不同外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)不同耐旱性玉米自交系的干旱緩解效應(yīng)分析

曾文靜，陳奮奇，莊澤龍，丁永福，彭云玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

干旱是玉米(ZeamaysL.)生長(zhǎng)發(fā)育中受到的主要非生物脅迫。當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí)，甜菜堿(GB)或脯氨酸(Pro)作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)參與植物細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)，降低水勢(shì)，保持膨壓，抵御干旱。GB是一種天然無(wú)毒的滲透相溶性物質(zhì)，普遍存在于動(dòng)植物和微生物體內(nèi)，在抗逆性方面具有重要作用，例如滲透調(diào)節(jié)、清除活性氧、維持生物膜的穩(wěn)定性、保護(hù)光合機(jī)構(gòu)、維持大分子蛋白復(fù)合物和某些酶的結(jié)構(gòu)和功能等[1]。GB可以通過(guò)自身合成積累，也可通過(guò)葉片噴施、根施、浸種等方式來(lái)提高植物的抗逆性。葉面噴施適宜濃度GB可顯著提高棉花[2]、匍匐翦股穎[3]的耐旱性；將GB施用于玉米根部可增加其高度、葉面積和總干重[4]。Pro是植物在逆境下積累的一種小分子的滲透物質(zhì)，水分和鹽脅迫時(shí)Pro含量可以增加數(shù)十倍甚至上百倍，在調(diào)節(jié)滲透勢(shì)、維持大分子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及清除活性氧的過(guò)程中起重要作用[5]。目前關(guān)于外源GB或Pro單方面對(duì)作物耐旱性的影響已有研究[1-8]，但外源GB和Pro對(duì)干旱緩解效果的差別尚不清楚，在煙草BY-2細(xì)胞[9]和水稻[10]上的研究表明，外源Pro比外源GB更能緩解鹽脅迫產(chǎn)生的不利影響，而在干旱脅迫下是否具有相同的結(jié)論，同時(shí)現(xiàn)有研究大多是針對(duì)同一品種或不同干旱脅迫強(qiáng)度或某一特定的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行的，少有針對(duì)耐旱性不同作物品種的緩解效果進(jìn)行研究。

在水分缺乏的情況下作物可以通過(guò)改變自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)最大限度地使細(xì)胞水勢(shì)保持在最有利于生長(zhǎng)發(fā)育的范圍內(nèi)[11]，而葉片在這一應(yīng)激機(jī)制中發(fā)揮著重要作用。干旱脅迫下植株光合作用下降，主要是由葉片對(duì)光能和CO2的利用率下降而引起的，作為CO2和H2O等物質(zhì)交換的重要通道，氣孔的變化直接決定著作物的蒸騰與光合速率。針對(duì)氣孔性狀及其抗旱性的研究已有報(bào)道，于海秋等[12]的研究表明，玉米葉片氣孔在干旱脅迫下密度增大，而寬度和長(zhǎng)度則明顯減小。高彥萍等[13]發(fā)現(xiàn)水分脅迫使大豆葉片氣孔密度增加，氣孔開(kāi)度和單位葉面積氣孔相對(duì)面積減小。然而就不同耐旱性玉米自交系的氣孔差異以及對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)差異鮮見(jiàn)報(bào)道。玉米葉片具有C4植物特有的花環(huán)型結(jié)構(gòu)，花環(huán)型結(jié)構(gòu)由維管束鞘細(xì)胞和圍繞著鞘細(xì)胞的葉肉細(xì)胞兩部分整齊排列構(gòu)成。維管束鞘細(xì)胞不僅提高CO2的利用率，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)氣孔開(kāi)度以控制水分平衡[14]。Ache等[15]的研究表明，葉片的徑向水流不僅受到氣孔的調(diào)節(jié)，同時(shí)還受到維管束導(dǎo)管的影響。Pardo等[16]認(rèn)為，氣孔運(yùn)動(dòng)和維管系統(tǒng)到內(nèi)部組織的水分供應(yīng)對(duì)葉片水勢(shì)的穩(wěn)定有重要作用。因此，植物葉片的氣孔運(yùn)動(dòng)和維管束結(jié)構(gòu)在應(yīng)對(duì)干旱脅迫、保證葉片水勢(shì)穩(wěn)定的機(jī)制中具有重要功能。然而在水分脅迫下不同耐旱性玉米自交系葉片在維管束、氣孔運(yùn)動(dòng)和花環(huán)型結(jié)構(gòu)變化方面具有怎樣的差異，以及三者之間的關(guān)系目前尚不清楚。

