劉文瑜，何 斌，楊發(fā)榮，呂 瑋，王旺田，黃 杰，魏玉明，金 茜，陳玉祥

（1. 甘肅省農(nóng)業(yè)科學院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，甘肅 蘭州 730070；3. 國家半干旱農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050051；4. 甘肅農(nóng)業(yè)大學生命科學技術(shù)學院，甘肅 蘭州 730070；5. 甘肅同德農(nóng)業(yè)科技集團有限責任公司，甘肅 蘭州 730050）

干旱是多種環(huán)境脅迫因子之一，干旱脅迫抑制植株生長和發(fā)育，最終導致作物產(chǎn)量下降[1]。近年來，由于環(huán)境氣候變化，干旱對農(nóng)林業(yè)發(fā)展造成的危害日趨嚴重。因此，明確作物抗旱機理，提高作物抗旱能力，選育耐旱作物品種成為應(yīng)對干旱的重要途徑。理想抗旱作物品種，不但要求植物在遭受干旱脅迫過程中能夠盡量減少干旱脅迫對植物的傷害，而且要求一旦有降水或灌溉，能夠從干旱傷害中迅速恢復生長[2]。因此，對作物旱后復水機制進行研究，與研究作物干旱脅迫下的抗旱機制具有同等重要的意義。

干旱脅迫和復水條件下，植物在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理和生化方面會發(fā)生一系列的適應(yīng)性變化[3-4]。為了明確不同植物對干旱脅迫及復水的生理響應(yīng)機制，前人對高粱(Sorghum bicolor)[5]、柑橘(Citrus reticulata)[4]、白三葉(Trifolium repens)[6]等植物做了大量研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)干旱提高了植物幼苗PSⅡ最大光化學效率，干旱到一定程度后，幼苗PSⅡ電子傳遞速率和光化學猝滅系數(shù)下降，另外，隨著干旱脅迫時間的延長，植株幼苗丙二醛(MDA)含量增加，超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化氫酶(CAT)活性呈先上升后下降的趨勢。復水后上述各指標在不同植物中均有不同程度恢復，植株開始恢復生長。

藜麥是莧科藜亞科一年生雙子葉草本植物，原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈，距今已有5 000 - 7 000年的種植歷史[7]。藜麥的主產(chǎn)國為秘魯、玻利維亞、厄瓜多爾、智利等，近年來在美國、歐洲等國家有小面積種植。目前國內(nèi)吉林、北京、河北、山西、甘肅、青海等省均有種植[8]。藜麥籽粒蛋白質(zhì)含量高達16%～22%，且富含9種人體必需氨基酸，多種礦物質(zhì)、維生素及膳食纖維，且低脂、低升糖、不含麩質(zhì)[9]。因其豐富的營養(yǎng)品質(zhì)，藜麥被古印加人和現(xiàn)代營養(yǎng)學家稱為“糧食之母”和“營養(yǎng)黃金”[7]。被聯(lián)合國糧農(nóng)組織認定為唯一一種單體即可滿足人類基本營養(yǎng)需求的植物[10]。藜麥具有耐旱、耐寒、耐鹽堿等生物學特征[11]。我國西北地區(qū)由于草地退化、土壤次生鹽漬化等問題形成大面積干旱半干旱地區(qū)[12]，種植耐旱作物是改良、利用干旱土壤最直接的模式，但目前可種植的耐旱作物品種較少，藜麥作為一種節(jié)水抗旱作物，必將在干旱土壤利用開發(fā)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。前人對藜麥耐旱機理雖有研究，但對旱后復水的研究鮮見報道，對藜麥應(yīng)對旱后復水的生理生化機制尚不明確，因此，本研究以4個藜麥品種為試驗材料，采用盆栽控水法，對不同品種幼苗進行干旱及復水處理，分別測定干旱和復水階段各藜麥品種幼苗葉綠素熒光參數(shù)、MDA含量、超氧陰離子(O2·-)產(chǎn)生速率及抗氧化酶活性，明確干旱脅迫及復水對藜麥光合生理和活性氧代謝的影響，以期為旱地藜麥的田間種植提供理論依據(jù)和實踐基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料和處理

