外源谷胱甘肽对低温胁迫下玉米幼苗的影响

李 林，杜 卓，侯 雯，张 凯，黄 浩，路运才

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨150080）

0 引言

玉米(Zea mays L.)原产于中南美洲，是种植面积广泛、重要的禾谷类作物，在人口日益增长的当今社会中具有显著作用[1]。玉米为喜温作物，其在生长过程中高度依赖于适宜的温度[2]。黑龙江在中国粮食生产中占主要位置，然而，随着气候温差过大所引起的低温损伤程度的加深，严重影响了东北春玉米的产量[3]。因此探究玉米对低温的耐受性，对玉米增产采取合理有效措施，提高其对低温的抵御能力具有重要意义。低温胁迫是玉米的环境胁迫因子之一，其导致作物生长受抑制、发育迟缓及产量减少[4-5]。当农作物遭遇低温时，叶绿体形态明显改变，阻碍叶绿素合成，分解加快[6]，造成叶片的光合作用受到抑制。在低温条件下，活性氧含量缓慢积累，渗透调节物质发生改变，尤其细胞膜脂过氧化现象愈发严重，细胞膜透性增大[7]。

目前，随着绿色农业的推进和倡议，植物生长调节物质已经广泛应用于农业生产实践中。其中，褪黑素已作为生长调节剂运用到实际生产中[8]。谷胱甘肽(GSH)是一种水溶性硫醇化合物，其在大多数植物组织中分布，能够清除自由基及活性氧[9-10]。多年来，谷胱甘肽在许多植物代谢过程中发挥着不可替代的作用[11]。它能够直接或间接的控制细胞中的浓度，以保卫植物免受逆境胁迫下的氧化应激，谷胱甘肽与植物逆境的耐受性密切相关[12]。外源GSH能够抵御植物对低温、盐胁迫、高温等胁迫因子的损伤。同时，谷胱甘肽在多种作物上也有研究，如石竹、水稻、黄瓜、棉花等[13-16]。但在玉米低温胁迫方面的研究较少。因此，本试验选用不同浓度的谷胱甘肽对培养至三叶一心的玉米幼苗进行叶面喷施，研究外源谷胱甘肽在低温胁迫下对玉米幼苗的影响，以利于谷胱甘肽在逆境的合理、有效地利用，为玉米减灾保产提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料玉米种子选用‘郑单958’。谷胱甘肽试剂购自Macklin公司（CAS号：70-18-8）。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 供试玉米种子种植于150×140 cm塑料花盆中，待玉米幼苗生长至三叶一心，设置谷胱甘肽6个处理水平，采用叶面喷施方法。（1）常温+喷施去离子水，记为对照组（CK）；（2）只进行低温处理，记为LT；（3）低温处理+喷施0.5 g/L谷胱甘肽，记为G1；（4）低温处理+喷施1 g/L谷胱甘肽，记为G2；（5）低温处理+喷施1.5 g/L谷胱甘肽，记为G3；（6）低温处理+喷施2 g/L谷胱甘肽，记为G4。每个处理3次重复，对玉米幼苗进行叶面喷施3天后进行低温胁迫处理，温度为10℃。光照条件：光照/黑暗(11 h/13 h)，培养3、5、7天后分别取其对应植株用于测定各指标。

1.2.2 测定项目及方法

（1）生长指标

玉米幼苗在低温胁迫0、3、5、7天后，用卷尺测量各处理长势一致的玉米幼苗高度（基部到顶部），3次重复；剪下3株玉米幼苗叶片用清水冲洗干净后，用滤纸吸干叶片表面水分，使用万分之一天平称其叶片鲜重，然后将叶片放入80℃恒温箱中，烘至恒重，称量干重，计算叶片含水量。

