低温对孕穗期玉米根系生理特性的影响

胡文河，于 飞，谷 岩，杨 溢，闫 丽，吴春胜

(1吉林农业大学农学院，吉林长春 130118;2吉林省农安县高家店农业技术推广站，吉林长春 130200;3吉林省农安县植保植检站，吉林长春 130200)

玉米Zea mays L.是一种起源于热带亚热带的喜温作物，低温冷害是影响其生长发育、产量和品质的主要限制因素之一［1］.低温胁迫下，玉米植株体内会发生一系列生理生化反应，不同玉米品种会表现出不同的抗低温能力［2］;冷害程度越深，相关抗冷性生理指标变化越明显［3］.近年来，国内外学者对玉米低温冷害的生理机制开展了很多研究.有研究表明玉米苗期低温胁迫能够使其相对生长率和净同化速率降低，且耐寒基因型玉米的干物质积累量要高于低温敏感型玉米［4-5］.高素华等［6］针对低温胁迫下玉米苗期生理特性进行了研究，结果表明，在低温处理下，叶片脯氨酸含量上升，光合速率下降;高灿红等［7］通过对玉米幼苗根、中胚轴和胚芽鞘3个部位过氧化氢酶、过氧化物酶和脯氨酸含量变化及与耐寒性的关系研究指出，玉米幼苗中胚轴对低温反应最敏感，其中脯氨酸含量变化率与玉米耐寒性关系最密切.玉米除了苗期受低温影响外，花粉母细胞减数分裂到四分体形成小孢子在内的玉米孕穗期也是玉米生理上低温冷害的关键时期，对玉米产量的影响尤为严重［8］.张毅等［9］在玉米孕穗期经10℃低温处理后发现，可溶性糖和游离氨基酸含量增加，淀粉、蛋白质含量下降，严重阻碍了雌穗的发育.综上所述，低温逆境对玉米生理特性影响的报道较多，无论是苗期还是孕穗期低温，多以玉米地上部分研究为主，针对玉米根系生理特性影响的研究较少.事实上，低温胁迫时，玉米根系细胞壁结构特性和生理功能均受到影响［10-11］.本文以2个不同抗低温能力的玉米品种为试验材料，探讨玉米根系对孕穗期低温的生理响应机制，分析不同低温胁迫时间下，玉米根系生理指标的动态变化规律，以期为玉米抗低温冷害生理研究提供重要的理论依据.

1 材料与方法

1.1 材料

供试玉米品种为抗低温品种先玉335(由美国先锋公司提供)和低温敏感型东单213(由辽宁东亚种业提供).

1.2 试验设计

供试土壤采自吉林农业大学作物研究中心试验基地，基本理化指标为:w(有机质)1.21%，全氮1.093 g·kg-1，全磷381.83 mg·kg-1，碱解氮 65.27 mg·kg-1，速效磷 10.68 mg·kg-1，速效钾 103.84 mg·kg-1，pH 6.8.2011年5月12日在试验基地网室进行盆栽，盆直径30 cm、高32 cm，每盆装土21 kg，参照杨玉画等［12］的方法计算得出每盆施肥量:尿素2.8 g、磷酸二铵1.2 g、氯化钾1 g.每盆播3粒玉米种子，苗期定苗1株.于孕穗初期(出苗后第45天)移至人工气候室内进行低温处理，温度10℃，光周期昼/夜为12 h/12 h，相对湿度60% ～70%，分别于处理后第1、3、5、7天每个处理取6盆，小心取出玉米根系，去除周边土壤和表面污垢后，用蒸馏水冲洗干净.挑选根尖部分进行根系活力的测定，取根尖向上10～20 cm根系剪下，进行生理指标的测定，同时以室外不进行低温处理的植株各项指标作为对照，每处理重复6次.

