外源壳聚糖对干旱胁迫下玉米根系构型分级及生理参数的影响

柳海涛,袁青松,魏畅,焦秋娟,徐正阳,张静静,李鸽子,张雪海,郑贝贝,姜瑛

(1.河南农业大学资源与环境学院,河南 郑州 450046;2.河南农业大学/国家小麦工程研究中心,河南 郑州 450046;3.河南农业大学农学院/省部共建小麦玉米作物学国家重点实验室,河南 郑州 450046;4.河南农业职业学院农业工程学院,河南 郑州 451450)

近年来,由于各种原因,农业生产用水资源供应量不断降低,逐渐演变成农业发展的重大问题。同时,全球气候变暖和生态平衡的破坏,使得干旱胁迫成为影响植物生长发育和干物质分配、降低农作物产量、限制农业可持续发展的关键因素[1]。资料显示,中国干旱、半干旱地区面积占全国总土地面积的绝大部分[2-3]。如何在现有的干旱、半干旱耕地条件下提高粮食产量,已成为目前农业生产中亟待解决的问题之一。

壳聚糖(chitosan,CTS)可用于提高胁迫条件下的农业生产力[4]。壳聚糖介导的抗缺水机制包括渗透调节、改善光合作用、刺激酶活性、改善水分和养分吸收及合成有机渗透物[5-6]。郝丽丽等[7]的试验结果表明,0.4%的壳聚糖在模拟干旱胁迫条件下显著提高了叶绿素含量,增强了小麦(TriticumaestivumL.)幼苗的光合作用性能和有机质的积累,促进根系对水分的吸收以保持水分稳定。壳聚糖包衣可以减少干旱胁迫对根系和茎秆生长的抑制,有效促进根系发育,增强其吸水能力,从而提高小麦幼苗的抗旱性[8]。

植物可以通过气孔与外界环境交换气体和水分,受到干旱胁迫后,气孔密度和孔径会影响植物对干旱胁迫的适应性[9-10]。干旱胁迫会引起植物细胞与光合作用相关的膜结构系统受损,破坏光合过程,直接或间接地影响光合色素含量[11]。因此,维持较高光合色素含量有利于植物更高效地利用光能,提高抗旱性[12]。干旱胁迫易造成植物过量活性氧的产生,丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量变化可反映植物膜脂过氧化的水平和对细胞膜的伤害程度[13]。抗坏血酸(ascorbic acid,AsA)可作为过氧化物酶的天然底物,参与植物的生长发育[14]。谷胱甘肽(glutathione,GSH)可被氧化成氧化型谷胱甘肽[15]。同时AsA-GSH循环是AsA和GSH再生的循环途径,AsA通过氧化反应转化为单脱氢抗坏血酸(monodehydroascorbic acid,MDHA),MDHA通过还原反应再生AsA,而GSH则被氧化成谷胱甘肽二硫化物(glutathione disulfide,GSSG),GSSG参与还原反应转化为GSH[16]。

玉米(ZeamaysL.)集粮食、经济、饲料三种用途于一身,开发潜力巨大,具有发达的须根系。植物根系可下扎汲取土壤水分、养分以提高植物的耐受性[17]。HUND等[18]的研究表明,在缺水条件下玉米更深的根系可以提高从深层土壤中吸收更多水分的能力,从而维持持续的气孔开放以此应对干旱胁迫。RAUF等[19]的研究指出,根系构型对玉米产量的影响取决于土壤水分分布和植株间的水分竞争。当前干旱胁迫正成为影响作物生长发育,降低作物产量,限制农业可持续发展的关键因素,为寻求提高玉米抵抗干旱胁迫能力的有效途径,该试验应用聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫,采用营养液培养法,旨在探究不同质量浓度壳聚糖对干旱胁迫下玉米幼苗的生长、根系构型分级、光合参数、叶绿素含量、MDA、AsA和GSH含量的影响,丰富壳聚糖提高玉米对干旱胁迫的抗性机制,为逆境下玉米的高效生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种:玉米品种为郑单958,种子购于河南秋乐种业科技股份有限公司。

