干旱及復水處理對抗旱性不同小麥品種/系苗期生理生化指標的影響

張 平，張 慧，劉俊娜，環秀菊，王倩朝，李 莉，劉永江，覃 鵬

(云南農業大學 農學與生物技術學院，昆明 650201)

隨著全球氣候變暖，干旱成為限制農業生產的最主要因素之一[1]，中國有51%的耕地在干旱半干旱區[2]。在中國，小麥是僅次于水稻的第2位重要糧食作物，是分布范圍最廣的一種作物，其產量與品質直接關系到國計民生。選育抗旱小麥品種是干旱區小麥得以高產穩產最經濟有效的途徑[3-4]。所以了解小麥苗期的抗旱特性，研究土壤水分脅迫對小麥苗期生理生化指標的影響，對旱地小麥選擇、提高旱地小麥產量具有指導意義。

近幾年國內外學者在干旱脅迫下對植物生理生化指標的影響做了大量研究。在植物干旱脅迫時，膜脂傷害物質丙二醛(MDA)和保護性酶過氧化氫酶(CAT)、過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)之間的動態平衡被打破，造成膜脂傷害物質的積累，最終引起質膜透性增加而導致代謝紊亂甚而細胞死亡[5-7]。植物在長期進化過程中形成了一個完善的清除活性氧的防衛體系，使活性氧的產生與清除處于動態平衡狀態[8]。在植物受到干旱脅迫時，植株體內的丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)、可溶性糖(SS)含量也會發生相應的變化從而能反應干旱脅迫的程度[9-16]。Alim等[17]研究指出，在土壤緩慢干旱條件下，能引起氣孔導度下降和葉片伸展降低的信號是來自于根部產生的脫落酸(ABA)。干旱脅迫下，植物體內原有正常蛋白質的合成受到抑制，但是植物在逆境下可以誘導合成一些新的蛋白質[18]。植物干旱誘導蛋白按其功能可分為兩大類：第一大類是功能蛋白、第二大類是調節蛋白[19-20]。水分脅迫通過抑制葉片伸展、影響或降低葉綠體光化、生化活性以及電子傳遞等途徑，使光合作用受抑制[18]。前人研究大多采用PEG-6000/PEG-8000模擬干旱的方法，然而實際的田間自然干旱更復雜，更加不可控，影響因素更多。本研究以不同抗旱性小麥品種/系為材料，在大棚內采用干旱脅迫-復水法，觀測和分析不同抗旱性品種在干旱脅迫前后的生理生化指標變化情況，探討這些指標與小麥抗旱能力之間的聯系，為旱地小麥栽培和抗旱性小麥品種選育提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

收集云南小麥資源材料350個，種植于育苗盤中，設置處理與正常水分管理對照，根據干旱脅迫-復水法，最終篩選出苗期抗旱型材料(‘靖麥12號’)和水分敏感型材料(‘皮麥’)作為研究 對象。

1.2 干旱處理

挑選飽滿整齊的籽粒，用0.2% HgCl2消毒后，25 ℃恒溫光照培養箱中培養至露白后，挑選露白均勻一致的種子50粒，擺種于遮雨棚下的苗盤內，以營養土和沙石(1∶3)混合均勻作為栽培介質，保證一孔一苗，地面鋪蓋油紙防止根系入土，生長期間正常澆水，相對含水量控制在田間持水量的70%～80%，待幼苗長至三葉一心期開始干旱-復水處理，即干旱脅迫處理 5 d 后復水。于干旱處理5 d和復水后5 d測定各生理指標，3次重復，以正常水分管理的材料作為對照。

1.3 生理生化指標測定方法

過氧化氫酶(CAT)活性測定采用過氧化氫還原法[21]；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創木酚法[21]；超氧化物歧化酶活性(SOD)用氮藍四唑光化還原法[21]；丙二醛(MDA)用硫代巴比妥酸法[22]；脯氨酸(PRO)用茚三酮法[23]；脫落酸(ABA)用酶聯免疫間接競爭法[21]；總抗氧化能力(T-AOC)用鐵離子還原法[24]；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍G-250法[21]；可溶性糖(SS)采用蒽酮比色法[25]；葉綠素用丙酮浸泡法[21]。

1.4 數據統計與分析

以處理/對照比值表示干旱及復水處理的各項指標結果。作圖分析使用Origin 2018軟件完成；統計分析使用SPSS 25、DPS 7.05版軟件完成。

2 結果與分析

2.1 干旱及復水處理方差分析

兩個不同抗旱性品種/系的CAT、POD、T-AOC、SS、可溶性蛋白、葉綠素存在極顯著差異，MDA、PRO、ABA無明顯差異；處理與對照間MDA、ABA、SP無顯著差異外，其余指標均表現為極顯著差異；兩因素交互作用的ABA無顯著差異外，其余指標均達到差異顯著及極顯著；ABA在各水平均無顯著差異(表1)。

