干旱处理对不同玉米品种叶片光合速率和抗氧化特性及产量的影响

裴志超 周继华 徐向东 兰宏亮 王俊英 郎书文 张伟强

（1北京市农业技术推广站，100029，北京；2北京市密云区农业职业技术学校，101500，北京；3中国农业科学院农田灌溉研究所，453002，河南新乡）

玉米作为主要的粮食作物，在我国农业生产和国民经济中起着重要的作用。玉米也是对干旱比较敏感的旱地作物之一[1-2]。我国北方地区是干旱容易发生的集中区域，北京市地处华北平原，玉米生长季降水丰富，但早夏和秋后经常会有干旱发生。干旱和高温容易引起玉米异常发育，致使叶部光合作用能力下降，而授粉期更容易造成开花、吐丝受阻，灌浆期的结实少，千粒重下降，从而造成减产，严重的甚至绝收[3-4]。干旱胁迫降低植物的光合作用，并且干旱持续的时间越长植物的光合速率降低越明显[5-7]。玉米自身存在应对干旱胁迫等逆境的内源保护系统，如抗氧化酶类等负责清除植株体内因水分缺失而诱导产生的过多的活性氧，如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等[8-9]。刘永辉[10]研究认为，SOD、POD和 CAT活性因玉米不同生育阶段、受旱时间和强度而异。白建芬等[11]研究表明，玉米幼苗在干旱胁迫24h和48h后，SOD、CAT和POD活性总体呈现上升趋势，而且在处理48h后的效果更加明显，且随着干旱程度的增强，POD活性增加的幅度减小，而SOD和CAT活性增加的幅度增大。

本研究以北京市玉米生产主推品种为材料，通过大田试验，旨在明确干旱胁迫对不同品种玉米叶片的光合速率（Pn）和抗氧化特性的影响，为玉米新品种抗旱性鉴定和配套高产稳产技术推广提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2016年在北京市密云区进行，试验点属温带半湿润大陆性季风气候，玉米生长季节气象条件如表1所示，月均降雨量91.92mm，低于近20年（1996-2015）平均水平 95.82mm；日均气温21.38℃，略高于近20年均值21.24℃；月均光照强度略低于近20年均值。授粉―灌浆初期（8月份）降雨量低于近20年均值，温度则高于20年均值，一定程度上不利于玉米后期生长发育。试验地土质为褐土（壤土），土壤（0～20cm）有机质含量14.5g/kg，全氮1.12g/kg，有效钾100.02mg/kg，有效磷43.06mg/kg，碱解氮110.01mg/kg。

表1 2016年试验点玉米生长季气象资料Table 1 Weather datas of experimental plot during maize growing season in 2016

1.2 试验设计

选用生产上种植面积较大的玉米品种京农科728、MC703、农华101、登海618、郑单958、联创 808为试验材料，分别用 JNK728、MC703、NH101、DH618、ZD958及LC808表示。种植密度均为75 000株/hm2，于5月5日播种，播种深度5cm，于5展叶定苗。试验采用裂区区组设计，小区行长10m，行距0.6m，8行区，小区面积48m2。干旱胁迫为主区，品种为副区，品种区组内完全随机分布，4次重复。在抽雄前20d土壤墒情降至田间持水量的60%，达到中度干旱胁迫。正常灌溉处理（对照）小区浇水至田间持水量的80%；干旱处理小区不浇水，进行15d的干旱处理，之后统一复水至田间持水量的80%。每小区标记30株生长一致、无病虫害的玉米，用于后续取样调查。播种基肥为玉米缓释肥，施用量为 132kg N/hm2，72kg P2O5/hm2，72kg K2O/hm2。试验站附近以一茬春玉米为主，其他田间管理均采用当地常规栽培措施。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 叶片光合速率 玉米授粉后15d，每小区选取 3株长势均匀一致的植株，于晴天上午 9︰00-12︰00，用Li-6400光合测定系统（美国LI-COR公司）测定田间穗位叶中部Pn。测定过程中选用红蓝光源，设置叶室中的光合有效辐射（photosynthesis active radiation，PAR）为 1200μmol/(m2·s)，叶室温度控制在25℃。

