吸收法[14]。

可溶性糖含量的测定：蒽酮比色法[14]。

1.6 数据处理与分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016和SPSS Statistics 21.0进行数据整理和数理统计分析。

2 结果与分析

2.1 水磷耦合对春玉米叶片SOD活性的影响

由图1可知，在两年田间试验中，不同处理的春玉米叶片SOD活性在整个生育时期整体趋势相同，均呈先上升后下降的单峰曲线变化，在抽雄期W2P1处理的SOD活性达到最大值。在抽雄期，同一灌溉水平下，各处理SOD活性均表现为P1>P2>P0，P1较P0处理均有显著提高，而较P2处理无显著性差异，在同一施磷水平下，各处理SOD活性均表现为W2>W3>W1，在抽雄期W2P0处理SOD活性较W1P0、W3P0处理分别提高7.4%、2.2%，同时W2、W3处理较W1处理均有显著性差异，W2与W3处理之间无显著性差异。

图1 不同生育时期春玉米叶片SOD活性变化

2.2 水磷耦合对春玉米叶片POD活性的影响

如图2所示，不同生育时期春玉米叶片POD活性变化整体与SOD活性变化趋势大致相同。相同施肥条件下，轻度干旱W2各处理POD活性最高。在抽雄期，W2P1处理POD活性较W1P1处理平均提高了15.1%，若继续增加灌水量，POD活性反而下降。W3P1处理POD活性较W2P1处理平均降低了7.8%。说明轻度的干旱胁迫有利于春玉米叶片POD活性的积累，但过度的水分胁迫会影响春玉米叶片的抗氧化能力，导致POD活性的降低。在三种灌溉水平下，抽雄期不同施磷量下POD活性的表现为：P1>P2>P3。由此可以说明，适宜的施磷量有利于POD活性的提高，本试验中P1施磷处理是提高春玉米叶片内抗氧化酶POD的活性的最佳施磷量。

图2 不同生育时期春玉米叶片POD活性变化

2.3 水磷耦合对春玉米叶片CAT活性的影响

由图3可以看出，各处理叶片CAT活性在生育期内变化趋势基本相同，呈现先上升后下降的趋势。从两年试验中可以看出，在抽雄时期各处理表现为：W2P1>W2P2>W3P1>W3P2>W1P2>W1P1>W2P0>W3P0>W1P0，其中W2P1处理CAT活性分别为172.6 U·g-1、176.6 U·g-1。可以得出在相同施肥条件下，轻度干旱条件可以提高春玉米叶片CAT的活性。不同施磷量条件下，在抽雄期，W2、W3两种灌溉水平下，P1条件下的各处理叶片CAT活性均为最高；在W1灌溉水平下，P1处理叶片CAT活性较P0处理平均提高了16.2%，但于P2处理差异不显著。

图3 不同生育时期春玉米叶片CAT活性变化

2.4 水磷耦合对春玉米叶片可溶性糖含量的影响

由图4可知，在水磷耦合条件下，春玉米叶片的可溶性糖含量的变化在整个生育时期呈现先上升后下降的趋势，在抽雄期的可溶性糖含量达到最大值。在玉米抽雄期，W3P1处理的可溶性糖含量最高，较相同灌溉水平下的P0、P2处理分别平均提高了20.9%、5.1%，同时在W1和W2这两种灌溉水平下，也呈现了相同的趋势。相同施磷水平下，在抽雄期随着灌水量的增加，叶片可溶性糖含量也随之升高，在W3水平下其含量达到最大，较W2、W1处理分别平均提高了2.0%、10.1%。

