不同品種小粒咖啡幼苗對干旱脅迫的響應差異

陳凱+劉經倫+徐玲+柴連周+汪建云+李曉嬌+楊春貴

摘要：以云南熱區廣泛種植的小粒咖啡品種鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗為材料，比較了3種小粒咖啡幼苗在干旱脅迫下的受傷害程度、根系與滲透調節響應差異，并基于相關指標變化進行聚類分析。結果顯示，干旱脅迫過程中鐵畢卡的丙二醛（malondiadehyde，簡稱MDA）含量最高，其質膜受損害最嚴重；3個品種的根系體積變化差異不顯著，但卡蒂姆系列的根冠比大于鐵畢卡；鐵畢卡的滲透調節物質積累早于卡蒂姆系列，其中脯氨酸含量高于卡蒂姆系列，可溶性糖含量小于卡蒂姆系列。聚類分析結果顯示，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡單獨聚為一類，這一關系與3個品種的親緣關系一致。結果表明，小粒咖啡卡蒂姆系列耐旱力強于鐵畢卡；不同小粒咖啡品種對干旱脅迫的響應存在差異，這種差異與耐旱力有關，而耐旱力應該與親緣關系有關。

關鍵詞：小粒咖啡；干旱脅迫；幼苗；滲透調節；聚類分析；耐旱力

中圖分類號： S571.201 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0145-04

收稿日期：2016-04-06

基金項目：云南省應用基礎研究計劃（編號：2014FD057、2015FD056）；云南省保山市第一批青年學術和技術帶頭人（編號：bszqnxshjsdtr2012-04）

作者簡介：陳 凱（1985—），男，湖南邵陽人，碩士，助教，主要從事植物生理生態研究。Tel：（0875）3115198；E-mail：kchen1985@163.com。 小粒咖啡（Coffea arabica L.）為茜草科（Rubiaceae）咖啡屬（Coffea L.）小灌木，喜陰涼、潮濕環境[1-3]，對干旱敏感[4]。干旱下小粒咖啡的形態、生理代謝發生改變，產量降低，甚至死亡。干旱抑制小粒咖啡苗生長，降低生長速率[5-6]，使其株高[7]、葉面積[8-10]、鮮質量[8]、根系體積[7]及節間長度[7]降低；生物量分配發生改變，根與莖中分配增加，葉中減少[6，11]。干旱降低小粒咖啡葉片水勢[1，10，12]、相對含水量[8]，導致萎焉[10，12]，同時葉片氣孔導度[13]、葉綠素含量[14-15]、電子傳遞鏈效率[15]、光合速率[14]、淀粉含量[13]及蒸騰速率[13]都降低。咖啡樹在干旱下新葉減少、老葉提前脫落、掛果枝縮短、頂稍枯死、花質量降低、花器發育和幼果形成受阻[16]、咖啡豆變黃以及種子變黑、衰弱[17]。干旱可使小粒咖啡碳、氮代謝[1]及有機物積累[18]異常，因此旱區的咖啡產量低[19]。在旱地小粒咖啡幼苗移植成活率低，春旱或初夏干旱常出現死苗或僵苗的現象[20]。干熱區小粒咖啡因降雨不足、干燥度大，常出現落花落果、枯枝及干果[21]等問題。

云南小粒咖啡因其高品質而聞名世界，是云南熱區重要的經濟作物，目前云南生產性種植的小粒咖啡品種有鐵畢卡（Typica）及卡蒂姆（Catimor）系列等[22]。筆者前期的研究表明，干旱脅迫對小粒咖啡幼苗造成傷害，幼苗對干旱脅迫產生強烈響應，幼苗抗旱性的形成與滲透調節物質、抗氧化酶活性密切相關[23]。但小粒咖啡不同品種的耐旱力尚不清楚，本研究擬通過比較不同小粒咖啡品種對干旱脅迫響應的差異，評估不同品種的耐旱力，并試圖探明響應差異的大小與品種間親緣關系的遠近是否一致，對小粒咖啡育種及農業生產具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 材料

選用云南熱區大面積種植的小粒咖啡品種鐵畢卡、卡蒂姆78677（卡蒂姆_1）及卡蒂姆7963（卡蒂姆_2）作為試驗材料，小粒咖啡種子由云南省農業科學院熱帶經濟作物研究所與云潞咖啡股份有限公司提供；所用試劑有酸性茚三酮、脯氨酸、蒽酮及濃硫酸等，均為國產或進口分析純；主要儀器有紫外-可見光分光光度計等。

