沼液施用對干旱脅迫下玉米幼苗生長和生理特性的影響

楊建霞,毛 寧,張雪娟, 魏麗娜

(1 甘肅省隴東生物資源保護利用與修復重點實驗室,甘肅慶陽 745000;2 隴東學院 生命科學與技術學院,甘肅慶陽 745000)

玉米是甘肅慶陽市重要的糧食作物和飼料作物,生產潛力大,經濟效益高,具有食用、飼用等多種用途,在保障糧食安全方面具有重要戰略地位[1-2]。干旱是西北發展玉米生產的第一限制因素,隨著全球氣候的變化,干旱已成為對作物生長和糧食產量影響最嚴重的非生物脅迫因子之一[2]。而慶陽地處黃土高原,氣候介于干旱與半干旱之間,屬溫帶草原氣候,水分是影響當地作物生長最主要的環境因子,特別在6-7月干旱頻發,是造成玉米減產的主要原因[3]。因此,研究干旱脅迫下玉米形態、生理生化等變化特征,對探索作物抗旱途徑、促進旱地作物生產具有重要意義,同時也為確保區域糧食安全和玉米綠色豐產增效提供理論依據。

沼液是禽畜糞便等有機物經厭氧發酵后的殘留液體,除含有多種微量元素、有機質、氨基酸、維生素等外,還含有黃腐酸、丁酸、吲哚乙酸、脫落酸及各種水解酶等許多生物活性物質[3-4]。因此,它在增強植物抗逆性、作物提質增產、種子浸種催芽、病蟲害防治等方面具有重要作用[5-6]。目前,已有許多學者對沼液在蔬菜、水果及農作物生產上的應用進行了大量研究[4-5],發現施用沼液可明顯提高黃瓜幼苗質量,改善黃瓜根系土壤基本化學性狀[4];也能夠明顯提高玉米產量和土壤肥力等[5]。另外,也有資料表明施用沼液能夠增強植物的抗逆性。例如,沼液聯合叢枝菌根處理能夠顯著提高干旱脅迫條件下甘草的生物量和葉綠素含量以增強其抗旱性[7];沼液浸種能一定程度上提高美國香豌豆的干旱耐受程度[8];沼液施用能夠顯著減輕干旱脅迫對南豐蜜桔造成的落果現象[9];沼液抗旱劑不同稀釋倍數處理能夠顯著增加大豆開花期葉片相對含水量(RWC),降低大豆葉片的蒸騰速率[10]。

雖然已有研究證實沼液在改善植物抗旱性方面具有重要作用,也報道了沼液施用對玉米產量和光合性能的影響[11]以及干旱脅迫對玉米品種苗期葉片光合特性的影響[12],但目前仍缺少沼液對玉米響應干旱脅迫的相關研究報道。因此,本試驗以2個抗旱性有差異的玉米品種為材料,采用聚乙二醇(PEG)模擬干旱脅迫條件,研究沼液對干旱脅迫下玉米幼苗生長及生理特性的影響,旨在探討沼液是如何通過改變玉米幼苗的生長和生理指標進而提高其抗旱性,這對于揭示沼液在增強植物抗旱性的生理機制方面具有重要的參考價值,并為提高玉米的節水效應提供一定的理論依據。

1 材料和方法

1.1 材料和試劑

供試玉米材料為抗旱較強的雜交種‘中單2號’(Mo17×自330[13],母本Mo17由武威種子站惠贈)和抗旱中等的雜交種‘先玉335’(PH6WC×PH4CV[14],母本PH6WC購自河南美農匯農資公司);聚乙二醇-6000(AR);沼液產自甘肅省慶陽市鎮原縣鴻翔養殖專業合作社的中型沼氣工程,沼液發酵原料為牛糞,取自正常產氣3個月以上的沼氣池,將沼液過濾后使用。沼液肥效成分為:有機質1.2%,總養分0.8%,總氮0.2%,磷0.2%,鉀0.4%,pH 7.2,總鉛(Pb)(以烘干基計)20 mg/kg(國際標準≤50),其他常見幾種重金屬均未檢測到,由中華全國供銷合作總社蘭州化肥農藥農膜商品質量監督檢驗測試中心提供。

