冷（热）激对干旱胁迫下玉米活性氧清除及膜脂过氧化的调控机制

张永福　黄鹤平　银立新　陈泽斌　刘佳妮　彭声静

摘要：为了揭示冷（热）激对干旱胁迫下玉米活性氧清除系统及膜脂过氧化的调控机制，以会单2号幼苗为试材，经冷（热）激预处理后，待苗长至50cm左右时用15%聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱处理。结果表明，随着干旱胁迫时间的延长，玉米叶片的相对电导率、丙二醛含量显著增加，质膜遭到损害，其中对照质膜的损害明显比冷（热）激处理的严重；SOD和POD活性在干旱胁迫初期迅速升高，随着胁迫时间的延长而逐渐变缓并略有下降，冷（热）激处理对干旱胁迫下玉米叶片这2种酶活性的响应差异较大，具有相互协调的作用；冷（热）激能显著降低玉米叶片在干旱胁迫下O2-·产生速率和H2O2含量；叶绿素和类胡萝卜素含量在干旱胁迫初期呈现上升趋势，但随后便有不同程度的下降，其中冷（热）激处理能够显著地减缓这种下降的速率；在干旱胁迫初期，各试材根系活力的下降幅度较小，但到了干旱胁迫中期以后，各试材根系活力迅速下降，其中冷（热）激预处理能够显著减缓根系活力的下降速率。可见，冷（热）激处理能够显著增强干旱胁迫下玉米叶片活性氧清除系统的功效，减轻膜质过氧化对玉米叶片的伤害，增强其耐旱性，其中以4℃冷激处理的效果最显著。

关键词：玉米；冷（热）激；干旱胁迫；活性氧；膜质过氧化；调控机制

中图分类号：Q945.78；S513.01 文献标志码：A 文章编号：1002-1302（2015）05-0056-05

玉米（Zea mays L.）是世界主要粮食作物之一，以其适应性广、产量高而著称。但近年来，由于气候异常，每年玉米生长季节中干旱灾害频繁，制约着玉米的高产稳产。因此，研究玉米在干旱逆境下的生长生理及抗旱机制具有重要意义。植物的抗旱性与活性氧代谢密切相关，干旱胁迫下植物体内会产生大量的H2O2、O2-·等活性氧自由基，导致膜脂过氧化，进而造成膜系统的损伤。植物体内的酶促和非酶促的抗氧化剂能够清除活性氧，保护其细胞免受活性氧的伤害，维持膜系统的稳定，以增强植株的耐旱性。诱导植物对不同逆境的交叉适应性是其获得抗逆性的一种经济、环保的有效手段。关于各种逆境诱导植物的交叉适应性的报道较多。在玉米上，热激预处理可诱导对热、冷、干早和盐胁迫的交叉适应性；在葡萄上，高温锻炼和低温锻炼能够诱导对温度逆境的交叉适应性；在黑麦上，冷锻炼后能够明显提高其耐热性。但有关这种交叉适应的生理机制还不够清楚，武杭菊等认为干旱、低温交叉逆境和ABA处理下小麦幼苗活性氧清除能力的增强是交叉适应的生理机制之一。那么能否通过冷（热）激处理来提高干旱胁迫下玉米植抹的抗氧化能力，减轻活性氧的伤害，保护膜结构和功能，缓解干旱逆境对玉米的伤害？为了解决这个问题，采用冷（热）激预处理玉米发芽种子，待幼苗长至50cm左右时采用聚乙二醇（PEG-6000）模拟干旱，研究玉米叶片电导率、丙二醛、H2O2、叶绿素含量的差异，以及叶片保护酶活性、O2-·产生速率和根系活力等的变化规律，旨在探讨冷（热）激对干旱胁迫下玉米活性氧代谢系统的生理机制，为提高玉米耐旱性及其高产稳产提供理论依据。

1.材料与方法

1.1材料

参试玉米品种为会单2号，于2013年5-7月在昆明学院农学院校园实训基地进行试验。

1.2方法

玉米种子置于50℃温水中浸泡10min后用10%过氧化氢浸泡10min消毒，然后每个培养皿中放入50粒种子，于25℃生化培养箱中催芽。待芽长至2～3 cm时，把小苗放入25cm×35cm搪瓷盘中，置于盛有Hoagland's营养液光照培养箱中分别进行冷（热）激处理。设置2个冷激处理（4、8 qC）和2个热激处理（36、40℃），时间72h，室温为对照（CK）。每个处理3次重复。培养箱昼一夜时间设置为14h一10h，白天光量子通量密度约为100umol/（m²·s）。处理3d后移入10cm×10cm营养钵中，每钵种植2株，基质为草炭：蛭石：珍珠岩=2：2：1，每3d更换1次Hoagland's营养液（pH值为6.5）。待幼苗长至50cm左右时，向营养液中加入15%PEG-6000进行模拟干旱处理。