本研究以玉米耐旱自交系昌7-2和旱敏感自交系TS141為試材，以20%聚乙二醇(PEG-6000)模擬干旱脅迫，在苗期添加不同濃度的外源GB或Pro，篩選最佳緩解濃度，從生理特性、氣孔特性以及細(xì)胞解剖學(xué)結(jié)構(gòu)三方面研究外源GB或Pro對(duì)玉米干旱脅迫的緩解能力，比較二者緩解效應(yīng)的差別，同時(shí)對(duì)不同耐旱性玉米自交系葉片在干旱脅迫下的細(xì)胞解剖學(xué)差異進(jìn)行比較，以期為提高玉米耐旱性方面的研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

以本課題組前期篩選出的玉米耐旱自交系昌7-2(屬唐四平頭系)和旱敏感自交系TS141(屬Reid系)為試驗(yàn)材料[17]，兩個(gè)品種均由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院玉米課題組提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子預(yù)處理 挑選飽滿一致、無(wú)損傷的TS141種子，經(jīng)0.5% NaClO消毒10 min后用蒸餾水沖洗干凈, 于25℃下在對(duì)應(yīng)處理液中吸脹24 h。對(duì)照組記為CK+(蒸餾水)，處理組記為CK-(20%PEG)，5個(gè)梯度的GB或Pro溶液濃度分別為：T1(20%PEG+10 μmol·L-1GB)，T2(20%PEG+20 μmol·L-1GB),T3(20%PEG+30 μmol·L-1GB)，T4(20%PEG+40 μmol·L-1GB),T5(20%PEG+50 μmol·L-1GB)；T1*(20%PEG+200 μmol·L-1Pro)，T2*(20%PEG+400 μmol·L-1Pro),T3*(20%PEG+600 μmol·L-1Pro)，T4*(20%PEG+800 μmol·L-1Pro),T5*(20%PEG+1 000 μmol·L-1Pro)。

1.2.2 幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn) 將CK+、CK-、T1～T5、T1*～T5*溶液浸種后的TS141種子各30粒，分別播種于裝有滅菌蛭石的方形營(yíng)養(yǎng)缽(長(zhǎng)×寬：15 cm×13 cm)中，每個(gè)營(yíng)養(yǎng)缽各10粒，置于晝/夜溫度為25℃/20℃的人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每天光照14 h，黑暗10 h，光照強(qiáng)度600 μmol·s-1·m-2，相對(duì)濕度60%～80%。每隔1 d加入50 mL蒸餾水，每3 d施加50 mL對(duì)應(yīng)處理液。以CK+為標(biāo)準(zhǔn)，待植株生長(zhǎng)至三葉期，將幼苗根系附著的蛭石沖洗干凈，吸干幼苗表面殘余水分，測(cè)定生長(zhǎng)參數(shù)以及生理指標(biāo)。比較經(jīng)過(guò)不同處理后各植株的生理生化指標(biāo)，篩選出苗期最佳外源調(diào)節(jié)物質(zhì)的處理濃度。再按照種子預(yù)處理以及幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)方法，分別在CK+、CK-以及最佳外源調(diào)節(jié)物質(zhì)處理濃度下培養(yǎng)耐旱自交系昌7-2和旱敏感自交系TS141，測(cè)定其苗期生長(zhǎng)參數(shù)、生理指標(biāo)及氣孔特性，并制備葉片組織切片。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 生長(zhǎng)參數(shù)測(cè)定 根長(zhǎng)、苗長(zhǎng)的測(cè)定：幼苗的株高和主根長(zhǎng)用直尺測(cè)量。鮮重與干重的測(cè)定：將單株地下部和地上部分離后稱重。稱重后置于烘箱于105℃殺青30 min，80℃烘干至恒重后稱其干重。試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

1.3.2 幼苗生理指標(biāo)測(cè)定 根據(jù)Galmés等[18]方法測(cè)定相對(duì)含水量(relative water content, RWC)；用浸泡法測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率(relative conductivity, RC)[19]，使用氮藍(lán)四唑光化學(xué)還原法測(cè)定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性[20]，過(guò)氧化物酶(peroxidase, POD)活性、過(guò)氧化氫酶(catalase, CAT)活性用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定[21-22]，可溶性糖含量(soluble sugar content, SS)用蒽酮硫酸比色法測(cè)定[23]，丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量測(cè)定使用硫代巴比妥酸顯色法[24]，脯氨酸(Proline, Pro)含量測(cè)定采用茚三酮顯色法[25]。試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)。

