干旱脅迫對甜高粱幼苗光合色素、保護(hù)酶活性及活性氧代謝的影響

陳敏菊 孟彥 孟憲政

摘 ? ?要：為探究甜高粱幼苗對干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制和對干旱脅迫的忍受范圍，通過盆栽試驗(yàn)的方式，設(shè)置土壤相對含水量65%～70%（CK）、55%～60%（T1）、40%～45%（T2）、30%～35%（T3）和20%～25%（T4）5個(gè)水平，研究干旱脅迫對甜高粱葉片光合色素含量、保護(hù)酶活性及活性氧代謝的影響。結(jié)果表明，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)，甜高粱幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素均表現(xiàn)出降低趨勢，但T1處理與對照差異均不顯著（P>0.05），且在T4處理下值最低，較對照分別降低54.31%，44.44%，52.65%，51.47%，與對照差異極顯著（P<0.01）。隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加，甜高粱幼苗葉片保護(hù)酶SOD、CAT、POD、APX活性呈先升高再降低的單峰變化趨勢，但SOD、POD、APX活性在T1處理下值最大，較對照分別增加7.45%，13.94%，24.63%，CAT在T2處理下值最大，較對照增加3.48%。甜高粱幼苗葉片超氧陰離子隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加而升高，但在輕度脅迫下（T1）與對照差異不顯著（P<0.05）;4個(gè)處理的甜高粱幼苗葉片過氧化氫含量隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加而升高，且與對照差異均顯著（P<0.05）。可見，當(dāng)土壤相對含水量不低于55%～60%時(shí)，甜高粱幼苗保護(hù)酶活性高于對照，且光合色素、超氧陰離子含量與對照差異不顯著（P>0.05）。

關(guān)鍵詞：甜高粱;干旱脅迫;光合色素;保護(hù)酶;活性氧

中圖分類號(hào)：S514 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.09.001

Effects of Drought Stress on Photosynthetic Pigments， Protective Enzyme Activities and Active Oxygen Metabolism of Sweet Sorghum Seedlings

CHEN Minju， MENG Yan， MENG Xianzheng

（Shangqiu Academy of agriculture and Forestry Sciences， Shangqiu，Henan 476000， ?China）

Abstract： In order to explore the response mechanism and tolerance range of sweet sorghum seedlings to drought stress， the effects of drought stress on photosynthetic pigment content， protective enzyme activity and active oxygen metabolism of sweet sorghum leaves were studied by setting five levels of soil relative water content： 65%-70%（CK）， 55%-60%（T1）， 40%-45%（T2）， 30%-35（T3） and 20%-25%（T4）.The results showed that with the increase of drought stress intensity， chlorophyll a， chlorophyll b， chlorophyll a + b and carotenoid in sweet sorghum seedlings showed a decreasing trend， but the T1 treatment ?compared with control was not significant， and the value was the lowest under T4 treatment， which were decreased by 54.31%， 44.44%， 52.65% and 51.47% than that of control， respectively（P<0.01）.With the increase of drought stress intensity， the activities of SOD， cat， pod and APX in leaves of sweet sorghum seedlings increased first and then decreased. Among them， the activities of SOD， POD and APX were the largest under T1 treatment，and increased by 7.45%， 13.94% and 24.63% respectively compared with the control.The activity of CAT were the largest under T2 treatment， and increased by 3.48% compared with the control.The superoxide anion in leaves of sweet sorghum seedlings increased with the increasing of drought stress intensity， but there was no significant difference between mild stress（T1） and the control.With the increasing of drought stress intensity， the hydrogen peroxide content in the leaves of sweet sorghum seedlings increased， and there was significant difference between the four treatments and the control（P<0.05）. It can be seen that when the soil relative water content is not less than 55%-60%， the protective enzyme activity of sweet sorghum seedlings is higher than that of the control， and the contents of photosynthetic pigment and superoxide anion are not significantly different from the control （P>0.05）.

Key words： sweet sorghum; drought stress; photosynthetic pigment; protective enzyme; active oxygen