1.3 测定指标及方法

将剪下的根系鲜样剪碎，加0.05 mol·L-1的磷酸缓冲液(pH 7.8)6 mL及少量石英砂，冰浴研磨提取，用磷酸缓冲液定容至 10 mL，4℃、15 000 r·min-1条件下离心15 min，上清液即酶提取液.超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化还原法［13］，以单位时间内抑制光还原50%所需的酶量为1个酶活力单位(U);过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚法［14］，以每分钟内D470nm变化0.01为1个酶活力单位(U);过氧化氢(CAT)酶参照徐田军等［15］的方法，以1 min内D240nm减少0.1的酶量为1个酶活力单位(U).丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥法测定［16］;脯氨酸(Pro)含量采用茚三酮比色法［17］;根系活力采用TTC法［17］;可溶性糖和可溶性蛋白分别采用蒽酮比色法和考马斯亮蓝法［17］.以上指标均以每克鲜质量样品计.

1.4 数据分析

试验所有数据应用SPSS 17.0进行数据统计和分析;利用Microsoft Excel 2003软件进行作图.

2 结果与分析

2.1 低温对孕穗期玉米根系保护酶活性的影响

从图1可以看出，先玉335根系SOD活性先降低后升高，东单213则先升高后降低.在低温处理第5和第7天，先玉335根系SOD酶活性均显著高于东单213，平均高26.3%.低温处理期间，2个玉米品种根系POD的变化规律一致，呈现“降低-升高-降低”的变化趋势，在第5和第7天，2个品种之间的POD活性差异显著，先玉335比东单213分别高37.3%(第5天)和36.2%(第7天).在整个低温处理期间，2个品种之间的CAT酶活性无显著差异，且均在低温第5天开始迅速降低.

图1 低温对孕穗期玉米根系保护酶活性的影响Fig.1 Effects of low temperature on activities of protective enzymes ofmaize root at booting stage

2.2 低温对孕穗期玉米根系MDA含量的影响

图2A表明，在低温处理第1和第3天，2个品种之间MDA含量无显著差异.低温第5和第7天，东单213根系MDA含量迅速升高，分别比先玉335高18.5%(第5天)和27.8%(第7天).根系中 MDA含量的迅速增加使得膜透性增加，细胞质膜的完整性易被破坏，对作物根系造成严重伤害.

2.3 低温对孕穗期玉米根系脯氨酸含量的影响

从图2B可以看出，2个玉米品种根系脯氨酸含量对低温比较敏感.随着低温胁迫时间的延长，均呈现先升高后降低的变化趋势.其中先玉335在低温处理第7天后开始下降，而东单213则在第5天开始降低.同一处理时间内，先玉335根系脯氨酸质量分数均显著高于东单213.整个处理时间内，先玉335根系脯氨酸质量分数比东单213平均高77.9%.脯氨酸的积累使得先玉335根系细胞和组织有很好的持水能力，增强其抗低温能力.

图2 低温对孕穗期玉米根系MDA和脯氨酸含量的影响Fig.2 Effects of low temperature on MDA and proline contents ofmaize root at booting stage

2.4 低温对孕穗期玉米根系可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响

孕穗期低温对玉米根系可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响如图3所示.可溶性蛋白含量随着低温处理后时间的延长呈现单峰曲线变化，先玉335最高点出现在胁迫后第5天，东单213峰值在第3天.在低温处理的第7天，先玉335根系可溶性蛋白含量比东单213高72.3%.低温当天，先玉335和东单213根系可溶性糖含量无显著差异，均于第3天开始降低，至第7天时先玉335和东单213可溶性糖质量分数分别仅为0.04和0.02 mg·g-1.

2.5 低温对孕穗期玉米根系活力的影响

低温处理第3天开始，2个玉米品种根系活力开始降低，东单213降幅较大.在低温胁迫第3和第5天，东单213根系活力比同期先玉335低26.7%和41.1%，差异达显著水平(图4).

