叶面喷施褪黑素对干旱及复水下玉米光合特性和抗氧化系统的影响.pdf

西北植物学报,2 0 2 1,4 1(9):1 5 2 6-1 5 3 4A c t a B o t.B o r e a l.-O c c i d e n t.S i n.d o i:1 0.7 6 0 6/j.i s s n.1 0 0 0-4 0 2 5.2 0 2 1.0 9.1 5 2 6 h t t p:/x b z w x b.a l l j o u r n a l.n e t收稿日期:2 0 2 1-0 4-1 8;修改稿收到日期:2 0 2 1-0 8-1 7基金项目:国家重点研发计划(2 0 1 7 Y F D 0 3 0 0 3 0 4);陕西省技术创新引导专项(2 0 1 9 T G-0 0 2);陕西省重点研发计划(2 0 1 7 Z D C X L-NY-0 2-0 2)作者简介:赵成凤(1 9 9 5-),女,在读硕士研究生,主要从事玉米抗旱调控技术研究。E-m a i l:c f e n g z h a o 1 6 3.c o m*通信作者:张仁和,副研究员,博士生导师,主要从事玉米抗旱生理分子机制研究。E-m a i l:z h a n g r e n h e 1 9 7 51 6 3.c o m叶面喷施褪黑素对干旱及复水下玉米光合特性和抗氧化系统的影响赵成凤1,杨 梅1,李红杰1,郝淼艺1,王国兴1,2,张仁和1*(1 西北农林科技大学 农学院,陕西杨陵 7 1 2 1 0 0;2 宝鸡迪兴农业科技有限公司,陕西眉县 7 2 3 0 0 0)摘 要:为揭示叶面喷施外源褪黑素(MT)在干旱胁迫及复水下调控玉米的生理机制,该研究以玉米 陕科9号 为试验材料,叶面喷施1 0 0 m o lL-1褪黑素,在重度干旱胁迫和复水后测定叶片相对含水量(RWC)、叶面积、地上部生物量、光合机构活性以及抗氧化酶活性等指标。结果表明:(1)外源喷施褪黑素能有效缓解干旱胁迫诱导的玉米生长发育抑制,同时显著提高干旱胁迫下玉米叶片光系统(P S和P S)有效量子产量Y()和Y(),并降低干旱胁迫下叶片P S 受体侧和供体侧限制引起的非光化学能量耗散的量子产量Y(N D)和Y(NA)。(2)喷施外源褪黑素显著增强了干旱胁迫玉米植株叶片超氧化物歧化酶(S O D)、过氧化氢酶(C A T)、抗坏血酸过氧化物酶(A P X)及谷胱甘肽还原酶(G R)活性,显著降低了其丙二醛(MD A)和过氧化氢(H2O2)含量;同时外源褪黑激素也显著上调了其相应抗氧化酶活性相关基因的表达量。(3)复水后,干旱胁迫下经褪黑素处理的玉米植株叶片上述各参数恢复速度较单独干旱胁迫处理植株更快。研究认为,叶面喷施褪黑素有效缓解了干旱胁迫对玉米叶片的光合机构的损伤,增强了叶片抗氧化酶活性及相关基因的表达,显著降低了膜脂过氧化伤害程度,且复水后显著促进叶片生理功能的恢复,表明外源褪黑素可通过改善干旱及复水下玉米叶片光合效率和抗氧化能力,从而促进植株生长以适应干旱多变的环境。关键词:玉米;干旱和复水;褪黑素;光合作用;抗氧化系统;中图分类号:Q 9 4 5.7 9;S 5 1 3文献标志码:AE f f e c t o f F o l i a r S p r a y i n g M e l a t o n i n o n P h o t o s y n t h e s i s a n d A n t i o x i d a n t S y s t e m o f M a i z e L e a v e s u n d e r D r o u g h t S t r e s s a n d R e w a t e r i n gZ HAO C h e n g f e n g1,YANG M e i1,L I H o n g j i e1,HAO M i a o y i1,WANG G u o x i n g1,2,Z HANG R e n h e1*(1 C o l l e g e o f A g r o n o m y,N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y,Y a n g l i n g,S h a a n x i 7 1 2 1 0 0,C h i n a;2 B a o j i D i x i n g A g r i c u l t u r a l T e c h n o l o g y C