李健 農(nóng)艷豐

摘 要：為了探究干旱脅迫對甘蔗的生長和生理生化特性的影響，為甘蔗的抗旱育種和栽培技術(shù)提供理論依據(jù)，該研究對桶栽的新臺糖22號（ROC22）和桂選B9（GXB9）2個甘蔗品種在伸長期進行了干旱脅迫及復水處理。結(jié)果表明，干旱脅迫嚴重阻礙了2個甘蔗品種蔗莖的正常生長，在恢復供水后GXB9的生長速度明顯慢于ROC22，此外在干旱脅迫下GXB9葉片的葉綠素含量、葉片相對含水量和SOD活性均顯著低于ROC22，并積累了較多的MDA，POD和CAT活性則兩者差異不大，這些都表明從巴西引進的GXB9甘蔗品種抗旱性要弱于廣西主栽的品種ROC22。

關(guān)鍵詞：甘蔗；干旱脅迫；生長；生理生化；影響

中圖分類號 S566.1 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）21-0025-05

Effects of Drought Stress on Growth，Physiological and Biochemical Characteristics of Two Sugarcane Varieties

Li Jian et al.

（Baise University，Baise 533000，China）

Abstract：In order to explore the effects of drought stress on the growth，physiological and biochemical characteristics of sugarcane，which provide a theoretical basis for drought-resistant breeding and cultivation techniques of sugarcane.Two sugarcane varieties，ROC22 and GXB9 were grown in pots，drought stress and re-watering treatments were applied at elongating stages in this study.The results showed that drought stress has seriously hindered the normal growth of two sugarcane varieties，and the growing rate of variety GXB9 was significantly slower than variety ROC22 after re-watering.In addition，the chlorophyll content，leaf relative water content and SOD activity in leaves of variety GXB9 were significantly lower than variety ROC22 and more MDA was accumulated under drought stress.And the activities of POD and CAT were little difference between two varieties.It indicates that drought resistance of variety GXB9 which was introduced from Brazil is weaker than the main variety ROC22 in Guangxi.

Key words：Sugarcane；Drought stress；Growth；Physiological and biochemical；Effect

甘蔗是世界最為重要的糖料作物之一，廣泛種植于熱帶、亞熱帶地區(qū)。廣西獨特的溫熱條件使其成為我國甘蔗的主產(chǎn)區(qū)，但由于廣西地處石山地區(qū)，耕地資源有限，多數(shù)甘蔗種植在水源缺乏的丘陵地帶，干旱缺水大大影響了甘蔗的正常生長和產(chǎn)量的提高，從而制約了我國糖業(yè)的健康發(fā)展。研究甘蔗在干旱脅迫下的生長及生理生化特性，將有助于選育抗旱甘蔗品種以及研發(fā)更為高效的甘蔗抗旱栽培技術(shù)。

植物遭受干旱脅迫時，活性氧（ROS）會在植物體內(nèi)快速積累并破壞植物的細胞膜結(jié)構(gòu)，使植物的正常新陳代謝受到破壞[1]。在自身的新陳代謝不能維持ROS的正常平衡時，植物為了清除ROS并保護細胞膜免受傷害，植物體內(nèi)形成了一套復雜的抗氧化系統(tǒng)，將多余的ROS不斷清除，減少自身所受的傷害[2]。超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）和過氧化物酶（POD）都是該系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，SOD通過催化ROS和H2O2分解過程中植物代謝產(chǎn)生的有毒物質(zhì)的歧化來保護細胞免受ROS的侵害[3]，POD和CAT則在清除后期的H2O2中起主要作用[4]。Dalvi等[5]對鷹嘴豆進行干旱脅迫時發(fā)現(xiàn)，SOD和CAT活性會隨著干旱脅迫的加劇而顯著提高。高陽等[6]則研究發(fā)現(xiàn)冬小麥旗葉的SOD、POD和CAT的活性在干旱脅迫下呈先上升后下降的趨勢。Wang等[7]則發(fā)現(xiàn)開花灌漿期的水稻在遭受干旱脅迫時，其劍葉的SOD活性始終比較穩(wěn)定，且略低于正常生長的植株，CAT和POD活性則呈先上升后急劇下降的趨勢。丙二醛（MDA）則是植物在遭受逆境脅迫時細胞膜膜質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，其含量的高低反映了植物細胞膜受傷害的程度。有研究認為，植物在遭受干旱脅迫時，其體內(nèi)MDA會不斷積累，但是抗旱性強的植株其體內(nèi)積累的MDA更少[8]。而對于甘蔗，則有研究指出在干旱脅迫下，抗旱性較強的甘蔗品種葉片的SOD、POD和CAT含量的提高速度均顯著高于抗旱性弱的品種，同時MDA含量也增長較為緩慢[9]。

