低铁胁迫对不同铁效率玉米幼苗生长、抗氧化及光合生理特性的影响*

付 豪, 任 云, 陈泽雄, 聂姝姝, 余文静, 李 强**

(1.重庆三峡学院生物与食品工程学院 万州 404100; 2.重庆文理学院园林与生命科学学院/特色植物研究院 永川 402160)

铁(Fe)既参与植物叶绿素合成, 影响光合作用,又参与植物呼吸及营养物质运输过程, 调控植物生长。植物缺铁时, 叶片黄化, 生长迟缓, 植株矮小,产量品质均大幅下降。缺铁土壤占我国耕地面积的40%以上, 其中30%为严重缺铁, 尤其是在南起四川盆地, 北至内蒙古草原, 东至淮北平原, 西到黄土高原及甘肃、青海、新疆等典型石灰性土壤地区,缺铁现象尤为严重。石灰性土壤钙质化严重, 盐含量高, pH高, 导致土壤有效铁含量下降, 作物生长发育迟缓, 产量及品质均大幅下降。

铁是植物生长发育所必需的微量元素, 参与并维持植物的多项生理及代谢活动。低铁胁迫后, 植物体内活性氧大量积累, 为了响应氧化应激, 植物体内会形成超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)及脯氨酸氧化酶(POX)等抗氧化酶系统和丙二醛(MDA)、脯氨酸及可溶性蛋白等代谢物的两个调节水平的抗氧化系统响应。范兵华等指出含铁营养液可以提高番茄()可溶性蛋白、番茄红素和可溶性总糖含量, 从而改善番茄口感。随施铁量的增加, 番茄果实硝酸盐、可溶性蛋白及可滴定酸含量也随之增加。其次, 铁对植物的光合作用也有影响, 铁虽然不是叶绿素的组成部分, 但其在叶绿素前体合成中有十分重要的作用。植物缺铁时, 叶绿素合成前体受阻, 叶绿体膜、叶绿素-蛋白复合体、类胡萝卜素、反应中心及与其相联系的电子载体等一系列捕光器的合成也受到影响,光合速率下降, 进而会影响作物的产量和品质。邵科等指出甜菜()缺铁时其叶片叶绿素含量、净光合速率、气孔导度均显著降低, 而胞间CO浓度显著升高。

玉米()是世界上最重要的禾谷类作物之一, 总产量占全球粮食产量的40%以上, 其高产稳产对于保障世界粮食安全至关重要。石灰性土壤下, 玉米产量与品质均显著下降。大量研究表明,玉米对低铁胁迫的适应能力存在明显的基因型差异,铁高效玉米品种的选育研究是提高玉米产量, 改善玉米品质, 缓解粮食安全最简单有效的方式。前人关于不同铁效率基因型响应低铁胁迫的研究多集中在根系形态、吸收效率及物质生产等差异上, 而关于低铁胁迫对不同铁效率玉米品种抗氧化与光合生理特性影响的研究还较鲜见。本研究采用温室盆栽的方法, 以前期试验筛选的不同铁效率玉米品种为试验材料, 研究低铁胁迫对不同铁效率玉米品种苗期生长、抗氧化及光合生理特性的影响, 以期为铁高效玉米品种的铁高效机制研究应用奠定理论基础与技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为前期试验筛选的铁低效玉米品种‘川单418’ (CD 418, 四川川单种业有限公司)、‘先玉508’(XY 508, 铁岭先锋科技有限公司)和铁高效玉米品种‘正红2号’ (ZH 2, 四川农大正红种子有限公司)、 ‘正大619’ (ZD 619, 襄樊正大农业开发有限公司)。

1.2 试验设计

试验采用两因素完全随机试验设计, A因素为铁浓度处理, 设重度低铁胁迫(Fe0, Fe浓度为0 μmol·L)、中度低铁胁迫(Fe10, Fe浓度为10 μmol·L)和常铁浓度(Fe100, Fe浓度为100 μmol·L), 营养液以完全Hoagland营养液为基础, 按试验处理调控营养液铁浓度。B因素为不同铁效率玉米品种, 铁低效品种(CD 418和XY 508)和铁高效品种(ZH 2和ZD 619)。共12个处理, 每种处理6盆, 共72盆。试验为砂培,于2018年10月至2019年5月分两次于重庆文理学院温室大棚内进行。

