缺锌玉米植株的傅立叶变换红外光谱研究

王盛锋, 刘云霞, 高丽丽, 韩 亚, 黄金生,Hilman, 刘荣乐, 汪 洪*

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所， 农业部植物营养与肥料重点开放实验室， 北京 100081;2 中国农业科学院研究生院， 北京 100081)

锌是植物必需的微量元素，对植物体内碳水化合物、 蛋白质、 生长素等物质代谢以及生长发育具有重要作用[1-2]。世界上缺锌土壤面积约占30%[3]，甚至可能高达50%[4]。据1997年公布的全国土壤普查数据，我国缺锌土壤面积约有0.63亿公顷，占当时耕地总面积45.7%。Yang等[5]和Zou等[6]估计我国缺锌土壤面积约在40%以上。北方石灰性土壤上，作物缺锌尤为普遍[7]。玉米对缺锌敏感，缺锌时常表现为茎节间缩短、 新叶失绿黄化，严重时出现坏死性斑点[1-2]。

傅里叶变换红外光谱(fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)是一种基于化合物中官能团和极性键振动的结构分析技术，FTIR技术可对样品进行定性和定量分析，具有灵敏度高，制样方法简单，样品用量少，测试时间短等优点[8]。植物体内生物大分子如核酸，脂类和碳水化合物，具有特征性的官能团和独特的分子振动模式(振动的指纹)[9]。通过分析红外光谱吸收位置、 宽度和强度，有助于了解植物体内有机物分子官能团的组成和结构特征[10-11]。欧全宏等[12]利用FTIR研究水稻稻瘟病叶、 玉米和蚕豆锈病叶，发现主要由多糖、 蛋白质的振动吸收谱带组成，叶片中主要成分糖类、 蛋白质和脂类化合物在正常叶片和感病叶片之间存在明显差异。Shi[13]研究发现玉米锈病发病叶和正常叶片的FTIR图谱在酰胺I和II吸收带上差异明显，认为病程相关蛋白在抵抗病原体侵染中起着重要作用。薛生国等[14]进行了紫茉莉对铅胁迫生理响应的FTIR 研究，结果表明， 根组织在3420、 2920、 1610和1060 cm-1等处峰高随铅处理浓度表现为先上升后下降趋势，说明低铅处理下植株体内蛋白质、 氨基酸、 糖类、 羧酸等含量较高，但随铅处理浓度增加，植株体内有机物含量逐渐下降； 叶组织在1650 cm-1处峰高随铅处理浓度升高而升高，这可能与紫茉莉叶中蛋白质和氨基酸等物质含量升高有关。

利用FTIR研究缺锌胁迫下植物体内化学组分的变化，尚未见到有关文献。本试验选择农大108和郑单958两个玉米品种为供试作物，进行营养液培养，研究缺锌胁迫下玉米幼苗生长和锌吸收，利用FTIR对玉米植株不同器官的化学组成进行研究，以期为缺锌影响玉米生长与生理代谢的机理研究提供参考。

1 材料与方法

选取农大108和郑单958两个玉米品种，饱满一致的玉米种子经10% H2O2表面消毒15 min，去离子水洗净，浸泡12 h后，转移到铺有湿滤纸的培养皿中，上盖一层湿纱布，25℃黑暗中催芽1天。选择发芽一致的种子播于洗净的石英砂中，室温下育苗。7天后(两叶一心)，选择长势一致的幼苗，去掉胚乳，移栽到500 mL玻璃培养管中进行营养液培养，每管1株。玻璃培养管直径为5 cm，高20 cm，外用黑色塑料布包裹遮光。

基础营养液配方为(mol/L): Ca(NO3)22.0×10-3、 K2SO47.5×10-4、 MgSO46.5×10-4、 KH2PO42.5×10-4、 EDTA-Fe(Ⅱ)1.0×10-4、 H3BO31.0×10-6、 MnSO41.0×10-6、 CuSO41.0×10-7、 (NH4)6Mo7O245.0×10-9。设置缺锌(0 μmol/L)和正常供锌(1 μmol/L)两个处理，代号分别为-Zn 和+Zn。锌以ZnSO4形式供给，每个处理4次重复。营养液pH用NaOH或HCl调到6.2，每隔两天换一次营养液。幼苗培养在人工气候箱进行，控制条件光照时间 12 h，光照强度24000 lx，昼夜温度为25℃/20℃，相对湿度70%。