营养液:霍格兰(Hoagland)营养液配方为:Ca(NO3)2·4H2O、KNO3、MgSO4·7H2O、NaH2PO4·2H2O、H3BO3、MnCl2·4H2O、ZnSO4·7H2O、CuSO4·5H2O、Na2MoO4·H2O、EDTA-Na2、FeSO4·7H2O。

供试试剂:聚乙二醇(PEG-6000)、壳聚糖(CAS 9012-76-4)。

1.2 试验设置

本试验于河南农业大学光照培养室进行,在温室内设置昼/夜条件为16 h/8 h 25 ℃。用体积分数为5%的H2O2溶液把健康优质的玉米种子浸泡消毒15 min,之后用去离子水冲洗干净,然后在无光室温条件下用去离子水浸泡种子12 h后,取出种子并均匀摆放于浸润的纱布上,在湿润条件下催芽72 h后转入温室。在玉米幼苗一叶一心期,移栽长势平整的幼苗至盛有1/4 Hoagland营养液的培养盒中进行培养,每盆定植9棵幼苗,2 d后更换1/2 Hoagland营养液,每2 d更新1次营养液,在玉米幼苗两叶一心期,更换全Hoagland营养液并施加处理。本试验共设置7个处理:1)CK:不加PEG的营养液,不加壳聚糖;2)P-C0:15%PEG的营养液,不加壳聚糖;3)P-C25:15%PEG的营养液+叶面喷施25 mg·L-1壳聚糖;4)P-C50:15%PEG的营养液+叶面喷施50 mg·L-1壳聚糖;5)P-C100:15%PEG的营养液+叶面喷施100 mg·L-1壳聚糖;6)P-C200:15%PEG的营养液+叶面喷施200 mg·L-1壳聚糖;7)P-C400:15%PEG的营养液+叶面喷施400 mg·L-1壳聚糖。每个处理设置3个重复,各处理施加5 d后测试光合参数并进行采样。

1.3 测试指标与方法

1.3.1 地上部地下部生物量的测定 每个处理用剪刀分离整株玉米,并用去离子水清洗并晾干,将处理过的样品中的一部分用于测量生物量和根系指标,然后放置在烘箱中,设置105 ℃杀青30 min,设置70 ℃烘干玉米样品,直至质量恒定,最后称取玉米的地上部和地下部生物量。

1.3.2 玉米根系构型指标的测定 每个处理选取3个完整的玉米根系,将根系放入20 cm × 40 cm根盘中,置于扫描仪上,根盘中添加高度为5～10 mm水,使水面恰好全部没过根系,再用仪器遮光板全部覆盖根盘,使用根系扫描仪(V700 PHOTO,Epson,日本)和图像分析软件(WinRHIZOTM2003b,加拿大)测量玉米总根长(total root length,RL)、根表面积(root surface area,SA)、根体积(root volume,RV)、根平均直径(root average diameter,RD)、根尖数(root tips,RT)和分枝数(root forks,RF)以及根系构型分级参数。其中根系直径(RD,mm)大小对RL、SA和RV的区间等级定义为:Ⅰ级:RD0.0～0.5 mm;Ⅱ级:RD0.5～1.0 mm;Ⅲ级:RD1.0～1.5 mm;Ⅳ级:RD>1.5 mm[20]。

1.3.3 光合色素含量和光合作用指标的测定 采用95%乙醇浸提法测定光合色素含量[21];采用便携式光合测定仪(Li-6400,LICOR Inc.,美国)测量第1片完全展开叶片的光合速率(photosynthetic rate,Pn)、气孔导度(stomatal conductance,Gs)、胞间CO2质量摩尔分数(intercellular CO2concentration,Ci)和蒸腾速率(transpiration rate,Tr)。

1.3.4 丙二醛含量的测定 采用硫代巴比妥酸(TBA)法测定MDA含量[22]。

1.3.5 抗坏血酸和谷胱甘肽含量的测定 AsA含量参照ZHANG和KIRKHAM[23]的测定方法,GSH含量参照GURI[24]的测定方法。

1.4 数据处理

利用Microsoft Excel 2019和SPSS 20对数据进行处理分析,采用LSD法进行单因素方差分析(one-way ANOVA),检验处理间差异显著性,Pearson法进行指标间的相关性分析,使用Origin 2018(OriginLab Corporation,美国)进行绘图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖处理对玉米幼苗生长的影响