玉米种子用清水漂洗数次后, 用HO消毒数次,再用蒸馏水洗净后放置于光照培养箱中进行催芽,光强12 000 Lx, 光温周期14 h光照/10 h黑暗(26 ℃/22 ℃), 相对湿度60%。种植出芽后转移至消毒后的珍珠岩中, 待幼苗两叶一心时除去胚乳后移栽至砂培基质盆栽(22 cm×25 cm)中, 每盆6株。移栽后每隔2 d按试验设计Fe浓度Hoagland营养液进行处理。

1.3 指标测定

于处理后14 d, 各处理挑选长势一致的3盆玉米植株, 每盆为1次重复, 分别测定株高、茎粗和叶面积。

株高用直尺测定, 为茎基部到叶片最高点高度;茎粗用游标卡尺测定, 为距茎基部2 cm处直径; 叶面积采用长宽系数法测定, 测定所有绿叶面积。

测定形态指标后, 将植株分3次重复, 玉米幼苗分为根系和地上部, 先105 ℃杀青30 min, 后80 ℃烘干至恒重, 进行称重。根冠比=根系干重/地上部干重; 单株干重=根系干重+地上部干重; 地上部比例=地上部干重/单株干重; 根系比例=根系干重/单株干重。

取上述植株样品采用原子吸收法分别测定地上部和根系铁含量。根冠铁比=根系铁积累/地上部铁积累; 单株铁积累量=根系铁积累+地上部铁积累; 地上部铁比例=地上部铁积累/单株铁积累; 根系铁比例=根系铁积累/单株铁积累。

于处理后14 d上午9:00-11:00, 用便携式光合系统(LI-6400)测定玉米幼苗最上一片定型叶的净光合速率()、气孔导度()、胞间CO浓度()以及蒸腾速率()等指标, 每处理每重复测5株, 测定时的温度为室温, CO浓度为400 μmol·mol, 光合气体交换参数在750 μmol·m·s光量子强度条件下测定。

于处理后14 d，各处理分别挑选长势一致的盆栽幼苗取完整玉米叶片测定生理指标, 每处理重复测3次。可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定, 游离脯氨酸含量采用茚三酮比色法测定, 可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定; 丙二醛活性采用硫代巴比妥酸法测定; 过氧化物酶活性采用愈创木酚法测定。

1.4 数据统计与分析

数据利用Excel 2019进行整理, 利用SPSS 19.0对数据进行统计分析, 并用Graphpad Prism 9作图。

2 结果与分析

2.1 低铁胁迫下不同铁效率玉米品种幼苗形态指标差异

低铁胁迫下玉米幼苗株高、茎粗、叶面积均显著下降(＜0.05), 且随胁迫程度增加, 降幅增加, 两年试验结果基本一致(表1)。两年4品种平均, 与正常铁(Fe100)相比, 中度低铁胁迫(Fe10)下玉米幼苗株高、茎粗和叶面积分别降低19.81%、16.26%和35.36%, 重度低铁胁迫(Fe0)下分别降低31.32%、27.94%和49.21%。进一步分析发现, 品种、铁浓度及其互作对玉米幼苗株高、茎粗和叶面积影响显著。2018年, 与Fe100相比, 铁高效品种(ZH 2和ZD 619平均) Fe10下株高、茎粗、叶面积分别降低12.55%、8.93%和5.33%, Fe0下 降 低22.87%、13.54%和25.59%; 而铁低效品种(CD 418和XY 508平均)Fe10下分别下降21.79%、21.41%和54.66%, Fe0下分别下降40.43%、33.94%和68.72%。2019年, 与Fe100相比, 铁高效品种在Fe10下则分别降低16.09%、9.48%和25.50%, Fe0下分别降低20.79%、25.57%和33.31%; 铁低效品种则Fe100下分别降低28.89%、25.34%和55.91%, Fe10下分别下降39.48%、36.23%和66.16%。与铁低效品种相比, 低铁胁迫下铁高效品种玉米幼苗株高、茎粗和叶面积降幅均小于铁低效品种, 且随胁迫程度增加, 两类品种降幅差异加大。

表1 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种形态指标的影响Table 1 Effects of low iron stress on morphological indexes of corn varieties with different iron efficiencies