1.2 材料培養與處理

2018年3-9月在生農科技園人工智能溫室中進行盆栽試驗。挑選‘中單2號’和‘先玉335’飽滿種子各100粒分別放于燒杯中,經10%次氯酸鈉溶液表面消毒10 min后蒸餾水反復沖洗3～4次,將2種玉米種子用滅菌蒸餾水浸泡過夜后,并分別轉移至底部鋪有濾紙(事先經蒸餾水浸濕)的發芽盒中,48 h后將發芽種子用消毒的鑷子移栽到直徑14 cm,高50 cm的花盆(基質為營養土和珍珠巖按3∶1混勻)中,并放入光照培養箱于(25±1) ℃、16 h/8 h(光/暗)、1 000 lx條件下培養,期間每隔3～5 d澆水和Hoagland’s營養液各1次,保持盆中營養土濕潤即可,待幼苗長至四葉一心期時挑選長勢一致的幼苗進行試驗處理。

根據前期的試驗結果,本試驗中選用10% PEG-6000模擬中度干旱脅迫,沼液根施濃度選用50%。試驗共設3種處理:蒸餾水處理(對照,CK)、10% PEG-6000處理(D)、50%沼液+10% PEG-6000處理(BS+D)。每個重復選擇5株幼苗,共設3次重復。其中BS+D組先用50%沼液50 mL澆灌幼苗根部預處理1 d,而CK 和D 組均先用50 mL蒸餾水澆灌幼苗根部進行預處理1 d。待預處理結束后,CK組用50 mL蒸餾水根部澆灌處理,其余2組均用50 mL 10% PEG-6000溶液根部澆灌處理,脅迫處理7 d后取樣,測定各項生理指標。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 光合氣體交換參數

選擇玉米幼苗從上數第3片完全展開葉片于晴天上午9:00-11:30,采用LI-6400型便攜式光合儀(LI-COR公司),在溫度為25℃、光照強度為400 μmol/(m2·s)及大氣CO2濃度為400 μmol/mol條件下,在200 m范圍內無人的空曠地方,測定葉片凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr),每個處理重復測定3次。計算葉片瞬時水分利用效率(Pn/Tr)

1.3.2 生理指標

取各處理1 g葉片于預冷的研缽內,加入10 mL 50 mmol/L、pH 7.8的磷酸緩沖液(PBS),研磨成勻漿后轉入10 mL離心管中,在4 ℃、4 000 r/min條件下離心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測定。

MDA含量:采用硫代巴比妥酸顯色法測定[15],隨機取玉米幼苗葉片8～10片進行上述處理后,用紫外-可見分光光度計(UV-5100B,上海元析儀器公司)分別測定532,600,450 nm波長下的吸光度值D532、D600和D450,依據公式[6.45×(D532-D600)-0.56×D450×提取液體積/植物組織鮮重]計算丙二醛含量(μmol/g),每個處理3次重復。

脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量:葉片脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取,茚三酮比色法測定,可溶性糖含量參考蒽酮比色法測定,可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定,每個處理重復3次,以上均參照張志良等[15]所描述方法并稍作修改。

抗氧化酶活性:稱取各處理1 g葉片于預冷的研缽內,加入10 mL 50 mmol/L、pH 7.8 PBS緩沖液在冰浴上研磨成漿,在4 ℃、10 000 r/min下離心15 min,吸取上清液保存到4 ℃冰箱待測。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍四唑法測定,過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚比色法測定,過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定,以上均參照李合生[16]所描述的方法,每個處理測量3次重復。

葉片葉綠素SPAD 值、氮元素含量及葉面溫度:采用植物養分測定儀(TYS-3N,浙江托普儀器)測量葉綠素SPAD值、葉片氮元素、葉面溫度。打開機器,將植物養分測定儀測量桿放在幼苗葉面,并按下測量桿2～3 s,顯示器會自動讀出葉片的葉綠素SPAD值、氮元素含量及葉面溫度,并記錄相關數據。