o.,L t d.,M e i C o u n t y,S h a a n x i 7 2 3 0 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:I n t h e p r e s e n t s t u d y,w e i n v e s t i g a t e d t h e p h y s i o l o g i c a l m e c h a n i s m o f f o l i a r s p r a y i n g o f e x o g e-n o u s m e l a t o n i n(MT)o n m a i z e u n d e r d r o u g h t s t r e s s a n d r e w a t e r i n g.T h e m a i z e c u l t i v a r S h a a n k e N o.9 a p p l i e d w i t h 1 0 0 m o lL-1 m e l a t o n i n w a s u s e d a s t h e e x p e r i m e n t a l m a t e r i a l s,t h e c h a n g e s o f l e a f r e l a t i v e w a t e r c o n t e n t(RWC),l e a f a r e a,a b o v e g r o u n d b i o m a s s,p h o t o s y n t h e t i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d a n t i o x i d a n t e n-z y m e a c t i v i t i e s w e r e d e t e r m i n e d u n d e r s e v e r e d r o u g h t s t r e s s a n d r e w a t e r i n g.T h e r e s u l t s s u g g e s t e d t h a t:(1)f o l i a r a p p l i c a t i o n o f e x o g e n o u s m e l a t o n i n c o u l d a l l e v i a t e t h e m a i z e g r o w t h i n h i b i t e d b y d r o u g h t s t r e s s.I t a l s o i m p r o v e d t h e e f f e c t i v e q u a n t u m y i e l d o f P S a n d P S u n d e r d r o u g h t s t r e s s Y(),Y(),d e-c r e a s e d t h e P S r e c e p t o r s i d e l i m i t a t i o n Y(NA)a n d d o n o r s i d e l i m i t a t i o n Y(N D)o f l e a f p h o t o s y n-t h e t i c a p p a r a t u s a f t e r d r o u g h t s t r e s s.(2)T h e m e l a t o n i n-t r e a t e d p l a n t s e x h i b i t e d l o w e r m a l o n d i a l d e h y d e(MD A)c o n t e n t a n d h y d r o g e n p e r o x i d e(H2O2)c o n t e n t.T h e a c t i v i t i e s o f s u p e r o x i d e d i s m u t a s e(S O D),c a t a l a s e(C AT),a s c o r b a t e p e r o x i d a s e(A P X)a n d g l u t a t h i o n e r e d u c t a s e(G R)w e r e e n h a n c e d a n d t h e e x-p r e s s i o n o f a n t i o x i d a n t e n z y m e s r e l a t e d g e n e s w e r e u p r e g u l a t e d b y m e l a t o n i n t r e a t m e n t u n d e r d r o u g h t s t r e s s.