沼液施用对干旱胁迫下玉米幼苗生长和生理特性的影响

杨建霞,毛 宁,张雪娟, 魏丽娜

(1 甘肃省陇东生物资源保护利用与修复重点实验室,甘肃庆阳 745000;2 陇东学院 生命科学与技术学院,甘肃庆阳 745000)

玉米是甘肃庆阳市重要的粮食作物和饲料作物,生产潜力大,经济效益高,具有食用、饲用等多种用途,在保障粮食安全方面具有重要战略地位[1-2]。干旱是西北发展玉米生产的第一限制因素,随着全球气候的变化,干旱已成为对作物生长和粮食产量影响最严重的非生物胁迫因子之一[2]。而庆阳地处黄土高原,气候介于干旱与半干旱之间,属温带草原气候,水分是影响当地作物生长最主要的环境因子,特别在6-7月干旱频发,是造成玉米减产的主要原因[3]。因此,研究干旱胁迫下玉米形态、生理生化等变化特征,对探索作物抗旱途径、促进旱地作物生产具有重要意义,同时也为确保区域粮食安全和玉米绿色丰产增效提供理论依据。

沼液是禽畜粪便等有机物经厌氧发酵后的残留液体,除含有多种微量元素、有机质、氨基酸、维生素等外,还含有黄腐酸、丁酸、吲哚乙酸、脱落酸及各种水解酶等许多生物活性物质[3-4]。因此,它在增强植物抗逆性、作物提质增产、种子浸种催芽、病虫害防治等方面具有重要作用[5-6]。目前,已有许多学者对沼液在蔬菜、水果及农作物生产上的应用进行了大量研究[4-5],发现施用沼液可明显提高黄瓜幼苗质量,改善黄瓜根系土壤基本化学性状[4];也能够明显提高玉米产量和土壤肥力等[5]。另外,也有资料表明施用沼液能够增强植物的抗逆性。例如,沼液联合丛枝菌根处理能够显著提高干旱胁迫条件下甘草的生物量和叶绿素含量以增强其抗旱性[7];沼液浸种能一定程度上提高美国香豌豆的干旱耐受程度[8];沼液施用能够显著减轻干旱胁迫对南丰蜜桔造成的落果现象[9];沼液抗旱剂不同稀释倍数处理能够显著增加大豆开花期叶片相对含水量(RWC),降低大豆叶片的蒸腾速率[10]。

虽然已有研究证实沼液在改善植物抗旱性方面具有重要作用,也报道了沼液施用对玉米产量和光合性能的影响[11]以及干旱胁迫对玉米品种苗期叶片光合特性的影响[12],但目前仍缺少沼液对玉米响应干旱胁迫的相关研究报道。因此,本试验以2个抗旱性有差异的玉米品种为材料,采用聚乙二醇(PEG)模拟干旱胁迫条件,研究沼液对干旱胁迫下玉米幼苗生长及生理特性的影响,旨在探讨沼液是如何通过改变玉米幼苗的生长和生理指标进而提高其抗旱性,这对于揭示沼液在增强植物抗旱性的生理机制方面具有重要的参考价值,并为提高玉米的节水效应提供一定的理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料和试剂

供试玉米材料为抗旱较强的杂交种‘中单2号’(Mo17×自330[13],母本Mo17由武威种子站惠赠)和抗旱中等的杂交种‘先玉335’(PH6WC×PH4CV[14],母本PH6WC购自河南美农汇农资公司);聚乙二醇-6000(AR);沼液产自甘肃省庆阳市镇原县鸿翔养殖专业合作社的中型沼气工程,沼液发酵原料为牛粪,取自正常产气3个月以上的沼气池,将沼液过滤后使用。沼液肥效成分为:有机质1.2%,总养分0.8%,总氮0.2%,磷0.2%,钾0.4%,pH 7.2,总铅(Pb)(以烘干基计)20 mg/kg(国际标准≤50),其他常见几种重金属均未检测到,由中华全国供销合作总社兰州化肥农药农膜商品质量监督检验测试中心提供。

