低温胁迫对玉米幼苗抗冷性的影响

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1、低温胁迫对玉米幼苗抗冷性的影响彭瞰看(东北 农业 大学 生命 科学学院 黑龙 江 哈尔 滨 150030) 摘 要: 植物逆境生理是研究植物在逆境条件下的生理生化变化及其 机制，逆境也常称为胁迫。而低温、冷害则是田间生产中常见的一 种胁迫。本实验以良玉和松玉玉米为材料，研究了以20C为对照， 用5C的低温24h后胁迫处理玉米幼苗，以4项生理指标：叶绿素含量、 细胞膜的通透性相对电导率、根系活力、过氧化物酶活性，来研究 玉米幼苗的的冷伤害和抗冷性。结果表明，低温对玉米幼苗造成显 著伤害， 表现为叶绿素含量减少， 根系活力降低， 生物膜的通透性 增大， 膜脂不饱和脂肪酸含量下降，过氧化物酶活性降低

2、等。冷伤 害程度与胁迫温度、胁迫时间密切相关。关键词: 玉米 冷害 低温胁迫 抗冷性前 言:性生理的研究，探明植物在不良环境下的生命活动规律，了解植物的 适应和逆境伤害机制并加以人为调控，对于农业高产稳产和保护生态环境具有 极其重要的意义。对植物产生有害影响的低温对植物产生的危害分别称为冷害 和冻害。本次实验针对植物抗冻害进行研究。现在关于冻害机制主要有两种假 说，分别是巯基假说、膜伤害假说。巯基假说是Levitt (1962 )提出的，主要 内容是冰冻使植物受害是由于细胞结冰引起蛋白质损伤，蛋白质的天然结构破 坏，引起细胞伤害和死亡。膜伤害假说的主要内容是冰冻引起细胞的损伤主要 是膜系统受到

3、伤害。膜脂相变使得一部分与膜结合的酶游离而失活，光合磷酸 化和氧化磷酸化解偶联，ATP形成明显下降，引起代谢失调，严重时导致植株 死亡。低温是玉米生育期间我国北方玉米产区的主要气象灾害 ,是高产稳产的主 要限制因素之一。黑龙江、吉林、辽宁3 省都因低温冷害导致粮食大幅度减产。 国内外学者对低温胁迫下的玉米从叶绿素、蛋白质、活性氧代谢、内源激素平 衡、显微超微结构、分子反应机制等诸多方面进行了广泛研究。本文将通过低 温胁迫对玉米幼苗生理指标的影响来讨论并探究冷害对玉米幼苗的伤害机制。 探究低温胁迫机制进而防治低温对植物的危害是生产中亟待解决的重要课题。 特别是黑龙江省属于高寒地区，本实验针对此地

4、区玉米抗寒的生理变化进行研 究更具实际意义。1材料与方法1.1 材料松玉 、良玉玉米种子，由东北农业大学生命科学学院植物生理教研室提供。1.2 方法1.2.1 玉米幼苗的培养分别取松玉 号、良玉 号玉米种子各300粒左右进行消毒，然后用蒸馏水将玉米种子洗净，在75%乙醇中消毒15s,浸种催芽处理14h后，用蒸馏水洗三次,洗去种子表面抑制生长的物质，然后进行沙培，将沙子平铺在培养盘上，用喷 壶浇适当的完全营养液。将种子放在沙子上，种脐向上，种子间距离适当。种 子上覆盖适当的沙子，约1cm厚，保证沙子湿度适当，培养条件为20C，浇以全 素营养液，使生长健康。当植物长出四片真叶时进行试验，低温胁迫玉

5、米幼苗 并测定其5项生理指标。1.2.2 处理方法将每个品种的供试材料分为两组,一组于原处继续生长，另一组移至5C冰 柜进行低温胁迫分别处理24h，分别于常温对照和低温处理处取材，测定其生 理生化指标。1.2.3 生理指标的测定1 )叶绿素含量 7 2 2 型分光光度计乙醇法1. 称取剪碎的新鲜植物叶片0.5g，放入研钵中，加少量石英砂和碳酸钙粉 及2至3m l体积分数为95%的乙醇，研成匀浆，再加入乙醇10ml，继续研磨至组 织变白。静置3至5分钟。2将提取液过滤到25m l容量瓶中，用乙醇定容，摇匀。3将提取液倒入1cm比色杯内。以体积分数为95%的乙醇为空白，在波长665nm、649nm