2.2 低铁胁迫下不同铁效率玉米品种光合特性的变化

植物的光合系统对铁供应非常敏感, 通过对叶片气体交换参数的测定分析可知(表2), 低铁胁迫使玉米幼苗的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率下降,胞间CO浓度上升。两年4品种平均, 与Fe100相比, Fe10和Fe0下玉米幼苗净光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别降低27.23%、33.03%、33.44%和46.95%、49.54%、52.92%; 胞间CO浓度上升139.04%和222.13%。但不同铁效率玉米品种受低铁胁迫影响的程度有差异。2018年, 与正常铁相比, 铁高效品种(ZH 2和ZD 619平均)在Fe10下净光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别降低16.05%、21.41%和23.26%, 胞间CO浓度上升87.56%, Fe0下玉米幼苗净光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别降低26.59%、33.98%、44.07%, 胞间CO浓度上升147.40%; 而铁低效品种(CD 418和XY 508平均)在Fe10分别降低33.34%、42.16%、38.51%, 上升179.47%, 在Fe0分别降低64.23%、65.60%、73.18%, 上升281.38%。2019年, 与Fe100相比, 铁高效品种在Fe10下分别降低18.17%、19.38%、29.65%, 上升87.35%, 在Fe0下分别降低27.97%、38.30%、40.10%, 上升157.27%;铁低效品种在Fe10下分别降低39.99%、48.76%、41.96%, 上升203.86%, 在Fe0下分别降低69.76%、60.68%、55.99%, 上升305.56%。综上所述, 低铁胁迫下铁高效品种玉米幼苗净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO浓度变幅均小于铁低效品种,且随胁迫强度增加, 两类品种变幅差异增加。

表2 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种光合指标的影响Table 2 Effects of low iron stress on photosynthetic indexes of maize varieties with different iron efficiencies

2.3 低铁胁迫下不同铁效率玉米品种MDA与POD的变化

低铁胁迫下玉米幼苗MDA含量和POD活性均显著升高(＜0.05), 但不同铁效率品种玉米幼苗变幅存在明显差异(表3)。4品种两年平均, 与Fe100相比,Fe10下MDA含量和POD活性分别升高108.11%和18.68%, Fe0下分别升高168.46%和29.03%。2018年, 与Fe100相比, 铁高效品种Fe10下MDA含量和POD活性分别上升99.81%、25.21%, Fe0下分别上升128.87%和44.15%; 而铁低效品种Fe10下分别上升136.91%和19.22%, Fe0下分别升高231.17%和20.19%。2019年, 铁高效品种Fe10下分别上升70.88%和18.03%, Fe0下 分 别 升 高123.97%和35.69%; 铁低效品种Fe10下分别上升128.86%和10.91%, Fe0下分别升高187.62%和11.93%。分析可知, 与铁低效品种相比, 铁高效品种玉米幼苗MDA含量的增幅明显更低, 而POD活性增幅明显更高, 这样的变化使得铁高效品种玉米幼苗比铁低效品种在低铁胁迫下具有更强的活性氧清除能力, 帮助其维持细胞膨压, 避免低铁胁迫对玉米幼苗产生进一步的伤害。

表3 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种丙二醛(MDA)含量和氧化物酶(POD)活性的影响Table 3 Effects of low iron stress on malonaldehyde (MDA) content and peroxidase (POD) activity in maize varieties with different iron efficiencies

2.4 低铁胁迫对玉米幼苗渗透调节物质的影响

植物在遭受逆境胁迫时会通过主动积累渗透调节物质的方式来维持自身正常代谢活动。表4结果表明, 低铁胁迫下玉米幼苗可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸含量均显著升高(＜0.05)。4品种两年平均, 与Fe100相比, Fe10下玉米幼苗可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸分别上升39.40%、26.29%和59.02%; Fe0下分别升高60.73%、48.19%和92.38%。进一步分析发现, 不同铁效率玉米品种渗透调节物质对低铁胁迫的响应差异明显。2018年, 与Fe100相比, 铁高效品种Fe10下可溶性糖、游离脯氨酸、可溶性蛋白分别上升42.09%、81.85%和31.36%, Fe0下分别升高52.53%、110.51%和55.20%; 而铁低效品种Fe10下分别上升21.95%、43.62%和20.51%, Fe0下分别升高31.38%、68.79%和45.17%。2019年, 铁高效品种Fe10下分别上升68.53%、72.73%和31.93%,Fe0下分别升高109.29%、104.38%和55.82%; 而铁低效品种在Fe10下则分别上升30.49%、44.15%和19.22%, Fe0下分别升高61.16%、78.79%和44.56%。低铁胁迫下铁高效品种可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸的增幅均明显高于铁低效品种, 提高了铁高效品种对低铁胁迫的适应性。

表4 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种渗透调节物质含量的影响Table 4 Effects of low iron stress on osmotic adjustment substances contents of corn varieties with iron efficiencies

