干旱脅迫下苧麻生理指標和抗逆相關基因表達的變化

張奧深 徐敏 陳煉 熊偉 程長松 汪紅武

收稿日期：2023-11-13

基金項目：國家現代農業產業技術體系資助項目（CARS-16-S10）

作者簡介：張奧深（1997-），男，河南駐馬店人，研究實習員，碩士，主要從事苧麻栽培育種及抗逆機制方向研究，（電話）19071356857（電子信箱）1771271307@qq.com；通信作者，汪紅武（1984-），男，湖北咸寧人，副研究員，碩士，主要從事苧麻栽培育種及多用途應用方向研究，（電子信箱）15272710171@163.com。

張奧深，徐 敏，陳 煉，等. 干旱脅迫下苧麻生理指標和抗逆相關基因表達的變化［J］. 湖北農業科學，2024，63（5）：6-11．

摘要：為研究干旱脅迫對苧麻（Boehmeria nivea L.）生理特性和抗逆相關基因的影響，以苧麻品種華苧4號為試驗材料，采用自然干旱脅迫，測定其生理指標、抗逆相關基因表達量和相關農藝性狀的變化。結果表明，與對照相比，干旱脅迫處理苧麻葉片葉綠素SPAD降低，莖尖和葉片的相對電導率、游離脯氨酸含量、丙二醛含量和可溶性糖含量均顯著增加（P<0.05），超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）的活性均升高，抗逆相關基因BnP5CS1、BnWRKY1、BnACO1、Bn-α-amylase、BnAPX1、BnbZIP1、BnDREB19和BnGR1的相對表達量均提高，其中BnP5CS1和BnWRKY1在葉片中的相對表達量分別提高了5.1倍和5.3倍；與對照相比，干旱脅迫處理苧麻株高、莖粗、皮厚、地上部鮮重和單株原麻重均顯著下降（P<0.05），莖粗和皮厚分別降低0.13 cm和0.14 mm，地上部鮮重和單株原麻重分別降低了52.05%和39.53%。

關鍵詞：苧麻（Boehmeria nivea L.）；干旱脅迫；生理指標；抗逆基因；相對表達量

中圖分類號：S563.1???????? 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2024）05-0006-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.002??????????? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Changes of physiological indexes and expression of stress resistance related genes in ramie under drought stress

ZHANG Ao-shen1， XU Min1， CHEN Lian1， XIONG Wei1， CHENG Chang-song1， WANG Hong-wu1，2

（1.Xianning Academy of Agricultural Sciences/Hubei Ramie Engineering Technology Center， Xianning? 437100， Hubei， China；

2.Xianning Xiangcheng Characteristic Agricultural Technology Research Institute Co.， Ltd.， Xianning? 437100， Hubei， China）

Abstract： To study the effects of drought stress on physiological characteristics and stress resistance related genes of ramie （Boehmeria nivea L.）， the physiological indexes， stress resistance related gene expression and agronomic traits of Huazhu No. 4 were measured by natural drought stress. The results showed that， compared with the control， the chlorophyll SPAD of ramie leaves decreased under drought stress， the relative conductivity， free proline content， malondialdehyde content and soluble sugar content of stem tip and leaves increased significantly （P<0.05）， the activities of superoxide dismutase （SOD）， catalase （CAT） and peroxidase （POD） increased， and the relative expression levels of stress-related genes BnP5CS1， BnWRKY1， BnACO1， Bn-α-amylase， BnAPX1， BnbZIP1， BnDREB19 and BnGR1 were increased. The relative expressions of BnP5CS1 and BnWRKY1 in leaves were increased 5.1 and 5.3 times compared with control. Compared with the control， the plant height， stem diameter， skin thickness， fresh aboveground weight and raw hemp weight per plant under drought stress were significantly decreased （P<0.05）， the stem diameter and skin thickness were decreased by 0.13 cm and 0.14 mm， respectively， and the fresh aboveground weight and raw hemp weight per plant were decreased by 52.05% and 39.53%， respectively.

Key words： ramie（Boehmeria nivea L.）； drought stress； physiological indexes； stress resistance gene； relative expression

苧麻（Boehmeria nivea L.）是蕁麻科苧麻屬一種多年生的韌皮纖維作物。苧麻原產于中國，種植歷史悠久，一年可收獲3～4季、纖維產量高，是中國重要的天然纖維作物。中國苧麻種植區域集中在長江流域，其種植面積和纖維產量占全球總量的90%以上［1］。苧麻纖維具有透氣防菌等特性，因此多用于紡織；苧麻生物產量大、嫩莖葉具有較高的飼用價值，可作為飼料來源；苧麻在修復重金屬污染的土壤、水土保持、作為栽培基質等領域都發揮一定作用。