1.3.3 葉片氣孔形態(tài)測(cè)定 參照Yu等[26]葉片表面壓印法，制作不同處理玉米植株第三片葉大致相同部位的上表皮切片，在光學(xué)顯微鏡(Leica 6000; Leica Instruments, Germany)下分別觀察6個(gè)視野并拍照，用ImageJ軟件測(cè)量葉片氣孔長(zhǎng)度、氣孔寬度、氣孔面積、氣孔數(shù)量和氣孔開(kāi)度。

1.3.4 葉片組織切片制備 采用Schuerger等[27]的番紅-固綠染色法，制作不同處理下玉米第三片葉相同部位橫切面切片，粘片時(shí)采用蛋清甘油混合溶液(v∶v=1∶2)。制作完成的切片置于光學(xué)顯微鏡(Olympus, BX61, Japan)下進(jìn)行觀察并拍照。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件(SPSS Inc., Chicago, USA)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采用Duncan法對(duì)各處理之間進(jìn)行差異顯著性分析，試驗(yàn)結(jié)果均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)偏差(standard deviation, SD)表示；采用Microsoft Excel 2013作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)及生理生化特性的影響

旱敏感自交系TS141的生長(zhǎng)參數(shù)在不同處理下存在差異(圖1)。干旱脅迫處理下，干旱敏感自交系TS141的苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、地上部鮮重和地下部鮮重分別降低了21.42%、34.40%、38.70%、38.67%。而添加外源GB或Pro有效緩解干旱脅迫的效果，較CK-處理相比，其各生長(zhǎng)參數(shù)均顯著升高(P<0.01)，但不同濃度外源GB或Pro對(duì)生長(zhǎng)參數(shù)的緩解程度不同(圖1)。就外源GB而言，T3處理玉米苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、地上部鮮重和地下部鮮重達(dá)到最大，分別是CK-干旱脅迫處理的1.26、1.54、1.51、1.46倍；而T5處理玉米苗長(zhǎng)和地下部鮮重達(dá)最小，分別是CK-干旱脅迫處理的1.09、1.08倍。T1處理玉米根長(zhǎng)和地上部達(dá)最小，分別是CK-干旱脅迫處理的1.03、1.13倍。就外源Pro而言，T2*處理玉米的苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、地上部鮮重和地下部鮮重達(dá)到最大，分別是CK-干旱脅迫處理的1.15、1.39、1.13、1.52倍；而T5*處理玉米的苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、地上部鮮重和地下部鮮重達(dá)最小，分別是CK-干旱脅迫處理的0.92、0.91、0.79、1.02倍。

旱敏感自交系TS141的生理特性在不同處理下存在差異(圖2)。CK-干旱脅迫處理時(shí)，玉米幼苗的相對(duì)含水量明顯下降，與CK+對(duì)照處理相比降低了18.60%；其他7個(gè)生理性狀如相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量、脯氨酸含量、CAT活性、可溶性糖含量、SOD活性、POD活性等則顯著上升，分別是對(duì)照處理的1.82、2.27、3.07、1.73、1.42、2.19、2.59倍。干旱脅迫下添加外源GB或Pro對(duì)玉米幼苗的生理生化特性有明顯的影響，且不同濃度外源GB或Pro對(duì)各生理生化性狀的影響程度不同(圖2)。就外源GB而言，T5處理玉米相對(duì)含水量達(dá)到最大，是CK-干旱脅迫處理的1.14倍；T3處理玉米的相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛和脯氨酸含量、3種保護(hù)酶(SOD、POD或CAT)活性以及可溶性糖含量達(dá)最小，與CK-干旱脅迫處理相比分別下降了38.70%、48.00%、30.43%、27.49%、16.77%、37.38%、42.12%。就外源Pro而言，T2*處理玉米的相對(duì)含水量達(dá)到最大，是CK-干旱脅迫處理的0.98倍；T1*或T2*處理玉米的相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛和脯氨酸含量、3種保護(hù)酶(SOD、POD或CAT)活性以及可溶性糖含量達(dá)最小，與CK-干旱脅迫處理相比分別下降了40.95%、48.00%、22.87%、31.75%、-42.92%、25.95%、32.1%。

