甜菜幼苗光合生理對干旱脅迫的響應

尹希龍 石楊 李王勝 興旺

（1黑龍江大學國家甜菜種質中期庫，150080，黑龍江哈爾濱；2黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，150080，黑龍江哈爾濱）

甜菜（Beta vulgaris L.）是莧科甜菜屬2年生草本植物，為我國重要的經(jīng)濟作物和糖料作物之一[1]。華北、東北和西北地區(qū)是甜菜種植的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，甜菜主要種植在新疆、黑龍江、內(nèi)蒙古等地[2-3]，這些地區(qū)幅員遼闊，晝夜溫差大，適合甜菜生長及糖分積累[4]。但是這些地區(qū)多處于干旱、半干旱地區(qū)，土壤對水資源的承載能力較低，環(huán)境脆弱[5]。甜菜在生長時需要大量水分，特別是在苗期對水分虧缺十分敏感[6]。干旱脅迫不僅影響甜菜正常的生長發(fā)育，而且會造成產(chǎn)量和品質的損失，成為限制甜菜產(chǎn)量的重要因素[7]。如何培育出更加耐旱的甜菜種質資源，以便更好地在干旱、半干旱區(qū)擴大甜菜種植及保持甜菜穩(wěn)產(chǎn)已成為重要研究內(nèi)容[8]。

植物在生長過程中會遇到各種非生物脅迫，如高溫[9]、冷害[10]和干旱等[11]。水分是植物生長的重要條件，在作物生長過程中如果水分虧缺，最先響應的是根系[12]。植物根系伸長受到抑制，吸收水分受阻，會造成作物生長緩慢。植物的葉片狀態(tài)直接反映出植株受到干旱脅迫的影響[13]，干旱脅迫不僅會影響葉綠素含量，還會影響光合作用[14]。干旱脅迫降低植物葉片氣孔導度（Gs），抑制對CO2的吸收，影響凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）[15]。水是光合作用的原料，光合作用是植物生長發(fā)育的重要代謝過程，是植物必不可少的生命活動[16]。在甜菜的非生物脅迫研究方面，大多集中在干旱脅迫對甜菜的生長和生理生化影響的研究，對干旱脅迫下甜菜表觀光合指標的研究有一些報道[17-18]，研究了甜菜在干旱脅迫下根膨大期光合光響應特性和干旱脅迫對甜菜葉叢期光合作用的影響等。

本試驗研究干旱脅迫下耐旱型品種甜菜和干旱敏感型甜菜生長發(fā)育和光合生理變化，有助于從生理層面探討不同甜菜種質對于干旱脅迫響應的差異，探究不同耐旱性甜菜種質對干旱脅迫的響應。豐富甜菜抗旱機制方面研究內(nèi)容，為甜菜抗旱育種及穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在黑龍江大學國家甜菜種質中期庫進行。供試材料為耐旱甜菜品種依安一號（V1）和干旱敏感甜菜品種92011/1-6/1（V2）。二者均由國家甜菜種質中期庫（國家甜菜種質資源平臺）提供。

1.2 試驗設計

將甜菜種子用75%酒精消毒30s，沖洗干凈，在2‰的福美雙液體中浸泡12h。蛭石提前烘干，在出苗盆（高25.00cm，寬20.00cm，長35.00cm）中放入適量蛭石，將甜菜種子均勻撒在蛭石中，保持種子萌發(fā)過程中水分充足。人工氣候室培養(yǎng)10d后，待甜菜長出2片子葉，移入Hoagland營養(yǎng)液中培養(yǎng)。人工氣候室培養(yǎng)條件為320μmol/(m2·s)，溫度27℃，光/暗周期14h/10h[19]。培養(yǎng)至第3對真葉完全展開，選取長勢一致的甜菜幼苗，進行干旱脅迫。干旱脅迫采用PEG-6000溶液（濃度為9%）模擬（DS），正常生長條件為對照組（CK），每個試驗時間點取樣設置3次重復，即每次取長勢一致的3株甜菜幼苗。干旱脅迫第2、5、7天，測定甜菜幼苗生長指標、葉片總葉綠素含量和表觀光合指標。

