干旱脅迫對(duì)木薯苗生理特性影響研究

單忠英　羅興錄　樊吳靜　羅璇

摘 要 為探明木薯苗在干旱脅迫下的生理特性，以木薯品種新選048為材料，用桶栽方法人工模擬土壤干旱條件，設(shè)置供水量為土壤田間最大持水量的20%、40%、60%和80% 4個(gè)水分處理水平，以不供水為對(duì)照，研究不同程度干旱脅迫對(duì)木薯苗生理特性的影響。結(jié)果表明：木薯株高、莖粗、葉片的總含水量、自由水的含量、自由水和束縛水的比值均隨著供水量的增加而升高；葉片脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、細(xì)胞膜透性、SOD酶活性、POD酶活性均隨著供水量的增加而降低。可見(jiàn)，干旱脅迫越嚴(yán)重對(duì)木薯生長(zhǎng)越不利，土壤含水量占田間最大持水量的80%時(shí)最有利于木薯苗的生長(zhǎng)。

關(guān)鍵詞 木薯；苗；干旱脅迫；生理特性

中圖分類號(hào) S533 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯類作物之一，有“地下糧倉(cāng)”“淀粉之王”和“特用作物”的譽(yù)稱[1]，是一種用途很廣，經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物。中國(guó)木薯主要種植在廣西、廣東、海南和云南等地，且多為貧瘠易旱的坡地。木薯雖然為優(yōu)良的耐旱、耐貧瘠作物，但當(dāng)遭受長(zhǎng)期干旱威脅，特別是苗期受旱時(shí)，常導(dǎo)致木薯大幅度減產(chǎn)[2]。當(dāng)植物遭受不同程度干旱脅迫時(shí)，其生長(zhǎng)狀況、形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合特性與生理生化特性等會(huì)產(chǎn)生顯著影響，而為了在干旱脅迫條件下保證生存或保持生物量，植物就會(huì)相應(yīng)地做出一系列響應(yīng)，如氣孔調(diào)控、滲透調(diào)節(jié)和抗氧化防御等，以減輕干旱脅迫對(duì)植物正常生長(zhǎng)所造成的傷害[3]。目前，對(duì)于干旱脅迫對(duì)木薯生長(zhǎng)的影響方面的研究已有一些報(bào)道[4-6]，但對(duì)于木薯干旱脅迫下生理特性的研究較少。于曉玲等[7]對(duì)3個(gè)木薯栽培品種進(jìn)行了不同梯度的干旱處理，利用相關(guān)及判別分析方法研究其相關(guān)生理生化指標(biāo)與木薯抗旱性的關(guān)系，研究結(jié)果表明，隨著水分脅迫強(qiáng)度的增加，不同木薯品種Fv/Fm（光化學(xué)效率）有不同程度的降低，測(cè)試品種中SCl24（華南124）降低幅度最大，SC5（華南5號(hào)）變化最小；ABA（脫落酸）含量則有所增強(qiáng)，變化幅度因供試品種而異，SCl24變化最為顯著，SC5增強(qiáng)幅度最小；周芳等[8]研究了經(jīng)前期干旱鍛煉后再次水分脅迫對(duì)木薯葉片內(nèi)脫落酸、脯氨酸及可溶性糖含量的影響等。為進(jìn)一步探討不同供水量對(duì)木薯苗生理指標(biāo)的影響，本研究以木薯品種新選048為試材，研究了木薯苗在干旱脅迫下的生理特性，以探討木薯的抗旱性規(guī)律，尋求適合木薯苗生長(zhǎng)的供水量，為木薯的栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試木薯品種為廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院自育的新選048。

供試土壤取自大田耕層，風(fēng)干后混勻過(guò)篩，土壤質(zhì)地為輕砂壤土，田間最大持水量為8.49%，土壤pH值5.88，有機(jī)質(zhì)含量21.44 g/kg，速效氮含量44.97 mg/kg，有效磷含量5.95 mg/kg，速效鉀含量49.02 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2014年在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院科研基地溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)采用桶栽土培法，桶高39 cm，口徑58 cm（含2 cm外沿），底徑40 cm，每個(gè)桶底部各打3個(gè)孔以防積水，在桶底墊一層紗網(wǎng)防止土壤損失，裝入5 kg沙、75 kg風(fēng)干土。將木薯莖桿桶栽于溫室大棚中，每周給予澆水，保證木薯正常生長(zhǎng)，1個(gè)月后，待幼苗長(zhǎng)至約30 cm時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)處理。

