漬害脅迫對小麥幼苗糖代謝的影響

張迎新，周賓寒，楊竹，丁富功，賈寶森，王超，方正武，王書平

1.主要糧食作物產業化湖北省協同創新中心(長江大學)，湖北 荊州 434025 2.長江大學農學院，湖北 荊州 434025

小麥(TriticumaestivumL.)是我國最重要的旱地糧食作物之一，其生長發育過程中常常受到各種生物脅迫(病害、蟲害等)和非生物脅迫(干旱、高鹽、漬害等)的影響。其中，小麥對漬害尤其敏感，漬害脅迫可導致小麥減產20%～50%[1-3]。長江中下游地區是我國冬小麥主產區之一，也是弱筋小麥的優勢生產區。該區域受季風氣候的影響，年平均降雨量豐富，地下水位整體偏高，土壤長期處于水分接近飽和的狀態，且稻—麥兩熟輪作制度使得土壤質地黏重，通氣性差，這進一步加重了漬害的危害程度[4]。因此，如何有效地減輕小麥生育期內漬害脅迫所造成的損害一直是該種植區亟待解決的重要課題。研究發現，在小麥整個生育期內無論受漬害時間長短，均會使粒重、產量和品質下降[4,5]。周廣生等[5]對孕穗期的12個小麥品種(系)進行漬害脅迫處理，發現所有品種(系)的單株粒重及單株總粒數均比對照大幅度下降，且單株粒重的影響均大于單株總粒數；宋桂成等[6]通過對漬害脅迫的34份小麥品種(系)進行分析后發現，漬害脅迫對所調查籽粒的品質性狀、面團流變學特性及溶劑保持均有顯著或極顯著影響。此外，當小麥遭受漬害脅迫時，其自身的生理生化特性會發生適應性改變，并產生相應的生理響應機制，如形成一定數量通氣組織[7]、增加次生根的數量[8]、通過無氧呼吸維持能量供應[9]等。更重要的是，漬害脅迫會對植株造成不可恢復的損傷，使小麥根系喪失功能[10]、限制水分傳導[7,11]、降低光合作用[12]、打破氧化還原代謝平衡[4]等。

糖是光合作用的產物，又是呼吸作用的底物，它為植物的生長發育提供必不可少的碳骨架和能量[13]。糖代謝是整個生物代謝的中心，與蛋白質代謝、脂類代謝、核酸代謝及次生物質代謝密切相關[14]。糖除了作為代謝底物之外，也與植物激素類似，在信號轉導過程中可作為第一信使調節基因的表達、同化物的分配以及細胞的分裂、分化和代謝[15]。研究表明，漬害脅迫下光合作用形成的碳水化合物向根部的運輸能力顯著降低，根系蔗糖含量在短期漬害脅迫下呈現升高的趨勢，而在長期漬害脅迫下則將快速耗竭[7]。此外，蔗糖在韌皮部的裝載和長距離運輸需要蔗糖轉運蛋白(sucrose transporters，SUT)參與才能完成，該蛋白是一類典型的膜結合蛋白分子，廣泛存在于高等植物的組織和細胞中，能夠利用細胞內外H+濃度梯度對蔗糖分子進行跨膜轉運[14]。目前已鑒定出的3個小麥蔗糖轉運蛋白基因TaSUT1A、1B和1D，在小麥旗葉、莖和籽粒等多個組織中均有表達，并且3個基因的表達水平保持一致，這些基因編碼的蔗糖轉運蛋白參與了多個組織的蔗糖運輸過程[16,17]。因此，對漬害脅迫下小麥幼苗糖代謝過程的研究具有重要的意義，可為揭示小麥響應漬害脅迫的機理提供重要理論依據。

該研究以幼苗期的小麥葉片為試驗材料，分析了不同漬害脅迫持續時間對小麥幼苗葉綠素含量、可溶性糖含量和淀粉含量的影響，并比較了漬害脅迫下蔗糖轉運蛋白基因TaSUT1A的表達水平，旨在研究和揭示漬害脅迫下小麥幼苗糖代謝的變化規律，探索小麥漬害脅迫響應機制，進而為緩解漬害對小麥的影響，確保小麥的高產和穩產提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料及處理

