不同抗旱性小豆根系對(duì)干旱-復(fù)水的生理生態(tài)響應(yīng)

單 皓，羅海婧，張 松，張久剛，張 虎，崔愛(ài)民，薛 超，張永清

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，山西 臨汾 041000；2.山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030000)

水是農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中必不可少的保障條件。隨著全球降雨量的減少，干旱逐漸成為嚴(yán)重影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的自然災(zāi)害[1-3]。2018年，我國(guó)共有771.18萬(wàn)hm2農(nóng)作物受旱災(zāi)影響，經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)255.3億元。植物在長(zhǎng)期適應(yīng)干旱環(huán)境過(guò)程中，產(chǎn)生了御旱性、耐旱性、逃旱性和復(fù)水恢復(fù)性[4]，研究并利用作物的這些特性，對(duì)提高旱作區(qū)作物的產(chǎn)量具有重要的理論與實(shí)際意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)多種農(nóng)作物[5-10]抗旱性的生理生態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了多方面研究：Baghel 等[11]研究了大豆在重度水分脅迫下的生理反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)葉肉細(xì)胞結(jié)構(gòu)和相關(guān)功能的損耗會(huì)降低植物的凈光合速率；劉婷婷等[12]研究認(rèn)為，復(fù)水恢復(fù)性對(duì)于高粱幼苗的抗旱生長(zhǎng)具有更重要的作用，凈光合速率和葉片相對(duì)含水量在一定程度上能夠作為鑒定高粱干旱適應(yīng)性的指標(biāo)；李國(guó)領(lǐng)等[13]研究表明，眾麥1號(hào)小麥在受到干旱脅迫后，通過(guò)提高相關(guān)生理參數(shù)，保持光合速率處在較高水平，從而提高產(chǎn)量；徐田軍等[14]研究認(rèn)為玉米的耐旱指數(shù)在一定程度上能夠反映其對(duì)干旱脅迫的敏感程度，且耐旱指數(shù)與耐旱性和穩(wěn)產(chǎn)性呈正相關(guān)關(guān)系；王蘭芬等[15]篩選出可以作為綠豆芽期抗旱鑒定的適宜評(píng)價(jià)指標(biāo)，又采用苗期反復(fù)干旱法遴選出幼苗存活率、萎蔫指數(shù)和株高為綠豆苗期抗旱性評(píng)價(jià)的適宜指標(biāo)[16]。前人的研究主要集中在小麥、玉米等大宗作物，有關(guān)小豆抗旱及復(fù)水方面的研究尚不夠深入。

小豆作為山西省重要的小雜糧作物，富含蛋白質(zhì)、膳食纖維、糖類、維生素及黃酮，不僅具有核黃素、蛋白質(zhì)和花色苷等豐富的營(yíng)養(yǎng)成分，同時(shí)還是重要的食品和飲料加工原料[17]。吉雯雯等[18]以發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)根長(zhǎng)和活力指數(shù)5個(gè)指標(biāo)對(duì)小豆發(fā)芽階段的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)和分析。尹寶重等[19]研究表明，干旱脅迫能夠顯著降低小豆幼苗可溶性蛋白和可溶性糖的積累，促進(jìn)葉綠素的分解，加速葉片游離脯氨酸和葉片丙二醛的產(chǎn)生，且隨著干旱脅迫程度的增加，影響越發(fā)明顯。張曉紅等[20]研究認(rèn)為小豆受到干旱脅迫后，過(guò)氧化氫酶活性、游離脯氨酸含量和可溶性糖含量明顯增加，且抗旱能力越強(qiáng)，增幅越明顯。