1.3.2 叶片抗氧化生理指标 玉米授粉后10d，每小区选取3株长势均匀一致穗位叶中部作为混合样品。采用氮蓝四唑法测定SOD活性；采用愈创木酚显色法测定 POD活性；采用紫外分光光度法测定 CAT活性；采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛（MDA）含量。

1.3.3 产量及其相关指标 玉米成熟后，在小区中部选取 12m2称重测产，并记录有效株数和有效穗数，用称重法选取10个平均穗，调查穗部性状（穗长、秃尖长、穗粗、穗粒数和千粒重），测定籽粒含水量，折算成14%含水量的产量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013作图，SPSS 17.0进行方差分析，LSD检验进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 干旱处理对不同玉米品种叶片Pn的影响

干旱通过气孔限制、非气孔限制以及光合产物的分布等抑制同化作用，从而影响产量形成，而Pn能直接反映植物光合作用强弱。如图1所示，与正常灌溉相比，干旱胁迫极显著降低6个参试品种的叶片Pn（P＜0.01），平均降幅为17.58%。表明对所有参试品种而言，干旱处理对叶片光合作用均产生了显著影响。

图1 干旱处理对不同玉米品种叶片Pn的影响Fig.1 Effects of drought treatment on Pn in leaves of different maize varieties

由图1可知，正常灌溉条件下，京农科728的Pn最高，农华101Pn最低；干旱处理后，不同品种玉米叶片的Pn均极显著降低。与正常灌溉条下相比，京农科728的叶片Pn受干旱胁迫影响最小，Pn降幅为15.63%；联创808的Pn受干旱胁迫影响最大，Pn降幅为 21.74%。京农科 728（15.63%）、MC703（15.84%）、农华 101（16.34%）和登海 618（16.92%）的叶片Pn受干旱胁迫降低幅度差异较小，而郑单958（19.15 %）和联创808（21.74%）的叶片Pn降幅明显高于其余4个参试品种。

2.2 干旱处理对不同玉米品种叶片SOD活性的影响

由图2可知，除NH101外，干旱胁迫极显著降低了玉米叶片SOD活性（P＜0.01）。正常灌水条件下，京农科728叶片SOD活性最高，联创808叶片SOD活性最低；京农科728、登海618和农华101 3个玉米品种的SOD活性高于MC703、郑单958和联创808。与正常灌溉相比，京农科728叶片 SOD活性受干旱胁迫影响的降幅最小，为12.02%；联创 808叶片 SOD活性降幅最大，为15.55%；MC703、农华101、登海618和郑单958叶片SOD活性降幅分别为12.22%、14.19%、14.40%和15.21%。京农科728叶片SOD活性受干旱胁迫的降幅（12.02%）与MC703降幅（12.22%）差异较小，而联创808叶片SOD活性降幅（15.55%）明显高于其余5个品种。

图2 干旱处理对不同玉米品种SOD活性的影响Fig.2 Effects of drought treatment on SOD activity in leaves of different maize varieties

2.3 干旱处理对不同玉米品种叶片POD活性的影响

除 NH101外，干旱处理极显著降低了玉米叶片POD活性（P＜0.01）（图3）。正常灌水条件下，京农科728叶片POD活性最高，联创808叶片POD活性最低；与正常灌溉相比，干旱处理后6个参试品种的POD活性均显著或极显著降低，平均降幅为8.48%，且6个品种的POD活性受干旱胁迫的降幅差异较小。

图3 干旱处理对不同品种玉米叶片POD活性的影响Fig.3 Effects of drought treatment on POD activity in leaves of different maize varieties

2.4 干旱处理对不同玉米品种叶片CAT活性的影响

除 NH101外，干旱处理极显著降低了玉米叶片CAT活性（P＜0.01）（图4）。正常灌水条件下，京农科728叶片CAT活性最高，联创808最低；干旱胁迫显著降低了不同玉米品种叶片CAT活性，与正常灌溉相比，京农科728叶片CAT活性降幅最小，为12.56%；联创808叶片CAT活性降幅最大，为15.86%；6个参试品种叶片CAT活性受干旱胁迫的平均降幅为13.96%，6个品种降幅差异较小。

