重度干旱脅迫下燕麥葉片活性氧清除系統對噴施腐植酸水溶肥的響應

李英浩，劉景輝*，米俊珍，呂 品，潘 越，趙寶平，Allen Xue

(1 內蒙古農業大學 農學院，呼和浩特 010019; 2 加拿大農業與農產品部渥太華研發中心，加拿大 渥太華 KIA0C6)

干旱作為一種頻發的農業氣象災害，長期困擾著世界各國的農業生產[1]。近50年在全球變暖和北方干旱化的背景下，中國受旱面積和受旱成災面積呈上升趨勢，全國有近77.0%的省區旱災風險增加[2-3]。燕麥(AvenasativaL.)為禾本科一年生糧飼兼用作物，在世界各地廣泛種植，具有耐寒、抗旱、耐土壤瘠薄等特點。中國燕麥集中種植在內蒙古、河北、山西、青海、甘肅等省區[4-6]，這些地區多為干旱半干旱地區，生育期間的干旱是限制燕麥增產的主要因素[7]。因此，燕麥被認為是治理土地荒漠化的先鋒作物。

腐植酸水溶肥是動植物遺骸經過微生物分解和轉化等一系列過程形成的一類有機物質[8]。研究表明，腐植酸水溶肥可通過控制植物體內活性氧類物質的含量來協助植物抵御逆境脅迫[9]。適宜濃度的腐植酸水溶肥可提高玉米細胞保護酶活性，降低丙二醛含量和膜脂過氧化程度，增加膜的穩定性，提高植物抗旱性[10]。關于腐植酸緩解燕麥干旱脅迫的研究表明，干旱脅迫條件下噴施腐植酸可改善燕麥葉片的光合性能，促進干物質積累和增加產量，且在重度干旱脅迫條件下效果最明顯[11]。因此，研究腐植酸對重度干旱脅迫下燕麥葉片活性氧清除系統的影響、探索提高燕麥抗旱的途徑具有重要意義。但關于腐植酸水溶肥能否調控燕麥葉片活性氧代謝、緩解重度干旱脅迫帶來的氧化損傷，目前尚不明確。

本研究以‘燕科2號’燕麥品種為材料，采用盆栽模擬重度干旱脅迫，探討噴施腐植酸水溶肥對燕麥葉片活性氧含量、抗氧化酶活性及抗氧化物質含量等的影響，旨在為腐植酸水溶肥緩解干旱脅迫對植物的傷害提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年5-9月在內蒙古農業大學燕麥產業研究中心溫室進行。供試燕麥品種為‘燕科2號’，種子由內蒙古農牧業科學研究院提供；腐植酸水溶肥(HA)由內蒙古自治區永業農豐生物技術有限責任公司提供，其水溶腐植酸含量≥50 g/L，氮磷鉀含量(N+P+K)≥200 g/L，微量元素含量(錳、硼、鉬、鋅等)≥10 g/L，噴施時稀釋500倍[11]。

1.2 材料培養與處理

試驗采用盆栽方法進行，供試土壤為蛭石與泥炭土按質量比1∶1混合而成，田間持水量為28%。泥炭土中N+P2O5+K2O≥2.5%，有機質含量>50 g·kg-1，pH值為5.5～6.5。塑料盆高25 cm，直徑20 cm，每盆裝混合土2.5 kg，利用稱重法保持土壤含水量，每天15:00進行稱重補充水分。播種前每盆底施磷酸二銨(N18%，P2O546%)2 g。5月1日播種，每盆播30粒，在三葉期(5月20日)定苗，每盆20株。

設置正常供水(75%田間持水量，CK)、正常供水噴施HA(CKH)、重度干旱脅迫(45%田間持水量，SS)、重度干旱脅迫下噴施HA (SSH)共4個處理，每個處理重復3次，每重復種植5盆。水分脅迫在5月12日(苗期)開始，6月1日(拔節期)噴施HA；6月5日，選取燕麥植株新鮮、長勢均勻一致的葉片，立即液氮速凍并保存，每個處理重復取樣5次，共25片葉，用于生理生化指標的測定；6月30日(抽穗期)選取各處理下的代表性植株進行拍照，8月10日(成熟期)測定籽粒產量和生物量。

1.3 測定指標與方法

1.3.2 葉片抗氧化酶活性及抗氧化物質含量超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性均按李合生等[17]的方法測定，抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)活性均按Tan等[12]的方法測定，酶活性均以每克鮮重材料的活力單位數表示。谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(ASA)含量分別采用Ellman[18]和Arakawa[19]等的方法測定，結果以每克干重材料含量表示。

1.3.3 葉片總抗氧化能力總抗氧化能力(toal antioxidant capacity, T-AOC)的測定按南京建成試劑盒(A015)的方法測定。

1.3.4 籽粒產量與生物產量取成熟期的盆內植株進行脫粒，稱量獲得每盆籽粒產量(鮮重)。然后將脫粒后的植株連同籽粒置于烘箱105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱量得出生物產量(干重)。

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2016進行處理及作圖，采用SAS 9.4進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥生長的影響

從圖1中明顯看出，與正常供水(CK)相比，重度干旱脅迫(SS)下燕麥植株高度明顯降低，葉片數目減少且顏色失綠發黃，小穗數目明顯減少。正常供水條件下噴施HA(CKH)與CK相比植株形態無明顯變化，而重度干旱脅迫下噴施HA (SSH)處理比SS處理葉片數目增多，且綠色加深，小穗數也明顯增多。

