梅書洋，何敏敏，耿貴，於麗華，王宇光

（1.黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,哈爾濱 150080）

0 引言

甜菜（Beta vulgarisL.）是藜科甜菜屬，二年生草本植物，具有喜溫、抗旱、耐鹽堿等特點(diǎn)，廣泛種植于我國(guó)內(nèi)蒙古、黑龍江、新疆等干旱、半干旱地區(qū)[1-2]。在中國(guó)北部緯度較高地區(qū)，甜菜作為制糖的主要經(jīng)濟(jì)作物，其產(chǎn)量在國(guó)際上一直穩(wěn)居前10位[3]，在未來(lái)有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

近年來(lái)，干旱災(zāi)害已經(jīng)成為我國(guó)耕地所面臨的主要問題。根據(jù)氣象部門統(tǒng)計(jì)，在各類氣象災(zāi)害中，因干旱災(zāi)害而遭受影響的耕地面積多達(dá)50%，所造成的負(fù)面影響程度遠(yuǎn)超過(guò)洪澇災(zāi)害影響[4]。甜菜在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常遭受干旱災(zāi)害，其產(chǎn)量大幅度降低。數(shù)據(jù)表明，2018/2019榨季內(nèi)蒙產(chǎn)區(qū)受春季高溫干旱影響，甜菜糖產(chǎn)量從預(yù)期的85 萬(wàn)t 減產(chǎn)到76 萬(wàn)t[5]。由此可以看出抵御干旱脅迫，提高甜菜產(chǎn)量對(duì)我國(guó)甜菜制糖產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

已有研究表明，施加一定濃度的外源鈣可以有效緩解植物在干旱脅迫下所受到的損害，從而增加植物的抗逆性[6]。鈣是細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程中不可缺少的第二信使，在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)通過(guò)傳遞干旱信號(hào)并參與信號(hào)的響應(yīng)和表達(dá)，從而減輕干旱脅迫對(duì)植物細(xì)胞膜的損害，提高植物的抗旱性[7-8]。胡建忠等[9]發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，施加CaCl2溶液的沙棘葉干重和葉面積高于不施加CaCl2溶液。安鈺等[10]發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下施用CaCl2溶液可提高甘草葉片葉綠素含量、凈光合速率、超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）活性，并降低丙二醛（MDA）含量，從而增強(qiáng)甘草對(duì)干旱的適應(yīng)能力。李小玲等[7]發(fā)現(xiàn)，以葉面噴施方式施加外源鈣對(duì)黃芩抵御干旱脅迫的傷害更有利，其中以10 mmol/L CaCl2溶液處理的效果最好。

綜上所述，添加CaCl2溶液可有效緩解干旱脅迫對(duì)植物的損害。目前，我國(guó)對(duì)于提高甜菜抗旱能力的研究更多在甜菜抗旱育種方面，對(duì)噴施外源物質(zhì)提高甜菜抗旱能力的研究較少。因此，本研究通過(guò)在干旱脅迫下噴施不同濃度CaCl2溶液，探究其對(duì)甜菜生理特性的影響及最適宜的CaCl2施加濃度，為提高甜菜抗干旱脅迫能力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)甜菜品種為‘KWS1176’。土壤采自黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)試驗(yàn)田。栽培管為高度57 cm、直徑4.5 cm的PVC-U 管。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)通過(guò)葉面噴施CaCl2溶液，設(shè)置5 個(gè)處理：CK（土壤含水量為黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)試驗(yàn)田田間持水量的85%）、D-0 mmol/L[干旱+葉面噴施0 mmol/L CaCl2溶液（清水）]、D-5 mmol/L（干旱+葉面噴施5 mmol/L CaCl2溶液）、D-10 mmol/L（干旱+葉面噴施10 mmol/L CaCl2溶液）、D-20 mmol/L（干旱+葉面噴施20 mmol/L CaCl2溶液）。每個(gè)處理設(shè)置4個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)是由5根同樣高度的PVC-U 管組成。

