引用本文
王永军, 杨今胜, 袁翠平, 柳京国, 李登海, 董树亭. 超高产夏玉米花粒期不同部位叶片衰老与抗氧化酶特性. 作物学报, 2013, 39(12): 2183-2191[WANG Yong-Jun, YANG Jin-Sheng, YUAN Cui-Ping, LIU Jing-Guo, LI Deng-Hai, DONG Shu-Ting. Characteristics of Senescence and Antioxidant Enzyme Activities in Leaves at Different Plant Parts of Summer Maize with the Super-high Yielding Potential after Anthesis. Acta Agronomica Sinica, 2013, 39(12): 2183-2191]  
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超高产夏玉米花粒期不同部位叶片衰老与抗氧化酶特性
王永军1,2,3, 杨今胜2, 袁翠平3, 柳京国2, 李登海2,*, 董树亭1,*
1作物生物学国家重点实验室 / 山东农业大学农学院, 山东泰安 271018
2山东登海种业股份有限公司 / 山东省玉米育种与栽培技术重点实验室, 山东莱州 261448
3吉林省农业科学院 / 玉米国家工程实验室, 吉林长春 130033
* 通讯作者(Corresponding authors): 董树亭, E-mail:stdong@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8245838; 李登海, 0535-2788917
收稿日期:2013-06-09
基金:本研究由国家自然科学基金项目(30900878和31201159), 国家科技支撑计划项目(2013BAD07B02和2011BAD16B10)和山东省泰山学者专项(ts200648033)资助。
摘要

为探讨超高产玉米叶源衰老特征, 揭示其抗氧化关键酶及膜脂过氧化特性, 为玉米衰老调控和高产栽培提供依据, 本研究在大田条件下, 以我国创高产纪录的夏玉米为例, 从单株水平上对高产纪录试验(EHYR)和普通生产田(MCFF)玉米叶片衰老及抗氧化酶特性比较表明, EHYR产量达19 349 kg hm-2, 是MCFF的2.28倍。MCFF和EHYR叶片分别在开花后30 d和50 d进入速衰期, MCFF叶片衰老比EHYR提前20 d; 速衰期EHYR叶面积降幅比MCFF低5.7%。EHYR在籽粒灌浆后期, 中上部叶片净光合速率较高, 可溶性蛋白含量明显高于MCFF, 而MDA含量则维持较低水平。在叶片衰老过程中, 自开花后20 d开始, EHYR上部和中部叶片SOD活性较高, 下部叶片则以SOD、POD和CAT三者活性较高; MCFF仅中部叶片POD和CAT活性较高。EHYR叶片衰老程度与CAT活性呈极显著负相关, MCFF叶片衰老与SOD和POD活性呈显著负相关, 且二者叶片衰老进程中SOD、POD、CAT的直接作用大于间接作用。与MCFF相比, EHYR叶片除具较高SOD和POD活性外, 在籽粒灌浆后期同时保持较高CAT活性和可溶性蛋白含量是降低膜脂过氧化程度, 延缓叶片衰老的重要原因。开花后20 d是EHYR与MCFF叶片衰老出现差异的生理临界点, 因而在此时期之前调控更有利于延缓衰老。

关键词: 夏玉米; 超高产; 开花后; 叶片衰老; 抗氧化酶
Characteristics of Senescence and Antioxidant Enzyme Activities in Leaves at Different Plant Parts of Summer Maize with the Super-high Yielding Potential after Anthesis
WANG Yong-Jun1,2,3, YANG Jin-Sheng2, YUAN Cui-Ping3, LIU Jing-Guo2, LI Deng-Hai2,*, DONG Shu-Ting1,*
1State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China
2Shandong Denghai Seed-Breeding Co. Ltd. / Shandong Provincial Key Laboratory of Maize Breeding and Cultivation Technology of Shandong Province, Laizhou 261448, China
3Jilin Academy of Agricultural Sciences / National Engineering Laboratory for Maize, Changchun 130033, China
Abstract