干旱是影響植物生長發育過程的最重要的非生物脅迫，隨著全球氣溫升高和溫室效應的加劇，水資源的短缺和分配不均，導致干旱極大影響了植物的生長發育［2］。長江流域受季風氣候影響，導致降水量分配不均，與往年相比，2022年長江流域降水量降低40%以上，多地超過30 d無有效降雨，導致地下水位降低，對苧麻生長發育影響嚴重［3］。Gaut等［4］的研究表明，與對照相比，干旱脅迫顯著降低了苧麻的株高、莖粗和皮厚等產量構成因素，最終導致纖維產量顯著降低。李林林等［5］的研究發現，干旱脅迫導致葉片葉綠素SPAD和根系活力下降、苧麻生長速率降低。但對苧麻的抗旱研究多是在栽培措施和生理生態方面，很少從基因層面解析苧麻的抗旱機理。

本研究以苧麻品種華苧4號為試驗材料，研究干旱脅迫下苧麻生理水平和抗逆相關基因表達的變化以及對農藝性狀的影響，分析在干旱脅迫下苧麻的抗逆機制，為苧麻抗旱栽培、抗旱品種選育及抗逆分子機理研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

供試材料為苧麻主栽品種華苧4號4齡麻，種植于咸寧市農業科學院向陽湖基地，由華中農業大學麻類研究室提供。2022年受高溫干旱天氣的影響，苧麻試驗田的三季麻受旱情影響嚴重，但是由于試驗田一側池塘的存在，導致試驗田兩邊土壤含水量不同，靠近池塘的苧麻受自然干旱脅迫的影響較小，株高為1.20 m，土壤含水量為78%，故設為對照（CK）；遠離池塘的苧麻長勢差，受干旱脅迫嚴重，株高為0.63 m，土壤含水量為34%，設為干旱脅迫處理（DS）。剪取2個不同處理的莖尖和葉片，用于測定相關指標，每個處理重復3次。

1.2 生理指標測定

利用SPAD-502葉綠素儀測定苧麻倒四葉的葉綠素SPAD，每個處理測定5株取均值；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（ TBA）顯色法測定；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法測定；相對電導率采用電導率儀測定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑（NBT）光化還原法測定；過氧化物歧化酶（POD）活性采用愈創木酚法測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用紫外吸收法測定。

1.3 基因表達分析

取樣品0.1 g左右，利用總RNA提取試劑RNApure（莊盟）提取總RNA，利用Vazyme公司生產的HiScript II 1st Strand cDNA Synthesis Kit（+gDNA wiper）逆轉錄試劑盒進行逆轉錄反應，合成cDNA第一鏈。以苧麻肌動蛋白基因作為內參基因，通過NCBI（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov）搜索苧麻抗逆相關基因的序列信息，用軟件Primer Premier 5.0設計引物（表1），抗逆基因的相對表達量利用2-ΔΔCt法計算。

1.4 農藝性狀測定

株高為植株生長基部至葉頂端的距離；莖粗為植株中間避開葉節處的莖桿直徑；皮厚為鮮麻皮中部的厚度；地上部鮮重為苧麻植株地上部的質量；原麻質量為利用刮麻器刮制且曬干后的麻皮；每個性狀測定10株取平均值。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22軟件進行數據統計分析，利用Origin 9.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對葉綠素SPAD和抗氧化酶活性的影響

葉片葉綠素SPAD可以反映植物葉片中葉綠素相對含量；抗氧化酶活性的高低能反映細胞清除活性氧（Reactive oxygen species，ROS）能力的大小。干旱脅迫處理的葉綠素SPAD顯著低于對照（P<0.05）；各處理葉片中的抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性均顯著高于莖尖；與對照相比，干旱脅迫處理苧麻的抗氧化酶活性均升高，其中莖尖和葉片的SOD、POD的活性均顯著高于對照，葉片的CAT活性也顯著高于對照（P<0.05，圖1）。

2.2 干旱脅迫對苧麻生理指標的影響

相對電導率可以反映細胞膜受損傷的程度；丙二醛含量與細胞膜的損傷程度成正比［6］；可溶性糖和脯氨酸是植株體內重要的滲透調節物質。由圖2可知，對照葉片的相對電導率、丙二醛含量和可溶性糖含量均高于莖尖，葉片的脯氨酸含量低于莖尖；與對照相比，干旱脅迫處理的相對電導率、丙二醛含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量均顯著增加（P<0.05），且葉片的相對電導率、丙二醛含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量均顯著高于莖尖（P<0.05）。

2.3 干旱脅迫對苧麻抗逆相關基因表達量的影響

由圖3可知，對照抗逆基因表達量除BnP5CS1和BnWRKY1在葉片中的相對表達量低于莖尖外，其余6個抗逆基因在葉片的相對表達量均顯著高于莖尖（P<0.05）；與對照相比，干旱脅迫處理除Bn-α-amylase外，其余7個抗逆基因的相對表達量均顯著上升（P<0.05），其中BnP5CS1和BnWRKY1在葉片中的表達量提高了5.1倍和5.3倍，Bn-α-amylase在莖尖的表達量顯著低于對照（P<0.05）；在干旱脅迫下，BnACO1在莖尖的相對表達量顯著高于葉片（P<0.05），BnbZIP1在葉片中的相對表達量高于莖尖，但差異不顯著，其余6個抗逆基因在葉片的表達量均顯著高于莖尖（P<0.05）。

