甘薯抗旱鑒定及生理響應研究

劉恩良，曹清河，唐君，金平

(1.新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊　830091；2.徐州市農業科學院，江蘇徐州　221131)

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甘薯抗旱鑒定及生理響應研究

劉恩良1，曹清河2，唐君2，金平1

(1.新疆農業科學院糧食作物研究所，烏魯木齊830091；2.徐州市農業科學院，江蘇徐州221131)

摘要：【目的】通過引進國內外優異甘薯品種資源，研究自然干旱條件下甘薯的滲透條件能力和抗氧化酶活性指標，用于明確果實膨大期甘薯對抗旱的生理響應及抗旱性。【方法】在自然干旱條件下，果實膨大期進行持續性水分脅迫，對葉片細胞的POD、MDA進行脅迫鑒定。【結果】鑒定并篩選出抗旱性和產量兼顧的濟26、商薯9號、徐106704可作為育種材料和生產用種。甘薯葉片細胞POD活性和MDA含量隨脅迫時間的延長先增后降，均有較大幅度的變化；抗旱性好的品種POD活性一直較高，但其MDA含量在旱脅迫早期較高而在旱脅迫后期維持較低水平。【結論】POD活性和MDA含量與甘薯的抗旱性具有一定的相關性，可作為甘薯抗旱鑒定和篩選的輔助指標。

關鍵詞：甘薯；抗旱鑒定；生理響應；POD活性；MDA含量；自然干旱條件

0引 言

【研究意義】甘薯是干旱、半干旱地區的主栽作物，也是重要飼料的能源作物，對解決糧食短缺和能源危機具有重要意義[1]。由于水資源的相對不足及有的地區水資源的嚴重缺乏，培育抗旱品種是甘薯產業可持續發展的途徑。【前人研究進展】改良作物的抗旱性是一個應用前景廣闊但研究比較薄弱的環節，特別是通過認識作物的抗旱機理，改變其遺傳基礎，提高抗旱性方面仍處于探索性階段[2-5]。國內外大量研究都是在以人工干預下水分脅迫的基礎上進行的。【本研究切入點】在自然干旱條件下，對國內外優異甘薯品種資源進行抗旱性鑒定，探討甘薯滲透調節能力和抗氧化酶活性的生理指標的變化。【擬解決的關鍵問題】篩選具有優異抗旱性狀的甘薯品種，明確滲透調節能力、抗氧化酶活性與抗旱性的關系，為甘薯抗旱性狀鑒定及抗旱親本選用提供試驗方法和理論依據。

1材料與方法

1.1材 料

試劑為NaCl，Na2SO4，NaOH，H2O2，蒸餾水，HgCl，3,5-二硝基水楊酸，酒石酸鉀鈉，淀粉，檸檬酸，檸檬酸鈉，碳酸鈣，磷酸，冰醋酸，乙醇，愈創木酚，茚三酮，磺基水楊酸，甲苯。

試驗用具及設備為分光光度計(UV-2550型)，離心機，恒溫水浴鍋，電子頂載天平，研缽，刻度試管。表1

1.2方 法

1.2.1抗旱鑒定試驗在新疆農業科學院安寧渠試驗場進行，水區按大田生產正常澆水，共澆水8次，每次澆水40 m3/667m2，共澆水320 m3/667m2；旱區澆水時間與水區相同，但僅澆前4次水，每次澆水40 m3/667m2，共澆水160 m3/667m2。旱區在薯塊膨大期(7月16日)停止澆水，開始干旱脅迫。

從7月16日停水之日起，隨機選擇不同部位的葉片(包含頂葉和側葉)，測定葉片中的過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量。取樣時間為7月16日(旱脅迫0 d)、8月4日(旱脅迫19 d)、8月29日(旱脅迫44 d)、9月12日(旱脅迫58 d)共4次。

表1　供試材料序號及品種名稱

1.2.2生理生化指標的測定

1.2.2.1過氧化物酶(POD)活性

稱取植物葉片1 g，剪碎置于已冷凍過的研缽中，加入少量石英砂，分兩次加入總量為10 mL pH 7磷酸緩沖液，研磨成勻漿后，倒入離心管中，在8 000 r / min離心15 min，上清液即為粗酶提取液，倒入小試管低溫下放置備用。吸取反應液3 mL于試管中，加入酶提取液0.02 mL(視酶活性可增減加入量)，迅速搖勻后倒入光徑1 cm的比色杯中，以未加酶液之反應液為空白對照，在470 nm波長處，以時間掃描方式，測定3 min內吸光度值變化，取線性變化部分，計算每分鐘吸光度變化值(△A470)[6]。

酶活性(△A470·g-1Fw·min-1)=△A470× 酶提取液總量/樣品鮮重/測定時酶液用量。

1.2.2.2丙二醛含量

取甘薯葉片0.5 g，加入4 mL 0.25%的TBA(硫代巴比妥酸)研磨后，置于98℃的水浴鍋中30 min，待試管冷卻后以12 000離心10 min，吸取上清液測450 nm，532 nm，600 nm處的吸收值[6]。公式：C(MDA)(μmol/mL)=6.45(OD532-OD600)-0.56OD450。

