全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2010, 36(4): 636−644 http://www.chinacrops.org/zwxb/
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(30800667), 第 44 批中国博士后科学基金项目(20080440824), 第 2 批中国博士后科学基金特别资助项目
(200902357)和河南省教育厅自然科学基金项目(2008A180011)资助。
* 通讯作者(Corresponding author): 李潮海, E-mail: Chaohai@371.net
第一作者联系方式: E-mail: xiulihu@126.com
Received(收稿日期): 2009-08-26; Accepted(接受日期): 2009-12-22.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2010.00636
HSP70可提高干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片抗氧化防护能力
胡秀丽 1 李艳辉 1 杨海荣 1 刘全军 1 李潮海 2,*
1河南农业大学生命科学学院; 2河南农业大学农学院, 河南郑州 450002
摘 要: 为确定热休克蛋白 70 (HSP70)提高作物耐干旱高温复合胁迫的机制, 对干旱、高温反应不同的 4 个玉米品
种的生理特性进行了研究。结果显示: (1) 在干旱、高温、干旱高温复合胁迫条件下, 叶片丙二醛(MDA)增加量以隆
玉 602最低, 驻玉 309 最高; 在干旱胁迫条件下, 郑单 958叶片 MDA含量低于浚单 20, 而在高温胁迫条件下, 浚单
20叶片 MDA含量低于郑单 958。(2) 在干旱、高温、干旱高温复合胁迫条件下, 隆玉 602、郑单 958、浚单 20三个
品种叶片抗氧化防护系统如抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱苷肽还原酶(GR)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶
(CAT)活性增加量均高于驻玉 309; 在干旱条件下, 郑单 958 叶片 APX、GR、SOD、CAT 活性增加量显著高于浚单
20, 在高温条件下, 两个品种的表现则相反; 在干旱高温复合胁迫条件下, 隆玉 602 叶片 APX、GR、SOD活性增加
量显著高于郑单 958和浚单 20。(3) HSP70抑制剂斛皮素(quercetin, Q)预处理显著抑制了 3种胁迫诱导的 4个品种叶
片抗氧化酶活性的增加。这些研究结果暗示 HSP70提高了干旱、高温、干旱高温复合胁迫诱导的抗氧化防护酶活性,
且 APX、GR、SOD这 3个抗氧化防护酶活性可以作为评价作物耐干旱、高温和干旱高温复合胁迫的生化指标。
关键词: 玉米; 干旱; 高温; 复合胁迫; 热休克蛋白
Heat Shock Protein 70 May Improve the Ability of Antioxidant Defense In-
duced by the Combination of Drought and Heat in Maize Leaves
HU Xiu-Li1, LI Yan-Hui1, YANG Hai-Rong1, LIU Qun-Jun1, and LI Chao-Hai2,*
1 College of Life Science, Henan Agricultural University; 2 College of Agronomy, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China
Abstract: In order to determine the mechanism of heat shock protein (HSP70) increasing crops endurance to the combination of
drought and heat, we investigated the physiological characteristics of four maize varieties with different responses to drought and
heat stresses. The results are as follows: (1) Under drought, heat, the combination of drought and heat, the increase of malondial-
delehyde (MDA) content in leaf was the lowest in Zhuyu 309 without endurance to three stresses and the highest in Longyu 602
with endurance to three stresses; under drought, leaf MDA increase in Zhengdan 958 with drought-endurance was less than that in
Xundan 20 leaves with heat-endurance; under heat, leaf MDA increase was more in Zhengdan 958 than in Xundan 20. (2) In
Zhengdan 958, Xundan 20, Longyu 602 leaves, the increase of ascorbate peroxidese (APX), glutathione reductase (GR), supero-
xide dismutase (SOD), catalase (CAT) activities was more than that in Zhuyu 309 leaves under drought, heat, the combination of
drought and heat; under drought, APX, GR, SOD, CAT activities of Zhengdan 958 leaves increased significantly more than those
of Xundan 20’, but those were contrary under heat; under the combination of drought and heat, APX, GR, SOD activities of
Longyu 602 leaves increased significantly more than those of Zhengdan 958 and Xundan 20. (3) The pretreatment with HSP70
inhibitor quercetin (Q) significantly inhibited the increase of antioxidant enzymes activities in leaves of four maize varieties ex-
posed to the three stresses. These results suggested that HSP70 involved in the increase of antioxidant enzyme activity in leaves of
four maize varieties exposed to drought, heat and their combination, and APX, GR, SOD activities could be used as chemical and
biological indicators to evaluate the crop endurance to drought, heat, and the combination of drought and heat stresses.
Keywords: Maize (Zea mays L.); Drought; Heat; Combination stress; HSP70
第 4期 胡秀丽等: HSP70可提高干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片抗氧化防护能力 637