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理，分別是土壤含水量占田間最大持水量的20%（T1）、40%（T2）、60%（T3）、80%（T4）和不供水處理，其中以不供水為對(duì)照（CK），每個(gè)處理重復(fù)3次，每周澆1次水。3周后，測(cè)定各處理株高和莖粗，同時(shí)取木薯苗功能葉，即從上往下第4片展開葉，去掉中脈，均勻剪碎、混勻，測(cè)定各處理葉片的生理指標(biāo)。

1.2.2 生理指標(biāo)測(cè)定方法 株高為地上莖基部到生長(zhǎng)點(diǎn)的距離，莖粗為株高下三等分點(diǎn)處的莖徑；葉片自由水和束縛水含量采用阿貝折射儀（WZS-1，上海長(zhǎng)方光學(xué)儀器公司）測(cè)定[9]；游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測(cè)定[10]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測(cè)定可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測(cè)定，細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)儀法測(cè)定[11]，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法測(cè)定，過(guò)氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，過(guò)氧化氫酶（CAT）活性采用KMnO4滴定法測(cè)定[9-10]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及制圖，SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)木薯苗株高、莖粗的影響

由表1可看出，隨著供水量的增加，株高、莖粗都呈上升的趨勢(shì)。T1的株高和莖粗與對(duì)照（CK）差異不顯著；T2的株高和莖粗與CK差異顯著；T3和T4的株高、莖粗與CK差異達(dá)極顯著，T3和T4的株高比CK分別高74.09%和133.95%，莖粗分別比CK高31.34%和45.08%。由此可見(jiàn)，苗期干旱脅迫對(duì)木薯的延伸生長(zhǎng)和加粗生長(zhǎng)具有明顯的抑制作用，抑制程度與脅迫程度有關(guān)，對(duì)延伸生長(zhǎng)的抑制程度比對(duì)加粗生長(zhǎng)的抑制更加明顯。

2.2 干旱脅迫對(duì)木薯苗葉片束縛水、自由水含量的影響

植物組織中的水分以自由水和束縛水2種不同的狀態(tài)存在。自由水與束縛水含量的高低與植物的生長(zhǎng)及抗性有密切關(guān)系。當(dāng)自由水/束縛水比值高時(shí)，植物組織或器官的代謝活動(dòng)旺盛，生長(zhǎng)也較快，抗逆性較弱；反之，則生長(zhǎng)較緩慢，但抗性較強(qiáng)。由表2可看出，隨著供水量的增加，木薯苗葉片的總含水量逐漸增加，T4與CK差異達(dá)極顯著，自由水含量也逐漸增加，T3和T4與CK間差異均達(dá)極顯著，束縛水含量逐漸降低，各處理與CK均達(dá)極顯著差異，自由水/束縛水比值也逐漸增加，T2、T3、T4與對(duì)照差異均達(dá)極顯著。

2.3 干旱脅迫對(duì)木薯苗葉片脯氨酸含量的影響

由圖1可看出，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中的脯氨酸含量呈降低趨勢(shì)，T2、T3、T4與CK差異極顯著，分別比CK降低26.44%、28.27%和38.74%。這表明干旱脅迫嚴(yán)重時(shí)，木薯苗葉片表現(xiàn)出明顯的脯氨酸積累效應(yīng)，隨著供水量的增加，累積效應(yīng)逐漸降低。這種特征有利于木薯苗受到干旱脅迫時(shí)提高滲透調(diào)節(jié)能力，維持細(xì)胞的膨壓，有助于提高其自身保水和主動(dòng)吸水的能力，是木薯葉片在水分虧缺時(shí)的一種保護(hù)性反應(yīng)。

2.4 干旱脅迫對(duì)木薯苗葉片可溶性糖含量的影響

由圖2可看出，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中的可溶性糖含量逐漸降低，T1、T2與CK差異不顯著，T3、T4與CK差異極顯著，可溶性糖含量比CK分別降低了28.67%、33.62%。由此可見(jiàn)，在供水量較多情況下，木薯幼苗體內(nèi)的可溶性糖含量減少，在干旱脅迫下木薯苗能積累更多的可溶性糖，增強(qiáng)滲透調(diào)節(jié)能力，提高抗旱性。

2.5 干旱脅迫對(duì)木薯苗葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

在逆境條件下，植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)的含量會(huì)顯著增加。其含量變化與植物的抗旱性有密切關(guān)系，可作為抗脅迫性的重要生理指標(biāo)。由圖3可以看出，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量逐漸降低，T1與CK差異不顯著，T2與CK差異顯著，T3、T4與CK差異極顯著，T3、T4可溶性蛋白質(zhì)含量比CK分別降低了30.61%、34.67%。