2.4 干旱脅迫對苧麻農藝性狀的影響

由表2可知，對照苧麻株高顯著高于干旱脅迫處理（P<0.05）；干旱脅迫處理的莖粗和皮厚分別比對照低0.13 cm和0.14 mm，差異均達顯著水平（P<0.05）；干旱脅迫處理地上部鮮重比對照低52.05%，差異顯著（P<0.05）；干旱脅迫處理單株原麻重比對照低39.53%，差異顯著（P<0.05）。

3 討論

葉片葉綠素SPAD可以反映植物葉片中葉綠素的相對含量。抗氧化酶活性與植物的抗逆能力密切相關［7］。在干旱脅迫下雜交苧麻的抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性均顯著提高［8］。馬淵博［9］的研究表明，干旱脅迫降低了苧麻的生長速率，葉片葉綠素SPAD減少，根系過氧化物酶活性升高。本試驗結果也表明，在干旱脅迫下苧麻葉片葉綠素SPAD顯著降低，莖尖和葉片抗氧化酶活性有所升高，其中莖尖和葉片的SOD、POD活性均顯著高于對照，葉片的CAT活性也顯著高于對照，表明干旱脅迫下苧麻會提高植株的抗氧化酶活性，增強抵御活性氧對細胞傷害的能力。

植物在逆境脅迫下會產生大量的活性氧破壞細胞膜結構，丙二醛是膜脂過氧化作用的產物，相對電導率可以反映細胞膜受損傷的程度，通過測定丙二醛含量和相對電導率可以間接反映細胞膜的損傷程度［10］。研究表明，不同時期對纖用苧麻和飼用苧麻進行干旱脅迫，植株體內的可溶性糖和游離脯氨酸含量會顯著增加［11］，從而緩解逆境對植物的危害［12］。本研究結果表明，干旱脅迫下苧麻莖尖和葉片相對電導率和丙二醛含量均顯著高于對照，主要滲透調節物質可溶性糖和脯氨酸的含量均顯著增加。

隨著分子生物學技術的不斷發展，植物抗逆機制的研究重點逐漸從生理水平轉向分子水平，許多抗逆基因的功能逐漸被解析。本研究分析了8個抗逆相關基因在干旱脅迫下表達量的變化。P5CS（α1-pyrroline-5-carboxylate synthetase）即吡咯琳-5-羧酸合成酶是合成脯氨酸過程中的關鍵酶，研究表明，過表達P5CS基因能顯著提高脯氨酸含量，從而提高植物的抗旱性［13，14］。WRKY基因受多種非生物脅迫的誘導表達，響應植物多種逆境脅迫，其抗旱功能已在多種作物中被驗證［15，16］。ACC氧化酶（ACC oxidase，ACO）是乙烯合成途徑中的關鍵酶，能催化ACC形成乙烯，ACO基因參與調控植物的多種逆境脅迫［17，18］。α-amylase是一種淀粉水解酶，α-amylase基因不僅參與植物糖代謝，還與植物抗逆功能相關［19］。抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）是清除植物體內H2O2的關鍵酶，參與植物多種逆境脅迫的調控［20，21］。堿性亮氨酸拉鏈（Basic leucine zipper，bZIP）廣泛參與植物體內多種生物學過程［22］。脫水應答元件結合因子（Dehydration responsive element binding protein，DREB）參與植物逆境脅迫的信號傳遞過程［23］。谷胱甘肽還原酶（Glutathione reductase，GR）作為一種抗氧化酶，可響應植物多種非生物脅迫，研究表明在非生物脅迫下植物體內GR活性顯著提高［24］。本試驗結果表明，干旱脅迫下除Bn-α-amylase外，其余7個抗逆基因的相對表達量均顯著上升，其中BnP5CS1和BnWRKY1在葉片中的相對表達量分別提高了5.1倍和5.3倍，Bn-α-amylase在葉片中的相對表達量顯著高于對照，表明這8個抗逆相關基因對干旱脅迫均有所響應，其中BnP5CS1和BnWRKY1響應較為強烈。

干旱脅迫會嚴重影響植株的生長發育和產量。楊瑞芳等［25］的研究表明，在干旱脅迫下，24種不同基因型的苧麻地上部鮮重、株高和根冠比均顯著減小。本研究發現，與對照相比，干旱脅迫顯著降低了苧麻的株高、莖粗、皮厚、地上部鮮重和單株原麻重。

干旱脅迫降低了苧麻葉片葉綠素含量，促進滲透調節物質可溶性糖和脯氨酸含量的積累，導致相對電導率和丙二醛含量的增加，增強了抗氧化物酶SOD、POD、CAT的活性，同時提高抗逆相關基因BnP5CS1、BnWRKY1、BnACO1、Bn-α-amylase、BnAPX1、BnbZIP1、BnDREB19和BnGR1的相對表達量，降低了株高、莖粗、皮厚、地上部鮮重和單株原麻重。本研究從生理生化、分子機制和農藝性狀等方面分析苧麻響應干旱脅迫的機制，初步總結出干旱脅迫下苧麻生理指標、抗逆相關基因表達量和基本農藝性狀的變化，為苧麻抗逆栽培、抗旱品種選育及抗逆分子機理研究提供理論依據。

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