1.1.1 試驗材料

試驗材料共4份，分別為‘隴藜1號’、‘隴藜2 號’、‘隴藜 3 號’和‘隴藜 4 號’(試驗編號分別為 L-1、L-2、L-3和L-4)，來自甘肅省農(nóng)業(yè)科學院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，并為該所自育品種，千粒重分別為 2.49、2.72、2.97、2.85 和 2.78 g。

1.1.2 試驗設(shè)計

該試驗于2017年4月- 7月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學院溫室和畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所實驗室完成。挑選大小一致、飽滿且無病蟲害的L-1、L-2、L-3和L-4藜麥種子，溫水浸泡30 min后播種于裝有2 kg沙壤土的花盆中，每盆播種20粒，播種后覆蛭石，放置于溫室中，室溫20～25 ℃，前后通風，自然光照，正常澆水。待幼苗長至6～8葉期時進行定苗，每盆留苗10株，定苗后進行脅迫處理。本試驗設(shè)置3個處理，分別為對照，正常澆水，每2 d每個花盆澆水800 mL，使土壤含水量維持在70%～80%；干旱脅迫，不澆水，處理10 d后測定葉片葉綠素熒光動力學參數(shù)和活性氧代謝指標。復水處理，將干旱脅迫的幼苗在第11 天進行灌水處理，每個花盆澆水800 mL，處理24 h，測定指標同干旱脅迫處理。每個品種每個處理3次重復。

1.2 測定指標和方法

1.2.1 葉綠素熒光動力學參數(shù)

使用FluorPen 1.0.5.1熒光儀測定葉綠素熒光參數(shù)，選取幼苗植株上部受光一致的葉片3片，暗適應(yīng)30 min后，測定初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)、PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)和非光化學猝滅系數(shù)(NPQ)。

1.2.2 生理指標

于采樣日09:00 - 11:00，取幼苗植株上受光一致的葉片測定生理生化指標。其中采用乙醇丙酮法測定葉綠素含量[12]；采用硫代巴比妥酸法測定MDA 含 量[13]； 采 用羥胺 法 測定 O2·-產(chǎn) 生速率[14]；參照Huang等[15]的方法并稍作改動測定SOD活性；參照Shi等[16]方法測定POD活性；參照Yang等[17]方法測定CAT活性；參照Jebara等[18]的方法測定APX活性。每個指標測定3次。

1.3 隸屬函數(shù)值及隸屬度計算[18]

各藜麥品種的隸屬函數(shù)值為：

式中：X為各藜麥某一指標的測定值，Xmin為該指標測定值的最小值，Xmax為該指標測定值的最大值。

式中：n為指標數(shù)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2016整理數(shù)據(jù)并做圖，應(yīng)用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件對同一處理不同品種間生理指標進行單因素方差分析(One-way ANOVA)，最小顯著性差異采用Duncan法，顯著性水平設(shè)定為α = 0.05，試驗數(shù)據(jù)均以“平均值 ± 標準誤”表示。利用雙變量Pearson相關(guān)系數(shù)法對干旱脅迫和復水處理期間各項指標進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫和復水對幼苗葉片葉綠素含量的影響

干旱處理下，供試品種藜麥幼苗葉片葉綠素含量較對照(CK)均有不同程度降低，且各品種間差異顯著(P ＜ 0.05)，較CK分別降低了12.24%、29.24%、13.75%和30.04% (表1)；復水處理后，各品種藜麥幼苗葉片葉綠素含量均較干旱處理升高，但未恢復到CK水平。不同品種葉綠素含量較干旱處理升高了10.90%、29.51%、3.98%和16.91%。說明干旱脅迫抑制了藜麥幼苗葉片葉綠素的合成，復水可有效緩解抑制效應(yīng)。

