PEG脅迫對不同小麥品種幼苗抗旱生理指標的影響

謝 燕，張慶龍，胡 玲，王法宏，李豪圣，孔令安

(山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，山東濟南 250100)

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PEG脅迫對不同小麥品種幼苗抗旱生理指標的影響

謝 燕，張慶龍，胡 玲，王法宏，李豪圣，孔令安

(山東省農(nóng)業(yè)科學院作物研究所，山東濟南 250100)

為給小麥抗旱育種的早期篩選工作提供理論依據(jù)，以濟麥262(抗旱型)、煙農(nóng)19(中間型)和臨麥2號(水分敏感型)為材料，采用PEG模擬干旱脅迫，探究干旱脅迫對不同小麥品種幼苗生物量、含水量、根系形態(tài)特征、抗氧化酶活性和葉綠素熒光參數(shù)的影響。結(jié)果表明，PEG脅迫下，三個品種中濟麥262的生物量最大，地下部含水量顯著高于臨麥2號和煙農(nóng)19；其根系的總長、總投影面積、總面積和總體積最大，且受抑制程度最低；其抗氧化酶活性在一定程度上明顯增強，尤其是葉片和根系過氧化物酶、根系超氧化物歧化酶及葉片過氧化氫酶活性增強幅度顯著高于臨麥2號和煙農(nóng)19；其葉片光化學熒光淬滅系數(shù)(qP)和PSⅡ的實際光化學效率與CK相比均呈下降的趨勢，其中qP下降程度最低，熒光非光化學淬滅顯著增強且高于其他兩個品種。綜上所述，在PEG脅迫下抗旱品種的生長受抑制程度最小，清除氧自由基能力較強，光能利用率高。

PEG脅迫；冬小麥；根系形態(tài)特征；葉綠素熒光參數(shù)

干旱影響農(nóng)作物的生長發(fā)育和產(chǎn)量[1-2]，是目前農(nóng)業(yè)科學研究的一個世界性問題[3]。我國是一個水資源匱缺、干旱災害頻發(fā)的國家[4]。在我國北方小麥生長過程中冬春季節(jié)的干旱比較普遍，嚴重影響小麥分蘗和幼穗分化，進而導致小麥群體數(shù)量不足和質(zhì)量不高，難以為后期產(chǎn)量形成奠定良好基礎。因此，開展小麥的抗旱生理機制研究對小麥抗旱育種和旱地栽培有重要指導意義[5]。小麥的抗旱性是一個復雜的生物學性狀，是多個因素共同作用的結(jié)果[6-8]。前人對小麥抗旱性進行了大量研究。研究表明，在PEG脅迫下，小麥萌發(fā)期胚芽鞘的脯氨酸含量升高[9]，小麥幼苗相對含水量和可溶性蛋白含量下降[10]，超氧化物歧化酶(SOD)活性先降后升，丙二醛含量升高[11]。然而目前對干旱脅迫下冬小麥苗期抗旱性與其根系特征和葉片熒光特性間的關系報道較少。本研究采用PEG模擬干旱脅迫，測定和分析不同品種小麥幼苗含水量、根系形態(tài)特征、抗氧化酶活性和葉綠素熒光特性的變化，以期為小麥抗旱育種的早期篩選工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗于2014年9月至2016年6月在山東省農(nóng)業(yè)科學院小麥栽培實驗室進行。供試小麥品種為濟麥262(抗旱型)、煙農(nóng)19(中間型)和臨麥2號(敏感型)。

1.2 實驗設計

精選小麥種子，用70%乙醇消毒后，水中浸泡吸脹5 h，于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中萌發(fā)；5 d后，挑選生長基本一致的幼苗移至裝有Hoagland營養(yǎng)液的塑料盒內(nèi)，置于光照培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)。培養(yǎng)箱中晝夜溫度為24 ℃/18 ℃，相對濕度70%左右，葉面光強約為800 mol·m-2·s-1，光照時間為每天14 h。待幼苗生長至兩葉一心期，用含有25% PEG-6000的Hoagland營養(yǎng)液處理，以無PEG脅迫為對照(CK)，每個處理設3個重復，處理5 d后取樣測定不同生理指標。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 幼苗干鮮重和含水量測定