分别于干旱处理0、2、4、6、8、10d采样，样品为叶或根。剪取功能叶和根尖，混合取样后测定各项指标。氧自由基（O2-·）产生速率测定采用羟胺法，丙二醛（MDA）和过氧化氢（H2O2）含量测定参照邹琦的方法，超氧化物歧化酶（SOD）活性测定采用NBT光还原法，过氧化物酶（POD）活性测定采用愈创木酚显色法，相对电导率测定采用电导仪法，叶绿素含量的测定采用酒精提取法，根系活力的测定采用TFC染色法。每个样品重复3次，取平均值。

1.3数据处理

数据单因素方差分析用SPSS 17.0软件，并运用Duncan's新复极差检验差异显著性，并用Excel 2007作图。

2.结果与分析

2.1冷（热）激对干旱胁迫下玉米叶片相对电导率和MDA含量的影响

在PEG模拟干旱胁迫中，通过冷（热）激处理可有效地降低玉米叶片电解质渗出率。由图1可以看出，在干旱胁迫O～2d，各处理与CK的相对电导率基本保持稳定，但之后CK的相对电导率开始迅速上升，到试验结束时达42.17%，显著高于冷（热）激处理的植株。而冷（热）激处理的植株叶片相对电导率直到干旱胁迫6d以后才快速上升，到干旱胁迫结束时，40℃热激的植株叶片相对电导率最低，为37.51%。

干旱胁迫前，冷（热）激处理对MDA含量具有一定的影响，其中38℃热激的植株叶片MDA含量最高，为8.02umoL/g，显著高于其余各个处理和CK。干旱胁迫开始岳，CK的MDA含量急剧上升，到干旱胁迫6d，MDA含量达到最高，为13.76umol/g，随岳开始下降，到干旱胁迫结束时降至11.10umol/g。从干旱胁迫4d到干旱胁迫结束的整个过程中，CK的MDA含量均显著高于冷（热）激处理。在干旱胁迫0～4d，8℃冷激的植抹叶片MDA含量最低，4d以后开始上升，到胁迫6d达到最高水平，随后开始缓慢下降，但变化不大。其余3个处理在整个试验期间MDA含量均比较平稳。由此可见，干旱胁迫开始岳，CK的膜脂过氧化加剧，受伤严重，到干旱胁迫6d以后，已经开始出现叶肉组织死亡的现象（图1）。

2.2冷（热）激对干旱胁迫下玉米叶片SOD和POD活性的影响

从图2可看出，冷（热）激处理后，在干旱胁迫前，4℃预处理的玉米植株SOD活性为115.60U/g，显著低于其余各个处理和对照。干旱胁迫0～2d，所有试材的SOD活性均迅速上升，其中40℃预处理的最高，这种趋势一直保持到干旱胁迫6d，之后便开始下降。在整个干旱胁迫期间，8℃预处理和CK的植株SOD活性均差异不显著，到干旱胁迫结束时，4℃预处理的植株仍保持较高的SOD活性，2个高温预处理的植株SOD活性基本相同。

图2还显示，在干旱胁迫前，各个处理和CK植株的POD活性均较低，且差异不大。在干旱胁迫O～2d，各试材的POD活性迅速上升，到干旱胁迫2d时，4℃预处理植株的POD活性最高，为1.26U/（mg·min），而CK最低，为0.98U/（mg·min），二者差异显著。此后，在整个干旱胁迫期间，各个处理和CK的POD活性均逐渐上升，且一直保持4℃预处理的活性最高，CK的活性最低的规律，其余3个处理的POD活性居中，且差异不大。到干旱胁迫结束时，4℃预处理植株的POD活性为1.70U/（mg·min），CK植株的POD活性为1.42U/（mg·min）。

2.3冷（热）激对干旱胁迫下玉米叶片氧自由基产生速率和过氧化氢含量的影响

图3显示，冷（热）激处理能够降低干旱胁迫下玉米叶片的氧自由基产生速率。在干旱胁迫前，除40℃热激的植株叶片氧自由基产生速率略低以外，其余3个处理和CK的氧自由基产生速率几乎相同，且在干旱胁迫0～2d均几乎无变化。干旱胁迫2d开始，各个处理和CK的氧自由基产生速率均快速上升，到干旱胁迫10d以后，CK的氧自由基产生速率一直保持最高。到干旱胁迫结束时，CK的氧自由基产生速率是原来的4.3倍，而4℃冷激处理的氧自由基产生速率是原来的3.0倍，为最低。