圖2 干旱脅迫下GB 或 Pro對(duì)玉米自交系TS141幼苗生理特性的影響Fig.2 Effects of different exogenous regulating substances (GB or Pro) in maize inbred line TS141 seedling physiological characteristics

由此，就玉米幼苗的長(zhǎng)勢(shì)和生理性狀而言，外源GB在T3(30 μmol·L-1)處理時(shí)對(duì)玉米干旱脅迫緩解效應(yīng)最佳，外源Pro在T2*處理時(shí)對(duì)玉米干旱脅迫緩解效應(yīng)最佳。

2.2 干旱脅迫下最佳濃度外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)不同耐旱性玉米幼苗的緩解效應(yīng)分析

2.2.1 最佳濃度外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)玉米生長(zhǎng)參數(shù)和生理特性的影響 干旱脅迫下兩種耐旱性不同玉米自交系的生長(zhǎng)表現(xiàn)存在差異(圖3)。昌7-2和TS141的苗長(zhǎng)和根長(zhǎng)在干旱脅迫下均顯著降低，昌7-2分別降低了19.45%、25.08%，TS141分別降低了25.65%、43.88%；而在地上部鮮重和地下部鮮重方面，昌7-2未出現(xiàn)顯著差異，TS141則分別降低了68.67%、44.90%，即干旱敏感自交系TS141在苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、地上部及地下部鮮重降幅均大于耐旱自交系昌7-2。添加最佳濃度外源GB或Pro后對(duì)干旱脅迫有明顯的緩解效應(yīng)，與CK-處理相比，其各生長(zhǎng)參數(shù)均有所上升(P<0.01)，但同一外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)不同自交系緩解效果不同(圖3)：與CK-相比，外源GB處理后昌7-2苗長(zhǎng)、地上部及地下部鮮重均無(wú)顯著性差異，而TS141的各生長(zhǎng)參數(shù)均顯著上升，分別是CK-的1.30、1.39、2.88、1.48倍；與CK-相比，外源Pro處理后昌7-2只有根長(zhǎng)出現(xiàn)顯著差異，而

注：不同小寫(xiě)字母代表同一自交系在不同處理下差異顯著(P<0.01)。下同。Note:Different lowercase letters in the same inbred line indicate significant difference (P<0.01). The same below.圖1 干旱脅迫下GB 或 Pro對(duì)玉米自交系TS141幼苗生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effects of GB and Pro on seedling growth of maize inbred line TS141 under drought stress

圖3 干旱脅迫下最佳濃度GB 或 Pro對(duì)兩種玉米自交系幼苗生長(zhǎng)的影響Fig.3 Effects of optimum concentration of exogenous regulating substances (GB or Pro) in maize seedling growth parameters

TS141的根長(zhǎng)、地上部及地下部鮮重顯著升高，分別是CK-的1.43、2.13、1.52倍，即外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)干旱敏感自交系TS141的緩解效果比對(duì)耐旱自交系昌7-2明顯。同時(shí)不同外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)同一自交系的緩解效果不同(P<0.01)(圖3)，外源GB處理后TS141比CK-各生長(zhǎng)參數(shù)均顯著升高，外源Pro處理后則只有根長(zhǎng)、地上部及地下部鮮重顯著升高，即與外源Pro相比，外源GB的緩解效果較好。