Yield improvement of maize (Zea mays L.) is believed to be associated with delayed leaf senescence during grain filling after anthesis. To achieve high grain yield by regulate leaf senescence, the senescence characteristics and antioxidant enzyme activities in leaves of different positions were explored using Denghai 661, a new summer maize hybrid with high yield record in China. A field experiment was carried out in Shandong from 2005 to 2007 to compare grain yield and parameters related to leaf senescence under high-yield record (EHYR) and conventional farmer’s field (MCFF) conditions. Leaf area (LA), LA reduction, net photosynthetic rate (Pn), soluble protein content, malondialdehyde (MDA) content, and activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT) of top, middle, and bottom leaves were measured from anthesis to 70 days after anthesis. The grain yield was 19 349 kg ha-1 in EHYR, which was 2.28 times greater than that in MCFF. Rapid senescence of leaves occurred 30 days after anthesis in EHYR and 50 days after anthesis in MCFF respectively, indicating that leaf senescence in EHYR was 20 days earlier than that in MCFF. At the rapid senescence stage, LA reduction in EHYR was 5.7%, lower than that in MCFF. During late period of leaf senescence, thePn value was higher in top and middle leaves than in bottom leaf. Furthermore, the soluble protein content in leaf was higher in EHYR than that in MCFF, whereas the MDA content had an opposite result. At 20 days after anthesis, the SOD activities in top and middle leaves were higher in EHYR than in MCFF, and the activities of SOD, POD, and CAT in bottom leaf were higher in EHYR than in MCFF. However, the POD and CAT activities in middle leaf were higher in MCFF than in EHYR. The results of correlation and path analyses indicated that leaf senescence (described by leaf reduction per plant) was negatively correlated with CAT activity in EHYR, but negatively correlated with SOD and POD activities in MCFF. The direct effects of SOD, POD, and CAT were higher than the indirect effects in both EHYR and MCFF. Leaf in EHYR exhibited delayed senescence compared with that in MCFF, which may due to more SOD, POD and CAT activities, higher soluble protein content, and declined lipid peroxidation during grain filling, especially at 20 days after anthesis. Therefore, 20-30 days after anthesis is the critical phase of leaf senescence between EHYR and MCFF, and regulation by agronomic practice is suggested to be conducted before this phase in maize production.

Keyword: Summer maize; Super-high yielding potential; After anthesis; Leaf senescence; Antioxidant enzyme

玉米作为C4植物, 其高产潜力大, 居禾谷类作物之首[ 1]。目前, 世界玉米高产纪录为27 750 kg hm-2, 我国春玉米产量纪录为20 401 kg hm-2, 夏玉米产量纪录为19 349 kg hm-2[ 2], 但我国玉米平均单产却不足6000 kg hm-2, 与产量纪录相比差距巨大。在玉米籽粒产量形成阶段, 随灌浆进程, 发生叶片逐渐衰老, 在此期间延缓叶片衰老, 利于提高叶片光合性能[ 3, 4], 获得更高产量。因此, 探讨超高产玉米灌浆期间叶片衰老及抗氧化代谢特征是玉米高产栽培领域关注的重要科学问题。而植物叶片衰老是一个复杂的、高度协调的程序化过程, 是作物生活史的一部分[ 5]。前人针对植物衰老特征与内在机制, 从表观生物学现象、酶学与激素代谢的生理生化机制深入到基因水平开展了大量研究, 并分析了衰老调控主效基因[ 6, 7, 8, 9]。而关于玉米叶片衰老及抗氧化特性的研究, 较多地集中在不同类型品种间对比分析, 特别是养分亏缺、干旱、温度胁迫、盐分等非生物逆境介导的活性氧代谢与衰老特性等方面, 逆境和衰老因子可诱导超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、过氧化物酶(peroxidase, POD)、过氧化氢酶(catalase, CAT)以及抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase, APX)和谷胱甘肽还原酶(glutathione reductase, GR)等一系列酶活性提高, 清除活性氧积累, 因不同品种和不同逆境诱导的抗氧化防御途径均表现出较大差异[ 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]。另外, 因作物生产过程的复杂性, 前人更多关注与玉米产量关系更直接和密切的光合作用。前人研究表明, 光合能力下降是叶片衰老过程中的标志性事件[ 17], 而且可能在启动衰老方面起作用[ 18]; 衰老过程还出现叶绿素含量下降、光系统光化学效率减退、Rubisco含量减少等[ 19], 这是叶片衰老导致光合性能下降的生理机制。所以, 玉米高产研究作为作物科学领域重要课题, 国内外学者从影响产量形成的多个角度(生态环境、品种、耕作方式、栽培管理措施等)进行了大量研究[ 1, 20, 21], 但由于高产纪录培创困难和不可预见性, 针对我国高产纪录玉米开展叶源衰老生理机制的研究鲜见报道。因此, 本研究在2005年创我国夏玉米高产纪录和2006、2007年重复试验基础上, 进一步分析了籽粒灌浆期间叶片衰老及抗氧化特性, 旨在探明超高产夏玉米叶源衰老特征, 揭示其抗氧化关键酶特性, 为玉米衰老调控和高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法
1.1 试验地概况