各處理選擇長勢一致的植株10株,每株選擇8～10片全展葉,測量部位應盡量避開葉片邊緣或葉片主脈,從葉片基部到葉尖,等間距選取5個點進行讀數,一般每片葉測量3～5次,最后取平均值記錄,每個處理重復測量3次。

1.3.3 幼苗生長指標

各個處理選擇無病蟲害、長勢健壯的植株10株,分別測量苗高、莖粗、葉面積。

苗高、莖粗:脅迫處理7 d后每個處理選取10株幼苗用卷尺測量苗高、游標卡尺測量莖粗。每個處理重復測量3次。

葉面積:采用YMJ-B型便攜式葉面積測定儀(浙江托普儀器)測定,打開機器,調整機器空白3次。各處理選擇長勢一致的植株10株,每株挑選8～10片全展葉測量,葉片位置盡量避開葉邊緣和葉主脈[15]。每片葉讀數3～5次,每個處理重復測量3次。

葉片干鮮比:每種處理挑選10株生長良好的玉米植株,分析天平稱量地上部和地下部干、鮮質量,超純水沖洗干凈后擦干,將植株樣品于105 ℃殺青30 min,80 ℃烘干至恒重[16],待葉片烘干冷卻后稱取葉片干重,據公式計算葉片的干鮮比(葉片干重/葉片鮮重)。

根長、須根數:用卷尺測量玉米主根的縱向長度,每個處理挑選長勢一致的5株測量,每個處理重復測量3次。須根數采用直接計數法,每個處理挑選長勢一致的10株測量,每個處理3次重復。

根冠比:稱取植株根系干重與地上部干重,并計算根冠比(根系干重/地上部干重)。

根系活力:參照李合生[16]方法,用TTC比色法測定根的根系活力。

1.4 數據處理

采用SPSS 20.0對數據進行分析,采用Duncan法和單因素方差分析進行數據差異顯著性檢驗(P<0.05),利用Excel 2010軟件作表,圖表中數據為平均值±標準誤。

2 結果與分析

2.1 沼液對干旱脅迫下玉米幼苗生長的影響

由表1可知,在D處理下,與CK相比,兩品種玉米幼苗的苗高、莖粗、葉面積均不同程度降低,其中‘先玉335’降幅更大,并均達到顯著水平,‘中單2號’的苗高、葉面積也降低顯著;與D處理相比,在BS+D處理下兩品種玉米幼苗的苗高、莖粗、葉面積均顯著增大,并超過CK水平,其中‘先玉335’分別增加38.7%、28.6%和30.6%,‘中單2號’分別增加36.8%、43.6%和28.2%。‘先玉335’和‘中單2號’的葉片干鮮比在D處理下與CK均無顯著差異,但在BS+D處理下分別比D處理顯著增加50%和25%。這表明沼液能夠有效緩解干旱脅迫對玉米苗高、莖粗、葉面積及葉片干鮮重比的抑制作用,尤其對抗旱中等的‘先玉335’幼苗生長抑制的緩解效果更顯著(莖粗除外)。

表1 沼液對干旱脅迫下玉米幼苗生長的影響

同時,表1顯示,‘先玉335’和‘中單2號’幼苗的葉綠素相對含量(SPAD值)在D處理下分別比CK顯著下降10.6%和5.8%,在BS+D處理下又分別比D處理顯著增加10.4%和5.8%,并恢復至對照水平。兩品種葉片氮元素含量在D處理下變化不明顯,但在BS+D處理下均顯著高于D處理和CK(‘先玉335’的除外)?！扔?35’和‘中單2號’葉面溫度在D處理下分別比CK顯著升高31.0%和7.3%,但在BS+D處理下‘先玉335’葉溫比D處理輕微升高,而‘中單2號’的葉溫比D處理顯著降低,恢復至對照水平。說明抗旱性較強的‘中單2號’可以通過緩解葉面溫度的升高,減小葉片的蒸騰效率,從而一定程度上增強其對干旱脅迫的耐受性。可見,沼液能夠緩解干旱脅迫下玉米葉綠素SPAD值的下降和葉溫升高,顯著提高葉片氮含量,并且對‘中單2號’的緩解效應更顯著。

