陳凱+劉經(jīng)倫+徐玲+柴連周+汪建云+李曉嬌+楊春貴

摘要：以云南熱區(qū)廣泛種植的小?？Х绕贩N鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗為材料，比較了3種小?？Х扔酌缭诟珊得{迫下的受傷害程度、根系與滲透調(diào)節(jié)響應(yīng)差異，并基于相關(guān)指標(biāo)變化進行聚類分析。結(jié)果顯示，干旱脅迫過程中鐵畢卡的丙二醛（malondiadehyde，簡稱MDA）含量最高，其質(zhì)膜受損害最嚴(yán)重；3個品種的根系體積變化差異不顯著，但卡蒂姆系列的根冠比大于鐵畢卡；鐵畢卡的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累早于卡蒂姆系列，其中脯氨酸含量高于卡蒂姆系列，可溶性糖含量小于卡蒂姆系列。聚類分析結(jié)果顯示，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡單獨聚為一類，這一關(guān)系與3個品種的親緣關(guān)系一致。結(jié)果表明，小粒咖啡卡蒂姆系列耐旱力強于鐵畢卡；不同小?？Х绕贩N對干旱脅迫的響應(yīng)存在差異，這種差異與耐旱力有關(guān)，而耐旱力應(yīng)該與親緣關(guān)系有關(guān)。

關(guān)鍵詞：小粒咖啡；干旱脅迫；幼苗；滲透調(diào)節(jié)；聚類分析；耐旱力

中圖分類號： S571.201 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2017）18-0145-04

收稿日期：2016-04-06

基金項目：云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃（編號：2014FD057、2015FD056）；云南省保山市第一批青年學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人（編號：bszqnxshjsdtr2012-04）

作者簡介：陳 凱（1985—），男，湖南邵陽人，碩士，助教，主要從事植物生理生態(tài)研究。Tel：（0875）3115198；E-mail：kchen1985@163.com。 小?？Х龋–offea arabica L.）為茜草科（Rubiaceae）咖啡屬（Coffea L.）小灌木，喜陰涼、潮濕環(huán)境[1-3]，對干旱敏感[4]。干旱下小粒咖啡的形態(tài)、生理代謝發(fā)生改變，產(chǎn)量降低，甚至死亡。干旱抑制小粒咖啡苗生長，降低生長速率[5-6]，使其株高[7]、葉面積[8-10]、鮮質(zhì)量[8]、根系體積[7]及節(jié)間長度[7]降低；生物量分配發(fā)生改變，根與莖中分配增加，葉中減少[6，11]。干旱降低小?？Х热~片水勢[1，10，12]、相對含水量[8]，導(dǎo)致萎焉[10，12]，同時葉片氣孔導(dǎo)度[13]、葉綠素含量[14-15]、電子傳遞鏈效率[15]、光合速率[14]、淀粉含量[13]及蒸騰速率[13]都降低?？Х葮湓诟珊迪滦氯~減少、老葉提前脫落、掛果枝縮短、頂稍枯死、花質(zhì)量降低、花器發(fā)育和幼果形成受阻[16]、咖啡豆變黃以及種子變黑、衰弱[17]。干旱可使小?？Х忍?、氮代謝[1]及有機物積累[18]異常，因此旱區(qū)的咖啡產(chǎn)量低[19]。在旱地小?？Х扔酌缫浦渤苫盥实?，春旱或初夏干旱常出現(xiàn)死苗或僵苗的現(xiàn)象[20]。干熱區(qū)小?？Х纫蚪涤瓴蛔?、干燥度大，常出現(xiàn)落花落果、枯枝及干果[21]等問題。

云南小?？Х纫蚱涓咂焚|(zhì)而聞名世界，是云南熱區(qū)重要的經(jīng)濟作物，目前云南生產(chǎn)性種植的小粒咖啡品種有鐵畢卡（Typica）及卡蒂姆（Catimor）系列等[22]。筆者前期的研究表明，干旱脅迫對小?？Х扔酌缭斐蓚?，幼苗對干旱脅迫產(chǎn)生強烈響應(yīng)，幼苗抗旱性的形成與滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性密切相關(guān)[23]。但小?？Х炔煌贩N的耐旱力尚不清楚，本研究擬通過比較不同小粒咖啡品種對干旱脅迫響應(yīng)的差異，評估不同品種的耐旱力，并試圖探明響應(yīng)差異的大小與品種間親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近是否一致，對小?？Х扔N及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有一定意義。