非生物胁迫是造成世界作物减产的主要原因。
干旱、盐害及极端温度是限制作物产量的主要逆境
因子。以气温升高和降低土壤水分为标志的全球气候
变化, 估计 50多年后将使农作物的产量显著降低[1]。
到 2050年, 气候变化引起的主要作物产量的降低将
超过所有耕地作物产量的 50%[2]。在人类食物供应
上, 玉米有望成为世界最重要的农作物[3]。而在中国,
黄淮海地区是我国夏玉米集中产区。近年来, 随着
全球气候变暖, 干旱和高温协同胁迫已成为该区玉
米生产中频繁遇到的自然灾害, 几乎发生在玉米整
个生长时期, 严重影响玉米产量。但目前为止, 对这
两种胁迫的研究多集中于单一因子, 与生产实际有
较大差距。因此, 了解玉米响应干旱高温复合胁迫
的机制将对玉米抗逆栽培有重要意义。
活性氧(ROS), 如 O2－．和 H2O2的变化是植物响
应生物和非生物胁迫的典型特征[4-5]。干旱、高温能
迅速诱导植物体内积累 ROS, 对蛋白质、DNA和脂
类引起氧化损伤[6-8]。热休克蛋白(HSPs)是植物细胞
内重要的分子伴侣, 也是植物对逆境胁迫短期适应
的重要组成成分, 对减轻逆境胁迫引起的伤害起着
重要作用[9]。前人的研究显示, 干旱、高温、干旱高温
复合胁迫均能诱导HSP70表达[10-13], 而植物体内H2O2
的积累能够诱导 sHSP (小分子量的 HSP)表达[14-15]。但
目前对 H2O2 能否诱导 HSP70 表达, 以及 H2O2 与
HSP70 在干旱、高温, 尤其是干旱高温复合胁迫诱
导的抗氧化防护系统中的关系并不清楚。
本研究中, 我们以耐干旱、耐高温、耐干旱高
温复合胁迫以及对 3种胁迫处理均敏感的 4个玉米
品种为试验材料, 对 H2O2、HSP70和抗氧化防护系
统如抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱苷肽还原酶
(GR)、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)
活性之间的关系进行研究。以期提高对 HSPs 调控
植物忍耐胁迫的信号转导作用更深刻理解 , 并为
通过转基因手段提高玉米胁迫忍耐力提供理论依
据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
1.1.1 材料的筛选 以近年来黄淮海地区应用的
35个玉米品种(生育类型见表 1)为材料, 对试验种子
用 2% NaOCl消毒 10 min, 自来水冲洗后浸种 8 h,
然后在培养箱中 28℃发芽 1 d, 随后选取萌发一致
的种子种在盛有培养介质的周转箱中, 并放在人工
气候室中培养, 当第 6 片叶完全展开时, 开始对幼
苗进行胁迫处理。干旱胁迫是从第 6 片叶完全展开
后, 停止浇水直到所有品种的幼苗相继旱死, 通过
比较, 筛选出耐旱性最强的品种郑单 958。按照图 1
模拟的田间温度变化梯度进行抗高温胁迫品种的筛
选, 待所有品种的幼苗相继枯死后, 通过比较筛选
出耐高温最强品种浚单 20。干旱高温复合胁迫处理
时, 将受干旱胁迫的玉米同时进行高温胁迫, 筛选
出耐干旱高温复合胁迫最强的品种隆玉 602。对干
旱、高温、干旱高温复合胁迫均敏感的品种为驻玉
309。材料的筛选是 3次试验重复的结果。

图 1 高温胁迫筛选材料时一天中温度的设置
Fig. 1 Temperature during the day in screening materials
under heat stress

1.1.2 材料的培养与胁迫处理 供试玉米种子经
0.2% NaOCl消毒 10 min, 用自来水冲洗后浸种 8 h,
然后在培养箱中 28℃发芽 1 d, 随后选取萌发一致
的种子种在盛有Hoagland营养液作培养介质的周转
箱中, 并放在光照培养箱(型号: PYX-250Q-B)中进
行培养。光照培养箱中的温度控制在 28 /22 (℃ ℃ 昼/
夜), 光合有效辐射(PAR)为 400 μmol m−2 s−1, 相对
湿度(75±5)%, 光周期 14 h/10 h (昼/夜)。待幼苗第 2
片叶完全展开后, 对整体植株进行干旱、高温以及
干旱高温协同胁迫处理。干旱胁迫是把植株放在盛
有 PEG6000 (−0.7 MPa)溶液的周转箱中进行处理;
高温胁迫在光照培养箱中模拟 , 温度从对照温度
(28 )℃ 以 2 h℃ −1递增到 42 , ℃ 并在 42℃维持 1 h。
干旱高温复合胁迫处理是对受干旱胁迫的玉米同时
施加高温胁迫。在整个实验过程中用蒸馏水处理作
对照。在抑制剂或清除剂实验中 , 植株放在盛有
H2O2 清除剂 30 mmol L−1 碘化钾(KI, 缩写为 I)或
638 作 物 学 报 第 36卷

