干旱脅迫對冀谷34幼苗生理特性的影響

劉敏軒，張 婷，師志剛，張喜瑞 ，楊偉紅，李 琳，高 翔，董 立 ，程汝宏，楊振立，王根平*

（1.河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所，國家谷子改良中心，河北省雜糧研究實(shí)驗室，河北 石家莊 050035；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，國家農(nóng)作物基因資源與基因改良重大科學(xué)工程，北京 100081；3.河北省農(nóng)林科學(xué)院，河北 石家莊 050035）

干旱脅迫是各種環(huán)境脅迫中比較常見的逆境因子之一，植物對干旱脅迫的響應(yīng)是極為復(fù)雜的生理生化反應(yīng)，并形成了受遺傳控制的適應(yīng)機(jī)制[1-4]。干旱脅迫會導(dǎo)致植物細(xì)胞代謝紊亂，如活性氧自由基代謝失衡、細(xì)胞滲透勢改變等[5]。活性氧自由基能引起膜脂過氧化，對細(xì)胞膜造成損傷，影響細(xì)胞的正常代謝。植物體內(nèi)存在抗氧化物酶如超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）等，在干旱條件下能加快植物體內(nèi)活性氧的清除，保護(hù)植物細(xì)胞免受傷害[6]。另外，植物受到干旱脅迫后，體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如脯氨酸、可溶性糖等進(jìn)行積累，一方面可促進(jìn)植物體內(nèi)活性氧的清除，另一方面可降低細(xì)胞滲透勢以維持葉片水分含量，進(jìn)而維持細(xì)胞正常的生理代謝[7-9]。研究表明，逆境脅迫下植物體內(nèi)抗氧化物酶活性以及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）含量的高低與植物抗旱性的強(qiáng)弱存在密切關(guān)系[10-12]。

谷子（Setaria italicL.）起源于我國，是傳統(tǒng)的抗旱作物，但不同品種間抗旱性存在較大差異。以優(yōu)質(zhì)、抗旱谷子品種冀谷34[13-15]為試材，豫谷18[16]為對照，研究二者在不同干旱脅迫條件下幼苗葉片保護(hù)酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和MDA含量的變化，旨為揭示冀谷34的抗旱生理，并為谷子品種抗旱性鑒定和抗旱品種篩選提供依據(jù)。

1 材料與方法

參試谷子品種為優(yōu)質(zhì)抗旱、兼抗拿捕凈和阿特拉津除草劑品種冀谷34（河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所選育）；對照品種為全國谷子品種區(qū)域適應(yīng)性聯(lián)合鑒定對照品種豫谷18。

試驗于2017年10月在河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所實(shí)驗室進(jìn)行，采用含有不同濃度PEG-6000的Hoagland營養(yǎng)液模擬不同程度的干旱脅迫。選取飽滿、無病蟲的谷種，用20% 次氯酸鈉消毒20 min，播于事先裝入營養(yǎng)土（草炭、田間土、蛭石按體積比1.5頤1頤1配制而成） 的花盆 （直徑 33 cm、高 30 cm）中，在正常條件下培養(yǎng)。待谷子幼苗長至4-5片葉時，選取長勢一致的幼苗移至室內(nèi)Hoagland營養(yǎng)液（pH值5.8）中培養(yǎng)。2 d后將幼苗分別移至含有不同濃度PEG-6000的Hoagland營養(yǎng)液中進(jìn)行干旱脅迫處理，試驗PEG-6000濃度設(shè)0（CK）、6% （輕度脅迫）、18% （中度脅迫）和30% （重度脅迫）4個處理，每重復(fù)8株，每處理均3次重復(fù)。

干旱脅迫處理3 d后，取樣測定相關(guān)指標(biāo)。其中，SOD、CAT和POD活性測定按照蘇州科銘生物試劑有限公司試劑盒說明書進(jìn)行；MAD含量測定采用硫代巴比妥酸（TBA）法[17]；可溶性糖含量測定采用蒽酮比色法[17]；可溶性蛋白質(zhì)含量測定采用BCA法[17]；游離脯氨酸含量測定參照李合生等[18]方法進(jìn)行：稱取葉片0.5 g放入具塞試管中，加3% 黃基水楊酸5 mL，在沸水浴中提取10 min，離心，取上清液2 mL，再加入冰醋酸2 mL和酸性茚三酮2 mL，沸水浴顯色30 min，在波長520 nm處比色測定。

