調虧灌溉對棉花葉片和根系保護酶活性的影響

孫路，張世民，羅新寧*

(1塔里木大學植物科學學院，新疆 阿拉爾 843300)

(2新疆生產建設兵團種子管理總站，新疆 烏魯木齊 830011)

由于氣候變化，極端天氣的頻繁發生已經引起了科學家們的廣泛關注[1]。降水量的減少使得干旱發生的頻率不斷上升，這限制了植物生長并降低世界范圍內作物產量和生產能力[2-3]。干旱的環境條件極大影響了作物的生長和發育[4-5]，在正常條件下植物體內活性氧含量處于動態平衡，然而在各種脅迫條件下活性氧逐漸積累使脂膜過氧化，最終使細胞死亡。為了應對各種逆境，植物在長期的進化過程中，產生抗氧化酶系統[6]。抵御活性氧的氧化反應能力取決于細胞的抗氧化酶，其中主要的活性氧清除酶包括超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）[7-8]，它們能有效清除細胞內積累的活性氧，減緩對細胞膜造成的傷害，為植物生長發育創造穩定的內環境。丙二醛（MDA）是細胞膜脂過氧化的產物，研究者大多將其含量高低作為植物受逆境脅迫程度的指標[9]。許多科學家在玉米[10]、小麥[11]、水稻[12]等作物中發現抗氧化酶活和丙二醛含量與植物抗逆性密切相關。

棉花作為重要的紡織原料，在全球經濟中占有重要地位[13]，在我國主要分布在長江流域、黃河流域和西北內陸。新疆作為我國的產棉大省，光照資源豐富，降雨量稀少，棉花在生育期極易遭受干旱[14]。調虧灌溉是利用棉花的抗旱機制對棉花進行水分管理，該方式可大幅度減少棉花灌水量，且保持產量不受影響，因此該技術越來越受到重視。棉花葉片是重要的光合器官，90%以上的干物質積累均來自于葉片，后期葉片早衰對棉花產量有明顯的負面影響[15-16]。BAUER P J等[17]和 PENG S等[18]發現葉片衰老會抑制光合作用和棉花纖維發育。此外，根系不僅參與礦質營養和水分的吸收，還參與激素和氨基酸合成與植物固定[19]，而且它的生理特性與植物抗旱性密切相關，在干旱發生時反應最為敏感[20]。部分研究表明，棉花早衰也有可能是后期根系從表層土壤吸收養分能力較弱造成的。大量的研究發現并驗證了棉花葉片的抗氧化酶系統在逆境中的作用，但當土壤干旱時，作物根系首先受到脅迫[21]。因此，只研究干旱對葉片抗氧化酶活性的影響并不能明確作物抗旱機制，需要同時研究葉片和根系兩種器官的抗氧化酶活性對干旱的響應。本試驗研究棉花葉片和根系保護酶在調虧灌溉條件下的變化趨勢，以期揭示棉花的抗旱機制，為干旱和半干旱地區棉花抗旱研究提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年在中國農業科學院棉花研究所阿拉爾試驗站（40°36'N，81°18'E）進行，屬暖溫帶極端大陸性干旱荒漠氣候，光照充足、熱量豐富，年均氣溫10.7℃，≥10℃積溫4 113℃，無霜期220 d，年日照2 900余小時，年均降水量為40.1～82.5 mm，年均蒸發量1 876.6～2 558.9 mm。

1.2 供試材料與試驗設計

本試驗采用兩因素隨機區組設計，供試材料為CCRI-60和CCRI-92兩個品種。灌水處理為：CK(4 500 m3/hm2)、W1(3 000 m3/hm2)和 W2(1 500 m3/hm2)，其中W1和W2為調虧灌溉，6個處理，重復3次，共計18個小區，根據小區面積用流量計精確控制灌水量。4月16日播種，6月9日開始灌溉，每7 d左右灌一次水，7月6日打頂，10月1日收獲。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 取樣

葉片取樣：生育期內每隔10～20 d左右采集各處理6株棉花倒4葉，放入冰盒帶回實驗室，液氮速凍而后放入冰箱保存，備用。

根系取樣：根系取樣參考龔江等[22]方法。以棉株為圓心在距棉株 5cm，將 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤分層取出。裝入網兜用自來水沖洗干凈，放入冰盒帶回實驗室，液氮速凍后放入冰箱保存，備用。

