朱美琛，馬興立，余 幸，張麗婷，高 翔，時(shí)明坤，任永哲，王志強(qiáng)，林同保，辛澤毓

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心/省部共建小麥玉米作物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450002)

【研究意義】近年來(lái)，隨著氣候變化的波動(dòng)加劇，作物生育期內(nèi)降水量發(fā)生了很大變化，從而增加了干旱的發(fā)生頻率和危害程度，加劇了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的不利影響[1-2]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】干旱不僅導(dǎo)致植物遭受氧化脅迫、破壞組織器官內(nèi)的膜脂、蛋白質(zhì)和核酸等細(xì)胞成分，并可引起植株體內(nèi)代謝紊亂[3]。通常情況下，干旱脅迫可誘導(dǎo)植株體內(nèi)活性氧(ROS)的產(chǎn)生，例如超氧陰離子和H2O2等[4]。ROS可以引起膜脂過(guò)氧化并導(dǎo)致細(xì)胞死亡[5]。為了緩解ROS的傷害，植物會(huì)啟動(dòng)自身的酶促和非酶促抗氧化系統(tǒng)，例如SOD(超氧化物歧化酶)、CAT(過(guò)氧化氫酶)和POD(過(guò)氧化物酶)、脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，來(lái)緩解逆境脅迫對(duì)其的傷害[6]。此外，植物原生質(zhì)膜透性對(duì)逆境反應(yīng)則較為敏感,研究表明，植物遭受干旱脅迫后，可觀察到膜透性明顯增加，并且隨著干旱脅迫加重，其膜損傷程度越嚴(yán)重，而細(xì)胞內(nèi)的電解液濃度的積累則越高，關(guān)于水分脅迫引起植物膜損傷的現(xiàn)象已經(jīng)被許多學(xué)者所證實(shí)[7]。同樣，亦有報(bào)道指出，植物在遭受水分脅迫后，植株體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧參與了植物細(xì)胞程序性死亡的過(guò)程[8]。例如，James等人的研究表明干旱脅迫形成的超氧化物和H2O2的積累可能是引發(fā)植物細(xì)胞程序性死亡的原因[9]?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】盡管已有研究指出植物細(xì)胞中的膜脂過(guò)氧化產(chǎn)物、活性氧、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等的變化與植物的抗旱性密切相關(guān)，但是關(guān)于水分脅迫后不同基因型小麥的活性氧積累水平和相關(guān)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累的變化結(jié)論并不統(tǒng)一?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】因此，本試驗(yàn)擬選用強(qiáng)抗旱品種(旱選10號(hào))和干旱敏感品種(鄭引1號(hào))為材料，研究水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗形態(tài)，細(xì)胞及相關(guān)生理生化指標(biāo)的影響，以期為小麥的抗旱機(jī)制研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試品種 本實(shí)驗(yàn)選用旱選10號(hào)(強(qiáng)抗旱品種)和鄭引1號(hào)(干旱敏感品種)作為供試材料。

1.1.2 小麥幼苗培養(yǎng)和試驗(yàn)設(shè)計(jì) 選取均勻一致的小麥種子，經(jīng)過(guò)1 %的次氯酸鈉消毒處理20 min,去離子水沖洗3～4遍后，浸泡12 h,首先將種子腹溝朝下均勻的擺在漂浮鐵絲網(wǎng)上，置于清水中，在25 ℃黑暗培養(yǎng)箱中催芽3 d后，光照1 d,然后挑選長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，移入光照培養(yǎng)箱中，采用1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，光照培養(yǎng)箱溫度22/18 ℃(白天/黑夜)，光照/黑暗時(shí)間為14/10 h，每3 d更換1次營(yíng)養(yǎng)液。待小麥幼苗生長(zhǎng)到2葉1心期時(shí)，在20 % PEG-6000(-0.975 MPa)的營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行模擬干旱處理。試驗(yàn)設(shè)為4個(gè)處理：CK-HX(正常供水的旱選10號(hào))、PEG-HX(水分脅迫處理的旱選10號(hào))、CK-ZY(正常供水的鄭引1號(hào))、PEG-ZY(水分脅迫處理的鄭引1號(hào))。并在處理后12 h，取小麥幼苗相同部位葉片和根系，進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，每個(gè)處理3次生物學(xué)重復(fù)(葉片含水量為5個(gè)生物學(xué)重復(fù))。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 形態(tài)觀察水分脅迫后12 h，進(jìn)行拍照記錄。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)均用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以及SPSS19.0進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗生長(zhǎng)和生物量的影響

在正常供水情況下，旱選10號(hào)和鄭引1號(hào)幼苗長(zhǎng)勢(shì)及長(zhǎng)相基本相同(圖1)。但在水分脅迫后12 h，旱選10號(hào)幼苗與對(duì)照相比變化不大，而鄭引1號(hào)幼苗則表現(xiàn)出明顯的干旱脅迫癥狀，葉片失水明顯，萎焉嚴(yán)重。與對(duì)照相比，在水分脅迫5 d后，旱選10號(hào)生物量下降幅度相對(duì)較小(圖2)，為12.1 %，而鄭引1號(hào)則下降了36.3 %，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