（2）叶绿素

经低温处理0、3、5、7天，各处理取玉米幼苗叶片3株，参考邹琦[17]方法并加以改进测定叶绿素含量，各处理均设置3次重复。

（3）过氧化物酶活性测定

经低温处理0、3、5、7天，各处理取玉米幼苗叶片3株，参考赵平[18]方法并加以改进测定过氧化物酶活性。各处理均设置3次重复。

（4）丙二醛

经低温处理0、3、5、7天，各处理取玉米幼苗叶片3株，采用硫代巴比妥酸法[19]测定丙二醛含量。各处理均设置3次重复。

（5）可溶性糖

经低温处理0、3、5、7天，各处理取玉米幼苗叶片3株，采用蒽酮比色法[20]并加以改进测定可溶性糖含量。各处理均设置3次重复。

2 结果与分析

2.1 外源谷胱甘肽对低温胁迫下玉米幼苗生长的影响

如表1所示，与对照相比，玉米幼苗在低温逆境下生长明显迟缓，外施不同浓度谷胱甘肽处理则对其损伤具有减缓效果。叶面喷施谷胱甘肽3天后低温处理第0天，CK与其他各处理间无显著差异。低温胁迫3天，CK、G1、G2、G3、G4比 LT 分别增加 16.11%、8.86%、5.82%、3.60%、6.44%，G2与G4之间无显著差异性，其他处理之间存在显著性差异；低温胁迫5天，CK比LT处理增加20.02%；低温胁迫7天，CK、G1、G2、G3、G4比LT分别增加26.28%、8.38%、7.06%、3.89%、5.29%，各处理与LT均存在显著差异。

表1 谷胱甘肽对不同天数低温胁迫下玉米苗高的影响

如表2所示，在不同天数低温胁迫下，玉米幼苗叶片含水量随着低温天数的增长而下降，但6个处理组玉米幼苗叶片含水量之间差异性并不显著，在低温胁迫0、3、5天后，叶片含水量无差异性，低温胁迫7天后，G3、G4与LT处理表现显著性差异，分别比LT处理高37.15%、31.31%。

表2 谷胱甘肽对不同天数低温条件下玉米苗期叶片含水量的影响

2.2 外源谷胱甘肽对低温条件下玉米苗期叶绿素值的影响

如图1所示，通过低温胁迫天数的延长，各处理组叶绿素含量明显下降。在胁迫3天后，G3、G4与LT处理表现无明显差异，G1、G2、G4与LT相比叶绿素含量分别增加了9.97%、12.43%、3.96%；胁迫5天后，G4处理比LT处理增加了20.88%；胁迫7天后，LT处理与胁迫后第五天相比，叶绿素含量下降8.42%，且与G1、G3、G4存在显著差异。

图1 谷胱甘肽对不同天数低温条件下玉米叶绿素含量的影响

2.3 外源谷胱甘肽对低温条件下玉米苗期过氧化物酶活性的影响

如图2所示，通过低温胁迫天数的延长，过氧化物酶活性先升高后逐渐下降。低温胁迫后第0天，各处理组间的差异性不显著；低温胁迫3天后，G4与LT处理无明显差异；低温胁迫5天后，CK、G1、G2、G3、G4均高于LT处理下过氧化物酶活性，分别提高了9.37%、31.34%、7.98%、79.25%、40.55%，各处理与LT均存在显著差异；低温胁迫7天后，G1、G3与LT处理存在明显差异，提高了33.44%、4.24%。

图2 谷胱甘肽对低温条件下玉米苗期过氧化物酶活性的影响

2.4 外源谷胱甘肽对低温胁迫下玉米苗期丙二醛含量的影响

如图3所示，低温胁迫天数延长，幼苗叶片体内丙二醛含量平稳升高。低温胁迫0天后，各处理组之间差异性不显著；低温胁迫3天后，G1、G2、G4比LT下降了40.07%、29.96%、37.91%，分别与LT处理差异性显著；低温胁迫5天后，G1与LT处理表现明显差异性，下降42.33%；低温胁迫7天后，G1、G2、G3、G4与LT处理差异显著，下降了28.46%、21.28%、24.47%、19.15%。

图3 谷胱甘肽对低温胁迫下玉米苗期丙二醛含量的影响

2.5 外源谷胱甘肽对低温胁迫下玉米苗期可溶性糖含量的影响

如图4所示，通过低温胁迫天数的延长，各处理玉米幼苗可溶性糖含量逐渐升高。在低温3天后，G4比G3处理下降了31.95%，但无显著差异；当低温胁迫5天后，各处理组可溶性糖含量逐渐增加，G1与LT处理表现为显著性差异，比LT降低了16.10%；在低温胁迫7天后，低温处理导致可溶性糖增多，LT处理可溶性糖含量最高，且与其他5各处理组差异性显著。