1.2 材料培养与处理

2018年3-9月在生农科技园人工智能温室中进行盆栽试验。挑选‘中单2号’和‘先玉335’饱满种子各100粒分别放于烧杯中,经10%次氯酸钠溶液表面消毒10 min后蒸馏水反复冲洗3～4次,将2种玉米种子用灭菌蒸馏水浸泡过夜后,并分别转移至底部铺有滤纸(事先经蒸馏水浸湿)的发芽盒中,48 h后将发芽种子用消毒的镊子移栽到直径14 cm,高50 cm的花盆(基质为营养土和珍珠岩按3∶1混匀)中,并放入光照培养箱于(25±1) ℃、16 h/8 h(光/暗)、1 000 lx条件下培养,期间每隔3～5 d浇水和Hoagland’s营养液各1次,保持盆中营养土湿润即可,待幼苗长至四叶一心期时挑选长势一致的幼苗进行试验处理。

根据前期的试验结果,本试验中选用10% PEG-6000模拟中度干旱胁迫,沼液根施浓度选用50%。试验共设3种处理:蒸馏水处理(对照,CK)、10% PEG-6000处理(D)、50%沼液+10% PEG-6000处理(BS+D)。每个重复选择5株幼苗,共设3次重复。其中BS+D组先用50%沼液50 mL浇灌幼苗根部预处理1 d,而CK 和D 组均先用50 mL蒸馏水浇灌幼苗根部进行预处理1 d。待预处理结束后,CK组用50 mL蒸馏水根部浇灌处理,其余2组均用50 mL 10% PEG-6000溶液根部浇灌处理,胁迫处理7 d后取样,测定各项生理指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 光合气体交换参数

选择玉米幼苗从上数第3片完全展开叶片于晴天上午9:00-11:30,采用LI-6400型便携式光合仪(LI-COR公司),在温度为25℃、光照强度为400 μmol/(m2·s)及大气CO2浓度为400 μmol/mol条件下,在200 m范围内无人的空旷地方,测定叶片净光合速率(Pn)、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr),每个处理重复测定3次。计算叶片瞬时水分利用效率(Pn/Tr)

1.3.2 生理指标

取各处理1 g叶片于预冷的研钵内,加入10 mL 50 mmol/L、pH 7.8的磷酸缓冲液(PBS),研磨成匀浆后转入10 mL离心管中,在4 ℃、4 000 r/min条件下离心15 min,吸取上清液置4 ℃冰箱保存,用于丙二醛(MDA)、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量等的测定。

MDA含量:采用硫代巴比妥酸显色法测定[15],随机取玉米幼苗叶片8～10片进行上述处理后,用紫外-可见分光光度计(UV-5100B,上海元析仪器公司)分别测定532,600,450 nm波长下的吸光度值D532、D600和D450,依据公式[6.45×(D532-D600)-0.56×D450×提取液体积/植物组织鲜重]计算丙二醛含量(μmol/g),每个处理3次重复。

脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量:叶片脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取,茚三酮比色法测定,可溶性糖含量参考蒽酮比色法测定,可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定,每个处理重复3次,以上均参照张志良等[15]所描述方法并稍作修改。

抗氧化酶活性:称取各处理1 g叶片于预冷的研钵内,加入10 mL 50 mmol/L、pH 7.8 PBS缓冲液在冰浴上研磨成浆,在4 ℃、10 000 r/min下离心15 min,吸取上清液保存到4 ℃冰箱待测。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮蓝四唑法测定,过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚比色法测定,过氧化氢酶(CAT)活性采用紫外吸收法测定,以上均参照李合生[16]所描述的方法,每个处理测量3次重复。

叶片叶绿素SPAD 值、氮元素含量及叶面温度:采用植物养分测定仪(TYS-3N,浙江托普仪器)测量叶绿素SPAD值、叶片氮元素、叶面温度。打开机器,将植物养分测定仪测量杆放在幼苗叶面,并按下测量杆2～3 s,显示器会自动读出叶片的叶绿素SPAD值、氮元素含量及叶面温度,并记录相关数据。

