不同抗旱類型胡麻幼苗對干旱脅迫的生理響應

吳瑞香，楊建春，王利琴，郭秀娟

(山西省農業科學院 高寒區作物研究所，山西 大同 037008)

水資源短缺是全球公認的環境和資源問題之一，同時也是限制農業生產的主要非生物逆境因子之一[1]。全世界約有36%的土地為干旱、半干旱地區，占農耕地的43%。我國情況也不容樂觀，全國土地總面積的1/2表現出不同程度的干旱，主要位于華北和西北各地[2]。隨著近年來氣候的惡性變化，干旱程度仍在不斷加重。山西省是華北地區干旱最嚴重的省份之一，尤其是春旱、伏旱嚴重，已嚴重影響了農業生產，作物的產量和品質嚴重降低，影響了該區域農作物的高產、穩產以及種植結構。國內外除采用開辟水源和節水灌溉以提高水分利用率外，研究改變栽培措施和培育抗旱作物品種抵抗干旱脅迫的不利影響已成為學者們關注的熱點問題[3]。

胡麻(LinumusitatissimumL.)即油用亞麻，屬亞麻科亞麻屬1年或多年生草本植物，是我國西北和華北高原高寒干旱區的主要油料作物，也是干旱、半干旱地區的主要經濟作物，主要分布于新疆、寧夏、甘肅、山西、河北、內蒙古等省份[4]，這些地區年降水量一般在400～500 mm，少數重干旱生態區降水量只有200～300 mm[5]，加上地下水資源缺乏，嚴重限制了作物的生產。胡麻具有較強的耐旱、耐寒、耐瘠薄能力，且生長周期短、適應性強，加上其營養價值豐富，在人們的日常生活及工業生產中占有重要的地位，也是北方干旱地區重要的食用油來源[6-7]。

國內外學者就小麥、玉米、大豆、高粱等農作物[8-16]以及果樹對干旱脅迫的響應及其抗旱生理生化機制已進行了大量的研究。干旱脅迫下，作物一般表現植株矮小、葉片數減少、葉面積下降、產量和品質降低，滲透調節物質脯氨酸(Pro)含量、可溶性蛋白含量增加，膜脂過氧化產物丙二醛(MDA)含量、質膜透性增加，抗氧化酶POD、SOD活性加大，但不同抗旱類型胡麻間變化不盡相同，不同的品種(系)由于其自身的遺傳基礎等因素，對干旱的適應性反應在生理變化上面存在一定差異。

本試驗采用盆栽法，人工控水模擬干旱脅迫環境，研究了干旱脅迫下抗旱性存在明顯差異的4個胡麻品種生理生化變化，以初步探討胡麻幼苗在干旱處理條件下的表型變化以及生理響應機制，旨為深入研究胡麻抗旱的生理和分子機制奠定基礎，為胡麻抗旱品種選育及抗旱栽培提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料由山西省農業科學院高寒區作物研究所提供，分別是晉亞7號、晉亞10號、晉亞11號、E051-20共4個胡麻品種，其中，抗旱性大小為晉亞7號>晉亞10號>晉亞11號>E051-20。

1.2 試驗設計

試驗于2017-2018年在山西省農業科學院高寒區作物研究所試驗基地進行。選取顆粒飽滿、大小一致的種子，播種于塑料花盆中，花盆口內徑為24 cm，盆底內徑16.5 cm，深18 cm，盆內裝有大田過篩壤土(孔徑1 cm)與蛭石體積比為3∶1的基質，配施250 g有機肥，混合攪拌均勻。每天澆水保持基質濕潤，待4片真葉展開后進行第1次間苗，7～8片真葉時進行定苗，每盆保苗50株。10片真葉時于每天18：00進行控水處理。試驗共設3個處理：CK. 適宜水分，為田間最大持水量的70%～75%； MD. 中度脅迫，為田間最大持水量的55%～60%；SD. 重度脅迫，為田間最大持水量的40%～45%。田間最大持水量為24.11%。每個處理重復3次，脅迫處理開始后，每隔5 d取葉片測定一次生理指標，每次取植株上部心葉以下部分功能葉進行測定處理，脅迫20 d后每重復取10株幼苗測定生長指標。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 生長指標測定 參照《亞麻種質資源規范和數據標準》中的相關規定[17]，測定株高、莖粗、葉片數、根長等生長指標，并對整個植株在110 ℃下殺青10 min后在80 ℃下烘干15 h至恒質量，得出植株干質量表示生物量，同時通過公式計算葉片相對含水量。

