低溫對寒地玉米種子萌發及幼苗抗氧化酶活性的影響

谷英楠 楊克軍 王玉鳳 張翼飛 趙長江 付健 趙瑩 劉承 張發明 楊系玲 劉慧迪 劉瑀 方永江

摘要 [目的]研究寒地不同玉米（Zea mays L.）品種萌發及幼苗生長和抗氧化酶活性對低溫的響應特性。[方法]以14份寒地玉米品種為試材，在萌芽期及幼苗期對耐低溫能力進行比較研究。[結果]在低溫下（5～15 ℃），隨著溫度降低參試品種的發芽率均呈下降趨勢。低溫脅迫下各玉米品種幼苗的超氧化物歧化酶（SOD）活性增加，其中，澤玉16、綏玉19的變化最明顯；各玉米品種幼苗的過氧化物酶（POD）活性增強，其中，久龍2、南北4、澤玉16、綏玉19的變化最明顯；南北4、哲單37、海玉5的相對生長速率最高。[結論]南北4、海玉5、哲單37為苗期耐低溫型玉米品種；墾玉7、綏玉19、唐玉15、綏玉1、德美亞1、久龍2、蠡玉18為苗期中間型玉米品種；甘玉1、克單8、澤玉16、吉單522為苗期低溫敏感型玉米品種。

關鍵詞 玉米；低溫脅迫；種子萌發；保護性酶

中圖分類號 S513 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）16-05092-05

溫度是影響植物生長的最重要的環境因素之一。玉米是一種喜溫作物，玉米的早期發育過程中若是接觸到低溫，光合性能會降低[1-2]。低溫常常降低玉米種子萌發速率，限制玉米幼苗生長，從而不利于早春播種[3]，以及玉米的生長周期和產量[4]。植物本身有各種保護系統，以減少低溫對植物自身的影響[5-11]，包括抗氧化酶系統。植物的細胞器、細胞、組織和植物的水平結構和功能改變了對低溫的適應。前人研究表明，耐低溫品種相比低溫敏感型品種有更有效的抗氧化系統[1，12-14]。前人研究中指出，在低溫脅迫條件下，細胞膜和酶的變化最大[15-16]。為此，筆者將不同玉米品種進行不同低溫處理，探討寒地不同品種玉米萌發和幼苗生長的影響及抗氧化酶活性對低溫的響應特性，為寒地玉米生產及耐低溫玉米品種的選擇和選育提供參考依據，為低溫冷害下采用有效的防御技術，保證玉米穩產、高產奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料 選用黑龍江省寒冷地區主要栽培的玉米品種14份，分別為甘玉1、久龍2、墾玉7、綏玉1、綏玉19、哲單37、德美亞1、克單8、南北4、海玉5、蠡玉18、唐玉15、吉單522、澤玉16。

1.2 試驗方法

1.2.1 溫度對發芽率及發芽勢的影響。每個品種分別取1 200粒種子，用1%次氯酸鈉消毒30 min。在室溫下浸種12 h，分別裝入發芽盒內，每盒100粒，分別置于5（T1）、10（T2）、15 ℃（T3）條件下，以28 ℃（T4）為對照，進行發芽試驗。各品種每個溫度下設3次重復，分別于第3、7天測定種子的發芽勢和發芽率。

1.2.2 溫度對幼苗生長及生理指標的影響。每個品種選250粒種子，消毒，浸種，發芽后，待1葉期開始進行低溫處理。處理溫度分別為5（T1）、10（T2）、15 ℃（T3），以28 ℃（T4）為對照，處理7 d后測定相對生長速率、超氧化物歧化酶（SOD）活性和過氧化物酶（POD）活性。

1.3 測定內容與方法

1.3.1 保護酶活性。SOD活性測定采用氮藍四唑法，POD活性測定采用愈創木酚顯色法[17]。

1.3.2 相對發芽率。相對發芽率（%）=（低溫處理下的發芽率/對照發芽率）×100%。

1.3.3 相對生長速率。參照Baligar [18] 、邱念偉[19]的方法，相對生長速率（Relative Growth Rate，RGR）=（lnW2- lnW1）/（T2- T1），當植株生長至1葉1心時稱重記為W1，7 d后再次測量記為W2。