图4 干旱处理对不同玉米品种CAT活性的影响Fig.4 Effects of drought treatment on CAT activity in leaves of different maize varieties

2.5 干旱处理对不同玉米品种叶片MDA含量的影响

MDA是细胞膜脂过氧化产物，其含量的高低反映细胞膜脂过氧化程度，与作物受逆境伤害程度或衰老有密切的相关性。干旱胁迫显著或极显著提高了玉米叶片MDA含量（图5）。正常灌水条件下，MC703叶片MDA含量最低，联创808 MDA含量最高；干旱胁迫显著或极显著提高不同玉米品种叶片MDA含量，京农科728叶片MDA含量最低，联创808叶片MDA含量最高。与正常灌溉相比，6个品种叶片MDA含量受干旱胁迫诱导的平均增幅为32.61%，6个品种的增幅差异较小。

2.6 不同玉米品种叶片应答干旱处理相关抗氧化生理指标的相关性分析

作物在干旱胁迫下光合速率受到抑制，使叶片气孔不完全开放，增加了CO2由外界向细胞内扩散时阻力，相关生理反应相继导致光合作用降低，影响正常的生长发育以及最终产量形成。将不同玉米品种叶片Pn与抗氧化酶系活性和 MDA含量之间进行相关分析，结果如表2所示，正常灌溉条件下，不同玉米品种叶片Pn仅与 CAT活性呈显著正相关；MDA含量与POD活性呈显著负相关，POD活性与 SOD活性呈显著正相关。在干旱胁迫下，不同玉米品种叶片Pn与SOD、POD、CAT活性均呈极显著或显著正相关，与MDA含量呈显著负相关；MDA含量与SOD和POD活性呈显著负相关，SOD活性与POD和CAT活性呈极显著正相关。

表2 不同玉米品种Pn与抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性及MDA含量的相关性分析Table 2 Correlation analysis of Pn with antioxidant enzyme(SOD, POD, CAT) activities, and MDA contents in leaves of different maize varieties

2.7 干旱处理对不同玉米品种产量及其构成因素的影响

由图6可知，正常灌溉条件下，京农科728产量最高，郑单958产量最低。干旱处理后，不同玉米品种的产量均极显著降低（P＜0.01）。与正常灌溉条下相比，京农科728产量受干旱胁迫影响最小，产量降幅为 15.46%；郑单958产量受干旱胁迫影响最高，产量降幅为27.41%。干旱处理后，京农科728（15.46%）产量与登海618（17.62%）和农华101（21.83%）差异较小，但京农科728产量明显高于郑单958（27.41%）、联创808（27.31%）和MC703（26.20%）。

图6 干旱处理对不同玉米品种产量的影响Fig.6 Effects of drought treatment on yield of different maize varieties

如表3所示，正常灌溉条件下，有效穗数和穗粒数在6个参试品种之间均无显著性差异；千粒重在品种之间存在显著差异，且京农科728千粒重显著高于 MC703和联创 808（P＜0.05）。干旱处理后，不同品种玉米的有效穗数与正常灌水相比均降低，但未达到显著水平；品种间表现为JNK728高于其余5个品种；与正常灌溉条件下相比，6个品种的穗粒数均显著降低，但品种间无显著差异；6个品种的千粒重与正常灌水处理相比均降低，但未达显著水平，品种间表现为京农科728显著高于MC703、ZD958和LC808。

表3 干旱处理对不同玉米品种产量构成因素的影响Table 3 Effects of drought treatment on yield components of different maize varieties

3 讨论

干旱胁迫能够从多方面影响作物的正常生长和新陈代谢，从而打破植株体内的生理平衡。作物在遭受干旱胁迫时，需动员多种抗氧化酶等整个防御系统以抵抗水分胁迫诱导的氧化伤害。叶片是进行蒸腾作用的重要器官，是对环境变化比较敏感且可塑性较大的器官，与玉米的耐旱性有紧密联系[12]。本研究结果发现，不同品种玉米叶片Pn与SOD、POD、CAT活性呈正相关，与叶片MDA含量呈负相关。干旱胁迫下，玉米叶片Pn降低，SOD、POD和CAT活性随之降低，而叶片MDA含量增加。前人研究[8]认为SOD、POD和CAT活性受干旱影响，且干旱伤害程度与这3种酶活力的提高呈负相关，本研究结果与其一致。

