調(diào)環(huán)酸鈣對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)及生理特性的影響

趙肖瓊， 梁泰帥， 李 琪， 張恒慧

(1.太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系，山西太原 030008； 2.山西醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院，山西太原 030001)

近年來(lái)，隨著全球溫室效應(yīng)的影響以及人類不合理活動(dòng)的加劇，我國(guó)干旱半干旱土地以及鹽堿土地面積分別超過(guò)全國(guó)總土地面積的1/2和1/10，且均表現(xiàn)出逐年擴(kuò)大的趨勢(shì)，土壤干旱和鹽堿化已成為我國(guó)生態(tài)環(huán)境和農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)持續(xù)發(fā)展面臨的兩大難題[1-2]。自然條件下，土壤中往往存在干旱和鹽堿化相伴發(fā)生的現(xiàn)象，二者形成的復(fù)合逆境引發(fā)的滲透脅迫、離子毒害以及活性氧脅迫使得植物種子萌發(fā)率降低、植株生長(zhǎng)矮小、營(yíng)養(yǎng)器官發(fā)育受阻、光合作用等生理代謝紊亂，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致植物脫水死亡[3-4]。玉米(ZeamaysL.)是我國(guó)乃至全球范圍內(nèi)非常重要的糧食、經(jīng)濟(jì)和飼料作物[5]，但其生育期內(nèi)對(duì)干旱和鹽脅迫比較敏感，因此，探討玉米對(duì)干旱和鹽脅迫的耐受性及保護(hù)機(jī)制，對(duì)穩(wěn)定和提升我國(guó)玉米生產(chǎn)具有至關(guān)重要的意義。調(diào)環(huán)酸鈣(prohexadione-calcium，Pro-Ca)是一種新型的抗赤霉素植物生長(zhǎng)延緩劑，能夠促進(jìn)生殖生長(zhǎng)，抑制地上部營(yíng)養(yǎng)器官生長(zhǎng)，提高作物產(chǎn)量和果實(shí)品質(zhì)等，同時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境和植物產(chǎn)生污染及毒性[6]。此外，Pro-Ca還能參與調(diào)控植物對(duì)逆境的響應(yīng)。李瑤等認(rèn)為，葉面噴施100 mg/L Pro-Ca能夠通過(guò)提升超氧化物歧化酶(SOD)等抗氧化酶活性、葉綠素含量及脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量，有效緩解NaCl脅迫對(duì)水稻的氧化損傷，促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)及光合速率上升[7]。潘明君等認(rèn)為，低溫脅迫下噴施Pro-Ca能顯著提高煙草葉片的最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、PSⅡ電子傳遞效率(ETR)，降低初始熒光(Fo)，從而減弱葉綠素的降解[8]。Bazzi等發(fā)現(xiàn)Pro-Ca處理能顯著增強(qiáng)蘋果對(duì)火疫病以及土豆對(duì)細(xì)菌性枯萎病、細(xì)菌性斑點(diǎn)病的抗性[9-10]。然而，目前關(guān)于Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下植物生長(zhǎng)及抗氧化生理特性影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，本研究以玉米種子為試材，設(shè)置單一干旱脅迫(20%PEG)、單一鹽脅迫(5.85 g/L NaCl)以及旱鹽交叉脅迫(20%PEG+5.85 g/L NaCl)，分析葉面噴施Pro-Ca溶液對(duì)旱鹽單一及交叉脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)、活性氧代謝、抗氧化及滲透調(diào)節(jié)能力的影響，闡明Pro-Ca緩解玉米旱鹽單一及交叉脅迫的生理機(jī)制，以期為Pro-Ca在玉米抗旱耐鹽栽培方面的合理使用提供一定參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2021年4—9月在太原工業(yè)學(xué)院環(huán)境與安全工程系生物工程實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，供試玉米品種為鄭單958，購(gòu)于河南金博士種業(yè)股份有限公司。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