营养液处理20天后，玉米缺锌症状明显表现为生长矮小、 节间缩短、 叶片黄化。将地上部和根系分开，用直尺测量长度，获得株高和根长； 植株样品经105℃杀青1 h，再在80℃下烘干至恒重，测干重。烘干至恒重的植株样品用HNO3-HClO4(3 ∶1)消煮，原子吸收分光光度计(型号WFX-120C，北京瑞利分析仪器公司)测定消煮液中锌浓度，计算植株中锌含量和锌积累量。收获玉米根系放入FAA固定液(70%酒精 ∶38%甲醛 ∶乙酸体积比=90 ∶5 ∶5)中，利用扫描仪(EsponV 700)扫描根系样品获取数字化图像，利用用WinRHIZO根系分析软件(Regent Instruments Inc., Canada)对图像进行分析，获得根长、 根面积、 根体积等指标。

对数据进行方差统计分析(ANOVA)，采用Duncan新复极差方法检验不同处理之间数据的差异显著性(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 生物量和锌含量

缺锌严重影响玉米的生长，植株生长矮小，节间缩短，株高下降，新叶基部出现黄化后白化，并出现坏死性褐色斑点。

表1结果表明，施锌增加地上部干重，而缺锌导致地上部干物质重降低，锌营养对地上部影响显著，而对根系生物量影响不明显。缺锌时根冠比增大，两个品种比较，缺锌条件下农大108具有更大根冠比。不施锌玉米植株地上部和根系中锌含量明显降低。根系锌含量高于地上部锌含量。

缺锌与施锌地上部生物量比值: 农大108为0.45，小于郑单958(0.64)，缺锌胁迫下农大108生物量下降较郑单958多。

表1 缺锌和施锌处理下玉米生物量和锌含量

2.2 根系形态

与供锌处理相比，缺锌明显降低了农大108根系长、 根面积、 根体积； 郑单958根系各项指标在缺锌和供锌处理之间差异不显著(表2)。

表2 缺锌和施锌处理下玉米根系形态

2.3 FTIR谱图分析

2.3.1 根 FTIR谱分析 图1可以看出，缺锌和施锌处理根系红外光谱的特征峰位置基本相同，但透过率有差异。缺锌根系红外光谱在3410、 2920、 1650、 1380、 1055 cm-1附近透过率较低。

3410 cm-1是自由羟基的伸缩振动峰，主要来自于多糖、 纤维素、 半纤维素等碳水化合物[15]； 1055 cm-1是C-O-C伸缩振动，来源于多糖类[16-18]，缺锌条件下两处透过率的升高表明根系碳水化合物的减少。

两品种比较， 农大108根系在缺锌和加锌处理间1540、 1380、 1240 cm-1附近透过率的差异大于郑单958根系，表明农大108根系中蛋白质、 核酸受缺锌影响更大。

图1 缺锌和施锌处理下农大108和郑单958根FTIR谱图Fig.1 FTIR spectra of roots of maize cultivars, Nongda108 and Zhengdan 958, with and without zinc application

2.3.2 茎FTIR谱分析 图2表明缺锌和供锌处理茎的红外光谱特征峰对应的波数基本相同，缺锌农大108茎的红外光谱在3410、 2920、 1655、 1380、 1240和1055 cm-1附近透过率降低，表明碳水化合物、 脂类、 蛋白质和核酸含量升高。缺锌下郑单958茎的红外光谱在3410、 2920、 1655、 1380 cm-1附近透过率降低，表明碳水化合物、 脂类、 蛋白质含量升高。两品种比较，农大108在3420、 1655、 1380、 1240、 1055 cm-1附近透过率差异较大，郑单958在1240和1055 cm-1透过率基本相同。

缺锌农大108茎中碳水化合物、 脂类、 蛋白质含量增加较多，郑单958茎中核酸和多糖含量受到影响较小。

图2 缺锌和施锌处理下农大108和郑单958茎FTIR谱图Fig.2 FTIR spectra of stems of maize cultivars, Nongda108 and Zhengdan 958, with and without zinc application

2.3.3 叶片FTIR谱分析 从图3可以看出， 与正常供锌处理相比，两个品种缺锌条件下叶片FTIR谱在3420与2920 cm-1处透过率升高，糖类、 纤维素类碳水化合物、 脂类等物质含量下降。

