全 文 ：植物生理学通讯 第 45卷 第 4期，2009年 4月 379
收稿 2009-01-21 修定 　2009-03-09
资助 国家 “十一五 ”科技支撑计划项目(2006BAD02A11)和
黑龙江省 “ 十一五 ” 科技攻关项目(GA07B101)。
* E-mail: byndykj@163.com; Tel: 0459-6819179
供锌水平对寒地春玉米幼苗抗氧化酶活性等生理特性的影响
杨克军 1,2,*, 蔡鑫鑫 2, 张树远 2, 张崎峰 2, 王玉凤 2, 王庆祥 1
1沈阳农业大学农学院, 沈阳 110161; 2黑龙江八一农垦大学农学院, 黑龙江大庆 163319
提要: 本试验选用不同耐锌玉米品种, 采用营养液水培, 研究不同锌浓度对玉米株高、地上部干重、根干重及SOD、POD、
TTC、硝酸还原酶活性、细胞膜透性的影响。结果表明: 耐锌品种 ‘牡单九 ’的适宜锌浓度为 0.1 µmol·L-1, 锌敏感品种 ‘四
单十九 ’的适宜锌浓度为 1 µmol·L-1。不同锌浓度对玉米生长的影响主要表现在地上部, 而对地下部生长影响较小。随着
锌浓度的升高, SOD和POD的活性增大。当锌浓度为 0.1 µmol·L-1时根系活力最高, 在锌浓度大于 1 µmol·L-1时, 根系活力
下降较明显。硝酸还原酶活性在锌浓度大于0.01 µmol·L-1时, 随着锌浓度升高而降低。在锌浓度为1 µmol·L-1时, 细胞膜透
性最小, 低锌和高锌胁迫下细胞膜透性都有不同程度的增加。
关键词: 玉米幼苗; 锌水平; 保护酶活性; 硝酸还原酶
Effects of Zn on the Antioxidant Enzymes Activities and Physiological Charac-
teristics in Spring Maize
YANG Ke-Jun1.2,*, CAI Xin-Xin2, ZHANG Shu-Yuan2, ZHANG Qi-Feng2, WANG Yu-Feng2, WANG Qing-Xiang1
1College of Agronomy, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110161, China; 2College of Agronomy, Heilongjiang August
First Land Reclamation University, Daqing, Heilongjiang 163319, China
Abstract: In order to investigate the effects of different zinc concentrations on physiological characteristics in
maize, different Zn-tolerant maize cultivars were used as materials. Plant height, dry weights of root and shoot,
root activity, cell membrane permeability, and activities of SOD, POD, TTC and NR were measured. The
results showed that the optimal concentration of Zn in maize cultivar ‘Mudan 9’ and ‘Sidan 19’ were 0.1
µmol·L-1 and 1 µmol·L-1, respectively. Different Zn concentrations had more effects on aerial part than under-
ground part. The activities of SOD and POD increased with the increasing of Zn concentration. The Zn concen-
tration of the highest root activity was 0.1 µmol·L-1, and root activity decreased obviously when Zn concentra-
tion was more than 1 µmol·L-1. When Zn concentration was more than 0.01 µmol·L-1, NR activity decreased
with the increasing of Zn concentration. When Zn concentration was 1 µmol·L-1, cell membrane permeability
was lowest. Cell membrane permeability increased under low or high Zn stress.
