外源亞精胺對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗生長(zhǎng)及生理生化指標(biāo)的影響

鄒芳， 楊秀柳， 黃思麒， 王志恒， 魏玉清

(北方民族大學(xué)生物科學(xué)與工程學(xué)院，銀川 750021)

土壤干旱是農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要限制因子，嚴(yán)重威脅著作物產(chǎn)量和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球45%的耕地受到干旱缺水威脅，而且隨著全球工業(yè)化加快和不合理的耕作方式，受威脅的耕地面積在逐年增大[3]。我國(guó)是世界上人均淡水儲(chǔ)量較少的國(guó)家之一，旱地面積占到全國(guó)總土地面積的52.5%，干旱缺水是長(zhǎng)期限制我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展重要因素之一[4]。甜高粱 [Sorghumbicolor(L.) Moench]屬禾本科高粱屬一年生草本植物，具有適應(yīng)性廣、生長(zhǎng)速度快、生物產(chǎn)量高等特點(diǎn)，可作為飼料、能源和糖料用原料。在干旱、半干旱地區(qū)的大力發(fā)展甜高粱種植，對(duì)于調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增加農(nóng)民收入具有重要的意義[5]。

亞精胺(spermidine，Spd)又稱精脒，是一種具有強(qiáng)生物活性的低分子脂肪族含氮堿，分子式為H2N(CH2)3NH(CH2)4NH2，是多胺的一種。多胺常見于生物體細(xì)胞內(nèi)，主要包括腐胺、精胺和Spd[6]。多胺能參與植物多種基本生理過程，因其在非生物脅迫下清除自由基、滲透調(diào)節(jié)及陰陽離子平衡中發(fā)揮重要作用而與提高植物抗逆性密切相關(guān)[7]。Spd作為多胺的一種，多以質(zhì)子化形式存在，能直接參與生物體的許多生理活動(dòng)，與生物體的生長(zhǎng)發(fā)育密切相關(guān)[8]。Spd能夠保護(hù)非生物脅迫條件下植物光合器官結(jié)構(gòu)和功能的完整性，來保持較高的光合效率[9-10]。Zhang等[11]研究表明，施用外源Spd 可有效減緩干旱脅迫下番茄葉片氣孔的關(guān)閉，提高植株的光合能力，同時(shí)減少干旱脅迫下幼苗體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生和提高植株體抗氧化能力，從而緩解干旱脅迫對(duì)番茄幼苗的傷害作用；李麗杰等[12]研究表明，外源Spd能促進(jìn)玉米幼苗對(duì)光能的捕獲與轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)光合作用，能夠通過減少玉米幼苗體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生，增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累以穩(wěn)定細(xì)胞膜系統(tǒng)，提高根系活力，從而增強(qiáng)玉米幼苗對(duì)干旱逆境的適應(yīng)性。關(guān)于外源Spd對(duì)干旱脅迫下苗期甜高梁生長(zhǎng)及生理生化影響的研究未見報(bào)道。

本研究以甜高粱雜交品種遼甜1號(hào)幼苗為試驗(yàn)材料，采用含有15%的PEG-6000的營(yíng)養(yǎng)液模擬干旱脅迫條件，研究了不同濃度Spd噴施干旱脅迫下甜高粱幼苗，測(cè)定了幼苗生長(zhǎng)過程中葉綠素含量、光合參數(shù)、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量及抗氧化酶活性，研究了外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高梁幼苗生理生化和生長(zhǎng)的影響，探討了外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗緩解效應(yīng)，以期為提高甜高粱耐旱性機(jī)理提供理論依據(jù)，促進(jìn)干旱、半干旱地區(qū)甜高粱的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

