豫中烟区土壤与烤烟氯含量的地区分布特点及两者间的关系分析
Geographic Distribution of Chlorine Content in Soil and Flue-cured Tobacco and the Relationship between them in Tobacco-growing Areas of Central Henan
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玉米蚜 [Rhopalosiphum maidis (Fitch)]是玉米(Zea mays L.)等粮食作物上的重大害虫之一,在世界各地玉米种植区均有分布。该害虫通过吸食植株汁液,造成产量和品质下降[1-2],同时可携带植物病毒,致使健康植株感染玉米病毒病[3-4]。化学防治是玉米蚜田间防治的主要方法,但是农药3R问题日趋严重,目前利用玉米的抗蚜性解决蚜虫危害是有效途径之一[5]。GERNERT[6]首次报道了玉米对蚜虫的抗性;LONG 等[7]和BECK等[8]研究发现丁布含量与抗蚜相关;DICKE等[9]分析认为低胡萝卜素含量与抗性有关;LOUIS等[10]报道玉米抗虫性1-Cys蛋白酶对蚜虫有抑制作用。目前,中国进行玉米种质抗蚜鉴定的研究报道较少[11-12]。本课题组近年来进行了玉米抗蚜种质资源的收集和鉴定[13],评价了1463个普通玉米自交系的抗蚜级别,分析了玉米农艺性状和叶片部分理化指标的关系,其中叶片厚度、叶片硬度、单宁、可溶性糖和可溶性蛋白含量与玉米抗蚜性显著相关;研究了蚜虫为害后抗感玉米幼苗中5种保护酶(SOD、POD、CAT、PPO和PAL)、叶绿素、丙二醛、可溶性糖、可溶性蛋白质含量和光合特性及生物量的变化[14-16],但研究内容并不全面,因此本课题组进一步研究了蚜虫为害后抗感玉米品种的抗坏血酸 (ascorbic acid,AsA)、谷胱甘肽 (glutathione,GSH)、抗坏血酸过氧化物酶(ascorbic acid peroxidase,APX)含量及活性氧代谢的变化,为全面了解玉米抗蚜的生化机制奠定基础。
作物的活性氧代谢功能及AsA、GSH含量和APX活性会受到干旱、温度、水分等非生物和害虫、病原菌等生物胁迫的影响[17-18],在不良环境中作物体内活性氧浓度增加,引发保护系统启动,保护酶活性升高,是植物在逆境中重要的生理防御机制[19]。刘忠霞等[20]报道伴随干旱时间的增加苹果叶片内O2−和H2O2含量逐渐上升;刘艳等[21]研究表明:干旱胁迫致使甘草幼苗中抗坏血酸氧化酶(APX)大量积累,最终导致膜脂过氧化加剧;李天来等[22]探索了钙离子可调控植物活性氧代谢。然而关于蚜虫胁迫对抗感玉米品种叶片内AsA、GSH含量和APX活性及活性氧代谢的影响尚未报道,因此我们进行了这方面的研究。
1. 材料与方法
1.1 供试玉米品种及玉米蚜
蠡玉 16和郑单 958品种由玉米育种课题组提供,郑单 958为抗蚜品种,蠡玉 16 为感蚜品种。
供试蚜虫:本试验所用的玉米蚜(Rhopalosiphum maidis)采自凤阳县国家级农作物试验站玉米实验田,并在人工气候室内饲养于甜玉米植株上,温度为(25 ±5) ℃,相对湿度为60%,光周期为14 L∶10 D。
1.2 材料处理
种子处理方式参考武德功等[14]的方法进行,每品种播种50盆(每盆留苗3株),放置在人工气候室内,定期浇水,生长期内白日温度20~30 ℃,夜间15~20 ℃,光照时间为14 h,光照度为5000~10000 lx,黑暗10 h。待幼苗长至三叶期,将个体大小一致的成蚜或高龄若蚜用描眉笔接到叶片上,接种密度为80头/株,2 h后查看蚜虫是否丢失,然后补充。分别在0、24、48和96 h测定各项生理指标,每个处理重复3次。
1.3 生理指标测定方法
AsA和O2−的测定参照高俊凤[23]的方法;APX、GSH、H2O2和OH−的测定参照寇江涛[24]的方法。
1.4 数据统计分析
数据利用Excel 2010进行预处理和作图,并用SPSS 17.0进行单因素方差分析和邓肯氏多重比较。
2. 结果与分析
2.1 玉米蚜取食对AsA含量的影响