(3)A f t e r r e h y d r a t i o n,c o m p a r e d w i t h u n t r e a t e d m a i z e,h i g h e r r e c o v e r y r a t e s o f p a r a m e t e r s w e r e o b v e r t e d i n e x o g e n o u s m e l a t o n i n-t r e a t e d m a i z e l e a v e s.C o n s e q u e n t l y,f o l i a r s p r a y i n g o f m e l a t o n i n e f f e c-t i v e l y a l l e v i a t e d t h e d a m a g e t o p h o t o s y n t h e t i c a p p a r a t u s o f m a i z e l e a v e s u n d e r d r o u g h t s t r e s s,e n h a n c e d t h e a c t i v i t i e s o f a n t i o x i d a n t e n z y m e s a n d t h e e x p r e s s i o n o f r e l a t e d g e n e s,s i g n i f i c a n t l y r e d u c e d t h e l e v e l o f m e m b r a n e l i p i d p e r o x i d a t i o n,a n d s u b s t a n t i a l l y p r o m o t e d t h e r e c o v e r y o f p h y s i o l o g i c a l f u n c t i o n s o f m a i z e l e a v e s a f t e r r e h y d r a t i o n.I n s h o r t,e x o g e n o u s m e l a t o n i n c a n i m p r o v e t h e p h o t o s y n t h e t i c e f f i c i e n c y a n d a n-t i o x i d a n t c a p a c i t y o f m a i z e l e a v e s u n d e r d r o u g h t a n d r e c o v e r y w a t e r,e v e n t u a l l y p r o m o t i n g t h e p l a n t g r o w t h t o a d a p t t o t h e s t r e s s e n v i r o n m e n t s.K e y w o r d s:m a i z e;d r o u g h t s t r e s s a n d r e w a t e r i n g;m e l a t o n i n;p h o t o s y n t h e s i s;a n t i o x i d a n t e n z y m e 玉米是陕西省主要粮食作物之一,干旱严重限制玉米的生长发育和产量1。随着气候变化的加剧,高温和降雨不均匀导致玉米生长在干旱和复水的生境中2。因此干旱胁迫下维持玉米生长以及提高旱后复水植株的恢复潜能对于玉米适应干旱环境十分重要3。干旱通常会导致气孔关闭,阻碍C O2通过空气细胞间隙叶肉细胞的途径扩散,进一步引起光合作用下降。光能吸收与利用失衡促进活性氧(R O S)大量产生,植株启动复杂的保护酶系统清除活性氧来保护光合机构,但严重干旱仍破坏植株体内氧化还原动态平衡导致细胞膜氧化损伤。