图3 低温对孕穗期玉米根系可溶性蛋白和可溶性糖含量的影响Fig.3 Effects of low temperature on soluble protein and sugar contents ofmaize root at booting stage

图4 低温对孕穗期玉米根系活力的影响Fig.4 Effects of low temperature on root activity in maize at booting stage

2.6 玉米根系活力与各生理指标的相关性分析

相关分析结果(表1)表明:根系活力与各生理指标之间的相关性因品种而不同.2个品种根系活力均与脯氨酸含量呈显著正相关，与MDA含量呈显著负相关;先玉335根系活力与SOD活性、可溶性糖含量和脯氨酸含量呈显著正相关;而东单213根系活力与CAT活性和脯氨酸含量呈显著正相关.

表1 2个玉米品种根系活力与各生理指标之间的相关性分析1)Tab.1 The correlation analysis of root activity and physiological indicators of two maize varieties

3 讨论与结论

作物在低温胁迫下细胞膜系统的损伤可能与自由基和活性氧引起的膜脂过氧化和蛋白质破坏有关［18］.在正常情况或适度的低温胁迫下，植物体内自由基的产生和清除处于相对的动态平衡状态.当温度继续下降或低温持续时间延长，该平衡会被破坏，自由基产生量增加，清除量下降，膜脂过氧化产物丙二醛大量积累，最终导致细胞膜系统的严重损伤［19］.此时，保护酶系统会协同作用，共同防御活性氧及其过氧化物自由基对细胞膜系统的伤害，超氧化物歧化酶(SOD)可以催化氧自由基歧化生成H2O2，而植物组织中高浓度的H2O2主要被过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)分解，从而对细胞膜起着保护作用［13-15］.本试验结果表明，POD和 CAT保护酶活性在低温胁迫下先升高后降低，但先玉335的SOD活性则在胁迫的第7天仍然保持较高水平.张敬贤等［20］在低温对玉米幼苗的影响研究中指出:保护酶活性和玉米幼苗抗冷性密切相关，抗冷性弱的各种保护酶活性要低于抗冷性强的品种.MDA含量的上升与膜透性的增加呈显著正相关，其积累是活性氧毒害作用的表现［21］.但在本研究中，玉米孕穗期低温处理后前5天，根系MDA含量变化不大，仅在第5和第7天开始升高，但低温处理第3天开始，玉米叶片中MDA含量显著上升，说明叶片对低温的反应比根系要敏感(另文待发).

植物细胞为维持正常的生理功能，必须通过渗透调节保证一定的膨压.脯氨酸、可溶性糖等小分子有机物参与这种渗透调节，低温条件下植物体内的脯氨酸和可溶性糖含量升高，以增加细胞对不良环境的适应性［2］.但在水稻的研究中发现，敏感型品种比抗逆性强的品种体内的脯氨酸累积量更高，认为脯氨酸含量并不能作为抗冷性的筛选因子［22］.本研究中，整个低温胁迫期间，抗低温能力较强的玉米品种先玉335根系脯氨酸和可溶性糖含量均显著高于东单213.

根系是最活跃的吸收器官和合成器官，根的生长情况、代谢水平和根系活力直接影响地上部分的生长和营养状况［23］，对于作物的健康生长尤为重要［24］.自然条件下，植物根系和冠层所处环境温度不同，根系内部温度也不一致.有研究表明，土温变化1℃就能引起植物生长的明显变化［25］.张金龙等［3］在低温对玉米幼苗抗冷性的影响研究中也指出，在温度14和4℃时，玉米根系活力显著降低，温度越低，降幅越大.本研究中，2个品种玉米根系活力随低温冷害时间的延长而降低，低温处理第3天开始，玉米根系活力即迅速下降，对低温较敏感的玉米品种东单213降低幅度高于抗性较强的先玉335.

相关分析结果表明，根系活力与所有抗逆性生理指标并不均呈现极显著相关性，且不同抗性品种相关性不同.但2个品种根系活力均与脯氨酸含量呈现显著正相关，与MDA含量呈现显著负相关.低温胁迫下玉米的抗性反应是一个复杂的过程，需要通过体内的各种代谢活动来调节对低温环境的适应性，表现出植物本身的抗低温能力，某一个单一指标很难揭示其抗低温冷害的机理，必须对各项生理指标进行综合评价，以揭示其抗冷害的复杂本质.

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【责任编辑 周志红】