另外,與CK相比,‘先玉335’和‘中單2號’幼苗在D處理下根長均顯著下降,根系活力和根冠比均顯著增加,但須根數稍有降低;與D處理相比,BS+D處理的‘先玉335’和‘中單2號’根長分別增加24.7%和33.2%,根冠比分別下降33.3%和30.2%,須數分別增加13.3%和18.0%,均恢復至CK水平,而根系活力分別提高了47.7%和66.0%,并顯著高于CK(表1)。表明沼液可以緩解干旱脅迫對根的生長抑制作用以及增強根系活力來提高玉米幼苗的耐旱性,且除根冠比外對抗旱性強的‘中單2號’影響更為顯著。

2.2 沼液對干旱脅迫下玉米幼苗葉片滲透調節物質含量的影響

由圖1可見,與CK相比,D處理的‘先玉335’和‘中單2號’葉片可溶性糖含量分別顯著增加21%和38.61%(圖1,A),脯氨酸含量分別顯著增加32.3%和17.6%(圖1,B),而D處理的可溶性蛋白含量在‘中單2號’中則顯著下降12.5%,在‘先玉335’中下降不顯著(圖1,C);與D相比,BS+D處理的‘先玉335’葉片可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白含量均不同程度提高,但僅脯氨酸增幅(11.57%)顯著(圖1,B),而該處理‘中單2號’的上述指標則分別顯著增加28.2%、17.15%和14.6%。說明玉米幼苗在干旱脅迫下可以通過增加可溶性糖、脯氨酸含量來降低細胞滲透勢以適應外界環境的變化,而沼液施用能夠不同程度提高干旱脅迫下兩品種葉片中3種滲透調解物質含量,降低細胞水勢,增強其對干旱環境的適應性,且對‘中單2號’的影響效果更為顯著。

圖1 沼液對干旱脅迫下玉米葉片滲透調節物質含量的影響

2.3 沼液對干旱脅迫下玉米幼苗葉片抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

SOD是生物體內清除自由基的首要抗氧化酶,POD和CAT是植物體內清除H2O2的抗氧化酶,其活性受H2O2誘導。干旱逆境條件下POD活性升高可以控制膜脂質過氧化作用,減少干旱對膜結構的傷害,增強植物自身的保護調節能力。

由表2可見,‘先玉335’和‘中單2號’幼苗葉片中SOD、POD和CAT活性在D處理下都比CK顯著升高,‘先玉335’的增幅分別為34.3%、26.9%和39%,‘中單2號’的增幅分別為62.7%、78.2%和38.2%。同時,與D處理相比,BS+D處理的‘先玉335’葉片SOD、POD和CAT活性分別提高19.3%、20.7%和42.3%,‘中單2號’的SOD和POD活性分別顯著提高26.5%和73.6%,而CAT活性卻顯著降低。另外,‘先玉335’和‘中單2號’葉片MAD含量在D處理下比CK分別顯著提高78.4%和57.6%,在BS+D處理下分別比D處理顯著下降36.06%和44.6%。說明沼液施用能夠調節干旱脅迫下玉米葉片抗氧化酶活性,有效緩解干旱對植株的傷害,降低葉片中MDA含量,減小膜脂過氧化程度,以提高玉米幼苗的耐旱性,且對‘中單2號’的緩解效應更顯著。