將待測植株沖洗干凈，用吸水紙吸干其表面水分，分為地上部和地下部，分別用電子天平稱鮮重。再將樣品放在105 ℃鼓風干燥箱中殺青30 min，然后放入烘箱，在75 ℃下烘干至恒重，用電子天平稱干重，計算植株含水量。含水量=(鮮重-干重)/鮮重×100%

1.3.2 根系形態(tài)特征分析

利用Epson Scan(Epson Perfection V800 Photo)對選取的小麥根系進行圖像掃描，然后通過WinRHIZO軟件進行數(shù)據(jù)分析。

1.3.3 活性氧(ROS)含量和抗氧化酶活性測定

用DCFH-DA法[12]測定ROS含量，其單位被定義為每分鐘每毫克新鮮樣本平均增加的DCF熒光量。采用愈創(chuàng)木酚法測定小麥過氧化物酶(POD)活性[13]，氮藍四唑法測定小麥SOD活性[14-15]，過氧化氫法測定小麥過氧化氫酶(CAT)活性[16-18]，考馬斯亮藍G250染色法測定可溶性蛋白含量[19]。

1.3.4 熒光參數(shù)測定

利用FluorCam開放式葉綠素熒光成像系統(tǒng)(Photon System Instruments公司生產(chǎn))測定葉綠素熒光動力學參數(shù)。測定時選取生長一致且受光方向相同的葉片(每處理3葉)，先暗適應30 min，依照Nedbal[20]的方法測定，測定參數(shù)包括初始熒光(F0)、最大熒光(Fm)、光穩(wěn)態(tài)時的最大熒光(Fm′)、光穩(wěn)態(tài)時的實時熒光(Ft′)、光穩(wěn)態(tài)時的最小熒光(F0′)和穩(wěn)態(tài)熒光產(chǎn)量(Fs)，計算光化學熒光淬滅系數(shù)(qP)、原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)、PSⅡ的實際光化學效率(ФPSⅡ)和熒光非光化學淬滅系數(shù)(NPQ)。

qP=(Fm′-Ft′)/(Fm′-F0′)；Fv/Fm=(Fm-F0)/Fm；ФPSⅡ=(Fm′-Ft′)/Fm′；NPQ=(Fm-Fm′)/Fm′；Rfd=(Fm-Fs)/Fs。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

用WPS軟件整理數(shù)據(jù)，計算均值和標準誤差，并繪制圖表。采用DPS(Data Processing System v7.05，浙江杭州睿豐信息技術有限公司)數(shù)據(jù)處理軟件進行統(tǒng)計分析，采用Duncan新復極差法分析處理間差異顯著性(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG脅迫對不同小麥品種植株生物量和含水量的影響

PEG脅迫后，臨麥2號、煙農(nóng)19和濟麥262的葉片均出現(xiàn)萎蔫和干枯狀。PEG脅迫下，三個品種中濟麥262地上部鮮重最大，煙農(nóng)19次之，臨麥2號最低，三個品種較CK分別下降了41.03%、59.03%和49.16%；濟麥262地上部干重顯著高于臨麥2號和煙農(nóng)19，且較CK略有升高，而臨麥2號和煙農(nóng)19較CK分別下降了2.06%和36.95%；濟麥262、臨麥2號和煙農(nóng)19間地上部含水量差異不顯著，但均較CK顯著下降，降幅分別為8.44%、10.33%和6.51%(表1)。說明在PEG脅迫下，濟麥262地上部生長受影響較小，臨麥2號和煙農(nóng)19明顯受到抑制。

PEG脅迫下，濟麥262地下部的鮮重最大，臨麥2號次之，煙農(nóng)19最低，三個品種較CK分別下降了3.60%、3.61%和50.28%；濟麥262地下部的干重最高，臨麥2號和煙農(nóng)19差異不顯著，三個品種較CK分別升高了55.07%、47.57%和0.25%；濟麥262地下部的含水量最高，臨麥2號次之，煙農(nóng)19最低，三者之間差異顯著，且較CK分別降低了6.86%、7.71%和13.74%。說明干旱對濟麥262和臨麥2號根系造成的傷害較小，對煙農(nóng)19影響較大。

表1 PEG脅迫對不同小麥品種植株生物量積累和含水量的影響Table 1 Effects of PEG treatment on the biomass accumulation and the relative water content of different wheat cultivars

同列數(shù)值后的不同字母表示品種間在0.05水平上差異顯著。
Different letters following the values within the same column are significantly different among the varieties at the 0.05 probability level.