表 1 供试 35个玉米品种的生育类型
Table 1 Types of growth and development for 35 maize varieties tested
品种名称
Variety name
粒型
Grain type
株型
Plant ideotype
生育期
Growth stage
叶片数
Leaf number
隆玉 602 Longyu 602 半硬粒 Half-flint 半紧凑 Half-compact-type 95 21
驻玉 309 Zhuyu 309 半硬粒 Half-flint 半紧凑 Half-compact-type 96 21
郑单 958 Zhengdan 958 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 95 20
浚单 20 Xundan 20 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 96 20
浚单 22 Xundan 22 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 96 20
安玉 5号 Anyu 5 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 98 19
浚单 18 Xundan 18 半硬粒 Half-flint 紧凑 Compact-type 98 21
中科 4号 Zhongke 4 硬粒 Flint 半紧凑 Half-compact-type 98 20
金符 36 Jinfu 36 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 95 20
天泰 60 Tiantai 60 马齿 Dent 半紧凑 Half-compact-type 102 21
鲁单 981 Ludan 981 半马齿 Half-dent 半紧凑 Half-compact-type 95 20
豫玉 23 Yuyu 23 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 98 19
济单 7号 Jidan 7 马齿 Dent 紧凑 Compact-type 102 20
中科 11 Zhongke 11 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 98 21
蠡玉 16 Liyu 16 半马齿 Half-dent 半紧凑 Half-compact-type 99 21
张玉 9号 Zhangyu 9 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 95 20
新单 23 Xindan 23 马齿 Dent 半紧凑 Half-compact-type 96 20
滑 986 Hua 986 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 100 20
群英 8号 Qunying 8 硬粒 Flint 半紧凑 Half-compact-type 98 20
农大 108 Nongda 108 半马齿 Half-dent 半紧凑 Half-compact-type 103 20
浚 009 Xun 009 马齿 Dent 紧凑 Compact-type 96 20
金豫 8号 Jinyu 8 马齿 Dent 半紧凑 Half-compact-type 98 21
新单 26 Xindan 26 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 98 20
金赛 29 Jinsai 29 半马齿 Half-dent 半紧凑 Half-compact-type 95 20
洛玉 4号 Luoyu 4 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 96 21
鲁单 9002 Ludan 9002 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 98 20
农乐 988 Nongle 988 半马齿 Half-dent 半紧凑 Half-compact-type 99 21
漯单 8号 Luodan 8 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 95 21
洛玉 5号 Luoyu 5 硬粒 Flint 紧凑 Compact-type 95 20
蠡玉 35 Liyu 35 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 95 20
豫优天泰 60 Yuyoutiantai 60 半马齿 Half-dent 半紧凑 Half-compact-type 102 21
沈玉 16 Shenyu 16 半马齿 Half-dent 半紧凑 Half-compact-type 100 21
白轴 981 Baizhou 981 半马齿 Half-dent 半紧凑 Half-compact-type 95 20
先玉 335 Xianyu 335 半马齿 Half-dent 紧凑 Compact-type 98 20
登海 602 Denghai 602 马齿 Dent 紧凑 Compact-type 100 20

HSP70抑制剂 200 μmol L−1斛皮素[化学式为 2-(3,4-
dihydroxyphenyl)-3,5,7-trihydroxy-4H-chromen-4-one]
溶液的周转箱中预处理 5 h 后 , 用蒸馏水或
PEG6000 换掉清除剂或抑制剂溶液。周转箱中盛有
蒸馏水的玉米苗分为两批, 一批作为对照; 一批作
为高温胁迫处理。周转箱中盛有 PEG6000溶液的玉
米苗也分为两批, 一批作为干旱胁迫; 一批同时施
加高温, 作为干旱高温复合胁迫处理。以上各种处
理均为 8 h, 之后分别剪取叶片和根放在液氮中储存,
用于有关项目的分析测定。
1.2 测定项目与方法
1.2.1 抗氧化防护酶活性的测定 依据 Jiang 等[16]
的方法制备粗酶液及测定 SOD、CAT、APX 和 GR
活性。
第 4期 胡秀丽等: HSP70可提高干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片抗氧化防护能力 639