1.2 方法

1.2.1 小粒咖啡種子萌發及幼苗培養 幼苗培養時間為2015年3—10月，用10% H2O2將咖啡種子消毒30 min，再用無菌水（室溫）沖洗3次。浸種24 h后隨機分別播種在3塊苗圃中，播種深度為1.5 cm，苗圃白天最高溫35 ℃，晚上最低溫15 ℃，待幼苗出土后再培育50 d，幼苗培育過程中每3 d噴灑1次水，每塊苗圃每次1 L。

1.2.2 干旱脅迫處理及取材 對苗圃中的小粒咖啡幼苗進行自然干旱脅迫（持續不澆水）處理15 d，每3 d取1次材料，將根、莖、葉分開，并用電子天平稱質量。

1.2.3 相關形態指標測定 用水位取代法[24]測定根系體積，稱質量法[24]測定根冠比。

1.2.4 相關生理指標測定 用硫代巴比妥酸法[25]測定丙二醛含量，蒽酮比色法[24]測定可溶性糖含量，磺基水楊酸法[26]測定脯氨酸含量。

1.2.5 數據處理及分析 每組試驗重復3次，用R3.2.1的stat包做兩因素方差分析、多重比較及作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對3種小粒咖啡幼苗的傷害

干旱脅迫引起植物體缺水，導致次生氧化脅迫，氧化細胞膜中的不飽和脂肪酸生成丙二醛（malondiadehyde，簡稱MDA），改變細胞膜的通透性[27]，因此干旱脅迫下的膜傷害是干旱傷害的本質之一[28]。抗旱品種在干旱脅迫下質膜受傷害程度低[28]。為比較干旱脅迫對3種小粒咖啡幼苗的傷害程度，本研究分別測定干旱脅迫過程中3種幼苗葉片MDA含量的變化。由圖1-A可看出，隨著脅迫強度增加，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡幼苗葉片MDA含量都呈現不斷上升的趨勢；兩因素方差分析表明，小粒咖啡品種（F=7.606，P=0001 4）、脅迫強度（F=84.14，P≈0）極顯著影響幼苗葉片MDA含量；多重比較結果表明，干旱脅迫6 d鐵畢卡葉片MDA含量顯著（P=0.04）高于卡蒂姆_2，為卡蒂姆_2的135倍，在脅迫0、3、9、12、15 d，鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2兩兩之間MDA含量差異不顯著（P>0.05）。基于脅迫過程中MDA含量變化，對3個品種聚類分析結果（圖1-B）表明，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡單獨聚為一類。endprint

2.2 3種小粒咖啡幼苗根系對干旱脅迫的響應

根系發達程度是衡量作物抗旱的重要指標，發達的根系提高作物吸水效率，從而緩解旱情[28]。有研究表明，根系發達程度與作物的抗旱力呈正相關[28]。由圖2-A可看出，隨著脅迫強度的增加，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡幼苗根系體積呈現先上升后下降的趨勢；兩因素方差分析表明，小粒咖啡品種（F=6.383，P=0.005 8）、脅迫強度（F=26.129，P≈0）極顯著影響幼苗根系體積；多重比較結果表明，在脅迫0～15 d，鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2兩兩之間根系體積差異不顯著（P>0.05）。但聚類分析結果（圖2-B）表明，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡單獨聚為一類，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2的根系體積對干旱脅迫的響應方式更接近。

根冠比是指植物地上部分與地下部分生物量的比值，較高的根冠比表明植物有發達的根系，故作物根冠比與抗旱力呈正相關[28]。由圖3-A可看出，干旱脅迫過程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡的幼苗根冠比，隨脅迫強度增加呈現先上升后下降的趨勢，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2在脅迫12 d幼苗根冠比達到峰值，鐵畢卡在脅迫9 d達到峰值；兩因素方差分析表明，小粒咖啡品種（F=8.43，P=0.005 8）、脅迫強度（F=20.45，P≈0）極顯著影響幼苗根冠比；多重比較結果表明，在脅迫0、3、6、9 d，鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2兩兩之間根冠比差異不顯著（P>0.05），在脅迫12、15 d，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2幼苗根冠比都顯著（P005）。聚類分析結果（圖3-B）表明，干旱脅迫過程中卡蒂姆_1與卡蒂姆_2幼苗的根冠比變化相對于鐵畢卡更接近。

2.3 3種小粒咖啡幼苗主要滲透調節物質對干旱脅迫的響應

滲透調節指植物在干旱脅迫下，通過代謝活動增加細胞內的溶質濃度，降低滲透勢，從而保持細胞中的水分以維持正常生命活動，脯氨酸、可溶性糖等是主要的細胞滲透調節物質[28-29]。一般認為，耐旱品種比不耐旱品種滲透調節能力更強[28]。