1 材料與方法

1.1 材料

選用云南熱區(qū)大面積種植的小?？Х绕贩N鐵畢卡、卡蒂姆78677（卡蒂姆_1）及卡蒂姆7963（卡蒂姆_2）作為試驗材料，小粒咖啡種子由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶經(jīng)濟作物研究所與云潞咖啡股份有限公司提供；所用試劑有酸性茚三酮、脯氨酸、蒽酮及濃硫酸等，均為國產(chǎn)或進口分析純；主要儀器有紫外-可見光分光光度計等。

1.2 方法

1.2.1 小粒咖啡種子萌發(fā)及幼苗培養(yǎng) 幼苗培養(yǎng)時間為2015年3—10月，用10% H2O2將咖啡種子消毒30 min，再用無菌水（室溫）沖洗3次。浸種24 h后隨機分別播種在3塊苗圃中，播種深度為1.5 cm，苗圃白天最高溫35 ℃，晚上最低溫15 ℃，待幼苗出土后再培育50 d，幼苗培育過程中每3 d噴灑1次水，每塊苗圃每次1 L。

1.2.2 干旱脅迫處理及取材 對苗圃中的小?？Х扔酌邕M行自然干旱脅迫（持續(xù)不澆水）處理15 d，每3 d取1次材料，將根、莖、葉分開，并用電子天平稱質(zhì)量。

1.2.3 相關(guān)形態(tài)指標(biāo)測定 用水位取代法[24]測定根系體積，稱質(zhì)量法[24]測定根冠比。

1.2.4 相關(guān)生理指標(biāo)測定 用硫代巴比妥酸法[25]測定丙二醛含量，蒽酮比色法[24]測定可溶性糖含量，磺基水楊酸法[26]測定脯氨酸含量。

1.2.5 數(shù)據(jù)處理及分析 每組試驗重復(fù)3次，用R3.2.1的stat包做兩因素方差分析、多重比較及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對3種小?？Х扔酌绲膫?/p>

干旱脅迫引起植物體缺水，導(dǎo)致次生氧化脅迫，氧化細(xì)胞膜中的不飽和脂肪酸生成丙二醛（malondiadehyde，簡稱MDA），改變細(xì)胞膜的通透性[27]，因此干旱脅迫下的膜傷害是干旱傷害的本質(zhì)之一[28]?？购灯贩N在干旱脅迫下質(zhì)膜受傷害程度低[28]。為比較干旱脅迫對3種小?？Х扔酌绲膫Τ潭?，本研究分別測定干旱脅迫過程中3種幼苗葉片MDA含量的變化。由圖1-A可看出，隨著脅迫強度增加，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡幼苗葉片MDA含量都呈現(xiàn)不斷上升的趨勢；兩因素方差分析表明，小?？Х绕贩N（F=7.606，P=0001 4）、脅迫強度（F=84.14，P≈0）極顯著影響幼苗葉片MDA含量；多重比較結(jié)果表明，干旱脅迫6 d鐵畢卡葉片MDA含量顯著（P=0.04）高于卡蒂姆_2，為卡蒂姆_2的135倍，在脅迫0、3、9、12、15 d，鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2兩兩之間MDA含量差異不顯著（P>0.05）?；诿{迫過程中MDA含量變化，對3個品種聚類分析結(jié)果（圖1-B）表明，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡單獨聚為一類。endprint

2.2 3種小?？Х扔酌绺祵Ω珊得{迫的響應(yīng)

根系發(fā)達(dá)程度是衡量作物抗旱的重要指標(biāo)，發(fā)達(dá)的根系提高作物吸水效率，從而緩解旱情[28]。有研究表明，根系發(fā)達(dá)程度與作物的抗旱力呈正相關(guān)[28]。由圖2-A可看出，隨著脅迫強度的增加，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡幼苗根系體積呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢；兩因素方差分析表明，小?？Х绕贩N（F=6.383，P=0.005 8）、脅迫強度（F=26.129，P≈0）極顯著影響幼苗根系體積；多重比較結(jié)果表明，在脅迫0～15 d，鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2兩兩之間根系體積差異不顯著（P>0.05）。但聚類分析結(jié)果（圖2-B）表明，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡單獨聚為一類，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2的根系體積對干旱脅迫的響應(yīng)方式更接近。