研究显示干旱解除后植物可以通过自身各种生理生化反应主动恢复生长,通过一定补偿效应,抵消因干旱胁迫对玉米造成的伤害4;但植物重度干旱胁迫后复水其农艺性状与生理功能恢复程度仍低于正常灌水的水平5。可见,植物的抗旱性不仅体现在对干旱胁迫的耐受程度上,还应包括胁迫状态解除后的恢复生长能力6,而且植株复水后的恢复能力取决于干旱程度、植株基因型和栽培管理因素(如氮素调控、喷施调控剂等)7-8。褪黑素是一种重要的植物生长调节物质,也是一种直接的自由基清除剂和间接的抗氧化剂9。研究表明外源喷施褪黑素能够有效地提高植物对多种不利环境因素的抵抗力,如寒冷、干旱、盐和紫外线辐射等1 0-1 3。褪黑素能通过提高干旱胁迫下番茄的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、P S量子效率和电子传递保护其免受干旱诱导的光抑制或光氧化1 4。同时,褪黑素提高干旱胁迫下核桃叶片抗氧化酶的活性,增强了 R O S 清除能力,减轻了氧化损伤1 5。目前,外源褪黑素在提高植物抗逆性上的研究已有不少报道,但主要集中褪黑素缓解干旱胁迫的伤害程度上1 6,而外源褪黑素对干旱复水后调控玉米叶片光合电子传递特性及抗氧化系统作用机理研究还相对较少。鉴于此,本研究采用盆栽控水试验,以陕北旱区主推玉米品种 陕科9号 为材料,探究叶面喷施褪黑素对干旱及复水下玉米生长、光合作用、抗氧化酶活性和相关基因表达的影响,旨在阐明干旱及复水条件下叶面喷施褪黑素改善玉米抗旱性的生理机制,为玉米抗旱节水栽培提供理论依据。1 材料和方法1.1 试验设计试验采用人工盆栽控水的方法,于2 0 2 0年5-9月在西北农林科技大学农作物示范园活动式防雨棚内进行。供试玉米(Z e a m a y s L.)品种为 陕科9号。挑选饱满的玉米种子播种于规格基本相同的塑料桶(内径2 6 c m,深3 8 c m)内,栽培基质为风干粘壤土,每桶装土1 5 k g,土壤田间最大持水量为2 8.1%。播种前,每桶分别加入1.6 g 纯N、0.6 g P2O5和0.8 g K2O。三叶期定苗至每盆3株,定苗后玉米长至第9片叶完全展开时开始控水。试验设置4个处理:(1)正常供水+叶面喷施蒸馏水(C K);(2)正常供水+叶面喷施1 0 0 m o lL-1褪黑素(MT);(3)重度干旱+叶面喷施蒸馏水(D S);(4)重度干旱+叶面喷施1 0 0 m o lL-1褪黑素(D S+MT)。课题组前期的试验表明1 0 0 m o lL-1褪黑素是减轻光合机构损伤的较有效浓度,因此选择1 0 0 m o lL-1的褪黑素进行试验1 6。控水开始72519期 赵成凤,等:叶面喷施褪黑素对干旱及复水下玉米光合特性和抗氧化系统的影响后的每天下午8:0 0对玉米植株喷施褪黑素或清水,喷施体积以水珠布满叶片开始从叶片滴下时停止。正常供水土壤含水量是土壤田间持水量的8 0%,重度干旱土壤含水量是土壤田间持水量的4 0%,采用称重法对盆栽进行控水处理,盆栽每天称重后,按照土壤持水量的8 0%和4 0%计算每盆的灌水量,进行灌水1 7。重度干旱维持6 d后进行取样和数据测定,然后复水(充分灌水至土壤相对含水量的8 0%)1 2 d后测定叶片各项指标。1.2 叶面积、叶片相对含水量和地上部干物质的测定1.2.1 叶面积 每处理随机选取6株,用直尺测量其叶长、叶宽,计算单叶叶面积,单株叶面积为所有平展叶的叶面积总和。按以下公式计算单叶叶面积:单叶面积=叶长最大叶宽0.7 51.2.2 叶片相对含水量(RWC)每个处理取3株玉米的穗位叶叶片,称量叶片鲜质量(FW)后迅速将其插入清水中浸泡8 h,再将叶片从水中取出,擦拭掉叶片表面多余水分并称取饱和鲜质量(TW),最后经1 0 5 下杀青3 0 m i n,8 0 烘至恒重,称干质量(DW),按以下公式计算叶片相对含水量:RWC=(FW-DW)/(TW-DW)1 0 0%1.2.3 地上部干物质重 每处理随机取样5株,采集所有植株的叶和茎于烘箱1 0 5 杀青3 0 m i n,然后8 0 烘箱烘干至恒重后称重。1.3 叶片叶绿素荧光及P 7 0 0 氧化还原状态的测定选取顶部第三片完全展开的叶片暗适应3 0 m i n,然后利用D u a l-P AM-1 0 0荧光仪(W a l z,G e r-m a n y)对活体玉米叶片的叶绿素荧光和P 7 0 0氧化还原 状 态 进 行 测 定。