从图3还可以看出，冷（热）激处理对玉米叶片的过氧化氢含量具有一定的影响。干旱胁迫后，各个处理和CK植株叶片过氧化氢含量均迅速上升，其中CK上升速度最快，且在整个试验期间均高于冷（热）激处理，到干旱胁迫结束时，增长了21.45umol/g。4℃冷激处理的玉米叶片过氧化氢含量从干旱胁迫4d开始一直到干旱胁迫结束，均保持最低水平，在整个试验期间仅增长了14.36umol/g。

此外，图3还显示，冷激处理比热激处理更能有效地降低干旱胁迫下玉米叶片氧自由基产生速率和过氧化氢含量，减轻氧自由基对玉米叶片的伤害，提高其抗旱性。

2.4冷（热）激对干旱胁迫下玉米叶片叶绿素含量的影响

由图4可以看出，在干旱胁迫前，各处理的叶绿素a含量相差不大，均在0.8～1.0mg/g之问，但在PEG模拟干旱处理2 d时，叶绿素a含量急剧上升，其中上升幅度最大的是36℃热激处理的材料，是原来的2.4倍，而CK的上升幅度最小，是原来的2倍。随后，除4℃冷激处理的材料继续缓慢上升外，其余3个处理和CK均开始下降，在整个下降过程中，CK的叶绿素a含量均显著低于冷（热）激处理，而4℃冷激处理的材料则保持相对较高的水平。干旱胁迫结束后，CK的叶绿素a含量已降至1.O m∥g，而冷（热）激处理的含量则在1.5mg/g以上，显著高于CK。

冷（热）激处理对干旱胁迫下玉米叶片叶绿素b含量的影响无明显规律。在干旱胁迫前，8℃冷激处理的叶绿素b含量最高，为O.65mgg；36℃热激处理的含量最低，为0.39mg/g。到干旱胁迫2 d时，这种状况发生了较大的变化，4℃冷激处理的叶绿素b含量最高，是干旱胁迫前的3.1倍，而8℃冷激处理的含量最低，与干旱胁迫前相比并未明显上升。干旱胁迫2d以后，各个处理的叶绿素b含量均表现出不同程度的下降，到干旱胁迫结束时，所有试材的叶绿素b含量均降至0.5mg/g左右。

叶绿素a+b的变化规律总体上与叶绿素a的变化规律相似。干旱胁迫前，各试材的叶绿素a+b含量在1.3～1.6mg/g之间，但在干旱胁迫0～2d，各试材的叶绿素a+b含量均急剧上升，到干旱胁迫2 d时，36℃热激处理的材料叶绿素a+b含量最高，达3.46mg/g，CK的叶绿素a+b含量最低，为2.86mg/g。从干旱胁迫4 d起，各试材的叶绿素a+b含量便迅速下降，其中4℃冷激处理的叶绿素a+1）含量在各个时段均基本保持最高水平，而CK则一直均为最低水平。到干旱胁迫结束时，CK的叶绿素a+b含量仅为1.62mg/g，显著低于冷（热）激处理。

冷（热）激对干旱胁迫下玉米叶片类胡萝卜素含量的影响较大。在干旱胁迫前，36℃热激处理的类胡萝卜素含量最高，为0.14mg/g，40℃热激处理的含量最低，为0.05mg/g，二者差异显著。在干旱胁迫过程中，所有试材的类胡萝卜素含量均呈不同程度上升，其中40 qC预处理的上升较慢，在干旱胁迫4d时，其含量均显著低于其余3个处理和CK。到干旱胁迫结束时，冷（热）激处理的类胡萝卜素含量均显著高于CK，其中36℃热激的最高为0.31mh/g，而CK为.0.23mg/g。

2.5冷（热）激对干旱胁迫下玉米根系活力的影响

图5显示，在PEG模拟干旱胁迫下，冷（热）激处理对玉米根系活力的影响较大。在干旱胁迫前，8 qC冷激处理的试材根系活力最高，TTC还原强度为1.71mh/（g·h），而36℃热激处理的试材则根系活力最低，TI'C还原强度为1.36mg/（g·h），二者差异显著。干旱胁迫后，各试材的根系活力便开始下降，其中4℃冷激和36℃热激处理的试材在干旱胁迫0-4d根系活力下降缓慢，但干旱胁迫4d以后，根系活力迅速下降。干旱胁迫4d时及以后，4℃冷激处理的试材根系活力在下降的过程中始终保持最高水平，而CK则始终处于最低水平。到干旱胁迫结束时，4℃冷激处理的玉米根系活力显著高于其余处理和CK，TFC还原强度为0.87mg/（g·h），而CK的玉米根系活力则显著低于其余处理，TTC还原强度为0.50mg/（g·h）。