根冠比是指植物地上部分與地下部分生物量的比值，較高的根冠比表明植物有發(fā)達(dá)的根系，故作物根冠比與抗旱力呈正相關(guān)[28]。由圖3-A可看出，干旱脅迫過程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡的幼苗根冠比，隨脅迫強度增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2在脅迫12 d幼苗根冠比達(dá)到峰值，鐵畢卡在脅迫9 d達(dá)到峰值；兩因素方差分析表明，小?？Х绕贩N（F=8.43，P=0.005 8）、脅迫強度（F=20.45，P≈0）極顯著影響幼苗根冠比；多重比較結(jié)果表明，在脅迫0、3、6、9 d，鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2兩兩之間根冠比差異不顯著（P>0.05），在脅迫12、15 d，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2幼苗根冠比都顯著（P005）。聚類分析結(jié)果（圖3-B）表明，干旱脅迫過程中卡蒂姆_1與卡蒂姆_2幼苗的根冠比變化相對于鐵畢卡更接近。

2.3 3種小粒咖啡幼苗主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)對干旱脅迫的響應(yīng)

滲透調(diào)節(jié)指植物在干旱脅迫下，通過代謝活動增加細(xì)胞內(nèi)的溶質(zhì)濃度，降低滲透勢，從而保持細(xì)胞中的水分以維持正常生命活動，脯氨酸、可溶性糖等是主要的細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[28-29]。一般認(rèn)為，耐旱品種比不耐旱品種滲透調(diào)節(jié)能力更強[28]。

脯氨酸不僅能提高細(xì)胞的保水能力，還能保護酶結(jié)構(gòu)，維持酶活性[30]。作物在干旱條件下會積累大量脯氨酸，且不同

品種積累量有差異[29]。由圖4-A可看出，干旱脅迫過程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡幼苗葉片脯氨酸含量隨脅迫強度增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，3個品種的葉片脯氨酸含量均在脅迫12 d達(dá)到峰值；兩因素方差分析表明，小?？Х绕贩N顯著（F=3.515，P=0.038）、脅迫強度極顯著（F=29.67，P≈0）影響葉片脯氨酸含量；多重比較結(jié)果表明，在脅迫6 d，鐵畢卡葉片脯氨酸含量顯著（P=0.04）高于卡蒂姆_1，為卡蒂姆_1的1.18倍，而鐵畢卡與卡蒂姆_2、卡蒂姆_1與卡蒂姆_2差異都不顯著（P>0.05），在脅迫0、3、9、12、15 d，3個品種兩兩之間脯氨酸含量差異均不顯著（P>0.05）。由圖4-B可看出，干旱脅迫過程中卡蒂姆_1與卡蒂姆_2幼苗的脯氨酸含量變化更接近。

可溶性糖在細(xì)胞內(nèi)含量高、種類多，是細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)的主要貢獻(xiàn)者，還原性的可溶性糖如海藻糖，同時具有保護酶、細(xì)胞結(jié)構(gòu)的作用[31]。由圖5-A可看出，干旱脅迫過程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、鐵畢卡幼苗葉片可溶性糖含量呈先上升后下降的趨勢，都在脅迫9 d可溶性糖含量達(dá)到峰值；兩因素方差分析表明，小?？Х绕贩N（F=9.423，P=0.000 4）、脅迫強度（F=14.559，P≈0）均極顯著影響葉片可溶性糖含量；多重比較結(jié)果表明，在脅迫9、12、15 d，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的可溶性糖含量均顯著（P0.05）。圖5-B基于脅迫過程中可溶性糖含量變化聚類，結(jié)果表明，卡蒂姆_1與卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡為另一類。

3 討論

質(zhì)膜透性變化實際上反映了作物的耐旱性，是一種可靠的抗旱鑒定指標(biāo)[28]，已有的研究表明，作物耐旱品種在干旱下質(zhì)膜結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定[32]。干旱對小粒咖啡幼苗造成傷害，導(dǎo)致其細(xì)胞膜通透性增加、電解質(zhì)外滲及MDA含量增加[23]。本研究表明，干旱脅迫引起鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗的細(xì)胞質(zhì)膜損傷，脅迫強度越大質(zhì)膜受損傷程度越大，脅迫過程中鐵畢卡幼苗受傷害程度越大。