葉片相對含水量=(葉片鮮質量-葉片干質量)/(飽和鮮質量-葉片干質量)×100%

1.3.2 生理指標測定 質膜透性采用電導率儀測定[18]；可溶性蛋白含量測定采用考馬斯亮藍染色法[19]；Pro含量測定采用水浴浸提法[18]；MDA含量測定采用硫代巴比妥酸法[20]；POD活性測定采用愈創木酚法[21]。

1.4 數據統計分析

數據采用Excel 2010軟件進行整理和作圖，采用SPSS 18.0軟件進行方差分析及相關性分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對胡麻幼苗生長的影響

方差分析表明，隨澆水量的減少，4個胡麻品種幼苗的株高、莖粗、生物量、葉片相對含水量均顯著降低(表1)。與CK相比，MD處理下的株高、莖粗、生物量及葉片相對含水量晉亞7號的降幅分別為14.31%，10.88%，16.81%和1.63百分點，晉亞10號的降幅分別為19.61%，12.62%，16.59%和0.80百分點，晉亞11號的降幅分別為21.21%，12.77%，29.78%和3.77百分點，E051-20的降幅分別為24.20%，19.32%，35.02%和8.16百分點；SD處理下株高、莖粗、生物量及葉片相對含水量晉亞7號的降幅分別為33.51%，21.90%，46.98%和6.73百分點，晉亞10號的降幅分別為49.27%，32.54%，50.22%和7.62百分點，晉亞11號的降幅分別為47.55%，32.61%，60.44%和9.72百分點，E051-20的降幅分別為56.85%，35.80%，70.05%和15.52百分點。其中，晉亞7號無論是MD還是SD處理下降幅度均比其他3個品種小，E051-20在MD和SD這2個處理下降幅均較其他3個品種大。說明干旱脅迫能夠抑制植株的生長，特別是重度脅迫嚴重抑制了胡麻植株的形態生長，抑制了胡麻的生物量積累，使植株含水量也明顯降低，但是抗旱性強的品種受脅迫的影響較低，降幅較小，說明抗旱性強的品種能夠有效地保持細胞中的自由水含量，促進植株生物量的積累。在生長指標方面最直觀的表現就是株高和莖粗的降低。

表1 干旱脅迫對胡麻幼苗形態指標的影響Tab.1 The effect of drought stress on the morphological indexes of the seedlings of flax

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。圖1-5同。

Note： Different small letters show significant difference among treatments (P<0.05). The same as Fig.1-5.

2.2 干旱脅迫對胡麻幼苗膜脂過氧化的影響

從圖1可以看出，與CK相比晉亞7號的MDA含量在MD處理下隨著時間的延長上升幅度變化不大，在SD處理下呈上升趨勢，但在15 d時漲幅均有所下降，在20 d時漲幅分別為10.67%，38.10%；晉亞10號在脅迫20 d時漲幅分別為17.10%，45.89%；晉亞11號在脅迫20 d時的漲幅分別為17.8%，54.85%；晉亞10號、晉亞11號在MD處理下漲幅基本一致，在SD處理下，晉亞11號漲幅略高于晉亞10號，而E051-20不論是MD還是SD處理下，漲幅均呈現先增加后降低的趨勢，在MD處理下，15 d時漲幅達到最高為30.25%，SD處理下，10 d時漲幅達到峰值為80.64%，在20 d時的漲幅分別為26.51%，58.15%；在脅迫的每一個時期E051-20的漲幅均大于其他3個品種，且遠遠大于晉亞7號。在MD處理下，晉亞10號和晉亞11號降幅相似，而在SD處理下，晉亞11號又和E051-20的降幅差不多，說明晉亞11號在中度脅迫下，抗性較強，而在重度脅迫下，抗性較差。除晉亞7號外，其余3個品系的MDA含量均隨脅迫程度的增加而顯著增加，且MDA含量有隨脅迫時間延長總體呈現增加的趨勢。