1.2.2 蛋白含量测定 根据 Bradford[17]的方法测
定酶液蛋白。
1.2.3 丙二醛(MDA)含量的测定 参照 Heath等[18]
的硫代巴比妥(TBA)法。
1.2.4 HSP70基因表达 RT-PCR分析 用 QIAG-
EN 公司的 RNeasy 植物试剂盒, 按操作说明提取总
RNA。用Oligo(dT)和 SuperScript II反转录酶(Invitro-
gen)对 3 µg 的总 RNA 进行反转录。为了结果的可
比性, β-actin的反转录也被测定并用作内参。
PCR 扩增 cDNA 所用引物为 HSP70: forward
5-TGAGGATGAGGAGCACAAG-3和 reverse 5-AC
CGCACCAACTGACGAT-3; β-actin: forward 5-AAA
TGACGCAGATTATGTTTGA-3和 reverse 5-GCTC
GTAGTGAGGGAGTACC-3, 反应产物用 1%的琼脂
糖凝胶电泳检测, EB染色照相。
1.2.5 H2O2 组织化学测定 采用 Orozco-Carde-
nas 和 Ryan[19]的方法。在过氧化物酶存在时, H2O2
与二甲基联苯胺(3,3’-diaminobenzidine, DAB)反应
生成深棕色的多聚产物, 根据颜色可以判断过氧化
物酶的位置及含量。用刀片从茎基部截取玉米植株,
把切口端放在 pH 3.8, 5 mmol L−1 DAB溶液中, 25℃
光照条件下吸收 5 h后, 用蒸馏水或 PEG6000换掉
DAB 溶液, 进行干旱、高温及干旱高温协同胁迫处
理 8 h。将处理后的玉米叶片放在 95%乙醇中煮沸
15 min, 以除去叶片中的叶绿素。然后放置在新鲜的
95%乙醇中, 待叶绿素完全脱去, 进行拍照。
1.3 数据分析
实验结果是 6 次实验数据的平均值。对这些平
均值在 α 为 5%的水平上进行方差分析和 Duncan’s
多重比较。
2 结果与分析
2.1 干旱、高温、干旱高温复合胁迫对不同玉米
品种 MDA增量的影响
由图 2 所示, 在干旱、高温、干旱高温复合胁
迫条件下, 驻玉 309 叶片 MDA 含量的增加幅度(与
各自的对照比较 , 下同)均显著高于郑单 958、浚单
20、隆玉 602, 说明驻玉 309对 3种胁迫的耐性均较
弱, 而隆玉 602在 3种胁迫条件下, 叶片MDA增加
量则显著低于郑单 958、浚单 20 和驻玉 309, 说明
该品种对 3 种胁迫耐性均较强; 在干旱胁迫条件下,
郑单 958 叶片 MDA 增加量显著低于浚单 20; 在高
温和干旱高温复合胁迫条件下, 浚单 20 叶片 MDA
增加量显著低于郑单 958, 说明郑单 958耐旱性较强,
浚单 20耐高温能力较强。

图 2 抗性不同的 4个玉米品种幼苗叶片在 5 h干旱、高温、干
旱高温复合胁迫条件下 MDA增加量(与各自对照的差值)比较
Fig. 2 Comparison of MDA increase of seedlings leaves in four
maize varieties with different stress-endurance levels under
drought, heat, and the combination of drought and heat stresses
for 5 h, respectively
ZY、ZD、SD、LY分别代表驻玉 309、郑单 958、浚单 20、隆
玉 602; D、H、DH分别代表干旱、高温、干旱高温复合胁迫 3
种处理。实验重复 6次。相同胁迫条件下不同字母标注的误差
棒表示在 P <0.05的水平上差异显著。
ZY, ZD, SD, and LY are the abbreviations of maize varieties Zhuyu
309, Zhengdan 958, Xundan 20, and Longyu 602, respectively; D,
H, and DH are the abbreviations of drought, heat, and the combina-
tion of drought and heat stresses, respectively. Values are means
±SE (n=6). Bars for the same treatment denoted by the different
letter are significantly different at P <0.05.

2.2 干旱、高温、干旱高温复合胁迫对不同玉米
品种 H2O2积累的影响
经干旱、高温、干旱高温复合胁迫处理后, 4个
耐性不同的玉米品种在形态上表现出很大差异。3
种胁迫处理条件下, 驻玉 309 叶片均最早表现出萎
蔫 , 且处理结束后萎蔫最重 ; 隆玉 602叶片出现萎
蔫最迟, 且程度最轻; 在干旱条件下, 郑单 958的萎
蔫程度轻于浚单 20; 在高温、干旱高温复合胁迫条
件下, 浚单 20的萎蔫程度均略轻于郑单 958。
用过氧化物酶催化 DAB 和 H2O2反应生成棕色
产物的组织化学方法, 检测了 3 种胁迫处理诱导的
玉米叶片 H2O2原位积累情况(图 3)。由图 3 可以看
出, 正常条件下, 4个玉米品种 H2O2积累并差异不
大(图 3-A), 而在干旱(图 3-B)、高温(图 3-C)、干旱
高温复合胁迫(图 3-D)条件下, 则表现出较大差异。
3 种胁迫条件下, 均表现为驻玉 309 叶片 H2O2沉积
最多, 隆玉 602叶片积累最少。在干旱条件下, 浚单
20叶片积累的 H2O2明显多于郑单 958, 在高温、干
旱高温复合胁迫条件下, 郑单 958叶片积累的 H2O2
均略多于浚单 20。
640 作 物 学 报 第 36卷


