水分脅迫對黔金蕎麥1 號生理特性的影響

趙麗麗， 向清華 ， 張 文， 楊 芳

(1.貴州大學 動物科學學院草業科學系， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州省畜牧獸醫研究所， 貴州 貴陽 550005； 3.貴州省草原監理站， 貴州 貴陽 550002； 4.六盤水市農委獸藥飼料監察所， 貴州 六盤水 553001)

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水分脅迫對黔金蕎麥1 號生理特性的影響

趙麗麗1， 向清華2 *， 張 文3， 楊 芳4

(1.貴州大學 動物科學學院草業科學系， 貴州 貴陽 550025； 2.貴州省畜牧獸醫研究所， 貴州 貴陽 550005； 3.貴州省草原監理站， 貴州 貴陽 550002； 4.六盤水市農委獸藥飼料監察所， 貴州 六盤水 553001)

為探索黔金蕎麥1號(FagopyrumdibotrysCV.Qianjin No.1)對水分脅迫的適應機制，加快金蕎麥育成品種的推廣利用，以黔金蕎麥1號為試驗材料，采用室內盆栽模擬水分脅迫，測定分析了水分脅迫下育成品種主要生理指標的變化情況。結果表明：正常水分條件下，各指標無顯著變化。處理組黔金蕎麥1號的電導率、丙二醛(MDA)和可溶性糖(SS)含量及過氧化物(POD)和過氧化氫(CAT)酶活性隨水分脅迫強度的增加而升高，脯氨酸(Pro)含量、超氧化物歧化(SOD)酶活性和水分利用效率隨水分脅迫強度的增加呈先升高后降低的趨勢，凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率呈降低趨勢。輕、中度水分脅迫時，黔金蕎麥1號能夠通過調節自身的滲透調節物質含量和保護酶活性來減輕水分脅迫傷害，維持植株的正常生理代謝功能。重度水分脅迫時，滲透調節能力和保護酶活性減弱，細胞膜受傷害程度增強，光合能力降低。

黔金蕎麥1號； 水分脅迫； 生理指標

土壤水分是植物生存、生長和發育的主要限制因子，對植物的危害在所有非生物危害中占首位[1]。長期以來，科研工作者為在水分脅迫生境下獲得較高品質和理想產量，對植物的抗旱性進行了廣泛的研究。有研究表明，不同種甚至同一種內不同品種間植物的抗旱適應能力和方式不同[2]。為更好地利用植物資源有必要對植物的抗旱機理進行研究。

黔金蕎麥1號(FagopyrumdibotrysQian jin No.1)是貴州省畜牧獸醫研究所以貴州黔中地區野生金蕎麥為原始材料培育而成的牧草新品種[3]。該品種具有塊狀根莖入土深、適應性強、生長快、產量和營養價值高、兼具藥用價值等特點，現已成為貴州省畜牧業生產和石漠化綜合治理的優良多年生牧草。目前，關于金蕎麥抗旱性的研究報道較少。為探索黔金蕎麥1號對水分脅迫的適應機制，加快金蕎麥育成品種的推廣利用，試驗通過室內盆栽模擬水分脅迫，以黔金蕎麥1號為試驗材料，研究水分脅迫對金蕎麥育成品種葉片電導率，丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)和可溶性糖(SS)含量，SOD、POD和 CAT等保護酶活性以及光合參數的影響，旨在探討黔金蕎麥1號的抗旱機制，為制定提高黔金蕎麥1號抗旱性的技術措施提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與處理

黔金蕎麥1號(黔審草2012001)是貴州省畜牧獸醫研究所于2012年育成的省級新品種。在田間選擇大小一致的黔金蕎麥1號塊根播種于由河沙、蛭石、腐殖質土按1∶1∶3比例混合的花盆中，每盆3株。在溫室內經過2個月的日常管理后，選擇長勢(株高15～20 cm)良好、大小基本一致的植株進行處理。設對照組和處理組。對照組正常澆水，處理組實行連續干旱，在處理開始、第10天、第20天和第30天分別取3盆采樣測定各指標。同時取土樣測定土壤含水量，利用公式計算土壤相對含水量(RWC)：RWC=土壤含水量/田間持水量×100%。根據潘昕等[4]方法設定土壤相對含水量在80%以上為正常水平，50%～70%為輕度干旱，30%～50%為中度干旱，低于30%為重度干旱。各取樣時期土壤相對含水量情況見表1。