從圖2可以看出，質膜透性隨脅迫時間的變化不同品系表現不同。在MD處理下，晉亞7號和晉亞10號上漲幅度呈現交替上升的趨勢，20 d時的漲幅分別為3.03,3.55百分點；晉亞11號和晉亞10號的漲幅基本一致，20 d時漲幅為3.88百分點；E051-20呈明顯上漲趨勢，20 d時漲幅達到5.99百分點；而在SD處理下，晉亞7號、晉亞10號與晉亞11號均在10 d時達到最大漲幅，分別為7.49,8.01,9.40百分點，20 d時的漲幅分別為5.91,5.73,9.34百分點；E051-20呈大幅上漲趨勢，在15 d時到達高峰，漲幅為13.79百分點，20 d時的漲幅為9.80百分點；隨脅迫時間的增加，總體均呈上漲趨勢，MD處理下，晉亞7號漲幅最小，E051-20最大，而晉亞10號與晉亞11號相差不多。SD處理下，E051-20漲幅最大，晉亞11號次之，晉亞7號和晉亞10號差不多，漲幅較小。說明干旱脅迫對胡麻造成了膜脂過氧化傷害，嚴重破壞了細胞膜的結構，其中，E051-20的細胞膜受損最嚴重，晉亞11號次之，晉亞7號和晉亞10號受損最小。

圖1 干旱脅迫對MDA含量的影響Fig.1 Effects of drought stress on MDA content of leaves

圖2 干旱脅迫對質膜透性的影響Fig.2 Effects of drought stress on relative electric conductivity of leaves

2.3 干旱脅迫對胡麻幼苗有機滲透調節物質含量的影響

從圖3可以看出，4個品系的可溶性蛋白質含量在前10 d沒有明顯的變化，均保持相對穩定。在脅迫15 d時不論是MD還是SD處理，可溶性蛋白質含量均有所增加，其中，晉亞10號的增加量最高，為17.56%，31.37%；晉亞7號次之，為5.57%，8.83%；晉亞11號增加3.55%，1.81%；E051-20增加5.66%，0.01%。脅迫20 d時，MD處理下晉亞10號增加18.34%，其次是晉亞11號增加16.44%，晉亞7號增加9.19%，E051-20下降2.64%；SD處理下，晉亞10號增加38.75%，其次是晉亞7號增加19.34%，晉亞11號增加8.76%；E051-20下降14.82%，但從方差分析來看，除晉亞10號在脅迫結束時不同處理間差異顯著外，其他品種(系)處理間差異均不顯著。認為可溶性蛋白質的變化對胡麻干旱脅迫下的滲透調節幾乎不起作用。

圖4結果顯示，隨干旱脅迫程度的增加，胡麻葉片Pro含量顯著增加，其中，在 MD處理下，晉亞7號和晉亞10號在10 d時出現最大漲幅，分別是393.97%，196.49%；在SD處理下，最大漲幅仍在10 d時出現，分別是652.4%，327.10%。脅迫20 d時晉亞7號和晉亞10號在MD處理下漲幅分別為178.27%，182.33%；SD處理下漲幅分別是346.92%，326.58%；而晉亞11號和E051-20的最大漲幅均在20 d時出現，MD處理下分別是191.98%，103.87%；SD處理下分別是309.10%，259.61%。說明干旱脅迫下胡麻可通過合成和積累Pro而抵抗缺水造成的滲透脅迫。

圖3 干旱脅迫對可溶性蛋白質含量的影響Fig.3 Effects of drought stress on soluble protein of leaves

圖4 干旱脅迫對Pro含量的影響Fig.4 Effects of drought stress on Proline content of leaves

2.4 干旱脅迫對胡麻幼苗保護性酶活性的影響

從圖5可以看出，不論是MD處理還是SD處理，POD活性漲幅均呈現先增后減的趨勢，但出現的峰值處在不同的時期，在MD處理下，不同的品系最大漲幅均出現在15 d，分別為118.39%，97.93%，80.95%，64.64%；在20 d時漲幅又有所下降，分別為92.00%，60.78%，50.87%，45.95%；但總體呈增長趨勢。在SD處理下，晉亞7號、晉亞11號、E051-20最大漲幅均在10 d時出現，分別為157.47%，97.00%，71.33%；晉亞10號峰值出現在15 d時為147.89%，在20 d時晉亞7號的漲幅為153.45%，晉亞10號為99.85%，晉亞11號是29.95%，而E051-20則是呈下降趨勢，降幅為9.29%。