培養(yǎng)條件：將吸滿水的PVC-U管放入光照培養(yǎng)室中進(jìn)行發(fā)芽（每天光照時(shí)間為7:00—20:00，晝夜溫度分別為28 ℃和25 ℃）。待甜菜幼苗長(zhǎng)至第二對(duì)真葉時(shí)，土壤相對(duì)含水量為黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)試驗(yàn)田田間持水量的65%，開始進(jìn)行干旱處理（采用稱重法進(jìn)行控水處理，即每隔一天稱量一次土壤水分自然消耗量，然后澆水補(bǔ)充至設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)），同時(shí)向葉面噴施不同濃度的CaCl2溶液，1 d一次，連續(xù)處理14 d。在幼苗處理14 d后對(duì)甜菜葉片進(jìn)行收獲，處理保存樣品并測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 生理生化指標(biāo)的測(cè)定

采用抽濾法測(cè)定葉片相對(duì)電導(dǎo)率[11]；采用硫代巴比妥酸法測(cè)定MDA[12]；使用CI-340 手持式光合作用測(cè)量系統(tǒng)測(cè)定氣孔導(dǎo)度（Gs）、蒸騰速率（Tr）、胞間二氧化碳濃度（Ci）和凈光合速率（Pn）[13]；采用茚三酮比色法[8]測(cè)定游離脯氨酸；采用氮藍(lán)四唑（NBT）光還原法測(cè)定SOD 活性[14]；POD 活性的測(cè)定采用愈創(chuàng)木酚顯色法[15]；CAT活性的測(cè)定采用紫外吸收法[14]；抗壞血酸過(guò)氧化物酶（APX）活性的測(cè)定采用乙二胺四乙酸法[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)Microsoft Office Excel 2019 進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制圖，并用SPSS20.0 軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和差異性分析，分析方法使用單因素方差分析（顯著性水平為0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甜菜生長(zhǎng)的影響

圖1 為不同濃度外源鈣在干旱脅迫下對(duì)甜菜生長(zhǎng)表型的影響。由圖可知，干旱脅迫（0 mmol/L）嚴(yán)重影響甜菜幼苗生長(zhǎng)，噴施CaCl2溶液能夠緩解干旱脅迫對(duì)甜菜生長(zhǎng)造成的抑制作用。與0 mmol/L相比，隨著噴施CaCl2溶液濃度的增加，甜菜幼苗株高呈先上升后下降的趨勢(shì)，在噴施CaCl2溶液濃度為10 mmol/L時(shí)長(zhǎng)勢(shì)最好。圖2 為不同濃度外源鈣在干旱脅迫下對(duì)甜菜株高的影響。噴施不同濃度CaCl2溶液，甜菜幼苗株高分別為11.92、12.90、16.83 和15.97 cm。與CK 相比，干旱脅迫下，不同濃度CaCl2溶液處理組株高分別下降50.51%、46.43%、30.10%和33.67%。因此，噴施10 mmol/L CaCl2溶液能最有效地緩解干旱脅迫對(duì)甜菜幼苗生長(zhǎng)造成的抑制作用,與0 mmol/L相比提高41.24%。

圖1 外源鈣在干旱脅迫下對(duì)甜菜生長(zhǎng)表型的影響Fig.1 Effects of exogenous calcium on growth phenotype of sugar beet under drought stress

圖2 外源鈣在干旱脅迫下對(duì)甜菜株高的影響Fig.2 Effects of exogenous calcium on plant height of sugar beet under drought stress

2.2 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甜菜光合特性的影響

圖3 為不同濃度外源鈣對(duì)干旱脅迫下甜菜光合指標(biāo)（Pn、Tr、Gs和Ci）的影響。由圖可知，與CK 相比，干旱脅迫下甜菜Pn、Tr、Gs和Ci 顯著降低（P<0.05）。隨著噴施CaCl2溶液濃度的增加，Pn、Tr和Gs光合參數(shù)呈先上升后下降的趨勢(shì)，在噴施的CaCl2溶液濃度為10 mmol/L 時(shí)達(dá)到最大值，與0 mmol/L 相比，分別提高70.62%、112.50%、67.00%；當(dāng)噴施CaCl2溶液為10 mmol/L 時(shí)，甜菜Ci 達(dá)到最大值，與0 mmol/L 相比減少32.77%。通過(guò)對(duì)甜菜光合參數(shù)的結(jié)果分析，干旱脅迫抑制了甜菜自身光合作用的能力，而施加外源鈣可有效緩解其抑制作用，其中噴施10 mmol/L CaCl2溶液效果最佳。

