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热带和温带玉米对干旱的应答

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摘要:以热带和温带玉米自交系为材料,设置干旱和正常处理,检测玉米自交系的主要形态生理指标,分析干旱胁迫下玉米自交系的主要生物学特性及其逆境应答差异.结果表明:干旱胁迫下玉米自交系的株高、可见叶数、总叶面积、茎粗、植株鲜重、根体积和叶绿素含量程度不同地下降,5个温带玉米自交系的株高、可见叶数、总叶面积、茎粗、植株鲜重、根体积和叶绿素含量与对照(CK)间的差异显著;过氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性以及丙二醛(MDA)、可溶性糖和可溶性蛋白质含量呈上升趋势,温带玉米自交系较热带玉米自交系的上升幅度大;干旱条件下10个自交系的4个叶绿素荧光参数Fv/Fo,Fv/Fm,ΦPSII,QP一致下降,5个温带玉米自交系的4个叶绿素荧光参数极显著下降.上述结果表明,热带种质的耐旱性高于温带种质,可利用热带种质培育耐旱玉米品种.

关键词:玉米自交系;干旱胁迫;形态;生理;应答

水分是作物生长发育的必需成分,缺水干旱是抑制玉米生长发育、制约产量的主要非生物胁迫因子[1].全球有43%的干旱、半干旱耕地,我国的干旱、半干旱耕地集中分布在西北、华北、内蒙古地区,约占全国土地面积的50%[2-3].与其他作物一样,玉米是干旱敏感作物,干旱对其造成的产量损失在非生物胁迫因子中居首位[4-5].研究表明,缺水减缓细胞分裂速率、抑制玉米植株节间伸长和叶面积增大[6];干旱降低硝酸还原酶活性、阻碍叶片光合作用,从而减少碳水化合物和蛋白质积累[7];干旱缺水造成活性氧自由基积累和膜脂过氧化,进而引起物质代谢紊乱和细胞毒害[8].在缺水条件下,玉米也能通过调节气孔、渗透压、植物激素以及清除活性氧等方式产生抗旱应答[9].随着地球温室效应和水资源匮乏加剧,玉米干旱胁迫的研究日益受到重视,迄今有关玉米干旱胁迫与抗旱性机制的研究已有较多文献报道[10-13],但有关干旱胁迫下不同玉米种质差异应答的研究还鲜见报道.为此,笔者以热带和温带血缘的玉米自交系为材料,在植株形态和生理水平分析干旱胁迫下热带和温带玉米自交系的应答差异,以期为玉米耐旱自交系和品种选育提供理论依据.

1材料与方法

1.1供试材料

供试材料由长江师范学院玉米育种课题组分别从热带玉米种质“Suwan”和温带玉米种质“CIMT27”群体中选育自交系,基于2016年和2017年对玉米自交系耐旱性的田间鉴定结果,从不同种质来源的125份鉴定材料中,选取热带玉米自交系“Su-2”“Su-5”“Su-9”“Su-11”“Su-15”以及温带玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”“15YC4”作试验材料.

1.2试验设计

干旱胁迫实验在长江师范学院生命科学与技术学院实验室进行.采用随机区组设计,3次重复,每重复3株(同一营养钵).选择健康饱满的种子直播于装有基质的营养钵中,基质由河沙加“霍格兰氏营养液”(HoaglandSolution)配制而成,培养过程中每天用营养液浇灌基质.营养钵移至人工培养箱培养玉米幼苗,培养温度29℃(昼)/23℃(夜)、空气湿度70%、12h光照;待幼苗长至5叶1心时,各供试材料种植18株,其中9株作为对照(CK)在人工气候箱内继续生长,9株在另一人工气候箱内进行10d控水处理,为模拟玉米大田干旱环境,营养钵中基质的田间持水量控制在45%~50%,人工气候箱内空气湿度调节至50%[6].1.3测试项目和方法待干旱处理结束后,测量形态指标株高、可见叶数、叶面积、茎粗、植株鲜重和根体积.供试植株旗叶叶片用于室内测定生理指标:参照李小芳等[14]的方法测定叶绿素含量、丙二醛(MDA)含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白质含量、过氧化物酶活性(POD)和超氧化物酶活性(SOD)等生理指标;利用便携式光合仪(LI-COR6400)测定各供试材料叶绿素荧光参数值:F′m(光反应最大荧光)、F′o(光反应最小荧光)、Fm(暗适应最大荧光)、Fo(暗适应最小荧光)和Fs(稳态荧光).