测 量 时 饱 和 脉 冲 光 光 强 为1 0 0 0 0 m o lm-2s-1,光 化 光 的 光 强 为6 0 0 m o lm-2s-1。暗适应后首先打开测量光测定最小荧光产量(Fo),接着打开一个饱和脉冲,测量暗适应3 0 m i n后的最大荧光(Fm)和最大P 7 0 0信号(Pm),随后打开光化光(A L),同时间隔一段时间打开一个饱和脉冲测定荧光信号,得到实际荧光产量(Fs)、光适应下最大荧光值(Fm)和光下最大P 7 0 0信号(Pm)。P S 荧光参数主要包括:P S 量子产量Y()、非调节式能量耗散的量子产量Y(NO)、调节式能量耗散的量子产量Y(N P Q);P S 荧光参数包括:P S 量子产量Y()、由供体侧限制引起的P S处非光化学能量耗散的量子产量Y(N D)、由受体侧限制引起的P S处非光化学能量耗散的量子产量Y(NA)1 8。1.4 叶片MD A含量与H2O2含量的测定取各处理0.5 g叶片于预冷的研钵内,加入5 m L 5 0 mm o lL-1磷酸缓冲液(p H 7.8),研磨成匀浆后转入离心管中,在4、4 0 0 0g下离心2 0 m i n,吸取上清液保存到4 冰箱,用于测定H2O2和MD A含量。MD A含量采用T C A-T B A比色法测定1 9。取离心的上清液1 m L(对照加1 m L蒸馏水)和2 m L硫代巴比妥酸(0.6%,W/V)的混合物煮沸1 5 m i n,冷却后在4 0 0 0 g离心1 5 m i n,然后分别在5 3 2 n m、6 0 0 n m和4 5 0 n m波长下测定吸光度。各处理重复3次。H2O2的含量参考C h e n等的方法测定2 0。取离心的上清液2 m L(对照加2 m L蒸馏水),加入2 m L 0.6%硫代巴比妥酸溶液,混匀物于沸水浴上反应1 5 m i n,迅速冷却吸取离心的上清液2 m L(对照加2 m L蒸馏水),加入2 m L 0.6%硫代巴比妥酸溶液,混匀物于沸水浴上反应1 5 m i n,迅速冷却后再离心。各处理重复3次。1.5 叶片抗氧化酶活性测定称取各处理0.5 g叶片于预冷的研钵内,加入5 m L磷酸缓冲液(5 0 mm o lL-1,p H 7.8)在冰浴上研磨成浆,在4、1 2 0 0 0 r/m i n下离心2 0 m i n,吸取上清液保存到4 冰箱,用于测定叶片S O D、C AT、A P X和G R活性。S O D活性的测定采用氮蓝四唑(N B T)光还原法2 1。通过监测N B T的光化学还原的抑制来测定S O D活性,酶反应体系为磷酸缓冲液(5 0 mm o lL-1,p H 7.8)、甲硫氨酸(1 3 0 mm o lL-1)、核黄素液(2 0 m o lL-1)、N B T(7 5 0 mm o lL-1)、乙二胺四乙酸二钠(1 0 0 m o lL-1)、0.5 m L蒸馏水和0.1 m L粗酶液(对照加0.1 m L蒸馏水),其中一管对照放置黑暗中作空白管,将其余各管在 4 0 0 0 L u x下光照3 0 m i n,以空白调零,测定反应液在5 6 0 n m下的吸光度。各处理重复3次。C AT活性的测定采用紫外吸收法2 1。通过检测H2O2在2 4 0 n m处的吸光度降低来测定C AT活性,酶反应体系为 磷酸盐缓冲 液(1 0 0 mm o lL-1,p H 7.0),H2O2(2 0 mm o lL-1)和0.1 m L粗酶液,在2 5 下通过H2O2启动反应,立即在紫外分光光度计上测定2 4 0 n m处的吸光度A2 4 0(蒸馏水调零),每隔3 0 s读数一次,共测3 m i n。各处理重复3次。A P X活性的测定采用过氧化氢法2 2。酶反应8251西 北 植 物 学 报 4 1卷体系包括磷酸缓冲液(5 0 mm o lL-1,p H 7.0,内含0.1 mm o lL-1乙二胺四乙酸二钠),5 mm o lL-1 A s A,2 0 mm o lL-1 H2O2和粗酶液。加入H2O2以启动反应,立即在2 9 0 n m下测定吸光值,每隔3 0 s读数一次,共测3 m i n。各处理重复3次。G R活性的测定采用比色法2 3。酶反应体系包括T r i s-HC l(1 0 0 mm o lL-1,p H 8.0),G S S G(1 mm o lL-1),NA D P H(0.2 mm o lL-1)和粗酶液,由NA D P H启动反应,在3 4 0 n m下测定吸光值。