1.3.2 測定

丙二醛采用硫代巴比妥法（TBA）測定；過氧化物歧化酶采用試劑盒法測定（南京建成生物工程研究所）；過氧化物酶采用愈創木酚法測定[23]；過氧化氫酶采用紫外吸收法測定[24]。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003軟件對數據進行處理和繪圖，采用DPS 9.50統計分析軟件對數據進行差異顯著性檢驗（LSD，α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 調虧灌溉葉片及根系丙二醛含量的影響

由圖1可知，隨著干旱時間的延長，MDA含量逐漸增加，說明干旱造成脂膜過氧化。兩品種比較發現，CCRI-92的CK、W2處理葉片MDA含量明顯高于CCRI-60葉片，而CCRI-92和CCRI-60的W1處理沒有明顯差異。CCRI-60葉片W1處理比CK高，W2處理雖然在生育前期增加較慢，但在生育后期MDA含量增加較為明顯，這可能是葉片衰老加速造成。CCRI-92的CK和W1處理全生育期MDA含量相差較小，而W2的MDA含量隨著干旱時間的延長呈先增加而后下降又增加的趨勢。

圖1 生育期葉片丙二醛含量變化

由圖2可知，在0～20 cm和40～60 cm分層取出的土壤中，CCRI-60的根系MDA含量呈現先降低后增加的趨勢；20～40 cm呈緩慢下降趨勢；CCRI-92的根系MDA含量在0～20 cm CK處理隨播種天數的增加呈下降趨勢，W1處理變化不大，W2處理呈不斷增加趨勢；CCRI-92的根系MDA含量在20～40 cm CK處理變化不大，W1處理呈下降趨勢，W2處理呈增加趨勢；40～60 cm各處理均呈增加趨勢。

圖2 生育期根系丙二醛含量變化

2.2 調虧灌溉對葉片及根系過氧化物歧化酶活性的影響

由圖3可知，生育期CCRI-60葉片SOD酶活性整體上低于CCRI-92葉片SOD酶活性。CCRI-60各處理均呈現生育前期緩慢增加中期下降后期增加的趨勢；W1處理、W2處理后期均呈現下降趨勢，CK后期有所上升。CCRI-92 CK處理呈生育前期下降中期增加后期下降趨勢，W1處理呈先下降后增加的趨勢，W2處理呈持續下降趨勢。

圖3 生育期葉片過氧化物歧化酶活性變化

由圖4可知，根系SOD酶活性變化：CCRI-60 0～20 cm CK、W1處理呈先增加后降低的趨勢，W2處理呈逐漸增加的趨勢；20～40 cm CK、W1處理先增加而后下降趨勢，W2處理呈先增加后下降的趨勢；40～60 cm CK處理呈先增加后下降再增加的趨勢，W1、W2處理先增加后下降的趨勢。CCRI-92 0～20 cm CK、W1處理呈先增加后下降的趨勢，W2處理呈先下降后增加再下降的趨勢；20～40 cm CK處理呈先增加后下降再增加的趨勢，W1、W2處理呈先增加后下降的趨勢；40～60 cm CK處理呈先增加后下降的趨勢，W1處理呈先下降后增加再下降趨勢，W2處理呈先增加后下降而后增加再下降的趨勢。

圖4 生育期根系過氧化物歧化酶活性變化

2.3 調虧灌溉對葉片及根系過氧化物酶活性的影響

由圖5可知，整體上CCRI-60葉片POD酶活性在棉花生長后期明顯低于CCRI-92葉片。CCRI-60的CK、W1的葉片POD酶活性在全生育期呈先增加后下降再增加趨勢。W2處理呈先下降后增加再持續增加趨勢。CCRI-92各處理均呈現前期緩慢增加中期下降后期增加的趨勢。CCRI-60與CCRI-92兩品種生育期葉片POD酶活性各處理均呈現后期明顯高于前期和中期。

圖5 生育期葉片過氧化物酶活性變化

由圖6可知，根系POD酶活性變化：CCRI-60 0～20 cm CK、W2處理呈先增加后降低后增加最后降低的趨勢，W1處理呈逐漸增加的趨勢；20～40 cm CK、W1處理先增加而后降低再上升的趨勢，W2處理呈先增加后下降的趨勢；40～60 cm CK處理呈先增加后下降再增加的趨勢，W1、W2處理先增加后下降的趨勢。CCRI-92 0～20 cm CK處理呈先增加后下降的趨勢，W1、W2處理呈先上升后下降再增加的趨勢；20～40 cm各處理呈逐漸下降的趨勢；40～60 cm CK、W1處理呈先增加后下降再增加的趨勢，W2處理呈先增加后下降而后增加再下降的趨勢。