各处理选择长势一致的植株10株,每株选择8～10片全展叶,测量部位应尽量避开叶片边缘或叶片主脉,从叶片基部到叶尖,等间距选取5个点进行读数,一般每片叶测量3～5次,最后取平均值记录,每个处理重复测量3次。

1.3.3 幼苗生长指标

各个处理选择无病虫害、长势健壮的植株10株,分别测量苗高、茎粗、叶面积。

苗高、茎粗:胁迫处理7 d后每个处理选取10株幼苗用卷尺测量苗高、游标卡尺测量茎粗。每个处理重复测量3次。

叶面积:采用YMJ-B型便携式叶面积测定仪(浙江托普仪器)测定,打开机器,调整机器空白3次。各处理选择长势一致的植株10株,每株挑选8～10片全展叶测量,叶片位置尽量避开叶边缘和叶主脉[15]。每片叶读数3～5次,每个处理重复测量3次。

叶片干鲜比:每种处理挑选10株生长良好的玉米植株,分析天平称量地上部和地下部干、鲜质量,超纯水冲洗干净后擦干,将植株样品于105 ℃杀青30 min,80 ℃烘干至恒重[16],待叶片烘干冷却后称取叶片干重,据公式计算叶片的干鲜比(叶片干重/叶片鲜重)。

根长、须根数:用卷尺测量玉米主根的纵向长度,每个处理挑选长势一致的5株测量,每个处理重复测量3次。须根数采用直接计数法,每个处理挑选长势一致的10株测量,每个处理3次重复。

根冠比:称取植株根系干重与地上部干重,并计算根冠比(根系干重/地上部干重)。

根系活力:参照李合生[16]方法,用TTC比色法测定根的根系活力。

1.4 数据处理

采用SPSS 20.0对数据进行分析,采用Duncan法和单因素方差分析进行数据差异显著性检验(P<0.05),利用Excel 2010软件作表,图表中数据为平均值±标准误。

2 结果与分析

2.1 沼液对干旱胁迫下玉米幼苗生长的影响

由表1可知,在D处理下,与CK相比,两品种玉米幼苗的苗高、茎粗、叶面积均不同程度降低,其中‘先玉335’降幅更大,并均达到显著水平,‘中单2号’的苗高、叶面积也降低显著;与D处理相比,在BS+D处理下两品种玉米幼苗的苗高、茎粗、叶面积均显著增大,并超过CK水平,其中‘先玉335’分别增加38.7%、28.6%和30.6%,‘中单2号’分别增加36.8%、43.6%和28.2%。‘先玉335’和‘中单2号’的叶片干鲜比在D处理下与CK均无显著差异,但在BS+D处理下分别比D处理显著增加50%和25%。这表明沼液能够有效缓解干旱胁迫对玉米苗高、茎粗、叶面积及叶片干鲜重比的抑制作用,尤其对抗旱中等的‘先玉335’幼苗生长抑制的缓解效果更显著(茎粗除外)。

表1 沼液对干旱胁迫下玉米幼苗生长的影响

同时,表1显示,‘先玉335’和‘中单2号’幼苗的叶绿素相对含量(SPAD值)在D处理下分别比CK显著下降10.6%和5.8%,在BS+D处理下又分别比D处理显著增加10.4%和5.8%,并恢复至对照水平。两品种叶片氮元素含量在D处理下变化不明显,但在BS+D处理下均显著高于D处理和CK(‘先玉335’的除外)。‘先玉335’和‘中单2号’叶面温度在D处理下分别比CK显著升高31.0%和7.3%,但在BS+D处理下‘先玉335’叶温比D处理轻微升高,而‘中单2号’的叶温比D处理显著降低,恢复至对照水平。说明抗旱性较强的‘中单2号’可以通过缓解叶面温度的升高,减小叶片的蒸腾效率,从而一定程度上增强其对干旱胁迫的耐受性。可见,沼液能够缓解干旱胁迫下玉米叶绿素SPAD值的下降和叶温升高,显著提高叶片氮含量,并且对‘中单2号’的缓解效应更显著。