綜上可知，前人對(duì)于小豆抗旱性的機(jī)制及生理生態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了多方面研究，并取得了一定的研究成果[21-23]。但從研究方向和內(nèi)容上看，對(duì)于小豆抗旱性的研究主要集中在小豆幼苗以及葉片的御旱性、耐旱性、逃旱性的生理指標(biāo)響應(yīng)，對(duì)于小豆根系及復(fù)水恢復(fù)性的研究較少。因此，本研究以抗旱性不同的3種小豆品種為材料，分析干旱及復(fù)水條件下小豆苗期根系的多種生理指標(biāo)的變化趨勢(shì)，揭示小豆根系的干旱復(fù)水響應(yīng)規(guī)律，為小豆的抗旱育種以及抗旱機(jī)制探究等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為3個(gè)抗旱能力不同的紅小豆品種：京農(nóng)2號(hào)、遵化紅、B1783(經(jīng)前期沙培試驗(yàn)篩選，其抗旱性表現(xiàn)為：京農(nóng)2號(hào)>遵化紅>B1783)，由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供。為了模擬實(shí)際生產(chǎn)中因黃土高原小流域治理而出現(xiàn)的“新造地”，供試土壤取自距地表3 m以下的生土，其基礎(chǔ)肥力為：全氮0.5 g·kg-1、有機(jī)質(zhì)含量6.4 g·kg-1、速效磷3.0 mg·kg-1、速效鉀150.4 mg·kg-1、土壤pH 8.4。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在山西師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院試驗(yàn)基地抗旱棚進(jìn)行。棚外加遮防蟲(chóng)網(wǎng)和防雨棚，使紅小豆整個(gè)生育期在自然光下生長(zhǎng)，同時(shí)消除雨水對(duì)試驗(yàn)的影響。選用聚乙烯塑料盆(上部直徑31 cm，底部直徑23 cm，高28 cm)進(jìn)行盆栽試驗(yàn)，為了保證試驗(yàn)期間幼苗的養(yǎng)分水平保持一致，每盆裝風(fēng)干土13 kg，同時(shí)分別施加尿素0.43 g·kg-1、氯化鉀0.275 g·kg-1、過(guò)磷酸鈣0.7 g·kg-1作為肥底。按照常規(guī)的方法適時(shí)播種，所有盆土等量澆水以保證種子順利出苗，待第1片復(fù)葉完全展開(kāi)后，進(jìn)行干旱脅迫處理。試驗(yàn)按照土壤相對(duì)含水量分為5個(gè)處理：①充分供水CK(田間持水量的60%～70%)；②中度干旱脅迫MS(45%～55%)；③重度干旱脅迫SS(30%～40%；)④中度干旱脅迫復(fù)水MS-CK(45%～55%復(fù)水到60%～70%)；⑤重度干旱脅迫復(fù)水SS-CK(30%～40%復(fù)水到60%～70%)。采用稱重法控制土壤水分，每隔1 d 于下午固定時(shí)間稱重，若下降到設(shè)定的水分含量下限時(shí)，立即補(bǔ)充水分，共脅迫30 d；脅迫到期后，復(fù)水處理組當(dāng)日復(fù)水至CK，復(fù)水7 d，其他水分處理不做處理。所有處理均在復(fù)水7 d后測(cè)定根系形態(tài)及生理生化指標(biāo)，每個(gè)水分處理重復(fù)3次。所有栽培管理措施中，除水分處理不同外，其他均保持一致，每隔7 d隨機(jī)調(diào)換盆栽擺放位置。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

形態(tài)指標(biāo)的測(cè)定：主根長(zhǎng)用游標(biāo)卡尺測(cè)量;根冠比測(cè)定采用105℃殺青,75℃烘干至恒重稱重法。