国家玉米工程技术中心(山东)高产试验田(119°56.6′ E; 37°20.7′ N; 海拔7.9 m), 样地位于山东省莱州市, 具典型暖温带大陆性季风气候, 降水集中、空气湿润、气候温和, 近年平均气温为11.8℃; 常年日照2500~2700 h, 积温4600~5000℃, 降水600~800 mm, 且主要集中在7、8月份, 雨热同期。试验地为沙壤土, 0~20 cm耕层含有机质1.23%、全氮0.097%、有效氮67.7 μg g-1、速效磷118.3 μg g-1、速效钾178.8 μg g-1。

1.2 试验材料与设计

2005年设高产纪录试验(EHYR, experiment of maize with high yield record), 种植登海661 (原组合为DH3719), 密度为102 030株 hm-2, 东西向宽窄行种植, 大行距50 cm, 小行距20 cm, 株距28 cm; 小区120 m2, 重复6次, 总面积为720 m2。2006和2007年增设普通生产大田玉米(MCFF, maize grown in conventional farmer’s field)为对照, 按当地传统方式管理与种植, 与高产纪录试验用同一品种, 种植密度为90 000株 hm-2, 小区面积为720 m2。2种种植模式下, 从每个小区选代表性植株3株分析叶片衰老及抗氧化酶活性等指标。生育期内保证良好肥水供应, EHYR玉米田2005年共施氮720 kg hm-2, P2O5 795 kg hm-2, K2O 975 kg hm-2; 2006和2007年施氮603 kg hm-2, P2O5 774 kg hm-2, K2O 882 kg hm-2。MCFF玉米田于播种前施入复合肥750 kg hm-2 (N∶P2O5∶K2O = 16∶16∶8), 因降水充足, 仅在开花期灌透水1次。

每年6月6日播种, EHYR玉米10月17日达生理成熟, 全生育期132 d, 其中开花后天数为73 d; MCFF玉米10月6日达生理成熟, 全生育期121 d, 其中开花后天数为62 d。于开花后每10 d取样1次, 取冠层不同部位叶片(以倒二叶、穗位叶和穗下第3叶分别代表上、中、下3个层次叶片), 去除中脉后置-40℃冰箱保存, 统一测定抗氧化指标。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 产量及其构成 2005年产量由农业部组织验收专家组采取实打验收办法测产, 去边行收获面积509 m2, 折算单产。2006年和2007年为2005年重复试验, 采用小区计产, 每个小区连续收获15.6 m2, 平行测定2次, 调查空秆率, 折算单产(按14%标准含水量)。根据产量结果, 采用均穗法选取40个果穗调查穗部性状, 分析产量及其构成要素。

1.3.2 叶面积及叶片衰老程度 从每个小区选择代表性样株3株, 开花后每10 d测定1次叶面积, 采用长宽系数法, 即LA (leaf area, m2 plant-1) = 叶片最大长度×最大宽度×0.75; 参照Tollenaar等[ 3]方法, 用2次测得叶面积相对减少的比例来描述叶片衰老程度, 即LA降幅(%) = (LAt2 - LAt1)/LAt1 × 100。

1.3.3 净光合速率 于开花授粉前, 从每个小区选择生长一致的3株玉米挂牌标记, 自开花之日起, 于花后0、10、20、30、40和50 d用英国PPSystem公司Ciras-II便携式光合测定系统选择上午10:00至12:00晴朗无云天气测定不同部位叶片净光合速率( Pn)。采用开放式气路, 冠层穗位叶附近CO2浓度360~380 μmol mol-1, 光合有效辐射1200~ 1600 μmol m-2 s-1。