各处理重复3次。1.6 抗氧化酶相关基因的相对表达量的测定基因的相对 表达量采用 实时荧光定 量P C R(q R T-P C R)测定。取冷冻叶样品3 0 0 m g在液氮下研磨成粉末,并使用R NA提取试剂盒(T I ANG E N,C h i n a)提取总R NA。然后,根据制造商的说明书(F a s t Q u a n t R T K i t,T I ANG E N,C h i n a)对R NA进行反转录合成c D NA。以合成 c D NA为模板,对相关基因进行P C R扩增,R T-P C R按照制造商的说明书(S u p e r R e a l P r e M i x P l u s(S Y B R G r e e n,T i a n-g e n,C h i n a)进行。基因特异性引物设计采用P r i m-e r P r e m i e r 5.0,以G ADPH为内参基因。引物序列详见表1。1.7 数据处理采用S P S S 1 2.0软件进行数据处理和分析,用D u n c a n的多重比较方法,显著水平为0.0 5;采用E x c e l 2 0 1 0进行绘图。本研究给出的所有数据均为3个重复的平均值标准误(M e a n S E)。2 结果与分析2.1 干旱及复水下外源褪黑素对玉米生长发育的影响 图1显示,与C K相比,玉米叶片相对含水量(RWC)、地上部干物质量以及叶面积在C K和MT处理下均没有受到显著影响,在单独干旱胁迫处理(D S)下分别显著下降了2 4.6%、3 7.2%和2 9.7%,在D S+MT处理下虽分别显著下降了1 3.6%、1 5.7%表1 q R T-P C R引物列表T a b l e 1 T h e p r i m e r s u s e d i n q R T-P C R基因G e n e基因 I DG e n e I D正向引物序列F o r w a r d p r i m e r(5 3)反向引物序列R e v e r s e p r i m e r(5 3)G AD PH5 4 2 3 6 7C C A T C A C T G C C A C A C A GAAAA CA G GAA C A C G GAA G GA C A TA C C A GS O D45 4 2 7 2 2T C AG GAA GA G C A C C G GAAA CGA T GA T C C C T G T G G T G G C AAC A T15 4 2 3 6 9T G GAA C AA C AA C T C T G C C C TG C A C G GA GAAAA T C A G C A C AA PX25 4 2 4 7 6C AA C G C C G GA C T G GAAA T T GT C A GAA C C T T G G G T G G C A T CG R15 4 1 9 8 6T T G G C A T T C A C C C C A C A T C CA T A C T C C C T C C C C C GA GAA CC K.正常供水+叶面喷施蒸馏水;MT.正常供水+叶面喷施1 0 0 m o lL-1褪黑素;D S.重度干旱+叶面喷施蒸馏水;D S+MT.重度干旱+叶面喷施1 0 0 m o lL-1褪黑素。不同字母表示0.0 5水平差异显著。下同图1 干旱及复水下外源褪黑素对玉米叶片含水量、叶面积及地上部生物量的影响C K.D i s t i l l e d w a t e r p r e t r e a t m e n t p l u s w e l l w a t e r e d;MT.1 0 0 m o lL-1 m e l a t o n i n p l u s w e l l w a t e r e d;D S.D i s t i l l e d w a t e r p r e t r e a t m e n t p l u s d r o u g h t;D S+MT.1 0 0 m o lL-1 m e l a t o n i n p l u s d r o u g h t.D i f f e r e n t l e t t e r s i n d i c a t e s i g n i f i c a n t d i f f e r e n c e a t t h e 0.0 5 l e v e l.T h e s a m