2.2 PEG脅迫對不同小麥品種根系形態(tài)特征的影響

PEG脅迫對臨麥2號、煙農(nóng)19和濟麥262幼苗根系的形態(tài)特征影響顯著(圖1)。PEG脅迫后三個品種的根系總長、總投影面積、總表面積和總體積顯著低于CK。PEG脅迫5 d后，濟麥262的總根長最大，臨麥2號次之，煙農(nóng)19最低，且三個品種較CK分別下降了53.73%、64.22%和63.78%(圖1A)；濟麥262的根系總投影面積最大，煙農(nóng)19其次，臨麥2號最小，且較CK分別下降了46.98%、53.14%和60.47%(圖1B)；PEG脅迫下，濟麥262根系的總表面積最大，煙農(nóng)19次之，臨麥2號最小，且三個品種較CK分別減少了46.98%、49.65%和62.09%(圖1C)；濟麥262的根系總體積高于臨麥2號和煙農(nóng)19，且三個品種較CK分別下降了36.12%、55.11%和35.08%(圖1D)。由此可知，三個品種中濟麥262根系適應干旱脅迫能力最強，煙農(nóng)19次之，臨麥2號最弱。

2.3 PEG脅迫對不同小麥品種活性氧(ROS)含量及抗氧化酶活性的影響

PEG脅迫下，濟麥262的ROS含量最低，煙農(nóng)19次之，臨麥2號最高，且濟麥262較CK降低了9.01%，而臨麥2號和煙農(nóng)19較CK分別升高了3.74%和30.81%(圖2)，說明干旱脅迫下濟麥262的ROS積累較少，細胞受傷害的程度低于臨麥2號和煙農(nóng)19。

從圖3來看，PEG脅迫下，三個品種中濟麥262的葉片POD活性最大，煙農(nóng)19次之，臨麥2號最低，且濟麥262和煙農(nóng)19較CK分別升高了25.86%和11.92%，而臨麥2號較CK降低了16.09%；濟麥262的根系POD活性高于臨麥2號和煙農(nóng)19，且濟麥262較CK升高了47.07%，而臨麥2號和煙農(nóng)19較CK分別下降了9.66%和15.63%。PEG脅迫下，濟麥262的葉片SOD活性高于臨麥2號和煙農(nóng)19，但差異均不顯著，三個品種較CK分別升高了63.21%、88.33%和48.45%；濟麥262的根系SOD活性顯著高于臨麥2號和煙農(nóng)19，與CK相比三個品種分別升高了43.57%、15.61%和8.81%。PEG脅迫下，濟麥262的葉片CAT活性顯著高于臨麥2號和煙農(nóng)19，濟麥26和臨麥2號較CK分別升高了63.92%和42.13%，而煙農(nóng)19 較CK降低了0.53%；三個品種中煙農(nóng)19的根系CAT活性最大，顯著高于臨麥2號和濟麥262，較CK升高了12.97%，而臨麥2號和濟麥262與CK相比分別下降了55.43%和32.92%。由上述結(jié)果可知，濟麥262在受到干旱脅迫后體內(nèi)抗氧化酶活性顯著增強，尤其是葉片和根系POD、根系SOD及葉片CAT活性增強幅度顯著高于臨麥2號和煙農(nóng)19，這對有效地清除體內(nèi)產(chǎn)生的多余的氧自由基、防止膜脂過氧化、保持植株正常的生長狀況具有重要作用。

圖柱上的不同字母表示品種間在0.05水平上差異顯著。下圖同。
Different letters after the values on the columns are significantly different among the varieties at the 0.05 probability level. The same in other figures
圖1 PEG脅迫對不同小麥品種總根長、根系總投影面積、根系總表面積和根系總體積的影響

圖2 PEG脅迫對不同小麥品種ROS含量的影響Fig.2 Effect of PEG treatment on ROS content of different wheat cultivars