图 3 DAB染色对玉米叶片中 H2O2的组织化学定位
Fig. 3 The histochemical detection of H2O2 with DAB staining in maize leaves
A、B、C、D分别是蒸馏水(对照)、干旱、高温、干旱高温复合胁迫处理时玉米叶片 H2O2积累。在每张图片中, 自左到右分别是驻
玉 309、郑单 958、浚单 20、隆玉 602玉米叶片。
A, B, C, and D are the pictures showing H2O2 accumulation of maize leaf in the treatments of distill water (control), drought; heat, the com-
bination of PEG and heat respectively. In each picture, it is the leaf of Zhuyu 309, Zhengdan 958, Xundan 20, and Longyu 602 from left to right.

2.3 H2O2 参与了干旱、高温、干旱高温复合胁
迫诱导的 HSP70基因表达
与各自对照相比(图 4-A, B, C, D泳道 1), 干旱

图 4 H2O2清除剂 I对 HSP70基因表达的影响
Fig. 4 Effect of H2O2 scavenger I on HSP70 expression
用 30 mmol L−1 I预处理 5 h后, 玉米幼苗再接受干旱、高温、干
旱高温复合胁迫处理 8 h。A、B、C、D、E分别代表驻玉 309、
郑单 958、浚单 20、隆玉 602、β-actin。1: 蒸馏水(对照); 2: 干
旱; 3: 高温; 4: 干旱高温复合胁迫处理; 5: I +干旱; 6: I +高温;
7: I +干旱高温复合胁迫。
After pretreatment with 30 mmol L−1 I for 5 h, maize seedlings
exposed to PEG, heat, and the combination of PEG and heat for 8 h,
respectively. 1: distill water (control); 2: PEG; 3: heat; 4: PEG and
heat; 5: I + PEG; 6: I+ heat; 7: I + PEG and heat. A, B, C, D, E:
Zhuyu 309, Zhengdan 958, Xundan 20, Longyu 602, β-actin, re-
spectively.
(图 4-A, B, C, D泳道 2)、高温(图 4-A, B, C, D泳道
3)、干旱高温复合胁迫(图 4-A, B, C, D泳道 4)均显
著诱导了 4 个玉米品种 HSP70 基因的表达。且在 3
种胁迫条件下, 均是隆玉 602 叶片 HSP70 的增加量
最多 , 其次是浚单 20、郑单 958, 驻玉 309 叶片
HSP70表达增加量最少。但用 30 mmol L−1的 H2O2
清除剂预处理后, 显著抑制了 3 种胁迫诱导的 4个
玉米品种 HSP70表达量(图 4-A, B, C, D泳道 6, 7)。
2.4 干旱、高温及干旱高温复合胁迫对玉米抗氧
化防护酶活性的影响
为了确定抗氧化防护酶是否可以作为评价作物
耐干旱、高温和干旱高温复合胁迫的生化指标, 对
不耐干旱、高温及干旱高温复合胁迫的驻玉 309、
耐干旱不耐高温的郑单958、耐高温不耐干旱的浚单
20、耐干旱高温复合胁迫的隆玉 602 等 4 个玉米品
种在 3种胁迫条件下抗氧化防护酶活性的增加量(与
各自对照的差值)进行了比较。从图 5 可以看出, 在
同一胁迫条件下, 不仅 4 个品种之间抗氧化防护酶
比活力增加量不同, 且 APX、GR、SOD、CAT变化
规律也存在差异。APX (图 5-A)、GR (图 5-B)变化
相似。在 3 种胁迫条件下, 驻玉 309 叶片 APX、GR
的比活力增加量最低, 而隆玉 602 叶片增加量最高。
在干旱条件下, 郑单 958 叶片 APX、GR增加量显著
第 4期 胡秀丽等: HSP70可提高干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片抗氧化防护能力 641


