跨代干旱鍛煉對甘蔗滲透調節物質、抗氧化酶活性和內源激素含量的影響

李海碧 祝開 桂意云 韋金菊 羅晟昇 唐利球 周會 張榮華 楊榮仲 劉昔輝

摘 要：探究跨代干旱鍛煉對甘蔗滲透調節物質、抗氧化酶活性和內源激素含量的影響，為甘蔗抗旱性研究提供理論基礎和科學依據。以臺糖172和桂糖31號為試驗材料，采用桶栽試驗，進行連續3代干旱鍛煉，以正常澆水的相同甘蔗品種為對照，測定對照組及干旱鍛煉組第3代甘蔗的滲透調節物質含量、抗氧化酶活性和內源激素含量。結果表明：滲透調節物質方面，與對照組相比，經跨代干旱鍛煉后，臺糖172的丙二醛（MDA）含量顯著增加22.0%（P<0.05，下同），桂糖31號的MDA含量略有升高但無顯著差異（P>0.05，下同）；臺糖172和桂糖31號的脯氨酸含量顯著增加，增幅分別達83.6%和149.6%，二者可溶性蛋白含量無顯著差異。抗氧化酶活性方面，經跨代干旱鍛煉后，2個甘蔗品種的超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性與對照組相比均無顯著差異；臺糖172的過氧化氫酶（CAT）活性顯著增加66.7%，桂糖31號顯著降低50.18%。內源激素方面，經跨代干旱鍛煉后，臺糖172和桂糖31號的吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA3）含量顯著降低；檢測的6種細胞分裂素中，臺糖172的6-芐氨基腺嘌呤（6-BA）含量顯著降低，其他5種細胞分裂素無顯著差異；桂糖31號的反式玉米素核苷（TZR）、N6-異戊烯基腺苷（IPA）和6-BA含量與對照組相比顯著增加，異戊烯基腺嘌呤（IP）、反式玉米素（TZ）和激動素（KT）含量無顯著差異；2個甘蔗品種的脫落酸（ABA）和1-氨基-環丙烷羧酸（ACC）含量顯著增加。可見，經跨代干旱鍛煉的甘蔗再次受到干旱脅迫時能產生相應的生理反應來提高自身的耐旱能力。

關鍵詞：甘蔗；跨代干旱鍛煉；滲透調節物質；抗氧化酶活性；內源激素含量

中圖分類號：S566.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2095-820X（2023）02-0006-04

0 引言

甘蔗是我國重要的糖料作物。廣西甘蔗種植面積占全國的60%以上，超過90%的甘蔗種植在干旱、貧瘠的旱坡地［1］，加上降水分配不均，季節性干旱嚴重，旱害已成為限制甘蔗生產的主要環境因子。為減輕干旱帶來的傷害，干旱條件下甘蔗自身會產生保護性物質和一系列生理生化變化，主要包括滲透調節、抗氧化調節、內源激素調節等［2］。此外，為減輕干旱對甘蔗生長和產量的影響，生產中也可通過各種途徑提高甘蔗的抗旱能力。研究表明，經過干旱鍛煉的植物，再次經歷干旱脅迫時會表現出較經歷第一次脅迫更強的抗旱能力。關于甘蔗的此類研究大多集中在一次干旱脅迫［3］、一次干旱脅迫后復水［4，5］和當代多次干旱脅迫處理［6，7］對甘蔗生理特性和抗旱能力的影響，而跨代干旱鍛煉對甘蔗影響的研究尚未見報道。因此，本研究擬通過對甘蔗進行連續3代干旱鍛煉，探究跨代干旱鍛煉對甘蔗抗氧化酶活性、滲透調節物質和內源激素含量的影響，為甘蔗抗旱性研究提供理論基礎和科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用甘蔗品種為臺糖172和桂糖31號。臺糖172由臺灣糖業科學研究所育成，其親本為臺糖153×臺糖152，于1982年引入廣西種植，該品種表現中小莖、中熟、豐產、高糖，57號毛群發達，抗旱、耐瘠瘦，宿根性好［8］，常作為抗旱性強材料用于甘蔗抗旱機理研究。桂糖31號由廣西農業科學院甘蔗研究所選育，其親本為粵糖85-177×CP81-1254，該品種表現豐產性能優良、穩產性好、宿根性強、適應性廣、中熟高糖［9，10］，其抗旱性表現為中抗。