1.3.4 可溶性蛋白含量 参照Bradford[ 22]改进的Lowry法测定酶提取液中可溶性蛋白含量, 以标准牛血清蛋白作对照。

1.3.5 SOD、POD、CAT活性 按Giannopolitis等[ 23]方法, 稍作改进测定SOD活性。吸取20 μL酶液, 加入3 mL SOD反应液(pH 7.8磷酸缓冲液1.5 mL, 130 mmol L-1 Met 0.3 mL, 750 μmol L-1 NBT 0.3 mL, 100 μmol L-1 EDTA-Na2 0.3 mL, 20 μmol L-1 FD 0.3 mL, 蒸馏水0.3 mL), 200 000 μmol m-2 s-1光照30 min, 对照与酶液置于相同条件下照光, 空白置于暗处, 用于调零, 560 nm比色。参照Hernandez等[ 24]的方法测定POD活性。20 μL酶液加30 mL POD反应液(1.4 μL愈创木酚, 0.85 μL 30%过氧化氢和 0.1 mol L-1 pH 6.0磷酸缓冲液), 在470 nm下每隔30 s读取吸光值增加数。按Samantary[ 25]的方法, 稍作改进测定CAT活性。0.1 mL酶液加2.5 mL CAT反应液(0.5 mL 0.1 mol L-1 H2O2溶液, 2.5 mL 0.1 mol L-1 pH 7.0磷酸缓冲液), 240 nm下比色, 每隔30 s读取吸光度下降值, 平行测定2次。

1.3.6 MDA含量 参考Heath等[ 26]的方法, 1 mL酶液加2 mL 0.6%TBA, 沸水浴15 min, 迅速冷冻离心, 取上清液, 分别在600 nm、532 nm、450 nm 3个波长下比色, 平行测定2次。

1.4 数据处理及统计分析

产量为2005—2007年数据, 叶面积变化为2005—2006年数据, 叶片衰老指标变化采用2006年数据, 因冠层不同部位叶片衰老进度不一致, 上层和中层叶片用开花后0~60 d数据分析, 下层叶片用开花后0~ 40 d数据分析。用Microsoft Excel 2010进行数据计算, R Package 2.15.2进行产量构成因素方差分析、叶片衰老与SOD、POD、CAT活性、可溶性蛋白和MDA含量的相关性及通径分析, 用SigmaPlot 10.0作图。

2 结果与分析
2.1 高产纪录和普通生产田玉米产量及其构成比较

由表1可看出, 2005年高产试验创我国夏玉米高产纪录, 2006年和2007年小区试验重演, 与普通生产大田相比, 高产纪录试验(EHYR)产量是普通生产田(MCFF)的2.28倍和1.42倍, 这主要得益于EHYR较高的种植密度(为MCFF的1.70倍)和有效穗数(为MCFF的1.76倍和1.63倍)。EHYR穗粒数较高, 其粒重在2006年显著高于MCFF, 2007年略高于MCFF, 但二者收获指数无显著差异。

表1 EHYR和MCFF产量及其构成 Table 1 Yield and its components of EHYR and MCFF
2.2 高产纪录和普通生产田玉米开花后叶片衰老进程

不同栽培条件下同一品种玉米, 2005年创我国夏玉米高产纪录的EHYR开花后叶面积高值持续期(从LAImax到50% LAImax的天数)长达60 d以上, 开花后60 d叶片才进入速衰阶段(图1-A)。2006年重复试验表明, MCFF叶片衰老比EHYR提前20 d, 且衰老程度较重。EHYR在开花后50 d即进入速衰期, 50~60 d叶面积降幅为38.5%以上, 而MCFF则在开花后30 d进入速衰期, 30~40 d叶面积降幅高达44.2%以上(图1-B)。超高产玉米3个层次叶片的光合速率明显高于普通生产田玉米, 进一步比较开花后冠层不同部位叶片的净光合速率发现, 不同部位叶片表现出明显差异, 在灌浆前期上部叶片优势明显, 后期则中部叶片优势突出(图1-C)。

图1 高产纪录和普通生产田玉米开花后叶面积衰减动态(A, 2005; B, 2006)及冠层叶片净光合速率(C, 2005)的变化EHYR: 高产纪录玉米; MCFF: 普通生产田玉米。Fig. 1 Dynamics of leaf area and leaf area reduction (A, in 2005; B, in 2006), the net photosynthetic rate of different canopy leaves (C, in 2005) of EHYR and MCFF in ChinaEHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF: maize grown in conventional farmer’s field.