1.3 測定項目與方法

莖粗：采用S071012數(shù)顯游標卡尺（杭州巨星鋼盾工具有限公司）測定莖粗。

株高：用直尺測定甜菜幼苗地上部自然高度。

根長：用直尺測定甜菜幼苗地下部自然長度。

葉鮮重：采用ALC210.2電子天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）測定去除葉柄的甜菜幼苗葉片質量。

根鮮重：用電子天平測定甜菜幼苗根質量。

葉干重：用電子天平測定在OGS干燥箱（賽默飛世爾科技公司）烘干的去除葉柄的甜菜幼苗葉片質量。

根干重：用電子天平測定在干燥箱烘干的甜菜幼苗根質量。

甜菜幼苗總葉綠素含量：稱取不同處理的甜菜幼苗葉片0.50g，充分研磨，用乙醇提取，離心，取上清液，用比色法測定[20]。

甜菜幼苗表觀光合指標：采用CI-340光合儀（思愛迪生態(tài)科學儀器有限公司）在每天上午9:00-11:00進行測定。測定部位為甜菜幼苗第2對完全展開的真葉，每個種質不同處理均測定3株，每株測3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019和Origin 2022等統(tǒng)計軟件進行相關數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計及作圖，采用DPS 18.0軟件進行二因素有重復試驗統(tǒng)計分析，差異顯著性定義為P＜0.05，所有數(shù)據(jù)均為3次重復的平均值±標準差[21]。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對甜菜幼苗生長的影響

從表1可知，在正常生長條件下，品種V1和V2幼苗的莖粗、株高、根長、葉鮮重、根鮮重、葉干重和根干重隨著生長時間的增加而增加。

表1 甜菜幼苗表型指標Table 1 Phenotypic indexes of sugar beet seedlings

在干旱脅迫下，2個甜菜品種幼苗的生長明顯受到抑制，隨著時間的增加，抑制程度不斷增強。V1和V2幼苗諸多生長指標呈下降趨勢。其中，在第7天，甜菜幼苗受到干旱脅迫影響最嚴重。第7天的干旱脅迫使V1和V2幼苗的株高分別下降51.38%和74.65%（DS與CK比較，下同）；V1和V2幼苗的根長分別下降到20.33和13.00cm；V1和V2幼苗的葉鮮重下降幅度分別是76.06%和84.89%，V2下降幅度比V1大。干旱脅迫對甜菜幼苗的生長影響較大，干旱脅迫下V1與V2生長指標比較，進一步說明V1的耐旱性比V2好。

2.2 干旱脅迫對甜菜幼苗總葉綠素含量的影響

由圖1可知，在正常生長條件下，V1和V2幼苗葉片的葉綠素含量隨時間增加逐漸增加。在第2、5、7天，V1和V2幼苗葉片的葉綠素含量沒有顯著差異。

圖1 正常水分條件下甜菜幼苗葉片總葉綠素含量Fig.1 Total chlorophyll content of sugar beet seedling leaves under normal water conditions

由圖2可知，在干旱脅迫條件下，V1和V2幼苗葉片的葉綠素含量顯著降低。V1幼苗的葉綠素含量降低幅度小于V2。

圖2 干旱脅迫下甜菜幼苗葉片總葉綠素含量Fig.2 Total chlorophyll content of sugar beet seedling leaves under drought stress

由圖3可知，在第2天V1幼苗葉片的葉綠素含量沒有顯著差異；在第5天，不同處理間V1幼苗葉片的葉綠素含量有顯著差異，CK處理葉綠素含量為0.25mg/g，DS處理葉綠素含量為0.18mg/g；在第7天，不同處理間V1幼苗葉片的葉綠素含量有顯著差異，含量顯著降低，降幅為48.01%。