2.4 PEG脅迫對不同小麥品種葉片熒光特性的影響

測定結(jié)果(圖4)表明，PEG脅迫對臨麥2號、煙農(nóng)19和濟麥262葉片熒光特性影響顯著。PEG脅迫下，濟麥262的葉片qP最高，煙農(nóng)19次之，臨麥2號最低，且濟麥262較CK下降程度低于臨麥2號和煙農(nóng)19，三個品種分別較CK下降了4.82%、18.29%和8.64%。PEG脅迫下，三個品種中濟麥262葉片的Rfd高于臨麥2號和煙農(nóng)19，與CK相比升高了174.29 %，而臨麥2號和煙農(nóng)19 分別升高了33.11 %和4.24 %。PEG脅迫后，濟麥262的葉片ΦPSⅡ高于臨麥2號和煙農(nóng)19，三個品種較CK分別下降了18.74%、24.64%和17.25%。PEG脅迫下，濟麥262的NPQ最高，較CK升高了176.71%，臨麥2號升高了21.19%，煙農(nóng)19降低了5.62%。濟麥262的葉綠素熒光參數(shù)均高于臨麥2號和煙農(nóng)19，濟麥262的qP下降程度較小，電子傳遞效率高，Rfd升高最多，潛在量子轉(zhuǎn)化效率大，能將多余的能量散失出去，有利于減少植株所受傷害。

圖3 PEG脅迫對不同品種小麥植株POD、SOD和CAT活性的影響Fig.3 Effects of PEG treatment on the POD,SOD and CAT activity in different wheat cultivars

3 討 論

干旱直接抑制作物的生長。植株生物量和含水量是評價作物抗旱性的重要指標，反映了植株生長發(fā)育的狀況[21]。本研究中，PEG脅迫下濟麥262植株鮮重和干重均顯著高于臨麥2號和煙農(nóng)19，且相對于CK的比例最大；地下部含水量最高，而煙農(nóng)19地上部含水量表現(xiàn)最好，較CK下降程度最低，臨麥2號表現(xiàn)較差，說明PEG脅迫后濟麥262生長受抑制的程度最低。

在土壤-植物-大氣系統(tǒng)中，土壤水分直接被作物根系吸收利用，當土壤干旱缺水時作物根系首先感應并合成大量ABA，這些ABA隨蒸騰作用轉(zhuǎn)運到地上部分，引起整個植株對水分脅迫做出響應，此時根系形態(tài)結(jié)構(gòu)也發(fā)生相應變化[22-23]。研究表明，水分脅迫下，根系在土壤剖面的可調(diào)節(jié)性分布對根系吸水功能和作物生產(chǎn)力具有重要作用[24]。小麥等作物通過調(diào)整根系的形態(tài)特征和生長速度來適應干旱脅迫[25]，根長、根表面積、根體積等會影響植株抵抗干旱的能力，與植株正常的生理功能具有密切的聯(lián)系[26-27]。本研究中，PEG脅迫5 d 后，濟麥262根系的總長度、總投影面積、總表面積和總體積均最高，煙農(nóng)19次之，臨麥2號最低，且濟麥262較CK下降程度最低。由于根部形態(tài)特征的變化反映了根的生長和水分狀況，因而這種變化程度越小，說明根受干旱脅迫的傷害越少，抗旱性越強，這是植物適應缺水條件的一種機制[28]。三個品種中濟麥262通過促進根系伸長，增加表面積，使得深層根相對增加，從而更加充分地利用土壤水分，具有更強的抗旱能力，這與前人研究的干旱響應機制一致[29]。

圖4 PEG脅迫對不同小麥品種葉片葉綠素熒光參數(shù)(qP,Rfd,ΦPSⅡ 和NPQ)的影響

干旱脅迫下，如果保護酶系統(tǒng)不能及時有效地清除體內(nèi)多余的自由基，植物體內(nèi)的活性氧(ROS)就會大量積累，造成脂膜過氧化，抑制植株正常的生長發(fā)育[30]。POD、SOD和CAT是自由基的清除劑，其活性的大小與作物抗旱性密切相關[31]。本實驗結(jié)果表明，PEG脅迫下，濟麥262葉片中ROS含量均低于臨麥2號和煙農(nóng)19，其整株的POD、根中的SOD和葉片中的CAT活性顯著高于臨麥2號和煙農(nóng)19，說明其清除氧自由基的能力較強，具有更強的細胞膜穩(wěn)定性。