高于浚单 20, 而在高温条件下, 浚单 20则显著高于郑
单 958。对于 SOD (图 5-C), 3种胁迫诱导条件下驻玉
309显著低于其他 3个品种, 郑单 958、浚单 20、隆玉
602叶片 SOD增加量分别在干旱、高温、干旱高温复
合胁迫条件下表现为最大, 且品种之间差异显著。
3种胁迫诱导下, 4个玉米品种叶片 APX、GR、
SOD活性增加量均有依次增加的趋势, 而 CAT活性
(图 5-D)增加量有依次降低的趋势。3种胁迫诱导的
驻玉 309叶片 CAT活性增加量均是这 4个品种中最
小的, 但在干旱高温复合条件下, 与隆玉 602 叶片
CAT增加量差异不显著。在干旱条件下 , 郑单 958
叶片中 CAT活性增加量最大, 其次是隆玉602; 在高
温以及干旱高温复合胁迫条件下 , 浚单 20 叶片
CAT活性增加量最大, 其次是郑单 958。

图 5 抗性不同的 4个玉米品种幼苗叶片在干旱、高温、干旱高温复合胁迫条件下 APX、GR、SOD、CAT活力增加量(与各自对照
的差值)比较
Fig. 5 Comparison of increases of APX, GR, SOD, CAT activities of seedlings leaves in four maize varieties with different
stress-resistance levels under drought, heat and the combination of drought and heat for 5 h, respectively
图中的多重比较分别是在每种胁迫处理条件下 4个品种酶活力增加值之间的比较。不同字母代表差异显著(P <0.05)。缩写标注参照图 2。
The multiple comparisons were made among the enzyme activity increase of four maize varieties under each stress treatment. Bars for the
same treatment denoted by the different letter are significantly different at P <0.05. The abbreviations are the same as those in Fig. 2.

2.5 HSP70对干旱、高温、干旱高温复合胁迫诱
导的抗氧化防护酶活性影响
HSP70抑制剂预处理结果表明(图 6), HSP70抑
制剂显著抑制了 4个玉米品种幼苗叶片 APX、GR、
SOD、CAT活性的提高, 表明 HSP70与干旱、高温
诱导的玉米叶片抗氧化防护酶活性的提高有关。
3 讨论
本研究中, 热胁迫处理是以 2℃ h−1逐渐升高, 直
到 42 , ℃ 模拟了大田条件下温度的升高方式, 而不是
直接升高到胁迫温度, 这种处理方式可能诱导了玉米
幼苗对热胁迫的部分适应, 因此更具实践意义。
642 作 物 学 报 第 36卷


图 6 在干旱、高温、干旱高温复合胁迫条件下 HSP70抑制剂对抗性不同的 4个玉米品种幼苗叶片 APX、GR、SOD、CAT酶活力
提高的影响
Fig. 6 The effect of HSP70 inhibitor on the enhancement of APX, GR, SOD, CAT activities of seedlings leaves in four maize varieties
with different stress-resistance levels under drought, heat and the combination of drought and heat stresses for 5 h, respectively
Q+D、Q+H、Q+DH分别是 HSP70抑制剂 200 μmol L−1 Q预处理 5 h后再进行干旱、高温、干旱高温复合胁迫处理后的缩写; 缩写同
图 2。
Q+D, Q+H, Q+DH are the abbreviations of drought, heat and the combination of drought and heat treatments, respectively, after HSP70 in-
hibitor 200 μmol L−1 Q pretreatment for 5 h. Abbreviations are the same as those in Fig. 2.

ROS具有双重功能, 低水平的 ROS在调控植物
正常发育及对环境胁迫反应中起着重要作用; 过量
的 ROS 会破坏蛋白质、DNA 及脂类等生物大分子,
导致细胞氧化损伤。而 MDA 是植物膜脂过氧化物
作用的最终产物, 具有细胞毒性, 是膜系统受害的
重要标志之一[10]。因此, MDA含量的变化可以作为
植物对逆境抗、耐性的间接指标[18,20-21]。本文的研
究结果不仅证实了在胁迫条件下耐性强的玉米品种
第 4期 胡秀丽等: HSP70可提高干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片抗氧化防护能力 643