生理指標(biāo)的測(cè)定：根系活力的測(cè)定，采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[24]；根系超氧化物歧化酶(SOD)活性的測(cè)定，采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法[22]；根系過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定，采用愈創(chuàng)木酚比色法[25]；根系過(guò)氧化氫酶(CAT)活性的測(cè)定，采用紫外吸收法[26]；根系丙二醛(MDA)含量的測(cè)定，采用硫代巴比妥酸法(TBA)法[27]；根系可溶性糖含量的測(cè)定，采用蒽酮比色法[27]；根系可溶性蛋白質(zhì)含量的測(cè)定，采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法[27]；根系脯氨酸含量的測(cè)定，采用茚三酮顯色法[28]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算(平均值及標(biāo)準(zhǔn)差)，用SPSS 17.0軟件Duncan新復(fù)極差法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行方差分析和顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，用Origin 2018軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱-復(fù)水條件對(duì)小豆根系形態(tài)的影響

由表1可知，干旱脅迫顯著抑制了小豆根系的生長(zhǎng)發(fā)育，但不同品種受抑制程度不同。與充分供水相比較，干旱脅迫下3個(gè)品種小豆的根干重、主根長(zhǎng)隨著脅迫程度的升高而降低，各處理間差異顯著(P<0.05)；根冠比與脅迫程度的強(qiáng)弱成正比，差異不顯著。根干重在MS處理下和SS處理下，與CK相比，京農(nóng)2號(hào)降低了4.55%、8.82%，遵化紅降低了5.99%、10.04%，B1783降低了6.35%、10.35%。根冠比在MS處理和SS處理下，與CK相比，京農(nóng)2號(hào)增加了1.99%、2.41%，遵化紅和B1783無(wú)顯著變化。主根長(zhǎng)在MS處理和SS處理下，與CK相比，京農(nóng)2號(hào)降低了5.21%、12.15%，遵化紅降低了7.00%、14.11%，B1783降低了8.48%、16.53%。可能京紅2號(hào)對(duì)干旱脅迫的調(diào)節(jié)適應(yīng)能力較強(qiáng)，有較強(qiáng)的的抗旱性，遵化紅次之，B1783最差。

表1 不同抗旱性小豆根系生長(zhǎng)對(duì)干旱-復(fù)水的響應(yīng)Table 1 Responses of root system in different drought-tolerant adzuki beans to drought-rehydration

復(fù)水后3個(gè)品種小豆的根干重、主根長(zhǎng)低于對(duì)照，但都高于相應(yīng)的干旱處理，MS-CK組的上升幅度明顯高于SS-CK組。結(jié)果顯示，3個(gè)品種中，京農(nóng)2號(hào)表現(xiàn)出的復(fù)水后補(bǔ)償效應(yīng)最大。在MS-CK和SS-CK處理下，京農(nóng)2號(hào)的根干重上升為CK的98.58%、94.51%，主根長(zhǎng)上升為CK的97.50%、89.61%。復(fù)水后各處理根冠比無(wú)顯著變化。

2.2 干旱-復(fù)水條件對(duì)小豆根系生理生化特性的影響

2.2.1 對(duì)根系活力的影響 由圖1可知，充分供水下，京農(nóng)2號(hào)的根系活力高于遵化紅和B178314.47%、25.95%，差異顯著(P<0.05)。與充分供水相比，中度和重度脅迫下，3個(gè)品種小豆的根系活力隨著干旱脅迫程度加重都呈下降趨勢(shì)，差異顯著(P<0.05)。其中京農(nóng)2號(hào)的根系活力降幅最低，分別降低了7.91%和18.83%；遵化紅和B1783分別降低了13.81%、34.11%和20.06%、52.30%。復(fù)水處理后，3個(gè)品種小豆的根系活力低于對(duì)照，但都存在不同程度的回升，復(fù)水處理后的根系活力MS-CK>MS，SS-CK>SS，差異顯著(P<0.05)。其中京農(nóng)2號(hào)的根系活力上升為對(duì)照的96.29%、85.93%；遵化紅和B1783分別上升為對(duì)照的94.04%、74.73%和88.14%、55.87%。3個(gè)品種復(fù)水恢復(fù)能力表現(xiàn)為：京農(nóng)2號(hào)>遵化紅>B1783。