6、下测定吸光度。4.计算CA 二 1395A665 -688A64(mg/L)cb - 24.96A665-7.32A649(mg/L)CT - CA + CB，63A665 + 1808A649(mg/L)叶绿素含量(mg/g)二 CT(mg/V (L)W (g)x1000式中V 提取液体积W 样品鲜重2）根系活力的测定TTC法1. 标准曲线的制作2称取两份根尖样品0.5 g分别作为实验组和对照组，放入小烧杯中，加入 0.4% TTC溶液和磷酸缓冲液（pH7.0）各5mL，对照组中加入2mLH2SO4，使根充分 浸没在溶液内，在37C下暗保温12 h,此后立即实验组中加入1 mol/L硫酸2

7、mL,以停止反应。3再把根取出，用滤纸吸干水分，放入研钵中，加乙酸乙酯34mL，充分 研磨，以提出TTF。把红色提取液移入刻度试管，并用少量乙酸乙酯把残渣洗涤 23次，皆移入刻度试管，最后加乙酸乙酯使总量为10 mL，用分光光度计在波 长485 nm下比色，以空白试验作参比测出吸光度，查标准曲线，即可求出TTC 还原量。4.计算TTC还原强度(Hg /g h)=TTC还原量（Hg）根种（g）x时间（h）3）组织抗逆性DDS-307电导率仪法1. 称取0.5g的叶片组织（对照组与处理组各0.5g），放入洁净小烧杯中。2. 将处理组置于冷冻层10分钟后，待室温，用抽气机对两烧杯溶液进行抽 气。3.

8、 将叶片置于小烧杯中摇匀，对照组与处理组均各摇 10min。4用电导仪测其初始电导值S1t、沐。5测毕，将小烧杯置于沸水10min以杀死植物组织，取出试管后冷却至室 温，在室温下平衡10min后，测量终末电导率S、S2t2ck.6计算，将得到的电导率S、S代入下面公式中，计算伤害度:12L=S1AS2-S0式中S0 为所用蒸馏水电导率，实验测得为3.89伤害度二 L - Lck X100%I-.式中Lt为实验组伤害度Lck为对照组伤害度4）过氧化物酶的活性愈创木酚法1. 取0.3g叶片组织，放入研钵中，加入适量pH5.5的磷酸缓冲液研磨成匀 浆，将匀浆转入离心管中，以4000rpmin离心lO

9、min，用pH5.5的磷酸缓冲液 定容至10ml。2. 实验组中依次加入 2.9mlpH5.5 的磷酸缓冲液、 1.Oml2%HO、1.Oml220.05mol/L愈创木酚和0.5ml酶液，放入37C恒温锅中水浴15min,生成红色 物质，并加入2.0ml20%的三氯乙酸以终止反应，然后在470nm波长下测定吸光 度。3对照组中先加入酶液0.5ml，需在沸水浴中灭活，其余步骤与实验组相 同，在470nm波长作为空白组调零，测定实验组的吸光度值。4. 计算，将得到的吸光度代入下列公式中，计算酶活性：过氧化酶活性二 470 L0.01W X Vs X t式中A470 470nm 下的吸光度，以 0

10、.01 为一个单位Vt酶液总体积W 叶片组织质量Vs反应所用酶液体积t 反应时间2结果与分析21低温胁迫对叶绿素含量的影响表1 两种玉米在不同温度下的叶绿素含量单位：mg/g品种胁迫组对照组松玉2.642.51良玉3.712.56叶绿素是植物进行光合作用的重要物质，在光能转换成生物能的过程中起 重要作用。本试验数据显示，松玉和良玉的胁迫组叶绿素含量均高于对照组含 量，这与理论值正好相反。正常情况下，低温条件下， sod 等保护酶类活性降 低，会使自由基破坏叶绿素。通过讨论分析，认为造成这种现象的原因应是低温处理的冰箱中光照不 足，叶片代偿性的合成叶绿素，这应该是实验设计过程中的失误。就叶绿素含