表2 沼液對干旱脅迫下玉米幼苗葉片抗氧化酶活性和丙二醛含量的影響

2.4 沼液對干旱脅迫下玉米幼苗葉片光合參數的影響

光合參數是反映光能利用能力和效率的重要指標[17-18],光合作用對干旱脅迫十分敏感,是作物抗旱生理研究的重點指標之一。由表3可知,與CK相比,D處理玉米葉片光合參數Pn、Tr和Gs大多顯著降低,‘先玉335’的降幅分別為26.4%、17.0%和16.2%,‘中單2號’分別為16.9%、23.6%和23.1%,而它們的Ci均變化不顯著;與D處理相比,BS+D處理下‘先玉335’幼苗的Pn和Tr分別顯著增加47.4%和35.3%,Gs顯著減小30.9%,Ci也有所降低,‘中單2號’的Pn顯著增加42.9%,Ci顯著減小10.2%,而Tr和Gs變化卻不大。同時,與CK相比,D處理下‘先玉335’幼苗葉片的水分利用效率(WUE)顯著下降10.3%,‘中單2號’的WUE則增加18.7%;與D相比,BS+D處理下‘先玉335’和‘中單2號’的WUE分別顯著增加9.0%和36.3%。

表3 沼液對干旱脅迫下玉米幼苗光合特性的影響

以上結果說明根部澆灌沼液能夠明顯緩解干旱脅迫對玉米幼苗光合作用的抑制,有效提高干旱脅迫下玉米幼苗光合作用效率和水分利用效率,且對抗旱性較強的‘中單2號’影響較大。

3 討 論

植物幼苗階段是受水分虧缺影響相對嚴重的時期,與其他作物相比,玉米苗期生長相對緩慢,如果水分虧缺將會嚴重影響玉米的整個生長發育[11]。因此,改進玉米的節水措施,緩解玉米幼苗期的干旱脅迫傷害,是玉米優質增產的重要途徑。本試驗發現,中等抗旱品種‘先玉335’和較強抗旱品種‘中單2號’在干旱脅迫下幼苗的生長明顯受到抑制,50%沼液根施處理可以使干旱脅迫下兩品種玉米幼苗的苗高、莖粗、葉面積、葉綠素SPAD值、葉片氮元素含量和葉片干鮮比均顯著增加,根冠比下降,根長增加,須根數增多,根系活力增強。說明沼液施用可能通過促進干旱脅迫下玉米幼苗的生長以增強其對干旱脅迫的耐受性,且抗旱性較強的‘中單2號’對干旱脅迫的耐受程度優于‘先玉335’,這與趙成鳳等對干旱脅迫下玉米幼苗生長的緩解效應研究結果[19]一致。

植物為了減緩逆境脅迫造成的生理代謝失衡,通常會在細胞內積累可溶性蛋白、可溶性糖與脯氨酸等滲透調節物質,提高細胞內溶質濃度,以降低細胞水勢,從而能有效緩解逆境脅迫對植物造成的傷害[9,11]。本研究結果表明,干旱脅迫下沼液施用能夠增加兩品種玉米幼苗葉片中可溶性蛋白、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變化不大,表明沼液能夠誘導干旱脅迫后玉米葉片可溶性蛋白、可溶性蛋白和脯氨酸等滲透調節物質的積累,減輕干旱脅迫對玉米幼苗生長的危害,提高幼苗對干旱脅迫的適應性。這與李世玉等在甜瓜上的研究結果[20]相似,而楊奧軍等[21]發現外源噴施5-ALA能夠使干旱脅迫下玉米幼苗滲透物質含量降低,這與本研究結果相反,分析可能由于他們在試驗中選用較高濃度20%PEG-6000模擬重度干旱脅迫處理以及緩解干旱脅迫所采用的活性物質不同,因而使得同樣的物種對干旱脅迫的響應存在差異。