叶片 MDA 的积累显著低于抗性弱的玉米品种, 且
证实了耐复合胁迫的玉米品种叶片 MDA 的增加量
均低于仅耐单一胁迫因子的玉米品种。3 种胁迫诱
导的 4个玉米品种 H2O2积累的变化与MDA的变化
类似。
植物体内包含着酶促和非酶促两类清除 ROS
的保护机制。酶促系统包括 APX、GR、SOD、CAT
等; 非酶促系统主要包括抗坏血酸(ASC)、还原型谷
胱甘肽(GSH)等小分子。研究表明, 干旱、高温、干
旱高温复合胁迫均能诱导玉米 APX、GR、SOD、
CAT 活性的提高, 且其增加量与玉米品种的耐逆性
有关。在胁迫条件下, 耐性强的玉米品种叶片酶活
增加量显著高于耐性弱的品种。在干旱条件下, 郑
单 958 叶片 APX、GR、SOD、CAT 活性增加量显
著高于浚单 20, 而在高温条件下, 浚单 20则显著高
于郑单 958; 在干旱高温复合胁迫条件下, 隆玉 602
叶片 APX、GR、SOD活性增加量显著高于郑单 958
和浚单 20。因此, APX、GR、SOD可以作为评价作
物是否耐干旱、高温和干旱高温复合胁迫的生化
指标。
4个玉米品种叶片 CAT活性在高温、干旱高温
复合胁迫条件下的增加量与干旱条件下相比显著减
小, 表明 CAT 活性存在高温抑制, 这与其他研究结
果相似[22-23]。CAT 活性受高温抑制可能有两方面的
原因, 一是在高温胁迫条件下, 中等光强即可导致
CAT 光失活。虽然 CAT 参与了 H2O2的清除, 但由
于胁迫引起的翻译被抑制或降解提高, 其稳态水平
迅速下降[14]; 二是 CAT活性的最适温度为 20℃[24]。
有机体在受到逆境胁迫后, 体内蛋白质变性急
剧增加, HSPs 可以与变性蛋白结合, 维持它们的可
溶状态, 使解折叠的蛋白质重新折叠成有活性的构
象, 同时还可以重新激活某些酶, 以维护细胞的功
能[25-28]。本文中, H2O2清除剂显著抑制了 3 种胁迫
处理诱导的玉米叶片 HSP70 基因的表达 , 而用
HSP70 抑制剂预处理显著抑制了 3 种胁迫诱导的 4
个玉米品种叶片抗氧化酶活性的增加。这暗示干旱、
高温、干旱高温复合胁迫诱导的玉米叶片中 HSP70
的表达与 H2O2之间存在相关性。H2O2促进了 HSP70
的合成, 进一步提高了抗氧化酶活性, 由此抑制了
H2O2的积累。其他的研究结果显示 Pb 胁迫诱导蚕
豆幼苗叶片 HSP70 表达和抗氧化酶活性提高, 且
HSP70 与 O2－．有显著的相关性[29-30]。综合上述结果
可以看出, ROS诱导的 HSP70的表达可能参与了变
性蛋白的清除。
4 结论
遗传背景不同的玉米品种在干旱、高温或复合
胁迫条件下, 抗氧化防护酶活性增加幅度存在本质
差异。耐 3种胁迫的玉米品种在相应的逆境条件下,
抗氧化防护酶活性增加的幅度显著高于敏感的品种,
而 MDA 含量增加的幅度则表现相反。表明胁迫条
件下, 抗氧化酶防护系统清除 ROS的能力强、膜脂
过氧化程度低是具有耐逆性基因型玉米的主要生理
特征。H2O2能够诱导 HSP70基因表达, 并由此显著
提高抗氧化防护酶活性, 提高玉米清除过量H2O2的
能力。
References
[1] Thomson A M, Brown R A, Rosenberg N J, Izaurralde R C,
Benson V. Climate change impacts for the conterminous USA:
An integrated assessment. Part 3. Dryland production of grain
and forage crops. Clim Change, 2005, 69: 43−65
[2] Bray E A, Bailey-Serres J, Weretilnyk E. Responses to abiotic
stresses. In: Gruissem W, Buchannan B, Jones R, eds. Bioche-
mistry and Molecular Biology of Plants. American Society of
Plant Physiologists, Rockville, MD, 2000. pp 1158−249
[3] Pingali P L. CIMMYT 1999–2000 Facts and Trends. Meeting
World Maize Needs: Technological Opportunities and Priorities
for the Public Sector. Mexico: CIMMYT, 2001. pp 1−60
[4] Dat J F, Pellinen R, Beeckman T, Cotte B V D, Langebartels C,
Kangasja J, Inze R, Breusegem F V. Changes in hydrogen
peroxide homeostasis trigger an active cell death process in
tobacco. Plant J, 2003, 33: 621−632
[5] Neil S L, Desikan R, Hancock J T. Hydrogen peroxide signling.
Curr Opin Plant Biol, 2002, 5: 388−395
[6] Volkov R A, Panchuk I I, Mullineaux P M, Schöffl F. Heat
stress-induced H2O2 is required for effective expression of heat
shock genes in Arabidopsis. Plant Mol Biol, 2006, 61: 733−746
[7] Hu X L, Jiang M Y, Zhang J H, Tan M P, Zhang A Y. Cross-talk
between Ca2+/CaM and H2O2 in abscisic acid-induced antioxidant
defense in leaves of maize plants exposed to water stress. Plant
Grow Regul, 2008, 55: 183−198
[8] Apel K, Hirt H. Reactive oxygen species: Metabolism, oxidative
stress, and signal transduction. Annu Rev Plant Biol, 2004, 55:
373−399
[9] Basha E, Lee G J, Demeler B, Vierling E. Chaperone activity of
cytosolic small heat shock proteins. Eur J Biochem, 2004, 271:
1426−1436
[10] Oono Y, Seki M, Nanjo T, Narusaka M, Fujita M, Satoh R, Satou
M, Sakurai T, Ishida J, Akiyama K, Iida K, Maruyama K, Satoh S,
Yamaguchi-Shinozaki K, Shinozaki K. Monitoring expression
profiles of Arabidopsis gene expression during rehydration pro-
cess after dehydration using ca. 7000 full-length cDNA microar-
ray. Plant J, 2003, 34: 868−887
[11] Rizhsky L, Hongjian L, Mittler R. The combined effect of
drought stress and heat shock on gene expression in tobacco.
644 作 物 学 报 第 36卷