圖1 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱性小麥外觀形態(tài)的影響Fig.1 Effects of water stress on appearance and morphology of different drought-resistant wheat cultivar after 12 hours

圖2 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱性小麥生物量的影響Fig.2 Effects of water stress on biomass of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

2.2 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗葉片相對(duì)含水量及根系活力的影響

在正常供水條件下，2個(gè)品種幼苗的葉片相對(duì)含水量之間相差不大，且鄭引1號(hào)含水量較旱選10號(hào)高，但水分脅迫后12 h，2個(gè)品種的葉片含水量均表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，而鄭引1號(hào)下降幅度達(dá)到極顯著水平。與對(duì)照相比，旱選10號(hào)葉片含水量下降了1.8 %，而鄭引1號(hào)則下降了5.2 %(圖3)。此外，水分脅迫處理后，2個(gè)品種幼苗的根系活力均出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。但旱選10號(hào)上升幅度較大，與它的對(duì)照處理相比提高了110.7 %，在0.01的水平上，表現(xiàn)出極顯著差異，而鄭引1號(hào)雖也有提高，但提高幅度僅為88.5 %(圖4)。

2.3 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗葉片脯氨酸含量及葉片水分滲透勢(shì)的影響

水分脅迫可明顯增加2個(gè)不同基因型小麥的脯氨酸的含量，且旱選10號(hào)增加趨勢(shì)顯著高于鄭引1號(hào)。與對(duì)照相比，水分脅迫下旱選10號(hào)小麥幼苗脯氨酸含量提高了76.7 %，而鄭引1號(hào)則提高了45.2 %(圖5)。水分脅迫后2個(gè)品種的葉片水分滲透勢(shì)均表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，但與鄭引1號(hào)相比，旱選10號(hào)的下降幅度較小。其中，旱選10 號(hào)與對(duì)照相比下降了6.0 %，而鄭引1 號(hào)則比對(duì)照處理下降了20.0 %(圖6)，方差分析表明，在0.01水平達(dá)到極顯著水平。

圖3 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱型小麥葉片相對(duì)含水量的影響Fig.3 Effects of water stress on relative water content in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖4 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱性小麥根系活力的影響Fig.4 Effects of water stress on root activity of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖5 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱性小麥葉片脯氨酸含量的影響Fig.5 Effects of water stress on proline content in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖6 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱性小麥葉片滲透勢(shì)的影響Fig.6 Effects of water stress on osmotic potential in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖7 水分脅迫12 h后對(duì)不同抗旱性品種小麥葉片丙二醛含量的影響Fig.7 Effects of water stress on malondialdehyde content in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

2.4 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗葉片丙二醛(MDA)含量及相對(duì)電導(dǎo)率的影響

水分脅迫均可明顯增加2個(gè)不同基因型小麥品種的MDA含量，但鄭引1號(hào)增加量顯著高于旱選10號(hào)。與對(duì)照相比，旱選10號(hào)的MDA含量提高了29.6 %，而鄭引1號(hào)則增加了83.8 %(圖7)。此外，水分脅迫后，2個(gè)不同基因型小麥品種的相對(duì)電導(dǎo)率含量也表現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，但鄭引1號(hào)上升幅度顯著高于旱選10號(hào)。與對(duì)照相比，旱選10號(hào)的相對(duì)電導(dǎo)率提高了39.8 %，而鄭引則提高了77.3 %(圖8)。

2.5 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗氧化損傷的影響

圖8 水分脅迫12 h后對(duì)不同抗旱性小麥葉片相對(duì)電導(dǎo)率的影響Fig.8 Effects of water stress on relative electrical conductivity in leaves of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

2.6 水分脅迫對(duì)不同抗旱性小麥幼苗葉片細(xì)胞死亡的影響

從圖11可以看出，水分脅迫后2個(gè)不同基因型小麥品種的葉片均被染上不同程度的藍(lán)色，但鄭引1號(hào)染色程度更深，表明水分脅迫對(duì)鄭引1號(hào)細(xì)胞傷害更為嚴(yán)重。正常水分下根尖部位被染成淡藍(lán)色，而脅迫以后根尖的顏色逐漸偏深，而鄭引1號(hào)的根尖顏色被染成深藍(lán)色。

圖9 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱性小麥葉片和根尖部位H2O2含量的影響Fig.9 Effects of water stress on H2O2content in leaves and root tips of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖10 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱性小麥葉片和根尖部位含量的影響Fig.10 Effects of water stress oncontent in leaves and root tips of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

圖11 水分脅迫12 h對(duì)不同抗旱性小麥葉片和根尖部位細(xì)胞死亡的影響Fig.11 Effects of water stress on cell death in leaves and root tips of different drought-resistance wheat cultivar after 12 hours

3 討 論

干旱是影響小麥生長(zhǎng)和發(fā)育的主要災(zāi)害之一[17]，也是造成植物細(xì)胞膜系統(tǒng)受傷的重要原因[18]，植物在受到干旱脅迫后會(huì)發(fā)生一系列形態(tài)和生理上的變化，但單一的生理指標(biāo)很難準(zhǔn)確的反應(yīng)小麥的抗旱性，應(yīng)結(jié)合其他的形態(tài)生理指標(biāo)來(lái)綜合鑒定和評(píng)價(jià)小麥的抗旱性[19]。