圖1 不同抗旱性小豆根系活力對(duì)干旱-復(fù)水的生理響應(yīng)Fig.1 Physiological response of different drought-resistant adzuki beans root system vigor to drought-rehydration

2.2.2 對(duì)根系抗氧化酶活性的影響 由圖2可知，在充分供水條件下，京農(nóng)2號(hào)的SOD、POD和CAT活性顯著高于遵化紅和B1783。與充分供水相比較，中度和重度干旱脅迫下，3個(gè)小豆品種根系的SOD、POD和CAT活性都有不同程度的升高，存在顯著差異(P<0.05)；京農(nóng)2號(hào)3種酶活性最高，且上升的幅度最大，SOD活性提高了9.27%、15.02%，POD活性提高了57.86%、86.76%，CAT活性提高了26.20%、37.70%。不同品種在同一程度干旱脅迫下，3種酶活性差異顯著，且SS>MS>CK。

圖2 不同抗旱性小豆根系抗氧化酶活性對(duì)干旱-復(fù)水的生理響應(yīng)Fig.2 Physiological responses of antioxidant enzyme activities in root of different drought-resistant adzuki beans to drought-rehydration

復(fù)水處理后，3個(gè)品種小豆根系SOD、POD和CAT活性高于對(duì)照，SS>SS-CK，MS>MS-CK，差異顯著(P<0.05)。其中京紅2號(hào)3種酶活性回降的幅度最大，SOD活性MS-CK比MS降低了4.91%，SS-CK比SS降低了7.52%;POD活性MS-CK比MS降低了36.14%，SS-CK比SS降低了26.61%；

CAT活性MS-CK比MS降低了10.94%，SS-CK比SS降低了4.52%。3個(gè)品種抗旱性表現(xiàn)為：京農(nóng)2號(hào)>遵化紅>B1783。

2.2.3 對(duì)根系丙二醛(MDA)的影響 由圖3可知，3個(gè)品種的小豆根系MDA含量與干旱脅迫的強(qiáng)弱成正比。在充分供水條件下，京農(nóng)2號(hào)的根系MDA含量顯著低于遵化紅和B1783。與CK相比，MS組和SS組3個(gè)品種的MDA含量都升高，且SS>MS，差異顯著(P<0.05)。在相同條件下，京農(nóng)2號(hào)的MDA積累量相對(duì)較少，對(duì)干旱脅迫的抵抗力較強(qiáng)。復(fù)水處理后，3個(gè)品種小豆的根系MDA含量存在不同程度的降低，但仍高于對(duì)照組，根系MDA含量表現(xiàn)為：SS>SS-CK>MS>MS-CK>CK。相同處理下的根系MDA含量表現(xiàn)為：京農(nóng)2號(hào)<遵化紅

圖3 不同抗旱性小豆根系MDA對(duì)干旱-復(fù)水的生理響應(yīng)Fig.3 Physiological response of MDA in different drought-resistant adzuki beans root system to drought-rehydration

2.2.4 對(duì)根系可溶性糖的影響 由圖4可知，與充分供水相比較，中度和重度脅迫下不同抗旱品種根系可溶性糖含量均隨著脅迫程度的增加而升高。相同處理下可溶性糖含量表現(xiàn)為：京紅2號(hào)>遵化紅>B1783。復(fù)水后，3個(gè)品種根系可溶性糖含量仍高于CK組。在MS-CK、SS-CK處理下，3個(gè)品種根系可溶性糖含量明顯低于MS、SS處理，下降幅度為京農(nóng)2號(hào)>遵化紅>B1783。

圖4 不同抗旱性小豆根系可溶性糖對(duì)干旱-復(fù)水的生理響應(yīng)Fig.4 Physiological response of soluble sugar in different drought-resistant adzuki beans root system to drought-rehydration