葉綠素是參與植物光合作用過程的主要分子之一,在葉片中起到光能吸收、傳遞和轉換作用,葉綠素含量高低反映了植物葉片光合作用水平的高低[3,10-12,17-19],其在處于逆境時會發生不穩定降解[10-11]。在本試驗中,2種玉米葉片葉綠素SPAD值在干旱脅迫下降低,而在施用沼液后明顯增加,且較高葉綠素含量能夠促進苗期葉片光合產物的合成,利于最終較高產量的形成,這與王鵬等[25]的研究結果相似,也與杜蕾等[24]在蘋果矮化砧木幼苗和楊濤等[29]在玉米幼苗上的研究結果相似。植物光合作用的強度主要通過光合參數來反映,葉片氣孔導度的調節可防止葉和莖水勢過度下降所引發的水分傳導失效,但同時會阻礙水氣交換降低Pn及Tr[26];而且有人發現Gs與Pn、Tr均呈直線相關,且Gs與Tr的相關系數大于與Pn的相關系數[29],說明水分脅迫對蒸騰作用的影響要大于光合作用。本試驗結果顯示,干旱脅迫下2種玉米幼苗葉片光合參數Pn、Tr、Gs、Ci均降低(‘中單2號’的Ci除外),光合作用效率下降;沼液施用能夠使干旱脅迫下兩品種玉米幼苗葉片的Pn、Tr增加以及Ci、Gs下降,而‘中單2號’的Tr、Gs變化不大,表明沼液施用能夠使干旱脅迫下玉米幼苗葉片光合參數Pn、Tr、Ci的下降趨勢得到緩解,從而提高光合能力,且對‘中單2號’的緩解效果更明顯,這與‘中單2號’抗旱性較強,屬于高水分利用效率、中等耗水型品種有關[29]。導致光合作用效率下降的原因有氣孔因素和非氣孔因素。在本試驗的干旱脅迫條件下,‘中單2號’葉片的Gs下降,說明氣孔因素是其光合作用效率下降的主要原因,而‘先玉335’葉片的Ci下降,Gs變化不顯著,說明其光合速率下降的主要原因則是非氣孔因素,根部澆灌沼液可以緩解干旱脅迫對玉米葉片光合作用效率的抑制。這與外源噴施5-ALA使干旱脅迫下玉米幼苗的Gs和Ci增加的結果[25]不一致,可能與干旱脅迫下外源添加的活性物質種類不同有關。

有學者認為,提高WUE的節水作用不亞于工程節水措施,是經濟有效的方法,節水對提高農作物水分利用效率具有重要意義,可以減少無效的水分消耗,能夠增加農作物產量,提高水分利用效率[12]。本試驗發現干旱脅迫使‘先玉335’幼苗葉片中WUE降低,‘中單2號’的WUE升高,沼液施用使干旱脅迫下‘先玉335’和‘中單2號’的幼苗葉片WUE均升高,而且相同脅迫條件下‘中單2號’的水分利用效率高于‘先玉335’的,本試驗也進一步證實了兩品種玉米的抗旱性存在一定差異。

4 結 論

干旱脅迫下玉米幼苗和根系生長明顯受到抑制,苗高、莖粗、葉面積和葉片干鮮重比降低,葉片葉綠素SPAD值以及光合參數Pn、Tr、Gs、Ci和WUE明顯下降(‘中單2號’的Ci除外),幼苗葉片MDA含量、滲透調節物質含量(可溶性蛋白除外)和抗氧化酶活性顯著提高。根施50%沼液處理使干旱脅迫下玉米幼苗的苗高、莖粗、葉面積和葉片干鮮重比等形態指標,根系活力,葉片氮元素含量和葉綠素含量均顯著增加,根冠比明顯下降,以及光合參數Pn、Tr、WUE增大,Gs和Ci下降,葉片可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸等含量和SOD、POD、CAT等3種抗氧化酶活性得到進一步提高(‘中單2號’的CAT除外),葉片MDA含量下降,顯著降低細胞膜透性,增強了玉米對干旱脅迫的耐受能力。沼液對干旱脅迫下‘先玉335’幼苗的生長指標影響更明顯,而對‘中單2號’幼苗葉片的滲透調節物質含量、抗氧化酶活性、膜脂過氧化程度和光合參數等影響更明顯,說明2種抗旱性不同的玉米品種對干旱脅迫的耐受性也存在差異。因此,在干旱脅迫條件下施用沼液既能充分利用沼肥資源,提高沼液的綜合利用效率,還能促進玉米產量的增加,更為重要的是可以節水抗旱,對農業生產實踐具有指導意義,可在玉米生產上推廣應用。