CO2濃度升高對谷子干旱脅迫緩解的機制研究

馮雅楠 王迎賓 任宏芳 張東升 宗毓錚 史鑫蕊 李 萍 郝興宇*

(1.山西農業大學 農學院/科技部與山西省共建有機旱作農業國家重點實驗室(籌),太原 030031；2.遼寧農業職業技術學院 農學園藝學院，遼寧 營口 115009)

受人類活動影響大氣CO濃度持續升高,導致全球氣溫升高、水資源分布極不平衡、局部干旱頻繁發生。干旱脅迫已經成為限制作物生產的主要因素。有關CO濃度升高可以緩解作物遭受干旱脅迫不利影響的研究已經在C作物上有報道。相比C作物，C作物在抗旱方面有巨大優勢。研究CO濃度升高對C作物抗旱性的綜合影響，對干旱半干旱地區農業生產具有重要意義。

干旱脅迫對C作物生理生化和基因表達等方面的影響已有報道。干旱脅迫下作物細胞水勢升高，氣孔導度(

G

)下降，活性氧(ROS)不斷積累引起膜脂過氧化，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、谷胱甘肽-S-轉移酶(GST)和過氧化氫酶(CAT)等活性增強，游離脯氨酸(Pro)和可溶性糖(SS)等滲透調節物質含量升高以緩解干旱脅迫對植株造成的傷害。干旱脅迫下，作物體內脫落酸(ABA)含量升高，作物通過ABA受體、鈣受體等質膜受體來傳遞干旱脅迫信號，并通過ROS等第二信使激活ABA信號通路、絲裂原活化蛋白激酶級聯通路和Ca依賴信號轉導通路，使絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和鈣依賴蛋白激酶(CDPK)等蛋白激酶含量升高。進而通過蛋白磷酸化作用調控下游脫落酸、脅迫及成熟誘導蛋白(Abscisic acid-, stress, and ripening-induce, ASR)、脫落酸響應元件結合因子(ABA-responsive element binding factors, ABF3)及Lin-Isl-Mec結構域蛋白(Lin-Isl-Mec domain, LIM)等轉錄因子活化以參與調節作物響應干旱脅迫，誘導與光合電子傳遞相關的

NADP

基因和調控脯氨酸合成的Δ1-吡咯-5-羧酸酯還原酶(

P5CR

)基因等抗旱相關基因表達上調，熱休克蛋白等應激蛋白合成增多，以增強植物的抗旱性。ASR、ABF3和LIM等轉錄因子主要參與調節作物對非生物逆境脅迫的響應，在調節脅迫/活性氧(ROS)相關基因表達和調控ABA信號對滲透壓的反應方面有重要作用。CO是光合作用的原料，CO濃度升高會促進作物光合作用，這將有利于作物產量的提升，但由于C作物光合結構的限制，CO濃度升高對其光合作用的增效作用遠不及C作物顯著。干旱脅迫會使C作物葉片CO同化率和氣孔導度(

G

)下降，降低作物光合作用。而CO濃度升高可以改善C作物氣孔導度(

G

)和蒸騰速率(

T

)，提高其水分利用效率(WUE)，進而緩解干旱對作物光合作用的負面影響。CO濃度升高可通過保持土壤水分來間接改善C作物體內水分代謝失衡，進而緩解干旱脅迫使作物光合生理(如光合電子傳遞減少和熱耗散增加)受限和抗氧化酶活性下降等情況。對擬南芥的研究發現高CO濃度下野生型擬南芥葉片水勢、葉片相對含水量和游離脯氨酸含量均高于ABA不敏感突變體。高CO濃度可以提高大豆葉片水分利用效率(WUE)和凈光合速率(

P

)，抗氧化酶和蛋白激酶及其基因表達量也顯著升高。高CO濃度能提高干旱脅迫下高粱和玉米等C作物的水分利用效率(WUE)，降低干旱條件下谷子葉片光合色素含量，減輕干旱對谷子凈光合速率(