作物對干旱脅迫作出響應(yīng)，但由于品種間耐旱力的差異而應(yīng)答方式不一致[33]。干旱下小?？Х壬锪糠峙浒l(fā)生改變，地下生物量增加，地上生物量減少[6，11]。本研究結(jié)果表明，鐵畢卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗根系體積、根冠比在干旱脅迫早期增加，脅迫后期減?。幻{迫過程中品種間根系體積變化差異不顯著（P>0.05），卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的根冠比大于鐵畢卡，表明卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的地上生物量比鐵畢卡少，水分蒸騰量相對較低，對土壤水分的需求也較低。作物葉片中的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可對干旱脅迫作出強烈響應(yīng)[23，28]。干旱下小?？Х热~片中的脯氨酸、可溶性糖等大量積累[23]，且在脅迫的不同時期積累不同的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫過程中鐵畢卡葉片中的脯氨酸含量高于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，可溶性糖含量低于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，由于可溶性糖的含量在小?？Х扔酌缛~片中遠(yuǎn)高于脯氨酸，故卡蒂姆_1、卡蒂姆_2具有更高的滲透調(diào)節(jié)能力，鐵畢卡葉片中的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累早于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，表明鐵畢卡對干旱脅迫更敏感。綜合考慮干旱對3種小?？Х扔酌绲膫Τ潭燃坝酌缭诟珊迪碌母怠B透調(diào)節(jié)物質(zhì)的響應(yīng)，筆者認(rèn)為小粒咖啡的卡蒂姆系列比鐵畢卡更耐旱。

進化生態(tài)學(xué)認(rèn)為不同的植物來源于共同的祖先，因此植物之間具有一定的親緣關(guān)系，植物在進化上保守的功能性狀具有相關(guān)性，親緣關(guān)系越近則對應(yīng)的功能性狀越相似[34-36]。植物生理指標(biāo)在植物生態(tài)學(xué)中歸屬于響應(yīng)功能性狀[37]。本研究的所有聚類結(jié)果表明，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2聚為一類，鐵畢卡單獨聚為一類，這一結(jié)果與3個品種親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近一致，故筆者推測作物的耐旱力與親緣關(guān)系有關(guān)，親緣關(guān)系近則耐旱力接近，對干旱應(yīng)答的方式也類似。endprint

參考文獻(xiàn)：

[1]da Matta F M，Ramalho J D C. Impacts of drought and temperature stress on coffee physiology and production：a review[J]. Braz J Plant Physiol，2006，18（1）：55-81.

[2]Alvim P T，Kozlowski T T. 熱帶作物生態(tài)生理學(xué)[M]. 中國熱帶作物學(xué)會，譯.北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1984：225-228.

[3]彭 磊，周 玲，楊惠仙，等. 低海拔干熱河谷山地小?？Х仍耘嗉夹g(shù)[J]. 中國農(nóng)學(xué)通報，2002，18（1）：117-119.

[4]蔡傳濤，蔡志全，解繼武，等. 田間不同水肥管理下小粒咖啡的生長和光合特性[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2004，15（7）：1207-1212.

[5]Tesha A J，Kumar D. Effect of fertilizer nitrogen on drought resistance in Coffea arabica L.[J]. The Journal of Agricultural Science，1978，90（3）：625-631.

[6]Dias P C，Araujo W L，Moraes G A，et al. Morphological and physiological responses of two coffee progenies to soil water availability[J]. Journal of Plant Physiology，2007，164（12）：1639-1647.

[7]Worku M，Astatkie T. Growth responses of arabica coffee （Coffea arabica L.） varieties to soil moisture deficit at the seedling stage at Jimma，Southwest Ethiopia[J]. Journal of Food Agriculture & Environment，2010，8（1）：195-200.

[8]Worku M，Astatkie T. Dry matter partitioning and physiological responses of Coffea arabica varieties to soil moisture deficit stress at the seedling stage in Southwest Ethiopia[J]. African Journal of Agricultural Research，2010，5（15）：2066-2072.

[9]da Matta F M. Drought as a multidimensional stress affecting photosynthesis in tropical tree crops[M]. Hemantaranjan A. Advances in Plant Physiology. Jodhpur：Scientific Publishers，2003：227-265.

[10]da Matta F M，Maestri M，Barros R S，et al. Water relations of coffee leaves （Coffea arabica and C. canephora） in response to drought[J]. Journal of Horticultural Science，1993，68（5）：741-746.

[11]Cavatte P C，Oliveira A A，Morais L E，et al. Could shading reduce the negative impacts of drought on coffee？ A morphophysiological analysis[J]. Physiologia Plantarum，2012，144（2）：111-122.

[12]Caramori L P C，Caramori P H，F(xiàn)ilho J M. Effect of leaf water potential on cold tolerance of Coffee arabica L.[J]. Brazilian Archives of Biology and Technology，2002，45（4）：439-443.

