張 平，張 慧，劉俊娜，環(huán)秀菊，王倩朝，李 莉，劉永江，覃 鵬

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，昆明 650201)

隨著全球氣候變暖，干旱成為限制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最主要因素之一[1]，中國(guó)有51%的耕地在干旱半干旱區(qū)[2]。在中國(guó)，小麥?zhǔn)莾H次于水稻的第2位重要糧食作物，是分布范圍最廣的一種作物，其產(chǎn)量與品質(zhì)直接關(guān)系到國(guó)計(jì)民生。選育抗旱小麥品種是干旱區(qū)小麥得以高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)最經(jīng)濟(jì)有效的途徑[3-4]。所以了解小麥苗期的抗旱特性，研究土壤水分脅迫對(duì)小麥苗期生理生化指標(biāo)的影響，對(duì)旱地小麥選擇、提高旱地小麥產(chǎn)量具有指導(dǎo)意義。

近幾年國(guó)內(nèi)外學(xué)者在干旱脅迫下對(duì)植物生理生化指標(biāo)的影響做了大量研究。在植物干旱脅迫時(shí)，膜脂傷害物質(zhì)丙二醛(MDA)和保護(hù)性酶過(guò)氧化氫酶(CAT)、過(guò)氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)之間的動(dòng)態(tài)平衡被打破，造成膜脂傷害物質(zhì)的積累，最終引起質(zhì)膜透性增加而導(dǎo)致代謝紊亂甚而細(xì)胞死亡[5-7]。植物在長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中形成了一個(gè)完善的清除活性氧的防衛(wèi)體系，使活性氧的產(chǎn)生與清除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)[8]。在植物受到干旱脅迫時(shí)，植株體內(nèi)的丙二醛(MDA)、脯氨酸(PRO)、可溶性糖(SS)含量也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化從而能反應(yīng)干旱脅迫的程度[9-16]。Alim等[17]研究指出，在土壤緩慢干旱條件下，能引起氣孔導(dǎo)度下降和葉片伸展降低的信號(hào)是來(lái)自于根部產(chǎn)生的脫落酸(ABA)。干旱脅迫下，植物體內(nèi)原有正常蛋白質(zhì)的合成受到抑制，但是植物在逆境下可以誘導(dǎo)合成一些新的蛋白質(zhì)[18]。植物干旱誘導(dǎo)蛋白按其功能可分為兩大類：第一大類是功能蛋白、第二大類是調(diào)節(jié)蛋白[19-20]。水分脅迫通過(guò)抑制葉片伸展、影響或降低葉綠體光化、生化活性以及電子傳遞等途徑，使光合作用受抑制[18]。前人研究大多采用PEG-6000/PEG-8000模擬干旱的方法，然而實(shí)際的田間自然干旱更復(fù)雜，更加不可控，影響因素更多。本研究以不同抗旱性小麥品種/系為材料，在大棚內(nèi)采用干旱脅迫-復(fù)水法，觀測(cè)和分析不同抗旱性品種在干旱脅迫前后的生理生化指標(biāo)變化情況，探討這些指標(biāo)與小麥抗旱能力之間的聯(lián)系，為旱地小麥栽培和抗旱性小麥品種選育提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

收集云南小麥資源材料350個(gè)，種植于育苗盤中，設(shè)置處理與正常水分管理對(duì)照，根據(jù)干旱脅迫-復(fù)水法，最終篩選出苗期抗旱型材料(‘靖麥12號(hào)’)和水分敏感型材料(‘皮麥’)作為研究 對(duì)象。

1.2 干旱處理

挑選飽滿整齊的籽粒，用0.2% HgCl2消毒后，25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至露白后，挑選露白均勻一致的種子50粒，擺種于遮雨棚下的苗盤內(nèi)，以營(yíng)養(yǎng)土和沙石(1∶3)混合均勻作為栽培介質(zhì)，保證一孔一苗，地面鋪蓋油紙防止根系入土，生長(zhǎng)期間正常澆水，相對(duì)含水量控制在田間持水量的70%～80%，待幼苗長(zhǎng)至三葉一心期開(kāi)始干旱-復(fù)水處理，即干旱脅迫處理 5 d 后復(fù)水。于干旱處理5 d和復(fù)水后5 d測(cè)定各生理指標(biāo)，3次重復(fù)，以正常水分管理的材料作為對(duì)照。