P

)和PSⅡ光化學效率的負效應，緩解干旱等非生物逆境脅迫對作物生長發育所產生的不利影響。谷子屬禾本科(Graminee)狗尾草屬(

Setaria

)植物，是典型的C模式植物，具有抗旱性強、耐貧瘠和適應性廣等特點，主要種植在半干旱雨養農業區，是我國主要的糧草兼用作物之一。目前，關于CO濃度升高對作物抗旱性影響的報道多為生理代謝水平的研究，缺乏干旱脅迫下高CO濃度對作物生理和基因表達等綜合影響的研究報道。且高CO濃度和干旱交互作用影響的研究多在C作物上開展，二者交互對C作物谷子抗旱性影響的研究也鮮見報道。本試驗通過分析高濃度CO和干旱脅迫下谷子孕穗期光合能力、光合色素積累、葉綠素熒光、抗氧化酶、滲透調節物質、激素、信號轉導相關蛋白激酶和逆境相關基因表達量等指標的變化，旨在探討干旱脅迫條件下CO濃度升高對谷子抗旱性的影響機理，以期為未來氣候變化背景下谷子生產提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于山西省晉中市太谷區(37.42′ N,112.58′ E)山西農業大學試驗基地。供試土壤為褐潮土，播前土壤基本理化性質為：有機質為23.7 g/kg、全氮1.12 g/kg、速效氮45.28 mg/kg、速效磷25.65 mg/kg、速效鉀280.5 mg/kg。

1.2 試驗設計

利用控制氣室(鋁合金框架玻璃結構，每個氣室長8.0 m，寬3.0 m，高3.2 m)進行CO濃度控制。通過人工氣候調控系統控制氣室內CO傳感器監測使各個氣室的CO濃度保持在目標范圍內。

選用谷子品種‘安04’(由安陽市農業科學院培育)為供試材料，設置2個CO濃度處理：正常CO濃度(ACO，400 μmol/mol左右)和高CO濃度(ECO，600 μmol/mol)，2個水分處理：正常供水和干旱脅迫。以葉片相對含水量來衡量植株受干旱脅迫的程度，谷子葉片相對含水量的測定參照高俊鳳等的方法。不同處理下谷子葉片相對含水量，見表1。

表1 不同CO濃度和水分處理下谷子葉片相對含水量
Table 1 Relative water content of foxtail millet leaves under different CO concentrations and water treatments %

處理Treatment葉片相對含水量Relative water content of leaves正常CO2濃度+正常水分ACO2+Normal water0.75±0.00 ab正常CO2濃度+干旱脅迫ACO2+Drought stress0.67±0.07 b高CO2濃度+正常水分ECO2+Normal water0.85±0.02 a高COa濃度+干旱脅迫ECO2+Drought stress0.78±0.00 ab

注：ACO，正常CO濃度(400 μmol/mol)；ECO，正常CO濃度+200 μmol/mol CO (600 μmol/mol)。下同。
Note： ACO， field CO concentration (400 μmol/mol)； ECO， field CO concentration+200 μmol/mol CO (600 μmol/mol). The same below.

2017年4月6日，在塑料桶中(直徑28 cm，高26 cm，底部打孔)播種谷子，土壤裝桶前過篩混勻。每個處理6個重復，每桶隨機撒播，播完覆土1 cm左右。谷子出苗長出3片真葉后間苗，每桶留苗8株。試驗于5月20日(抽穗期)進行，干旱脅迫處理在取樣前10 d(5月10日)停止澆水，持續10 d，直至葉片出現萎蔫；正常供水處理，及時澆水保持土壤濕潤。隨機選取長勢相似的植株，其中部分完全展開的倒2功能葉用于光合指標和葉片含水量的測定，剩余用錫紙包裹經液氮速凍后，于-80 ℃保存。

1.3 試驗方法

1

.

3

.