1.3數據計算

根據水區和旱區的產量計算甘薯品種的抗旱系數和品種耐旱指數，并將品種耐旱指數與POD和MDA含量繪圖并做相關分析。計算公式：

抗旱系數(DC)= (旱區產量 / 水區產量)。

抗旱指數(DI)=(旱區產量 / 水區產量)× (旱區產量 / 平均旱區產量)。

2結果與分析

表2　單位面積產量(667m2)、抗旱系數DC、抗旱指數DI及旱脅迫后的POD活性、MDA含量

2.1自然干旱條件脅迫下甘薯葉片過氧化物酶(POD)活性及其變化

POD酶是植物細胞體內活性氧清除酶系，可以用于防止細胞內過量自由基對生物大分子與質膜破壞。研究表明， 水分脅迫后甘薯品種間的葉片POD活性發生了變化。不同品種間變化幅度差異顯著。隨著旱脅迫的時間增加，POD活力呈現先增后減少，具有大幅度的變化。圖1

2.2自然干旱脅迫條件下甘薯葉片丙二醛(MDA)含量及其變化

丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的最終產物，它能抑制細胞保護酶的活性和降低抗氧化物的含量，從而加劇膜脂過氧化作用[8]。研究表明，隨著脅迫時間的持續，甘薯品種葉片中MDA含量呈現先增后減的趨勢，最終在旱脅迫58 d后下降到較低的水平。不同品種間MDA含量變化有明顯的差異，但隨脅迫時間的變化趨勢基本相似。圖2

2.3自然干旱脅迫條件下甘薯抗旱性

果實膨大期停水后，干旱持續脅迫降低了甘薯的薯塊產量。不同品種間對干旱脅迫的響應存在差異。采用抗旱系數(DC)和抗旱指數(DI)計算作物的抗旱性。區別在于：DC只反映品種的抗旱性，而DI更注重旱區產量并兼顧了脅迫強度。

13個品種的抗旱系數(DC)在0.41～0.70，抗旱性大小順序為 ：冀紫7-9>川9-15-13>潮薯1號>商薯9號>徐薯22號>湘薯7-2>徐106704>徐薯32>濟寧150>漯薯10號>濟26>徐55-2>冀粉1號。抗旱性較好的是冀紫7-9、川9-15-13、潮薯1號和商薯9號。

13個品種的抗旱指數(DI)在0.35～0.82， 抗旱性大小順序為 ：商薯9號>徐106704>潮薯1號>濟26>徐薯22號>川9-15-13>冀紫7-9>濟寧150>徐薯32>湘薯7-2>徐55-2>冀粉1號>漯薯10號。旱區產量更高的是商薯9號、徐106704、潮薯1號、濟26。圖3

因此，不同的計算方法得到的抗旱性有所不同。

圖1　不同旱脅迫天數后各甘薯品種的過氧化物酶(POD)活性變化

圖2　不同旱脅迫天數后各甘薯品種的丙二醛(MDA)含量變化

圖3　不同品種的抗旱系數(DC)和抗旱指數(DI)

2.4甘薯抗旱性與POD和MDA的關系

POD酶是植物細胞體內活性氧清除酶系，可以用于防止細胞內過量自由基對生物大分子與質膜破壞，丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的最終產物，它能抑制細胞保護酶的活性和降低抗氧化物的含量，從而加劇膜脂過氧化作用[8]。POD將減弱膜脂過氧化從而降低MDA的含量。但是，POD和MDA之間存在相互消長、此起彼伏的復雜關系。干旱脅迫持續不同時間后的POD活性和MDA含量，與甘薯抗旱系數和抗旱指數存在不同的關系。

相關分析表明，抗旱指數DI僅與干旱脅迫56 d時的POD和干旱脅迫19 d時的MDA存在顯著以上的正相關，相關系數分別為0.59*和0.94**。而抗旱系數DC則在干旱脅迫19、 44和56 d時均與POD活性存在顯著的正相關(相關系數分別為0.56*、0.61*、0.62*)，同時也與干旱脅迫后19 d的MDA含量呈顯著正相關(相關系數0.55*)。因此，在表型指標和生理生化指標的對應方面，抗旱系數DC要優于抗旱指數DI。

研究表明，與抗旱系數DC對應，干旱處理持續時間在19～56 d，POD活性均能反映甘薯的抗旱性。但無論與抗旱系數DC對應，或者與抗旱指數DI對應，MDA只在干旱脅迫持續到19 d時能反映甘薯的抗旱性，其它時期的相關性均未達到顯著水平。這表明MDA作為抗旱指標有較大的時間限制性。