农大108叶片FTIR谱中1655、 1380、 1240和1050 cm-1处透过率升高，蛋白质、 核酸和多糖含量下降。郑单958缺锌叶片红外图谱中1380 cm-1透过率下降，主要是蛋白质中甲基和亚甲基C-H弯曲振动和羧基中C-O弯曲振动减少，蛋白含量受到一定影响，而1650、 1240、 1055 cm-1附近与加锌处理相比无明显变化，酰胺I带蛋白含量和多糖含量受锌影响较小。

图3 缺锌和施锌处理下农大108和郑单958叶片FTIR谱图Fig.3 FTIR spectra of leaves of maize cultivars, Nongda108 and Zhengdan 958, with and without zinc application

3 讨论与结论

将缺锌和正常供锌水平下生物产量的比值定义为玉米锌效率系数，若该系数较低，作物对缺锌相对敏感[24-25]。本试验中供试的两玉米品种比较，缺锌条件下，农大108地上部干物质积累较少，缺锌和施锌处理下地上部生物量比值明显较郑单958小，根冠比较大，农大108比郑单958可能对缺锌更为敏感。

根系形态的差异可能会影响植物对锌吸收利用[26]，Dong 等[27]研究发现缺锌条件下小麦锌高效品种细根长度增加，所占比例增多。水稻上的研究也发现在中度缺锌时根系长度、 根面积和根尖数增加，且锌高效品种增加更多[28]。本研究发现缺锌培养20天的玉米品种农大108根系生长受抑，根长、 根面积和根体积下降，而郑单958根系形态变化尚不明显。缺锌时郑单958具有较大根表面积和根体积，细根较多，可能是其对缺锌不敏感的一个重要原因。

FTIR方法测定分子吸收光谱，由分子振动或转动引起偶极矩的净变化产生，从而可以鉴定化合物和分子结构，红外光谱具有“指纹”特征，可对植物所含化学物质提供鉴别[8]。薛生国等[14]和欧全宏等[12]研究发现植物FTIR谱图的特征峰集中在3420、 2920、 1610和1060 cm-1附近，认为主要由多糖、 脂类、 蛋白质的振动吸收谱带组成。本试验发现玉米根、 茎、 叶FTIR谱图特征峰集中在3410、 2920、 1650、 1380、 1055和 1240 cm-1附近，推断主要由碳水化合物、 脂类和蛋白质中基团的振动组成，透射率的高低可近似代表特征物质含量。

本研究发现缺锌处理根系和叶片FTIR图谱中3410和1055 cm-1透过率较高，茎FTIR图谱中此波数附近透过率较低，表明缺锌时碳水化合物在玉米叶片和根系中含量下降，而在茎中可能有所积累。锌是碳酸酐酶和1,5-二磷酸核酮糖羧化酶的组成成分[29-30]，缺锌时光合作用下降，碳水化合物代谢受到影响。缺锌菜豆植株中淀粉、 淀粉合成酶活性以及淀粉粒数下降[31]，甜菜和玉米中蔗糖合成酶活性降低，蔗糖含量下降[32]。也有报道表明缺锌时菜豆叶片中蔗糖和淀粉含量升高，但根系中碳水化合物的浓度降低，对此的解释是缺锌可能抑制源叶向外运输[33]。植物茎中碳水化合物含量升高可能是由于生长受阻引起的浓度效应。

本研究发现缺锌处理根系和叶片FTIR图谱中1650和1380 cm-1透过率及1240 cm-1处透过率较高，表明缺锌时蛋白质及核酸在玉米叶片和根系中含量下降。李佐同等[34]报道低锌处理降低玉米叶片可溶性蛋白质含量。缺锌植物体内RNase活性升高，导致RNA降解，含量降低，缺锌时核糖体变形、 减少[1,29]。另外锌是RNA聚合酶的必要组分[35]，该酶保护核糖RNA免受核糖核酸酶的攻击而降解，缺锌时该酶活性明显下降。另外转录因子锌指蛋白中含有锌，锌指蛋白与特定的靶DNA或靶蛋白结合负责调控基因的表达，影响蛋白质合成，缺锌可能降低锌指蛋白含量。

综上所述，缺锌条件下玉米根系和叶片FTIR谱在波数3410、 2920、 1650、 1380、 1055 cm-1附近处透过率较高，茎FTIR谱在这些波数处透过率较低，表明缺锌导致根系和叶片中碳水化合物、 脂类、 蛋白质及核酸含量下降，而在茎中有所积累。玉米品种农大108植株中各组分变化受缺锌影响较郑单958大。本文结果表明， 利用FTIR技术可揭示缺锌胁迫玉米植株中组分变化。

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