1

氣體交換參數及葉綠素熒光參數的測定在谷子孕穗期，使用便攜式光合儀(Li-6400XT, Li-Cor, USA)在晴天9:00—11:00測定氣體交換參數。測定時各處理葉室光合有效輻射(PAR)設為1 400 μmol/(m·s)，VPD設為1 500 kPa，流速設為500 μmol/s，依氣室情況設置參比室CO濃度為400和600 μmol/s，葉溫穩定在26.0±0.5 ℃。每處理選擇至少3株完全展開的倒2葉，測定凈光合速率(

P

)、氣孔導度(

G

)、蒸騰速率(

T

)并計算葉片水分利用效率(WUE, WUE=

P

/

T

)。同時期測定葉綠素熒光參數，每桶選取2株，每處理共8株。于晴天9：00—11：00測定光反應參數并做好標記，將標記的葉片用錫箔紙包好，進行20 min左右暗處理，以保證葉片完全的暗適應以測定暗反應參數。測定葉綠素初始熒光(

F

)、最大熒光(

F

)、光下最小熒光(

F

′)和光下最大熒光(

F

′)，并計算實際光化學效率(

Φ

)、電子傳遞效率(ETR)、光化學淬滅系數(qP)、非光化學淬滅系數(NPQ)等熒光參數，測定時CO濃度與測定氣體交換參數時一致。

1

.

3

.

2

光響應曲線及熒光光響應曲線的測定在谷子孕穗期，使用便攜式光合儀(Li-6400XT, Li-Cor, USA)在晴天9:00—11:00進行光響應曲線和熒光光響應曲線測定。利用Li-6400XT自動“Light-curve”曲線測定功能，設定一系列光合光子通量密度(photosynthetic photon flux dendity, PPFD)梯度：2 000、1 800、1 600、1 200、800、600、400、200、100和0 μmol/(m·s)，測定葉片凈光合速率(

P

)、實際光化學效率(

Φ

)和實際電子傳遞效率(ETR)，測定時CO濃度同光合參數測定的濃度一致。

1

.

3

.

3

葉綠素含量、脫落酸含量、熱休克蛋白含量、絲裂原活化蛋白激酶含量和鈣依賴蛋白激酶含量的測定

葉綠素含量用高俊鳳等的方法測定。熱休克蛋白(HSP-70)、脫落酸(ABA)、絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)、鈣依賴性蛋白激酶(CDPK)用ELISA雙抗體夾心法測定(武漢默沙克生物科技有限公司)。

1

.

3

.

4

抗氧化酶活性和滲透調節物質含量的測定

參照高俊鳳等方法進行超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、游離脯氨酸(Pro)含量和可溶性糖含量等指標測定。GST活性用GSH-ST試劑盒(南京建成生物工程研究所)測定。

1

.

3

.

5

基因表達的相對定量檢測以

SiActin

為內參，測定

SiMAPK

、

SiCDPK1

、

SiNADP

、

SiASR4

、

SiP5CR

、

SiABF3

和

SiWLIM2B

基因在谷子中的相對表達量。基因的序列信息來自NCBI(https:∥www.NCBI.nlm.nih.gov) (表2)。使用Primer 5.0軟件(Premier Biosoft Int, Palo Alto, CA, USA)設計qRT-PCR引物，相關基因表達用2法計算。

表2 引物序列
Table 2 The primer sequences

基因Gene引物名稱Primer-name引物序列Primer sequenceSiActinSiActin-FSiActin-RGGCAAACAGGGAGAAGATGAGAGGTTGTCGGTAAGGTCACGSiWLIM2BSiWLIM2B-FSiWLIM2B-RTCGCAATCACCTGCAAAGCTTACTTCGCAATCACCTGCAAAGCTTACTSiP5CRSiP5CR-FSiP5CR-RGTTGGACGGCTAGGTGTGAACTGTATGCCACCTGATTCTGCSiNADP+SiNADP+-FSiNADP+-RTTGCTCAGCAGGTCTCAGAACAGCGGTAGTTGCGGTAAASiCDPK1SiCDPK1-FSiCDPK1-RGCCAAACATTGTCCGAGTTCAGAGCAATGATCCGGTCGAATAGSiASR4SiASR4-FSiASR4-RACCACCACCACGACAAGAACAAGCTGCGACGGCACCGACCTSiABF3SiABF3-FSiABF3-RTGAGACCGGTTACGTCCAACAGCTTTCCTTCCCCTCAGACSiMAPKSiMAPK-FSiMAPK-RCATTCCCCTCACCAGCATGTGCCACATCATTTCAGGCGGATC

1.4 數據處理

試驗數據的整理及圖表的繪制均使用Microsoft Excel 2010完成。使用IBM SPSS 26進行數據處理和Duncan’s多重比較分析、一般線性模型雙因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同水分處理下谷子光合作用對CO2濃度升高的響應

2

.