另外,与CK相比,‘先玉335’和‘中单2号’幼苗在D处理下根长均显著下降,根系活力和根冠比均显著增加,但须根数稍有降低;与D处理相比,BS+D处理的‘先玉335’和‘中单2号’根长分别增加24.7%和33.2%,根冠比分别下降33.3%和30.2%,须数分别增加13.3%和18.0%,均恢复至CK水平,而根系活力分别提高了47.7%和66.0%,并显著高于CK(表1)。表明沼液可以缓解干旱胁迫对根的生长抑制作用以及增强根系活力来提高玉米幼苗的耐旱性,且除根冠比外对抗旱性强的‘中单2号’影响更为显著。

2.2 沼液对干旱胁迫下玉米幼苗叶片渗透调节物质含量的影响

由图1可见,与CK相比,D处理的‘先玉335’和‘中单2号’叶片可溶性糖含量分别显著增加21%和38.61%(图1,A),脯氨酸含量分别显著增加32.3%和17.6%(图1,B),而D处理的可溶性蛋白含量在‘中单2号’中则显著下降12.5%,在‘先玉335’中下降不显著(图1,C);与D相比,BS+D处理的‘先玉335’叶片可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量均不同程度提高,但仅脯氨酸增幅(11.57%)显著(图1,B),而该处理‘中单2号’的上述指标则分别显著增加28.2%、17.15%和14.6%。说明玉米幼苗在干旱胁迫下可以通过增加可溶性糖、脯氨酸含量来降低细胞渗透势以适应外界环境的变化,而沼液施用能够不同程度提高干旱胁迫下两品种叶片中3种渗透调解物质含量,降低细胞水势,增强其对干旱环境的适应性,且对‘中单2号’的影响效果更为显著。

图1 沼液对干旱胁迫下玉米叶片渗透调节物质含量的影响

2.3 沼液对干旱胁迫下玉米幼苗叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响

SOD是生物体内清除自由基的首要抗氧化酶,POD和CAT是植物体内清除H2O2的抗氧化酶,其活性受H2O2诱导。干旱逆境条件下POD活性升高可以控制膜脂质过氧化作用,减少干旱对膜结构的伤害,增强植物自身的保护调节能力。

由表2可见,‘先玉335’和‘中单2号’幼苗叶片中SOD、POD和CAT活性在D处理下都比CK显著升高,‘先玉335’的增幅分别为34.3%、26.9%和39%,‘中单2号’的增幅分别为62.7%、78.2%和38.2%。同时,与D处理相比,BS+D处理的‘先玉335’叶片SOD、POD和CAT活性分别提高19.3%、20.7%和42.3%,‘中单2号’的SOD和POD活性分别显著提高26.5%和73.6%,而CAT活性却显著降低。另外,‘先玉335’和‘中单2号’叶片MAD含量在D处理下比CK分别显著提高78.4%和57.6%,在BS+D处理下分别比D处理显著下降36.06%和44.6%。说明沼液施用能够调节干旱胁迫下玉米叶片抗氧化酶活性,有效缓解干旱对植株的伤害,降低叶片中MDA含量,减小膜脂过氧化程度,以提高玉米幼苗的耐旱性,且对‘中单2号’的缓解效应更显著。