1.2 試驗方法

試驗在廣西農業科學院甘蔗研究所玻璃溫室中進行。將臺糖172和桂糖31號進行單芽種莖桶栽種植，每桶種植2株，每個材料種植10桶，共20桶。甘蔗生長期間保持土壤含水量17%～20%。在甘蔗伸長期（約種植5～6個月）進行干旱處理，設對照組和干旱鍛煉組，每組5桶。對照組保持土壤含水量17%～20%；干旱鍛煉組停止供水后，用塑料薄膜覆蓋桶表面土壤減少水分蒸發，以延長桶栽干旱時間。干旱處理期間每天監測土壤含水量，甘蔗材料干旱程度以土壤含水量為準。當干旱鍛煉組土壤含水量降到7.5%時停止干旱脅迫。將經受一代干旱鍛煉后的甘蔗標記為干旱馴化一代（T1），用T1代甘蔗種莖以同樣的方式連續干旱鍛煉并種植3代獲得T3代甘蔗，當T3代甘蔗處理組達重度干旱時分別在干旱鍛煉組和對照組采集甘蔗+1葉片（最高可見肥厚帶部位），各設3次生物學重復。取樣后立即進行液氮處理，-80 ℃冰箱保存備用。

1.3 測定指標及方法

采用蘇州科銘生物技術有限公司試劑盒（微量法）測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性及丙二醛（MDA）、脯氨酸和可溶性蛋白含量；采用液相色譜質譜聯用儀LC-MS/MS（SCIEX API4000）測定甘蔗葉片內源激素脫落酸（ABA）、赤霉素（GA3）、異戊烯基腺嘌呤（IP）、吲哚乙酸（IAA）、反式玉米素（TZ）、激動素（KT）、反式玉米素核苷（TZR）、N6-異戊烯基腺苷（IPA）、6-芐氨基腺嘌呤（6-BA）和1-氨基-環丙烷羧酸（ACC）含量。

1.4 統計分析

用Excel 2003和SPSS 20.0進行數據整理與統計分析。

2 結果與分析

2.1 跨代干旱鍛煉對甘蔗葉片滲透調節物質的影響

從表1可知，與未經干旱鍛煉的對照組相比，經跨代干旱鍛煉后臺糖172的MDA含量顯著增加（P<0.05，下同），增幅為22.0%，桂糖31號的MDA含量略有升高但無顯著差異（P>0.05，下同）；2個甘蔗品種相比，經跨代干旱鍛煉的臺糖172 MDA含量顯著高于桂糖31號。對照組臺糖172和桂糖31號的脯氨酸含量分別為14.76和16.11 μg/g，經跨代干旱鍛煉后，二者脯氨酸含量顯著增加，與對照組相比增幅分別達83.6%和149.6%。與對照組相比，經跨代干旱鍛煉的甘蔗可溶性蛋白含量無顯著差異；但2個品種間比較，干旱鍛煉組臺糖172的可溶性蛋白含量顯著高于桂糖31號。

2.2 跨代干旱鍛煉對甘蔗葉片抗氧化酶活性的影響

植物受到干旱脅迫時體內活性氧增加，會對細胞膜造成不可逆的損傷，但植物體內的活性氧清除系統可在一定范圍內抑制或減緩過氧化反應的發生，降低氧化作用對細胞免疫的傷害。由表2可知，經跨代干旱鍛煉后臺糖172的CAT活性與對照組相比顯著升高66.7%，而桂糖31號的CAT活性顯著降低50.2%；2個甘蔗品種的SOD和POD活性與對照組相比均無顯著差異。

