分根區(qū)交替灌溉對馬鈴薯葉片超微結(jié)構(gòu)及生理性狀的影響

宿飛飛，孫慕華，李 勇，劉尚武，劉振宇，王紹鵬，萬書明，陳 曦，高云飛，張靜華，秦斐斐，胡林雙，呂典秋*

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院博士后科研工作站，黑龍江哈爾濱 150030；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物脫毒苗木研究所，黑龍江哈爾濱 150030；3.北大荒黑土薯業(yè)有限公司，黑龍江哈爾濱 150030；4.山東省花生研究所，山東青島 266100)

分根交替灌溉(partial root-zone drying，PRD)是對作物不同區(qū)域根系進(jìn)行干濕交替灌溉的新型節(jié)水灌溉方式。這種灌溉是一種適度的干旱作用于作物根系，植株從而產(chǎn)生干旱信號誘導(dǎo)產(chǎn)生相應(yīng)的生理和應(yīng)答基因活化，對于保證作物產(chǎn)量及提高灌溉水利用率均具有很重要作用。國內(nèi)外關(guān)于逆境脅迫對植物細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化的研究亦有報(bào)道，大量研究發(fā)現(xiàn)逆境脅迫對植物細(xì)胞的膜脂過氧化有促進(jìn)作用，主要表現(xiàn)在葉綠體、線粒體等細(xì)胞器的超微結(jié)構(gòu)破壞和葉綠素降解等[1-3]。目前，不同灌溉模式下的植物適應(yīng)能力研究仍比較少。

分根交替灌溉的研究領(lǐng)域主要集中應(yīng)用于在葡萄[4]、西紅柿[5-7]、辣椒[8]、梨[9]、芒果[10]等蔬菜和果樹作物研究，側(cè)重于提高水分利用率及節(jié)約灌溉水資源。而在馬鈴薯抗旱研究應(yīng)用較少，且對抗旱誘導(dǎo)所要求的細(xì)胞微觀和生理活性的研究還鮮見報(bào)道。鑒于此，筆者研究了馬鈴薯分根交替灌溉下葉片的超微結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)生理活性指標(biāo)變化規(guī)律，挖掘分根交替灌溉技術(shù)潛力，將作物水分生理調(diào)控機(jī)制與作物高效用水技術(shù)緊密結(jié)合，為研發(fā)出非充分灌溉下的馬鈴薯高效抗旱節(jié)水栽培技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1材料供試材料是費(fèi)烏瑞它的馬鈴薯早熟品種，原種級別，由黑龍江省馬鈴薯工程技術(shù)研究中心提供，規(guī)格為50 g，整薯播種，試驗(yàn)在黑龍江省馬鈴薯工程技術(shù)研究中心智能溫室。

1.2方法選取規(guī)格大小45 cm×35 cm×17 cm花盆，為了防止花盆內(nèi)植株兩側(cè)根系區(qū)域內(nèi)土壤水分發(fā)生滲透，在盆沿上劃線并標(biāo)記將盆用硬質(zhì)塑料板均勻分成2部分。每個花盆稱取重量相同試驗(yàn)土5 kg，試驗(yàn)土配比為草炭∶爐灰∶土=3∶1∶2。試驗(yàn)共設(shè)2個處理，分別為正常澆水對照(CK)和干旱誘導(dǎo)處理(PRD)。干旱誘導(dǎo)處理(PRD)半邊澆水量為對照處理(CK)的70%。每個花盆種植1株，每個處理15株，3次重復(fù)，共90株。