水是植物生長必不可少的重要影響因子之一，當(dāng)土壤中的含水量不能達(dá)到植株生長所需水分時(shí)，就會(huì)對植株造成干旱脅迫。在干旱脅迫條件下，植物通過細(xì)胞感知和傳到干旱信號(hào)，從而引起植株從形態(tài)到生理等多方面的變化，如地上部干鮮質(zhì)量減小，葉面積顯著降低[1]，膜脂過氧化程度加重[2]，細(xì)胞膜受到損傷，植物葉片光合能力減弱，PSⅡ反應(yīng)中心的活性降低等[3]。當(dāng)前，有關(guān)干旱脅迫在油菜、棉花、玉米、燕麥、大豆等[4-8]作物上的研究已有眾多報(bào)道。有關(guān)高粱的研究，主要集中于高粱田的農(nóng)藥殘留、高粱田的除草劑篩選、種植技術(shù)、釀酒品種選育等[9-12]方面，而有關(guān)甜高粱在幼苗期遭受干旱逆境脅迫時(shí)在光合色素、保護(hù)酶及活性氧代謝等方面的研究尚未見報(bào)道。為此，本試驗(yàn)通過設(shè)置5個(gè)水平的干旱脅迫處理，研究不同水平的干旱脅迫強(qiáng)度對甜高粱幼苗光合色素、保護(hù)酶活性及活性氧代謝的影響，以探究甜高粱幼苗所能忍受的干旱脅迫程度，闡明不同干旱脅迫強(qiáng)度下甜高粱幼苗的生理變化情況，為甜高粱的耐旱栽培及耐旱品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試高粱品種為‘紅糯米9號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2019年5月3日在商丘市農(nóng)林科學(xué)院雙八試驗(yàn)基地進(jìn)行盆栽種植試驗(yàn)。試驗(yàn)共設(shè)置5個(gè)土壤相對含水量水平，以土壤相對含水量為65%～70%作對照（CK），土壤相對含水量為55%～60%、40%～45%、30%～35%、20%～25%作4個(gè)處理，分別記為T1、T2、T3、T4。將高粱種子播種于試驗(yàn)盆中，盆高15cm、直徑15cm，盆內(nèi)填充草炭、蛭石、珍珠巖配比為3∶1∶1的基質(zhì)，共播種80盆。待高粱幼苗3～4片葉時(shí)，選取長勢一致的高粱幼苗60盆進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，每處理進(jìn)行3次重復(fù)，每4盆作物1個(gè)重復(fù)。每天早晨7：00用ML2x型土壤水分儀測量各盆土壤相對含水量，并根據(jù)含水量高低進(jìn)行補(bǔ)水處理，干旱脅迫12 d后對相關(guān)生理指標(biāo)進(jìn)行測定。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

選取植株頂部第三張功能葉片。采用丙酮比色法[13]測定甜高粱倒3葉片葉綠素含量。SOD活性采用NBT還原法測定，CAT活性采用高錳酸鉀滴定法測定，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[14];APX的活性檢測參照Nakano和Asada的方法[15]。參照李忠光和龔明[16]的方法測定超氧陰離子（O2 - ·）;參照Prochazkova D等[17]的方法測定過氧化氧（H2O2）含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和作圖，利用DPS7.02軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對甜高粱幼苗葉片光合色素含量的影響

由表1可知，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)，甜高粱幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素均表現(xiàn)出降低趨勢，這說明脅迫強(qiáng)度的增加使光合素色的合成受阻，葉綠素含量降低。在T4處理下值最低，較對照分別降低54.31%，44.44%，52.65%，51.47%，與對照差異極顯著（P<0.01）;而在T1處理下，上述指標(biāo)與對照差異均不顯著（P>0.05）。在T2處理下，葉綠素a、葉綠素a+b和類胡蘿卜素與對照差異均達(dá)到顯著差異水平，而葉綠素b與對照差異不顯著，這說明葉綠素b對干旱逆境的抵御能力相對較強(qiáng)。

2.2 干旱脅迫對甜高粱幼苗葉片保護(hù)酶活性的影響

由表2可知，不同強(qiáng)度的干旱脅迫對甜高粱幼苗葉片保護(hù)酶活性的影響存在差異。隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加，SOD活性呈現(xiàn)出先升高再降低的單峰變化規(guī)律，且在T1處理下值最大，這說明輕度的干旱脅迫能夠刺激高粱幼苗葉片保護(hù)酶活性的增加，機(jī)體啟動(dòng)防御機(jī)制清除體內(nèi)多余的活性氧。T1、T2處理下，CAT活性雖高于對照，但與對照差異不顯著;T3處理低于對照，但與對照差異亦不顯著，T4處理低于對照，且與對照差異顯著。POD、APX活性的變化規(guī)律與SOD一致，隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加呈現(xiàn)先升高再降低的變化趨勢，但在T1處理下的POD、APX活性與對照差異顯著（P<0.05），較對照分別增加13.94%，24.63%。

2.3 干旱脅迫對甜高粱幼苗超氧陰離子和過氧化氫含量的影響

由圖1可以看出，不同強(qiáng)度的干旱脅迫對甜高粱幼苗葉片超氧陰離子和過氧化氫含量的影響存在差異。隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加，超氧陰離子含量呈逐漸升高的趨勢，其中T1處理雖高于對照，但與對照差異不顯著（P>0.05），這說明輕度干旱脅迫下，植物機(jī)體可通過提高保護(hù)酶活性清除多余的超氧陰離子。T4處理下，甜高粱幼苗葉片超氧陰離子含量最大，較對照增加87.59%，與對照差異顯著。T1、T2、T3、T4處理下，過氧化氫含量均高于對照，且與對照差異均顯著（P<0.05），較對照分別增加12.20%，74.31%，124.21%，154.37%。