干旱脅迫19 d時，MDA含量與抗旱性呈顯著的正相關，之后隨著脅迫的持續，相關性逐漸下降，最終在56 d時變為負相關(盡管未達到顯著水平)。表3

表3　不同干旱持續時間的POD、MDA與甘薯產量和抗旱性相關系數

注：*為95%的把握性；**為99%的把握性

Note：*is grasp of 95%;**is grasp of 99%

3討 論

膜系統是干旱(水分)脅迫傷害的最初和關鍵部位，膜脂的過氧化作用與大量自由基在水分脅迫下有著直接或間接關系。MDA是膜脂過氧化作用的主要產物，其含量高低可反映植物受傷害的程度。在植物體內，SOD、POD、CAT等物質起著清除自由基的作用，維持著氧化還原的平衡。跡象表明，影響品種抗旱性強弱的主要生理因素是膜脂過氧化水平導致的質膜傷害程度及葉片保水能力[10]。

植物在逆境條件下，都會發生膜脂過氧化作用，導致植物體內的自由基代謝平衡失調，積累丙二醛并對細胞膜結構和功能造成破壞。脅迫超過一定時間后POD活性會迅速下降，丙二醛含量有所上升，膜系統受到破壞，膜透性增加[11]。

試驗研究表明，在水分脅迫下，抗旱和非抗旱品種的POD活性和MDA含量都較大幅度地先增后減。抗旱性強的甘薯品種在干旱脅迫各階段均具有較高的POD活性，但只在干旱脅迫早期具有較高水平的MDA，且最終MDA能恢復到相對較低的水平。與此相反，抗旱性較弱的甘薯品種，干旱早期的MDA較少，但最終積累的卻較多。

在干旱脅迫早期，抗旱性較強的品種能產生大量的MDA，是否由于抗旱品種對水分脅迫有主動的過激反應，則需要進一步研究。但抗旱性強的品種有較高的POD活性，在旱脅迫的一定時間內不至于導致傷害的加劇，最終能將MDA維持在最低水平。

4結 論

4.1POD活性和MDA含量可作為甘薯抗旱品種篩選的輔助指標

通過不同持續時間的干旱脅迫，甘薯葉片POD活性和MDA含量具有大幅度的先增后減變化。 抗旱性強的品種在干旱脅迫各階段均具有較高的POD活性，能及時清除過氧化物的積累，減少干旱脅迫造成的傷害；抗旱性強的品種在干旱早期階段可能出現大量的MDA，但最終其含量將恢復到最低。

POD和MDA均可作為抗旱性鑒定的輔助指標。 但不同氣候的地區，需要試驗確定MDA的最佳取樣測定時期。POD在干旱脅迫整個過程中均可以測定。盡管POD活性和MDA含量與甘薯的抗旱性均具有一定的相關性，但仍然屬于弱相關關系，因此甘薯抗旱性精準鑒定和篩選仍需要以產量為主要指標。

4.2甘薯品種的抗旱評價

濟26、商薯9號、徐106704不僅是產量較高的品種，也是抗旱性較強的品種，初步認為：商薯9號、徐106704和湘薯7-2品種具有較高的POD酶活性，而濟26和徐薯22號則有較強的滲透調節能力，可作為生產推廣品種和育種材料得到進一步的應用。

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Fund project:Supported by the Program of Scientific and Technological Achievements Transformation of Science and Technology Department of Xinjang Uygur Autonomous Region (201454117)

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.06.004

收稿日期(Received)：2016-02-17

基金項目:新疆維吾爾自治區科技廳科技成果轉化專項(201454117)

作者簡介:劉恩良 (1984-)，男，甘肅人，助理研究員，碩士研究生，研究方向為小麥及甘薯栽培育種，(E-mail)liuenliang_513@163.com 通訊作者(Cotresponding author):金平(1964-)，男，新疆人，高級農藝師，研究方向為小麥及栽培育種，(E-mail)jinp525@sohu.com

中圖分類號：S531

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4330(2016)06-0999-07

Studies on Drought Resistance Identification and Physiological Response of Sweet Potato

LIU En-liang1，CAO Qing-he2， TAN Jun2，JIN Ping1

(1.ResearchInstituteofGrainCrops,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences，Urumqi830091,China;2.XuzhouAcademyofAgriculturalSciences,XuzhouJiangshu221131，China)

Abstract：【Objective】 Using high-quality sweet potato germplasm resources introduced domestically and internationally as materials to study the changes of osmotic adjustment ability and antioxidant enzyme activity under natural drought stress, and to ascertain the physiological response of drought resistance during fruit enlargement period of sweet potato. 【Method】Identifying POD and MDA of leaf cells with sustained water stress under natural drought conditions during fruit enlargement period.【Result】Several breeding materials and seeds for production with high drought resistance and yield were identified and selected, which were Ji-26, Shang-9 and Xu-106704. With the stress time increasing, the activity of POD and the content of MDA of sweet potato leaf cells changed significantly. They both increased initially and then decreased. In addition, the activity of POD of high drought-resistance varieties kept for a longer time, whereas the content of MDA maintained at a higher level at the early period of drought stress and maintained at a lower level at the later period.【Conclusion】Both of the active of POD and the content of MDA had certain correlations with drought resistance of sweet potato. They could be used as assistant indexes for drought resistance identification and selection of sweet potato.

Key words:sweet potato; drought resistance identification; physiological response; POD activity; MDA content; natural drought conditions