供試小麥品種為鄭麥9023。采用盆栽套桶法[4]，2019年10月下旬播種于相同規格的塑料盆中，盆口直徑34cm，底直徑30cm，高度27cm，土壤過篩與基肥混勻后裝盆澆水(基肥用量為每千克干土0.15gN，0.1gP2O5和0.15gK2O)，待土自然沉實后播種，每盆選種播撒15粒，兩葉一心期定植大致相同的植株10株，并于人工氣候室中進行漬害脅迫處理，設置溫度(25±1)℃，濕度為(70±5)%。處理組均在盆外再套一塑料桶，并保持水層在2cm左右。漬害脅迫處理設置5個持續時間，分別為0、1、3、5、7d。每處理重復3次。

1.2 葉綠素的提取

葉綠素的提取參照侯澤豪等[18]的方法并略加修改。取1g小麥葉片，置于預冷的研缽中，加入提取液5mL(丙酮∶乙醇=1∶1)和少量石英砂，研磨至勻漿狀后，于25℃恒溫搖床(110r/min，避光)下浸提20h，經過濾、洗滌后定容至25mL，并立即在645nm和663nm波長下測定其光密度值。設置3個生物學重復，每個重復測量3次。所得數據經Amon法修正公式[18]計算葉綠素含量。

1.3 可溶性糖及淀粉含量的測定

參照WANG等[19]的蒽酮比色法進行。繪制葡萄糖含量與光密度的標準曲線，在620nm波長下測定其光密度。設置3個生物學重復，每個重復測量3次。按以下公式分別計算可溶性糖及淀粉含量：

可溶性糖含量=(C×Vt×n)/(W×Vs×1000)

淀粉含量=(C×Vt×0.9)/(W×Vs×1000)

式中：C為查標準曲線所得每管葡萄糖含量，μg；Vt為樣品提取液總體積，mL；Vs為測定時取樣體積，mL；W為樣品干重，g；n為稀釋倍數；1000為換算系數；0.9為葡萄糖換算為淀粉的系數。

1.4 熒光定量PCR分析

參考WANG等[20]的方法進行，并按照Trizol Reagent Kit(Invitrogen公司)的操作說明提取總RNA。經1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測RNA質量后，依照反轉錄試劑盒PrimeScript TM RT Reagent Kit(TaKaRa公司)中操作說明進行cDNA合成。熒光定量PCR采用SYBR Premix Ex Taq試劑盒(TaKaRa公司)在CFX96RealTime PCR System上進行(見表1)，按照試劑盒的說明進行操作。設置3個生物學重復，每個重復測量3次。使用Actin基因作為內參基因，并利用2-△△Ct法[20]計算相對表達量。

表1 相關基因熒光定量PCR引物

1.5 統計分析

采用Microsoft Excel 2010進行數據整理，并用Origin 9.0軟件進行差異顯著性分析及繪制圖表。

2 結果與分析

2.1 漬害脅迫對小麥幼苗葉綠素含量的影響

注：*表示處理間的差異顯著(P<0.05)，**表示處理間的 差異顯著(P<0.01)。圖2、3同。圖1 不同漬害脅迫持續時間下小麥幼苗的葉綠素含量Fig.1 The chlorophyll content of wheat seedlings under different durations of waterlogging stress

為了揭示漬害脅迫下小麥幼苗葉綠素的變化規律，研究采用丙酮乙醇直接浸提法(浸提20h)提取不同處理時長的小麥幼苗葉綠素并測定其含量。由圖1可知，正常生長的小麥幼苗經漬害處理后其葉綠素a、葉綠素b和總葉綠素含量均呈先升高后下降的趨勢，且在漬害脅迫處理1d時顯著高于對照組并到達最大值，分別比對照組顯著增加了7.60%(葉綠素a)、21.85%(葉綠素b)和10.07%(總葉綠素)。但自脅迫處理3d開始處理組的葉綠素含量均持續和顯著的低于對照組，葉綠素a含量分別比對照組顯著降低了12.95%(3d)、21.97%(5d)和35.44%(7d)。與葉綠素a相比，葉綠素b對漬害脅迫更為敏感，在漬害處理后期的下降幅度較大，分別比對照組降低了8.20%(3d)、33.85%(5d)和44.31%(7d)。這使得漬害脅迫下幼苗總葉綠素含量分別較對照組顯著降低了12.25%(3d)、24.03%(5d)和36.97%(7d)。

2.2 漬害脅迫對小麥幼苗可溶性糖和淀粉含量的影響

圖2 不同漬害脅迫持續時間下小麥幼苗的可溶性糖和淀粉含量Fig.2 The soluble sugar and starch content of wheat seedlings under different durations of waterlogging stress

圖3 不同漬害脅迫持續時間下的小麥幼苗TaSUT1基因表達水平Fig.3 Expression levels of TaSUT1 gene of wheat seedlings under different durations of waterlogging stress