試驗(yàn)按照正常管理，直到植株長到7～8片葉(定植40 d)時開始采取控水處理。具體處理方法如下：控水處理當(dāng)天對試驗(yàn)植株進(jìn)行澆透水處理，對照植株供水方式與常規(guī)灌溉一致，每隔5 d澆水1次，使土壤相對含水量始終保持在75%～80%。干旱誘導(dǎo)處理是每隔5 d澆水到花盆的半邊，另半邊花盆保持干旱狀態(tài)，之后輪流更替。對花盆兩側(cè)進(jìn)行前后2次澆水處理，分別在兩次半邊含水量80%、60%、40%時進(jìn)行6次取樣，在控水15 d之后進(jìn)行復(fù)水，復(fù)水后土壤含水量60%和40%時再取樣，樣品選取頂部葉片以下的第2～3片功能葉片。在不同生長時期各稱取葉片制作透射、掃描電鏡樣品，用于測定植株細(xì)胞微觀形態(tài)指標(biāo)，并稱取0.5 g植株的葉片，將其用錫箔紙包被，放于液氮中速凍，再放-80 ℃超低溫冰箱中，用于生理指標(biāo)測定。

1.3測定項(xiàng)目與方法

1.3.1產(chǎn)量測定。采收時期馬鈴薯塊莖全部收獲，并稱其鮮重。

1.3.2氧化酶分析。將檢測樣品從-80 ℃冰箱中取出，放入已進(jìn)行預(yù)冷處理的研缽中，加入7 mL內(nèi)含1%的PVP、濃度為0.05 mol/L、pH 7.8的磷酸緩沖液7 mL(分次加入，不要一次性加入)，并加入適量石英砂，于冰浴中研磨，研磨完全后轉(zhuǎn)移至離心管中，12 000 r/min 4 ℃離心處理15 min得到上清液，即為酶提取液，將其定容至10 mL，放至有刻度的試管中，并置于4 ℃冰箱的冰浴中備用，用于測定氧化酶活性。

1.3.2.1超氧化物歧化酶(SOD)活性。超氧化物歧化酶的提取主要參照李合生NBT光還原法[11]。把備用酶液取出0.1 mL，分別編號并設(shè)2個對照，對照管以0.05 mol/L磷酸緩沖液代替酶液，在每個樣品中依次加入0.05 mol/L磷酸緩沖液1.5 mL，130 mmol/L甲硫氨酸0.3 mL，750 μmol/L氮藍(lán)四唑0.3 mL，100 μmoL/LEDTA二鈉0.3 mL，20 μmoL/L核黃素0.3 mL，混合均勻定容至3 mL。將對照管于黑暗處，而處理各管在4 000 lx光照下反應(yīng)5 min。反應(yīng)結(jié)束后，將各個試管遮光放置，并以無光照的對照試管為空白，分別測定其他各管560 nm處的吸光度。

SOD活性公式：

(1)

式中，SOD活性是以鮮重酶單位每克表示；ACK表示有光強(qiáng)的CK管吸光度；AE為測試品管吸光度；V為測試品液體積，單位為mL；Vt為測試品用量，單位為mL；W為測試品鮮重，單位為g。

1.3.2.2過氧化物酶(POD)活性。過氧化酶測定采用張志良愈創(chuàng)木酚的方法[12]。將100 mol/L磷酸緩沖液50 mL和愈創(chuàng)木酚28 μL共2種液體混合，攪拌加熱溶解后進(jìn)行冷卻，達(dá)到室溫狀態(tài)加入19 μL 30%H2O2混合備用。取編號的試管，將混合液提取3.0 mL加入緩沖液0.7 mL和酶液0.3 mL，對照為混合液提取3.0 mL加入1.0 mL的提取緩沖液。每隔60 s 測定1次波長吸光值，直至300 s，共測定5次。以每60 s內(nèi)A470變化0.01為1個H2O2酶活性單位U，單位用g/min表示。

POD活性計(jì)算公式如下：

POD總活性=(ΔA470×VT)/(W×V1×0.01×t)

(2)

公式中：△A470表示反應(yīng)時間內(nèi)吸光度值的變化；W表示測樣品的鮮重，單位g；t表示比色反應(yīng)時間，單位min；VT表示酶液總體積，單位mL；V1表示測定酶液體積，單位mL。

1.3.2.3過氧化氫酶(CAT)活性。過氧化氫酶提取參照郝再彬高錳酸鉀滴定法[13]。取玻璃管樣品數(shù)加上1個對照管，在所有試管中加入pH 7.5的0.05 mol/L磷酸緩沖液4.5 mL，再加入H2O23.0 mL，在樣品管中加入0.6 mL的酶液，在對照管中加入0.6 mL的0.05 mol/L磷酸緩沖液，混合后再加入0.1 mol/L過氧化氫0.9 mL，立即記錄時間，混勻，在240 nm處測定吸光值，每隔1 min讀數(shù)1次，共測4 min，全部測定后，計(jì)算酶活性。CAT活性計(jì)算公式如下：