表1 黔金蕎麥1號的盆栽土壤相對含水量(RWC)

1.2 測定項目及方法

電導率、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)和可溶性糖(SS)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)的活性指標分別采用雷磁DDSJ-308A型電導儀、硫代巴比妥酸(TBA)顯色法、酸性茚三酮法、蒽酮法、NBT光化還原法、愈創木酚氧化法和紫外分光光度法測定[5-6]，每個處理3次重復。

光合指標包括凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和水分利用效率(WUE)等，采用LI-Cor 6400-15透明葉室，于上午10: 00選取金蕎麥中部中等大小的健康葉片進行測定。其中水分利用效率WUE=Pn/Tr。每個處理3次重復。

1.3 數據處理與統計分析

采用SPSS(13.0)統計分析數據，顯著水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫黔金蕎麥1號的葉片電導率及丙二醛含量

隨處理時間的延長，對照組葉片電導率和MDA含量無顯著變化，處理組2個指標均逐漸增加(圖1)。輕、中度水分脅迫下，電導率和MDA含量增加幅度較小。當水分脅迫達到重度時，電導率和MDA含量均顯著增加，分別為開始時的2.94倍和1.98倍。

注：不同字母表示在0.05水平上差異顯著，下同。

Note：Different letters indicated significance of difference at 0.05 level. The same below.

圖1 水分脅迫黔金蕎麥1號的葉片電導率和丙二醛含量

Fig.1 Relative conductivity and MDA content in leaves under water stress

2.2 水分脅迫黔金蕎麥1號的葉片脯氨酸和可溶性糖含量

隨處理時間的延長，對照組葉片脯氨酸(Pro)和可溶性糖(SS)含量無顯著變化，處理組Pro含量呈先增加后降低的變化趨勢，而SS含量迅速增加(圖2)。輕度水分脅迫時，Pro含量增加幅度較小；中度水分脅迫時，Pro含量增加到最大值，6.901 μg/g；重度脅迫時，葉片Pro含量較中度水分脅迫時顯著降低。輕、中度水分脅迫時，葉片SS含量分別為處理開始時的2.60和5.15倍；重度水分脅迫時，葉片SS積累量達最大值，為89.01 mg/g；4個處理梯度間SS含量差異均達到顯著水平。

圖2 水分脅迫黔金蕎麥1號的葉片脯氨酸含量和可溶性糖含量

Fig.2 Proline and soluble sugar contents in leaves under water stress

2.3 水分脅迫黔金蕎麥1號的葉片SOD、POD和CAT酶活性

隨處理時間的延長，對照組葉片SOD、POD和CAT酶活性無顯著變化，處理組SOD酶活性先升高后降低，POD和CAT酶活性均增加(圖3)。中度水分脅迫時，葉片SOD酶活性最高，為240.00 U/g，顯著高于處理開始時和另外2個處理梯度。重度水分脅迫時，葉片SOD酶活性迅速降低到135.00 U/g，與輕度脅迫處理的值無顯著差異。葉片POD酶活性在輕度水分脅迫時增加幅度較?。恢卸让{迫時，POD酶活性顯著升高，重度脅迫時達最大值，為400.18 U/g。而葉片CAT酶活性在輕度水分脅迫時即顯著增加，且各處理梯度間差異均達到顯著水平，在重度水分脅迫時，CAT酶活性達最大，為405.45 U/g。