Key words: maize seedlings; Zn supply level; protective enzymes activities; NR
锌是植物必需的微量元素, 同时又是污染环境
的重金属元素之一。在石灰性土壤中由于粘粒和
碳酸钙对锌的吸附, 有效锌低而导致植物普遍缺锌
(马斯纳 1991), 需施用锌肥。但长期或高剂量施用
锌肥, 会引起土壤锌污染, 影响土壤中微生物的活
动和作物的生长发育(杨志敏1994), 产生植物锌中
毒。锌在植物体内的代谢中起着重要作用(崔澂
1994)。玉米是对缺锌最为敏感的作物之一, 玉米
缺锌的情况在我国南北都有报道, 大多为石灰性土
壤, 如东北、西北、山东等地(孙羲 1990)。缺锌
时玉米的生长发育受到阻碍, 导致产量下降, 品质
降低(刘国荣等 1996)。缺锌造成的玉米白花叶病,
是限制寒地春玉米产量提高的重要因素之一。玉
米白花叶病在寒地春玉米上不同年份均有发生, 一
般减产15%左右, 严重的地块减产30%以上。1983
年黑龙江省中部、西部玉米白花叶病发生面积达
20多万 hm2, 以后每年均在 10多万 hm2, 对玉米的
产量构成了严重威胁(徐伟钧 1991)。玉米不同基
因型品种对缺锌反应差异很大(任军等 1995)。本
试验以寒地春玉米为研究对象, 采用水培方法研究
了不同Zn水平对不同锌敏感型玉米的生长、硝酸
还原酶活性及叶片抗氧化系统的影响, 探讨了不同
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基因型玉米的耐锌机理, 同时为寒地春玉米锌肥合
理施用提供理论依据。
材料与方法
供试品种是试验前期通过水培试验从寒地大
面积推广的玉米(Zea mays L.) 18个杂交种中筛选
出耐低锌品种 ‘牡单九 ’和锌敏感型品种 ‘四单十
九’。
试验采用水培方式进行, 营养液为1/2Hoagland
营养液, 锌以 EDTA-Zn的形式供给, 设有 6个锌浓
度, 分别为 0、0.01、0.1、1、10、100 µmol·L-1,
以 0 µmol·L-1的锌浓度为对照, 每个处理 3次重复。
种子经 10% NaClO消毒液浸泡 5 min, 迅速用流动
的自来水冲洗数次, 浸泡10 min再用去离子水冲洗
5~6次, 经 30 ℃左右温水浸种 12 h, 催芽 5 d (将种
子等距排开, 胚朝上, 置于下面铺有双层滤纸, 上面
盖有双层纱布和一层滤纸的发芽盒内催芽), 催芽温
度 25 ℃, 其间及时补充水分。待芽长至 5 cm左
右时, 选择饱满均一的种子去胚乳后, 用去离子水
冲洗干净, 选取高度一致的幼苗分别进行不同浓度
锌处理, 每 5 d换一次营养液, 温室培养。用 0.1
mol·L-1的NaOH和0.1 mol·L-1 HCl将pH调至6.8, 电
动泵连续供氧, 培养 28 d后进行测定。
收获后的植株分地上和地下部分, 分别测量地
上和地下部分的长度和鲜重, 在105 ℃杀青30 min
后于 80℃烘至恒重, 称干重。超氧化物歧化酶
(SOD )和过氧化物酶( PO D)的测定采用张宪政
(1992)的方法, 根系活力采用 TTC法、硝酸还原
酶(NR)活性用 α-萘胺法(李合生 2000), 细胞膜透
性的测定采用电导率测定法(邹琦 2000)。
实验结果
1 不同锌浓度对玉米株高的影响
如表1所示, 不同锌浓度对不同基因型玉米株
高的影响不同, 耐低锌品种 ‘牡单九 ’在锌浓度为
0~0.1 µmol·L-1时株高随着锌浓度的升高而逐渐增
加, 0.01和 0.1 µmol·L-1锌浓度下 ‘牡单九 ’的株高
分别为对照的1.29和1.52倍, 方差分析表明差异达
显著水平。继续增加锌浓度, 株高反而降低, 在 1、
10和 100 µmol·L-1锌浓度下, ‘牡单九 ’的株高分别
为 0 µmol·L-1锌浓度下株高的 1.32、1.20和 0.98
倍。对于锌敏感品种 ‘ 四单十九 ’ 在锌浓度为 1
µmol·L-1时植株长势最好, 株高为对照的1.05倍, 低
锌(0.01 µmol·L-1锌浓度)和高锌(10和100 µmol·L-1)处
理下株高均有所降低, 低锌处理株高较对照低12.4
cm, 仅为对照的 72.3%。