2.3 高产纪录和普通生产田玉米开花后叶片可溶性蛋白含量变化

图2表明, 叶片衰老过程中, EHYR和MCFF不同部位叶片可溶性蛋白含量在前期差异不大, 但在粒重形成中期开始(开花后20 d)出现差异, 表现出EHYR明显高于MCFF的变化趋势, 尤其以中部叶片优势最为明显, 而下部叶片优势相对较小。

图2 开花后不同部位叶片可溶性蛋白的变化A: 上部叶片; B: 中部叶片; C: 下部叶片。EHYR: 高产纪录玉米; MCFF: 普通生产田玉米。Fig. 2 Dynamics of soluble protein of different leaves in canopy after anthesisA: top leaves; B: middle leaves; C: bottom leaves. EHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF: maize grown in conventional farmer’s field.

2.4 高产纪录和普通生产田玉米开花后叶片抗氧化关键酶(SOD、POD和CAT)活性变化

籽粒灌浆期间EHYR叶片SOD活性高于MCFF

(图3-A, B, C), 但SOD活性在EHYR和MCFF不同部位叶片表现明显的阶段性差异, 上部叶片在前期以EHYR活性较高, 而中部叶片在后期以EHYR活性较高, 下部叶片则在中期以EHYR活性较高。对于POD活性, 在EHYR和MCFF上部和下部叶片的差异并未随衰老进程表现明显差异, 但中部叶片则从开花后20 d开始, MCFF明显高于EHYR (图3-D, E, F)。上部叶片CAT活性在EHYR和MCFF之间差异不大; 中部叶片以开花后30 d为界点, 前期EHYR较高而后期MCFF较高; 下部叶片CAT活性则以EHYR始终较高(图3-G, H, I)。总体上看, EHYR上、中、下3个部位叶片SOD随着衰老进程而升高, POD活性维持相对平稳水平, 而CAT活性则呈降低趋势。

图3 开花后不同部位叶片SOD、POD和CAT活性的变化A, D和G: 上部叶片; B, E和H: 中部叶片; C, F和I: 下部叶片。EHYR: 高产纪录玉米; MCFF: 普通生产田玉米。Fig. 3 Dynamics of activities of SOD, POD, and CAT in different leaves in canopy after anthesisA, D, and G: top leaves; B, E and H: middle leaves; C, F, and I: bottom leaves. EHYR: experiment of maize with high yield record;MCFF: maize grown in conventional farmer’s field.

2.5 高产纪录和普通生产田玉米开花后叶片膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)变化

由图4可见, MCFF不同部位叶片膜质过氧化产物MDA含量在籽粒灌浆期间总体表现上升变化趋势, 而EHYR叶片MDA则呈下降趋势。整体上, MCFF叶片膜脂过氧化程度高于EHYR, 且从开花后20 d开始, 越到后期越明显。EHYR玉米3个层次叶片MDA含量维持较低水平, 特别是中部和下部叶片, 到开花后60 d仍处于较低水平, 表明其叶片开花后60 d膜脂过氧化程度仍较低。

图4 开花后不同部位叶片MDA含量的变化A: 上部叶片; B: 中部叶片; C: 下部叶片。EHYR: 高产纪录玉米; MCFF: 普通生产田玉米。Fig. 4 Dynamics of MDA content of different leaves in canopy after anthesisA: top leaves; B: middle leaves; C: bottom leaves. EHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF: maize grown in conventional farmer’s field.

2.6 高产纪录和普通生产田玉米开花后叶片衰老与抗氧化指标的关系

对超高产玉米和普通生产田玉米叶片衰老与抗氧化酶活性、MDA及可溶性蛋白含量等指标之间进行相关分析表明, EHYR和MCFF叶片衰老过程中由不同抗氧化酶起主导作用(表2)。EHYR叶片衰老与CAT活性呈极显著负相关; 其叶片MDA含量与SOD、POD和CAT达显著或极显著负相关, 与可溶性蛋白含量呈极显著正相关。而MCFF叶片衰老与SOD和POD活性呈显著负相关, 与可溶性蛋白呈极显著负相关; 其叶片MDA含量与SOD和POD活性极显著负相关。