表1 干旱脅迫及復水對藜麥幼苗葉片葉綠素含量的影響Table 1 Effects of drought stress and re-watering on chlorophyll contents of quinoa seedlings mg·g-1

2.2 干旱脅迫和復水對幼苗葉片初始熒光和最大熒光的影響

干旱脅迫下，除藜麥品種L-2外，其他各供試品種幼苗葉片初始熒光(Fo)顯著降低(P ＜ 0.05) (圖1)，較CK分別降低了18.03%、18.22%和7.72%，L-2幼苗葉片F(xiàn)o較CK升高了49.44%，說明干旱脅迫并未對L-2藜麥品種葉片造成傷害。復水后，各供試品種葉片F(xiàn)o較干旱處理均升高，除藜麥品種L-3外，其余品種均能恢復到CK水平，較CK分別升高了4.89%、5.31%和7.91%，而L-3較CK降低了3.84%，說明L-3耐旱性較差。

干旱脅迫處理下，除品種L-2外，其余各供試藜麥品種幼苗葉片最大熒光(Fm)呈降低趨勢，且各品種間差異顯著(P ＜ 0.05) (圖1)，分別較CK降低了16.25%、18.96%和10.64%，而L-2幼苗葉片F(xiàn)m較CK升高了23.70%。復水處理后，各供試品種幼苗葉片F(xiàn)m較干旱處理下均有不同程度升高，且各品種間差異顯著(P ＜ 0.05)，但并未恢復至CK水平。

2.3 干旱脅迫和復水對幼苗葉片PSⅡ最大光化學效率和潛在活性的影響

干旱脅迫處理下，4個藜麥品種幼苗葉片PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)較CK均下降，且各品種間差異顯著(P ＜ 0.05) (圖2)，分別下降了5.00%、10.43%、8.06%和4.78%。復水處理后，各品種幼苗葉片F(xiàn)v/Fm較干旱處理下均有升高，且均能恢復至CK水平，其中L-1幼苗葉片F(xiàn)v/Fm高于CK處理2.52%。說明干旱脅迫下藜麥幼苗葉片能有效啟動光合作用的光破壞防御機制。

干旱脅迫下供試藜麥幼苗葉片潛在活性(Fv/Fo)降低，且各品種間差異顯著(P ＜ 0.05)，較CK分別下降了16.84%、30.71%、25.44%和15.76%，4個品種中L-2葉片F(xiàn)v/Fo最低(圖2)。復水處理后，供試藜麥各品種幼苗葉片F(xiàn)v/Fo均恢復至CK水平，其中L-1和L-4幼苗葉片F(xiàn)v/Fo較CK升高了10.64%和0.14%。

圖1 干旱脅迫和復水對藜麥幼苗葉片初始熒光和最大熒光的影響Figure 1 Effect of drought stress and rehydration on Fo and Fm of quinoa seedling leaves

圖2 干旱脅迫和復水對藜麥幼苗葉片PSⅡ最大光化學效率和潛在活性的影響Figure 2 Effect of drought stress and rehydration on Fv/Fm and Fv/Fo of quinoa seedling leaves

2.4 干旱脅迫及復水對藜麥幼苗葉片非光化學猝滅系數(shù)的影響

干旱脅迫處理后，供試藜麥品種幼苗葉片NPQ升高，各品種較CK升高了75.23%、227.44%、59.71%和312.94%，且各品種間差異顯著(P ＜ 0.05)(圖3)；4個品種中L-3葉片NPQ最低。復水處理后，供試品種L-2和L-4幼苗葉片NPQ恢復至CK水平，且較CK升高了30.98%和36.65%，L-1和L-2只恢復至CK水平的43.30%和36.65%。

圖3 干旱脅迫和復水對藜麥幼苗葉片非光化學猝滅系數(shù)的影響Figure 3 Effect of drought stress and rehydration on NPQ of quinoa seedling leaves