1.4 統計分析 采用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數據處理與統計分析。

2 結果與分析

2.1 溫度對不同玉米品種發芽率的影響 從表1可以看出，隨著溫度的降低所有品種的發芽率均呈下降趨勢。隨著溫度的降低所有品種的發芽率均呈下降趨勢。5 ℃時所有品種均不萌發；在10 ℃時南北4發芽率達到96.67%；在15 ℃時南北4發芽率為97.78%，克單8發芽率是16.67%為最低。

2.2 溫度對不同玉米品種發芽勢的影響 從圖1可以看出，供試品種發芽勢與溫度呈正相關。在5 ℃時所有品種均無發芽勢；在10 ℃時，甘玉1和蠡玉18的發芽勢為0，南北4的發芽勢達到66.60%；在15 ℃時南北4的發芽勢仍為最高，達到91.11%；在對照條件下，所有品種的發芽勢最高，德美亞1達到92.11%。

2.3 低溫對不同玉米品種相對發芽率的影響 從表2可以看出，15 ℃/28 ℃的相對發芽率百分比最大是吉單522，為0.997，最小是克單8，相對發芽率百分比為0.275。10 ℃/28 ℃的相對發芽率百分比最大是南北4，為0.907，最小是蠡玉18，相對發芽率百分比為0。5 ℃/28 ℃的相對發芽率百分比均為0。通過相對發芽率可以將其分為3類：甘玉1、蠡玉18、德美亞1、唐玉15、吉單522、南北4、海玉5、哲單37、澤玉16為耐低溫型品種；久龍2、墾玉7、綏玉19為中間型品種；克單8、綏玉1為低溫敏感型品種。

2.4 低溫對不同玉米品種根長、芽長的影響 從圖2可以看出，在5 ℃時，所有品種均未生長。在10 ℃時，海玉5根長最長為1.80 cm，吉單522最短為0.40 cm。在15 ℃時，南北4根長最長為9.10 cm，甘玉1最短為2.26 cm。在28 ℃時，唐玉15根長最長為20 cm，澤玉16最短為1.80 cm。

從圖3可以看出，在5 ℃時，所有品種均未生長。在10 ℃時，綏玉1芽長最長為4.23 cm，吉單522最短為0.17 cm。在15 ℃，時唐玉15芽長最長為1.40 cm，德美亞1最短為0.63 cm。在28 ℃時，唐玉15芽長最長為11.73 cm，德美亞1最短為1.83 cm。

2.5 不同玉米品種在不同溫度下各指標主成分分析和聚類分析 從表3可以看出，通過主成分分析可以將不同溫度下的各個指標劃分4個成分，在成分矩陣下各溫度下的發芽勢在第1個成分中所占的比率最大，分別為0.847、0.739、0.864，旋轉成分矩陣中各溫度下的發芽勢在第1個成分中所占的比率為最大，分別為0.902、0.893、0.838。確定發芽勢為第1個主成分，下一步可以通過聚類分析進行分類。

從圖4可以看出，將不同基因型玉米品種劃分為3類：耐低溫型，包括海玉5、南北4；中間型，包括綏玉1、綏玉19、唐玉15、澤玉16、哲單37、吉單522、久龍2、德美亞1；低溫敏感型，包括甘玉1、蠡玉18、墾玉7、克單8。

2.6 低溫對不同玉米品種幼苗期SOD活性的影響 在低溫時SOD活性的升高表明該品種具有較高的耐低溫性，可以此進行分類。從圖5可以看出，隨著溫度的降低，所有品種的SOD活性均有所升高，在5 ℃時，澤玉16的SOD活性最高，比吉單522的SOD活性高1.41倍。在10 ℃時，久龍2的SOD活性最高，比吉單522的SOD活性高1.42倍。在15 ℃時，吉單522的SOD活性最高，比克單8的SOD活性高2.84倍。在28 ℃時，哲單37的SOD活性最高，比海玉5的SOD活性高1.46倍。