精選的玉米種子經(jīng)5%次氯酸鈉消毒10 min、無(wú)菌水洗滌后置于25 ℃環(huán)境催芽，將發(fā)芽的種子播種于石英砂中培養(yǎng)。在幼苗長(zhǎng)到2葉1心時(shí)，精選整齊一致的玉米幼苗定植到帶有圓孔的泡沫板上(8株/板)，用1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行培養(yǎng)，每3 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液。在幼苗長(zhǎng)到3葉1心時(shí)，依據(jù)前期試驗(yàn)及相關(guān)研究結(jié)果對(duì)幼苗進(jìn)行旱鹽單一及交叉脅迫處理(表1)，每處理3次重復(fù)，每天10：00向植株葉面均勻噴施等量的蒸餾水或Pro-Ca溶液，以葉面濕潤(rùn)不滴液為宜，處理5 d后，隨機(jī)抽取每處理的8株幼苗測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

表1 旱鹽單一及交叉脅迫處理設(shè)計(jì)

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 用卷尺測(cè)定株高及總根長(zhǎng)，隨后用剪刀將幼苗分為地上部和根部，80 ℃烘干至恒質(zhì)量后稱定地上干質(zhì)量和根干質(zhì)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

分別采用WPS Office 2019和SPSS 19.0軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗地上部和根部生長(zhǎng)特性的影響

由表2可知，單一的干旱脅迫、鹽脅迫以及旱鹽交叉脅迫均對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生了顯著的抑制效應(yīng)，株高較CK分別降低26.78%、21.90%、18.30%，總根長(zhǎng)分別降低43.36%、40.37%、37.59%，地上干質(zhì)量分別降低34.36%、31.27%、25.87%，根干質(zhì)量分別降低38.55%、35.05%、30.37%。葉面噴施Pro-Ca能夠不同程度緩解旱鹽單一及交叉脅迫對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的抑制，與單一的干旱脅迫相比，噴施Pro-Ca株高、總根長(zhǎng)、地上干質(zhì)量、根干質(zhì)量分別增加12.91%、17.59%、7.06%、12.93%；與單一的鹽脅迫相比，株高、總根長(zhǎng)、地上干質(zhì)量、根干質(zhì)量分別增加8.56%、17.18%、9.55%、9.71%；與旱鹽交叉脅迫相比，株高、總根長(zhǎng)、地上干質(zhì)量、根干質(zhì)量分別增加7.52%、21.59%、11.98%、13.42%。

表2 Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗株高、總根長(zhǎng)、地上干質(zhì)量和根干質(zhì)量的影響

2.2 Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片活性氧水平和膜穩(wěn)定性的影響

表3 Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片活性氧水平和膜穩(wěn)定性的影響

2.3 Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

由表4可知，單一的干旱脅迫、鹽脅迫以及旱鹽交叉脅迫均能夠顯著提升抗氧化酶的活性，SOD活性較CK分別增加51.34%、29.90%、17.95%，POD活性分別增加68.35%、44.83%、30.73%，CAT活性分別增加46.76%、31.10%、21.19%，APX活性分別增加58.14%、37.85%、24.15%。葉面噴施Pro-Ca能夠進(jìn)一步顯著增強(qiáng)旱鹽單一及交叉脅迫下抗氧化酶的活性，與單一的干旱脅迫相比，噴施Pro-Ca幼苗葉片SOD、POD、CAT及APX活性分別增加18.60%、42.79%、15.86%、25.36%；與單一的鹽脅迫相比，SOD、POD、CAT及APX活性分別增加23.92%、18.31%、13.71%、14.72%；與旱鹽交叉脅迫相比，SOD、POD、CAT及APX活性分別增加15.28%、23.26%、16.93%、16.87%。

表4 Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

2.4 Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由表5可知，單一的干旱脅迫、鹽脅迫以及旱鹽交叉脅迫均能夠顯著增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，脯氨酸含量較CK分別增加53.51%、36.79%、18.57%，可溶性糖含量分別增加33.71%、18.19%、22.11%，可溶性蛋白含量分別增加33.61%、45.16%、53.03%，游離氨基酸含量分別增加59.38%、42.56%、25.67%。葉面噴施Pro-Ca能夠進(jìn)一步顯著促進(jìn)旱鹽單一及交叉脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的累積，與單一的干旱脅迫相比，噴施 Pro-Ca 脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白及游離氨基酸含量分別增加16.58%、12.26%、12.88%、22.67%；與單一的鹽脅迫相比，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白及游離氨基酸含量分別增加21.32%、10.20%、8.07%、16.84%；與旱鹽交叉脅迫相比，脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白及游離氨基酸含量分別增加21.16%、9.50%、15.21%、20.21%。