表2 沼液对干旱胁迫下玉米幼苗叶片抗氧化酶活性和丙二醛含量的影响

2.4 沼液对干旱胁迫下玉米幼苗叶片光合参数的影响

光合参数是反映光能利用能力和效率的重要指标[17-18],光合作用对干旱胁迫十分敏感,是作物抗旱生理研究的重点指标之一。由表3可知,与CK相比,D处理玉米叶片光合参数Pn、Tr和Gs大多显著降低,‘先玉335’的降幅分别为26.4%、17.0%和16.2%,‘中单2号’分别为16.9%、23.6%和23.1%,而它们的Ci均变化不显著;与D处理相比,BS+D处理下‘先玉335’幼苗的Pn和Tr分别显著增加47.4%和35.3%,Gs显著减小30.9%,Ci也有所降低,‘中单2号’的Pn显著增加42.9%,Ci显著减小10.2%,而Tr和Gs变化却不大。同时,与CK相比,D处理下‘先玉335’幼苗叶片的水分利用效率(WUE)显著下降10.3%,‘中单2号’的WUE则增加18.7%;与D相比,BS+D处理下‘先玉335’和‘中单2号’的WUE分别显著增加9.0%和36.3%。

表3 沼液对干旱胁迫下玉米幼苗光合特性的影响

以上结果说明根部浇灌沼液能够明显缓解干旱胁迫对玉米幼苗光合作用的抑制,有效提高干旱胁迫下玉米幼苗光合作用效率和水分利用效率,且对抗旱性较强的‘中单2号’影响较大。

3 讨 论

植物幼苗阶段是受水分亏缺影响相对严重的时期,与其他作物相比,玉米苗期生长相对缓慢,如果水分亏缺将会严重影响玉米的整个生长发育[11]。因此,改进玉米的节水措施,缓解玉米幼苗期的干旱胁迫伤害,是玉米优质增产的重要途径。本试验发现,中等抗旱品种‘先玉335’和较强抗旱品种‘中单2号’在干旱胁迫下幼苗的生长明显受到抑制,50%沼液根施处理可以使干旱胁迫下两品种玉米幼苗的苗高、茎粗、叶面积、叶绿素SPAD值、叶片氮元素含量和叶片干鲜比均显著增加,根冠比下降,根长增加,须根数增多,根系活力增强。说明沼液施用可能通过促进干旱胁迫下玉米幼苗的生长以增强其对干旱胁迫的耐受性,且抗旱性较强的‘中单2号’对干旱胁迫的耐受程度优于‘先玉335’,这与赵成凤等对干旱胁迫下玉米幼苗生长的缓解效应研究结果[19]一致。

植物为了减缓逆境胁迫造成的生理代谢失衡,通常会在细胞内积累可溶性蛋白、可溶性糖与脯氨酸等渗透调节物质,提高细胞内溶质浓度,以降低细胞水势,从而能有效缓解逆境胁迫对植物造成的伤害[9,11]。本研究结果表明,干旱胁迫下沼液施用能够增加两品种玉米幼苗叶片中可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量,但‘先玉335’的可溶性蛋白和可溶性糖含量变化不大,表明沼液能够诱导干旱胁迫后玉米叶片可溶性蛋白、可溶性蛋白和脯氨酸等渗透调节物质的积累,减轻干旱胁迫对玉米幼苗生长的危害,提高幼苗对干旱胁迫的适应性。这与李世玉等在甜瓜上的研究结果[20]相似,而杨奥军等[21]发现外源喷施5-ALA能够使干旱胁迫下玉米幼苗渗透物质含量降低,这与本研究结果相反,分析可能由于他们在试验中选用较高浓度20%PEG-6000模拟重度干旱胁迫处理以及缓解干旱胁迫所采用的活性物质不同,因而使得同样的物种对干旱胁迫的响应存在差异。