桂選B9（GXB9）甘蔗品種是中國農(nóng)業(yè)科學研究院甘蔗研究中心從巴西引進的甘蔗品種，具有在低氮環(huán)境下依然具有較高產(chǎn)量的特點[10]，但是對于其抗旱能力的研究還鮮有報道。本研究以GXB9和廣西主栽且抗旱性較強的新臺糖22號（ROC22）2個甘蔗品種為材料，設置不同干旱脅迫處理，研究其對甘蔗苗期、伸長期葉片抗氧化系統(tǒng)酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響，探討各指標與甘蔗抗旱性的關(guān)系，為甘蔗抗旱育種和栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料 以巴西引進并在廣西種植表現(xiàn)較好的GXB9和廣西主栽品種ROC22蔗莖為材料。

1.2 方法 選取新鮮無病蟲害且大小一致的蔗莖，砍成長度均等的單芽段，浸泡在1000倍稀釋的50%多菌靈溶液里1h后撈出晾干，種植于沙床中，待蔗莖發(fā)芽長至3葉期時，選取大小一致的健康植株移栽到塑料桶中（上徑32cm、下徑21cm、內(nèi)高27cm），栽培土以天然壤土和沙子按3∶1的比例混合，桶底留有6個直徑0.5cm的圓孔。每桶種植3株，每個處理3桶，正常施肥澆水等日常管理，待其長至伸長期時（約100d）進行干旱脅迫處理，后恢復澆水，在干旱脅迫后的2、5、7d和復水后的2、5d時對葉片（+1葉）進行取樣，貼好標簽后保存于冰箱中備用。

1.3 指標的測定

1.3.1 生長指標 在進行干旱脅迫前和恢復澆水后15d，分別測定甘蔗植株的莖高（基部至+1葉，每個處理測5株取平均值）。

1.3.2 生理生化指標 葉片葉綠素含量的測定用丙酮乙醇（2∶1）浸提法[11]，葉片相對含水量的測定參照張風娟等[12]的方法，SOD、POD、CAT和MDA含量用ELISA試劑盒進行測定[13]，每個處理3次重復。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱和復水對甘蔗生長的影響 從圖1可以看出，干旱脅迫前，2個甘蔗品種的處理植株和對照植株之間的株高差異較小，經(jīng)過干旱脅迫處理并恢復正常澆水15d后，2個甘蔗品種的對照植株的莖高均顯著高于干旱脅迫植株，而品種間則是ROC22的莖高增長較快，GXB9的對照和干旱脅迫處理植株的莖高增長率分別為40.37%和26.74%，ROC22則分別為46.85%和36.13%。干旱脅迫對于GXB9品種莖高的增長率的限制程度顯著大于ROC22，這表明GXB9甘蔗受干旱脅迫的影響更大，植株的正常代謝受到了極大的破壞。

2.2 干旱和復水對甘蔗生理生化特性的影響

2.2.1 干旱和復水對甘蔗葉片葉綠素含量的影響 由圖2可知，正常生長條件下，2個甘蔗品種葉片的葉綠素含量差異不大，均在4mg/g左右，隨著干旱脅迫程度的加劇，2個甘蔗品種葉片的葉綠素含量急劇下降，恢復澆水后又逐漸得到恢復。其中GXB9品種的下降幅度更大，在干旱脅迫7d時其葉片葉綠素含量已降至0.42mg/g，而ROC22則依然維持在1mg/g以上，并且復水后GXB9葉片葉綠素的恢復速度也較慢，持續(xù)的干旱導致了其葉片正常產(chǎn)生葉綠素的能力大大減弱，重新澆水后的恢復速度也較為緩慢。

2.2.2 干旱和復水對甘蔗葉片相對含水量的影響 甘蔗是一種高光效的C4作物，其葉片較長，含水量也較多，正常狀態(tài)下，其葉片相對含水量在80%以上，隨著干旱脅迫的加劇，2個品種葉片的相對含水量逐漸降低，特別是GXB9在干旱脅迫7d時，其葉片相對含水量已降至39.77%，而ROC22則依舊達到47.85%?；謴蜐菜?，2個品種的葉片相對含水量也快速回升，但是ROC22的回升速度更快，在復水5d時已接近恢復至正常水平（圖3）。

2.2.3 干旱和復水對甘蔗葉片MDA含量的影響 由圖4可知，2個甘蔗品種葉片的 MDA含量在干旱脅迫下急劇升高，到干旱脅迫7d時，ROC22和GXB9葉片的MDA含量分別是對照的3.69倍和4.85倍。復水后，MDA含量均有所降低，但仍維持了較高的水平，至復水5d時，ROC22和GXB9葉片的MDA含量分別是對照的1.57倍和2.09倍。干旱脅迫極大地促進了MDA在甘蔗葉片中的積累，并且恢復澆水后也短期內(nèi)難以降低至正常水平，可見干旱對甘蔗葉片膜結(jié)構(gòu)造成了嚴重的破壞，而這2個甘蔗品種葉片中MDA含量在干旱脅迫及復水各階段均呈顯著差異，表明這2個品種對干旱脅迫的應答能力存在差異。

