干旱脅迫下甘藍型油菜幼苗萌發特性及生理指標分析

朱小慧，馬君紅，劉鋒博，別芳潔，李 夢，劉絢霞

(西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100)

中國冬油菜種植集中在長江流域和云貴高原地區，主要以種植甘藍型油菜為主，約占全國油菜栽培總面積和產量的90%以上[1-2]。近年來，冬油菜種植區域已經逐漸向西北地區拓展[3]，但由于西北地區干旱少雨，導致冬油菜在秋播時土壤水分含量少而影響出苗及苗期生物體的形態建成，越冬性差[4]。甘藍型油菜在3種類型油菜中栽培面積最廣，其產量、含油量及品質均高于白菜型和芥菜型油菜[5]，但其耐旱性較差，無法適應干旱的環境，因此篩選出抗旱性較強的甘藍型油菜種質材料對于提高西北地區油菜產量具有重要的意義。

植物在遭受干旱脅迫時，會改變自身的形態結構，從而產生一系列的生理、生化調節機制來適應外界環境的變化[6]。前人研究中有許多形態指標和生理指標反映了油菜的抗旱性。Mut等[7]、Sankar等[8]研究顯示干旱脅迫下幼苗體內含水量降低，且隨著滲透勢的變化呈現一定變化規律。牛遠等[9]認為根長、莖長、株高等形態指標可以作為油菜抗旱性評價的核心指標。此外，脯氨酸、丙二醛、過氧化物酶、過氧化氫酶等在干旱脅迫下同樣會有不同程度的升高或降低[10]。目前評價抗旱性的方法也有很多，如綜合抗旱系數、聚類分析、主成分分析等都可以作為評價抗旱性的依據[11]。然而，目前的研究中針對甘藍型油菜的抗旱性評價較少，且研究指標相對單一。本研究以6個甘藍型油菜骨干種質為材料，利用不同濃度的聚乙二醇6000(PEG-6000)溶液在其萌發期模擬干旱，對萌發特性以及生理指標進行測定分析及綜合評價。旨在驗證甘藍型油菜應對干旱脅迫的能力，并篩選甘藍型油菜抗旱種質材料，為甘藍型油菜抗旱育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用甘藍型油菜種質材料是從5 000份種質材料中篩選出的綜合性狀優良的6個骨干材料，分別為XY1(中雙11選系)、XY2(陜油1309母本)、XY3(雜油77選系)、XY4(12-4R選系)、XY5(天油2266選系)、XY6(16NT8207選系)，均由西北農林科技大學農學院油菜課題組提供。

1.2 試驗設計

試驗以6個甘藍型油菜為材料，采用高滲透液干旱法，于2020年4—9月在西北農林科技大學農學院光照培養箱中進行。選取大小均勻、無蟲害、顆粒飽滿的種子置于質量分數為5%的高錳酸鉀溶液中浸泡消毒30 min，去離子水洗凈，放置瀝干。備好的種子置于鋪有發芽紙的發芽盒中，每個發芽盒均勻放置100粒種子之后轉入光照培養箱中培養，溫度設定為光照/黑暗 25 ℃/20 ℃，各12 h交替進行，光照度為4 800 lx，去離子水培養至破殼，胚根長1～2 mm時，進行PEG干旱脅迫處理。試驗設置3個水分處理：PEG濃度為0%為正常供水(CK)處理、10%為中度脅迫(MS)處理、20%為重度脅迫(SS)處理，設3次重復，每隔2 d加10 mL PEG溶液，CK加10 mL去離子水，培養7 d，對幼苗進行取樣測定。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 萌發特性 培養至第7天統計各處理的發芽數、成苗數，其中發芽以芽長>2 mm為標準，成苗以莖稈直立，子葉平展且由淡黃轉為綠色為標準，并計算發芽率、成苗率以及成苗傷害率。同時選取各處理長勢均勻的10株幼苗用直尺測量主根長、苗高，取平均值，計算苗高傷害率。

傷害率=(CK-處理)/CK×100%

1.3.2 生理指標 選取各處理長勢均勻的幼苗剝掉種皮，取10株測量幼苗含水量，并計算含水率。脯氨酸(Pro)含量測定采用茚三酮法[12]、丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸[12]、超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用氮藍四唑(NBT)光還原法[13]、過氧化物酶(POD)活性測定方法為愈創木酚比色法[13]、過氧化氫酶(CAT)活性用紫外吸收法測定[13]。

1.4 數據處理

采用Excel 2016、SPSS IBM SPSS Statistics 26.0、Origin 2020對試驗數據進行處理、顯著性分析(LSD多重比較)和作圖。采用隸屬函數法對各油菜材料進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對油菜幼苗萌發特性的影響