1

.

1

不同水分處理下葉片中光合色素含量對CO濃度升高的響應由表3可知，干旱脅迫條件下，谷子葉片葉綠素b(Chl

b

)和總葉綠素含量(Tolal Chl)分別升高106.48% 和25.34%，葉綠素a(Chl

a

)、類胡蘿卜素(Car)含量和類胡蘿卜素/總葉綠素(Car/Tolal Chl)分別下降8.02%、50.00%和55.56%。而高CO濃度和干旱條件二者交互僅對Car含量和Car/Tolal Chl的影響達到了顯著水平。交互作用下，谷子葉片Car含量和Car/Tolal Chl較干旱條件分別上升27.27%和42.86%(表3)。

表3 不同CO濃度和水分處理下谷子孕穗期葉片的光合色素含量
Table 3 Photosynthetic pigment content of foxtail millet leaves at booting stage under different CO concentrations and water treatments

處理Treatment葉綠素a含量/(mg/g)Chlorophylla content葉綠素b含量/(mg/g)Chlorophyllb content類胡蘿卜素含量/(mg/g)Carotenoidcontent總葉綠素含量/(mg/g)Total chlorophyllcontent類胡蘿卜素/總葉綠素Car/Totalchlorophyll ratio正常CO2濃度+正常水分ACO2+Normal water2.62±0.04 a1.08±0.04 d0.32±0.00 a3.71±0.09 b0.09±0.00 a正常CO2濃度+干旱脅迫ACO2+Drought stress2.41±0.33 b2.23±0.35 a0.16±0.01 d4.65±0.44 a0.04±0.00 c高CO2濃度+正常水分ECO2+Normal water2.42±0.29 b1.12±0.26 c0.27±0.02 b3.54±0.54 c0.08±0.00 ab高CO2濃度+干旱脅迫ECO2+Drought stress1.63±0.35 c1.43±0.33 b0.22±0.00 c3.06±0.28 d0.07±0.01 bC0.110.190.870.050.06FD0.110.03*0.00**0.570.00**C×D0.340.170.00**0.110.00**

注：C,CO濃度；D，干旱處理。不同的小寫字母表示不同處理之間在0.05水平上差異顯著(<0.05)。*，**分別表示差異0.05水平顯著和0.01水平顯著。下同。
Note： C, CO concentration; D, drought treatment. Different lowercase letters indicate significant differences at the level of 0.05 between different treatments (<0.05). *, ** stand for significant at 0.05 level, significant at 0.01 level. The same below.

2

.

1

.

2

不同水分處理下谷子光合參數對CO濃度升高的響應如圖1所示，高CO濃度和干旱脅迫條件均對谷子葉片光合參數有顯著影響，二者對谷子光合參數也表現出極顯著的交互作用。干旱脅迫條件下谷子凈光合速率(

P

)、氣孔導度(

G

)、蒸騰速率(

T

)和水分利用效率(WUE)分別下降53.10%、72.86%、43.95%和16.65%。與干旱條件相比，高CO濃度與干旱交互條件下，谷子葉片

P

和WUE降幅分別減少70.3%和85.76%，

T

降幅為8.37%，

G

無顯著變化；與正常水分條件相比，高CO濃度下谷子WUE上升54.84%。這表明CO濃度升高主要通過減少干旱脅迫條件下谷子葉片

T

，提高

P

和WUE來緩解干旱對谷子光合作用的不利影響。

2

.

1

.