2.3 跨代干旱鍛煉對甘蔗葉片內源激素含量的影響

IAA、GA3、細胞分裂素（IP、TZ、KT、TZR、IPA和6-BA）是植物生長促進激素，干旱脅迫可使其含量降低，減緩植株生長速率，以緩解水分不足對植株正常生理活動的壓力。由表3可知，與對照組相比，經跨代干旱鍛煉后臺糖172和桂糖31號的IAA和GA3含量顯著降低，IAA含量降幅分別為34.1%和25.7%，GA3降幅分別為68.3%和75.4%。檢測的6種細胞分裂素中，臺糖172經跨代干旱鍛煉后6-BA含量與對照組相比顯著降低，其他5種細胞分裂素與對照組均無顯著差異；桂糖31號經跨代干旱鍛煉后TZR、IPA和6-BA含量與對照組相比均顯著增加，IP、TZ和KT含量無顯著差異。

ABA和乙烯是抑制生長的激素，干旱脅迫可使其含量增加，其中乙烯氣體難以檢測，常通過檢測乙烯前體ACC含量來指示植物體內乙烯的含量。由表3可知，與對照組相比，經跨代干旱鍛煉后，臺糖172和桂糖31號的ABA和ACC含量均顯著增加，其中ABA含量增幅分別為355.6%和565.2%，ACC含量增幅分別為41.7%和167.9%。

3 討論與結論

當植物遭受干旱脅迫時，體內發生一系列的生理生化反應來緩解干旱脅迫帶來的傷害，其中滲透調節和抗氧化系統是抵御干旱的關鍵環節，其變化也是研究作物抗旱性的重要指標。植物滲透調節物質如MDA、脯氨酸和可溶性蛋白與調節植物細胞的滲透勢有關，干旱脅迫時植物會提高滲透調節物質含量使植物細胞能維持較低的滲透勢［11］。本研究中，跨代干旱鍛煉后，臺糖172的MDA含量較對照組顯著增加22.0%，桂糖31號的MDA含量略有升高但無顯著差異；臺糖172號和桂糖31號的脯氨酸含量分別顯著增加83.6%和149.6%，說明經跨代干旱鍛煉后甘蔗能通過調節MDA和脯氨酸含量來抵御干旱脅迫，但不同甘蔗品種的調節方式可能存在差異。有研究表明，甘蔗在輕度和中度干旱脅迫時可溶性蛋白含量逐漸增加，重度干旱脅迫時反而下降［12］。本研究中，經跨代干旱鍛煉后2個甘蔗品種的可溶性蛋白含量與對照組相比無顯著差異，可能是由于重度干旱時甘蔗體內水解增加，水解了部分蛋白質，因此干旱組與對照組相比無顯著差異。植物體內參與抗氧化保護反應的酶類主要有SOD、CAT、POD等，這些酶共同作用可將超氧陰離子自由基及H2O2轉化為H2O和O2，緩解活性氧導致的氧化脅迫，從而減輕干旱脅迫對植物造成的傷害［13］。本研究結果表明，經跨代干旱鍛煉后，2個甘蔗品種的SOD和POD活性與對照組相比均無顯著差異；臺糖172的CAT活性顯著增加66.7%，桂糖31號反而顯著降低50.18%。其原因可能是輕度和中度干旱有利于激發CAT、SOD和POD活性，而高強度干旱脅迫會破壞植物的自身抵御能力，導致總抗氧化力及羥自由基清除能力下降。

植物內源激素是植物在特定環境信號下誘導產生的，在極低濃度下即可發揮明顯的生理效應，可單個或相互協調調控植物的生長、發育與體內代謝［14］。IAA、GA3、細胞分裂素（IP、TZ、KT、TZR、IPA和6-BA）是生長促進激素，一般來說干旱脅迫可使其含量降低，延緩植株的生長速率，以緩解水分不足對植株正常生理活動的壓力。ABA和ACC為抑制性激素，可使植物的新陳代謝減緩，是植物響應干旱的重要調控信號分子［15］，以適應干旱條件下的不利環境。本研究中，經跨代干旱鍛煉后，甘蔗的生長促進激素IAA、GA3和6-BA與對照組相比均顯著下降，抑制生長的激素ABA和ACC均顯著增加，說明經跨代干旱鍛煉的甘蔗能通過調節內源激素的含量來抵御干旱。

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