脯氨酸不僅能提高細胞的保水能力，還能保護酶結構，維持酶活性[30]。作物在干旱條件下會積累大量脯氨酸，且不同

品種積累量有差異[29]。由圖4-A可看出，干旱脅迫過程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡幼苗葉片脯氨酸含量隨脅迫強度增加呈現先上升后下降的趨勢，3個品種的葉片脯氨酸含量均在脅迫12 d達到峰值；兩因素方差分析表明，小粒咖啡品種顯著（F=3.515，P=0.038）、脅迫強度極顯著（F=29.67，P≈0）影響葉片脯氨酸含量；多重比較結果表明，在脅迫6 d，鐵畢卡葉片脯氨酸含量顯著（P=0.04）高于卡蒂姆_1，為卡蒂姆_1的1.18倍，而鐵畢卡與卡蒂姆_2、卡蒂姆_1與卡蒂姆_2差異都不顯著（P>0.05），在脅迫0、3、9、12、15 d，3個品種兩兩之間脯氨酸含量差異均不顯著（P>0.05）。由圖4-B可看出，干旱脅迫過程中卡蒂姆_1與卡蒂姆_2幼苗的脯氨酸含量變化更接近。

可溶性糖在細胞內含量高、種類多，是細胞滲透調節的主要貢獻者，還原性的可溶性糖如海藻糖，同時具有保護酶、細胞結構的作用[31]。由圖5-A可看出，干旱脅迫過程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡幼苗葉片可溶性糖含量呈先上升后下降的趨勢，都在脅迫9 d可溶性糖含量達到峰值；兩因素方差分析表明，小粒咖啡品種（F=9.423，P=0.000 4）、脅迫強度（F=14.559，P≈0）均極顯著影響葉片可溶性糖含量；多重比較結果表明，在脅迫9、12、15 d，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的可溶性糖含量均顯著（P0.05）。圖5-B基于脅迫過程中可溶性糖含量變化聚類，結果表明，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡為另一類。

3 討論

質膜透性變化實際上反映了作物的耐旱性，是一種可靠的抗旱鑒定指標[28]，已有的研究表明，作物耐旱品種在干旱下質膜結構更穩定[32]。干旱對小粒咖啡幼苗造成傷害，導致其細胞膜通透性增加、電解質外滲及MDA含量增加[23]。本研究表明，干旱脅迫引起鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗的細胞質膜損傷，脅迫強度越大質膜受損傷程度越大，脅迫過程中鐵畢卡幼苗受傷害程度越大。

作物對干旱脅迫作出響應，但由于品種間耐旱力的差異而應答方式不一致[33]。干旱下小粒咖啡生物量分配發生改變，地下生物量增加，地上生物量減少[6，11]。本研究結果表明，鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗根系體積、根冠比在干旱脅迫早期增加，脅迫后期減小；脅迫過程中品種間根系體積變化差異不顯著（P>0.05），卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的根冠比大于鐵畢卡，表明卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的地上生物量比鐵畢卡少，水分蒸騰量相對較低，對土壤水分的需求也較低。作物葉片中的有機滲透調節物質可對干旱脅迫作出強烈響應[23，28]。干旱下小粒咖啡葉片中的脯氨酸、可溶性糖等大量積累[23]，且在脅迫的不同時期積累不同的滲透調節物質。本研究結果表明，干旱脅迫過程中鐵畢卡葉片中的脯氨酸含量高于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，可溶性糖含量低于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，由于可溶性糖的含量在小粒咖啡幼苗葉片中遠高于脯氨酸，故卡蒂姆_1、卡蒂姆_2具有更高的滲透調節能力，鐵畢卡葉片中的滲透調節物質積累早于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，表明鐵畢卡對干旱脅迫更敏感。綜合考慮干旱對3種小粒咖啡幼苗的傷害程度及幼苗在干旱下的根系、滲透調節物質的響應，筆者認為小粒咖啡的卡蒂姆系列比鐵畢卡更耐旱。

進化生態學認為不同的植物來源于共同的祖先，因此植物之間具有一定的親緣關系，植物在進化上保守的功能性狀具有相關性，親緣關系越近則對應的功能性狀越相似[34-36]。植物生理指標在植物生態學中歸屬于響應功能性狀[37]。本研究的所有聚類結果表明，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡單獨聚為一類，這一結果與3個品種親緣關系的遠近一致，故筆者推測作物的耐旱力與親緣關系有關，親緣關系近則耐旱力接近，對干旱應答的方式也類似。endprint

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