叶绿素是参与植物光合作用过程的主要分子之一,在叶片中起到光能吸收、传递和转换作用,叶绿素含量高低反映了植物叶片光合作用水平的高低[3,10-12,17-19],其在处于逆境时会发生不稳定降解[10-11]。在本试验中,2种玉米叶片叶绿素SPAD值在干旱胁迫下降低,而在施用沼液后明显增加,且较高叶绿素含量能够促进苗期叶片光合产物的合成,利于最终较高产量的形成,这与王鹏等[25]的研究结果相似,也与杜蕾等[24]在苹果矮化砧木幼苗和杨涛等[29]在玉米幼苗上的研究结果相似。植物光合作用的强度主要通过光合参数来反映,叶片气孔导度的调节可防止叶和茎水势过度下降所引发的水分传导失效,但同时会阻碍水气交换降低Pn及Tr[26];而且有人发现Gs与Pn、Tr均呈直线相关,且Gs与Tr的相关系数大于与Pn的相关系数[29],说明水分胁迫对蒸腾作用的影响要大于光合作用。本试验结果显示,干旱胁迫下2种玉米幼苗叶片光合参数Pn、Tr、Gs、Ci均降低(‘中单2号’的Ci除外),光合作用效率下降;沼液施用能够使干旱胁迫下两品种玉米幼苗叶片的Pn、Tr增加以及Ci、Gs下降,而‘中单2号’的Tr、Gs变化不大,表明沼液施用能够使干旱胁迫下玉米幼苗叶片光合参数Pn、Tr、Ci的下降趋势得到缓解,从而提高光合能力,且对‘中单2号’的缓解效果更明显,这与‘中单2号’抗旱性较强,属于高水分利用效率、中等耗水型品种有关[29]。导致光合作用效率下降的原因有气孔因素和非气孔因素。在本试验的干旱胁迫条件下,‘中单2号’叶片的Gs下降,说明气孔因素是其光合作用效率下降的主要原因,而‘先玉335’叶片的Ci下降,Gs变化不显著,说明其光合速率下降的主要原因则是非气孔因素,根部浇灌沼液可以缓解干旱胁迫对玉米叶片光合作用效率的抑制。这与外源喷施5-ALA使干旱胁迫下玉米幼苗的Gs和Ci增加的结果[25]不一致,可能与干旱胁迫下外源添加的活性物质种类不同有关。

有学者认为,提高WUE的节水作用不亚于工程节水措施,是经济有效的方法,节水对提高农作物水分利用效率具有重要意义,可以减少无效的水分消耗,能够增加农作物产量,提高水分利用效率[12]。本试验发现干旱胁迫使‘先玉335’幼苗叶片中WUE降低,‘中单2号’的WUE升高,沼液施用使干旱胁迫下‘先玉335’和‘中单2号’的幼苗叶片WUE均升高,而且相同胁迫条件下‘中单2号’的水分利用效率高于‘先玉335’的,本试验也进一步证实了两品种玉米的抗旱性存在一定差异。

4 结 论

干旱胁迫下玉米幼苗和根系生长明显受到抑制,苗高、茎粗、叶面积和叶片干鲜重比降低,叶片叶绿素SPAD值以及光合参数Pn、Tr、Gs、Ci和WUE明显下降(‘中单2号’的Ci除外),幼苗叶片MDA含量、渗透调节物质含量(可溶性蛋白除外)和抗氧化酶活性显著提高。根施50%沼液处理使干旱胁迫下玉米幼苗的苗高、茎粗、叶面积和叶片干鲜重比等形态指标,根系活力,叶片氮元素含量和叶绿素含量均显著增加,根冠比明显下降,以及光合参数Pn、Tr、WUE增大,Gs和Ci下降,叶片可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等含量和SOD、POD、CAT等3种抗氧化酶活性得到进一步提高(‘中单2号’的CAT除外),叶片MDA含量下降,显著降低细胞膜透性,增强了玉米对干旱胁迫的耐受能力。沼液对干旱胁迫下‘先玉335’幼苗的生长指标影响更明显,而对‘中单2号’幼苗叶片的渗透调节物质含量、抗氧化酶活性、膜脂过氧化程度和光合参数等影响更明显,说明2种抗旱性不同的玉米品种对干旱胁迫的耐受性也存在差异。因此,在干旱胁迫条件下施用沼液既能充分利用沼肥资源,提高沼液的综合利用效率,还能促进玉米产量的增加,更为重要的是可以节水抗旱,对农业生产实践具有指导意义,可在玉米生产上推广应用。