2.5 干旱脅迫及復水對藜麥幼苗葉片MDA含量和O2·-產(chǎn)生速率的影響

干旱脅迫處理下供試藜麥品種幼苗葉片MDA含量均顯著升高，分別較CK升高了105.88%、62.86%、58.13%和156.20%，各品種間差異顯著(P ＜0.05)，4個品種中L-4幼苗葉片MDA含量最高，L-1最低(圖4)。復水處理后，各供試藜麥品種MDA含量較干旱脅迫處理均有不同程度降低，但仍高于CK，各供試品種幼苗葉片MDA含量較干旱脅迫降低了16.05%、28.31%、3.91%和20.26%，4個品種中L-4葉片MDA含量最高，L-1最低。

干旱脅迫處理下供試藜麥品種幼苗葉片O2·-產(chǎn)生速率升高，分別CK升高了112.51%、66.45%、130.45%和88.20%，各品種間差異顯著(P ＜ 0.05)，4個品種中L-2幼苗葉片O2·-產(chǎn)生速率最高，L-4最低(圖4)。復水處理后，各供試品種幼苗葉片O2·-產(chǎn)生速率較干旱脅迫處理均降低，但仍高于CK處理，4個供試品種O2·-產(chǎn)生速率分別較干旱脅迫處理下降了31.34%、19.87%、27.16%和40.13%，其中L-2幼苗葉片O2·-產(chǎn)生速率最高，L-4最低。

2.6 干旱脅迫及復水對藜麥幼苗葉片抗氧化酶活性的影響

干旱脅迫處理下各供試藜麥品種幼苗葉片SOD活性均升高，較CK處理分別升高了26.50%、3.50%、6.67%和2.44%，但各品種間差異不顯著(P ＞ 0.05)，4個供試品種L-1幼苗葉片SOD活性最強，L-3最弱(圖5)。復水處理后，供試品種幼苗葉片SOD活性較干旱脅迫處理下有不同程度地降低，且只恢復至CK水平的94.00%、52.95%、86.31%和68.94%，4個品種中L-1幼苗葉片SOD活性顯著高于其他品種 (P ＜ 0.05)。

圖4 干旱脅迫和復水對藜麥幼苗葉片MDA含量和O2·-產(chǎn)生速率的影響Figure 4 Effect of drought stress and rehydration on MDA contents and O2·- production rate of quinoa

圖5 干旱脅迫和復水對藜麥幼苗葉片抗氧化酶活性的影響Figure 5 Effect of drought stress and rehydration on activities of SOD, POD, CAT, and APX of quinoa seedling leaves

干旱脅迫處理下各供試品種幼苗葉片POD活性均升高，較CK分別升高了163.96%、66.81%、65.09%和190.08%，4個供試品種中L-1幼苗葉片POD活性顯著強于其他品種(P ＜ 0.05) (圖5)。復水處理后，各供試藜麥品種幼苗葉片POD活性較干旱處理均有下降，但仍高于CK處理，各供試品種POD活性較干旱處理分別下降了13.46%、26.52%、16.57%和30.00%，其中藜麥品種L-1幼苗葉片POD活性顯著高于其他品種(P ＜ 0.05)。

干旱脅迫下各供試藜麥品種幼苗葉片CAT活性均升高，較CK分別升高了20.54%、13.73%、7.66%和5.17%，4個供試品種中L-1幼苗葉片CAT活性與L-2差異不顯著(P ＞ 0.05)，但顯著高于L-3和L-4(P ＜ 0.05) (圖5)。復水處理后，各供試品種幼苗葉片CAT活性弱于干旱處理，分別降低了0.06%、15.43%、2.86%和9.12%，但總體上未恢復至CK水平。

干旱脅迫下各供試藜麥品種幼苗葉片APX活性顯著增強，較CK分別升高了178.75%、513.51%、54.29%和158.18%，4個供試品種中L-2幼苗葉片APX活性顯著強于其他品種(P ＜ 0.05) (圖5)。復水處理后，各供試品種幼苗葉片APX活性較干旱處理有不同程度降低，但仍高于CK處理，各品種APX活性較干旱處理降低了78.15%、64.76%、89.81%和71.86%，其中L-2幼苗葉片APX活性顯著高于其他品種 (P ＜ 0.05)。