2结果与分析

2.1干旱胁迫下玉米自交系的植株形态效应

干旱胁迫对玉米自交系株高、可见叶数、总叶面积、茎粗、植株鲜重和根体积的影响列于表1从表1可知,干旱胁迫下各玉米自交系的株高、可见叶数和总叶面积均下降,干旱对株高、可见叶数和总叶面积产生不利影响.干旱胁迫下,5个温带玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的株高、可见叶数和总叶面积与对照(CK)间的差异均达显著(p=0.05)或极显著(p=0.01)水平,而5个热带玉米自交系的株高、可见叶数和总叶面积与其对照(CK)间无明显差异.就上述3个形态性状的耐旱指数而言,热带玉米自交系显著大于温带自交系.干旱胁迫下玉米自交系的茎粗、植株鲜重和根体积也呈下降趋势,5个温带玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的茎粗、植株鲜重和根体积与对照(CK)间的差异也均达显著(p=0.05)或极显著(p=0.01)水平,而5个热带玉米自交系间无明显差异.10个自交系茎粗、植株鲜重和根体积耐旱指数的变幅分别为0.59~0.96,0.63~0.96,0.50~0.94,茎粗、植株鲜重和根体积的耐旱指数最大的自交系分别是“Su-2”“Su-5”和“Su-11”,“15YC4”茎粗和根体积的耐旱指数最小,“13YC6”植株鲜重的耐旱指数最小.说明干旱胁迫对热带和温带玉米自交系的植株形态的影响显著不同.

2.2干旱胁迫下玉米自交系主要生理参数的变化

表2为干旱胁迫下玉米自交系中过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活性以及丙二醛、叶绿素、可溶性糖和蛋白质含量的变化.由表2可见,干旱条件下玉米自交系的过氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量明显上升,其耐旱指数均大于1,其中自交系“15YC4”的POD和SOD的活性以及MDA的含量变化最大,分别是2.00,1.95,2.09.干旱胁迫下,5个温带玉米自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的过氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性和丙二醛(MDA)含量均与对照(CK)间存在极显著(p=0.01)差异.就叶绿素、可溶性糖和可溶性蛋白质含量的变化而言,叶绿素含量在干旱条件下呈下降趋势,而可溶性糖和可溶性蛋白质含量在干旱条件下呈上升趋势.热带玉米自交系中,“Su-5”和“Su-9”叶绿素含量(0.94)的耐旱指数最大.“Su-9”可溶性糖含量(1.05)以及“Su-2”“Su-11”可溶性蛋白质含量(1.06)的耐旱指数最小.干旱胁迫下,5个温带自交系“12YC3”“12YC8”“13YC5”“13YC6”和“15YC4”的叶绿素、可溶性糖和蛋白质含量与对照(CK)间的差异均达极显著(p=0.01)水平.由此表明,热带和温带玉米自交系对干旱胁迫存在明显生理应答差异.

3讨论

为适应干旱缺水环境,植物可在形态、生理和分子水平产生胁迫应答[18].笔者的试验结果表明,干旱胁迫对玉米自交系形态生理的影响主要表现在形态上降低株高,减少可见叶数、总叶面积、茎粗、植株鲜重和根体积,生理上通过提高过氧化物酶(POD)和超氧化物歧化酶(SOD)活性以调节其生理机制.就干旱胁迫对光合特性的影响而论,供试材料在干旱胁迫下的4个叶绿素荧光参数一致降低,其光合强度不同程度地下降,且温带玉米自交系的下降幅度更大.比较不同种质来源的自交系的耐旱性差异显示,热带玉米自交系“Su-2”“Su-5”“Su-9”“Su-11”和“Su-15”的6个形态指标、4个光合特性指标以及叶绿素含量的耐旱指数均明显高于温带玉米自交系,而POD、SOD活性和MDA含量低于温带玉米自交系.这一结果不仅表明热带和温带玉米种质对干旱胁迫在形态、生理水平存在明显应答差异,同时表明热带种质的耐旱性高于温带种质,可在热带种质中筛选耐旱玉米自交系,进而培育耐旱玉米品种.POD和SOD是作物在逆境胁迫下产生的抗氧化保护性物质,POD和SOD活性增强有助于激活植物细胞生理活性、增加次生代谢产物和减缓胁迫危害[19-20].MDA是植物逆境胁迫下的指示性物质,反映植物受逆境胁迫的危害程度,高浓度的MDA则产生过量活性氧(O2-)、促进细胞膜脂过氧化作用和破坏细胞结构稳定,从而对细胞生理产生毒害效应[21-23].干旱胁迫下玉米自交系的POD、SOD活性和MDA含量大幅度提高,这与Gong等[24]在大豆上的研究结果一致.叶绿素是植物光合作用的主要色素,高温、缺水等逆境因子通常抑制叶绿素合成[24],叶绿素含量下降,说明干旱胁迫有降低玉米自交系光合强度和生物产量的负面效应.可溶性糖和蛋白质是植物体内的主要代谢产物[25-26],笔者的试验发现,干旱胁迫下植株叶内可溶性糖和蛋白质含量上升,且温带玉米自交系较热带自交系上升幅度更大,应为干旱条件下植株叶片失水、含水量下降而致,且温带玉米自交系较热带自交系失水严重.叶绿素荧光参数是快速、无损地检测活体叶片光合功能的探针[27].叶绿素荧光参数Fv/Fo,Fv/Fm,ΦPSII,QP可较全面地反映植株叶片光合特性和生理状态,目前也是体现植物应答逆境胁迫的主要生理指标[28],干旱胁迫下10个玉米自交系4个荧光参数程度不同地下降,说明干旱胁迫下叶片光合功能受阻,热带和温带玉米种质间存在较大应答差异。

作者:刘红芳 邸仕忠 姚启伦 单位:长江师范学院 绿色智慧环境学院 重庆市渝东南农业科学院 长江师范学院

安徽大学学报责任编辑:宋小艳    阅读:人次
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