3

不同水分處理下谷子孕穗期光響應曲線對CO濃度升高的響應由圖2可知，在正常水分條件下，隨著光強的增加，谷子

P

逐漸增加；相同光強條件下，高CO濃度下谷子

P

低于正常CO濃度下谷子

P

。干旱脅迫條件下，隨著光強的增加，谷子

P

先增加后降低，整體低于正常水分條件；在相同光強條件下，高CO濃度使谷子

P

整體高于正常CO濃度的

P

，但仍小于正常水分條件的

P

。這表明干旱顯著降低谷子孕穗期

P

，而CO濃度升高對此有緩解效果。

圖2 不同CO2濃度和水分處理下谷子孕穗期凈光合速率(Pn)對CO2濃度變化的響應曲線Fig.2 Light response curve of Pn of foxtail millet leaves at booting stage under different CO2 concentrations and water treatments

2.2 不同水分處理下谷子葉綠素熒光對CO2濃度升高的響應

2

.

2

.

1

不同水分處理下谷子葉綠素熒光參數對CO濃度升高的響應由表4可知，干旱脅迫處理對谷子葉綠素熒光參數的影響極顯著，其中PSⅡ實際光量子效率(

Φ

)、電子傳遞速率(ETR)和光化學淬滅系數(qP)分別下降55.56%、55.28%和50.00%，非光化學淬滅系數(NPQ)上升29.51%；CO濃度升高后，谷子ETR、qP和NPQ分別上升3.47%、7.14%和8.02%，而PSⅡ的最大光量子效率(

F

/

F

)、PSⅡ的有效光量子效率(

F

′/

F

′)和

Φ

變化不顯著。表明CO濃度升高可以緩解因干旱導致的谷子葉片PSⅡ光化學效率下降，但二者交互作用未達到顯著水平。

表4 不同CO濃度和水分處理谷子孕穗期葉片的熒光參數
Table 4 Chlorophyll fluorescence parameters of foxtail millet leaves at booting stage under different CO concentrations and water treatments

處理TreatmentFv/Fm/(μmol/(m2·s))F'v/F'm/(μmol/(m2·s))ΦPSⅡ/(μmol/(m2·s))ETR/(μmol/(m2·s))qPNPQ正常CO2濃度+正常水分ACO2+Normal water0.75±0.00 a0.32±0.01 a0.18±0.03 a120.50±21.45 b0.56±0.10 b1.83±0.07 d正常CO2濃度+干旱脅迫ACO2+Drought stress0.73±0.01 b0.29±0.01 b0.08±0.01 b53.89±9.31 d0.28±0.04 d2.37±0.13 b高CO2濃度+正常水分ECO2+Normal water0.75±0.00 a0.32±0.01 a0.19±0.02 a130.07±11.73 a0.61±0.05 a1.90±0.10 c高CO2濃度+干旱脅迫ECO2+Drought stress0.72±0.01 b0.28±0.01 b0.08±0.02 b55.83±11.34 c0.30±0.07 c2.56±0.20 aC0.540.260.650.650.540.29FD0.00**0.00**0.00**0.00**0.00**0.00**C×D0.420.640.760.760.810.64

2

.

2

.

2

不同水分和CO濃度處理下谷子孕穗期葉片實際光量子效率和光合電子傳遞效率對光強的響應曲線由圖3可知，在正常水分條件下，隨著光強的增加，谷子葉片PSⅡ實際光量子效率(

Φ

)降低，電子傳遞速率(ETR)先升高后降低；相同光強條件下，高CO濃度處理谷子葉片

Φ

和ETR低于正常CO濃度處理谷子葉片

Φ

和ETR。在干旱脅迫條件下，隨著光強的增加，谷子葉片

Φ

降低，電子傳遞速率(ETR)先升高后降低，整體低于正常水分條件；相同光強條件下，高CO濃度處理谷子葉片

Φ

和ETR高于正常CO濃度處理谷子葉片

Φ

和ETR(圖3)。這表明干旱脅迫顯著降低谷子

Φ

和ETR，而CO濃度升高對此有緩解效果(圖3 和圖4)。

圖3 不同CO2濃度和水分處理下谷子孕穗期葉片實際光量子效率(ΦPSⅡ)對光強的響應曲線Fig.3 Light response curve of actual light quantum efficiency (ΦPSⅡ) of millet leaves to light at booting stage under different CO2 concentrations and water treatments