图4 不同生育时期春玉米叶片可溶性糖含量变化

3 讨 论

SOD酶是植株体内抗氧化保护酶之一，同时它也是抵御氧化损伤的第一道防线[15]，它可以清除超氧阴离子自由基，延缓植株衰老，其活性反映植株的抗衰老能力。POD、CAT与SOD有协调一致的作用，这三种酶的活性强弱与植物抗氧化能力密切相关，它们在植物体内形成了一套抗氧化防御系统，避免植株遭受逆境伤害[16]。本研究发现，在同一磷肥水平下，随着灌水量的增加，各生育时期的SOD、POD、CAT活性均呈现先上升后下降的趋势，在灌水量为150 mm时其活性最高，在灌水量为50 mm其活性最低。张仁和等基于对玉米苗期的研究表明，在干旱胁迫下SOD、POD、CAT活性呈现先升高后降低的趋势[17]。这是由于轻度的干旱胁迫会使SOD将植物体内毒性较强的超氧阴离子自由基转化为H2O2，进而通过CAT和POD对其分解，有利于作物体内酶活性的提高，从而延缓作物的加速衰老[18]。王贺正等[19]研究表明，合理施肥可提高小麦叶片的抗氧化酶活性，增强其对逆境的抵抗能力，但施肥量过高对抗氧化酶活性反而起到抑制作用。这与本试验的研究结果一致，三种灌溉水平下，在施磷量为80 kg·hm-2时SOD、POD和CAT活性最高，但在施磷量为120 kg·hm-2时SOD、POD和CAT活性有下降的趋势，在不施磷条件下三种酶活性均最低。由此可以说明，适量的磷肥可以有效提高春玉米叶片中抗氧化酶的合成，从而提高抗性并延缓植株衰老，但过量的磷肥会抑制SOD和POD的积累[20]。可溶性糖是玉米生长发育的重要能量来源，同时在其遭受逆境胁迫时也可以抵御一定的伤害，从而延缓作物的衰老。有研究表明，适当的磷肥可以促进甘薯生长中前期可溶性糖的积累[21]。蒋明明等研究表明，水磷耦合对甘蔗可溶性糖含量的提高有促进作用，适当的水磷配比能有效的提高其可溶性糖的含量[22]。这与本试验的研究结果一致，在同一灌溉水平下，随着施磷量的增加，玉米叶片的可溶性糖含量呈现先上升后下降的趋势，当磷肥用量为80 kg·hm-2时最高，若继续增施磷肥，反而会抑制玉米可溶性糖的积累。

4 结 论

春玉米叶片 SOD、POD、CAT活性和可溶性糖含量在生育期内变化趋势为先增大后减小，均在抽雄期达到最大。在相同灌溉水平下，施磷量为80 kg·hm-2时对SOD、POD、CAT活性和可溶性糖含量有促进作用，不施磷或过量施用磷肥均不利于三种酶活性和可溶性糖含量的提高。在相同施肥水平下，灌水量为150 mm时能够提高SOD、POD和CAT的活性；在灌水量为250 mm时能够促进春玉米叶片可溶性糖含量的提高。

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Effects of Water and Phosphorus Coupling on Antioxidant Enzyme Activity and Yield of Spring Maize Leaves

DONG Hao, CAO Guo-jun, GENG Yu-hui*, LIANG Xin-ran, LI Hao, SHEN Kai-hong, LIU Si-hang

130118

The effects of water-phosphorus coupling on the antioxidant enzyme activity and yield of spring maize leaves under different irrigation volumes and phosphorus application volumes is explored, which provides theoretical support for the regulation and stability and high yield of water and fertilizer produced by maize in arid areas. Field experiment was set up in Qian'an County, Jilin Province for two consecutive years from 2020 to 2021. Three irrigation levels were set, namely W1(50 mm, severe drought), W2(150 mm, mild drought) and W3(250 mm normal irrigation); three phosphorus application levels were P0(no phosphorus), P1(P2O580 kg·hm-2) and P2(P2O5120 kg·hm-2) respectively. There are 9 treatments including W1P0, W1P1, W1P2, W2P0, W2P1, W2P2, W3P0, W3P1 and W3P2. The activity of superoxide dismutase(SOD), peroxidase(POD), catalase(CAT), soluble sugar content and the yield of spring maize during the full growth period of spring maize leaves were determined. The results show that the changes trend of SOD, CAT, POD and soluble sugar content in different treatments of spring maize leaves is basically the same during the growth period, showing an upward trend before falling, and the highest activity during the tasseling stage. All three enzyme activities reached the highest under 150 mm irrigation conditions. The SOD, POD and CAT activities of W2 treatment increased by 8.5%, 13.1% and 10.1% respectively compared with W1 treatment, and increased by 3.6%, 5.6% and 4.3% respectively compared with W3 treatment. The enzyme activity reached the highest when the phosphorus application rate was 80 kg·hm-2. SOD, POD and CAT activity of P1 treatment increased by 14.3%, 19.6% and 16.9% respectively compared with P0 treatment, and 1.8%, 2.2% and 1.9% compared with P2 treatment, respectively. As a consequence, under the condition of 150 mm irrigation and 80 kg·hm-2phosphorus application, the activities of SOD, POD and CAT were improved. When the irrigation amount is 250 mm and the phosphorus application amount is 80 kg·hm-2, the soluble sugar content reaches the highest. Excessive or insufficient will affect the resilience of spring maize.

Spring maize; water-phosphorus coupling; antioxidant enzyme

S143.2+2

A

1000-2324(2022)05-0679-06

2022-10-04

2022-10-14

吉林省重大科技专项(20220302005NC);国家重点研发计划项目(2017YFD0201505)

董浩(1998-),女,硕士研究生,研究方向:植物营养调控. E-mail:dhao6127@163.com

通讯作者:Author for correspondence. E-mail:gengyuhui@163.com