2.5 低铁胁迫对不同铁效率玉米幼苗干物质积累与分配的影响

低铁胁迫下, 玉米幼苗干物质积累与分配变化明显, 地上部分配比例与单株干物质量显著下降(＜0.05), 而根系分配比例与根冠比则显著升高(表5)。两年4品种平均, 与Fe100相比, Fe10下玉米幼苗地上部分配比例和单株干物质分别下降4.85%和14.43%, 根系分配比例和根冠比分别升高25.31%和32.21%; Fe0下分别下降9.01%和29.34%, 上升 47.18%和64.63%。低铁胁迫下, 不同铁效率玉米幼苗干物质积累与分配差异明显。2018年, 与Fe100相比, Fe10下铁高效品种地上部分配比和单株干物质量分别降低3.25%和1.66%, 根系分配比和根冠比分别上升16.90%和20.75%; Fe0下分别降低2.91%和16.45%,上升15.47%和19.04%。铁低效品种在Fe10下分别降低6.31%和26.32%, 上升30.70%和39.50%; Fe0下分别降低15.84%和43.50%, 上升82.57%和116.85%。2019年, 铁高效品种Fe10下分别降低2.32%和9.41%, 升高11.58%和14.18%; Fe0下分别降低3.44%和16.20%, 升高17.62%和21.87%。铁低效品种Fe10下分别降低8.73%和35.70%, 升高42.34%和54.83%; Fe0下变幅分别降低13.85%和44.01%,升高77.28%和101.16%。与铁高效品种玉米幼苗相比, 低铁胁迫下铁低效品种地上部分配比、根系分配比、单株干物质和根冠比的变幅均更高, 这表明铁高效品种较铁低效品种在低铁胁迫下能更好地维持物质生产, 协调干物质的分配。

表5 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种干物质的影响Table 5 Effects of low iron stress on dry matter of corn varieties with different iron efficiencies

2.6 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种铁积累与分配的影响

低铁胁迫下, 玉米幼苗地上部铁分配比和单株铁积累量显著降低(＜0.05), 而根系铁分配比和根冠铁比显著升高(表6)。两年4品种平均, 与Fe100相比, Fe10下玉米幼苗地上部铁分配比和单株铁积累量分别降低7.73%和27.97%, 根系铁积累分配比和根冠铁比分别上升20.92%和30.71%; Fe0下分别降低11.41%和38.73%, 升高33.16%和53.01%。进一步发现, 不同铁效率玉米品种铁积累与分配对低铁胁迫的响应差异明显。2018年, 与Fe100相比, 铁高效品种Fe10下地上部铁分配比和单株铁积累比分别降低3.45%和5.94%, 根系分配比和根冠铁比分别上升9.22%和13.01%; Fe0下分别降低2.39%和26.40%,升高6.03%和9.01%。铁低效品种在Fe10下分别降低6.51%和28.81%, 升高17.65%和26.15%; 在Fe0下分别降低14.60%和53.49%, 上升39.80%和64.44%。2019年, 铁高效品种Fe10下分别降低4.81%和5.94%, 升高14.94%和20.73%; Fe0下分别降低6.95%和26.40%, 上升21.30%和30.24%。铁低效品种在Fe10下分别降低13.75%和35.55%, 升高43.83%和66.89%; 在Fe0下分别降低21.45%和53.94%, 上升68.20%和114.27%。与铁低效品种相比, 低铁胁迫下铁高效品种地上部铁分配比、根系铁分配比、单株铁积累量和根冠铁比的变幅更小, 这表示低铁胁迫下铁高效品种较铁低效品种能更好地协调铁的分配, 维持根和冠的协调生长。

表6 低铁胁迫对不同铁效率玉米品种铁积累的影响Table 6 Effects of low iron stress on iron accumulation of corn varieties with different iron efficiencies

2.7 铁积累与形态指标及干物质积累的相关性分析

玉米幼苗铁积累量与形态指标及干物质积累相关性分析结果表明(图1), 玉米幼苗铁积累量与株高、茎粗、叶面积及干物质积累量呈显著正相关(＜0.01,＜0.05), 而与根冠比和根冠铁比呈负相关(＞0.05)。其中与株高、茎粗、叶面积及干物质积累量(＞0.80)相关性均较高, 表明低铁胁迫影响玉米幼苗的形态建成, 进而影响其物质生产。

图1 玉米铁积累与形态指标及铁和干物质积累的相关性分析Fig. 1 Correlation analysis of iron accumulation and morphological indexes and accumulations of iron and dry matter**：P＜0.01; *: P＜0.05.