圖4 不同CO2濃度和水分處理下谷子孕穗期葉片光合電子傳遞效率(ETR)對光強的響應曲線Fig.4 Light response curve of photosynthetic electron transport rate (ETR) of millet leaves to light under different CO2 concentrations and water treatments at booting stage

2.3 不同水分處理下谷子葉片信號轉導相關蛋白激酶對CO2濃度升高的響應

由圖5可知，高CO濃度和干旱脅迫處理對谷子葉片絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)和鈣依賴蛋白激酶(CDPK)含量均表現出顯著的交互作用。干旱條件下，MAPK含量顯著下降4.12%，CDPK含量上升1.08%；而高CO濃度處理的MAPK含量較干旱處理升高5.98%，CDPK含量較干旱處理下降0.27%。

圖5 不同CO2濃度和水分處理下谷子孕穗期葉片絲裂原蛋白激酶(a)和鈣依賴蛋白激酶(b)的含量Fig.5 Contents of mitogen protein kinase (a) and calcium dependent protein kinase (b) of foxtail millet leaves at booting stage under different CO2 concentrations and water treatments

2.4 不同水分處理下谷子葉片抗氧化酶對CO2濃度升高的響應

由表5可知，高CO濃度和干旱條件對谷子谷胱甘肽-S-轉移酶(GST)活性均表現出極顯著的交互作用，而對過氧化氫酶(CAT)活性的影響沒有達到顯著水平。干旱條件下，谷子GST活性降低64.36%，高CO濃度處理較干旱條件升高164.86%，表明CO濃度升高對干旱條件下谷子葉片GST活性有顯著的促進作用。

表5 不同CO濃度和水分處理下谷子孕穗期葉片過氧化氫酶(a)、谷胱甘肽-S-轉移酶(b)、超氧化物歧化酶(c)和過氧化物酶(d)活性
Table 5 Activities of catalase (a), glutathione-S-transferase (b), superoxide dismutase (c) and peroxidase (d)of foxtail millet leaves at booting stage under different CO concentration and water treatments

處理TreatmentCAT/(U/(g·min))GST/(U/mg)SOD/(U/(g·h))POD/(U/(g·min))正常CO2濃度+正常水分ACO2+Normal water345.51±2.08 b136.01±3.44 a54.81±3.39 d25.93±1.88 a正常CO2濃度+干旱脅迫ACO2+Drought stress345.36±1.38 c48.48±10.27 d86.65±3.15 a25.72±1.19 b高CO2濃度+正常水分ECO2+Normal water343.02±1.75 d73.94±10.58 c68.84±2.88 c17.20±1.69 d高CO2濃度+干旱脅迫ECO2+Drought stress346.40±1.16 a128.41±15.50 b82.39±3.00 b22.34±4.14 cC0.630.430.350.01*FD0.300.170.04*0.00**C×D0.260.00 **0.320.13

高CO濃度處理下過氧化物酶(POD)活性降低33.67%，對超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響沒有達到顯著水平；干旱脅迫顯著影響了超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性，但二者交互作用對SOD和POD活性的影響沒有達到顯著水平。與正常水分條件相比，干旱條件下谷子SOD活性升高58.09%，POD活性下降0.80%；CO濃度升高后，谷子SOD和POD活性分別下降4.92%和13.14%。

2.5 不同水分處理下谷子葉片滲透調節物質對CO2濃度升高的響應

由圖6可知，高CO濃度和干旱交互處理對谷子葉片可溶性糖(SS)和脯氨酸(Pro)含量的影響沒有達到顯著水平。與正常水分處理相比，干旱處理下谷子SS和Pro含量分別升高36.67%和19.46%；高CO濃度與干旱脅迫交互作用下Pro含量比正常水分+正常CO濃度處理升高36.13%，SS含量沒有顯著變化。

圖6 不同CO2濃度和水分處理下谷子孕穗期葉片可溶性糖(a)和脯氨酸(b)含量Fig.6 Contents of soluble sugar (a) and proline (b) of foxtail millet leaves at booting stage under different CO2 concentrations and water treatments