表2 EHYR和MCFF叶片衰老与抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性、MDA及可溶性蛋白含量的相关性 Table 2 Correlation coefficients of leaves senescence with antioxidant enzyme activities (SOD, POD, CAT), MDA, and soluble protein contents in EHYR and MCFF

各指标与叶片衰老通径分析结果(表3)表明, 超高产玉米各指标对叶片衰老的直接通径系数按绝对值为MDA>CAT>可溶性蛋白>POD>SOD, 绝对值越大, 说明对叶片衰老的直接影响越大。其中, SOD、POD、CAT和可溶性蛋白的直接作用大于间接作用, 而MDA的间接作用大于直接作用, 主要是SOD和POD的负向间接作用较大所致。EHYR主要以CAT活性对叶片衰老起直接更大作用, 同时MDA含量与SOD和POD活性较大的间接作用负相关程度较高。对于MCFF, 直接作用为可溶性蛋白>MDA>POD>SOD>CAT。其中, MDA的间接作用大于直接作用, 主要是SOD和POD负间接作用较大所致。所以, MDA间接/直接贡献比(EHYR=1.37, MCFF=1.76)可作为超高产玉米和普通生产田玉米叶片衰老程度差异的内在参考指标。

表3 EHYR和MCFF叶片衰老与抗氧化酶(SOD、POD、CAT)活性、MDA及可溶性蛋白含量的通径分析 Table 3 Path analysis between leaf senescence and antioxidant enzyme activities (SOD, POD, CAT), MDA and soluble protein content in EHYR and MCFF
3 讨论

保障中国未来粮食安全必须依赖单产进一步提高, 而高产纪录是实现最高理论产量的希望[ 2, 20, 27], 对高产纪录玉米籽粒产量形成过程中叶片衰老生理生态机制开展研究有助于对产量潜力的理解, 是实现大面积高产的阶梯。本研究在连续多年高产攻关平台, 基于2005年夏玉米高产纪录和2006、2007年小区重演进行的, 与普通生产大田相比, 超高产玉米除了具有较高密度和有效穗数外, 还具有较高粒重, 而收获指数无显著差异, 表明其灌浆期间光合物质生产能力较强。超高产田玉米粒重较大, 除受光合强度与时间积、光合产物运转、籽粒库容及强度外, 无疑还会受到高密度、大量投入(养分和水分)及株行距配置等农艺措施显著影响, 例如花粒期植株营养体氮素转运量受施氮显著影响, 供氮不足可能导致营养体氮素外运过多而引起叶片衰老[ 28], 而持绿性较高叶片氮含量高, 同时保持较高硝酸还原酶和羧化酶活性, 对衰老速度起调控作用[ 29]。另外, 高密度无疑会使得群体内个体间对光、水、肥等资源竞争加剧, 导致群体质量下降, 所以, 密植增产对环境要素敏感性增强, 对管理措施要求更高[ 30, 31]。可见, 获得超高产是一个复杂的过程, 而本文主要探讨其叶片衰老特征。

玉米开花后叶片衰老和粒重增长是同步进行的, 因此在籽粒形成期保持较高光合面积, 有助于提高光合能力, 利于增加后期干物质生产和积累[ 31]。叶片氮和叶绿素浓度下降可能是导致光合性能衰退的重要原因, 叶片失绿发生速率和持绿时间等可作为评价衰老进程和程度的指标[ 12, 14], 而导致有效光合面积减少也是最明显的后果。另外, 种植密度导致群体内小环境显著改变, 可能会导致玉米叶片衰老进程差异, 所以本研究重点从个体水平角度探讨叶片衰老特性与抗氧化酶之间的关系。本研究表明, 普通生产田玉米开花后30~40 d为速衰期, 而高产纪录玉米开花后50~60 d为速衰期。叶面积快速衰减显然不利于光能截获与转化和光合物质生产, 同时普通生产田玉米在速衰期的衰老程度明显高于超高产玉米, 所以开花后30 d和50 d是普通生产田和高产纪录玉米叶片衰老出现显著差异的表观临界点。因为光合速率下降是植物衰老过程的标志性事件[ 17], 所以本研究进一步对冠层不同部位叶片净光合速率进行比较, 发现不同部位叶片衰老存在进度和程度上的明显差异(图1-C), 这一结果与Valentinuz和Tollenaar[ 4]认为高产玉米品种上部和下部叶片衰老先于中部叶片的观点相吻合。所以, 基于2005年冠层不同部位叶片开花后净光合速率变化所反映的衰老差异, 2006年进一步对2个产量水平玉米不同部位叶片衰老特征分析表明, 在籽粒灌浆后期维持较高抗氧化酶活性能更有效降低膜脂过氧化程度, 延缓叶片衰老。在本研究中, 开花后20 d是高产纪录玉米与普通生产田玉米叶片衰老进程出现差异的临界点, 因此在此时期之前采取诸如追施速效氮肥、灌溉、喷施生长调节物质等抗逆和延缓衰老的措施, 有利于获得更高产量。

