全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2013, 39(12): 2183−2191 http://zwxb.chinacrops.org/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

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。
* 通讯作者(Corresponding authors): 董树亭, E-mail: stdong@sdau.edu.cn, Tel: 0538-8245838; 李登海, 0535-2788917
Received(收稿日期): 2013-03-04; Accepted(接受日期): 2013-06-09; Published online(网络出版日期): 2013-10-08.
URL: http://www.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20131008.1304.002.html
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2013.02183
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
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,∗, and DONG
Shu-Ting1,∗
1 State Key Laboratory of Crop Biology / College of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai’an 271018, China; 2 Shandong Denghai
Seed-Breeding Co. Ltd. / Shandong Provincial Key Laboratory of Maize Breeding and Cultivation Technology of Shandong Province, Laizhou
261448, China; 3 Jilin 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 fill-
ing 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, the Pn value was higher in top and middle leaves than in bottom leaf. Furthermore,
2184 作 物 学 报 第 39卷


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 re-
duction 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.
Keywords: 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 [6-9]。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[10-16]。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
第 12期 王永军等: 超高产夏玉米花粒期不同部位叶片衰老与抗氧化酶特性 2185


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 P∶ 2O5 K∶ 2O = 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。
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
2186 作 物 学 报 第 39卷


表 1 EHYR和 MCFF产量及其构成
Table 1 Yield and its components of EHYR and MCFF
年份
Year
处理
Treatment
收获产量
Harvest yield
(kg hm–2)
理论产量
Theoretic yield
(kg hm–2)
有效穗数
Real-ear hm–2
穗行数
Rows per ear
行粒数
Kernels per row
百粒重
100-kernel weight
(g)
收获指数
HI
2005 EHYR 19349† 19412 98610 16.27 31.43 33.25 0.54
2006 EHYR 20322‡ 26372 95655 16.70 a 37.85 a 37.51 a 0.54 a
2006 MCFF 8920‡ 8791 54405 14.87 b 30.53 a 30.61 b 0.53 a
2007 EHYR 18439‡ 19915 96735 15.40 a 37.85 a 35.32 a 0.53 a
2007 MCFF 10320‡ 11285 54945 16.50 a 36.45 a 34.15 a 0.51 a
EHYR: 高产纪录试验玉米; MCFF: 普通生产田玉米。†为 2005年农业部验收专家组对去边行的 509 m2实收产量, 创我国夏玉米
高产纪录; ‡为小区测产产量。产量结果均按照国家标准折算为 14%水分含量。不同农艺指标后标注不同字母表示同一年份 EHYR 和
MCFF玉米差异显著。
EHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF: maize grown in conventional farmer’s field. † is the harvesting yield in 509
m2 field deducted the guarding rows checked out by the committee from the Ministry of Agriculture of the People’s Republic of China which
is still the high yield record of summer maize in China at present. ‡ is the determined yield of the experimental plot. The yield contains 14%
moisture according to the national standard. In each year, significant difference between EHYR and MCFF (P < 0.05) is noted with different
letters after the agronomic traits.

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)。
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。
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 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
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 China
EHYR: 高产纪录玉米; MCFF: 普通生产田玉米。
EHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF: maize grown in conventional farmer’s field.
第 12期 王永军等: 超高产夏玉米花粒期不同部位叶片衰老与抗氧化酶特性 2187



图 2 开花后不同部位叶片可溶性蛋白的变化
Fig. 2 Dynamics of soluble protein of different leaves in canopy after anthesis
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。
A: top leaves; B: middle leaves; C: bottom leaves. EHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF: maize grown in conventional
farmer’s field.

图 3 开花后不同部位叶片 SOD、POD和 CAT活性的变化
Fig. 3 Dynamics of activities of SOD, POD, and CAT in different leaves in canopy after anthesis
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。
A, 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。
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
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图 4 开花后不同部位叶片 MDA含量的变化
Fig. 4 Dynamics of MDA content of different leaves in canopy after anthesis
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。
A: top leaves; B: middle leaves; C: bottom leaves. EHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF: maize grown in conventional
farmer’s field.

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
SOD POD CAT MDA Soluble protein Leaf reduction per plant

x1 x2 x3 x4 x5 y
EHYR
x1 1
x2 0.6665** 1
x3 0.1464 0.3262 1
x4 –0.7874** –0.9196** –0.4636* 1
x5 –0.5628** –0.8920** –0.2323 0.8038** 1
y –0.0123 0.0091 –0.6580** 0.1733 –0.1376 1
MCFF
x1 1
x2 0.8797** 1
x3 0.2645 0.5363* 1
x4 –0.6174** –0.8060** –0.3138 1
x5 0.3561 0.3241 –0.1460 –0.0260 1
y –0.5023* –0.5042* 0.1682 0.4417 –0.7780** 1
*和**分别表示 5%和 1%的显著水平。EHYR: 高产纪录试验玉米; MCFF: 普通生产田玉米。
* and ** indicate significance at 5% and 1% probability levels, respectively. EHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF:
maize grown in conventional farmer’s field.

显著负相关; 其叶片MDA含量与 SOD和 POD活性
极显著负相关。
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。
第 12期 王永军等: 超高产夏玉米花粒期不同部位叶片衰老与抗氧化酶特性 2189


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
间接作用 Indirect effect xi →xj →y
SOD POD CAT MDA Soluble protein
通径
Path
xi →y
直接作用
Direct
effect
总间接作用
Total indirect
effect
→x1 →x2 →x3 →x4 →x5
EHYR
x1→y 0.1219 –0.0655 0.0813 0.0179 –0.0960 –0.0686
x2→y 0.3321 –0.2720 0.2214 0.1083 –0.3054 –0.2962
x3→y –0.5822 0.1300 –0.0853 –0.1899 0.2699 0.1352
x4→y 0.6523 –0.8916 –0.5136 –0.5999 –0.3024 0.5243
x5→y –0.4323 0.3819 0.2433 0.3856 0.1004 –0.3475
MCFF
x1→y –0.2212 –0.1953 –0.1946 –0.0585 0.1366 –0.0788
x2→y 0.4831 0.4512 0.4250 0.2591 –0.3894 0.1565
x3→y 0.0642 0.0219 0.0170 0.0344 –0.0201 –0.0094
x4→y 0.6931 –1.2220 –0.4279 –0.5586 –0.2175 –0.0180
x5→y –0.8284 –0.4210 –0.2950 –0.2684 0.1210 0.0215
EHYR: 高产纪录试验玉米; MCFF: 普通生产田玉米。Y: 叶片衰老(即单株叶面积的减小)。
EHYR: experiment of maize with high yield record; MCFF: maize grown in conventional farmer’s field. Y: leaf senescence (Leaf re-
duction per plant, %).

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
2190 作 物 学 报 第 39卷


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[10,12,14-15,33-36], 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。
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