1.3 生理生化指標(biāo)測(cè)定方法

過(guò)氧化氫酶(CAT)活性測(cè)定采用過(guò)氧化氫還原法[21]；過(guò)氧化物酶(POD)活性測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚法[21]；超氧化物歧化酶活性(SOD)用氮藍(lán)四唑光化還原法[21]；丙二醛(MDA)用硫代巴比妥酸法[22]；脯氨酸(PRO)用茚三酮法[23]；脫落酸(ABA)用酶聯(lián)免疫間接競(jìng)爭(zhēng)法[21]；總抗氧化能力(T-AOC)用鐵離子還原法[24]；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G-250法[21]；可溶性糖(SS)采用蒽酮比色法[25]；葉綠素用丙酮浸泡法[21]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

以處理/對(duì)照比值表示干旱及復(fù)水處理的各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果。作圖分析使用Origin 2018軟件完成；統(tǒng)計(jì)分析使用SPSS 25、DPS 7.05版軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱及復(fù)水處理方差分析

兩個(gè)不同抗旱性品種/系的CAT、POD、T-AOC、SS、可溶性蛋白、葉綠素存在極顯著差異，MDA、PRO、ABA無(wú)明顯差異；處理與對(duì)照間MDA、ABA、SP無(wú)顯著差異外，其余指標(biāo)均表現(xiàn)為極顯著差異；兩因素交互作用的ABA無(wú)顯著差異外，其余指標(biāo)均達(dá)到差異顯著及極顯著；ABA在各水平均無(wú)顯著差異(表1)。

表1 不同品種及處理方式方差分析(F值)Table 1 Variance analysis ofdifferent varieties and treatments (F value)

2.2 干旱及復(fù)水處理對(duì)小麥幼苗保護(hù)性酶活性的影響

干旱及復(fù)水處理下兩品種/系的CAT活性、POD活性和SOD活性較對(duì)照均出現(xiàn)不同程度上升(圖1～圖3)。干旱脅迫下兩品種/系CAT活性較對(duì)照均顯著升高，其中‘皮麥’的升幅較‘靖麥12號(hào)’更大，復(fù)水后兩品種/系CAT活性顯著下降；干旱及復(fù)水處理下‘靖麥12號(hào)’的POD活性較對(duì)照均升高，而‘皮麥’較對(duì)照均降低；干旱脅迫下兩品種/系的SOD活性均升高，其中‘靖麥12號(hào)’的升幅較‘皮麥’更大。復(fù)水后‘靖麥12號(hào)’升幅下降，而‘皮麥’持續(xù)升高。

2.3 干旱及復(fù)水處理對(duì)小麥幼苗根系丙二醛、脯氨酸、脫落酸及總抗氧化能力的影響

干旱及復(fù)水處理下兩品種/系丙二醛含量均顯著上升(圖4)，干旱脅迫下‘靖麥12號(hào)’的升幅顯著小于皮麥。復(fù)水后‘靖麥12號(hào)’持續(xù)顯著升高，而‘皮麥’顯著下降；受干旱脅迫影響，兩品種/系的脯氨酸含量顯著升高(圖5)，靖麥12號(hào)的升幅顯著大于‘皮麥’，復(fù)水后兩品種/系脯氨酸含量顯著下降，而‘靖麥12號(hào)’的降幅顯著大于‘皮麥’；干旱脅迫下‘靖麥12號(hào)’的脫落酸含量升高(圖6)，而‘皮麥’則顯著下降，復(fù)水后‘靖麥12號(hào)’基本不變，‘皮麥’則顯著升高；干旱脅迫下‘靖麥12號(hào)’總抗氧化能力基本維持不變(圖7)，‘皮麥’則顯著增強(qiáng)，復(fù)水后兩品種/系顯著下降。

誤差線為標(biāo)準(zhǔn)誤，小寫字母表示P<0.05。下同

圖2 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗過(guò)氧化物酶的活性Fig.2 Peroxidase activity of wheat seedlings under drought and rewatering

圖3 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗超氧化物歧化酶的活性Fig.3 Superoxide dismutase activity of wheat seedlings under drought and rewatering