表 1 供锌水平对玉米株高的影响
Table 1 Effect of zinc supply level on plant height in maize
株高 /cm
供锌水平 /μmol·L-1
‘牡单九 ’ ‘四单十九 ’
0 34.5±7.10 (100%)c 44.6±1.21 (100%)ab
0.01 44.4±4.01 (128.7%)b 32.2±2.89 (72.3%)d
0.1 52.3±1.51 (151.6%)a 41.4±2.97 (92.8%)abc
1 45.4±3.62 (131.6%)b 46.8±3.85 (104.9%)a
1 0 41.3±7.51 (119.8%)b 37.4±1.72 (83.9%)cd
100 33.9±0.70 (98.3%)c 39±2.60 (87.4%)bcd
同列数字旁不同小写字母表示处理之间在 0.05 水平上差异显著。下同。
2 不同锌浓度对玉米地上部干重的影响
不同锌浓度对耐低锌品种 ‘牡单九 ’和锌敏感
型品种 ‘四单十九 ’的地上部干重影响较大。耐低
锌品种 ‘牡单九 ’在锌浓度0~0.1 µmol·L-1时地上部
干重随锌浓度增加而增加。0.01和 0.1 µmol·L-1处
理干重分别为对照的 1.70、2.07倍。当锌浓度大
于 1 µmol·L-1时地上部干重随锌浓度增加而降低。
1、10和 100 µmol·L-1处理干重分别为对照的
1.51、1.43和 1.07倍。对锌敏感品种 ‘四单十九 ’
在锌浓度 0.01~1 µmol·L-1时, 随着锌浓度的增加干
重增加, 低锌处理(0.01 µmol·L-1)的地上部干重为对
照的 0.55倍。锌浓度在 10和 100 µmol·L-1时的地
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表 2 供锌水平对玉米地上部干重的影响
Table 2 Effect of zinc supply level on the shoot dry weight in maize
地上部干重 /g·株 -1
供锌水平 /μmol·L-1
‘牡单九 ’ ‘四单十九 ’
0 0.085±0.02 (100%)c 0.165±0.02 (100%)ab
0.01 0.145±0.03 (170.6%)ab 0.090±0.01 (54.5%)c
0.1 0.176±0.01 (207.2%)a 0.129±0.03 (78.2%)bc
1 0.129±0.02 (151.8%)abc 0.184±0.06 (111.5%)a
1 0 0.122±0.03 (143.5%)bc 0.120±0.03 (72.7%)c
100 0.091±0.01 (107.1%)c 0.098±0.01 (59.4%)c
上部干重逐渐下降。总之在这 2个高锌浓度的胁
迫下耐低锌品种 ‘牡单九 ’及锌敏感品种 ‘四单十
九 ’的地上部干重均呈下降趋势, 这说明在高锌胁
迫下植株长势较弱, 无论是锌敏感品种还是耐低锌
品种都有伤害。
3 不同锌浓度对玉米根干重的影响
表 3表明不同锌浓度对不同基因型玉米根系
干重的影响较小, 这与房蓓等(2003)的研究结果相
一致。耐低锌品种 ‘牡单九 ’最适宜生长的锌浓度
为 0.1 µmol·L-1, 锌敏感品种 ‘四单十九 ’适宜生长
表 3 供锌水平对玉米根干重的影响
Table 3 Effect of zinc supply level on the root dry weight in maize
根干重 /g·株 -1
供锌水平 /μmol·L-1
‘牡单九 ’ ‘四单十九 ’
0 0.047±0.016 (100%)ab 0.069±0.005 (100%)ab
0.01 0.061±0.027 (129.8%)ab 0.055±0.009 (79.7%)ab
0.1 0.073±0.024 (155.3%)a 0.062±0.006 (89.9%)ab
1 0.061±0.005 (129.8%)ab 0.084±0.032 (121.7%)a
1 0 0.049±0.006 (104.3%)ab 0.065±0.020 (94.2%)ab
100 0.038±0.005 (80.9%)b 0.048±0.010 (69.6%)b