干旱脅迫下玉米幼苗體內(nèi)代謝紊亂，不同處理相對(duì)含水量呈現(xiàn)先降后升趨勢(shì)，其他生理指標(biāo)呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)。干旱脅迫下耐旱自交系昌7-2和旱敏感自交系TS141在生理特性方面存在差異(圖4)。昌7-2相對(duì)含水量在各處理下均未出現(xiàn)顯著差異，而TS141在干旱脅迫下下降26.77%；兩自交系相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量在干旱脅迫下顯著升高，昌7-2分別是CK-的1.27、1.55倍，TS141分別是CK-的1.39、1.68倍，即耐旱自交系昌7-2在相對(duì)電導(dǎo)率及丙二醛含量的上升幅度小于旱敏感自交系TS141；兩自交系Pro含量、SOD活性、POD活性、CAT活性及可溶性糖含量在干旱脅迫下同樣顯著升高，昌7-2的分別是CK-的2.92、1.64、1.32、4.62、2.35倍，TS141的分別是CK-的2.58、1.41、1.73、4.42、1.96倍，即耐旱自交系昌7-2在這5個(gè)生理指標(biāo)的上升幅度大于旱敏感自交系TS141。干旱脅迫下添加外源GB或Pro對(duì)玉米幼苗的生理特性有顯著影響(P<0.01)，可顯著緩解干旱脅迫傷害，但與生長(zhǎng)參數(shù)類(lèi)似，同一外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)不同耐旱性自交系的緩解效果不同(圖4)：就外源GB而言，與CK-相比脯氨酸含量、SOD活性、POD活性、CAT活性在兩自交系中均出現(xiàn)顯著差異，昌7-2分別降低了47.01%、26.33%、15.00%、66.08%，TS141分別降低了46.22%、16.58%、35.24%、60.52%；就外源Pro而言，與CK-相比脯氨酸含量、POD活性、CAT活性及可溶性糖含量在兩自交系中均出現(xiàn)顯著差異，昌7-2的分別降低了27.74%、11.45%、44.32%、19.83%，TS141的分別降低了43.55%、29.87%、50.40%、47.86%，與耐旱自交系昌7-2相比，外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)旱敏感自交系TS141的緩解效果較明顯。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)不同外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)同一材料的緩解效果不同(圖4)，昌7-2脯氨酸含量、SOD活性、POD活性、CAT活性在添加外源GB或Pro后與CK-相比均顯著下降(P<0.01)，最佳濃度外源GB處理下分別下降47.01%、26.33%、15.00%、66.08%，最佳濃度外源Pro處理下分別下降27.74%、17.65%、11.45%、44.32%，即添加外源GB對(duì)玉米的緩解幅度大于外源Pro，外源GB緩解效果較好。

2.2.2 添加最佳濃度外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)玉米葉片氣孔形態(tài)和數(shù)量的影響 正常供水條件下耐旱自交系昌7-2和旱敏感自交系TS141在5個(gè)氣孔性狀間存在差異(表1)。干旱敏感自交系TS141的氣孔長(zhǎng)度、寬度、面積及開(kāi)度整體大于耐旱自交系昌7-2，而單位面積氣孔數(shù)量則小于耐旱自交系昌7-2。干旱脅迫下兩玉米自交系葉片氣孔長(zhǎng)度、寬度、面積及開(kāi)度均減小，單位面積氣孔數(shù)量則增加，但兩自交系變化幅度不同(P<0.05)。干旱脅迫下昌7-2氣孔各項(xiàng)特征均出現(xiàn)顯著差異，氣孔長(zhǎng)度、寬度、面積及開(kāi)度與對(duì)照相比分別減少了10.11%、12.76%、13.10%、23.78%，氣孔數(shù)量上升了14.89%；而TS141只有氣孔寬度和開(kāi)度出現(xiàn)顯著差異，分別減少了5.15%、17.80%，變化幅度均低于昌7-2。兩自交系氣孔寬度的變化幅度均大于氣孔長(zhǎng)度的變化幅度，說(shuō)明干旱脅迫下氣孔形狀的變化主要是氣孔寬度的減小。添加外源GB或Pro后對(duì)氣孔特性有明顯的緩解效應(yīng)，且同一外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)兩自交系的緩解效應(yīng)不同(P<0.05)。與CK-相比昌7-2添加外源GB后氣孔長(zhǎng)度、面積、開(kāi)度均顯著上升，而TS141只有氣孔寬度顯著上升；與CK-相比添加外源Pro后昌7-2氣孔開(kāi)度顯著上升，而TS141各氣孔參數(shù)與CK-相比均無(wú)顯著差異，即就氣孔形狀與數(shù)量而言，外源GB或Pro對(duì)玉米耐旱自交系昌7-2緩解效果較強(qiáng)，并且添加外源GB或Pro對(duì)同一自交系的緩解效果不同，外源GB對(duì)葉片氣孔形狀和數(shù)量的緩解效果強(qiáng)于外源Pro，外源Pro在氣孔形狀和數(shù)量方面基本沒(méi)有表現(xiàn)出緩解效應(yīng)。