圖3 水分脅迫黔金蕎麥1號的葉片SOD、POD和CAT酶活性

處理時間TreatmentTime凈光合速率/[μmol/(m2·s)]Pn對照處理氣孔導度/[mmol/(m2·s)]Gs對照處理蒸騰速率/[mmol/(m2·s)]Tr對照處理水分利用效率/(μmolCO2/mmolH2O)WUE對照處理04.79±3.46a14.98±1.06a0.48±0.06a0.48±0.05a6.09±0.96a6.09±0.36a2.46±0.74a2.46±0.14a1014.53±3.38a13.67±0.93a0.49±0.04a0.43±0.04a6.20±0.79a5.38±0.31b2.34±0.26a2.54±0.11a2015.07±3.45a10.40±0.49b0.49±0.05a0.36±0.02b6.12±0.88a4.73±0.26c2.46±0.53a2.20±0.20b3015.14±3.06a6.06±1.17c0.42±0.06a0.28±0.03c6.07±0.85a4.19±0.30d2.49±0.36a1.45±0.21c

2.4 水分脅迫對葉片光合參數的影響

由表2可知，隨處理時間的延長，對照組葉片凈光合速(Pn)、氣孔導度(Gs)和蒸騰速率(Tr)無顯著變化，處理組3個指標均呈降低趨勢。Pn和Gs在中度水分脅迫時顯著降低，Tr在輕度水分脅迫時顯著降低，均在重度脅迫時降低為最小值，分別為處理開始時的40.45%、58.33%和68.80%。水分利用效率(WUE)在輕度水分脅迫時增加，為處理開始時的1.03倍，差異未達顯著水平；中度、重度水分脅迫時，WUE均顯著降低，分別為處理開始時的89.43%和58.94%。

3 討論與結論

細胞膜是植物感受環境脅迫最敏感的部位，當植物受到不良環境影響時，細胞的內含物會不同程度外滲而引起細胞膜透性改變[7]。丙二醛(MDA)是植物在逆境下遭受傷害脂膜過氧化最重要的產物之一[8]。劉濟明等研究了水分脅迫下小蓬竹的生理生化特性，指出水分脅迫下細胞膜受傷害和細胞膜過氧化程度可反映植物原生質膜的受害強度[9]。王齊等對干旱脅迫下結縷草的生理變化研究指出，相對電導率和丙二醛含量在水分脅迫處理期整體呈上升趨勢，且隨水分脅迫的增加而增大[10]。試驗中，黔金蕎麥1號隨水分脅迫時間延長，對照組的葉片電導率和MDA含量均無顯著變化，而處理組2個指標則逐漸增加，在重度水分脅迫時顯著增加，說明水分脅迫使黔金蕎麥1號葉片的原生質膜受到傷害，但輕、中度水分脅迫細胞膜受害較輕，重度脅迫時則受到嚴重的傷害。

逆境下，植物通過增加胞內溶質濃度，降低滲透勢達到從外界吸水從而維持一定的膨壓，保證正常的代謝活動[11]。脯氨酸和可溶性糖是滲透調節中最重要的溶質[12-13]。包文龍等對水分脅迫下硬質早熟禾細胞內滲透調節物質的研究指出水分脅迫下植物體內脯氨酸和可溶性糖大量累積，有利于細胞保持較高的水勢，增強了細胞吸水能力，并減少水分向外散失；但脯氨酸和可溶性糖的滲透調節能力不同，可溶性糖的滲透調節能力強于脯氨酸[14]。本研究中，黔金蕎麥1號葉片脯氨酸含量在輕度水分脅迫時增加幅度較小，滲透調節能力較弱；中度水分脅迫時滲透調節能力增強，達最大值；重度水分脅迫時滲透調節能力降低。葉片可溶性糖在輕度水分脅迫時增加幅度即達顯著水平，表現出較高滲透調節能力，隨脅迫強度增加，到重度水分脅迫時滲透調節能力繼續增加。由此可知，水分脅迫下，黔金蕎麥1號葉片可溶性糖的滲透調節能力強于脯氨酸。這與包文龍[14]的研究結果一致，與安玉艷[15]對干旱脅迫下杠柳幼苗的研究結果不一致，可能與不同植物對干旱的適應機制不同有關。