3 讨论

铁是植物生长发育必需的微量元素, 对植物的形态、生理及生物量均有重要影响。在本研究中, 低铁胁迫下玉米幼苗的株高、茎粗、叶面积、单株干物质量和铁积累量、地上部干物质和铁分配比例均显著降低, 而地上部干物质和铁分配比例、根冠比及根冠铁比显著升高。这与前人在低铁胁迫下对玉米根系, 杜梨()形态指标等研究结果一致。植物为了适应低铁环境, 光合产物和铁积累优先满足根系的生长, 对地上部生长的影响较根系更大, 使得根冠比与根冠铁比显著增加。铁高效品种株高、茎粗、叶面积、单株干物质量和铁积累量、地上部干物质和铁分配比例的降幅与地上部干物质和铁分配比例、根冠比及根冠铁比的增幅均低于铁低效品种, 表明铁高效品种较铁低效品种在低铁胁迫下能更好地维持地上物生长, 协调根与地上部物质分配, 平衡根与地上部铁积累。玉米幼苗铁积累量与其株高、茎粗、叶面积及干物质积累呈正相关, 而与根冠比和根冠铁比呈负相关, 进一步表明了铁在玉米幼苗形态建成及协调根与地上部物质养分分配中的作用。

光合作用是植物生长发育最重要的代谢途径,缺铁叶绿素合成减少, 叶绿体结构破坏, 光合作用受抑制。胞间CO作为植物光合作用的中介, 它既会受到大气CO浓度的制约, 也被植物叶片气孔导度和光合消耗影响, 因此植物叶片胞间CO浓度变化也是影响光合速率变化的重要参数。本研究结果表明, 低铁胁迫下玉米幼苗的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均显著下降, 而胞间CO浓度显著升高, 与岳丽娟在低铁胁迫对豌豆()叶片光合作用影响的研究中结果一致。陈琳也发现缺铁使水稻()叶片气孔导度下降, 从而导致其净光合速率下降。这也与本研究结果基本一致。本研究还发现低铁胁迫下, 铁高效品种各光合参数变幅均低于铁低效品种, 使得铁高效品种光合速率显著高于铁低效品种, 表明铁高效品种在低铁胁迫下仍能保持较高光合速率, 保持较稳定的碳同化能力, 保证了植株的物质供给, 这可能是铁高效品种适应低铁环境的重要生理机制。

低铁胁迫诱导植株体内活性氧大量积累, 导致膜脂过氧化、代谢紊乱, 抑制植株正常生长发育。可溶性糖可以降低植株体内渗透势, 可溶性蛋白质能提高细胞的保水能力, 脯氨酸可有效降低细胞渗透势。MDA是脂膜过氧化的最终产物, 能反映细胞膜伤害程度, 而POD等保护酶可以清除细胞内的活性氧。本研究发现, 低铁胁迫下玉米幼苗可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸和MDA含量与POD活性均显著增加, 与黄宗安等对低铁胁迫下盘菜()的抗氧化酶活性的研究和肖家欣等对低铁处理后柑橘()砧木的生理特性研究结果一致。此外, 本研究还发现, 铁高效品种可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸和POD的增幅高于铁低效品种, 而MDA增幅低于铁低效品种, 使得铁高效品种可溶性糖、可溶性蛋白和游离脯氨酸含量与POD活性均显著高于铁低效品种, 而MDA含量显著低于铁低效品种。这也同包悦琳的结果一致, 低铁胁迫下铁高效大豆()品种可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量均高于铁低效大豆品种。低铁胁迫下, 铁高效品种较铁低效品种具有更高的渗透调节物质和POD活性, 有利于减轻其膜脂过氧化伤害, 防止生理紊乱, 从而提高其对低铁胁迫的适应能力, 这可能是铁高效品种适应低铁胁迫的抗氧化生理机制。

4 结论

低铁胁迫下, 玉米幼苗株高、茎粗、叶面积、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、地上部干物质分配比、地上部铁分配比、干物质积累量和铁积累量均显著下降, 而胞间CO浓度、根干物质分配比、根冠比、根冠铁分配比、根铁分配比、可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸含量、丙二醛(MDA)含量和过氧化物酶(POD)活性均显著升高, 但铁高效品种形态特征、光合特性、干物质和铁的积累与分配和MDA含量的变幅均低于铁低效品种, 而渗透调节物质含量和POD活性的增幅均高于铁低效品种, 且随胁迫程度增加, 两类品种间变幅差异增大。因此,低铁胁迫下铁高效品种较铁低效品种, 具有更高的渗透调节物质和抗氧化酶活性, 有利于减轻其膜脂过氧化伤害, 并保持较高的物质生产特性, 协调干物质和铁的积累与分配, 改善地上部的生长, 从而提高其对低铁环境的适应性。