2.6 干旱脅迫對(duì)木薯苗葉片細(xì)胞膜透性的影響

在干旱脅迫下，木薯葉片細(xì)胞的膜透性增大，造成電解質(zhì)外滲，干旱脅迫越嚴(yán)重，電解質(zhì)外滲量越多。由圖4可看出，隨著供水量的不斷增加，電解質(zhì)相對(duì)外滲率隨之減少，T1、T2、T3與CK差異不顯著，T4與CK差異顯著，T4電解質(zhì)相對(duì)外滲率比CK降低了21.67%。

2.7 干旱脅迫對(duì)木薯苗葉片SOD酶活性的影響

SOD酶普遍存在于動(dòng)、植物體內(nèi)，是一種清除超氧陰離子自由基的酶，與植物抗逆性有密切的關(guān)系。由圖5可以看出，各處理的SOD酶活性均低于對(duì)照，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中SOD酶活性逐漸降低，T1、T2、T3與CK差異不顯著，T4與CK差異顯著，T4 SOD酶活性比CK降低了4.68%。

2.8 干旱脅迫對(duì)木薯苗葉片POD酶活性的影響

POD是活性氧物質(zhì)的清除劑，由圖6可看出，各處理的POD酶活性均低于對(duì)照，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中POD酶活性逐漸降低，T1與CK差異不顯著，T2、T3、T4與CK差異極顯著，T2、T3、T4 POD酶活性比CK分別降低了24.50%、42.05%、75.83%。

2.9 干旱脅迫對(duì)木薯苗葉片CAT酶活性的影響

CAT和POD一樣，也是活性氧物質(zhì)的清除劑，由圖7可看出，CK中CAT含量很低，說(shuō)明在木薯苗葉片中，干旱太嚴(yán)重會(huì)造成CAT含量急劇下降，其它處理隨著供水量的增加而降低，但相互之間差異不顯著。

2.10 干旱脅迫對(duì)木薯苗生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

植物受到脅迫時(shí)的抗逆反應(yīng)是一個(gè)復(fù)雜的生理生化過(guò)程，各生理生化指標(biāo)之間相互影響、相互作用。由表3可知，供水量與株高、莖粗、自由水含量呈極顯著正相關(guān)，與脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、細(xì)胞膜透性、SOD酶活性、POD酶活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)；株高與莖粗、自由水含量呈極顯著正相關(guān)，與脯氨酸含量、可溶性糖含量、POD酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)，與可溶性糖含量、細(xì)胞膜透性呈顯著負(fù)相關(guān)；莖粗與自由水含量呈極顯著正相關(guān)，與脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、POD酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)；自由水含量脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、POD酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)；脯氨酸含量與可溶性糖含量、POD酶活性呈極顯著正相關(guān)，與可溶性蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)；可溶性糖含量與POD酶活性呈極顯著正相關(guān)；可溶性蛋白質(zhì)含量與SOD酶活性、POD酶活性呈極顯著正相關(guān)；細(xì)胞膜透性與POD酶活性呈顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

植物受到干旱脅迫時(shí)，其生長(zhǎng)就會(huì)受到抑制。本研究得出，隨著干旱脅迫的加深，木薯植株生長(zhǎng)越緩慢，株高、莖粗越小，其中，土壤含水量占田間最大持水量的80%時(shí)最有利于木薯苗的生長(zhǎng)。

干旱脅迫下，植物葉片的組織水、自由水含量都會(huì)受到很大影響。本研究結(jié)果表明，木薯葉片的組織水、自由水、自由水和束縛水比值與其干旱脅迫的程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與張德炎[12]對(duì)辣椒的研究結(jié)果相似。

本研究中，干旱脅迫下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量大量積累，且隨著脅迫程度的增加積累逐漸增加，這是木薯苗在干旱逆境下的一種主動(dòng)防御機(jī)制，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加，可以維持細(xì)胞膨壓，使植物組織免遭失水的破壞，這與盧瓊瓊等[12]對(duì)大豆及韓苗苗等[13]對(duì)玉米的研究結(jié)果一致。

通過(guò)測(cè)定不同干旱梯度下木薯苗葉片電解質(zhì)相對(duì)外滲率，比較其膜透性增加的程度，根據(jù)差異性來(lái)判斷不同梯度脅迫下幼苗葉片細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。隨著脅迫程度增加，電解質(zhì)的相對(duì)外滲率增加，說(shuō)明膜質(zhì)透性增加，細(xì)胞膜的穩(wěn)定性減小。這是由于受到干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞類囊體被破壞，使細(xì)胞內(nèi)溶液外滲，引起電解質(zhì)相對(duì)外滲率增大，當(dāng)脅迫程度加強(qiáng)時(shí)，電解質(zhì)相對(duì)外滲率顯著增加。劉海龍等[14]也研究表明，干旱脅迫下，玉米苗葉片的質(zhì)膜相對(duì)透性上升。