图4 谷胱甘肽对低温胁迫下玉米苗期可溶性糖含量的影响

3 讨论

低温胁迫会造成植物体内生长代谢系统紊乱，植物的生长发育迟缓，严重时植物减产。分析结果表明，外源谷胱甘肽对低温逆境下玉米幼苗生长有促进作用，这与索琳格等[21]在低温胁迫下谷胱甘肽促进黄瓜幼苗生长一致。

低温胁迫会影响植物内叶绿素分解加快，导致叶片萎蔫，植物生活活力受到伤害。分析结果表明，环境胁迫会使叶绿素含量下降，G1、G2、G3、G4的叶绿素含量高于LT处理，这与单长卷等[22]对干旱胁迫下外源谷胱甘肽探究光合作用的研究相符。

低温胁迫能够降低植物抗氧化能力，造成细胞氧化伤害，外源谷胱甘肽通过提高植株抗氧化作用，延缓叶片衰老，从而加强植物对低温的耐受性。本研究结果表明，在低温胁迫下过氧化物酶活性先升高后降低，且外源施用谷胱甘肽的处理组过氧化物酶活性明显高于LT处理组，这与Zhou等[23]对番茄和田娜等[24]对黄瓜幼苗的研究相符。

低温逆境下植物细胞内活性氧代谢受阻，导致ROS的积累，损伤细胞膜系统，从而加重膜脂过氧化，产生丙二醛，丙二醛使膜流动性降低，导致植物遭受伤害[25]。本研究结果表明，低温冷害使叶片细胞中丙二醛浓度显著上升，但外源施用谷胱甘肽可以明显缓解植物受到的伤害，这一结果与单长卷等[26]研究外源谷胱甘肽对盐胁迫的影响相符。

当受到低温冷害时，植物细胞中可溶性糖含量增多，平衡细胞内渗透调节进而保持组织水分能力，减轻低温对植物的伤害。此分析结果表明，随着低温天数的延长，植物体内可溶性糖含量显著上升，在叶面喷施后5天，LT处理的可溶性糖比第3天逐渐升高，同时通过外源谷胱甘肽处理后，G1、G2、G3、G4的可溶性糖含量明显低于LT处理组，这一结果与王绍娴[27]和温泽林[28]研究盐胁迫下外施谷胱甘肽对植物幼苗的影响一致。

4 结论

（1）叶片表面喷施外源谷胱甘肽能够一定程度上提升低温冷害下玉米幼苗的高度和叶片含水量。外施谷胱甘肽后3、5、7天，G1、G2、G3、G4各处理的玉米幼苗均高于LT处理，且达到显著差异水平；由于低温天数的延长，幼苗叶片发生萎蔫，直到第7天，LT处理叶片含水量与G3、G4处理组差异性显著，且数据表明，G3比LT处理高3.72%，处理效果最好。

（2）低温胁迫下，谷胱甘肽提升了玉米叶片中叶绿素含量，谷胱甘肽处理第7天时，G2处理的叶绿素含量高于LT处理，且缓解效果最好。

（3）随着低温胁迫天数不断增加，玉米过氧化物酶活性先上升后下降，在谷胱甘肽处理后5天，G1、G2、G3、G4的过氧化物酶活性均高于LT处理组，说明外施谷胱甘肽可以增强植物体过氧化物酶活性，以除去低温胁迫下的活性损伤，且处理后第5天可以看出，G3效果显著。

（4）低温冷害致使植物细胞内MDA含量明显的增加，在谷胱甘肽处理后0、3、5、7天，G1、G2、G3、G4的丙二醛含量均低于LT处理，且LT处理丙二醛含量与其他处理组之间存在显著差异；第7天结果显示，G1处理效果最好。

（5）低温冷害使可溶性糖含量在玉米幼苗内增加，外源施用谷胱甘肽后第7天，G1、G2、G3、G4的可溶性糖含量低于LT处理组，同时与LT处理组之间表现为显著差异，与LT处理相比，G4可溶性糖含量降低51.22%，处理效果最好。