2.2.5 對(duì)根系可溶性蛋白質(zhì)的影響 由圖5可知，與充分供水相比較，中度和重度脅迫下不同抗旱品種根系可溶性蛋白質(zhì)含量隨著干旱脅迫程度的增強(qiáng)而降低，差異顯著(P<0.05)，且品種的抗旱性越強(qiáng)，降低量越小。中度干旱脅迫下，3個(gè)小豆品種的可溶性蛋白質(zhì)含量分別較充分供水處理降低了8.89%、13.45%和15.45%。復(fù)水后，3個(gè)品種小豆的根系可溶性蛋白質(zhì)含量比CK組低，但較MS、SS組均存在不同程度的升高，且復(fù)水處理的根系可溶性蛋白質(zhì)含量顯著高于MS和SS處理。

圖5 不同抗旱性小豆根系可溶性蛋白質(zhì)對(duì)干旱-復(fù)水的生理響應(yīng)Fig.5 Physiological response of soluble protein of different drought-resistant adzuki beans root system to drought-rehydration

2.2.6 對(duì)根系脯氨酸的影響 由圖6可知，與充分供水相比較，中度和重度脅迫下3個(gè)抗旱品種根系脯氨酸含量隨著干旱脅迫程度的加深而升高，且品種的抗旱性越強(qiáng)，增加量越大。復(fù)水處理后，3個(gè)品種小豆的根系脯氨酸含量均比CK組高，但較MS、SS組均存在不同程度的下降，且復(fù)水處理的根系脯氨酸含量明顯低于MS和SS處理。

圖6 不同抗旱性小豆根系脯氨酸對(duì)干旱-復(fù)水的生理響應(yīng)Fig.6 Physiological response of proline in different drought-resistant adzuki beans root system to drought-rehydration

3 討 論

干旱是影響作物生長(zhǎng)和生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)境脅迫因素之一，其導(dǎo)致植物發(fā)生多種多樣的生理生化以及分子響應(yīng)等[29]。干旱-復(fù)水試驗(yàn)作為作物干旱機(jī)制研究的熱點(diǎn)內(nèi)容，已在玉米、大豆、小麥等作物證實(shí)了干旱閾值內(nèi)進(jìn)行干旱脅迫并及時(shí)復(fù)水，作物的株高、葉面積和生物量等超過(guò)正常灌水水平，即“補(bǔ)償或超補(bǔ)償效應(yīng)”[30]。

根系是作物感受土壤水分虧缺最初的部位，它的生長(zhǎng)形態(tài)及生理特征會(huì)隨著水分情況改變，且影響植株地上部生長(zhǎng)[31]。根冠比是指植物地下部分與地上部分的鮮重或干重的比值，它的大小反映了植物地下部分與地上部分的相關(guān)性，外界生長(zhǎng)環(huán)境條件對(duì)其有一定的影響[32]。根系活力是衡量根吸收能力的主要指標(biāo)，它在一定程度上反映了植物的生命活動(dòng)和新陳代謝的強(qiáng)弱[33]。本研究表明，干旱脅迫下3個(gè)供試品種小豆的根干重、主根長(zhǎng)、根系活力均隨著脅迫程度的升高而降低；復(fù)水后，干旱脅迫對(duì)小豆的根干重、主根長(zhǎng)、根系活力影響有所減弱，各指標(biāo)均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。可能是干旱脅迫影響了部分根毛吸收水分和營(yíng)養(yǎng)的能力，導(dǎo)致根系在一定程度上木質(zhì)化、弱化。3個(gè)品種中京農(nóng)2號(hào)的下降幅度最小，表現(xiàn)出的復(fù)水后補(bǔ)償效應(yīng)最大，表明京農(nóng)2號(hào)抗旱性最佳。