3 結(jié)論與討論

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的重要物質(zhì)，其含量高低與植物光合能力的強(qiáng)弱、抗逆性的高低直接相關(guān)[18]，最終對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)產(chǎn)生影響[19]。孟玥[20]等研究指出，在重度脅迫下，短果茴芹葉綠素含量對輕中度干旱脅迫不敏感，對重度干旱脅迫較為敏感。董斌[21]等研究得出，油茶‘桂無4號(hào)葉片葉綠素a、葉綠素b含量在干旱脅迫下降低顯著，而‘岑軟2號(hào)葉片葉綠素a、葉綠素b在干旱脅迫下相對穩(wěn)定。本試驗(yàn)條件下，甜高粱葉片光合色素各指標(biāo)在干旱脅迫下均表現(xiàn)出降低趨勢，可見不同物種對干旱脅迫的響應(yīng)結(jié)果并不完全相同，這可能與自身的生理特性及試驗(yàn)設(shè)計(jì)的干旱脅迫強(qiáng)度等因素有關(guān)。甜高粱葉片光合色素在干旱脅迫下降低的原因，可能是逆境脅迫下光合色素分解大于合成，致使葉綠素含量降低。

正常生理?xiàng)l件下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和清除存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，活性氧含量保持在一個(gè)相對較低的水平[22]。但當(dāng)植物遭受干旱、高溫等逆境脅迫時(shí)，這種動(dòng)態(tài)平衡則會(huì)被破壞，活性氧在細(xì)胞內(nèi)大量產(chǎn)量，細(xì)胞膜系統(tǒng)受到損傷，進(jìn)而影響機(jī)體正常的生理代謝活動(dòng)[23]。植物細(xì)胞中的活性氧主要通過SOD、POD、CAT、APX等保護(hù)酶進(jìn)行清除，其中SOD是清除植物機(jī)體內(nèi)活性氧的第一道放線，是清除細(xì)胞內(nèi)超氧自由基的主要酶類;CAT對清除機(jī)體內(nèi)的H2O2有重要作用;POD和APX可有效清除超氧陰離子和羥基自由基等。權(quán)伍榮等[24]研究得出，在重度脅迫下（土壤相對含水量的30%），文冠果苗木的SOD、POD活性均低于對照。井大煒等[25]研究認(rèn)為，隨著干旱脅迫強(qiáng)度（田間持水量的75%-35%）的增加，楊樹幼苗葉片SOD、POD、CAT活性均呈現(xiàn)先升高再降低的變化規(guī)律。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)，甜高粱幼苗葉片SOD、CAT、POD和APX活性均呈現(xiàn)先升高再降低的單峰變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果與前人研究結(jié)論一致，這應(yīng)該是因?yàn)樵谳p度的干旱脅迫環(huán)境下，植物感受到逆境脅迫信號(hào)后刺激機(jī)體內(nèi)的保護(hù)酶清除系統(tǒng)活性的提高，通過提高保護(hù)酶活性來清除多余的活性氧，而當(dāng)外界干旱脅迫程度較大時(shí)，超出保護(hù)酶清除活性氧的閾值范圍，便會(huì)產(chǎn)生較多的自由基，使植物細(xì)胞膜系統(tǒng)受損，進(jìn)而使保護(hù)酶受到破壞而活性降低[26]。

植物在遭受逆境脅迫時(shí)，機(jī)體會(huì)產(chǎn)生大量的超氧陰離子O2 -? 和過氧化氫H2O2等活性氧，這些活性氧如果不能被及時(shí)清除，就會(huì)使植物細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過氧化作用，進(jìn)而破壞膜結(jié)構(gòu)，影響植物的正常生長代謝活動(dòng)[27]。阮凌暄等[28]研究得出，干旱脅迫能夠增加鐵皮石斛葉片超氧陰離子和過氧化氫含量，且超氧陰離子和過氧化氫含量隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加和脅迫時(shí)間的延長而增大。方正武等[29]研究認(rèn)為，隨著干旱程度的增加，甜蕎幼苗葉片超氧陰離子產(chǎn)生速率和過氧化氫含量總體呈上升趨勢。本試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱脅迫能夠刺激甜高粱幼苗葉片超氧陰離子和過氧化氫含量的增加，且其二者含量與脅迫強(qiáng)度正相關(guān)，試驗(yàn)結(jié)果與前人研究一致。在重度干旱脅迫下，甜高粱幼苗葉片超氧陰離子和過氧化氫含量顯著高于對照，這是因?yàn)橹参锾幱谏疃让{迫時(shí)，機(jī)體內(nèi)的活性氧（ROS）清除機(jī)制功能異常，多種來源的ROS過度積累，致使活性氧防御系統(tǒng)崩潰，進(jìn)一步引起ROS的爆發(fā)[30]。同時(shí)，葉片內(nèi)的超氧陰離子通過歧化反應(yīng)生產(chǎn)過氧化氫，使細(xì)胞內(nèi)過氧化氫含量大幅上升，膜脂過氧化程度加劇，植物受到損傷[31]。

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收稿日期：2021-07-15

基金項(xiàng)目：河南省四優(yōu)四化項(xiàng)目（20190411）

作者簡介：陳敏菊（1981—），女，河南商丘人，助理研究員，主要從事高粱育種與生理栽培方面研究。

通訊作者簡介：孟彥（1978—），男，河南商丘人，副研究員，主要從事高粱育種與生理栽培方面研究。