从图1可见:随着玉米蚜吸食时间的延长,蠡玉 16幼苗叶片中AsA含量呈升高趋势,在被玉米蚜吸食24、48和96 h后,蠡玉 16幼苗叶片中AsA含量与对照相比分别增加11.78%、16.63%和21.67%,均显著增加;随着玉米蚜吸食时间的增加,郑单 958幼苗中AsA含量呈先降后升的变化,在24 h后郑单 958幼苗叶片中AsA含量下降5.21%,低于不接蚜虫的对照(P<0.05),而在蚜虫吸食48和96 h后郑单 958幼苗叶片中AsA含量分别增加6.86%和18.48%,显著高于对照(P<0.05);玉米蚜刺吸及无蚜刺吸的蠡玉 16幼苗叶片中AsA的含量均高于郑单 958叶片内含量。与郑单 958相比,蠡玉 16幼苗叶片中AsA含量增加幅度较大,玉米蚜取食造成郑单 958幼苗叶片中AsA含量波动较小。
图 1 玉米蚜虫刺吸胁迫对不同玉米品种AsA、GSH、H2O2、OH−和O2− 含量以及APX活性的影响注:LY16-T和LY16-CK表示蠡玉 16处理组和对照组;ZD958-T和ZD958-CK表示郑单 958处理组和对照组;不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Figure 1. Effect of R. maidis feeding stress on the contents of AsA, GSH, H2O2, OH− and O2− and the activity of APX in two maize varietiesNote: LY16-T and LY16-CK mean the treatment group and control group of Liyu16; ZD958-T and ZD958-CK mean the treatment group and control group of zhengdan958; different small letters mean significat difference (P<0.05).2.2 玉米蚜取食对GSH含量的影响
由图1所示:随着玉米蚜吸食时间的延长,蠡玉 16幼苗叶片中GSH含量逐渐上升,在玉米蚜吸食24 h后,蠡玉 16幼苗叶片中GSH含量增加1.72%,与对照相比无显著差异(P>0.05),而玉米蚜吸食48和96 h后,蠡玉 16幼苗叶片中GSH含量分别增加30.27%和29.57%,显著高于对照(P<0.05)。随着玉米蚜吸食时间的延长,郑单 958幼苗叶片中GSH含量呈先降后升趋势,被吸食24 h后,郑单 958叶片中的GSH含量降低20.23%,显著低于对照(P<0.05),被吸食48和96 h后郑单 958玉米品种幼苗叶片中的GSH含量分别增加19.61%和26.54%,显著高于对照(P<0.05)。因此,玉米蚜胁迫对郑单 958和蠡玉 16的GSH含量影响均较大。
2.3 玉米蚜取食对APX活性的影响
在玉米蚜吸食过程中,蠡玉 16和郑单 958幼苗中APX活性呈现先升后降趋势(图1)。被吸食24 h后蠡玉 16幼苗叶片内APX活性增加23.93%,高于对照(P<0.05);被吸食48和96 h后,玉米品种幼苗叶片内APX活性分别下降2.42%和11.67%,均略低于对照(P>0.05)。被吸食24 h后,郑单 958幼苗叶片内APX含量增加10.87%,高于对照,但无显著差异(P>0.05);被吸食48 h后,郑单 958幼苗叶片中APX活性下降4.51%,低于对照,但差异不显著(P>0.05);被吸食96 h后,郑单 958玉幼苗叶片内APX活性下降20.61%,低于对照(P<0.05)。被吸食24 h,后对蠡玉 16幼苗叶片APX活性的影响高于郑单 958。
2.4 玉米蚜取食对H2O2含量的影响
由图1可知:被玉米蚜吸食24、48和96 h后,蠡玉 16叶片内H2O2含量之间无差异(P>0.05),但是与对照相比增加了15.57%、21.73%和19.93%,均显著高于对照(P<0.05);被吸食24、48和96 h后,郑单 958幼苗叶片内H2O2含量无显著变化(P>0.05),与对照相相比,分别增加了2.79%、6.72%和5%;其中,48和96 h显著高于对照(P<0.05)。与对照相比,玉米蚜刺吸蠡玉 16品种叶片内H2O2含量变化幅度均大于郑单 958。