2.2 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥葉片活性氧及丙二醛含量的影響

2.3 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥葉片抗氧化酶活性的影響

燕麥葉片各類抗氧化酶活性在不同處理下的變化有所不同(圖3)。其中，與CK相比，SS處理下燕麥葉片超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性分別顯著提升31.84%和74.15%，而其過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱氨肽還原酶(GR)和谷胱氨肽過氧化物酶(GPX)活性卻分別顯著降低了30.79%、44.55%、62.50%和66.67%(P<0.05)；CKH處理下葉片各類抗氧化酶活性與CK相比均未出現顯著變化；與SS處理相比，SSH處理下葉片SOD和POD活性分別顯著降低38.94%和22.97%，但仍顯著高于對照，CAT、APX、GR和GPX活性分別顯著提高21.71%、43.63%、100.00%和44.44%，但仍顯著低于對照(P<0.05)。以上結果說明重度干旱脅迫導致燕麥葉片中活性氧的大量積累，誘導其抗氧化酶活性發生顯著變化，葉片噴施HA通過進一步調控抗氧化酶的活性分解清除葉片內過量的活性氧，從而緩解干旱脅迫引起的過氧化損傷。

2.4 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥葉片抗氧化劑含量的影響

燕麥葉片中抗氧化劑抗壞血酸(ASA)和谷胱氨肽(GSH)含量在不同處理下表現出相似的變化趨勢(圖4)。其中，與CK相比，燕麥葉片ASA和GSH含量在 SS處理下分別顯著降低28.93%和58.18%(P<0.05)，在CKH處理下未出現顯著變化；與SS處理相比，SSH處理下葉片ASA和GSH含量分別顯著提高23.89%和56.52% (P<0.05)。說明重度干旱脅迫導致燕麥葉片中抗氧化劑含量的顯著降低，噴施HA顯著提高干旱脅迫下葉片抗氧化劑的含量，從而增強燕麥適應干旱脅迫的能力。

2.5 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥葉片總抗氧化能力的影響

圖5顯示，燕麥葉片總抗氧化能力(T-AOC)在SS處理下比CK顯著提升55.14%(P<0.05)，在CKH處理下與CK相比無顯著變化；與SS處理相比，SSH處理下葉片T-AOC顯著提升34.62%。說明重度干旱脅迫導致燕麥葉片總抗氧化能力顯著提高，噴施HA通過進一步提高葉片總抗氧化能力來增強燕麥的抗旱性。

2.6 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥產量的影響

如圖6所示，每盆燕麥籽粒產量和生物產量在SS處理下分別比CK顯著降低30.62%和55.65%(P<0.05)，而在CKH處理下與CK相比均未出現明顯變化；與SS處理相比，SSH處理下燕麥籽粒產量和生物產量分別顯著提高13.63%和20.58%，但仍顯著低于CK(P<0.05)。可見，重度干旱脅迫導致燕麥干物質積累顯著受阻，籽粒產量大幅度降低，而葉面噴施HA可一定程度上彌補燕麥在重度干旱脅迫下的產量損失。

3 討 論

AsA-GSH循環系統作為植物體內抗氧化系統的重要機制，也是清除ROS的重要途徑。APX、GR和GPX是AsA-GSH循環系統的關鍵酶，對循環系統中抗氧化物質AsA和GSH的再生及循環的有效運轉具有重要作用[27]。本研究中，與CK相比，重度干旱脅迫下燕麥葉片APX、GR和GPX活性顯著降低，說明過度的干旱會造成AsA-GSH循環系統紊亂，而前人研究結果顯示中度干旱導致植物葉片APX、GR和GPX活性提升，說明在適度的干旱下APX、GR和GPX會協助植物緩解膜脂氧化損傷，幫助植物適應干旱脅迫環境[28]。

已有研究結果表明，HA可促進干旱脅迫下玉米[10]和甘蔗[29]活性氧的積累，并有效激活保護酶APX、GR和GPX的活性，促進ASA和GSH的合成。本試驗結果顯示，HA提高了重度干旱脅迫下燕麥葉片APX、GR和GPX活性及ASA和GSH的含量。表明適宜濃度的HA處理可提高燕麥葉片AsA-GSH循環系統相關酶活性，從而促進重度干旱脅迫下燕麥AsA-GSH循環的有效運轉，緩解重度干旱脅迫對燕麥的傷害。孫海燕等的研究指出，由于HA浸種對低溫脅迫下活性氧產生速率影響很小，而調控H2O2的積累是加強玉米幼苗抵御低溫膜質過氧化的主要途徑；雖然HA浸種同步提高了CAT和AsA-GSH循環活性，但H2O2清除主要依靠AsA-GSH循環[30]。由此推測，干旱脅迫下噴施HA加強了燕麥葉片AsA和GSH再生，提高了AsA-GSH循環活性，從而增加H2O2清除能力，且以促進AsA合成為核心。另外，孫海燕等的研究表明，高濃度的HA浸種有利于低溫脅迫下玉米幼苗對活性氧的清除和系統抗性的增強，但AsA-GSH循環主要物質和系統抗氧化酶的合成是以犧牲生長為代價[30]。植物往往以消耗更多的代謝資源用于防御系統的激活以“權衡生長與防御”，但快速生長也是植物耐受逆境的一種重要方式[31]，這也合理地解釋了重度干旱脅迫導致燕麥產量大幅下跌的原因。

4 結 論

HA可提高重度干旱脅迫下燕麥葉片APX、GR、GPX和CAT活性，促進抗氧化物質ASA和GSH再生，顯著增強葉片的總抗氧化能力，從而有效清除重度干旱脅迫引起的ROS積累，降低干旱脅迫對植物細胞膜的氧化損傷，最終緩解重度干旱脅迫對燕麥造成的傷害，一定程度上彌補燕麥產量損失。