糖和淀粉是光合作用的主要終產物，在植物糖代謝中具有特殊的位置[21]。因此，研究對不同漬害脅迫持續時間的小麥幼苗的可溶性糖和淀粉含量進行了分析。結果(見圖2)顯示,與對照組相比，可溶性糖和淀粉含量均呈現“升高-降低”的趨勢，且在漬害脅迫處理1d時，二者的含量均顯著高于對照組，分別是對照組的1.06倍(可溶性糖)和1.20倍(淀粉)。但隨著漬害脅迫時間的持續，可溶性糖和淀粉含量自脅迫處理3d開始均顯著低于對照組，其中，可溶性糖含量分別較對照組降低了12.67%(3d)、22.57%(5d)和35.22%(7d)，淀粉含量則分別較對照組降低了31.20%(3d)、44.67%(5d)和59.84%(7d)。

2.3 漬害脅迫對小麥幼苗中TaSUT1基因表達模式的分析

采用熒光定量PCR技術檢測TaSUT1基因的表達水平。結果(見圖3)表明，在漬害脅迫1d時，TaSUT1基因的表達水平與對照組無顯著差異。但隨著脅迫時間的持續，與對照組相比，漬害脅迫顯著降低了TaSUT1基因的表達水平，分別比對照組降低了34.98%(3d)、56.49%(5d)和58.51%(7d)。

3 討論

小麥是一種重要的糧食作物，但是各種環境脅迫(如生物脅迫和非生物脅迫)往往對小麥生長發育造成巨大的影響，使小麥產量和品質大幅度降低[3,22]。因此，研究小麥抗性機制，提高其耐受性，能夠顯著提高小麥的產量和品質[22]。逆境脅迫對小麥光合元件有多種形式的影響，尤其是對光合作用的影響極為顯著[3,22]。葉綠素是植物體內葉綠體的重要組成成分，是植物光合作用中吸收光的主要色素，能將捕捉到的光能轉化為生物能，為植物生長發育提供所需的營養物質和能量[3,18]。幼苗期的小麥處于營養生長的初期，需要通過葉片的光合作用為其快速生長提供充足的營養物質。研究表明在鹽分和干旱交叉脅迫下，小麥幼苗葉綠素含量呈現先升高后降低的趨勢，并隨著脅迫程度的加重其含量下降加速[23]。張朝明[22]研究認為在高溫和高光共同作用下，小麥葉綠素含量呈顯著降低的趨勢。程貫召[24]則以不同濃度Cu2+對小麥種子幼苗的生理生化特性進行了研究，發現隨著Cu2+濃度的升高，小麥幼苗的葉綠素含量降低，從而抑制了小麥幼苗的光合作用，影響了幼苗的進一步生長和發育。該研究中，在漬害脅迫的初期，小麥葉綠素含量呈現短暫升高的趨勢，這表明小麥幼苗在遭受漬害脅迫時表現出一定的適應性，通過提高葉綠素的含量來增強其自身的光合效率，從而提高其抗逆性。但隨著漬害脅迫時間的持續，小麥光合色素的合成遭到破壞，表現為葉綠素含量呈現較大的降幅，進而影響幼苗期小麥的光合作用，減緩或抑制植株的正常生長。

淀粉和蔗糖是幼苗期小麥光合作用的主要終產物，也是碳水化合物運輸和貯藏的主要形式[21]。葉片光合作用所合成的糖分，可以通過蔗糖轉運蛋白將蔗糖分子進行跨膜轉運[14]。研究表明，蔗糖轉運蛋白參與蔗糖在韌皮部的裝載和長距離運輸，并在庫器官卸載的過程中發揮重要作用[16]。此外，在小麥植株的碳代謝中，蔗糖代謝和淀粉合成既相互依存，又相互制約，是一個不可分割的整體[25]。在該研究中，漬害脅迫對幼苗期小麥糖代謝造成了一定的影響，脅迫初期由于光合作用效率的增強，從而促進了蔗糖的生物合成，加之參與蔗糖長距離運輸的TaSUT1基因的表達水平并未顯著提高，導致大量蔗糖在葉片內積累，并開始轉化為淀粉進行儲存，使得幼苗葉片內可溶性糖含量和淀粉含量均顯著升高。但隨著脅迫時間的持續，葉片光合作用受到顯著抑制，導致碳同化過程受阻，葉片中可溶性糖和淀粉含量均急劇降低，TaSUT1基因的表達水平也顯著降低，進而使得處于營養生長初期階段的小麥幼苗因營養物質的缺失而處于畸形的發育狀態甚至死亡。