表1 干旱脅迫下最佳濃度GB或Pro對(duì)兩種玉米自交系葉片氣孔參數(shù)的影響

2.2.3 添加最佳濃度外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)玉米葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響 在作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，植株通過(guò)不同形態(tài)結(jié)構(gòu)應(yīng)對(duì)不同生物脅迫和非生物脅迫[28]。干旱脅迫下兩玉米自交系木質(zhì)部導(dǎo)管直徑變小，形狀趨向于不規(guī)則，由接近圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏噙呅危淮缶S管束斷面面積減小(見(jiàn)圖5)。干旱脅迫下耐旱自交系昌7-2葉綠體由緊貼細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)側(cè)分布趨于整體向偏細(xì)胞中心移動(dòng)，而TS141中只有個(gè)別葉綠體分布發(fā)生了變化。干旱敏感自交系TS141在干旱脅迫下花環(huán)型結(jié)構(gòu)變形且排列凌亂，維管束鞘細(xì)胞和韌皮部細(xì)胞排列散亂且不清晰，昌7-2則未發(fā)現(xiàn)明顯差異。就玉米葉片解剖結(jié)構(gòu)而言，添加外源GB和Pro對(duì)耐旱性玉米自交系昌7-2的緩解效應(yīng)基本無(wú)差別。添加外源GB后干旱敏感自交系TS141葉片細(xì)胞結(jié)構(gòu)明顯恢復(fù)且排列整齊，即外源GB對(duì)TS141的緩解效應(yīng)強(qiáng)于外源Pro。

注：1：厚壁組織;2：維管束鞘細(xì)胞;3：葉肉細(xì)胞;4：木質(zhì)部;5：韌皮部;6：葉綠體。A：昌7-2；B：TS141。a:CK+;b:CK-;c:T3；d：T2*。Ⅰ：大維管束;Ⅱ：小維管束。Note: 1: Sclerenchyma; 2: Bundle sheath cell; 3: Mesophyll cell; 4: Xylem; 5: Vascular bundles; 6: Chloroplast. A: Chang 7-2; B: TS141. a: CK+; b: CK-; c: T3; d: T2*. Ⅰ: Big vascular bundles; Ⅱ: Small vascular bundles．圖5 干旱脅迫下添加最佳濃度外源調(diào)節(jié)物質(zhì)對(duì)兩種玉米自交系葉片解剖結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effects of optimum concentration of exogenous regulating substances (GB or Pro) in maize seedling leaf anatomical structure

3 討 論

玉米對(duì)干旱尤其敏感，水分脅迫是玉米產(chǎn)量的主要限制因素[29]。雖然玉米苗期需水量低于生長(zhǎng)后期，但干旱脅迫會(huì)影響玉米在早期作物建立階段的適應(yīng)性，限制玉米生長(zhǎng)產(chǎn)量潛力[30]。玉米苗期供水不足會(huì)影響葉片生長(zhǎng)發(fā)育，從而導(dǎo)致光合作用速率下降等一系列影響。干旱脅迫下施加外源GB或Pro有助于細(xì)胞抵御逆境脅迫的不利影響，本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)參數(shù)和生理性狀分析發(fā)現(xiàn)，外源GB在濃度為30 μmol·L-1(T3)時(shí)對(duì)玉米干旱脅迫緩解效應(yīng)最佳，外源Pro在濃度為400 μmol·L-1(T2*)時(shí)對(duì)玉米干旱脅迫緩解效應(yīng)最佳。

干旱脅迫下玉米耐旱自交系昌7-2和干旱敏感自交系TS141均出現(xiàn)形態(tài)應(yīng)激，但昌7-2與對(duì)照相比幾乎無(wú)差異，而TS141則出現(xiàn)顯著抑制生長(zhǎng)的現(xiàn)象，例如根長(zhǎng)幾乎縮短了50%。幼苗葉片脂膜過(guò)氧化程度、活性氧清除及滲透調(diào)節(jié)能力均增強(qiáng)，但耐旱自交系昌7-2的相對(duì)電導(dǎo)率及丙二醛含量上升幅度小于干旱敏感自交系TS141，而脯氨酸含量上升幅度大于TS141，說(shuō)明昌7-2在干旱脅迫下能相對(duì)保持膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性，質(zhì)膜過(guò)氧化程度較TS141輕。昌7-2在干旱脅迫下SOD、POD、CAT活性及可溶性糖含量上升幅度大于TS141，也說(shuō)明了昌7-2清除應(yīng)激誘導(dǎo)產(chǎn)生的活性氧及過(guò)氧化物的能力較強(qiáng)，能更好地維持細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。添加最佳濃度的外源GB或Pro對(duì)幼苗特性有顯著影響，本試驗(yàn)表明，外源GB或Pro對(duì)耐旱性不同的玉米自交系均產(chǎn)生了緩解效應(yīng)，苗長(zhǎng)、根長(zhǎng)、地上部鮮重及地下部鮮重明顯上升，各生理指標(biāo)與對(duì)照相比差異明顯減少。結(jié)合生理特性、氣孔運(yùn)動(dòng)以及葉片細(xì)胞學(xué)觀察發(fā)現(xiàn)，外源GB的緩解效果強(qiáng)于外源Pro，且不同玉米自交系對(duì)外源GB或Pro的敏感性不同，耐旱性越弱的玉米品種對(duì)外源GB或Pro越敏感。