圖3 不同水分條件下V1甜菜幼苗葉片總葉綠素含量Fig.3 Total chlorophyll content of V1 sugar beet seedling leaves under different water conditions

由圖4可知，在第2天，不同處理間V2幼苗葉片的葉綠素含量沒有顯著差異；在第5天，DS處理的V2幼苗葉片葉綠素含量開始顯著降低，具有顯著差異，下降幅度為30.58%；在第7天，不同處理間V2幼苗葉片的葉綠素含量有顯著差異，CK處理葉綠素含量為0.26mg/g，DS處理葉綠素含量為0.11mg/g，下降幅度為58.05%。

圖4 不同水分條件下V2甜菜幼苗葉片總葉綠素含量Fig.4 Total chlorophyll content of V2 sugar beet seedling leaves under different water conditions

2.3 干旱脅迫對甜菜幼苗表觀光合指標的影響

從表2可知，在正常生長條件下，V1和V2幼苗葉片的Pn是隨時間增加呈上升趨勢。在干旱脅迫下，V1和V2幼苗葉片的Pn均顯著低于對照組。干旱脅迫下，甜菜幼苗葉片的Pn呈下降趨勢。其中V2幼苗葉片的Pn受到干旱脅迫的影響比V1大，在第7天時降到最低，達到了 0.20μmol/(m2·s)，比對照組降低了96.54%。

在未受到干旱脅迫情況下，V1幼苗葉片的Tr逐漸增加，V2幼苗葉片的Tr變化規(guī)律和V1相似。干旱脅迫下，V1和V2幼苗葉片的Tr隨著時間的增加逐漸下降，V1幼苗葉片的Tr在第5天時顯著下降，而V2幼苗葉片的Tr在第2天時顯著下降。V1和V2幼苗葉片的Tr在第7天時降至最低值，下降幅度分別是77.73%、89.53%，下降幅度較大的是V2，V1表現(xiàn)出較強的耐旱性。

由表2可知，在沒有受到干旱脅迫情況下，V1和V2幼苗葉片Gs是逐漸增加的。在受到干旱脅迫時，與正常生長條件比較，V2幼苗葉片的葉片Gs逐漸下降，而V1幼苗葉片的Gs隨時間呈先上升后下降的趨勢。第2天時，V1幼苗葉片的Gs從CK處理的70.94mmol/(m2·s)升高到DS處理的111.60mmol/(m2·s)，在第5、7天時，甜菜幼苗葉片Gs開始顯著下降。而V2甜菜幼苗葉片的Gs在第2天時就開始顯著下降，雖然V2的Gs比V1的要低，但是在第5或7天時，V1與V2沒有顯著差異。

表2 甜菜幼苗葉片表觀光合指標Table 2 Apparent photosynthetic index of sugar beet seedling leaves

在正常水分條件下，V1和V2幼苗葉片的胞間CO2濃度（Ci）隨干旱脅迫時間的增加呈上升趨勢。干旱脅迫下，V1和V2幼苗葉片的Ci隨時間的增加逐漸下降，V1幼苗葉片的Ci顯著高于V2。V1幼苗葉片的Ci下降幅度分別是48.89%、54.90%和66.56%；V2幼苗葉片的Ci下降幅度分別是50.14%、69.94%和84.49%。V1幼苗葉片的Ci下降幅度比V2的小，受到干旱脅迫影響較小。