干旱胁迫对玉米幼苗的生长具有较强的抑制作用,玉米幼苗的地上地下部的伸长和生物量的累积受到阻碍(表1)。与P-C0处理相比,玉米幼苗的株高、地上部鲜质量、地上干质量和地下部干质量在壳聚糖质量浓度为100 mg·L-1时达到最大,显著提高了14.47%、85.61%、69.77%和66.67%(p<0.05);当壳聚糖质量浓度为200 mg·L-1时,地下部鲜质量和地上部干质量分别显著提高了54.05%和69.77%。P-C0处理的根冠比与CK处理相比,显著增加了46.08%;施加外源壳聚糖后根冠比下降,与P-C0处理相比,在壳聚糖质量浓度为100和200 mg·L-1时下降了2.24%和12.32%。

表1 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗生物量的影响

2.2 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖处理对玉米幼苗根系构型分级的影响

干旱胁迫抑制了玉米幼苗根系的发育,在7个处理中,与CK处理相比,Ⅰ级径级区间的RL和SA以及Ⅳ级径级区间的RV的占比在干旱胁迫下分别降低了15.04%、26.76%和12.74%;当壳聚糖质量浓度为200 mg·L-1时,Ⅰ级径级区间的RL和SA的占比都达到峰值(图1)。与CK处理相比,干旱胁迫使玉米幼苗的RL、SA、RV和RT分别显著下降了64.09%、58.77%、52.62%和51.27%(p<0.05),使RD显著提高了14.88%(p<0.05)。施加外源壳聚糖缓解了干旱胁迫对玉米根系生长的危害,与P-C0处理相比,当施用壳聚糖质量浓度为200 mg·L-1时,玉米根系的RL、SA、RV和RT显著提高了76.12%、60.35%、46.33%和85.26%;Ⅱ级径级区间的RL和SA均在壳聚糖质量浓度为50 mg·L-1时达到最大;Ⅲ级径级区间的RL、SA、RV和Ⅳ级径级区间的SA均在100 mg·L-1壳聚糖下达到最大值;在壳聚糖质量浓度为200 mg·L-1时,Ⅰ级径级区间的RL、SA、RV和Ⅳ级径级区间的RL均达到峰值(表2)。

图1 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗根长、根表面积以及根体积在不同径级区间比例

表2 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米根系结构和根系分级的影响

2.3 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖处理对玉米幼苗光合作用指标的影响

与CK处理相比,P-C0处理显著降低了叶绿素a、叶绿素b以及总叶绿素含量,分别降低了4.83%、21.40%、12.04%(p<0.05)(图2-A、B、D)。与P-C0处理相比,当壳聚糖质量浓度为100 mg·L-1时,叶绿素b含量和总叶绿素含量分别显著提高了14.59%和7.18%(图2-B,D)。Pn、Gs、Ci和Tr均受到了干旱胁迫明显的抑制作用,与CK处理相比,P-C0处理分别显著降低57.83%、30.77%、51.46和56.58%(p<0.05)。与P-C0处理相比,Pn、Gs和Ci在施加100 mg·L-1外源壳聚糖时达到最大,显著增加了90.10%、38.89%和106.99%(p<0.05)(图2-E、F、G),Tr在施加200 mg·L-1外源壳聚糖时达到最大值,显著提高了79.80%(p<0.05)(图2-H)。

注:图中误差线代表标准差,不同小写字母代表各处理间差异达到显著水平(p<0.05)。下同。

2.4 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖处理对玉米幼苗丙二醛、抗坏血酸和谷胱甘肽含量的影响

P-C0处理与CK处理相比,显著提升了地上部MDA、地下部MDA和地下部GSH含量,分别增加了75.07%、104.50%和43.52%(p<0.05)(图3,图4);而P-C0处理的地上部AsA、地下部AsA和地上部GSH含量相比于CK处理显著降低了41.92%、26.62%和20.52%(p<0.05)。与P-C0处理相比,地上部AsA含量、地下部AsA含量和地上部GSH含量在壳聚糖质量浓度为100 mg·L-1时达到最大,显著提高了49.52%、25.54%和18.42%(p<0.05)(图3,图4);地上部MDA和地下部MDA含量在壳聚糖质量浓度为100 mg·L-1时达到最小,分别显著降低了35.59%和40.77%(p<0.05)(图4);地下部GSH含量在壳聚糖质量浓度为25、50和100 mg·L-1时显著增加了22.08%、15.45%和20.69%(图4)。