2.6 不同水分處理下谷子葉片脫落酸(ABA)含量和熱休克蛋白(HSP-70)含量對CO2濃度升高的響應

由圖7可知，高CO濃度和干旱條件對谷子脫落酸(ABA)和熱休克蛋白(HSP-70)含量表現出顯著的交互作用。與正常水分條件相比，干旱條件下谷子葉片ABA和HSP-70含量分別降低6.39%和27.69%，而高CO濃度和干旱脅迫交互作用下ABA含量較干旱條件升高35.58%，HSP-70含量減小34.51%。

圖7 不同CO2濃度和水分處理下谷子孕穗期葉片脫落酸(a)和熱休克蛋白(b)含量Fig.7 Content of abscisic acid (a) and heat shock protein (b) of foxtail millet leaves at booting stage under different CO2 concentrations and water treatments

2.7 不同水分處理下抗逆相關基因表達對CO2濃度升高的響應

由圖8可知，除

SiASR4

外,高CO濃度和干旱條件對6個抗逆相關基因均表現出極顯著的交互作用。干旱條件下，

SiNADP

和

SiP5CR

基因表達量分別上調31.76%和22.20%；

SiCDPK1

、

SiMAPK

、

SiABF3

和

SiWLIM2B

基因表達量分別下調62.89%、81.26%、29.23%和56.79%。二者交互作用與干旱條件相比，

SiNADP

和

SiP5CR

增幅分別為961.97%和388.20%，

SiCDPK1

、

SiMAPK

、

SiABF3

和

SiWLIM2B

基因表達量分別上調520.53%、441.43%、387.98%和180.82%。

圖8 不同CO2濃度和水分處理下谷子孕穗期葉片SiNADP+(a)、SiASR4(b)、SiMAPK(c)、 SiCDPK1(d)、SiP5CR(e)、SiABF3(f)和SiWLIM2B(g)基因表達Fig.8 Expression of SiNADP+ (a), SiASR4 (b), SiMAPK (c), SiCDPK1 (d), SiP5CR (e), SiABF3 (f) and SiWLIM2B (g) genes in foxtail millet leaves at booting stage under different CO2 concentrations and water treatments

僅干旱條件對

SiASR4

影響顯著。干旱條件下，谷子葉片

SiASR4

基因表達量升高31.76%，高CO濃度和干旱脅迫交互條件下谷子葉片

SiASR4

基因表達量升高但未達到顯著水平。綜合情況表明，CO濃度升高可以提高干旱條件下谷子葉片相關抗逆基因表達量，進而提高谷子的抗旱能力。

3 討 論

以往關于高CO濃度對谷子抗旱性的研究多集中在高CO濃度可以緩解干旱對谷子凈光合速率

P

的負效應，提高WUE，進而改善谷子PSⅡ光化學效率和抗氧化酶活性等生理代謝過程，但對于谷子信號轉導以及級聯反應對下游轉錄翻譯水平影響的相關研究較少。本研究結果表明，高CO濃度提高了干旱條件下谷子Car含量、ETR和NPQ，緩解了干旱對谷子光合速率和PSⅡ光化學效率的負效應。高CO濃度通過上調抗逆相關基因表達量從而提高干旱條件下谷子葉片CAT、GST等酶活性和MAPK、脯氨酸、ABA等物質含量，提高HSP-70等應激蛋白的表達來增強谷子抗旱性。干旱脅迫對作物光合作用的影響主要表現在葉片氣孔導度的下降、光能吸收及傳遞的降低和熱耗散的增加等方面。本研究中，干旱脅迫抑制作物生長，使谷子葉片Chl

b

和Tolal Chl含量顯著升高，Chl

a

、Car和Car/Tolal Chl顯著下降(表3)，光合色素整體呈現“濃縮”趨勢；而

P

、

G

、

T

和WUE等參數也顯著下降(圖1和圖2)，葉片ETR和qP顯著下降，NPQ顯著上升(表4)。表明干旱脅迫對谷子葉片光合作用影響顯著。而高CO濃度和干旱脅迫條件二者交互使谷子Chl

a

、Chl

b

和Tolal Chl含量顯著下降，Car含量和Car/Tolal Chl顯著升高(表3)，有利于谷子體內不穩定的三線態葉綠素分子和強氧化性的單線態氧的淬滅，增強類囊體膜的穩定性；CO濃度升高使干旱脅迫下谷子葉片