從圖6可以看出，在低溫時玉米品種根部的SOD活性上升，在5、10 ℃時的SOD活性都比28 ℃時的高。在5 ℃時所有品種的SOD活性都比在對照28 ℃時高，并且以甘玉1、久龍2、墾玉7、克單8、南北4的變化最明顯，比對照分別高出2.43、1.96、1.88、1.71、1.71倍。在10 ℃時所有品種的SOD活性都比28 ℃時高，并且以久龍2、德美亞1、南北4、甘玉1、

蠡玉18的變化最明顯，分別比對照高出2.00、1.77、1.76、1.74、1.72倍。在15 ℃時變化均不明顯，分別以綏玉19的SOD活性最高，為179.58 U/g（FW）。

2.7 低溫對不同玉米品種幼苗期POD活性的影響 與SOD活性的變化相似，在低溫時POD活性的增加表明該品種在低溫下具有耐低溫能力。從圖7可以看出，所有品種的POD活性表現為28 ℃處理>5 ℃處理>10 ℃處理>15 ℃處理。在5 ℃時久龍2、南北4的POD活性與28 ℃時大小差異較大，分別比28 ℃下的POD活性高出1.85和1.64倍，在10和15 ℃時POD活性的變化不是很明顯。

從圖8可以看出，隨著溫度的降低，所有玉米品種根部的POD活性均升高。在5 ℃時綏玉19的POD活性為最高，比甘玉1的POD活性高2.98倍。在10 ℃時蠡玉18的POD活性最高，比哲單37的POD活性高2.60倍。在15 ℃時澤玉16的POD活性最高，比蠡玉18的POD活性高1.66倍。在28 ℃時所有品種的POD活性均不高。

2.8 低溫對不同品種玉米幼苗期相對生長速率的影響 從表4可以看出，隨著溫度的降低所有品種的相對生長速率均下降。在5 ℃時相對生長速率最高為南北4，是綏玉19的4.30倍。在10 ℃時相對生長速率最高為哲單37，是甘玉1的1.60倍。在15 ℃時相對生長速率最高為海玉5，是唐玉15的1.92倍。在28 ℃時所有品種的相對生長速率均較高。

3 結論與討論

該試驗通過對14種不同基因型玉米萌芽期及幼苗期的耐低溫能力進行研究，發現發芽率、根長、芽長、相對生長速率與品種耐低溫能力的強弱呈正相關，苗期耐低溫型玉米品種在低溫時SOD、POD活性均比對照顯著升高；苗期中間型玉米品種在低溫時SOD、POD活性也較對照有所升高；苗期低溫敏感型玉米品種在低溫時SOD、POD活性升高較低。

試驗結果表明，南北4、久龍2、海玉5、哲單37為苗期耐低溫型玉米品種；墾玉7、綏玉19、唐玉15、綏玉1、德美亞1、蠡玉18為苗期中間型玉米品種；甘玉1、克單8、澤玉16、吉單522為苗期低溫敏感型玉米品種。

一些植物的抗氧化酶活性的變化為在低溫時抗氧化酶活性增強，這些變化也同前人研究相符合[20-23]。然而，變化的程度與酶的種類有關，也與作物品種有關。所有品種的SOD活性的變化和前人研究結果一樣 [21-23]。該研究中，不同品種進行低溫處理以后，POD活性在葉片部位的變化有所不同，在低溫時雖然POD活性有所升高，但均未超出28 ℃時的POD活性，這一結果有待于進行進一步研究驗證。

參考文獻

[1] LEIPNER J，FRACHEBOUD Y，STAMP P.Effect of growing season on the photosynthetic apparatus and leaf antioxidative defenses in two maize genotypes of different chilling tolerance[J].Environ Exp Bot，1999，42：129-139.

[2] STIRLING C M，NIE G Y，AGUILERA C，et al.Photosynthetic productivity of an immature maize crop：Changes in quantum yield of CO2 assimilation，conversion efficiency and thylakoid proteins[J].Plant Cell Environ，1991，14：947-954.

[3] PARERA C A，CANTLIFFE D J.Presowing seed priming [J].Horticultural Reviews，1994，16（16）：109-141.