的锌浓度为 1 µmol·L-1, 低锌和高锌均使根干重变
小, 但变化幅度较茎叶小, 不同锌浓度下主要影响
地上部生长, 而对根影响要小得多。
4 不同锌浓度对玉米超氧化物歧化酶(SOD)的影响
由图 1可知, 随着营养液中锌浓度增加, 不同
耐锌性玉米 SOD活性均增加, 但不同耐锌性玉米
SOD活性的变化趋势有所不同, 锌敏感品种 SOD
活性增加幅度大于耐低锌品种。耐低锌品种 ‘牡
单九 ’在锌浓度为 0~0.01 µmol·L-1时 SOD活性变
化不大, 分别为 84.68和 84.76 U·g-1 (FW); 0.01~0.1
µmol·L-1 阶段, SOD活性迅速增加, 增幅为 49.3%;
锌浓度在 0.1~100 µmol·L-1 范围内, SOD活性增长
幅度较小。而对锌敏感品种 ‘四单十九 ’则是在锌
浓度0~10 µmol·L-1, 随着锌浓度的升高而逐渐增加;
在锌浓度为 10~100 µmol·L-1时出现急剧增长的趋
图 1 供锌水平对玉米 SOD活性的影响
Fig.1 Effect of zinc supply level on SOD activity in maize
势。表明随着锌浓度的增加, SOD活性升高以清
除 O2·–从而使幼苗免遭伤害。
5 不同锌浓度对玉米过氧化物酶(POD)的影响
如图2所示, 耐锌品种及锌敏感品种POD的活
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性都是随着锌浓度的增加而增加, 但耐低锌品种
‘牡单九 ’增加的幅度较锌敏感品种 ‘四单十九 ’要
大, 二者在锌浓度为0~0.01 µmol·L-1时均迅速增长,
锌浓度为 0 µmol·L-1时 ‘牡单九 ’和 ‘四单十九 ’的
POD的活性分别为 1.65 OD470·g-1·min-1和 2.49
OD470·g-1·min-1, 当锌浓度达到 0.01 µmol·L-1时 ‘牡
单九 ’和 ‘四单十九 ’的 POD的活性分别为 9.12
OD470·g-1·min-1和 5.35 OD470·g-1·min-1, 分别增加了
4.53倍和 2.15倍。锌浓度在 0.01~10 µmol·L-1范围
内时POD的活性随锌浓度增加而增加, 但在锌浓度
由10 µmol·L-1升高到100 µmol·L-1时又呈快速增长
的态势, ‘牡单九 ’ 的 POD 活性由 15.20 OD470·
g-1·min-1升高至 20.68 OD470·g-1·min-1, 而 ‘四单十九 ’
的 POD活性由 10.46 OD470·g-1·min-1升高至 15.03
OD470·g-1·min-1。虽然锌敏感品种 ‘四单十九 ’的
POD活性比耐低锌品种 ‘牡单九 ’的活性低, 在锌
浓度由 0 µmol·L-1升高到 l0 µmol·L-1时, POD活性
的增加量也没有‘牡单九’大, 但其在高锌阶段的涨
幅高于 ‘牡单九 ’, 究其原因可能是2种基因型玉米
对缺锌敏感性不同的重要机制。
6 不同锌浓度对玉米根系活力(TTC)的影响
根系活力的大小影响根系对营养物质的吸收
及有效物质的形成, 是一种较客观地反应根系生命
活动的生理指标。由图 3可知, 无论是锌敏感品种
‘四单十九 ’还是耐低锌品种 ‘牡单九 ’，当锌浓度
为 0.1 µmol·L-1时根系活力最高, 当锌浓度大于 1
µmol·L-1时, 根系活力明显下降, 表明在锌浓度为
0.1 µmol·L-1时根系的吸收能力最强。
7 不同锌浓度对玉米硝酸还原酶的影响
硝酸还原酶活性高低与植物的抗性有关。硝
酸还原酶是植物体内硝酸盐同化过程中的限速酶,
在氮代谢中起重要作用。由于硝酸还原酶的激活
需要NO3-诱导, 因而硝酸还原酶活性与植物硝态氮
含量有一定的联系。由图 4可以看出, 硝酸还原酶
的活性在锌浓度为 0~0.01 µmol·L-1时逐渐升高, 而
在锌浓度超过0.01 µmol·L-1时随着锌浓度的升高而
下降, 表明随 Zn2+浓度的增大, 玉米叶片对NO3--N
的还原能力均减弱。
图 4 供锌水平对玉米硝酸还原酶活性的影响
Fig.4 Effect of zinc supply level on NR activity in maize