2.7 抗旱能力綜合評價

2.7.1 生理指標間的相關(guān)性分析

葉綠素含量與Fv/Fo和Fv/Fm呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與NPQ、MDA含量呈極顯著負相關(guān)，與APX活性呈顯著負相關(guān)(表2)；Fo與Fm呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；Fv/Fo與Fv/Fm呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與NPQ和APX活性呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；Fv/Fm與NPQ和APX活性呈極顯著負相關(guān)關(guān)系；NPQ與APX呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；O2·-產(chǎn)生速率與APX活性呈顯著正相關(guān)；POD活性與CAT活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系。因此，葉綠素含量、F、F/F、NPQ、產(chǎn)ovo生速率、POD、APX活性可作為藜麥耐旱性及其恢復能力評價指標。

2.7.2 隸屬函數(shù)分析及綜合評價

采用模糊綜合評判法[19]計算個藜麥品種隸屬函數(shù)值及其隸屬度，隸屬度大小可表明各藜麥品種耐旱性。隸屬度越大，受害越輕，耐鹽性越強。

供試4個藜麥品種隸屬度分別為0.509、0.494、0.461和0.481，說明品種L-1抗旱恢復能力最強，L-3 最弱 (表 3)。

3 討論

3.1 干旱脅迫和復水調(diào)控藜麥幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)變化

葉綠素熒光是PSⅡ功能及電子從PSⅡ傳遞到PSⅠ的一個指標，常被用于衡量光合系統(tǒng)損傷程度[20]。由于光合系統(tǒng)的生理狀態(tài)對不同的逆境脅迫極其敏感，因此葉綠素熒光被認為是用于判定高等植物耐逆性的一種非常有效的方法[21-22]。這個有效指標被用于研究各種非生物脅迫(例如高溫、低溫、凍害及干旱)對光合系統(tǒng)、葉綠體以及光合細胞膜的影響[23-24]。張丹等[25]研究表明干旱脅迫下紅松針葉和樹皮綠色組織NPQ均升高，復水后紅松針葉葉綠素熒光參數(shù)表現(xiàn)出不同程度的恢復。李曉梅等[26]研究表明干旱脅迫下兩個辣椒(Capsicum annuum)品種的Fv/Fm較對照顯著降低，在復水后的第1天和第3天恢復到對照水平；兩個辣椒品種的NPQ在干旱脅迫下較對照升高，復水1 d后恢復到對照水平。張金政等[27]對玉簪(Hosta plantaginea)研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫處理能夠降低Fv/Fm，顯著提高NPQ，復水15 d后，各指標均得到不同程度的恢復。本研究結(jié)果表明干旱脅迫處理后不同品種藜麥幼苗葉片F(xiàn)o、Fm、Fv/Fm及Fv/Fo均下降，復水后上述指標均恢復至CK水平。同時期不同品種藜麥幼苗葉片NPQ得到顯著提高，復水處理后恢復至CK水平。說明干旱脅迫對4個藜麥品種幼苗葉片的光合作用原初反應(yīng)造成損傷，且對PSⅡ造成傷害，但是這種損傷是可逆的。

表2 不同品種藜麥各指標間相關(guān)系數(shù)矩陣Table 2 Correlation coefficient matrix among various indices of different quinoa varieties

表3 各品種隸屬函數(shù)值和綜合評價值Table 3 Subordinative function and comprehensive evaluation of different varieties