[13]da Matta F M，Maestri M，Barros R S. Photosynthetic performance of two coffee species under drought[J]. Photosynthetica，1998，34（2）：257-264.

[14]Cai Z Q，Chen Y J，Guo Y H，et al. Responses of two field-grown coffee species to drought and re-hydration[J]. Photosynthetica，2005，43（2）：187-193.

[15]Dealmeida A F，Maestri M. Characteristics of slow chlorophyll fluorescence emission in four Coffea arabica genotypes submitted to water stress[J]. Photosynthetica，1996，32（2）：161-169.endprint

[16]周 華，李文偉，張洪波，等. 咖啡種質(zhì)資源的引進、研究及利用[J]. 云南熱作科技，2002，25（2）：1-6.

[17]Carr M V. The water relations and irrigation requirments of coffee[J]. Experimental Agriculture，2002，37（1）：1-36.

[18]dos Santos T B，Budzinski I G F，Marur C J. Expression of three galactinol synthase isoforms in Coffea arabica L.and accumulation of rafnose and stachyose in response to abiotic stresses[J]. Plant Physiology and Biochemistry，2011，49（4）：441-448.

[19]李建洲. 干熱區(qū)小?？Х瓤购倒?jié)水與抗寒防凍高產(chǎn)栽培技術(shù)[J]. 云南熱作科技，2001，24（4）：41-42.

[20]朗關(guān)富，韓東亮，李德義，等. 旱地小粒咖啡栽培中存在的問題與對策[J]. 中國熱帶農(nóng)業(yè)，2012，44（1）：32-34.

[21]李建洲. 干熱區(qū)小?？Х仍耘嗉夹g(shù)措施[J]. 云南熱作科技，2000，23（3）：36-37.

[22]周 華，李文偉，李錦紅，等. 云南小?？Х葍?yōu)良品種比較試驗及豐產(chǎn)栽培示范[J]. 熱帶農(nóng)業(yè)科技，2006，29（3）：1-5，28.

[23]陳 凱，劉經(jīng)綸，徐 玲，等. 小粒咖啡幼苗對干旱脅迫的響應(yīng)[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報，2015，28（5）：2004-2008.

[24]張志良，瞿偉菁，李小方，等. 植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M]. 3版. 北京：高等教育出版社，2012：29-30.

[25]侯福林. 植物生理學(xué)實驗教程[M]. 北京：科學(xué)出版社，2004：89-90.

[26]史樹德，孔亞卿，魏 磊，等. 植物生理學(xué)實驗指導(dǎo)[M]. 北京：中國林業(yè)出版社，2011：142-144.

________________________________________

[27]黃升謀. 干旱對植物的傷害及植物的抗旱機制[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（22）：10370-10372.

[28]龔 明. 作物抗旱性鑒定方法與指標(biāo)及其綜合評價[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1989，4（1）：73-81.

[29]胡榮海. 農(nóng)作物抗旱鑒定方法和指標(biāo)[J]. 作物品種資源，1986，8（4）：36-39.

[30]Yang S L，Lan S S，Gong M. Hydrogen peroxide-induced proline and metabolic pathway of its accumulation in maize seedlings[J]. Journal of Plant Physiology，2009，166（15）：1694-1699.

[31]趙江濤，李曉峰，李 航，等. 可溶性糖在高等植物代謝調(diào)節(jié)中的生理作用[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，34（24）：6423-6425，6427.

[32]宋英淑，尹田夫，王以芝，等. 大豆對干旱脅迫的抗性效應(yīng)[J]. 大豆科學(xué)，1987，6（4）：277-282.

[33]陸茂林. 水分脅迫下小麥品種間幾類滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累的比較[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，1987，2（2）：107-122.

[34]Westoby M，Wright I J. Land-plant ecology on the basis of functional traits[J]. Trends in Ecology and Evolution，2006，21（5）：261-268.

[35]Felsenstein J. Phylogenies and the comparative method[J]. The American Naturalist，1985，125（1）：1-15.

[36]Swenson N G. Functional and phylogenetic ecology in R[M]. New York：Springer-Verla，2014：147-150.

[37]孟婷婷，倪 健，王國宏. 植物功能性狀與環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)功能[J]. 植物生態(tài)學(xué)報，2007，31（1）：150-165.杜俊卿. 接種叢枝菌根真菌對不同綠化植物根際微環(huán)境的影響[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（18）：149-152.endprint