表1 不同品種及處理方式方差分析(F值)Table 1 Variance analysis ofdifferent varieties and treatments (F value)

2.2 干旱及復水處理對小麥幼苗保護性酶活性的影響

干旱及復水處理下兩品種/系的CAT活性、POD活性和SOD活性較對照均出現不同程度上升(圖1～圖3)。干旱脅迫下兩品種/系CAT活性較對照均顯著升高，其中‘皮麥’的升幅較‘靖麥12號’更大，復水后兩品種/系CAT活性顯著下降；干旱及復水處理下‘靖麥12號’的POD活性較對照均升高，而‘皮麥’較對照均降低；干旱脅迫下兩品種/系的SOD活性均升高，其中‘靖麥12號’的升幅較‘皮麥’更大。復水后‘靖麥12號’升幅下降，而‘皮麥’持續升高。

2.3 干旱及復水處理對小麥幼苗根系丙二醛、脯氨酸、脫落酸及總抗氧化能力的影響

干旱及復水處理下兩品種/系丙二醛含量均顯著上升(圖4)，干旱脅迫下‘靖麥12號’的升幅顯著小于皮麥。復水后‘靖麥12號’持續顯著升高，而‘皮麥’顯著下降；受干旱脅迫影響，兩品種/系的脯氨酸含量顯著升高(圖5)，靖麥12號的升幅顯著大于‘皮麥’，復水后兩品種/系脯氨酸含量顯著下降，而‘靖麥12號’的降幅顯著大于‘皮麥’；干旱脅迫下‘靖麥12號’的脫落酸含量升高(圖6)，而‘皮麥’則顯著下降，復水后‘靖麥12號’基本不變，‘皮麥’則顯著升高；干旱脅迫下‘靖麥12號’總抗氧化能力基本維持不變(圖7)，‘皮麥’則顯著增強，復水后兩品種/系顯著下降。

誤差線為標準誤，小寫字母表示P<0.05。下同

圖2 干旱及復水處理下小麥幼苗過氧化物酶的活性Fig.2 Peroxidase activity of wheat seedlings under drought and rewatering

圖3 干旱及復水處理下小麥幼苗超氧化物歧化酶的活性Fig.3 Superoxide dismutase activity of wheat seedlings under drought and rewatering

2.4 干旱及復水處理對小麥幼苗可溶性蛋白、可溶性糖及葉綠素的影響

干旱及復水處理下兩品種/系可溶性蛋白含量均下降(圖8)，干旱脅迫下‘靖麥12號’的降幅顯著小于‘皮麥’。復水后‘靖麥12號’持續顯著下降，而‘皮麥’顯著上升；干旱及復水處理下‘靖麥12號’可溶性糖含量變化不大(圖9)，而干旱脅迫下‘皮麥’的可溶性糖顯著上升，復水后則顯著下降；干旱及復水處理下兩品種/系的葉片葉綠素含量均下降(圖10)，復水后兩品種/系葉綠素顯著升高，‘靖麥12號’的升幅顯著大于‘皮麥’。

圖4 干旱及復水處理下小麥幼苗丙二醛的含量Fig.4 The content of malondialdehyde in wheat seedlings under drought and rewatering

圖5 干旱及復水處理下小麥幼苗脯氨酸的含量Fig.5 The content of proline in wheat seedlings under drought and rewatering

圖6 干旱及復水處理下小麥幼苗脫落酸的含量Fig.6 The content of abscisic acid in wheat seedlings under drought and rewatering

圖7 干旱及復水處理下小麥幼苗總抗氧化能力的強弱Fig.7 Total antioxidant capacity of wheat seedlings under drought and rewatering

圖8 干旱及復水處理下小麥幼苗可溶性蛋白的含量Fig.8 The content of soluble protein in wheat seedlings under drought and rewatering

圖9 干旱及復水處理下小麥幼苗可溶性糖的含量Fig.9 The content of soluble sugar in wheat seedlings under drought and rewatering

圖10 干旱及復水處理下小麥幼苗葉綠素的含量Fig.10 The content of chlorophyll in wheat seedlings under drought and rewatering

3 討 論

云南小麥產量比全國平均產量低接近50%，尤其是地麥產量僅有1 500 kg/hm2左右，遠低于全國平均水平。2009-2013年云南連續5 a的大旱，致使旱地小麥幾乎絕收，導致小麥面積大幅度縮減，嚴重限制了小麥生產[26-27]。因此，提高云南小麥的抗旱育種水平顯得尤為重要。