利用Microsoft Excel和SPSS 16.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用最小顯著差異法進(jìn)行顯著性檢驗，P約0.05表示差異顯著。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

植物抗氧化酶活性的高低可以反映品種抗旱性的強(qiáng)弱。參試品種干旱脅迫處理的葉片SOD、CAT和POD活性均躍其CK，且指標(biāo)值均隨脅迫程度的加重呈先升高后降低的變化趨勢，其中，SOD活性均在輕度脅迫下達(dá)到最高，CAT和POD活性均在中度脅迫下達(dá)到最高；但不同脅迫程度下，2個品種的3種抗氧化酶活性均存在差異，其中，冀谷34增幅較大，豫谷18變化相對比較平穩(wěn)（圖1-3）。

在輕度、中度、重度干旱脅迫下，冀谷34的SOD活性分別較其CK提高了107.8% 、53.9% 和53.8% ，且差異均達(dá)到了顯著水平；豫谷18的SOD活性分別較其CK提高了16.3% 、12.8% 和3.3% ，增幅均顯著約冀谷34。3種干旱脅迫程度下，冀谷34的SOD活性均顯著躍豫谷18，增幅分別為39.9% （輕度脅迫）、6.9% （中度脅迫）和16.6% （重度脅迫）。

在輕度、中度、重度干旱脅迫下，冀谷34的CAT活性分別較其CK提高了1.04倍、2.41倍和1.56倍，且差異均達(dá)到了顯著水平；豫谷18的CAT活性分別較其CK提高了0.21倍、0.30倍和0.18倍，增幅均顯著約冀谷34。3種干旱脅迫程度下，冀谷34的CAT活性均顯著躍豫谷18，增幅分別為8.5% （輕度脅迫）、68.9% （中度脅迫）和38.8% （重度脅迫）。

在輕度、中度、重度干旱脅迫下，冀谷34的POD活性分別較其CK提高了0.35倍、1.18倍和0.62倍，且差異均達(dá)到了顯著水平；豫谷18的POD活性分別較其CK提高了0.33倍、0.63倍和0.37倍，增幅均約冀谷34。3種干旱脅迫程度下，冀谷34的POD活性均顯著躍豫谷18，增幅分別為10.4% （輕度脅迫）、45.7% （中度脅迫）和28.2% （重度脅迫）。

圖1 不同程度干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片SOD活性的影響Fig.1 Effects of different drought stress on SOD activity in Jigu 34 leaf

圖2 不同程度干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片CAT活性的影響Fig.2 Effects of different drought stress on CAT activity in Jigu 34 leaf

圖3 不同程度干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片POD活性的影響Fig.3 Effects of different drought stress on POD activity in Jigu 34 leaf

綜上分析可以看出，在干旱脅迫下，參試谷子品種均可通過迅速提高體內(nèi)抗氧化酶活性來達(dá)到清除活性氧的目的，保護(hù)細(xì)胞免受損傷。但是，不同的干旱脅迫條件下，冀谷34的3種抗氧化酶活性均顯著高于豫谷18。表明苗期冀谷34抵御活性氧的能力較強(qiáng)，其抗旱調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。

2.2 干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

干旱脅迫使植物細(xì)胞滲透勢增加，造成植物失水。細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加，可以降低細(xì)胞滲透勢，維持植物葉片水分的平衡。因此，在干旱脅迫下，細(xì)胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累的多少可以反映植物抗旱性的強(qiáng)弱。

參試品種干旱脅迫處理的葉片脯氨酸含量均躍其CK，且指標(biāo)值均隨脅迫程度的加重呈逐漸升高趨勢，在重度脅迫下達(dá)到最高；但不同脅迫程度下，2個品種的脯氨酸含量存在差異，其中，冀谷34增幅較大，豫谷18變化相對比較平穩(wěn)（圖4）。在輕度、中度、重度干旱脅迫下，冀谷34的脯氨酸含量分別較其CK提高了6.2倍、7.6倍和8.0倍，差異均達(dá)到了顯著水平；豫谷18的脯氨酸含量分別較其CK提高了1.3倍、1.5倍和1.8倍，增幅均顯著約冀谷34。3種干旱脅迫程度下，冀谷34的脯氨酸含量均顯著躍豫谷18，增幅分別為1.8倍（輕度脅迫）、2.1倍（中度脅迫）和1.9倍（重度脅迫）。