2.5 玉米蚜取食对OH−含量的影响
由图1所示:随着取食时间的增加,蠡玉 16叶片中OH−含量逐渐上升,被吸食24 h后,蠡玉 16幼苗叶片中OH−含量与对照相比无显著差异(P>0.05),被吸食48 和96 h后,蠡玉 16叶片中OH−含量显著高于对照植株(P<0.05),分别增加了8.94%和15.91%。被吸食24、48和96 h后,郑单 958叶片内OH−含量显著高于对照(P<0.05),与对照相比分别增加了6.51%、6.22%和4.47%;被取食48和96 h后,蠡玉 16幼苗叶片中OH−含量变化幅度大于郑单 958玉米品种。
2.6 玉米蚜取食对O2−含量的影响
从图1可见:玉米蚜吸食蠡玉 16和郑单 958品种后,随着时间的延长O2−含量均呈上升趋势。被吸食24 h后,郑单 958幼苗叶片中O2−含量与对照相比无差异(P>0.05),被刺吸48和96 h后,郑单 958品种幼苗叶片内O2−含量显著高于无蚜刺吸对照(P<0.05),分别增加了6.15%和9.71%;被吸食24、48和96 h后,蠡玉 16叶片内O2−含量均高于无蚜虫为害的对照植株(P<0.05),与对照相比增加了15.63%、18.46%和24.26%;被刺吸48和96 h后,蠡玉 16幼苗叶片中O2−含量变化幅度显著大于郑单 958玉米品种(P<0.05)。
3. 讨论
生物经漫长的演化,具备了多种精良的防御体系,包括清除活性氧体系,生物受到胁迫时,会生成大量的活性氧,清除活性氧系统会及时快速的清理这些活性氧,减轻对植物的伤害。清除活性氧体系由保护酶体系和非酶体系组成,保护酶体系主要有SOD、POD、CAT、PPO、PAL和APX等;非酶体系主要有AsA和GSH等;其中,保护酶SOD、POD和CAT在蚜虫为害24 h时对玉米幼苗的保护作用较强,PPO和PAL在蚜虫为害48~96 h时保护作用较强[14]。本研究中随蚜虫胁迫时间的延长,AsA和GSH含量呈逐渐上升的变化,APX含量呈先上升后下降的变化,表明非酶保护物质AsA和GSH及保护酶APX都对蚜虫的胁迫有快速的响应,以清理因蚜虫胁迫产生的活性氧。但玉米蚜取食后,蠡玉 16 (感蚜)的AsA、GSH含量及保护酶APX上升幅度均高于郑单 958 (抗蚜),这一结果与文献报道[24]不一致,原因可能是本试验中抗蚜品种郑单 958对蚜虫的抵抗能力较强,在蚜虫胁迫后受到的破坏较小,产生的活性氧较少,而AsA、GSH和APX是植物受到逆境胁迫的响应防御物质,郑单 958受到的伤害较小,因此郑单 958体内的AsA、GSH和APX产生量也较少;而感蚜品种蠡玉 16对玉米蚜的抵抗力较弱,在蚜虫取食后受到的损害较大,产生的活性氧较多,所以蠡玉 16幼苗体内的AsA、GSH和APX产生量也较多。尽管蠡玉 16体内的保护酶和非酶保护物质产生量较多,能快速清理活性氧,但是活性氧已经对植株造成了伤害,所以蠡玉 16对蚜虫的抗性低于郑单 958。
生物体内的活性氧(reactive oxygen species, ROS)主要包括O2−、OH−和H2O2等,在适宜的环境中活性氧产生后迅速就被清除,一般不造成伤害,当处于不良的环境条件即逆境时,活性氧产生速率加大,如果不能迅速清理,会侵害细胞膜并氧化细胞,使细胞快速死亡,进而损害器官和有机体。因此,生物体内O2−、OH−和H2O2的含量常作为不良环境对生物伤害强弱的生理指标。
本试验中,在蚜虫为害后,蠡玉 16和郑单 958叶片内的H2O2含量在24 h时迅速升高,48和96 h时保持稳定;蠡玉16叶片内的OH−含量在玉米蚜取食24、48和96 h时呈现逐渐上升的变化,郑单 958叶片内的OH−含量在玉米蚜取食24 h时迅速升高,48 和96 h时保持稳定;随玉米蚜取食时间的延长,蠡玉 16和郑单 958的O2−含量呈现逐渐上升的变化。以上O2−、OH−和H2O2的变化情况说明玉米蚜为害对玉米幼苗活性氧的产生有影响。蚜虫取食后,郑单 958幼苗体内O2−、OH−和H2O2的含量变化强度均低于蠡玉 16,表明在蚜虫为害后郑单 958的活性氧产生量较少,活性氧的累积量相应较少,对幼苗的伤害较轻,从而表现为抗蚜。而蠡玉 16幼苗体内活性氧产生量较多,活性氧在幼苗体内迅速积累,并对细胞、组织和器官造成较大伤害,因此表现为感蚜。