2.2.4 干旱和復水對甘蔗葉片SOD活性的影響 由圖5可見，2個甘蔗品種葉片SOD活性在干旱初期僅有少量的上升，但是在干旱5d和7d時均有顯著的上升，維持了較高的活性，其中ROC22的上升幅度更為明顯，在干旱脅迫5d和7d時分別達到對照的2.14倍和2.34倍，GXB9則分別為1.54倍和1.64倍。當恢復澆水后，它們的活性又逐漸降低至正常水平，這可能是甘蔗葉片的一種適應機制。

2.2.5 干旱和復水對甘蔗葉片POD活性的影響 從圖6可以看出，2個甘蔗葉片的POD活性對干旱脅迫的敏感度不像SOD那么明顯，在干旱脅迫的2d和5d時并未有大幅提高，到7d時才有較為明顯的上升，但是在恢復澆水后的2d和5d時其活性均大大低于正常水平，且2個品種間在各處理僅有復水2d時有顯著差異。

2.2.6 干旱和復水對甘蔗葉片CAT活性的影響 由圖7可知，在干旱脅迫及復水階段，2個甘蔗品種葉片的CAT活性逐漸升高，其中ROC22在干旱脅迫7d和復水2d時其活性相當，到復水5d時又迅速降低；而GXB9到第7天時達到最大值后逐漸降低至比CK略高的水平，2個品種在各個處理階段則是僅在復水2d后有顯著差異。

3 討論

植物應對干旱脅迫時，其正常生長會受到不同程度的影響。對于甘蔗來說，蔗莖是最終的收獲產(chǎn)品，蔗莖中含有大量水分，干旱脅迫造成蔗莖供水不足，會影響蔗莖的正常伸長。本試驗中，2個甘蔗品種在經(jīng)歷了7d的干旱脅迫后，盡管恢復了正常供水，但是其生長已經(jīng)受到了嚴重的影響，蔗莖伸長量顯著低于對照，且2個品種中GXB9受干旱的影響程度更為明顯（圖1），表明干旱對該品種甘蔗植株造成的傷害更為嚴重。

甘蔗是原產(chǎn)于熱帶的作物，其對光照有很高的需求，葉片作為其光合作用的最主要器官，葉片內(nèi)的葉綠素對增加光合反應能力起著重要作用[14]。葉綠素是植物基本的色素之一，葉綠素濃度的降低會導致葉片萎黃，降低植物的生長速度同時影響了產(chǎn)量[15]。滲透脅迫下葉片中的葉綠素水平可以反映出其光合作用的能力，葉綠素含量較高可以防止細胞過度脫水，保護細胞膜系統(tǒng)，維持細胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[16，17]，RWC是植物水分狀況的重要指標，它反映了植物葉片組織供水與蒸騰速率之間的平衡狀況，被認為是評估干旱脅迫下植物抗旱性的重要指標[18]。從本研究圖2和圖3可以看出，在干旱脅迫下，ROC22甘蔗葉片中葉綠素含量顯著高于GXB9，RWC的降低程度則顯著低于GXB9，并且恢復澆水后葉綠素RWC的回升速度也均較快，這意味著ROC22甘蔗品種可以更有效地增強光合能力以及流失更少的水分以調(diào)節(jié)干旱脅迫下其葉片細胞的滲透壓，表現(xiàn)出更強的抗旱性。

MDA在植物組織中的積累也是ROS毒性作用影響的表現(xiàn)，并且可用于評估ROS介導的植物損傷[19]。干旱脅迫下，2個甘蔗品種葉片的MDA含量急劇上升，甘蔗葉片的細胞膜受到了極大的損害，以至于恢復供水后其含量依舊維持在較高水平（圖4）。SOD、POD和CAT是植物細胞防御系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，尤其是SOD更被認為是植物界最強大的抗氧化劑之一，其主要作用是通過將2個超氧化物分子轉(zhuǎn)化為2個H2O2來應對氧化應激，從而維持植物的正常生理過程[20]。在本研究中，甘蔗葉片中SOD活性在干旱脅迫下顯著增高，其中ROC22的增加幅度更大（圖5）；POD和CAT活性則未表現(xiàn)出過大的增長，2個品種間的差異也有所減?。▓D6、7），這也反映出SOD才是植物抗旱防御系統(tǒng)中的首道防線，POD和CAT僅僅起到了次要的協(xié)同作用。干旱脅迫下，ROC22甘蔗葉片內(nèi)積累了更少的MDA和具有更高的SOD活性，表明該品種更能有效地啟動防御系統(tǒng)，減少干旱造成的傷害程度。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，干旱脅迫對甘蔗的正常生長和生理生化代謝都造成了重要影響。2個甘蔗品種在干旱脅迫下，GXB9葉片的葉綠素含量、葉片相對含水量和SOD活性顯著低于ROC22，并積累了較多的MDA，POD和CAT活性則兩者差異不大；在恢復供水后，GXB9蔗莖的生長速度更慢，表明從巴西引進的GXB9優(yōu)良甘蔗品種，其抗旱性要弱于廣西主栽的新ROC22。

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