P

、ETR和qP降幅減小，

T

降幅增大，WUE和NPQ顯著提高(圖1、圖2和表4)。由圖2、圖3和圖4可知，高CO濃度可以減緩干旱脅迫下谷子葉片各光強點的

P

、

Φ

和ETR降低，但仍低于正常水分處理的指標，這可能與C作物的光合結構被破壞有關。綜合來看，高CO濃度通過提高谷子PSⅡ活性，促進光能吸收和傳遞，提高水分利用效率，減緩干旱對谷子凈光合速率乃至光合作用的不利影響。

氧化應激和滲透調節是作物應對干旱脅迫的重要手段，對穩定干旱脅迫條件下細胞代謝平衡有重要作用。本研究中，干旱脅迫顯著降低了CAT、GST活性，而SOD活性和SS、Pro含量顯著升高。高CO濃度和干旱脅迫條件下，CAT、GST活性和Pro含量升高顯著。這表明高CO濃度可以提高干旱脅迫條件下谷子多種抗氧化酶活性和脯氨酸的生物合成，加快谷子葉片活性氧清除，調節細胞水勢，提高谷子抗旱性。

ABA信號通路、CDPKs和MAPKs是作物響應非生物脅迫過程中信號轉導的重要途經，CDPK和MAPK可以通過蛋白磷酸化激活下游轉錄因子間接激活抗逆基因，使作物對干旱脅迫做出響應。本研究中，高CO濃度顯著升高了干旱脅迫下谷子葉片MAPK含量、ABA含量和

SiMAPK

、

SiCDPK1

基因表達量，而谷子葉片中CDPK含量有下降趨勢。同樣在大豆中也存在MAPK含量和MAPKs基因表達量變化趨勢不一致的現象，這可能是因為不同作物信號轉導過程對CO濃度升高的響應存在差異，而MAPK在谷子抗旱生理中作用更大。ASR、ABF3和LIM是作物通過ABA途徑和苯丙烷途徑響應干旱、鹽脅迫等非生物脅迫的重要轉錄因子。高CO濃度顯著升高了干旱條件下谷子

SiASR4

、

SiWLIM2B

和

SiABF3

基因表達量；而

SiNADP

和

SiP5CR

基因表達量的顯著升高表明谷子光合作用和脯氨酸生物積累加強。HSP-70是基因應答的產物，高CO濃度顯著升高了干旱脅迫下谷子HSP-70含量。綜上所述，高CO濃度主要通過MAPKs級聯途徑提高抗逆相關轉錄因子和基因表達來增強谷子的抗旱性。

4 結 論

高CO濃度(600 μmol/mol)處理顯著提高干旱脅迫下谷子葉片類胡蘿卜素(Car)含量、電子傳遞速率(ETR)、光化學淬滅系數(qP)和非光化學淬滅系數(NPQ)，并顯著降低葉片蒸騰速率(

T

)，對干旱脅迫導致的谷子葉片光合速率降低和水分利用效率下降有顯著的緩解作用；同時高CO濃度(600 μmol/mol)處理顯著增加谷子脯氨酸(Pro)、熱休克蛋白(HSP-70)和脫落酸(ABA)含量，顯著提高谷子葉片過氧化氫酶(CAT)、谷胱甘肽-S-轉移酶(GST)活性和絲裂原活化蛋白激酶(MAPK)含量，促進脫落酸、逆境脅迫及成熟誘導蛋白(ASR)、脫落酸響應元件結合因子(ABF3)及Lin-Isl-Mec結構域蛋白(LIM)等轉錄因子基因的表達，提高與光合電子傳遞和脯氨酸生物合成相關的

SiNADP

和

SiP5CR

基因的表達。這表明CO濃度升高可通過減緩干旱脅迫對谷子葉片光合速率和水分利用效率的負效應、抗氧化酶類活性和滲透調節物質含量，通過MAPKs級聯反應增強抗逆相關轉錄因子和基因的表達來提高谷子的抗旱性。