寇江涛等[25]研究发现:在Odentothrips loti为害后,紫花苜蓿(Medicago sativa L.)抗性品系R-1体内活性氧产生速率较慢,产生量较少,而感虫品系I-1体内的活性氧含量迅速升高,呈上升趋势;段灿星等[26]报道:在Laodelphax striatellus胁迫后,水稻抗虫品种的H2O2积累较少,而感蚜品种体内H2O2含量逐渐增加,与本试验结果一致。因此,蚜虫胁迫后活性氧(O2−、OH−和H2O2)产生量可以作为玉米是否具有抗蚜性的指标之一,对玉米品种选育早期鉴定抗蚜性具有重要的参考价值。另外,应结合抗虫性研究进一步开展害虫综合防治的工作,如生物防治[27]及害虫为害不同抗性品种后对其自身生殖发育的影响[28]。
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表 1 豫中不同地区土壤水溶性氯含量状况
Table 1 The contents of water-soluble chloride in soil in different Central Henan areas
地点location 样本数sample number 均值±标准差/(mg·kg−1) mean±SD 变异范围/(mg·kg−1) range 变异系数/% CV 平顶山Pingdingshan 43 33.14±13.69 11.03~70.65 41.32 许昌Xuchang 45 33.43±13.77 7.10~63.58 41.19 漯河Luohe 29 36.96±15.64 11.29~84.77 42.33 表 2 不同组分条件下豫中烟区土壤水溶性氯含量状况
Table 2 The contents of water-soluble chloride in soil under different components in different Central Henan areas
地点location 指标index ≤15极低extremely low >15~20较低low >20~30适宜suitable >30~40高high ≥40极高extremely high 平顶山
Pingdingshan平均值/(mg·kg-1) mean 11.14 18.01 25.23 34.38 53.05 变异系数/% CV 1.32 9.03 10.55 8.40 19.16 样本数sample number 2 4 14 13 10 变幅/(mg·kg-1) range 11.03~11.24 15.97~19.88 21.90~28.90 30.64~39.50 40.65~70.65 许昌
Xuchang平均值/(mg·kg-1) mean 11.72 19.63 25.94 35.36 51.73 变异系数/% CV 29.07 1.15 12.75 8.08 15.57 样本数sample number 4 3 15 11 12 变幅/(mg·kg-1) range 7.10~14.91 19.45~19.88 20.52~29.82 30.65~38.90 40.65~63.58 漯河
Luohe平均值/(mg·kg-1) mean 11.29 18.84 25.49 35.23 54.67 变异系数/% CV 0.00 4.61 8.56 8.97 26.21 样本数sample number 1 2 7 10 9 变幅/(mg·kg-1) range — 18.22~19.45 22.97~27.59 30.32~39.48 40.86~84.77 表 3 土壤水溶性氯含量在豫中烟区的分布
Table 3 Distribution of the water-soluble chloride content in soil in different Central Henan areas
范围/(mg·kg−1)
range平顶山
Pingdingshan许昌
Xuchang漯河
Luohe≤15 4.65 8.89 3.45 >15~20 9.30 6.67 6.90 >20~30 32.56 33.33 24.14 >30~40 30.23 24.44 34.48 ≥40 23.26 26.67 31.03 表 4 豫中不同地区烤烟氯含量状况