甜高粱品種為遼甜1號(hào)，由遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新中心提供。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在北方民族大學(xué)植物生理生態(tài)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，采用盆栽試驗(yàn)方法。選取大小均勻、健康飽滿的種子，用蒸餾水反復(fù)沖洗后用10%次氯酸鈉消毒15 min，常溫下用滅菌水沖洗后，擺放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，置于27 ℃恒溫生化培養(yǎng)箱內(nèi)催芽24 h。將催芽后的種子移至裝有等量石英砂(直徑約為0.3 cm)的塑料花盆中，每盆9粒種子，后置于28 ℃、光照周期為12 h光照/12 h黑暗的光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行光照培養(yǎng)，培養(yǎng)過程中每周更換1次Hoagland營(yíng)養(yǎng)液。待苗高為3葉1心時(shí)，每盆定苗6株，進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：①對(duì)照組(CK)，正常施加營(yíng)養(yǎng)液，噴施蒸餾水；②干旱處理(D)，濃度為15%的PEG-6000的營(yíng)養(yǎng)液，噴施蒸餾水；③T1處理，濃度為15%的PEG-6000的營(yíng)養(yǎng)液，噴施0.6 mmol·L-1的Spd；④T2處理，濃度為15%的PEG-6000的營(yíng)養(yǎng)液，噴施1.2 mmol·L-1的Spd；⑤T3處理，濃度為15%的PEG-6000的營(yíng)養(yǎng)液，噴施1.8 mmol·L-1的Spd。從干旱脅迫當(dāng)天開始，每天8:00和18:00，葉片表面均勻噴施蒸餾水或Spd溶液，以葉片表面產(chǎn)生水膜為止。每個(gè)處理重復(fù)3次。分別在處理的第7 d、第15 d采樣，測(cè)定葉片的光合參數(shù)、抗氧化物酶活性及可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸(proline，Pro)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)、葉綠素含量；第15 d測(cè)定生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.3.1幼苗生理生化指標(biāo)測(cè)定 可溶性蛋白含量測(cè)定采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[13]；可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法[14]；Pro與MDA含量測(cè)定采用南京建成生物工程研究所的測(cè)試盒；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性測(cè)定采用氮藍(lán)四唑光還原法[15]；過氧化物酶(peroxidase，POD)活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚顯色法[13]；過氧化氫酶(patalase，CAT)活性測(cè)定采用紫外吸收比色法[16]；抗壞血酸過氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)活性測(cè)定參考孫云[17]的方法。

葉綠素測(cè)定采用混合液提取法[18]。光合參數(shù)及響應(yīng)曲線的測(cè)定，選擇生長(zhǎng)健康、完全展開的甜高粱幼苗葉片，于09:00—11:00采用LI-6400XT便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(美國(guó)LI-COR公司)進(jìn)行測(cè)定，每處理取3次重復(fù)。在控制條件下測(cè)定光合參數(shù)：凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導(dǎo)度(stomatal conductance，Gs)、胞間CO2濃度(intercellular CO2concentration，Ci)、蒸騰速率(transpiration rate，Tr)，設(shè)定光強(qiáng)為1 000 μmol·m-2·s-1，固定紅藍(lán)光源，F(xiàn)low為500 μmol·s-1，CO2R為400 μmol·mol-1，Temp為25 ℃，等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后開始記錄數(shù)據(jù)。

1.3.2幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的測(cè)定 將甜高粱幼苗從花盆中移除，選取各處理幼苗6株，用直尺量取幼苗長(zhǎng)度即株高(cm)；用蒸餾水將幼苗沖洗多次，再用吸水紙吸干其表面水分，電子天平稱取鮮重(g)；測(cè)干重前先105 ℃烘2 h殺青，后80 ℃烘24 h至恒重，進(jìn)行稱重；葉面積測(cè)量方法參考趙文賽等[19]的方法。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Microsoft Excel 2003和GraphPad Prism 5.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可知，干旱脅迫顯著抑制了甜高粱幼苗的生長(zhǎng)(P<0.05)。與CK相比，D處理下幼苗株高、鮮重、干重、葉面積分別下降38.07%、61.74%、57.77%、35.31%。D處理下，外源噴施一定濃度的Spd能夠促進(jìn)甜高粱幼苗的生長(zhǎng)，總體呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)。噴施1.2 mmol·L-1的Spd時(shí)，幼苗株高、鮮重、干重、葉面積的促進(jìn)作用最強(qiáng)，與D處理相比，分別增加31.62%、58.29%、49.53%、30.96%。結(jié)果表明，PEG-6000處理對(duì)甜高粱幼苗產(chǎn)生脅迫效應(yīng)，而外源Spd可以緩解這種脅迫，尤其是1.2 mmol·L-1的Spd處理對(duì)干旱脅迫的緩解效果更明顯。