Plant Physiol, 2002, 130: 1143−1151
[12] Rizhsky L, Liang H, Shuman J, Shulaev V, Davletova S. When
defense pathways collide. The response of Arabidopsis to a com-
bination of drought and heat stress. Plant Physiol, 2004, 134:
1683−1696
[13] Cho E K, Choi Y J. A nuclear-localized HSP70 confers thermo-
protective activity and drought-stress tolerance on plants. Bio-
technol Lett, 2009, 31: 597−606
[14] Dat J, Vandenabeele S, Vranová E, Van Montagu M, Inzé D, Van
Breusegem F. Dual action of the active oxygen species during
plant stress responses. CMLS Cell Mol Life Sci, 2000, 57:
779−795
[15] Mittler R. Oxidative stress, antioxidants and stress tolerance.
Trends Plant Sci, 2000, 7: 405−410
[16] Jiang M Y, Zhang J H. Water stress-induced abscisic acid accu-
mulation triggers the increased generation of reactive and
up-regulates the activies of antioxidant enzymes in maize leaves.
J Exp Bot, 2002, 53: 2401−2410
[17] Bradford M M. A rapid and sensitive method for the quantitation
of microgram quantities of protein utilizing the principle of pro-
tein-dye binding. Anal Biochem, 1976, 72: 248−254
[18] Heath R L, Parker L. Photoperoxidation in isolated chloroplasts
kinetics and stoichiometry of fatty acid peroxidation. Arch Bio-
phys, 1968, 25: 189−198
[19] Orozco-Cárdenas M L, Ryan C A. Hydrogen peroxide is gene-
rated systemically in plant leaves by wounding and systemin via
the octadecanoid pathway. Proc Natl Acad Sci USA, 1999, 96:
6553−6557
[20] Liang Y(梁颖), Wang S-G(王三根). The protection function of
Ca2+ on the membrane of rice seedlings under low temperature
stress. Acta Agron Sin (作物学报), 2001, 27(1): 59−63 (in Chi-
nese with English abstract)
[21] Ma S-Y(马淑英), Zhao M(赵明). Regulations of calcium on the
salt tolerance in Arabidopsis. Acta Agron Sin (作物学报), 2006,
32(11): 1706−1711 (in Chinese with English abstract)
[22] Rizhsky L, Hongjian L, Mittler R. The combined effect of
drought stress and heat shock on gene expression in tobacco.
Plant Physiol, 2002, 130: 1143−1151
[23] Dat J F, Foyer C H, Scott I M. Changes in salicylic acid and an-
tioxidants during induction of thermotolerance in mustard seed-
lings. Plant Physiol, 1998, 118: 1455−1461
[24] Aebi H. Catalase in vitro. Methods Enzymol, 1984, 105: 121−125
[25] Gulli M, Rampino P, Lupotto E, Marmiroli N, Perrotta C. The
effect of heat stress and cadmium ions on the expression of a
small hsp gene in barley and maize. J Cereal Sci, 2005, 42:
25−31
[26] Guo S H, Wharton W, Moseley P, Shi H L. Heat shock protein
70 regulates cellular redox status by modulating glu-
tathione-related enzyme activities. Cell Stress & Chaperones,
2007, 12: 245−254
[27] Bukau B, Weissman J, Horwich A. Molecular chaperones and
protein quality control. Cell, 2006, 125: 443−451
[28] Voellmy R, Boellmann F. Chaperone regulation of the heat shock
protein response. Adv Exp Med Biol, 2007, 594: 89−99
[29] Wang C R, Wang X R, Tian Y, Xue Y G, Xu X H, Sui Y X, Yu H
X. Oxidative stress and potential biomarkers in tomato seedlings
subjected to soil lead contamination. Ecotoxicol Environ Saf,
2008, 71: 685−691
[30] Wang C R, Wang X R, Tian Y, Yu H X, Gu X Y, Du W C, Zhou
H. Oxidative stress, defense response, and early biomarkers for
lead-contaminated soil in Vicia faba seedlings. Environ Toxicol
Chem, 2008, 27: 970−977