研究結果表明，隨著干旱程度的加劇，6個骨干材料的發芽率、成苗率、苗高呈下降趨勢，主根長呈先升后降趨勢(表1)。其中發芽率在MS處理下較CK有小幅度下降，差異不顯著；SS處理下，XY1和XY4顯著降低，降幅分別為CK的 5.33%、4.73%，XY2、XY3、XY5、XY6無顯著降低，說明發芽率受干旱的影響較小。各材料主根長在MS條件下顯著升高，以XY3增幅最大，為59.39%，其余材料增幅在15%～27%；SS條件下XY5較CK增加2.68%，XY1、XY2、XY3、XY4、XY6降低，可見XY5具有較強的生物量分配能力，兩種干旱處理下均能保持內環境的穩定。

表1 不同干旱脅迫下6個甘藍型油菜材料萌發特性

不同水分條件下6個材料的成苗率差異顯著，其中XY1成苗傷害率最高，MS、SS條件下分別為9.06%、88.25%，XY3、XY4、XY5、XY6次之，最小的為XY2。苗高的變化趨勢與成苗率基本一致，但處理間差異相對較小，表明干旱脅迫下XY1、XY4幼苗的形態建成受影響較大，XY2受影響較小，且不同油菜材料的萌發特性對干旱脅迫的響應程度不同。

2.2 干旱脅迫對油菜幼苗生理特性的影響

2.2.1 對油菜幼苗含水率的影響 6個骨干材料的含水率與PEG濃度呈負相關，在不同干旱程度下其降幅均達到顯著水平(圖1)。MS處理下，幼苗含水率較CK下降2%～6%，以XY4降幅最大，為5.16%；XY5、XY3、XY2降幅相對較小，在2.5%左右，表明中度干旱脅迫下XY5、XY3、XY2保水能力較好。SS處理后，幼苗含水率急劇下降，XY1、XY3、XY4、XY6降幅較大，與對照相比下降10%～13%；XY5和XY2降幅較小，分別為7.43%、7.22%，在重度干旱脅迫下同樣表現出較好的保水能力。

2.2.2 對油菜幼苗脯氨酸含量的影響 脯氨酸是植物體內重要的滲透調節物質，逆境脅迫下能夠調節細胞滲透勢，提高抗逆性[14]。研究表明，Pro含量隨著干旱程度的加劇呈上升趨勢(圖2)。MS處理下，6個材料的Pro變化差異顯著，增幅為CK的3～8倍。SS處理下，XY3增幅最大，為CK條件下的23.15倍，滲透調節能力高于其他材料；XY1、XY2、XY5、XY6次之；增幅最小的是XY4，為CK的16.03倍，滲透調節能力較弱。可見干旱脅迫下Pro含量的變化可以在一定程度上反映出油菜抗旱性強弱。

2.2.3 對油菜幼苗丙二醛含量的影響 MDA是膜脂過氧化產物，干旱脅迫下其含量的變化能夠反映出作物細胞膜受損傷程度[15]。研究結果表明干旱脅迫下6個油菜材料的MDA含量顯著升高(圖3)。其中XY1受影響最大，MS、SS處理下較CK分別增加40.67%、98.70%，差異顯著；其次為XY3、XY4、XY6，MS處理下增幅為 12%～25%，SS處理下增幅為32%～45%。對XY2和XY5影響較小，MS條件下較CK無顯著差異；SS條件下較CK分別增加20.74%、19.96%，達到顯著水平。

2.2.4 對油菜幼苗抗氧化酶活性的影響 隨著干旱程度的加劇，6個骨干材料的SOD、CAT、POD活性呈上升趨勢，活性氧清除能力增強。MS、SS條件下6個材料的SOD活性均高于對照，達到顯著水平，其中XY2增幅最大，較CK增加29.42%、45.85%，自由基清除能力加強；其次為XY5、XY6，兩種干旱處理下增幅分別為17.34%、44.28%和14.60%、42.76%；XY1、XY3、XY4增幅較小，MS處理下增加5%～10%，SS處理下增加11%～30%(圖4-A)。

6個油菜材料的CAT活性在干旱脅迫下顯著升高，其中XY4和XY6在MS處理下分別增加4.28%、4.73%，XY1、XY2、XY3、XY5增加幅度在10%以上。SS處理下CAT活性增幅進一步加大，以XY5上升幅度最大，較CK增加 71.53%；XY2次之，增幅為70.02%；XY1、XY3、XY4、XY6增幅低于70%，H2O2清除能力較弱。(圖4-B)。