3.1 水分脅迫對(duì)不同抗旱性小麥幼苗生長(zhǎng)及生物量的影響

研究表明，干旱脅迫可明顯抑制小麥幼苗地上部的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致幼苗干物質(zhì)積累降低[20]。本試驗(yàn)結(jié)果同樣表明，在水分脅迫后5 d，不同基因型小麥幼苗的長(zhǎng)勢(shì)均變慢，生物量均表現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，但與鄭引1號(hào)相比，旱選10號(hào)干物質(zhì)積累下降幅度相對(duì)較小。

3.2 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗葉片相對(duì)含水量及根系活力的影響

植物體內(nèi)的水分特征是植物在結(jié)構(gòu)上對(duì)環(huán)境的響應(yīng)，是植物耐旱和抗旱性的重要指標(biāo)。葉片含水量的高低不僅反映了其代謝的強(qiáng)弱，也一定程度上反映植物在干旱脅迫下的吸水能力以及抵抗脫水的能力[14,21-22]，更能直接反映作物生長(zhǎng)發(fā)育的實(shí)際狀況[23]。而植物根系則是吸收養(yǎng)分和水分的器官，也是同化、轉(zhuǎn)化、合成養(yǎng)分的重要場(chǎng)所[24]。根系作為直接感受干旱脅迫的器官，對(duì)脅迫反應(yīng)更加敏感，反應(yīng)幅度大[25]。根系的生長(zhǎng)發(fā)育和活力狀況對(duì)于植物抵抗逆境至關(guān)重要[26]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，水分脅迫均可導(dǎo)致兩個(gè)不同基因小麥幼苗葉片失水萎焉，但旱選10 號(hào)的葉片含水量下降幅度則顯著低于鄭引1號(hào)。此外，水分脅迫均可提高兩個(gè)不同基因型小麥幼苗根系活力，但與鄭引1號(hào)相比，旱選10號(hào)幼苗根系活力上升幅度更為顯著，這表明，抗旱品種可通過(guò)較強(qiáng)的根系活力來(lái)抵御水分脅迫對(duì)其自身的傷害。

3.3 水分脅迫對(duì)不同抗旱性小麥幼苗葉片脯氨酸含量及葉片水分滲透勢(shì)的影響

干旱脅迫會(huì)造成植物體內(nèi)迅速積累一種水溶性有機(jī)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸，適應(yīng)外界環(huán)境，保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)免受傷害。脯氨酸含量的增高則能夠降低葉片細(xì)胞的滲透勢(shì),防止細(xì)胞脫水[27]。逆境脅迫條件下的滲透勢(shì)降低值可以反映滲透調(diào)節(jié)能力的大小[14]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，水分脅迫均可增加2個(gè)不同基因型小麥品種中的脯氨酸的含量。但旱選10號(hào)的脯氨酸增加更為明顯，此外，水分脅迫均可降低2個(gè)不同基因型小麥品種葉片水分滲透勢(shì)，但與旱選10號(hào)相比，鄭引1號(hào)幼苗水分滲透勢(shì)下降幅度相對(duì)較大。這表明，水分脅迫后，抗旱品種可通過(guò)快速積累脯氨酸和調(diào)節(jié)自身的滲透勢(shì)水平來(lái)適應(yīng)干旱，這與李德全等人的研究結(jié)果一致[28]。

3.4 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗葉片丙二醛(MDA)含量及相對(duì)電導(dǎo)率的影響

丙二醛是植物抵抗逆境膜脂過(guò)氧化的產(chǎn)物，其含量的變化可以判斷膜系統(tǒng)過(guò)氧化的程度，也可反映細(xì)胞膜受損的程度[29]。相對(duì)電導(dǎo)率，是植物對(duì)逆境脅迫的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一，直接反應(yīng)薄膜在逆境中的透性變化和組織的損傷程度[30]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，在水分脅迫后12 h，鄭引1號(hào)和旱選10幼苗葉片MDA的含量均有增加，但旱選10號(hào)增加幅度明顯小于鄭引1號(hào)；而水分脅迫后兩個(gè)不同基因型小麥幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率則表現(xiàn)為：鄭引1號(hào)明顯高于旱選10號(hào)，表明水分脅迫后干旱敏感品種的膜透性顯著大于抗旱品種。

3.5 水分脅迫對(duì)不同基因型小麥幼苗氧化損傷與細(xì)胞死亡的影響

4 結(jié) 論

本研究結(jié)果表明，在水分脅迫下抗旱性較好的品種能夠提高根系活力，增加對(duì)水分脅迫的適應(yīng)性；很好地保持自身葉片含水量和維持細(xì)胞滲透勢(shì)，具有較好的保水能力并保持一定的膨壓；降低活性氧和MDA的含量，減緩細(xì)胞膜透性和降低膜脂過(guò)氧化程度，用來(lái)抵御逆境對(duì)植株自身的傷害，達(dá)到抵抗逆脅迫的目的。