e a s b e l o wF i g.1 E f f e c t o f e x o g e n o u s MT o n l e a f w a t e r c o n t e n t,l e a f a r e a a n d a b o v e g r o u n d b i o m a s s o f m a i z e u n d e r d r o u g h t a n d r e w a t e r i n g92519期 赵成凤,等:叶面喷施褪黑素对干旱及复水下玉米光合特性和抗氧化系统的影响和1 2.0%,但均显著高于相应的单独干旱胁迫处理。在复水后,干旱胁迫下叶面喷施褪黑素的玉米各指标都恢复到对照水平,而未喷施褪黑素的干旱胁迫植株则未能完全恢复,仍显著低于同期C K。以上结果表明叶面喷施褪黑素有利于提高玉米抗旱性及复水后的生长恢复。2.2 干旱及复水下外源褪黑素对玉米叶片P S 和P S 光能分配的影响 干旱胁迫使得玉米叶片P S有效光化学量子产量Y()比C K显著降低4 2.1 6%(图2,A),却使其叶片Y(NA)和Y(N D)比C K显著升高(图2,C、E);外源喷施褪黑素处理对正常灌水条件下的玉米叶片Y()、Y(NA)和Y(N D)均无显著影响,却使干旱胁迫下的玉米叶片Y()显著升高,Y(NA)和Y(N D)显 著 降 低,但Y()仍 显 著 低 于C K,Y(NA)仍显著高于C K,而Y(N D)则恢复至C K水平。在复水之后,叶面喷施外源褪黑素的玉米叶片Y()、Y(NA)和Y(N D)均恢复到对照水平,而单独干旱胁迫处理的玉米仅Y(N D)恢复至C K水平,但Y()和Y(NA)仍与对照存在显著差异(图2,A、C和E)。同时,图2,B、D、F显示,玉米叶片P S有效光化学量子产量Y()、调节性能量耗散的量子产量Y(N P Q)和非调节式能量耗散Y(NO)在C K和MT处理下均没有受到显著影响。在干旱胁迫下(D S),其Y()和Y(N P Q)分别比C K显著降低2 6.6%Y().P S 量子产量;Y(N D).由于供体侧限制引起的 P S 处非光化学能量耗散的量子产量;Y(NA).由于受体侧限制引起的 P S 处非光化学能量耗散的量子产量;Y().P S 量子产量;Y(N P Q).调节性能量耗散的量子产量;Y(NO).非调节性能耗散的量子产量图2 干旱及复水下外源褪黑素对玉米叶片P S 和P S 光能分配的影响Y().E f f e c t i v e q u a n t u m y i e l d o f P S;Y(N D).T h e q u a n t u m y i e l d o f n o n-p h o t o c h e m i c a l e n e r g y d i s s i p a t i o n d u e t o t h e d o n o r s i d e l i m i t a t i o n;Y(NA).T h e q u a n t u m y i e l d o f n o n-p h o t o c h e m i c a l e n e r g y d i s s i p a t i o n d u e t o t h e a c c e p t o r s i d e l i m i t a t i o n;Y().E f f e c t i v e q u a n t u m y i e l d o f P S;Y(N P Q).Q u a n t u m y i e l d o f r e g u l a t o r y e n e r g y d i s s i p a t i o n;Y(NO).Q u a n t u m y i e l d o f n o n-r e g u l a t o r y e n e r g y d i s s i p a t i o nF i g.2 E f f e c t o f e x o g e n o u s MT o n l i g h t e n e r g y d i s t r i b u t i o n i n P S a n d P S o f m a i z e l e a v e s u n d e r d r o u g h t a n d r e w a t e r i n g0351西 北 植 物 学 报 4 1卷和1 7.9%,Y(NO)则比C K显著增加5 8.7%。