表1 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗生長(zhǎng)的影響Table 1 Effect of exogenous Spd on the growth of sweet sorghum seedlings under drought stress

2.2 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗葉綠素含量和光合參數(shù)的影響

2.2.1對(duì)甜高粱幼苗葉綠素含量的影響 由圖1可知，干旱脅迫下甜高粱幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量均顯著低于CK處理(P<0.05)。D處理7 d后，甜高粱幼苗葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量較CK處理分別下降了43.07%、50.38%、39.42%；處理15 d后，較CK處理分別下降了55.07%、68.39%、47.12%。干旱脅迫下，甜高粱幼苗葉綠素a/b均高于CK處理，處理7 d后，較CK處理升高15.15%；處理15 d后，較CK處理升高41.45%，說明干旱脅迫能夠抑制甜高粱幼苗光合色素的積累。D處理下噴施不同濃度Spd時(shí)，葉綠素a、葉綠素b及葉綠素a+b含量隨Spd濃度的增加呈先升后降的趨勢(shì)。T2處理對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗的緩解作用最強(qiáng)，與D處理相比，T2處理7 d后，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量分別提高了37.50%、53.96%、31.66%，葉綠素a/b降低了10.03%；處理15 d后，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b含量分別提高了80.04%、154.84%、65.36%，葉綠素a/b降低了28.53%。這說明，噴施Spd可以顯著的緩解干旱脅迫下甜高粱幼苗光合色素的合成或降解受阻，從而有效地改善甜高粱幼苗的光合作用。

注：相同處理時(shí)間下不同字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different letters under same treatment time indicate significant difference at P<0.05 level.圖1 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗葉綠素含量的影響Fig.1 Effect of exogenous Spd on chlorophyll content of sweet sorghum seedlings under drought stress

2.2.2對(duì)甜高粱幼苗光合參數(shù)的影響 由圖2可知，干旱脅迫顯著抑制甜高粱幼苗光合參數(shù)(P<0.05)。D處理7 d后，甜高粱幼苗Pn、Gs、Tr較CK分別降低了49.19%、44.98%、46.95%，Ci升高74.31%；D處理15 d，甜高粱葉片Pn、Gs、Tr較CK分別降低67.39%、66.67%、67.58%，Ci升高125.35%。D處理下噴施不同濃度Spd時(shí)，Pn、Gs、Tr隨Spd濃度的增加呈先升后降的趨勢(shì)，而Ci則呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)。T2處理對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗光合參數(shù)的緩解作用最強(qiáng)，與D處理相比，T2處理7 d后，Pn、Gs、Tr分別提高了58.15%、52.26%、63.48%，Ci降低了36.21%；T2處理15 d后，Pn、Gs、Tr分別提高了135.40%、138.60%、158.54%，Ci降低了30.47%。由此可見，干旱脅迫抑制了甜高粱幼苗的光合作用，噴施Spd可以有效緩解干旱脅迫對(duì)甜高粱幼苗光合作用的抑制，其中，T2處理效果較好。

注：相同處理時(shí)間下不同字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different letters under same treatment times indicate significant difference at P<0.05 level.圖2 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗光合參數(shù)的影響Fig.2 Effect of exogenous Spd on photosynthetic parameter of sweet sorghum seedlings under drought stress