本研究對(duì)玉米苗期葉片干旱脅迫下的花環(huán)型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察，結(jié)果發(fā)現(xiàn)旱敏感自交系TS141花環(huán)型結(jié)構(gòu)變形且排列凌亂，維管束鞘細(xì)胞和韌皮部細(xì)胞排列散亂且不清晰；耐旱自交系昌7-2葉綠體分布向偏細(xì)胞中心擴(kuò)散；兩自交系木質(zhì)部導(dǎo)管直徑均減小，形狀由接近圓形轉(zhuǎn)變?yōu)榻咏噙呅危瑫r(shí)大維管束斷面面積減小。花環(huán)型結(jié)構(gòu)只存在于C4植物中，該結(jié)構(gòu)的存在造就C4植物獨(dú)特的CO2濃縮機(jī)制，使C4植物對(duì)CO2的固定效率比C3植物高很多[31]，有利于玉米在干旱環(huán)境的生長(zhǎng)。現(xiàn)有研究表明維管束鞘細(xì)胞在保持葉片水勢(shì)方面扮演著重要角色[32]，干旱脅迫導(dǎo)致維管束鞘細(xì)胞排列凌亂且不緊湊，使其與周?chē)?xì)胞的接觸面積減小，進(jìn)而造成玉米光合作用效率下降[33]；葉綠體分布的變化可能是玉米葉片適應(yīng)干旱脅迫，增加光吸收面積的一種機(jī)制[32]；葉片木質(zhì)部導(dǎo)管是植物進(jìn)行蒸騰作用、運(yùn)輸水分的重要途徑，本研究中耐旱自交系昌7-2和旱敏感自交系TS141木質(zhì)部導(dǎo)管均出現(xiàn)直徑減小現(xiàn)象，可能會(huì)降低通過(guò)木質(zhì)部導(dǎo)管到達(dá)葉表面以進(jìn)行蒸騰作用的水分量，使葉片導(dǎo)管系統(tǒng)水勢(shì)降低，誘導(dǎo)玉米葉片氣孔開(kāi)度降低，以適應(yīng)干旱環(huán)境。

氣孔作為植物體物質(zhì)內(nèi)外交換的重要通道，其變化也是逆境脅迫下的重要適應(yīng)機(jī)制之一。本研究在不同處理下敏感自交系TS141氣孔長(zhǎng)度、寬度、面積及開(kāi)度整體大于耐旱自交系昌7-2，而單位面積氣孔數(shù)量則小于耐旱自交系昌7-2，說(shuō)明耐旱性越強(qiáng)的玉米自交系品種其葉片氣孔越趨向于個(gè)體小且分布密集。干旱脅迫下兩玉米自交系的氣孔面積均減小，而單位面積氣孔數(shù)量則增加，推測(cè)玉米適應(yīng)干旱脅迫的機(jī)制之一可能是水分脅迫使葉面積減小從而提高了單位葉面積上的氣孔個(gè)數(shù)，這與于海秋等[12]的研究一致；同時(shí)兩自交系的氣孔開(kāi)度在干旱脅迫下減小，可能是減少葉片蒸騰失水以應(yīng)對(duì)干旱脅迫，雖然同時(shí)也增大了CO2進(jìn)入細(xì)胞的阻力，但玉米作為典型的C4植物，其特有的磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶與CO2極高的親和力，使得C4植物有極少的CO2存在時(shí)，維管束鞘細(xì)胞就能快速高效地進(jìn)行光合作用[34]。干旱脅迫下耐旱自交系昌7-2各氣孔參數(shù)變化幅度顯著大于旱敏感自交系TS141，可能是昌7-2比TS141耐旱性強(qiáng)的原因之一。另外，就氣孔運(yùn)動(dòng)而言，外源GB的緩解效果強(qiáng)于外源Pro，這與其生理特性一致。