2.5 干旱脅迫下胡麻幼苗各生長生理指標間的相關性分析

由表2，3可知，晉亞7號的株高、莖粗分別與RWC、生物量呈極顯著正相關，與MDA、質膜透性、可溶性蛋白、Pro、POD均呈極顯著負相關；晉亞10號的株高與RWC、生物量呈極顯著正相關，與其余指標均呈極顯著負相關，而莖粗與RWC呈顯著正相關，與生物量呈極顯著正相關，與其余指標均呈極顯著負相關；晉亞11號的株高與RWC、生物量呈極顯著正相關，與質膜透性呈顯著負相關，與可溶性蛋白和POD不相關，與MDA、Pro均呈極顯著負相關，莖粗與RWC呈顯著正相關，與生物量呈極顯著正相關，與可溶性蛋白、POD不相關，與MDA、質膜透性、Pro均呈極顯著負相關；而E051-20的株高、莖粗均與RWC、生物量呈極顯著正相關，與可溶性蛋白呈顯著正相關，與POD不相關，與MDA、質膜透性、Pro均呈極顯著負相關。各個品系的株高與莖粗均與生物量呈極顯著正相關，與MDA、Pro含量呈極顯著負相關，而生物量又均與MDA、Pro呈極顯著負相關，MDA與Pro則呈極顯著正相關。植株受到干旱脅迫時最直接的反應就是株高與莖粗的降低，干旱脅迫下，胡麻幼苗細胞膜受損，MDA、Pro含量增加，植株表現為生長受到抑制，從而導致生物量積累下降。

圖5 干旱脅迫對POD活性的影響Fig.5 Effects of drought stress on POD activity of leaves

指標IndexPHSDRWCBIOMDAMPSPProPODPH0.937??0.862??0.936??-0.948??-0.849??-0.940??-0.977??-0.962??SD0.884??0.748? 0.803??-0.958??-0.897??-0.871??-0.932??-0.940??RWC0.964??0.846?? 0.926??-0.840??-0.615-0.808??-0.791?-0.765?BIO0.962??0.927??0.917??-0.883??-0.717?0.892??-0.882??-0.842??MDA-0.942??-0.849??-0.963??-0.933??0.867??0.857??0.924??0.929??MP-0.884??-0.871??-0.758?-0.895??0.762? 0.755?0.921??0.939??SP-0.885??-0.798??-0.840??-0.865??0.888??0.731?0.912??0.902??Pro-0.937??-0.940??-0.860??-0.962??0.890??0.956??0.834??0.992??過氧化物酶POD-0.929??-0.900??-0.834??-0.945??0.872??0.949??0.836??0.990??

注：*、**分別表示P<0.05、P<0.01水平上顯著或極顯著相關。表中PH、SD、RWC、BIO、MDA、MP、SP、Pro、POD分別表示株高、莖粗、葉片相對含水量、生物量、丙二醛、質膜透性、可溶性蛋白、脯氨酸、過氧化物酶。表3同。表中左下角為晉亞7號的相關系數，右上角為晉亞10號的相關系數。

Notes：*,**represent significance or extreme signifcance atP<0.05,P<0.01, respectively.The table PH,SD, RWC, BIO, MDA,MP,SP,Pro,POD showed the Plant height(PH),Stem diameter(SD),Leaf relative water content(RWC),Biomass,Malondialdehyde(MDA),Membrane permeability(MP),Soluble protein(SP),Proline(Pro), Peroxidase(POD). The same as Tab.3. The correlation coefficient of Jinya 7 is in the lower left corner of the table, the upper right angle is the correlation coefficient of Jinya 10.

表3 晉亞11號和E051-20各生長生理指標間的相關系數Tab.3 Correlation coefficient between physiological and biochemical indexes of Jinya 11 and E051-20

注：表中左下角為晉亞11號各項指標的相關系數，右上角為E051-20胡麻各項指標的相關系數。

Notes： The correlation coefficient of Jinya 11 is in the lower left corner of the table, the upper right angle is the correlation coefficient of E051-20 flax.