對(duì)干旱脅迫下木薯苗葉片中SOD、POD、CAT含量研究表明，這3種酶的活性隨著供水量的升高而降低，說(shuō)明在干旱脅迫下，葉片通過(guò)增強(qiáng)保護(hù)酶活性來(lái)抵御干旱逆境對(duì)其所造成的傷害，從而使木薯苗表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱能力。桑子陽(yáng)等[15]對(duì)紅花玉蘭研究表明，隨著干旱脅迫程度的加重，葉片SOD、CAT和POD活性逐漸增強(qiáng)，這與本研究結(jié)果一致。由CAT在CK中含量較低，結(jié)合SOD和POD分析，可能是由于達(dá)到一定限度其活性都會(huì)下降，CAT下降較其它二者早。

干旱脅迫下，植物能夠進(jìn)行相關(guān)抗旱基因的表達(dá)，隨之產(chǎn)生一系列生理、生化及形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的變化，從而顯現(xiàn)出抗旱性的綜合性狀。從形態(tài)和生理方面反映了木薯對(duì)不同程度干旱環(huán)境的適應(yīng)能力特性，對(duì)于開展木薯對(duì)干旱脅迫與適應(yīng)的機(jī)制研究及揭示木薯的抗旱機(jī)理具有重要意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 李開綿， 林 雄， 黃 溶. 國(guó)內(nèi)外木薯科研發(fā)展概況[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2001（2）： 56-60.

[2] 黃 潔， 陳三魯， 李開綿. 沙地木薯的抗旱栽培技術(shù)[J]. 中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)， 2007， 4（6）： 60-61.

[3] Ge Y J， He X Y， Wang J F， et al. Physiological and biochemical responses of Phoebe bournei seedlings to water stress and recovery[J]. Acta Physiol Plant， 2014（36）： 1 241-1 250.

[4] 王澤平， 劉海斌， 羅興錄. 水分脅迫對(duì)木薯品種新選048光合性及產(chǎn)量效應(yīng)的影響[J]. 廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2012， 39（15）： 6-8.

[5] 劉子凡， 黃 潔， 胡體嶸， 等. 中度水分脅迫對(duì)木薯葉片光合特性影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2011， 24（4）： 1 286-1 289.

[6] 李一萍， 黃 潔， 劉子凡， 等. 干旱脅迫對(duì)木薯苗光合特性的影響[J]. 熱帶作物學(xué)報(bào)， 2013， 34（4）： 685-689.

[7] 于曉玲， 王 淦， 阮孟斌， 等. 水分脅迫對(duì)不同木薯品種葉片生理生化的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2012， 28（33）： 60-64.

[8] 周 芳， 劉恩世， 孫海彥， 等. 水分脅迫對(duì)干旱鍛煉后木薯葉片內(nèi)脫落酸、脯氨酸及可溶性糖含量的影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)， 2013， 26（4）： 1 428-1 433.

[9] 李合生. 植物生理生化實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M]. 北京： 高等教育出版社， 1999： 123-212.

[10] 周祖富， 黎兆安. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 南寧： 廣西大學(xué)， 2005： 102-117.

[11] 盧瓊瓊， 宋新山， 嚴(yán)登華. 干旱脅迫對(duì)大豆苗期光合生理特性的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào)， 2012， 28（9）： 42-47.

[12] 張德炎. 水分脅迫對(duì)辣椒葉片生理活性的影響[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2010， 49（4）： 819-821.

[13] 韓苗苗， 張仁和， 朱永波， 等. 水分脅迫對(duì)玉米苗期生理特性的影響[J]. 干早地區(qū)農(nóng)業(yè)研究， 2007， 25（11）： 164-166.

[14] 劉海龍， 鄭桂珍， 關(guān)軍鋒， 等. 干旱脅迫下玉米根系活力和膜透性的變化[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)， 2002， 1（72）： 20-22.

[15] 桑子陽(yáng)， 馬履一， 陳發(fā)菊. 干旱脅迫對(duì)紅花玉蘭幼苗生長(zhǎng)和生理特性的影響[J]. 西北植物學(xué)報(bào)， 2011， 31（1）： 109-115.