CAT活性=(ΔA240×3.0×VT)/(0.043 6×V1×t×FW)

(3)

式中，ΔA240表示吸光值變化在240 nm波長；3.0表示體系體積；VT表示酶液總體積，單位mL；V1是測定粗酶液容積，單位mL；FW表示待測樣品鮮重，單位g；0.043 6表示240 nm處1 μmol/L H2O2吸光值；t為加H2O2到最后一次讀數(shù)時間，單位min。

1.3.2.4丙二醛(MDA)含量。丙二醛含量測定采用何文亮等[14]硫代巴比妥酸比色方法。稱取硫代巴比妥酸0.6 g，并加入1 mol/L的NaOH溶液10 mL，再加入1.0 mol/L的鹽酸溶液11 mL，定容到100 mL的容量瓶。從容量瓶中取出3 mL TBA溶液分別放于編好號的樣品管及2個對照管中，在樣品管中加入1.5 mL 0.05 mol/L磷酸緩沖液及1.5 mL相對應(yīng)編號的酶液，在對照管中則直接加入3 mL 0.05 mol/L磷酸緩沖液，加完各溶液后混勻，放于鐵架上置于沸水浴中反應(yīng)15 min，在沸水浴中反應(yīng)時要用保鮮膜蓋上試管口。為了防止蒸發(fā)，反應(yīng)結(jié)束后迅速倒入編好號的離心塑料管中，直接插入冰盒中，在10 000 g離心15 min，取上清液分別測定OD450、OD532和OD600的吸光值。

MDA活性=[6.45×(OD532-OD600)-0.56×OD450]×VT/W

(4)

式中，MDA活性表示以mol/kg；W表示樣品鮮重，單位g；VT表示提取酶液總體積，單位mL。

1.4超微結(jié)構(gòu)觀察分別在土壤含水量80%、60%、40%和另半邊含水量80%、60%、40%及植株復(fù)水后含水量60%、40%時取樣，取樣部位為頂部葉片以下的2～3片功能葉片，根據(jù)以下操作制作透射和掃描電鏡樣品。首先將樣品置于載玻片上，切成3 mm×1 mm規(guī)格的樣條，隨后將其放入戊二醛(2.5%)中固定2 h，并用0.1 mol/L的磷酸緩沖液(pH 7.4)漂洗3次，每次10 min，漂洗后在通風(fēng)櫥用1%的四氧化鋨固定3 h，再用0.1 mol/L磷酸緩沖液(pH 7.4)漂洗3次，每次10 min。再分別用濃度為30%、50%、70%、90%、100%的乙醇對樣品進(jìn)行對水處理，其中濃度為30%、50%、70%的處理5～10 min，濃度為90%、100%的處理10～15 min，濃度為100%的脫水處理3次，其余各進(jìn)行l(wèi)次脫水處理。用濃度為100%的乙醇∶丙酮(比例1∶l)進(jìn)行置換1次，然后使用濃度100%的丙酮進(jìn)行置換1次，每次置換10 min。