表5 Pro-Ca對(duì)旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

3 結(jié)論與討論

植物能夠通過(guò)改變基因表達(dá)和激發(fā)多種抗逆生理機(jī)制來(lái)響應(yīng)逆境環(huán)境[14]，且生物量是植物對(duì)逆境環(huán)境的綜合體現(xiàn)，也是檢驗(yàn)植物抗逆性的基本標(biāo)準(zhǔn)[15]。本試驗(yàn)中旱鹽單一及交叉脅迫均對(duì)玉米幼苗株高、總根長(zhǎng)、地上干質(zhì)量、根干質(zhì)量產(chǎn)生顯著的抑制效應(yīng)，且玉米幼苗對(duì)單一干旱脅迫的響應(yīng)更加敏感；相比旱鹽單一脅迫而言，旱鹽交叉脅迫能夠不同程度促進(jìn)玉米幼苗的生長(zhǎng)，說(shuō)明旱鹽交叉脅迫對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)的抑制并不是旱鹽單一脅迫的簡(jiǎn)單疊加，而是表現(xiàn)出交叉適應(yīng)性，這與翁亞偉等在小麥[16]、朱秀紅等在白花泡桐[3]和余淑艷等在沙蘆草[4]上的研究結(jié)果類似。葉面噴施Pro-Ca能夠促進(jìn)旱鹽單一及交叉脅迫下玉米幼苗的株高、總根長(zhǎng)、地上干質(zhì)量和根干質(zhì)量，說(shuō)明Pro-Ca對(duì)干旱和鹽脅迫下玉米幼苗的生長(zhǎng)表現(xiàn)為正向調(diào)控作用。

逆境條件下，植物通常會(huì)大量增加體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(如脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白和游離氨基酸等)來(lái)增加細(xì)胞滲透壓，從而動(dòng)態(tài)維持細(xì)胞滲透勢(shì)平衡[24]。已有研究發(fā)現(xiàn)外源Pro-Ca能夠增加NaCl脅迫[7]、低溫脅迫[8]、鹽堿脅迫[25]下植物體內(nèi)脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白的含量以適應(yīng)各種逆境脅迫。本試驗(yàn)中旱鹽單一及交叉脅迫均顯著促進(jìn)了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，其中單一干旱脅迫下可溶性蛋白含量最低，其他3種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量最高，可能是由于玉米幼苗對(duì)干旱脅迫更加敏感，導(dǎo)致蛋白質(zhì)降解加快，產(chǎn)生了大量的游離氨基酸。旱鹽單一及交叉脅迫下，葉面噴施Pro-Ca能夠進(jìn)一步顯著增加脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，說(shuō)明Pro-Ca能夠調(diào)控旱鹽單一及交叉脅迫下玉米幼苗的滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，有助于維持細(xì)胞的滲透平衡。

綜上，旱鹽單一及交叉脅迫下玉米幼苗生長(zhǎng)受到不同程度的抑制，其中玉米幼苗對(duì)單一干旱脅迫的響應(yīng)更加敏感，相比旱鹽單一脅迫，旱鹽交叉脅迫下玉米幼苗表現(xiàn)出一定的交叉適應(yīng)性。葉面噴施Pro-Ca能夠通過(guò)上調(diào)抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來(lái)降低細(xì)胞膜脂過(guò)氧化傷害，增強(qiáng)植株對(duì)干旱和鹽脅迫的適應(yīng)性，從而促進(jìn)植株生長(zhǎng)。為更好地闡明Pro-Ca對(duì)玉米旱鹽單一及交叉脅迫的緩解機(jī)制，其生化代謝途徑及分子作用機(jī)制還需進(jìn)一步探究。