2.3 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和MDA含量的影響

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在植物體內(nèi)的含量在一定程度上反映植物的抗逆性。由圖3可知，干旱脅迫顯著提高了甜高粱幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量(P<0.05)。D處理7 d后，甜高粱幼苗可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量較CK分別升高37.97%、60.87%、78.86%；D處理15 d后，可溶性蛋白含量降低42.95%，可溶性糖、Pro含量分別升高38.09%、59.57%。D處理下噴施不同濃度Spd時(shí)，可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量隨Spd濃度的增加而呈先上升后下降的趨勢(shì)，均在T2處理時(shí)達(dá)到最大。與D處理相比，T2處理7 d后，可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量分別提高了18.57%、57.39%和48.28%；T2處理15 d后，可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量分別提高了123.91%、53.69%和71.16%。逆境脅迫會(huì)導(dǎo)致植物葉片活性氧的積累及膜脂過氧化程度加劇，植株葉片細(xì)胞內(nèi)MDA含量可以反映其細(xì)胞氧化損傷程度的高低。由圖3可知，干旱脅迫顯著提高了甜高粱幼苗葉片MDA含量(P<0.05)。D處理7 d、15 d后，甜高粱葉片MDA含量較CK分別升高146.97%、260.80%。D處理下噴施不同濃度Spd時(shí)，MDA含量隨Spd濃度的增加而呈先下降后上升的趨勢(shì)，其中T2處理下MDA的含量最低。T2處理7 d、15 d后，甜高粱葉片MDA含量較D處理分別降低47.00%、53.17%。

注：相同處理時(shí)間下不同字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different letters under same treatment time indicate significant difference at P<0.05 level.圖3 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和丙二醛含量的影響Fig.3 Effect of exogenous Spd on osmotic adjustment substance and MDA content of sweet sorghum seedlings under drought stress

2.4 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗抗氧化物酶活性的影響

SOD、POD、CAT和APX是與植物抗逆相關(guān)的抗氧化關(guān)鍵酶，植物通過調(diào)節(jié)這些抗氧化關(guān)鍵酶活性，保持活性氧代謝平衡，以減緩細(xì)胞內(nèi)活性氧自由基積累和膜脂過氧化傷害。由圖4可知，與CK相比，D處理7 d后，甜高粱葉片SOD、POD和APX活性分別升高了82.33%、17.73%、43.97%，CAT活性降低了42.48%；D處理15 d后，甜高粱葉片SOD、POD和APX活性分別升高了86.29%、17.49%、88.38%，CAT活性降低了46.97%。D處理下噴施不同濃度Spd時(shí)，SOD、POD、CAT和APX活性隨Spd濃度的增加而呈先上升后下降的趨勢(shì)，在T2處理下，SOD、POD、CAT和APX活性達(dá)到最高。T2處理7 d后，SOD、POD、CAT、APX活性分別是D處理的56.59%、62.73%、60.33%、39.31%；T2處理15 d后，SOD、POD、CAT、APX活性分別是D處理的39.69%、155.32%、74.61%、70.23%。結(jié)果表明，干旱脅迫下外源噴施Spd可以提高甜高粱幼苗葉片的抗氧化物酶活性，從而清除活性氧減輕細(xì)胞損害。

注：相同處理時(shí)間下不同字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。Note: Different letters under same treatment time indicate significant difference at P<0.05 level.圖4 外源Spd對(duì)干旱脅迫下甜高粱幼苗抗氧化物酶活性的影響Fig.4 Effect of exogenous Spd on antioxidant enzyme activity of sweet sorghum seedlings under drought stress

3 討論

植物在逆境條件下生長(zhǎng)變化是其最明顯的適應(yīng)特征之一，反映了逆境脅迫對(duì)植物傷害的大小[12]。在本研究中，在干旱脅迫下甜高粱幼苗的株高、鮮重、干重、葉面積均顯著下降，說明缺水使甜高粱幼苗的生長(zhǎng)受到抑制，而外源Spd則可以緩解干旱脅迫的抑制作用。其中，1.2 mmol·L-1的Spd的緩解效應(yīng)最顯著，與干旱脅迫處理相比，幼苗株高、鮮重、干重、葉面積分別提高了31.62%、58.29%、49.53%、30.96%。當(dāng)Spd濃度為1.8 mmol·L-1時(shí)，緩解效應(yīng)下降。李麗杰等[12]在玉米、吳旭紅等[20]在燕麥中得到過相似的結(jié)果，證明了特定濃度(1.2 mmol·L-1)的外源Spd有利于緩解植物的干旱脅迫。