經(jīng)過置換后則進(jìn)行滲透處理，方法為用丙酮∶Epon812樹脂(3∶1)滲透2 h，丙酮∶Epon512樹脂(1∶l)滲透4 h，丙酮∶Epon812樹脂(1∶3)滲透4 h，純Epon812樹脂則滲透過夜。在樣品過夜?jié)B透處理時，同時將包埋板放入35、45、60 ℃的恒溫箱內(nèi)加溫聚合過夜處理。然后在修塊機(jī)上利用超薄切片機(jī)對位于處理好的帶有梯形尖端的包埋塊內(nèi)的組織進(jìn)行切片，厚度為5 000～7 000 nm。用含支持膜的樣品載網(wǎng)將制好的切片撈出，將其放入墊有消毒后的濾紙培養(yǎng)皿中。隨后進(jìn)行染色處理，方法為醋酸鈾一檸檬酸鉛雙染色法，具體如下：首先用醋酸雙氧鈾對樣品常溫染色20 min，再用雙重蒸餾水進(jìn)行3次洗滌，隨后用檸檬酸鉛常溫染色15 min，再用雙重蒸餾水進(jìn)行3次洗滌，最后用濾紙吸取水分，將處理完成的樣品放入培養(yǎng)皿中待檢。在掃描電鏡下觀察被處理過的葉片的氣孔數(shù)量及開放程度，測量氣孔的長、寬用于計(jì)算氣孔的密度，統(tǒng)計(jì)氣孔的開閉情況。觀察時，選取具有代表性的視野拍照，每個處理的電鏡觀察統(tǒng)計(jì)至少為8個視野，取其平均值。用透射電鏡觀察處理后葉片的葉綠體、線粒體變化情況，并選取有代表性視野進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1不同灌溉處理下馬鈴薯細(xì)胞層超微結(jié)構(gòu)比較

2.1.1不同灌溉處理及梯度土壤含水量下氣孔形態(tài)比較。對比圖1中a和d，b和e，c和f可知，在同等土壤含水量的情況下，2種處理的樣品中氣孔器的密度差異明顯，其中PRD灌溉處理的馬鈴薯葉片氣孔器密度較同等土壤含水量中CK處理的馬鈴薯葉片氣孔器密度低。由此可見，PRD灌溉處理的馬鈴薯葉片對于干旱環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)更加強(qiáng)烈，在同等干旱條件下，PRD灌溉培養(yǎng)的馬鈴薯會更大限度地通過關(guān)閉氣孔減少蒸騰作用來減弱與緩沖干旱傷害。即在同等干旱條件下，PRD灌溉馬鈴薯會更大限度通過關(guān)閉氣孔減少蒸騰作用來減弱與緩沖干旱傷害。

注：a.CK處理80%含水量；b.CK處理60%含水量；c.CK處理40%含水量；d.PRD處理80%含水量；e.PRD處理60%含水量；f.PRD處理40%含水量Note：a.80% moisture content in CK treatment；b.60% moisture content in CK treatment；c.40% moisture content in CK treatment；d.80% moisture content in PRD treatment；e.60% moisture content in PRD treatment；f.40% moisture content in PRD treatment 圖1 不同處理對植物氣孔器密度影響Fig.1 Effects of different treatments on the stomatal density of plant

由圖2可知，在80%含水量時，PRD與CK處理的2種植物葉片氣孔的閉合程度差異不大，但隨著土壤含水量的降低，PRD灌溉處理的馬鈴薯葉片氣孔的閉合度顯著增加。在同等土壤含水量情況下，2種處理樣品中氣孔器的閉合程度差異明顯，其中PRD灌溉處理的馬鈴薯葉片氣孔器出現(xiàn)較明顯的閉合。由此可見，PRD灌溉處理的馬鈴薯葉片對于干旱環(huán)境的應(yīng)激反應(yīng)更加強(qiáng)烈，因此在同等干旱條件下，PRD灌溉培養(yǎng)的馬鈴薯會更大限度地通過關(guān)閉氣孔減少蒸騰作用來減弱與緩沖干旱傷害。因此在同等干旱條件下，PRD灌溉培養(yǎng)的馬鈴薯會更大限度的通過關(guān)閉氣孔減少蒸騰作用來減弱與緩沖干旱傷害。

2.1.2不同灌溉處理及梯度土壤含水量下葉片細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)比較。由圖3可知，含水量80%時2種不同處理下馬鈴薯葉片各細(xì)胞器結(jié)構(gòu)清晰完整，葉肉細(xì)胞排列比較疏松，中央液泡膜完整且液泡充盈，細(xì)胞核、核膜清晰可見。線粒體以較為規(guī)則的形態(tài)少量清晰分布于細(xì)胞質(zhì)中，雙層被膜結(jié)構(gòu)完整，嵴清晰可見。