11、 量变化来看，松玉变化较小，故松玉在这一方面品质更优。22低温胁迫对玉米幼苗根系活力的影响单位 (ug.g-1h-1)表2 TTC还原强度品种胁迫组对照组松玉7.069良玉5.069由TTC还原强度的变化显示可知，低温胁迫时玉米幼苗的根系活力显著下降。 经讨论分析：1、是由于脱氢酶的合成受阻，分解加剧；2、部分脱氢酶 的构象在低温胁迫下产生了变化；3、受到某种低温积累抑制物的影响而不再具 有生理活性。脱氢酶生理活性的降低进一步导致根系呼吸代谢速率的降低。由此可间 接的反映根系的ATP供给情况,ATP供给的减少直接影响到植物对水分和无机盐 的吸收。在本此实验中松玉下降的量较小，故松玉品质更佳。2

12、.3 低温胁迫对玉米幼苗过氧化酶活性的影响低温胁迫下的玉米幼苗，过氧化物酶活性显著降低。如下表：表3 过氧化物酶活性单位 (ug.g-1h-1)品种胁迫组对照组松玉9205480良玉12405400过氧化氢酶普遍存在于植物的所有组织中，其活性与植物的代谢强度及抗寒、 抗病能力有一定关系，故常加以测定。环境逆境往往先抑制酶促防御体系的活 性,再进一步对细胞造成伤害。低温下导致酶促反应平衡的破坏与原生质膜凝固, 氧化酶和过氧化氢酶活性降低,体内因积累过多的过氧化氢而中毒。低温影响了 相关RNA的转录、翻译，以及各种酶的生理活性，从而使过氧化物酶的合成减 少。植物为抵御低温而水解体内的部分蛋白质，使

13、游离氨基酸，特别是脯氨酸 的量增加，过氧化物酶的分解加剧，从而使其相对含量降低。2.4 低温胁迫后玉米幼苗叶片相对电导率的变化随着低温胁迫程度的加深 ,植株细胞电导率显著升高。由下表可得松玉的 抗性远远大于良玉。表4 外渗电导值单位 (ug.g-1h-1)品种胁迫组对照组伤害率松玉0.680.510.52良玉0.690.400.96在正常情况下，细胞膜对物质具有选择透性能力。当植物受到逆境影响时， 细胞膜遭到破坏，膜透性增大，从而使细胞内的电解质外渗，以致植物细胞浸 提液的电导率增大。外渗电导率随低温胁迫的加重而显著增加，外渗电导率是 反映生物膜通透性的重要参数。植物低温冻害中最核心的伤害是膜

14、系统被低温 破坏。正常情况下细胞是一个完整的生物膜系统，其流动性与膜中磷脂的流动 性有直接关系,生物膜中饱和磷脂与不饱和磷脂交替排列。整个系统以液晶状态 存在，对低温敏感的植物的膜中含有较多的饱和脂肪酸 !而抗性较强的植物的膜 内含有较多的不饱和脂肪酸。以保证低温状态下膜的流动性，低温冷害可引起 膜相分离，使不饱和脂肪酸I,饱和脂肪酸各自聚集在一起。此时细胞膜由流 动镶嵌的液晶状态转变成凝胶状态，从而使细胞膜的完整性受到破坏。3 讨论植物在低温条件下会表现出受害症状。如生长放慢，叶片失绿或表现出 水浸状。遭受冻害的植物光合作用和物质运输受到抑制，呼吸降低，蛋白质合 成减弱，分解加强，电解质外渗

15、。已有研究表明低温伤害的原初部位是生物膜。 低温条件下，生物膜流动性降低，蛋白质组分不能行使正常功能，溶质的跨膜 运输，能量转化，酶促代谢受到抑制，从而引起伤害，各项生理指标也相应发 生变化。4 结论 结果发现低温胁迫使得玉米幼苗叶绿素含量、过氧化物活性降低，水势下降 电导率升高，根系活力降低。在耐低温胁迫方面，良玉较松玉抗逆性更强。玉米是温度敏感型作物，易遭受低温冷害的影响。黑龙江省是我国冷害发生 频率最高的省份，在玉米冷害方面的研究还尚显不足。因此黑龙江省不同地区 主栽品种在不同生育时期抗寒性方面、玉米抗寒性生理生化机制及抗寒育种方 面的研究应加强，从而为增强玉米抗寒性、提高玉米产量做出贡献。