Table 4 The chlorine content in flue-cured tobacco in different Central Henan area
地点location 样本数sample number 均值±标准差/% mean±SD 变异范围/% range 变异系数/% CV 平顶山Pingdingshan 43 0.32±0.27 0.05~1.07 66.15 许昌Xuchang 45 0.41±0.25 0.03~0.95 57.51 漯河Luohe 29 0.43±0.24 0.01~0.60 43.75 表 5 土壤氯含量分组后对应烤烟氯含量的变化关系
Table 5 Changes of chlorine content of flue-cured tobacco in soil after grouping
土壤氯含量/(mg·kg−1)
chlorine content in soil烟叶等级/%
grade of tobacco样本数
sample number平均值±标准差/%
mean±SD变异系数/%
CVC3F ≤15 (极低) extremely low 6 7 0.18±0.14 35.00 >15~20 (较低) low 8 9 0.29±0.25 49.02 >20~30 (适宜) suitable 31 36 0.34±0.25 47.17 >30~40 (高) high 29 34 0.42±0.18 38.30 ≥40 (极高) extremely high 26 31 0.51±0.22 48.89 表 6 不同烟区烤烟氯与土壤氯含量差异
Table 6 Differences of chlorine content in flue-cured tobacco in different tobacco growing areas
指标 index 地点 location 均值±标准差 mean±SD 变幅 range 变异系数/% CV 土壤氯含量/(mg·kg−1)
chlorine content in soil平顶山Pingdingshan 33.14±13.69 a 11.03~70.65 41.32 许昌Xuchang 33.43±13.77 a 7.10~63.58 41.19 漯河Luohe 36.96±15.64 a 11.29~84.77 42.33 烤烟氯含量/%
chlorine content of tobacco leaves平顶山Pingdingshan 0.32±0.27 a 0.01~0.60 66.15 许昌Xuchang 0.41±0.25 a 0.03~0.95 57.51 漯河Luohe 0.43±0.24 a 0.05~1.07 43.75 注:相同字母表示P>0.05。
Note: The same letters mean P>0.05.表 7 豫中不同烟区烤烟氯含量分布
Table 7 The distribution of the chlorine content in flue-cured tobacco between different Central Henan tobacco growing areas
土壤氯含量/(mg·kg−1) chlorine content in soil 均值±标准差/% mean±SD 变幅/% range 变异系数/% CV ≤15 (极低) extremely low 0.18±0.14 0.02~0.57 35 >15~20 (低) low 0.29±0.25 0.07~0.45 49.02 >20~30 (适宜) suitable 0.34±0.25 0.26~0.42 47.17 >30~40 (高) high 0.42±0.18 0.34~0.43 38.3 ≥40 (极高) extremely high 0.51±0.22 0.34~0.47 48.89 -
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