注：a.CK處理80%含水量；b.CK處理60%含水量；c.CK處理40%含水量；d.PRD處理80%含水量；e.PRD處理60%含水量；f.PRD處理40%含水量Note：a.80% moisture content in CK treatment；b.60% moisture content in CK treatment；c.40% moisture content in CK treatment；d.80% moisture content in PRD treatment；e.60% moisture content in PRD treatment；f.40% moisture content in PRD treatment 圖2 不同處理對植物氣孔器閉合程度的影響Fig.2 Effects of different treatments on the stomatal closure degree of plant

注：a.CK處理80%含水量；b.CK處理60%含水量；c.CK處理40%含水量；d.PRD處理80%含水量；e.PRD處理60%含水量；f.PRD處理40%含水量；Ch.葉綠體；CW.細(xì)胞壁；G1.基粒片層；M.線粒體；N.細(xì)胞核；S.淀粉粒；V.液泡Note：a.80% moisture content in CK treatment；b.60% moisture content in CK treatment；c.40% moisture content in CK treatment；d.80% moisture content in PRD treatment；e.60% moisture content in PRD treatment；f.40% moisture content in PRD treatment；Ch.Chloroplast；CW.Cell wall；G1.Grana lamella；M.Mitochondria；N.Nucleus；S.Starch grain；V.Vacuole 圖3 不同處理對植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effects of different treatments on the cell structure of plant

在試驗(yàn)初期含水量80%時，2個處理下的馬鈴薯葉片基粒片層排列有序且緊密，同時可以清晰看到較厚的基粒片層平行于葉綠體的長軸方向，對于植物光合作用十分有利。隨著土壤含水率的下降，干旱刺激加重迫使馬鈴薯葉片葉綠體內(nèi)的基粒片層膨脹溶解直至部分消融。此現(xiàn)象是葉片細(xì)胞嚴(yán)重受損、光合作用嚴(yán)重受阻的標(biāo)志與信號。由圖3可知，PRD處理下葉片細(xì)胞的受損程度低于CK處理。

由圖3可知，在含水量80%時，片層清晰且有序排列、被膜和類囊體結(jié)構(gòu)清晰的長橢圓形葉綠體緊貼細(xì)胞壁；含水量60%時葉綠體結(jié)構(gòu)并未出現(xiàn)明顯異常變化，這是因?yàn)轳R鈴薯對于外界的干旱刺激有一定的自我調(diào)節(jié)能力。隨著土壤含水量的降低，葉綠體結(jié)構(gòu)受到不同程度的影響。含水量40%時葉綠體的超微結(jié)構(gòu)開始變化，首先葉綠體基粒上的類囊體發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致間質(zhì)片層的空間變大。基粒的排列不再保持有序，趨于隨機(jī)的分布在葉綠體中。

含水量80%時2個處理對線粒體的影響較小，隨著土壤含水量的逐漸下降，部分線粒體的嵴開始消融，線粒體腫脹，同時出現(xiàn)了葉綠體和線粒體部分彼此嵌合的現(xiàn)象。當(dāng)土壤含水量降低至40%時，大部分線粒體已被膜結(jié)構(gòu)包圍直至降解消融。而另半邊含水量的處理也與之相同。但PRD處理比CK的損害小，復(fù)水后干旱脅迫對線粒體造成的損害并沒有恢復(fù)。

2.2不同灌溉處理對馬鈴薯抗氧化保護(hù)機(jī)制的影響當(dāng)植物體受到外界的干旱刺激時，自身含氧自由基的生成和消融平衡會遭受到一定程度的破壞，對植物體造成損害。而抗氧化酶的存在可以促進(jìn)含氧自由基的消融，有助于維持含氧平衡。SOD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶中的一種，它的功效就是可以催化含氧自由基的消融反應(yīng)。植物體內(nèi)重要的抗氧化酶中還有POD，它與CAT均可以吸收和促進(jìn)消融植物體內(nèi)的H2O2，在干旱條件下有效保護(hù)了植物組織。然而，當(dāng)含氧自由基產(chǎn)生的量超出了植物體抗氧化酶的處理能力時，含氧自由基過多積累會導(dǎo)致膜脂過氧化水平增高，這會使具有改變細(xì)胞膜功能的丙二醛(MDA)含量上升，導(dǎo)致細(xì)胞膜相對通透性變大，從而引起植物各種生理變化，對植物細(xì)胞造成傷害。