圖4 不同程度干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片脯氨酸含量的影響Fig.4 Effects of different drought stress on the content of proline in Jigu 34 leaf

參試品種干旱脅迫處理的葉片可溶性糖含量均躍其CK，但二者指標(biāo)值隨脅迫程度加重而表現(xiàn)出的變化趨勢不同，其中，冀谷34呈先升高后降低趨勢，在中度脅迫下達(dá)到最高；而豫谷18呈先升高后降低再升高的趨勢，在重度脅迫下達(dá)到最高（圖5）。參試品種干旱脅迫處理的葉片可溶性蛋白質(zhì)含量均躍其CK，且指標(biāo)值均隨脅迫程度的加重呈先升高后降低的變化趨勢，在中度干旱脅迫下達(dá)到最高（圖6）。但不同脅迫程度下，2個品種的可溶性糖和可溶性蛋白含量存在差異，其中，冀谷34增幅較大，豫谷18變化相對比較平穩(wěn)。在輕度、中度、重度干旱脅迫下，冀谷34的可溶性糖含量分別較其CK提高了2.2倍、4.2倍和2.1倍，可溶性蛋白質(zhì)含量分別較其CK提高了0.7倍、1.0倍和0.3倍，差異均達(dá)到了顯著水平；豫谷18的可溶性糖含量分別較其CK提高了1.0倍、0.7倍和1.0倍，可溶性蛋白含量別較其CK提高了0.1倍、0.3倍和0.1倍，增幅均約冀谷34。3種干旱脅迫程度下，冀谷34的可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著躍豫谷18，其中，可溶性糖含量增幅分別為48.4% （輕度脅迫）、182.9% （中度脅迫）和43.8% （重度脅迫），可溶性蛋白質(zhì)含量增幅分別為60.1% （輕度脅迫）、52.9% （中度脅迫）和14.4% （重度脅迫）。

圖5 不同程度干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片可溶性糖含量的影響Fig.5 Effects of different drought stress on the content of soluble sugar in Jigu 34 leaf

圖6 不同程度干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.6 Effects of different drought stress on the content of soluble protein in Jigu 34 leaf

綜上分析可以看出，在干旱脅迫下，參試谷子品種均可通過增加胞內(nèi)滲透物質(zhì)的含量來提高其抗旱性。但是，不同的干旱脅迫條件下，冀谷34的3種胞內(nèi)滲透物質(zhì)含量均顯著高于豫谷18。表明苗期冀谷34的抗旱調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)。

2.3 干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片膜脂過氧化作用的影響

丙二醛（MDA）是膜脂過氧化作用的產(chǎn)物，反映了膜脂受損的程度。參試品種干旱脅迫處理的葉片MDA含量均顯著躍其CK，且指標(biāo)值均隨脅迫程度的加重呈先升高后降低的變化趨勢，在中度干旱脅迫下達(dá)到最高；但不同脅迫程度下，2個品種的MDA含量存在差異，其中，豫谷18變化較大，冀谷34變化相對平穩(wěn)（圖7）。

圖7 不同程度干旱脅迫對冀谷34幼苗葉片丙二醛含量的影響Fig.7 Effects of different drought stress on MDA content in Jigu 34 leaf

在輕度、中度干旱脅迫下，冀谷34的MDA含量分別較其CK提高了12.90% 和70.84% ；豫谷18的MDA含量分別較其CK提高了37.35% 和105.88% ，增幅均躍冀谷34；最終，冀谷34的MDA含量均約豫谷18。說明冀谷34的膜系統(tǒng)受損程度輕于豫谷18，抗旱性相對較強(qiáng)。在重度干旱脅迫下，2個品種的MDA含量均約其中度脅迫下的MDA含量，但冀谷34的MDA含量躍豫谷18。推測原因可能是嚴(yán)重干旱脅迫時保護(hù)酶活性降低，膜脂受損傷程度加重，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)滲漏導(dǎo)致MDA含量降低，而冀谷34的膜脂受損傷程度較豫谷18輕，使得冀谷34中的MDA含量躍豫谷18。