光合作用是植物對(duì)脅迫最為敏感的生理過程之一，非生物脅迫下的光合作用往往會(huì)受到不同程度的抑制[21]，葉綠素含量的高低能夠反映植物光合作用的強(qiáng)弱[22]。本研究結(jié)果顯示，干旱脅迫下甜高粱幼苗葉綠素a、葉綠素b及葉綠素a+b含量均顯著下降，而外源施用Spd則可以提高干旱脅迫下甜高粱幼苗的葉綠素含量。有研究表明，若Gs減少，Ci增加或沒有變化，則Pn的減少主要是由于非氣孔因素，若Gs和Ci均減少，則Pn的減少主要是由于非氣孔因素葉片氣孔的限制[23]。本研究中，干旱脅迫下甜高粱幼苗的Pn、Gs、Tr顯著降低，Ci顯著升高，這可能是由于干旱脅迫使水勢(shì)升高，從而導(dǎo)致植物吸水困難，植物體內(nèi)的水分平衡被打破，使甜高粱幼苗葉片的氣孔開度降低，減少幼苗體內(nèi)水分的散失。噴施1.2 mmol·L-1Spd 15 d后的甜高粱幼苗Pn、Gs、Tr分別提高了135.40%、138.60%、158.54%。這可能是由于施用外源Spd能夠提高甜高粱幼苗體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，從而使植物水勢(shì)升高，增強(qiáng)植株對(duì)水分吸收和利用的能力，這樣有利于改善氣孔開度的變化，從而減輕由于氣孔限制導(dǎo)致的光合效率下降[12]。Zhou等[24]研究表明，外源Spd可以通過調(diào)節(jié)與葉綠素合成或分解相關(guān)酶活性來維持高溫脅迫下黃瓜葉片的葉綠素含量；李麗杰等[12]研究表明，Spd能夠保護(hù)葉綠體、調(diào)控光合色素的降解，從而保護(hù)光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能，進(jìn)而提高玉米的光合效率，增強(qiáng)玉米抗性。本研究結(jié)果顯示，外源Spd能夠提高干旱脅迫下甜高粱幼苗的葉綠素含量，從而提高光合效率，這與王顯瑞等[25]在谷子上的研究結(jié)果一致。

非生物脅迫下，SOD、POD、CAT和APX等植物細(xì)胞內(nèi)清除活性氧的主要保護(hù)酶系統(tǒng)防御能力的變化取決于這幾種酶的彼此協(xié)調(diào)的綜合結(jié)果[26]。逆境下植物體內(nèi)可溶性蛋白、可溶性糖與Pro含量增加使植物維持更低的滲透勢(shì)，從而增強(qiáng)抗逆性[27]，而葉片MDA含量則反映其細(xì)胞氧化損傷程度。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下，甜高粱幼苗的可溶性蛋白、可溶性糖與Pro含量均顯著升高，外源Spd能顯著提高甜高粱幼苗可溶性糖與Pro含量。干旱脅迫顯著增加了甜高粱幼苗葉片MDA含量，而外源Spd處理能夠減少干旱脅迫下甜高粱幼苗葉片的MDA含量(降低53.17%)。與CK相比，干旱脅迫下，甜高粱幼苗葉片的SOD、POD和APX活性明顯升高，CAT活性顯著降低；外源Spd處理能夠提高甜高粱幼苗SOD、POD、CAT和APX活性，特別是噴施1.2 mmol·L-1Spd 15 d后的甜高粱幼苗SOD、POD、CAT和APX活性分別較干旱脅迫下提高了39.69%、155.32%、74.61%、70.23%。這說明，Spd具有修復(fù)干旱脅迫下甜高粱幼苗葉片的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的作用，維持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，減輕脅迫造成的氧化傷害，從而增強(qiáng)甜高粱的耐旱性。