3 討論

3.1 甜菜幼苗生長對干旱脅迫的響應

甜菜苗期耐旱性較弱，由于幼苗沒有發(fā)育成完善的根系，對水分虧缺較為敏感[19]。干旱脅迫下，植物缺水而細胞水勢降低，細胞的收縮和細胞壁的收縮不能同步，導致細胞原生質體破損，葉片出現(xiàn)卷曲或者萎蔫。耐旱性較強的植物根系發(fā)達，根冠比大，有較多的根毛數(shù)量，能夠在干旱脅迫下保持根系的功能，進行正常水分吸收。本研究結果表明，干旱脅迫影響了甜菜幼苗的生長，包括抑制甜菜幼苗的根長、莖粗、株高的生長和降低甜菜幼苗葉鮮重、根鮮重、葉干重及根干重。但是耐旱型甜菜幼苗的各項生長指標均高于干旱敏感型甜菜幼苗，耐旱型甜菜幼苗的降幅比干旱敏感型甜菜降幅小。可能是耐旱型品種根系較為發(fā)達，根毛長度和數(shù)量高于敏感型，雖然根系長度沒有增加，但能維持細胞水分的平衡，進行正常的水分吸收。而敏感型品種根系較弱，在干旱脅迫下不能伸長根系或者生成更多數(shù)量的根毛，體內(nèi)的細胞水勢遭到破壞，機體受損，根系結構功能遭到破壞，地上部分表現(xiàn)出萎蔫。隨著干旱脅迫時間的增加，2種甜菜幼苗吸收水分能力均逐漸下降，敏感型品種葉片逐漸變黃，出現(xiàn)干枯斑點，但沒有出現(xiàn)死亡，而耐旱型品種很少出現(xiàn)這種情況，進一步說明耐旱型品種甜菜和干旱敏感型甜菜生長指標對干旱脅迫的響應。王新軍等[22]研究發(fā)現(xiàn)，番茄幼苗生長在干旱脅迫下無法吸收到充足的水分，植物器官無法生長發(fā)育，致使干物質合成下降。說明干旱脅迫下不僅根系出現(xiàn)響應，植物的器官發(fā)育也出現(xiàn)響應。2種甜菜幼苗器官生長發(fā)育不能得到充足的水分，幼苗鮮重和干重下降。2種甜菜幼苗的鮮重與干物質量隨著時間的增加均呈下降趨勢，耐旱型品種干旱脅迫下器官的生長發(fā)育雖然接近正常代謝水平，但代謝合成還是會減少，鮮重和干物質的重量也自然下降，而敏感型品種對水分變化敏感，器官功能不能正常運行，代謝合成能力急劇下降，鮮重和干物質重量顯著降低。干旱脅迫下，甜菜幼苗的根系首先做出響應[23]，甜菜幼苗失去的水分超過了根系的吸收水分，水分平衡受到破壞。甜菜幼苗器官發(fā)育由于水分的減少，物質合成減少，鮮重減少，干物質量也趨于下降[24]。

3.2 甜菜幼苗總葉綠素含量對干旱脅迫的響應

植物葉片中的葉綠素含量和植物的光合作用強弱有關，干旱脅迫下葉綠素合成減少[25]。干旱脅迫下氣孔關閉，CO2吸收下降。葉綠體被膜和基質片層在干旱脅迫下皺縮，組織破損，光系統(tǒng)活力下降，電子傳遞和光合磷酸化活動降低。本研究結果顯示，2種甜菜幼苗的葉綠素含量隨干旱脅迫時間的增加，整體呈下降趨勢，干旱敏感型甜菜幼苗的降幅比耐旱型甜菜幼苗的降幅大。說明在干旱脅迫下，葉綠體片層結構遭到破壞，吸收光能下降，光合作用下降，總葉綠素合成降低。李劍威等[26]研究顯示，薄殼核桃幼苗在干旱脅迫下葉綠素含量下降。Wang等[27]研究表明，在干旱脅迫下，植物幼苗葉綠素含量顯著下降，均低于對照組。前人研究結果與本研究結果相同。但曾繼娟等[28]研究表明，胡枝子幼苗在干旱脅迫下，葉綠素的含量呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。水分降低，植株的葉面積減小，葉綠素在一定程度上被壓縮，先導致葉綠素含量升高，隨著干旱脅迫程度的加深，葉片的水分缺失進一步加深，葉片功能遭到損害，葉綠素合成受限，葉綠素含量降低[29]。干旱脅迫下耐旱型品種并沒有出現(xiàn)葉綠素含量先上升再降低的情況，可能是葉片面積沒有減少，葉綠體結構破壞程度不深，組織結構較為完整，能夠保持一定的光合作用，維持葉綠素的合成。敏感型品種在干旱脅迫下光系統(tǒng)活力快速下降，氧化程度增加，光合作用過程效率低下，總葉綠素含量迅速降低[30-31]。