圖6 生育期根系過氧化物酶活性變化

2.4 調虧灌溉對葉片及根系過氧化氫酶活性的影響

由圖7可知，整體上CCRI-60葉片的CAT酶活性高于CCRI-92（CK處理除外）。CCRI-60處理下，CAT酶活性隨灌水量的減少呈逐漸增加趨勢；CCRI-92隨灌水量的增加呈緩慢下降趨勢。CCRI-60 CK處理呈先下降后增加的趨勢，W1處理呈先下降后增加最后下降的趨勢，W2處理呈先下降后增加再下降最后增加的趨勢；CCRI-92 CK處理呈先增加后下降而后增加再下降的趨勢，W1處理呈先下降后增加又下降再增加的趨勢，W2處理呈先下降后增加的趨勢。

圖7 生育期葉片過氧化氫酶活性變化

由圖8知，根系CAT酶活性變化：CCRI-60 0～20 cm CK、W2處理呈先下降后增加最后降低的趨勢，W1處理呈先下降后增加的趨勢；20～40 cm CK處理呈先下降后增加最后下降的趨勢，W1處理呈先增加而后降低的趨勢，W2處理呈先增加后下降而后增加最后下降的趨勢；40～60 cm CK處理呈先下降最后增加的趨勢，W1處理呈先下降后增加最后降低的趨勢，W2處理呈先增加后下降而后增加再下降的趨勢。CCRI-92 0～20 cm CK、W1處理呈先增加而后降低的趨勢，W2處理呈先下降后增加而后下降再增加的趨勢；20～40 cm各處理均呈先增加后下降最后增加的趨勢；40～60 cm CK處理呈先下降最后增加的趨勢，W1、W2處理呈先下降后增加最后降低的趨勢。

圖8 生育期根系過氧化氫酶活性變化

3 討論

試驗研究結果表明，CCRI-60葉片中MDA含量隨著生育期的延長逐漸增加，而CCRI-92變化不大，但一直維持較高水平，可認為其脂膜過氧化水平較為嚴重，由此表明CCRI-60與CCRI-92相比更為耐旱。WANG W B等[25]對于苗期苜蓿在干旱條件下抗氧化酶的研究也得到了相似的結果。SOD作為主要的抗氧化酶，能將超氧陰離子自由基歧化生成H2O2，H2O2能被CAT和POD降解為H2O和O2[26]。對于小麥的調虧灌溉研究認為，小麥抗旱性與SOD酶活性一致[27]，本試驗結果顯示隨著生育進程的推進兩個棉花品種的葉片SOD酶活性持續降低，而根系SOD酶活性先增加后降低，可能是由于后期根系衰老造成了酶活性的降低。葉片POD酶活性隨著生育期的推移持續增加，且灌溉虧缺程度較為嚴重的W2處理酶活性最高，可能是由于棉花葉片本身保護機制造成的。根系POD酶活性不同層次均表現為生育前期酶活性增加而中后期酶活性降低，且40～60cm根系酶活性最高。CCRI-60隨著灌溉虧缺程度的加重葉片CAT酶活性逐漸增加，而CCRI-92則逐漸降低，不同層次差異較大，這可能是品種間的差異造成。

4 結論

棉花被認為是耐旱作物，但產量和品質受干旱影響較大。在西北內陸棉區棉花生產中，灌溉是必不可少的。本試驗結果認為CCRI-60和CCRI-92兩個棉花品種在干旱條件下都會產生過氧化危害。MDA含量隨著生育期的延長和調虧程度的加重而增加，可以作為衡量棉花葉片膜脂過氧化程度的指標。適度的調虧處理會使POD酶活性增加而嚴重的調虧灌溉處理會使POD酶活性降低。SOD酶兩品種間表現不同，發育中后期CCRI-60 CK處理與CCRI-92 CK處理差異明顯，在生育末期CCRI-60 SOD酶活性達到最低值，CCRI-92 CK仍然維持較高的SOD酶活性，說明SOD酶活性受品種影響較大。CAT酶兩品種根系差異明顯，CCRI-60 CAT酶隨調虧程度的加重而增加，CCRI-92相反，說明CAT酶受品種影響較大。不同品種MDA含量和SOD、POD、CAT酶活性差異較大，因此需根據品種特性來制定合適的灌量。