植物葉綠素熒光淬滅由光化學淬滅和非光化學淬滅兩個過程構(gòu)成，以耗散過剩的光能。非光化學淬滅是一種自我保護機制，對光合機構(gòu)起保護作用，因此葉綠素熒光參數(shù)可作為判斷小麥是否抗旱的重要指標。有研究證明，植物體內(nèi)有效的熱耗散可以防止光抑制的發(fā)生[32]。qP反映了ΦPSⅡ天線色素吸收的光能用于光化學電子傳遞的份額，還可以反映電子光合鏈的電子傳遞速率及其參與CO2固定的效率[33-34]。熒光下降比值可反映葉片光合作用活力即葉片潛在的光合作用量子轉(zhuǎn)化效率[35]。PEG脅迫下，濟麥262的qP最高，煙農(nóng)19次之，臨麥2號最低，且濟麥262較CK下降程度最低，電子傳遞效率高。濟麥262的熒光下降比值高于其他兩個品種，且較CK升高程度最大，潛在量子轉(zhuǎn)化效率大。植物葉片不能把所捕獲的光能都用于光合作用，多余能量須以熱量形式散失掉，以有效保護地光合機構(gòu)[36]。PEG脅迫下濟麥262葉片的NPQ顯著高臨麥2號和煙農(nóng)19，且濟麥262較CK升高程度較大，說明濟麥262葉片受到PEG脅迫后能更有效地將多余的能量散失出去，以減少植株所受傷害。

綜上所述，PEG脅迫下，三個品種中濟麥262的生物量和地下部含水量高于臨麥2號和煙農(nóng)19，其根系生長發(fā)育受抑制的程度最低，抗氧化酶活性顯著增強，葉片的光合特性受影響最小，表明濟麥262的抗旱能力高于臨麥2號和煙農(nóng)19。

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Physiological Responses of Different Wheat Cultivars to PEG Stress

XIE Yan,ZHANG Qinglong,HU Ling,WANG Fahong,LI Haosheng,KONG Ling’an

(Crop Research Institute,Shandong Academy of Agricultural Sciences,Jinan,Shandong 250100,China)

In order to provide theoretical basis for drought resistance wheat breeding,wheat varieties,Linmai 2,Yannong 19 and Jimai 262,were hydroponically cultivated in Hoagland solution(control) or solution containing 25% PEG(water stress) to investigate the effects of water stress on plant biomass,water content,root morphology,antioxidant enzyme activity and chlorophyll fluorescence parameters in seedlings. The results showed that under water stress,Jimai 262 showed the largest biomass among the three wheat varieties,and its root water content was significantly higher than that of Linmai 2 and Yannong 19. Root assessment using a WinRHIZO scanner showed that the total root length,total projected area,total area and total volume under PEG treatment were less affected in Jimai 262 compared with Linmai 2 and Yannong 19. Activity of antioxidant enzymes of Jimai 262 was greatly increased,especially the activities of POD,SOD in roots and CAT in leaves were significantly increased,compared to that of Linmai 2 and Yannong 19. Compared with control,bothqPandΦPSⅡin leaves of examined cultivars were decreased andqPof Jimai 262 had a slight reduction. NPQ of Jimai 262 was significantly increased under water stress,compared with control,and higher than that of the other two varieties. In conclusion,under PEG treatment,Jimai 262 showed the smallest degree of inhibition on growth,stronger ability of scavenging oxygen free radical,higher light utilization efficiency and higher resistance to water stress,compared to Linmai 2 and Yannong 19.

PEG stress; Wheat; Root morphology; Chlorophyll fluorescence parameters

時間：2017-07-07

網(wǎng)絡出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/61.1359.S.20170707.1816.024.html

2016-01-17

2016-02-14

山東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系項目(SDAIT-01-06)；國家小麥現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術體系項目(CARS-3-1-21)；山東省自然科學基金項目(ZR2016CM39)；國家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201303109-07)

E-mail：xieyanwell@163.com

孔令安(E-mail:kongling-an@163.com)

S512.1；S311

A

1009-1041(2017)07-0947-08