在干旱胁迫后喷施褪黑素使玉米叶片Y(N P Q)恢复至C K水平,Y()虽显著提高但仍显著低于C K,Y(NO)虽显著比D S处理降低但仍显著高于C K;与干旱处理相比,外源褪黑素处理叶片Y()和Y(N P Q)分别显著增加1 8.1%和2 3.6%,而Y(NO)显著下降2 2.9%。在复水以后,叶面喷施外源褪黑素使Y()和Y(NO)恢复至正常水平。以上结果说明干旱胁迫使玉米叶片的光合机构受到破坏,抑制其光能利用效率,但相比单独干旱外源喷施褪黑素处理玉米受到的影响更小,且复水后外源褪黑素处理幼苗能及时调节自身的生理机制来消除干旱胁迫造成的影响。2.3 干旱及复水下外源褪黑素对玉米叶片抗氧化酶活性及膜透性的影响 如图3所示,在正常供水条件下,叶面喷施褪黑素对玉米叶片4种抗氧化酶活性没有显著影响;玉米叶片S O D、C AT、A P X和G R的活性在单独干旱胁迫下分别比相应对照显著提高3 5.2%、3 5.5%、1 1 8.9%和1 0 6.6%,而在叶面喷施褪黑素后进一步显著增加,相比单纯干旱胁迫处理分别显著增加了2 4.2%、4 8.7%、3 4.7%和2 6.8%。在复水以后,外源褪黑素处理玉米叶片S O D、C AT、A P X和G R活性均恢复至对照水平,而未喷施褪黑素的玉米植株叶片各抗氧化酶活性仍显著于相应对照。这表明叶面喷施褪黑素可能使干旱胁迫条件下玉米通过显著增强抗氧化酶活性来清除更多活性氧,从而减轻干旱胁迫导致的过氧化损伤,且复水后褪黑素处理的玉米恢复速度比干旱胁迫的玉米快。同时,干旱胁迫会导致玉米叶片膜脂过氧化和氧化损伤。与C K相比,干旱胁迫使玉米叶片MD A和H2O2含 量 大 幅 度 增 加,增 加 幅 度 分 别 达1 3 2.6%和1 4 0.4%;干旱胁迫条件下喷施褪黑素可以显著减少玉米叶片MD A和H2O2的积累,但仍未恢复至对照水平,分别比对照显著增加6 9.5%和8 2.0%(图4,A、B)。在复水以后,褪黑素处理的玉米叶片MD A和H2O2含量恢复至对照水平,而单纯干旱处理的玉米叶片MD A和H2O2含量仍显著高于对照。此外,正常供水条件下喷施褪黑素对玉米叶片MD A和H2O2含量影响较小(图4,A、B)。这表明一定浓度的外源褪黑素可有效地缓解干旱胁迫下玉米叶片受到的膜脂过氧化损伤。2.4 干旱及复水下外源褪黑素对玉米叶片抗氧化酶活性相关基因表达的影响 为了进一步明确外源褪黑素对干旱及复水下玉米叶片抗氧化酶的影响,通过定量实时P C R测定了4个抗氧化酶基因的表达变化(图5)。在正常灌水条件下,喷施褪黑素对玉米叶片中各抗氧化酶相关基因的表达均没有显著影响;干旱胁迫导致玉米叶片中S O D4、C A T1、A PX2和G R1基因的相对表达量分别上调为C K的2.5、1.7、1.7和2.0倍;叶面喷施褪黑素能够进一步诱导受旱玉米叶片中S O D4、图3 干旱及复水下外源褪黑素对玉米叶片抗氧化酶活性的影响F i g.3 E f f e c t o f e x o g e n o u s MT o n a n t i o x i d a n t e n z y m e a c t i v i t i e s o f m a i z e l e a v e s u n d e r d r o u g h t a n d r e w a t e r i n g13519期 赵成凤,等:叶面喷施褪黑素对干旱及复水下玉米光合特性和抗氧化系统的影响图4 干旱及复水下外源褪黑素对玉米叶片MD A和H2O2含量的影响F i g.4 E f f e c t s o f e x o g e n o u s MT o n MD A a n d H2O2 c o n t e n t s o f m a i z e l e a v e s u n d e r d r o u g h t a n d r e w a t e r i n g图5 干旱及复水下外源褪黑素对玉米叶片抗氧化酶基因相对表达量的影响F i g.5 E f f e c t s o f e x o g e n o u s MT o n t h e a n t i o x i d a n t e n z y m e g e n e s r e l a t i v e e x p r e s s i o n l e v e l o f m a i z e l e a v e s u n d e r d r o u g h t a