MS處理下，XY6的POD活性增加最為顯著，為CK的20.39%，其余5個材料增幅在10%以下，材料間差異顯著。SS處理下的POD上升幅度顯著大于MS，其升幅由大到小依次為XY2(31.35%)>XY6(30.37%)>XY5(23.62%)>XY3(16.24%)>XY4(15.64%)>XY1(12.89%)(圖4-C)。

2.3 油菜幼苗抗旱性綜合評價

利用隸屬函數法對各油菜材料的抗旱性進行綜合評價(表2)，結果表明XY2和XY5的隸屬函數均值為0.76和0.72，抗旱性較強，主要表現為干旱脅迫下其含水率、SOD、CAT、POD的隸屬函數值較高，表明XY2和XY5有較強的保水能力和活性氧代謝調節能力，育種過程中可以通過提高其滲透調節能力進一步提高抗旱性；XY6和XY3的隸屬函數均值為0.64和0.59，屬于中等抗旱型，但其抗旱機制不同，XY3在干旱時脯氨酸的隸屬函數值較高，具有較強的滲透調節能力，活性氧代謝調節能力較差，XY6則相反；XY4和XY3隸屬函數均值為0.26和0.24，抗旱性較弱，綜合表現較差。

表2 6種甘藍型油菜材料各指標的隸屬函數值

3 討論與結論

水分作為一種重要的環境信號，能夠調節作物萌發，直接或間接參與作物生長過程[16-17]。有關研究表明，干旱脅迫下，作物的形態建成、生長發育、生理生化特性等會受到不同程度影響[18-20]。本研究利用PEG溶液對6個甘藍型油菜材料進行模擬干旱，結果表明出苗率和苗高會隨著干旱程度的加劇而顯著降低；但發芽率受干旱脅迫影響較小，在不同處理下均能保持較高水平；主根長呈先升后降趨勢，且抗旱性越好的材料受影響越小，這與田宏先等[21]的研究結果相似，說明水分脅迫時作物的同化物由地上部向根部聚集，促進根的生長，但在重度脅迫下植物體的內部環境受到損傷，根伸長受抑制[22]。

干旱脅迫時，形態指標的變化會引起生理代謝的響應，植物通過改變相關生理生化特性，提高自身的抗旱能力[9,21]。王藝陶等[23]研究表明植物的抗旱性通常與體內含水率密切相關，能夠反映出作物的保水能力。本研究中各油菜材料的含水率在重度干旱下較CK降幅大小順序為：XY1>XY4>XY3>XY6>XY5>XY2，這與抗旱性綜合評價結果一致，表明抗旱性強的油菜材料保水能力越好，這與王藝陶等[23]研究結果 一致。

水分虧缺時，植物細胞內滲透物質的積累能夠降低滲透勢，維持細胞膨壓，體內水分得以保持，適應干旱的環境[4]。本試驗對6個油菜材料的脯氨酸含量進行測定，結果表明，隨著干旱程度的加劇，油菜幼苗體內的脯氨酸含量大量升高，抗旱性較強的油菜材料上升幅度更加顯著，因此可作為油菜抗旱性評價的指標之一。但較前人研究不同的是，本研究中脯氨酸含量增幅更大，最高可為對照處理的23.15倍，具體原因還需進一步研究驗證。

MDA是質膜受攻擊的產物，能夠反映細胞膜受損傷程度[15]。試驗結果表明，水分虧缺時，MDA含量增加，其變化趨勢與油菜抗旱性呈負相關，說明干旱脅迫下抗旱性弱的骨干材料膜脂過氧化嚴重。為了降低自身的受傷害程度，植物體形成了相應的抗氧化防御系統[19]。其中SOD作為抵抗氧化的第一道防線，能夠清除植物體內自由基，CAT、POD是清除H2O2的酶，三者相互協同維持自由基含量處于動態平衡，從而抑制膜脂過氧化[24]。本研究中，SOD、CAT、POD活性在干旱脅迫下均有顯著升高，能夠有效地清除植物體內的活性氧，且抗旱性強的油菜材料清除能力大于抗旱性弱的材料。此外，重度干旱下CAT增幅較POD、SOD大，說明CAT對H2O2的清除能力更強。

對6個甘藍型油菜材料進行抗旱性綜合評價，其抗旱性順序為：XY2>XY5>XY6>XY3>XY4>XY1。綜上所述，水分虧缺時，油菜的生長發育受到抑制，從而產生一系列的生理調節機制來應對干旱脅迫對自身的傷害，其中抗旱性強的油菜材料在萌發期能夠表現出較好的萌發特性、保水能力、滲透調節能力以及活性氧代謝調節能力。本研究為甘藍型油菜抗旱種質評價及抗旱育種提供理論依據，但只從萌發期研究萌發特性和生理指標具有片面性，應進一步針對油菜生長的不同時期，從多個角度探討油菜的抗旱機理。