2.2.1不同灌溉處理對超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響。SOD能夠消除新陳代謝過程中生物體產(chǎn)生的有害物質(zhì)，它是生命體固有的活性物質(zhì)。SOD是植物處于逆境中最主要的一種抗氧化酶，防止超氧自由基對生物膜系統(tǒng)的氧化。它能夠清除預(yù)防植物細(xì)胞的老化的活性氧和超氧陰離子自由基。

由圖4可知，馬鈴薯在不同灌溉處理和不同時期SOD活性呈先逐漸上升后又逐漸下降，復(fù)水后逐漸上升的變化趨勢。第一個含水量周期，即含水量80%～40%時SOD活性呈先緩慢上升后逐漸下降的變化趨勢，且在土壤含水量60%時SOD氧化酶活性達(dá)到最大。這說明隨著土壤含水量降低誘導(dǎo)葉片組織中SOD氧化酶表達(dá)，緩解由于干旱導(dǎo)致植株體內(nèi)超氧離子的傷害，土壤含水量在60%以后逐漸下降，各個處理SOD活性下降，由于干旱脅迫嚴(yán)重導(dǎo)致緩解氧化傷害的能力降低。在復(fù)水生長過程中，又重新誘導(dǎo) SOD活性上升，抵御活性氧對植株膜系統(tǒng)再次產(chǎn)生的傷害。2個灌溉處理中，PRD處理誘導(dǎo)SOD活性均顯著高于CK處理，PRD處理對O2-清除能力較CK處理強(qiáng)，說明PRD處理誘導(dǎo)的SOD的抗氧化能力強(qiáng)于CK處理。

圖4 不同處理對馬鈴薯SOD的影響Fig.4 Effects of different treatments on the SOD of potato

2.2.2不同灌溉處理對過氧化物酶(POD)活性的影響。過氧化酶POD是植物體內(nèi)活性較高的一種氧化還原催化酶，它關(guān)系到植物體內(nèi)多種生命活動作用，并直接影響著植物的生長發(fā)育狀態(tài)。隨著植物體的逐漸成熟，POD在植物體內(nèi)的活性逐漸降低，因此POD活性劑含量狀態(tài)是可間接用于檢測植物體組織老化情況的一種指標(biāo)。

由圖5可知，PRD處理后的POD活性在各個時期均高于CK處理，且POD活性變化趨勢相同。第一輪(含水量80%～40%)2種灌溉處理誘導(dǎo)的POD活性呈先逐漸上升后逐漸下降的變化趨勢，當(dāng)60%土壤含水量在POD活性達(dá)到最高值，之后隨著干旱程度的加重POD活性逐漸下降。第二輪隨著土壤含水量的逐漸降低POD活性也是呈先逐漸上升后逐漸下降的趨勢，當(dāng)含水量60%時POD的活性也達(dá)到最高。特別是復(fù)水后誘導(dǎo)了POD活性逐漸上升，抵御了活性氧對植株膜系統(tǒng)產(chǎn)生的傷害。

圖5 不同處理對馬鈴薯POD的影響Fig.5 Effects of different treatments on the POD of potato

這說明適度的干旱可誘導(dǎo)POD活性上升，土壤含水量過高或過度干旱都會導(dǎo)致POD活性降低；此外還發(fā)現(xiàn)，與CK處理相比，經(jīng)過PRD處理后的植株體內(nèi)POD活性各時期均得到很大程度提高，說明植株在經(jīng)過PRD誘導(dǎo)處理后會表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗氧化能力。

2.2.3不同灌溉處理對過氧化氫酶(CAT)活性影響。過氧化氫酶(CAT)是一種酶類清除劑，它作為一種催化劑可在反應(yīng)中促使H2O2的歧化分解，避免植物體內(nèi)含氧自由基含量過高，對植物體造成損害。過氧化氫酶是催化過氧化氫分解成氧和水的酶，存在于細(xì)胞的過氧化物酶體內(nèi)。