图3 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗丙二醛含量的影响

图4 干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖对玉米幼苗抗坏血酸和谷胱甘肽含量的影响

3 讨论

3.1 不同质量浓度壳聚糖处理下玉米生长对干旱胁迫的响应

高献磊等[25]发现,干旱胁迫严重影响牧草种子出苗和幼苗生长,其表现为伴随着干旱胁迫程度的增加,牧草种子的发芽率、发芽势等均呈现下降趋势。GLEASON等[26]发现,玉米的光合特性、水力传导以及气孔导度受干旱影响均大幅降低。詹国勇和刘晚苟[27]用不同质量浓度的壳聚糖溶液处理狗牙根(Cynodondactylon(L.) Pers.)种子后发现适当质量浓度的壳聚糖溶液能提高种子活力,促进幼苗生长,提高发芽率和发芽势。本试验中干旱胁迫导致根冠比显著上升,施加壳聚糖后出现明显降低,这可能是由于干旱胁迫促进光合产物在玉米幼苗的地下部合成积累[28]。另一种原因是玉米幼苗的地上部对干旱胁迫更为敏感,适当质量浓度的壳聚糖包衣可促进玉米种子及幼苗的生长,缓解干旱胁迫的危害作用[29]。试验结果显示,施加壳聚糖后玉米株高和根长显著提高,植株鲜质量和植株干质量等生物量显著增加。张伟伟等[30]通过将壳聚糖应用于玉米种子包衣的试验发现了类似的现象,壳聚糖包衣处理后,幼苗增高,根长略有增加,茎粗和干质量增加,处理后的株高与轻度胁迫对照和中度胁迫对照相比,分别增加了3.1%和12.5%。

叶绿体是植物光合作用的场所,它的正常与否是判断植物细胞活性的一个重要指标[31]。有报道指出干旱胁迫增加了活性氧,启动了膜脂过氧化和膜磷脂的脱酯化反应,导致叶绿体被膜的膨胀和断裂,以至于解体[32-34]。而在本试验中,P-C0处理的叶绿素a、叶绿素b以及总叶绿素含量与CK处理相比显著下降。白志英等[35]在不同生育时期的小麦叶片中发现了类似的现象。在本试验中,随着25～400 mg·L-1外源壳聚糖的施加,干旱胁迫得到了不同程度的缓解。从光合色素含量来看,叶绿素b、总叶绿素含量均在P-C50处理达到峰值,但随着壳聚糖质量浓度的升高,叶绿素含量逐渐下降,可能是因为高质量浓度的壳聚糖黏度大、易成膜,使其具有反光作用,喷施会影响气孔开度,抑制光合色素合成和光合作用。50～200 mg·L-1外源壳聚糖的施加导致类胡萝卜素含量低于干旱胁迫下不施壳聚糖处理,表明外源壳聚糖施加后在一定程度上缓解了干旱胁迫的抑制作用。这与李宏光等[36]通过向烟草(NicotianatabacumL.)叶面喷施不同质量浓度壳聚糖,确定叶面喷施100 mg·L-1壳聚糖后类胡萝卜素降解产物总量最高的结论类似。

光合作用的状态可以指示植物受胁迫程度的大小[37]。干旱胁迫导致光合器官光合活性降低,Gs下降,Ci减少,进而抑制光合作用[38]。本试验数据显示,玉米的Pn、Gs、Ci和Tr均受到了干旱胁迫明显的抑制作用,外源壳聚糖的施加有效促进玉米的光合作用,Pn、Gs、Ci都在壳聚糖质量浓度为100 mg·L-1时达到最大,Tr在200 mg·L-1壳聚糖时达到峰值,随着壳聚糖质量浓度的提高,Pn、Gs、Ci和Tr都出现下降趋势。分析原因可能是干旱胁迫下适当质量浓度外源壳聚糖的施加促进了根系对营养元素的吸收,在一定程度上缓解了干旱胁迫对保卫细胞的危害,Pn、Gs、Ci和Tr有所提升[39];较高质量浓度外源壳聚糖的施加(200～400 mg·L-1)引起的光合参数下降有可能也受到了非气孔因素的限制[40-41]。