图 2 供锌水平对玉米 POD活性的影响
Fig.2 Effect of zinc supply level on POD activity in maize
8 不同锌浓度对玉米细胞膜透性的影响
植物组织受到逆境伤害时, 由于膜的功能受损
或结构破坏而使其透性增大, 可以反应出质膜的伤
害程度和植物抗逆性的大小。如图 5所示, 耐锌品
种 ‘牡单九 ’及锌敏感型品种 ‘四单十九 ’叶片的相
对电导度均表现为在锌浓度为 1 µmol·L-1时, 细胞
膜透性最小, 低锌和高锌胁迫下细胞膜透性都有不
同程度的增加, 细胞膜受损加剧。
讨 论
锌在植物体内的生理作用非常重要, 缺锌时, 植
物体内吲哚乙酸的含量下降, 同时锌影响植物光合
作用和蛋白质合成(Welch 1995)。研究表明, 不同
图 3 供锌水平对玉米根系活力的影响
Fig.3 Effect of zinc supply level on root activity in maize
植物生理学通讯 第 45卷 第 4期，2009年 4月 383
锌离子浓度处理对玉米幼苗的生长有明显的影响。
耐低锌品种 ‘牡单九 ’最适宜生长的锌浓度为 0.1
µmol·L-1, 锌敏感品种 ‘四单十九 ’最适宜生长的锌
浓度为 1 µmol·L-1。施锌对玉米的茎和叶片生长促
进作用更为明显, 根系生长受到的促进作用相对较
小。对根生长影响的 “原初反应 ”是由于营养液的
影响还是由茎叶传导的机理尚未得出结论, 有待进
一步研究。缺锌(0 µmol·L-1)和高锌(100 µmol·L-1)胁
迫对玉米的生长均产生抑制作用。有研究认为对
于一定的低锌比缺锌对玉米的为害更大(王景安和
张福锁2002)。而本研究认为对于锌敏感品种来说
一定的低锌比缺锌对玉米的为害更大, 同时锌敏感
品种比较耐高锌, 而对于耐低锌品种来说低锌为害
并不明显, 相反高锌危害大于低锌危害。
近来研究表明, 植物生长发育受阻与缺锌条件
下植物体内活性氧代谢失调有十分密切关系
(Cakmak 2000)。缺锌导致植物体内 SOD和 POD
酶活性下降, 随着锌浓度增加, SOD和 POD酶活
性均增加。锌对 SOD活性有直接的调控作用, 因
为锌是植物体内CuZn-SOD酶组分之一, 供锌可提
高植物体内 SOD酶活性, 减少和消除体内活性氧
(Cakmak和Marschner 1988)。研究结果表明缺锌
严重抑制了POD活性, 供锌显著提高了玉米叶片的
POD活性。而锌对不同基因型玉米的SOD和POD
酶活性调控有所不同, 锌敏感品种SOD活性增加幅
度大于耐低锌品种, POD活性则是耐低锌品种的增
加的幅度大于锌敏感品种。本研究表明当锌浓度
超过 0.01 µmol·L-1时, 随着 Zn2+浓度的提高, 不同
基因型玉米的硝酸还原酶活性降低。Martinoia等
(1981)认为, 细胞质内NO3-含量是体内硝酸还原酶
活性的主要限制因子。维持叶片内高水平硝酸还
原酶则依赖于根部NO3-不断的供应(Udayakumar等
1981)。可以推测, 玉米幼苗在高锌胁迫下根部
NO3-吸收受阻, 叶片NR活性下降, 对玉米氮素同
化抑制作用进一步加剧。每种作物都有其正常生
长相对稳定的养分平衡, 当生长环境中的养分平衡
不适合作物的营养特征时, 作物就会自身调节, 以
维持体内有一个相对稳定的养分含量和比例(张富
仓等2005)。有关锌对玉米氮素的吸收与同化作用
影响的生理机制, 我们将在以后的试验中进一步研
究。在 0.1 µmol·L-1锌浓度时, 耐低锌品种 ‘牡单
九 ’和锌敏感型品种 ‘四单十九 ’的根系活力最高,
随着Zn2+浓度的增加根系活力下降明显, 当锌浓度
大于1 µmol·L-1时, 根系活力降低明显, 即低浓度锌
处理时玉米幼苗根系活力有所增强, 表明玉米在此
浓度范围内具有抗锌胁迫的能力, 但随着锌浓度的
增加, 其不足以抵抗锌毒害, 所以根系活力降低。
耐锌品种 ‘牡单九 ’及锌敏感型品种 ‘四单十九 ’叶
片的相对电导度均表现为在锌浓度为1 µmol·L-1时,
细胞膜透性最小, 表明锌在维持细胞膜的完整性中
起重要作用。
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