由圖6可以看出，PRD處理后CAT活性在各個時期均高于CK處理，且CAT活性變化趨勢相同。馬鈴薯植株在第一輪含水量處理中，即含水量80%～40%時，PRD和CK 2個灌溉處理中CAT活性變化總體呈先上升后下降的趨勢，第二輪含水量處理中也同樣；植株復(fù)水后，呈上升的變化趨勢。因此，在馬鈴薯生長控水期間，適度干旱可誘導(dǎo)CAT活性升高，PRD處理能增強(qiáng)馬鈴薯CAT抗氧化活性，提高馬鈴薯植株對過氧化氫的清除能力，更有利于抵御過氧化氫積累對馬鈴薯植株造成的氧化傷害。

圖6 不同處理對馬鈴薯CAT的影響Fig.6 Effects of different treatments on the CAT of potato

2.2.4不同灌溉處理對丙二醛(MDA)活性影響。丙二醛含量是植物體過氧化程度的重要評價指標(biāo)之一。丙二醛是植物體過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，因此當(dāng)植物體過氧化程度較高時，丙二醛增加導(dǎo)致植物體內(nèi)受損嚴(yán)重。植物體在逆境條件下易因細(xì)胞、組織、器官膜等過氧化嚴(yán)重受損而產(chǎn)生丙二醛。

從圖7可以看出，隨著土壤含水量下降，導(dǎo)致植株干旱程度逐漸加重，馬鈴薯植株MDA活性逐漸上升，植株復(fù)水后，干旱情況得到緩解，MDA活性又下降。在分根交替灌溉和對照2個灌溉處理中，不同土壤含水量時期PRD處理誘導(dǎo)的MDA活性均低于CK處理。

在不同的灌溉處理下，PRD和CK處理的丙二醛含量變化趨勢是逐漸上升，即隨著土壤含水量降低，植物受到活性氧傷害更加明顯。由于PRD處理誘導(dǎo)的抗氧化酶活性增強(qiáng)，因而降低了丙二醛對植株的傷害。

2.3不同灌溉處理對馬鈴薯產(chǎn)量的影響從圖8可以看出，在2種灌溉處理中，PRD處理產(chǎn)量高于CK處理，但是兩者差異并不顯著。該試驗(yàn)結(jié)果表明，在植株生長前期PRD處理使植株受到輕度的水分虧缺，從而可提高產(chǎn)量，原因是植株適度的水分虧缺誘導(dǎo)體內(nèi)生化反應(yīng)，復(fù)水后獲得補(bǔ)償生長效應(yīng)，故分根交替灌溉有利于提高馬鈴薯產(chǎn)量。

圖7 不同處理對馬鈴薯MDA的影響Fig.7 Effects of different treatments on the MDA of potato

圖8 不同處理對產(chǎn)量的影響比較Fig.8 Effects of different treatments on the yield

3 結(jié)論與討論

目前，不同植物的葉綠體、線粒體等超微結(jié)構(gòu)在干旱等復(fù)雜環(huán)境下的變化，以及對外界刺激產(chǎn)生的自身調(diào)節(jié)生理機(jī)制得到了廣泛研究。研究人員發(fā)現(xiàn)在干旱刺激下，葉片內(nèi)較多的膜狀結(jié)構(gòu)會生成，較多的泡狀結(jié)構(gòu)填充在葉肉細(xì)胞中會代替葉綠體、線粒體等原有細(xì)胞器，導(dǎo)致液泡以及內(nèi)膜系統(tǒng)降解葉肉細(xì)胞器，降低作物抗旱能力[15-20]。有研究表明，干旱刺激下葉肉細(xì)胞超微結(jié)構(gòu)變化與抗旱性呈正相關(guān)，但關(guān)于分根交替灌溉馬鈴薯葉片及葉綠體超微結(jié)構(gòu)變化與抗旱性關(guān)系至今仍鮮見報(bào)道。