自Fridovich[ 32]提出生物自由基假说以来, 已在植物抗逆和衰老机制研究中受到广泛关注。大量研究已证明, 叶片衰老过程是活性氧代谢失调的过程, 而SOD、POD和CAT是植物体内最重要的活性氧清除系统[ 11, 15]。国内外学者一致认为, 在干旱、养分亏缺等逆境及其缓解措施对玉米叶片活性氧代谢的影响, 一致认为叶片内在保护酶系统活性被诱导提高, 减轻了膜脂过氧化程度[ 10, 12, 14, 15, 33, 34, 35, 36], 但这些研究主要针对果穗叶开展。王空军等[ 37]则认为中下部叶片保护酶活性高和膜脂过氧化程度低是我国20世纪90年代玉米品种高产抗逆的有利因素。所以, 本研究以普通生产田玉米为参照, 比较我国高产纪录夏玉米冠层不同部位叶片活性蛋白、抗氧化酶活性和膜脂过氧化产物, 发现与前人研究结果不同, 高产纪录玉米上部和中部叶片衰老过程以SOD为主要活性氧清除途径, 下部叶片则以SOD、POD和CAT三者协同作用, 显著降低了膜脂过氧化产物, 使叶片衰老进程延缓, 衰老程度减轻。而普通生产田玉米仅中部叶片POD和CAT活性较高, 且可溶性蛋白含量较低, 不利于活性氧的有效清除。超高产玉米和普通生产田玉米叶片衰老程度与抗氧化指标的关系表明(表2和表3), MDA和可溶性蛋白含量是影响其衰老程度的内在参考指标, 超高产玉米叶片处于MDA积累占主导阶段, 衰老延缓, 而普通玉米则处于蛋白质降解占主导阶段, 衰老加重, 显然与MDA积累占主导相比, 活性蛋白质氧化降解导致叶片衰老程度要严重得多。与前人研究不同的是, 超高产玉米叶片衰老与CAT活性极显著负相关, 普通生产田玉米叶片衰老与SOD和POD活性显著负相关, 且二者叶片衰老进程中SOD、POD、CAT的直接作用大于间接作用[ 35, 36]。EHYR和MCFF叶片衰老与可溶性蛋白含量的相关性说明, 超高产玉米叶片活性氧清除可能主要靠较高酶活性, 而普通生产大田玉米主要靠较高酶含量。但是, 导致超高产玉米叶片衰老比普通生产田玉米延缓的主要原因可能是继SOD和POD途径之后CAT途径的启动与高效清除, 然而对于其具体作用机制, 值得进一步研究。

4 结论

与普通生产田玉米相比, 超高产玉米叶片衰老进程延缓, 且衰老程度明显较低; 开花后30 d和 50 d, 普通生产田和高产纪录玉米叶片分别进入速衰阶段。超高产玉米叶片衰老与CAT活性极显著负相关, 普通生产田玉米叶片衰老与SOD和POD活性显著负相关, 且二者叶片衰老进程中SOD、POD、CAT的直接作用大于间接作用。超高产玉米上部和中部叶片衰老过程以SOD清除活性氧为主, 下部叶片则以SOD、POD和CAT三者协同作用。叶片衰老过程, 超高产玉米叶片除具较高SOD和POD活性外, 在籽粒灌浆后期同时保持较高CAT活性和可溶性蛋白含量是其重要特征。开花后20 d是超高产玉米与普通生产田玉米叶片衰老进程出现差异的生理临界点, 因而在此时期之前调控更有利于延缓玉米衰老。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。The authors have declared that no competing interests exist.

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