逆境下，植物體內為保護自身免受氧化傷害形成一套相應的抗氧化保護酶系統(如SOD、POD和CAT等)來保護植物細胞膜和敏感分子免受活性氧的傷害[16]。本研究表明，隨水分脅迫強度增加，黔金蕎麥1號葉片SOD酶活性先增加后降低，在中度水分脅迫時達最大值；POD和CAT酶活性則一直處于上升狀態，POD和CAT酶活性分別在中度和輕度水分脅迫時顯著增加。說明，水分脅迫下黔金蕎麥1號體內產生了大量ROS(活性氧簇)，致使保護酶活性增加，中度水分脅迫時SOD、POD和CAT酶活性較強，3種酶協同作用將超氧陰離子歧化成H2O2和O2后，進一步將H2O2催化分解成H2O和O2，減小水分脅迫對植株細胞的損傷[17-18]。但重度水分脅迫時，酶的保護作用遭到破壞，表現為SOD酶活性降低，此時起作用的是CAT和POD酶。

光合作用是植株生長的生理基礎，可以反映植株生長勢和對水分脅迫的適應性強弱[19]。輕度水分脅迫時，黔金蕎麥1號的凈光合速率和氣孔導度的下降幅度較小，蒸騰速率的降幅較大，差異達顯著水平，水分利用效率略有增加，說明輕度水分脅迫時，黔金蕎麥1號通過降低蒸騰速率，提高對水分的利用效率。但中、重度水分脅迫時，黔金蕎麥1號的葉片光合機構遭到破壞，造成葉肉細胞氣孔擴散阻力增加，Rubisco 酶對 CO2的親和力降低，碳同化能力下降，凈光合速率降低。

由此可見，黔金蕎麥1號品種在輕、中度水分脅迫時能夠通過調節自身的滲透調節物質含量和保護酶活性來減輕水分脅迫傷害，維持植株的正常生理代謝功能；重度水分脅迫時，滲透調節能力和保護酶活性減弱，細胞膜受傷害程度增強，光合能力降低。

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(責任編輯： 孫小嵐)

Effects of Water Stress on Physiological Characteristics ofFagopyrumdibotrysCV. Qianjin No.1

ZHAO Lili1, XIANG Qinghua2*, ZHANG Wen3, YANG Fang4

(1.DepartmentofGrasslandScience,CollegeofAnimalScience,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025; 2.GuizhouInstituteofAnimalHusbandryandVeterinary,Guiyang,Guizhou550005; 3.GuizhouGrassSuperviseStation,Guiyang,Guizhou550002; 4.InstituteofVeterinaryDrugandFeedControl,LiupanshuiAgricultureCommittee,Liupanshui,Guizhou553001,China)

In order to explore the drought resistance mechanism and accelerate the utilization and extension of bred variety, UsingF.dibotrysCV. Qianjin No.1 as experimental materials, the cell injury rate, MDA content, proline content, soluble sugar content, SOD activity, POD activity and CAT activity were investigated under water stress in pool cultivation. The results showed that there was no significant change in all of indexes. With the prolongation of treatment time，the injury rate，MDA content, soluble sugar(SS), the activities of peroxidase(POD) and catalase(CAT) increased. The proline content (Pro), superoxide dismutase(SOD) and water use efficiency increased in the beginning and decreased at last. The net photosynthetic rate, stomatal conductance and transpiration rate decreased. Based on the results,F.dibotrysCV. Qianjin No.1 could endure and adapt to the low-grade and middle-grade water stress through increasing the content of osmotic substances and coordinating the activity of protective enzymes. Under high-grade water stress, the ability of osmotic adjustment and the activity of protective enzymes weakened, the cell membrane injured seriously, the photosynthetic capacity decreased.

FagopyrumdibotrysCV. Qianjin No.1； water stress； physiological indicators

2014-10-15； 2014-03-14修回

貴州省科技廳農業攻關項目[黔科合NY字(2011)3102]；貴州省科技成果重點推廣計劃[黔科合成字(2013)5084]；貴州省動植物育種專項[黔農育專字(2012)018]；貴州大學引進人才科研項目[貴大人基合字(2010)036]

趙麗麗(1981-)，女，副教授，博士，從事牧草種質資源及育種研究。E-mail：zhaolili_0508@163.com

*通訊作者:向清華(1974-)，女，高級經濟師，從事畜牧經濟研究。E-mail:770234274@qq.com

1001-3601(2015)05-0233-0045-05

S517； Q945.11

A