2.4 干旱及復(fù)水處理對(duì)小麥幼苗可溶性蛋白、可溶性糖及葉綠素的影響

干旱及復(fù)水處理下兩品種/系可溶性蛋白含量均下降(圖8)，干旱脅迫下‘靖麥12號(hào)’的降幅顯著小于‘皮麥’。復(fù)水后‘靖麥12號(hào)’持續(xù)顯著下降，而‘皮麥’顯著上升；干旱及復(fù)水處理下‘靖麥12號(hào)’可溶性糖含量變化不大(圖9)，而干旱脅迫下‘皮麥’的可溶性糖顯著上升，復(fù)水后則顯著下降；干旱及復(fù)水處理下兩品種/系的葉片葉綠素含量均下降(圖10)，復(fù)水后兩品種/系葉綠素顯著升高，‘靖麥12號(hào)’的升幅顯著大于‘皮麥’。

圖4 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗丙二醛的含量Fig.4 The content of malondialdehyde in wheat seedlings under drought and rewatering

圖5 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗脯氨酸的含量Fig.5 The content of proline in wheat seedlings under drought and rewatering

圖6 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗脫落酸的含量Fig.6 The content of abscisic acid in wheat seedlings under drought and rewatering

圖7 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗總抗氧化能力的強(qiáng)弱Fig.7 Total antioxidant capacity of wheat seedlings under drought and rewatering

圖8 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗可溶性蛋白的含量Fig.8 The content of soluble protein in wheat seedlings under drought and rewatering

圖9 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗可溶性糖的含量Fig.9 The content of soluble sugar in wheat seedlings under drought and rewatering

圖10 干旱及復(fù)水處理下小麥幼苗葉綠素的含量Fig.10 The content of chlorophyll in wheat seedlings under drought and rewatering

3 討 論

云南小麥產(chǎn)量比全國(guó)平均產(chǎn)量低接近50%，尤其是地麥產(chǎn)量?jī)H有1 500 kg/hm2左右，遠(yuǎn)低于全國(guó)平均水平。2009-2013年云南連續(xù)5 a的大旱，致使旱地小麥幾乎絕收，導(dǎo)致小麥面積大幅度縮減，嚴(yán)重限制了小麥生產(chǎn)[26-27]。因此，提高云南小麥的抗旱育種水平顯得尤為重要。

作物在抵御氧化脅迫時(shí)會(huì)形成一些能清除活性氧的酶系，如SOD、POD、CAT等，能有效清除活性氧，提高植物的抗旱性[28]。王川等[29]研究表明：同一水分處理下，不同品種間的SOD、POD差異較大，抗旱指數(shù)高的品種明顯高于抗旱指數(shù)低的品種。李冠甲等[30]也認(rèn)為，過(guò)氧化氫(H2O2)和MDA含量隨脅迫程度的增加而增加，且抗旱性弱的品種增幅較高；而小麥抗旱性的提高與保護(hù)酶活性增強(qiáng)有關(guān)，主要差異應(yīng)在于SOD和POD的活性。葉君等[31]在研究褪黑素對(duì)小麥幼苗抗旱性的調(diào)節(jié)作用的過(guò)程中，同樣發(fā)現(xiàn)干旱脅迫抑制了小麥的生長(zhǎng)，降低了葉片葉綠素含量、氣孔導(dǎo)度、凈光合速率等，導(dǎo)致H2O2與MDA積累增加及抗氧化酶活性、抗氧化劑含量升高。游離脯氨酸的積累是植物對(duì)水分脅迫的一種普遍反應(yīng)，無(wú)論是土壤干旱還是鹽溶液引起的水分脅迫，都會(huì)使植物體內(nèi)游離脯氨酸含量明顯變化。宋新穎等[32]研究結(jié)果顯示，干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)可溶性糖和脯氨酸含量均上升，且上升的程度與抗旱性一致。在干旱條件下，ABA誘導(dǎo)葉片細(xì)胞質(zhì)膜上的信號(hào)傳導(dǎo)，導(dǎo)致葉片氣孔不均勻關(guān)閉，減少水分蒸騰散失，從而增強(qiáng)了植株自身調(diào)節(jié)能力和抵御干旱的能力。有研究[33-34]表明：水分脅迫下植物的內(nèi)源ABA含量會(huì)增加，植物內(nèi)源ABA含量與其代謝水平密切相關(guān)。非生物脅迫下，植物體內(nèi)的蛋白質(zhì)合成也會(huì)受到不同程度的影響，由于水解酶的活性增強(qiáng)，導(dǎo)致部分蛋白質(zhì)降解，水溶性的氮含量增加。王曉宇等[35]的研究結(jié)果認(rèn)為，高鹽、干旱會(huì)直接導(dǎo)致小麥葉片可溶性蛋白含量不同程度的增加。