[4] MIEDEMA P.The effects of low temperature on Zea mays L[J].Adv Agron，1982，35：93-129.

[5] HODGES D M，ANDREWS C J，JOHNSON D A，et al.Antioxidant enzyme responses to chilling stress in differentially sensitive inbred maize lines[J].J Exp Bot，1997，48：1105-1113.

[6] FOYER C H，VANACKER H，GOMEZ L D，et al.Regulation of photosynthesis and antioxidant metabolism in maize leaves at optimal and chilling temperatures：Review[J].Plant Physiol，Biochem，2002，40：659-668.

[7] TAKAC T.The relationship of antioxidant enzymes and some physiological parameters in maize during chilling[J].Plant Soil Environ，2004，50：27-32.

[8] ZOU H，WU Z.Gene expression analyses of Zm Pti1，encoding a maize Pti-kinase，suggest a role in stress signaling[J].Plant Sci，2006，171：99-105.

[9] CHINNUSAMY V，ZHU J，ZHU J K.Cold stress regulation of gene expression in plants[J].Trends Plant Sci，2007，12：444-451.

[10] KOSOV K，VTMVS P，PRIL I T.The role of dehydrins in plant response to cold[J].Biol Plant，2007，51：601-617.

[11] SUNKAR R，CHINNUSANG V，ZHU J，et al.Small RNAs as big players in plant abiotic stress responses and nutrient deprivation[J].Trends Plant Sci，2007，12：301-309.

[12] JAHNKE L S，HULL M R，LONG S P.Chilling stress and oxygen metabolizing enzymes in Zea mays amd Zea diploperennis[J].Plant Cell Environ，1991，14：98-104.

[13] WALKER M A，MCKERSIE B D.Role of the ascorbateglutathione antioxidant system in chilling resistance of tomato[J].Plant Physiol，1993，141：234-239.

[14] WISE R R.Chilling-enhanced photooxidation.The production，action and study of reactive oxygen species produced during chilling in the light[J].Photosynth Res，1995，45：79-97.

[15] ZHOU W J，LEUL M.Uniconazole-induced alleviation of freezing injury in relation to changes in hormonal balance，enzyme activities and lipid peroxidation in winter rape[J].Plant Growth Regulation，1998，26（1）：41-47.

[16] LUKATKIN A S.Contribution of oxidative stress to the development of cold-induced damage to leaves of chilling-sensitive plants：3.Injury of cell membranes by chilling temperatures[J].Russian Journal of Plant Physiology，2003，50（2）：243-246.

[17] 李玲.植物生理學模塊實驗指導[M].北京：科學出版社，2009.

[18] BALIGAR V C，SCHAFFERTRE R E，DOS SANTOS H L，et al.Growth and nurient uptake parameters in sorghum as influenced by aluminum[J].Agronomy Journal，1993，85：1068-1074.

[19] 邱念偉，馬宗琪，王鳳德，等.一種測定植物相對生長量的方法[J].山東科學，2007，20（2）：24-28.

[20] KUBO A，AONO M，NAKAJIMA N，et al.Differential responses in activity of antioxidant enzymes to different environmental stress in Arabidopsis thaliana[J].Plant Res，1999，112：279-290.

[21] AROCA R，IRIGOYEN J J，SNCHEZ-DIAZ M.Photosynthetic characteristics and protective mechanisms against oxidative stress during chilling and subsequent recovery in two maize varieties differing in chilling sensitivity[J].Plant Sci，2001，161：719-726.

[22] VAN HEERDEN P D R，KRGER H J G.Separately and simultaneously induced dark chilling and drought stress effect on photosynthesis，proline accumulation and antioxidant metabolism in soybean[J].Plant Physiol，2002，159：1077-1086.

[23] TAKAC T.The relationship of antioxidant enzymes and some physiological parameters in maize during chilling[J].Plant Soil Environ，2004，50：27-32.安徽農業科學，Journal of Anhui Agri. Sci.2014，42（16）：5097-5099，5103

責任編輯 高菲 責任校對 李巖