不同小麥品種發芽期水分脅迫生理響應機制研究

孫常青 ，屈 非 ，王 晉 ，韻曉冬 ，孫 麗 ，郭志利

（1.山西省農業科學院作物科學研究所，山西太原030031；2.太原學院外語系，山西太原030012）

水資源短缺已成為世界性危機，嚴重限制著作物的生長發育和產量[1-2]，全球氣候變化更是加劇了這一情況的發生[3]。據統計，世界上有50多個國家、地區以及43%的耕地處于干旱半干旱區[4]，而我國干旱半干旱耕地面積大約占總耕地面積的51%，每年有將近250萬hm2耕地受到不同程度干旱的影響[5]。在有限的水資源條件下，人們尋求各種方法來緩解由干旱對農業生產造成的影響。

小麥（Triticum aestivumL.）是世界上最主要的糧食作物之一，在我國其栽培面積占到禾谷類作物的30%左右，在國民經濟中占有重要地位，其產業的發展直接關系到糧食安全和社會穩定[6-8]，因此，其抗旱資源的研究也更加具有現實意義。在有限的水分條件下，選育抗旱性強、高水分利用率及高產的品種，是提高干旱地區作物產量的主要途徑[9]。水分脅迫是小麥最常見的脅迫之一，嚴重限制植物的生長并影響作物的產量、形態、生理和生化過程[10]。

近年來，很多學者就水分脅迫與植物抗旱生理進行了廣泛研究。電導率是反映植株細胞電解質滲透率的指標，丙二醛含量是反映膜脂過氧化作用強弱的重要指標，脯氨酸是植物體內重要的滲透調節物質[11-13]。不同的小麥品種抗旱性差別也較大。如姜淑欣等[14]研究發現，在PEG模擬干旱條件處理小麥植株時，其抗旱品種普冰143葉片中脯氨酸含量較不抗旱品種鄭引1號更高；時振振等[15]研究發現，在一定范圍水分脅迫時，小麥葉、葉鞘和莖中脯氨酸、丙二醛含量隨著脅迫程度和時間的增加而上升，且增加幅度較大的西旱2號，其抗旱性也相對更強。但前人的研究多以小麥葉片或莖作為研究對象，而對其根和芽的研究較少。

本試驗通過在模擬干旱條件下對抗旱型和水分敏感型小麥品種發芽期在水分脅迫條件下根和芽生理指標差異進行分析，探討水分脅迫對不同小麥品種發芽期的影響，旨在為抗旱小麥品種的選育提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試小麥品種為運旱20410（耐旱品種）和臨遠3158（水地品種），由山西省農業科學院作物科學研究所提供。

1.2 試劑

K+（0.1mmol/L）測試液：0.1mmol/LKCl，0.1mmol/L CaCl2，0.1 mmol/L MgCl2，0.5 mmol/L NaCl，0.2 mmol/L Na2SO4，0.3 mmol/L MES，pH 值 6.0，用 Tris調節pH值。

1.3 試驗方法

試驗于2017年8月在山西省農業科學院作物科學研究所進行，小麥種子溫湯浸種30 min后瀝出，（25±1）℃清水浸泡24 h，再將種子瀝出，挑選萌動勢一致的種子，擺入培養皿（直徑9 cm），注入K+測試液 5 mL，（25±1）℃繼續培養 5 d，待主根長至5 cm左右，將培養皿內水分吸凈，分別加入0（CK），19.2%的聚乙二醇（PEG6000）溶液進行水分脅迫處理，24 h后進行指標測試，試驗重復3次。

1.4 測定項目及方法

1.4.1 相對電導率的測定 電導率的測定參照姬俊華等[16]方法，分別將經過PEG脅迫處理和對照的小麥試材洗凈、吸干多余水分，將芽和根分別剪下并各稱取1.0 g，放入潔凈的50 mL三角瓶中，加入10 mL去離子水后，放入真空干燥器中抽氣15 min左右，至材料不再釋放氣泡為止。取出試材，加瓶塞，外滲30 min后用電導率儀測定初始電導率（S1）。將材料轉入沸水浴中加熱15 min，冷卻后再次測定終電導率（S2），計算相對電導率。

1.4.2 丙二醛（MDA）含量的測定 稱取處理好的小麥芽和根各0.3 g，參照文獻[17]的方法測定小麥芽和根的丙二醛（MDA）含量。

1.4.3 脯氨酸含量的測定 稱取處理好的小麥芽和根各0.5 g，參考文獻[18]測定小麥芽和根的脯氨酸含量。

1.5 數據處理

采用Excel 2007和SPSS 16.0軟件進行試驗數據處理分析，應用Duncan氏新復極差法進行差異顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對發芽期小麥相對電導率的影響