本研究結(jié)果表明，在干旱脅迫下，抗旱型‘靖麥12號(hào)’的CAT、POD、SOD活性顯著升高，干旱敏感型‘皮麥’的POD活性呈下降趨勢(shì)，與王川等[29]研究結(jié)果基本一致。復(fù)水以后，‘靖麥12號(hào)’保護(hù)酶活性升幅顯著下降，這可能與外界環(huán)境得到改善有關(guān)。而CAT活性在干旱脅迫時(shí)雖明顯升高，但升幅顯著小于‘皮麥’，這與楊貝貝等[36]研究結(jié)果不一致；推測(cè)抗氧化物含量可能增加，酶活性與非酶活物質(zhì)共同作用，抵抗活性氧損傷[37]；在干旱脅迫下，‘靖麥12號(hào)’MDA含量升幅顯著小于‘皮麥’，PRO及ABA含量顯著增加，且顯著大于‘皮麥’。復(fù)水以后，PRO含量顯著下降、ABA持續(xù)增加與前人研究結(jié)果基本一致[38-39]，MDA的持續(xù)增加可能是隨著脅迫時(shí)間和程度的增加使小麥植物體內(nèi)活性氧物質(zhì)增加，細(xì)胞膜的過(guò)氧化作用加劇，致使細(xì)胞膜受損程度增加，從而使細(xì)胞的滲透勢(shì)升高，最終導(dǎo)致植株不能正常生長(zhǎng)[40]。而‘靖麥12號(hào)’T-AOC的增幅較‘皮麥’低，可能是由其自身較強(qiáng)的干旱適應(yīng)性所致；干旱脅迫后，‘靖麥12號(hào)’可溶性蛋白、葉綠素均呈下降趨勢(shì)，且可溶性蛋白、葉綠素降幅較‘皮麥’更小，這與葉君等[31]研究結(jié)果基本一致；‘靖麥12號(hào)’可溶性糖顯著下降，且復(fù)水后降幅較‘皮麥’更大，其結(jié)果不完全一致的原因可能是處理手段、測(cè)定方法及干旱脅迫的生理應(yīng)答與品種、脅迫強(qiáng)度、脅迫時(shí)間、生長(zhǎng)時(shí)期、其他脅迫的協(xié)同作用等因素密切相關(guān)。本試驗(yàn)是對(duì)兩個(gè)抗旱性不同的小麥苗期進(jìn)行生理生化指標(biāo)的測(cè)定和研究分析。而未對(duì)其他生育期進(jìn)行研究，存在一定的局限性。小麥體內(nèi)代謝會(huì)發(fā)生一系列改變，以適應(yīng)干旱脅迫帶來(lái)的影響，在外部形態(tài)上也會(huì)有所體現(xiàn)，因而部分形態(tài)指標(biāo)也可以用來(lái)作為鑒定作物抗旱性的指標(biāo)。且試驗(yàn)是在大棚內(nèi)模擬干旱脅迫進(jìn)行研究，與復(fù)雜多變的田間條件存在一定差異，需結(jié)合當(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)實(shí)際和水肥條件合理選擇適宜當(dāng)?shù)胤N植的小麥品種。

4 結(jié) 論

在干旱脅迫和復(fù)水情況下，‘靖麥12號(hào)’表現(xiàn)出較高的酶活性和較高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及葉綠素含量下降緩慢，因此‘靖麥12號(hào)’苗期具有較高的抵御干旱脅迫能力以及復(fù)水后的恢復(fù)能力，可作為云南地區(qū)重要的抗旱種質(zhì)資源。本試驗(yàn)不足之處在于單單在小麥苗期而未在其他生育時(shí)期進(jìn)行研究，望以后對(duì)小麥的各個(gè)生育時(shí)期進(jìn)行試驗(yàn)研究并綜合分析析進(jìn)而篩選出抗旱性較好的品種。