在遭受干旱脅迫時(shí)，作物體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生自由基和H2O2等活性氧，而活性氧的累積可直接或間接攻擊細(xì)胞膜上生物大分子，導(dǎo)致膜損傷，進(jìn)而造成作物的損傷。MDA是植物細(xì)胞膜脂化最重要的產(chǎn)物之一，其大小可反映植物膜系統(tǒng)的受損程度[34]。植物一般通過(guò)兩種途徑來(lái)緩解或清除活性氧的危害，一種是通過(guò)抗氧化酶系統(tǒng)，即增加SOD、POD和CAT的活性，SOD、POD和CAT協(xié)同作用可防御活性氧或其他過(guò)氧化物自由基對(duì)細(xì)胞生物大分子物質(zhì)的破壞作用，從而使植株免受傷害[35]；另一種抗氧化途徑是滲透調(diào)節(jié)，即植株通過(guò)產(chǎn)生滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)中和或緩解有害物質(zhì)的損傷[26]。本研究中，隨著干旱脅迫的加深，小豆根系MDA含量增加，表明細(xì)胞膜的孔隙增大，離子外泄，引起細(xì)胞代謝混亂，小豆根系遭受的氧化損傷加劇。此外，小豆根系的SOD、POD和CAT活性明顯升高；其中，京農(nóng)2號(hào)的SOD、POD和CAT活性增幅最大，B1783的增幅最小。可能是抗旱性強(qiáng)的小豆品種能夠大幅提高抗氧化酶活性，抗旱性弱的小豆品種抗氧化酶活性提升不明顯。復(fù)水后，根系MDA含量降低，且抗旱能力越強(qiáng)，下降幅度越大，這與張紅萍等[36]的研究結(jié)果一致。根系SOD、POD和CAT活性都呈現(xiàn)不同程度的下降，京農(nóng)2號(hào)的下降幅度最大，可能是復(fù)水后，抗旱性強(qiáng)的小豆品種對(duì)水分的響應(yīng)速度較快，從而迅速調(diào)整作物體內(nèi)的酶活性，類似的結(jié)果也呈現(xiàn)在閆江艷等[37]的研究中。

作物在遭受干旱脅迫時(shí)能夠產(chǎn)生游離脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，維持細(xì)胞生長(zhǎng)所需膨壓，保證植物細(xì)胞的正常代謝活動(dòng)進(jìn)行。有研究表明，植物在干旱脅迫下普遍出現(xiàn)游離脯氨酸和可溶性糖大量積累、蛋白質(zhì)合成受阻的現(xiàn)象[38-39]。在本研究中，3個(gè)品種小豆根系可溶性糖含量和脯氨酸含量均隨著干旱脅迫程度的加深而增加，可溶性蛋白質(zhì)含量隨著干旱脅迫程度的加深而降低，且各品種間差異顯著。京農(nóng)2號(hào)在相同的干旱脅迫下，可溶性糖含量和脯氨酸含量的增加量最大，可溶性蛋白雖然降低，但仍可維持較高水平，這些物質(zhì)一方面為小豆根系提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)，另一方面和有害物質(zhì)螯合或中和，降低危害或形成無(wú)害物質(zhì)，從而減少對(duì)根系的損傷。此外，京農(nóng)2號(hào)復(fù)水后的補(bǔ)償作用明顯高于遵化紅、B1783，表明該品種抗旱能力較遵化紅、B1783高。本研究表明，抗旱性強(qiáng)的品種可能具有更強(qiáng)的抗氧化修復(fù)能力和滲透調(diào)節(jié)能力，這與韓金龍等[40]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

干旱脅迫對(duì)小豆的根系造成了不同程度的損害，引起了小豆根系活力、根系可溶性蛋白質(zhì)含量下降，根系SOD活性、POD活性、MDA含量、可溶性糖含量、脯氨酸含量升高。不同抗旱性小豆干旱-復(fù)水后的恢復(fù)能力存在較大差異，整體表現(xiàn)為抗旱能力越強(qiáng)的小豆品種，干旱-復(fù)水后的恢復(fù)能力也越強(qiáng)。