從圖1可以看出，水分脅迫24 h后，運旱20410芽和根的對照組與處理組的相對電導率差異均不顯著（P＜0.05）。臨遠3158芽的對照組與處理組的相對電導率分別為44.38%，54.92%，處理組比對照組相對電導率增加23.75%，而根部對照組與處理組的相對電導率分別為51.33%，62.41%，處理組比對照組相對電導率增加21.58%。2個品種在水分脅迫條件下根和芽的電導率均升高，但是在水分脅迫下臨遠3158較運旱20410芽和根的電導率差異更大，說明其對水分脅迫的敏感性更強。

2.2 水分脅迫對發芽期小麥丙二醛含量的影響

由圖2可知，運旱20410芽對照組與處理組的丙二醛含量分別為1.08，1.51 μmol/g，處理組比對照組丙二醛含量增加39.80%，而根部對照組與處理組的丙二醛含量分別為0.44，0.67 μmol/g，處理組比對照組丙二醛含量增加52.27%。臨遠3158芽處理組與對照組的丙二醛含量分別為0.98，1.32 μmol/g，處理組比對照組的丙二醛含量增加34.70%，根部處理組與對照組的丙二醛含量分別為0.43，0.54 μmol/g，處理組比對照組丙二醛含量增加25.58%。2個品種小麥的芽和根在水分脅迫下丙二醛含量均有顯著增加（P＜0.05），但運旱20410的增加幅度較臨遠3158更大。

2.3 水分脅迫對發芽期小麥脯氨酸含量的影響

從圖3可以看出，在小麥發芽期，運旱20410芽對照組與處理組的脯氨酸含量分別為58.73，323.37 μg/g，處理組為對照組的5.51倍，根部對照組與處理組的脯氨酸含量分別為43.73，253.76μg/g，處理組是對照組的5.80倍。臨遠3158芽對照組與處理組的脯氨酸含量分別為132.97，431.09 μg/g，處理組是對照組的3.24倍，根部對照組與處理組的脯氨酸含量分別為112.94，208.54 μg/g，處理組約為對照組的1.85倍。在水分脅迫條件下，2個品種的芽和根脯氨酸含量均升高，但運旱20410的脯氨酸迅速累積更迅速（P＜0.05）。

3 討論

種子的發芽期對水分的要求最敏感，不同品種其種子在發芽期對水分脅迫的耐受性也不同。在水分脅迫的條件下，細胞質膜結構受損，透性增強，細胞內部分電解質和有機物外滲，而電導率則反映細胞電解質的滲透率，因此，該指標可直接反映質膜透性改變和細胞受損情況[19-20]。運旱20410是一個抗旱節水、品質優良的旱地品種，臨遠3158是一個品質優良、高水肥條件下表現優勢的水地品種。與對照相比，水分脅迫條件下，臨遠3158芽和根的相對電導率差異不顯著，而抗旱品種運旱20410芽和根的相對電導率均顯著增加，說明水地品種臨遠3158對由水分脅迫引起的芽和根部膜受損傷程度小于旱地品種運旱20410，這一結果與張述義等[21]的研究結論相似。

植物在干旱脅迫下，細胞內自由基的代謝產生大量活性氧，當活性氧的積累超過傷害閾值時，會引起細胞膜脂過氧化反應，從而產生丙二醛，因此，丙二醛成為衡量植物抗旱性強弱的一個重要指標[22]。在本試驗中，運旱20410芽和根系中丙二醛含量在水分脅迫條件下增加率高于臨遠3158，說明運旱20410膜的過氧化代謝產物積累多，膜損傷程度就較大。丙二醛含量的變化與電導率相同，丙二醛含量升高，說明細胞過氧化傷害程度較重，從而發生脂質過氧化作用，并影響到細胞電解質滲漏，從而使電導率增加。脯氨酸作為有機滲透調節物質，其作用一是作為細胞質的滲透調節物質，二是作為防脫水劑。KEMPLE等[23]研究黑麥時首先發現干旱脅迫下游離脯氨酸大量積累，此后在多種作物的器官、組織和細胞的研究上得到證實。彭云玲等[24]在玉米耐旱自交系與旱敏感自交系苗期干旱脅迫試驗中，也發現耐旱自交系中的脯氨酸含量高于旱敏感自交系。本研究結果顯示，在干旱脅迫下，2個小麥品種的脯氨酸含量均有增加，而運旱20410的脯氨酸含量增加幅度更大，可見該品種對水分的反應更敏感。綜上，在水分脅迫下，與臨遠3158相比，運旱20410的脯氨酸迅速累積更迅速，丙二醛含量和電導率的增加量相對也較少，干旱脅迫對細胞膜破壞性相對更小，說明運旱20410對水分脅迫的適應性更強。因此，運旱20410表現出更大的抗旱優勢，這一點也與種植實際相符。