3.2 干旱脅迫和復水調(diào)控藜麥幼苗葉片活性氧物質(zhì)含量和抗氧化酶活性變化

植物在逆境脅迫下產(chǎn)生大量活性氧自由基會引起植物的膜脂過氧化，表現(xiàn)為膜脂過氧化產(chǎn)物MDA含量增加，同時質(zhì)膜透性增強引起電解質(zhì)的滲漏，導致電導率的升高，使植物代謝產(chǎn)生紊亂[28]。植物在干旱脅迫下可以動員SOD、POD、CAT等酶防御系統(tǒng)來有效清除自由基，保護細胞免受氧化傷害[29-31]。SOD作為膜保護的第一道防線，能以O(shè)2·-作為基質(zhì)進行歧化反應(yīng)，將毒性較強的 O2·-轉(zhuǎn)化為毒性較輕的 H2O2，而 CAT將 H2O2歧化為H2O和O2，但是CAT清除H2O2的效率非常低，POD則是利用各種基質(zhì)作為電子供體將H2O2還原為H2O，對CAT起協(xié)同作用[32-33]。研究表明，隨著干旱脅迫的加強，棉花葉片活性氧和MDA含量增加，抗氧化酶CAT和POD活性增強，復水后活性氧物質(zhì)含量和抗氧化酶活性恢復至對照水平[34]。另外，對栓皮櫟(Quercus variabilis)[35]、甘蔗(Saccharum officinarum)[36]、 冰 草 (Agropyron cristatum)[37]、 狼 尾草 (Pennisetum alopecuroides)[38]、扁蓿豆 (Melissilus ruthenicus)[39]等研究發(fā)現(xiàn)植株葉片MDA含量隨干旱程度的增加而升高，SOD、POD、CAT和APX活性隨干旱脅迫程度的增加而增強，復水處理后，不同植株葉片活性氧物質(zhì)和抗氧化酶活性均有不同程度下降。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫處理下4個品種藜麥幼苗葉片MDA含量和O2·-產(chǎn)生速率較CK顯著升高，同時葉片內(nèi)SOD、POD、CAT和APX活性顯著增強。說明干旱處理下藜麥幼苗葉片細胞內(nèi)產(chǎn)生較多的活性氧自由基，引起膜脂過氧化，導致MDA含量的累積，同時細胞啟動抗氧化防御系統(tǒng)，抗氧化酶活性增強有利于清除葉片細胞內(nèi)大量的活性氧物質(zhì)，緩解干旱脅迫對藜麥葉片的損傷；4個品種中L-1幼苗葉片MDA含量最低，SOD和POD活性最強，說明植株抵御干旱脅迫的能力強于其他品種。復水處理后，4個品種藜麥葉片MDA含量和O2·-產(chǎn)生速率較干旱脅迫雖有下降，但仍高于CK處理，抗氧化酶活性較干旱處理有不同程度減弱，其中SOD活性弱于CK處理，POD、CAT和APX活性仍高于CK處理。4個藜麥品種中L-1幼苗葉片SOD、POD和CAT活性顯著高于其他品種。說明復水處理有助于緩解干旱對藜麥幼苗葉片造成的損傷，細胞膜具有較強的修復能力。根據(jù)模糊綜合評判法算得品種L-1抗旱性較強。

4 結(jié)論

干旱脅迫處理下，不同品種藜麥幼苗葉片葉綠素熒光參數(shù)Fo、Fm、Fv/Fm及Fv/Fo均下降，NPQ得到顯著提高，MDA含量和O2.-產(chǎn)生速率均較CK顯著升高，同時葉片內(nèi)SOD、POD、CAT和APX活性顯著增強。說明干旱脅迫對4個品種藜麥幼苗葉片光合作用原初反應(yīng)造成損傷，另外，干旱脅迫造成葉片細胞內(nèi)產(chǎn)生較多的活性氧自由基，引起膜脂過氧化，抗氧化酶活性的增強有利于清除葉片細胞內(nèi)大量的活性氧物質(zhì)。復水后，不同品種藜麥幼苗葉片F(xiàn)o、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo及NPQ均恢復至CK水平，MDA含量和O2.-產(chǎn)生速率較干旱脅迫處理雖有下降，但未恢復至CK水平，抗氧化酶SOD活性弱于CK，POD、CAT和APX活性仍高于CK處理。說明復水處理可使植物通過調(diào)節(jié)體內(nèi)抗氧化酶活性，清除已積累的活性氧，緩解干旱對藜麥幼苗生長造成的傷害。