3.2 不同质量浓度壳聚糖处理下玉米根系形态对干旱胁迫的响应

根系是植物重要的营养器官,能够感知来自于土壤内部的逆境胁迫危害并通过改变根系结构形态提高对土壤水分和矿质元素的吸收,以应对逆境胁迫产生的危害作用。本试验结果显示,玉米根系的RL、SA、RV和RT由于干旱胁迫均显著下降,这与CHEN等[42]研究外源物质对干旱胁迫下水稻生理性状和营养状况的影响试验所得的结果一致。其中根直径在0～1.5 mm的RL及0～1.0 mm的SA和RV受到了较为严重的抑制作用。

本研究结果显示,50～200 mg·L-1外源壳聚糖的施加缓解了干旱胁迫对玉米根系的负面作用,其中100 mg·L-1外源壳聚糖具有较好的效果,Ⅲ级径级区间的RL、SA、RV均在P-C100处理达到最大值,且与P-C0处理相比达显著水平,RD随壳聚糖质量浓度的提高呈先上升后下降的趋势;100 mg·L-1外源壳聚糖的施加则显著缓解了干旱胁迫对Ⅲ级径级区间根系参数的负面作用,说明100 mg·L-1壳聚糖的施加能更好地缓解干旱对1.0～1.5 mm粗根的危害作用,玉米不同直径的根系在面对环境的变化时具有不同的形态可塑性和功能差异性。蒋小姝等[43]对甲壳素及壳聚糖在农业领域方面的应用研究表明,施用不同质量浓度壳聚糖可以促进植株侧根的生长发育。

3.3 不同质量浓度壳聚糖处理下玉米抗氧化系统对干旱胁迫的响应

MDA是自由基对细胞膜脂过氧化伤害的主要最终产物之一。李静静等[44]指出植物在干旱胁迫下,根系MDA含量大幅度增加。AsA-GSH循环在一定范围内可有效清除活性氧和过氧化氢[45]。壳聚糖可以改变植物保卫细胞的过氧化氢质量浓度从而调节气孔开关,显著提高细胞保护酶活性,增加有机渗透调节物质的积累,防止或降低细胞膜脂过氧化作用,从而提高植物抗旱能力[46]。本研究结果显示,施加壳聚糖后MDA含量下降,AsA与地上部GSH含量上升,MDA含量下降这一现象与郝丽丽等[7]进行的干旱胁迫下不同质量浓度壳聚糖溶液处理小麦幼苗的盆栽实验结果类似,喷洒壳聚糖质量浓度为0.20%的小麦幼苗效果最好,MDA含量比对照组显著降低44%以上;曲丹阳等[47]的研究结果表明壳聚糖诱导了AsA的再生以及提高了GSH的含量,维持植株较高的抗氧化能力,与本试验结果相似,说明AsA和GSH含量的再生循环是AsA-GSH循环中的重要一环,能够维持AsA-GSH循环的动态平衡,促进生产物质分配比例进一步调整以响应干旱胁迫[48-49]。

4 结论

PEG-6000模拟的干旱胁迫严重抑制玉米的生长,不同质量浓度外源壳聚糖的施用一定程度缓解了干旱胁迫对玉米幼苗的危害。相对于其他质量浓度的壳聚糖处理,100 mg·L-1外源壳聚糖的施加较大幅度地降低了丙二醛含量,提高了抗坏血酸和谷胱甘肽含量,提高了玉米叶片的光合作用,同时还提高了Ⅲ级径级区间的RL、SA和RV,缓解了干旱胁迫对玉米幼苗地上部和根系生长发育造成的影响。壳聚糖的施用可有效提高玉米幼苗抗旱性,本试验为研究壳聚糖缓解玉米对干旱胁迫的抗性机制提供了理论依据,但还需进一步研究壳聚糖在玉米田间生长条件下的作用效果。