玉米抗旱性是指不同品种玉米对干旱的适应性和抵抗能力，即在干旱胁迫或水干燥的条件下，玉米具有受伤害最轻、光合性能降低最少的能力[9,13]。本研究结果表明，干旱胁迫下不同品种玉米Pn降低幅度为京农科 728（15.63%）＜MC703（15.84%）＜农华 101（16.34%）＜登海 618（16.92%）＜郑单 958（19.15%）＜联创 808（21.74%），而其相应的基因型叶片抗氧化系统指标（SOD、POD、CAT活性）随着Pn的下降而降低。然而，不同品种玉米叶片抗旱性生理指标变化幅度并没有和Pn降低幅度完全一致，如京农科728 POD活性降低幅度（8.50%）在干旱胁迫条件下高于MC703（8.09%），其可能的原因为MC703对灌浆期反常高温（吐丝散粉―灌浆）比京农科728更为敏感。这也表明玉米耐旱性是由多种因素相互作用而构成的一个复杂的综合性状，尽管耐旱性强基因型玉米对干旱的适应性和抵抗能力较强，但干旱胁迫下的光合作用仍可能因其生理反应对田间光温变化的敏感而受到氧化伤害。

本试验结果表明，干旱处理显著影响了6个参试品种的产量及其构成因素（有效穗数、穗粒数和千粒重）。干旱处理对产量的影响在品种间差异显著，最终产量降低幅度为京农科728（15.47%）＜登海618（17.62%）＜农华101（21.83%）＜MC703（26.20%）＜郑单 958（27.41%）＜联创 808（27.30%）。在抽雄前期的干旱处理对参试品种最终产量的影响与生理指标变化趋势并非完全一致，如MC703的叶片生理指标评价结果好于登海618，但最终产量是登海618高于MC703。因此，叶片生理特征值可以作为抗旱性的一般评价指标，代表不同品种玉米品种的稳产潜力，但在一定程度上并不能很好地体现其高产潜力。干旱处理下鉴于玉米受旱面积的增加和对产量的危害，张仁和等[8]研究认为，适量施氮下可以提高干旱胁迫下玉米叶片SOD、POD和CAT活性，降低了MDA含量，减轻了干旱胁迫下膜脂过氧化。国内外学者对多项抗旱技术的研发和推广，如保护性耕作、节水栽培等[14-17]。北京市地处华北平原，属于我国玉米核心粮食产区之一，遇干旱时容易因水源不足而得不到灌溉或灌溉不足。综合玉米抗旱技术新近进展，保护性耕作方面可以采用优选抗旱良种、免耕播种、少耕秸秆覆盖、合理施用氮肥等技术增强玉米抗旱适应性和吸肥吸水能力；节水栽培方面的技术可以采用育苗移栽、合理密植、集雨补灌等措施；有条件的地区也可以尝试外源调节剂如脱落酸（ABA）类似物和NO等缓解旱情。其中，选择抗旱性强的品种、合理施用氮肥、免耕播种、合理密植、集雨补灌等相对简单易行的方法可以作为现阶段玉米抗旱保产措施推广。

4 结论

与灌溉处理相比，抽雄前期的干旱处理使不同玉米品种叶片的Pn及抗氧化酶活性显著降低，品种间表现为；京农科728、MC703、农华101和登海618的叶片Pn受干旱胁迫降低幅度较小，且降幅显著低于郑单958和联创808。干旱处理下，玉米叶片的Pn与抗氧化酶活性呈显著正相关关系，与MDA含量呈显著负相关关系。干旱处理后，京农科728、登海618和农华101产量降低幅度较小，郑单958、联创808和MC703降低幅度较大。综上所述，京农科728、登海618和农华101为抗旱性和丰产性较好的品种，而郑单958和联创808为抗旱性和丰产性较差的品种。