作物在抵御氧化脅迫時會形成一些能清除活性氧的酶系，如SOD、POD、CAT等，能有效清除活性氧，提高植物的抗旱性[28]。王川等[29]研究表明：同一水分處理下，不同品種間的SOD、POD差異較大，抗旱指數高的品種明顯高于抗旱指數低的品種。李冠甲等[30]也認為，過氧化氫(H2O2)和MDA含量隨脅迫程度的增加而增加，且抗旱性弱的品種增幅較高；而小麥抗旱性的提高與保護酶活性增強有關，主要差異應在于SOD和POD的活性。葉君等[31]在研究褪黑素對小麥幼苗抗旱性的調節作用的過程中，同樣發現干旱脅迫抑制了小麥的生長，降低了葉片葉綠素含量、氣孔導度、凈光合速率等，導致H2O2與MDA積累增加及抗氧化酶活性、抗氧化劑含量升高。游離脯氨酸的積累是植物對水分脅迫的一種普遍反應，無論是土壤干旱還是鹽溶液引起的水分脅迫，都會使植物體內游離脯氨酸含量明顯變化。宋新穎等[32]研究結果顯示，干旱脅迫下滲透調節物質可溶性糖和脯氨酸含量均上升，且上升的程度與抗旱性一致。在干旱條件下，ABA誘導葉片細胞質膜上的信號傳導，導致葉片氣孔不均勻關閉，減少水分蒸騰散失，從而增強了植株自身調節能力和抵御干旱的能力。有研究[33-34]表明：水分脅迫下植物的內源ABA含量會增加，植物內源ABA含量與其代謝水平密切相關。非生物脅迫下，植物體內的蛋白質合成也會受到不同程度的影響，由于水解酶的活性增強，導致部分蛋白質降解，水溶性的氮含量增加。王曉宇等[35]的研究結果認為，高鹽、干旱會直接導致小麥葉片可溶性蛋白含量不同程度的增加。

本研究結果表明，在干旱脅迫下，抗旱型‘靖麥12號’的CAT、POD、SOD活性顯著升高，干旱敏感型‘皮麥’的POD活性呈下降趨勢，與王川等[29]研究結果基本一致。復水以后，‘靖麥12號’保護酶活性升幅顯著下降，這可能與外界環境得到改善有關。而CAT活性在干旱脅迫時雖明顯升高，但升幅顯著小于‘皮麥’，這與楊貝貝等[36]研究結果不一致；推測抗氧化物含量可能增加，酶活性與非酶活物質共同作用，抵抗活性氧損傷[37]；在干旱脅迫下，‘靖麥12號’MDA含量升幅顯著小于‘皮麥’，PRO及ABA含量顯著增加，且顯著大于‘皮麥’。復水以后，PRO含量顯著下降、ABA持續增加與前人研究結果基本一致[38-39]，MDA的持續增加可能是隨著脅迫時間和程度的增加使小麥植物體內活性氧物質增加，細胞膜的過氧化作用加劇，致使細胞膜受損程度增加，從而使細胞的滲透勢升高，最終導致植株不能正常生長[40]。而‘靖麥12號’T-AOC的增幅較‘皮麥’低，可能是由其自身較強的干旱適應性所致；干旱脅迫后，‘靖麥12號’可溶性蛋白、葉綠素均呈下降趨勢，且可溶性蛋白、葉綠素降幅較‘皮麥’更小，這與葉君等[31]研究結果基本一致；‘靖麥12號’可溶性糖顯著下降，且復水后降幅較‘皮麥’更大，其結果不完全一致的原因可能是處理手段、測定方法及干旱脅迫的生理應答與品種、脅迫強度、脅迫時間、生長時期、其他脅迫的協同作用等因素密切相關。本試驗是對兩個抗旱性不同的小麥苗期進行生理生化指標的測定和研究分析。而未對其他生育期進行研究，存在一定的局限性。小麥體內代謝會發生一系列改變，以適應干旱脅迫帶來的影響，在外部形態上也會有所體現，因而部分形態指標也可以用來作為鑒定作物抗旱性的指標。且試驗是在大棚內模擬干旱脅迫進行研究，與復雜多變的田間條件存在一定差異，需結合當地的生產實際和水肥條件合理選擇適宜當地種植的小麥品種。

4 結 論

在干旱脅迫和復水情況下，‘靖麥12號’表現出較高的酶活性和較高滲透調節物質以及葉綠素含量下降緩慢，因此‘靖麥12號’苗期具有較高的抵御干旱脅迫能力以及復水后的恢復能力，可作為云南地區重要的抗旱種質資源。本試驗不足之處在于單單在小麥苗期而未在其他生育時期進行研究，望以后對小麥的各個生育時期進行試驗研究并綜合分析析進而篩選出抗旱性較好的品種。