該研究分根交替灌溉影響馬鈴薯植株的細(xì)胞指標(biāo)，主要體現(xiàn)在對于植株葉片氣孔器、葉綠體、線粒體形態(tài)的影響，在同等土壤含水量中氣孔器密度較CK處理低，隨著土壤含水量降低，氣孔器出現(xiàn)明顯閉合，PRD處理葉片細(xì)胞中葉綠體和線粒體的受損程度均低于CK處理，使馬鈴薯植株具有更好的抗旱性，并因此鍛煉馬鈴薯對于干旱刺激的應(yīng)激反應(yīng)程度，提高馬鈴薯的抗旱能力。

根據(jù)Mehdy[21]提出的生物自由基傷害學(xué)說，當(dāng)植物處于某種(如干旱)逆境條件下，植物細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生活性氧自由基和清除代謝的平衡遭受破壞，使產(chǎn)生活性氧自由基的能力增強(qiáng)，進(jìn)而加劇細(xì)胞的膜脂過氧化，給植物造成一定傷害[22-23]。同時植物在遭受干旱脅迫時，可以通過提高抗氧化酶活性來有效地防御和清除自由基保護(hù)細(xì)胞免受氧化傷害。該研究通過不同灌溉處理對抗氧化酶活性分析結(jié)果看出，隨著土壤含水量的降低，葉片SOD、CAT和POD和MDA活性均是前期逐漸上升后期逐漸下降，其中PRD處理各項(xiàng)抗氧化酶活性均較CK處理高，MDA和活性氧的活性較對照處理低。這也證實(shí)前人的研究成果，即在水分脅迫強(qiáng)度比較輕、水分虧缺速度比較慢的情況下，馬鈴薯葉片中誘導(dǎo)抗氧化酶POD、SOD、CAT活性都是上升趨勢，隨著土壤水分脅迫逐漸加重，植株體內(nèi)誘導(dǎo)抗氧化酶類POD、SOD和CAT活性下降，而MDA和活性氧等活性增強(qiáng)[24-27]，這與該試驗(yàn)的結(jié)論一致。

綜上所述，分根交替灌溉可以提高馬鈴薯抗旱能力。氣孔器密度PRD處理較同等土壤含水量中CK處理低。隨著土壤含水量的降低，馬鈴薯葉片氣孔器出現(xiàn)明顯閉合現(xiàn)象，PRD處理的葉片細(xì)胞中葉綠體和線粒體的受損程度均低于CK處理，從而更好保證了植株細(xì)胞器的功能，使馬鈴薯植株具有更好的抗旱性。分根交替灌溉能夠增強(qiáng)馬鈴薯植株的抗氧化性。馬鈴薯植株受到不同程度干旱脅迫時，隨著土壤含水量的降低，PRD處理的SOD、POD、CAT誘導(dǎo)活性均顯著高于CK處理，即PRD處理對O2-、 H2O2清除能力強(qiáng)，更能抵御O2-、H2O2的積累對馬鈴薯植株造成的氧化傷害。同時，隨著土壤含水量的降低，PRD處理誘導(dǎo)MDA活性均低于CK處理，說明植物受到活性氧毒害作用逐漸增強(qiáng)，PRD處理由于增強(qiáng)了抗氧化酶的活性，從而減少了丙二醛的積累。分根交替灌溉可在用水量降低的情況下保證馬鈴薯產(chǎn)量。馬鈴薯植株對干旱缺水反應(yīng)敏感，PRD處理存在著補(bǔ)償生長效應(yīng)，PRD處理對馬鈴薯植株生長起促進(jìn)作用。在植株生長前期PRD處理中，輕度的水分虧缺可提高產(chǎn)量，在同一生長期高于CK處理，PRD處理適當(dāng)?shù)乃痔澣笨梢源龠M(jìn)馬鈴薯葉片的生長，在復(fù)水處理獲得了一定補(bǔ)償生長效應(yīng)，加強(qiáng)了生理活性和干物質(zhì)累積，因此適度水分虧缺后及時復(fù)水可使作物獲得補(bǔ)償生長效應(yīng)，提高產(chǎn)量。

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