3.3 甜菜幼苗表觀光合對干旱脅迫的響應

水分的缺失會影響植物的光合生命活動，Pn、Tr、Gs和Ci常作為衡量植株光合作用的強弱[32-33]。本研究中，干旱脅迫下甜菜幼苗的Pn、Tr、Gs和Ci趨于下降。耐旱型品種甜菜幼苗的表觀光合指標顯著高于干旱敏感型種質，耐旱型甜菜幼苗Pn、Tr、Gs和Ci降低的幅度比干旱敏感型甜菜幼苗降低的幅度小。說明在干旱脅迫下甜菜幼苗水分缺失，光合作用下降，直接造成Pn降低[34]。Tr是植物在一定時間內(nèi)單位葉面積蒸騰的水量，蒸騰作用反映出植株生命活動的強弱，隨著干旱脅迫程度的增加，甜菜幼苗水分不足，生命活動強度降低[35]。氣孔是水分和CO2進出的重要門戶[36]，在干旱脅迫下，甜菜幼苗葉片氣孔保衛(wèi)細胞和周圍葉肉細胞水勢不一致，導致Gs變化，葉片Gs張開變化和光反應一致[37]。植株體內(nèi)CO2濃度不足以支持植物生命活動，甜菜幼苗需要從外界吸收CO2，而氣孔的關閉會導致吸收CO2減少，Ci降低。陳芳等[38]研究顯示，干旱脅迫下辣椒的Pn、Tr、Gs和Ci均降低。吳海霞等[39]研究結果顯示，在干旱脅迫情況下，甜菜幼苗的氣孔阻力不斷增大，Gs隨之變小。曹兵等[40]研究表明，隨干旱脅迫的加劇，臭椿苗期Pn、Tr和Gs明顯下降。前人研究結果與本研究結果一致。耐旱型品種生命活動較強，水勢變化導致Gs和Ci減小；而敏感型品種生命活動較弱，光合作用效率下降，Gs迅速減小。

4 結論

干旱脅迫下，2種甜菜幼苗根系水分吸收減少，生長發(fā)育受到抑制，器官發(fā)育緩慢甚至破損，干物質合成下降。CK與DS處理比較，第7天時的V2和V1幼苗根長分別下降到13.00和20.33cm；V1和V2幼苗的葉鮮重下降幅度分別是45.05%和64.06%。葉綠體基質破壞，光合電子傳遞和氧化磷酸化活動降低，總葉綠素含量降低。隨著干旱脅迫時間的增加，甜菜幼苗葉片Gs減小，吸收CO2能力下降，Tr和Pn降低。敏感型品種Pn在第7天時降到最低，為 0.20μmol/(m2·s)，比對照組降低了96.54%。耐旱型品種甜菜幼苗的各項指標表現(xiàn)優(yōu)于干旱敏感型種質，降幅總體上小于干旱敏感型種質，進一步說明2種甜菜種質耐旱性差異，能夠更好地探究甜菜幼苗光合生理對干旱脅迫的響應。

為全面掌握不同耐旱型甜菜品種對干旱的應答機制，后續(xù)將從細胞學層面探討甜菜不同種質對于干旱脅迫響應的差異及對相關作用的重要差異表達基因和代謝通路等進行轉錄組分析，豐富甜菜抗旱機制的研究內(nèi)容，豐富甜菜幼苗對非生物脅迫響應的研究內(nèi)容，為甜菜穩(wěn)產(chǎn)及育種提供理論依據(jù)。