3 結(jié)論與討論

干旱脅迫后植物體內(nèi)的抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量與植物的抗旱性密切相關(guān)，可作為衡量植物抗旱性強(qiáng)弱的指標(biāo)；而丙二醛是膜脂過氧化的最終產(chǎn)物，其含量可以反映植物遭受逆境傷害的程度[6，19，20]。本研究結(jié)果顯示，在干旱脅迫下，與豫谷18相比，冀谷34具有較強(qiáng)的抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)）積累能力，以及低的丙二醛含量。說明冀谷34具有較強(qiáng)的耐旱性，其耐旱性強(qiáng)于豫谷18。

干旱是植物較為常見的逆境脅迫，影響作物的生理生化和生長發(fā)育。逆境脅迫下植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧能夠過氧化膜脂，破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能，造成細(xì)胞膜損傷，嚴(yán)重時導(dǎo)致細(xì)胞死亡。植物體內(nèi)能夠清除活性氧自由基的抗氧化酶，在保護(hù)細(xì)胞膜脂過氧化、維護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)與功能、防止細(xì)胞免受損傷中起重要作用。不同作物、不同品種類型對逆境脅迫的敏感性不同。抗旱性強(qiáng)的品種，在逆境條件下，細(xì)胞中的SOD、POD和CAT能維持較高的活性水平，利于對活性氧自由基的清除，從而降低膜脂過氧化水平，減輕膜的傷害程度[4，21，22]。本試驗結(jié)果顯示，干旱脅迫下，冀谷34的葉片SOD、POD和CAT活性均顯著高于未脅迫的對照；且同一干旱脅迫條件下，其3種酶的活性均顯著高于豫谷18，輕度和中度脅迫下膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量也低于豫谷18。說明在逆境脅迫下，與對照品種豫谷18相比，冀谷34能夠維持較高的抗氧化物酶活性水平，減輕活性氧對細(xì)胞膜的損傷，具有更強(qiáng)的抗旱性。與中度脅迫相比，重度脅迫條件下2個品種的3種抗氧化酶活性均出現(xiàn)降低，說明在嚴(yán)重干旱時膜脂受損傷程度加重，這與植物的生長表型一致。另外，在重度脅迫下冀谷34中的MDA含量高于豫谷18，推測原因可能是嚴(yán)重干旱脅迫下保護(hù)酶活性降低，膜脂遭受的損傷加重，細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)出現(xiàn)滲漏，但冀谷34的膜脂受損傷程度較豫谷18輕，使得冀谷34的MDA含量高于豫谷18。

滲透調(diào)節(jié)也是植物應(yīng)對逆境脅迫、自我保護(hù)的一種重要方式[20]。在逆境脅迫下，植物體內(nèi)會積累大量滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，維持細(xì)胞滲透勢，保證正常的生理代謝活動；但細(xì)胞內(nèi)累積的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)種類與含量會因作物種類和品種類型的不同而存在差異[9]。抗旱性強(qiáng)的品種，逆境條件下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量較高。本研究結(jié)果顯示，隨著干旱脅迫程度的加重，2個谷子品種葉片中的脯氨酸含量均逐漸升高，輕度、中度、重度干旱脅迫時冀谷34的脯氨酸含量較其未脅迫的對照分別提高了6.2倍、7.6倍和8.0倍，豫谷18較其未脅迫的對照分別提高了1.3倍、1.5倍和1.8倍。3種干旱脅迫條件下，冀谷34的脯氨酸含量分別較豫谷18提高了1.8倍（輕度脅迫）、2.1倍（中度脅迫）和1.9倍（重度脅迫），進(jìn)一步說明冀谷34的抗旱性高于豫谷18。3種脅迫條件下，冀谷34葉片的可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量均高于未脅迫的對照，2個指標(biāo)值均隨脅迫程度的加重呈先升高后降低的變化趨勢，但變幅小于脯氨酸的變幅。脯氨酸作為冀谷34的重要調(diào)節(jié)物質(zhì)，參與冀谷34的抗旱生理反應(yīng)。