3 結論與討論

干旱對作物的危害是一個復雜的生理過程，而作物抵抗逆境脅迫也是一個多系統的綜合生理反應。干旱脅迫下，植物根系首先受到影響，并快速向上傳遞脅迫信號，然后植株體內水分狀況異常，細胞滲透壓改變，失水皺縮，加上活性氧大量產生造成的膜脂過氧化，使原生質體受到損傷，最終表現為對植株生長的抑制。因此，植物在干旱脅迫下最顯著的癥狀就是生長減慢，甚至植株死亡[22-23]。也就是說在干旱脅迫下，植株最直觀的表現就是株高降低、莖稈變細。在本試驗中，干旱脅迫下4個胡麻品系的株高、莖粗隨著脅迫程度的加深和時間的延長，均表現為極顯著下降，同時，生物量的積累又隨著株高、莖粗的降低而降低。

植物細胞膜對控制物質進出細胞和維持細胞代謝穩定具有重要的生理功能[22]。干旱脅迫下，細胞內自由基的產生和清除遭到破壞，細胞膜透性加大，膜脂過氧化產物MDA大量積累[24-26]。因此，MDA含量可作為反映細胞膜過氧化傷害的指標。本研究表明，晉亞7號、晉亞10號、晉亞11號和E051-20這4個品系雖然都有不同程度的增加，變化趨勢基本一致，但是不同品種間的差異較大，抗旱性弱的品種的增加量明顯高于抗性強的品種。說明胡麻幼苗的抗旱性越強，膜脂過氧化程度越低，植株清除自由基的能力越高，葉片MDA積累越少。本試驗結果還表明，隨著干旱脅迫的增加，MDA含量和相對電導率均顯著增加，但相關性分析表明，只有MDA與株高、莖粗以及生物量之間均呈極顯著負相關，說明隨著脅迫的增加，抗旱性弱的胡麻幼苗中MDA含量大量積累，質膜透性加大，細胞膜嚴重受損，導致了植株生長降低，生物量積累減少。

植物在干旱條件下通常會通過積累小分子有機溶質來增強滲透調節能力，降低滲透勢，從而適應不良環境[27-29]。前人大量研究表明，可溶性蛋白和脯氨酸是重要的滲透調節物質[30-31]。李德全等[28,32]研究認為，Pro在植物干旱脅迫下能有效防止水分喪失，減輕滲透脅迫，且對蛋白質的穩定起保護作用，但不能作為植物抗旱性評價的標準。本研究中，隨著干旱脅迫的增加，4個品種(系)的Pro含量顯著增大，相關性分析也表明，Pro含量與株高、莖粗及生物量存在極顯著負相關。說明胡麻幼苗受到干旱脅迫時，Pro通過大量積累來增加細胞液的濃度，從而調節植株滲透能力，保護質膜的穩定，防止細胞失水而受到傷害。且相關性分析表明，Pro與株高、莖粗、生物量及MDA含量呈極顯著相關。而可溶性蛋白的變化在不同品種(系)間差異較大，除晉亞10號在處理間有顯著差異，在處理后期有顯著增加外，其他品系均較為穩定，可能是因為在一定時期內，Pro的大量積累穩定了蛋白質的結構，使蛋白質的合成與分解達到一種相對的平衡，使得可溶性蛋白的含量在胡麻幼苗適應干旱脅迫的過程中基本不起作用。

一般認為，POD是植物酶促反應體系的重要保護酶，能夠有效防御膜脂過氧化反應產生的活性氧對細胞造成的傷害，穩定膜透性。胡麻幼苗通過維持較高水平的POD活性來適應干旱脅迫，減輕干旱脅迫對自身的傷害。在本試驗中，4個品種(系)的POD活性均表現為先升后降，品種的抗性不同出現最大漲幅的時期也不同，抗旱性強的品種雖然先升后降，但最終的漲幅遠遠大于抗旱性弱的品種，E051-20在重度脅迫結束時，POD活性低于對照，這時其體內的POD可能已參與活性氧的生成、葉綠素的降解，并引發膜脂過氧化作用，由最初的保護效應已轉變為最終的傷害效應。導致此時的MDA含量大量增加，膜脂過氧化反應加劇，植株受到嚴重傷害。

綜上所述，隨著脅迫程度的增加以及時間的延長，不同品系的胡麻幼苗受到不同程度的損傷。抗旱性強的品種在生理代謝方面具有較強的協調能力以及較強的保水能力，多表現為保護酶活性迅速提高、有機滲透調節物質含量顯著增加，抗旱性差的品種則表現保護酶活性較低、有機滲透調節物質含量較少，膜脂過氧化產物大量積累。由此可見，胡麻幼苗通過多種方式來適應干旱脅迫，增加抵抗逆境的能力。綜合生長指標、生理指標及相關性分析，可以把生物量、脯氨酸及丙二醛作為鑒定胡麻幼苗抗旱性的生理指標。