圖3 外源鈣在干旱脅迫下對(duì)甜菜Pn（A）、Tr（B）、Gs（C）、Ci（D）的影響Fig.3 Effects of exogenous calcium on Pn（A）,Tr（B）,Gs（C）and Ci（D）of sugar beet under drought stress

2.3 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甜菜抗氧化酶活性的影響

植物體內(nèi)多種抗氧化酶相互配合，可保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)免受活性氧的傷害。由圖4 可知，干旱脅迫（0 mmol/L）與對(duì)照CK 相比，CAT活性有顯著差異；隨著噴施CaCl2溶液濃度的增加，POD和APX活性呈先上升后下降的趨勢(shì)，而SOD活性與之相反，CAT活性呈下降趨勢(shì)。

SOD 能消除植物體內(nèi)強(qiáng)烈毒性的超氧陰離子自由基。從圖4A 可看出，噴施5、10、20 mmol/L CaCl2溶液時(shí)甜菜SOD 活性較0 mmol/L 分別提高58.01%、27.94%、39.86%，因此噴施5 mmol/L CaCl2溶液能夠更好地提高甜菜葉片SOD活性。POD是植物體內(nèi)消除過(guò)氧化物、降低活性氧傷害的一種關(guān)鍵酶。從圖4B可看出，噴施5、10、20 mmol/L CaCl2溶液時(shí)甜菜的POD 活性較0 mmol/L 分別提高13.20%、50.24%、32.53%，說(shuō)明在干旱脅迫下噴施10 mmol/L CaCl2溶液能有效緩解干旱脅迫對(duì)甜菜造成的損傷。CAT 是消除植物組織中高濃度H2O2的主要酶。從圖4C 可看出，噴施5 mmol/L CaCl2溶液時(shí)甜菜的CAT活性達(dá)到最大值，較0 mmol/L提高82.66%；噴施20 mmol/L CaCl2溶液時(shí)甜菜的CAT 活性達(dá)到最小值，較0 mmol/L 降低10.86%。APX 作為清除H2O2和催化AsA 氧化的關(guān)鍵酶。從圖4D 可看出，噴施10 mmol/L CaCl2溶液時(shí)甜菜的APX 活性達(dá)到最大值，較0 mmol/L提高255.13%；噴施5 mmol/L和20 mmol/L CaCl2溶液時(shí)甜菜APX活性較0 mmol/L分別提高162.99%和179.91%。綜上所述，干旱脅迫降低抗氧化酶活性，而噴施CaCl2溶液能夠有效提高其活性，緩解干旱脅迫對(duì)甜菜生長(zhǎng)造成的損傷。

圖4 外源鈣在干旱脅迫下對(duì)甜菜幼苗SOD（A）、POD（B）、CAT（C）和APX（D）抗氧化酶活性的影響Fig.4 Effects of exogenous calcium on SOD（A）,POD（B）,CAT（C）and APX（D）of antioxidant enzyme activities in sugar beet seedlings under drought stress

2.4 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甜菜脂膜透性的影響

植物器官在衰老或逆境條件下遭受傷害時(shí)往往產(chǎn)生脂膜過(guò)氧化，MDA 作為脂膜過(guò)氧化的最終產(chǎn)物，其含量的高低直接反映植物脂膜受傷害程度。如圖5A 所示，與CK 相比，干旱脅迫增加了甜菜葉片細(xì)胞內(nèi)MDA 含量，而噴施不同濃度的CaCl2溶液后，甜菜葉片細(xì)胞內(nèi)MDA 含量較0 mmol/L 下降。噴施不同濃度CaCl2溶液較0 mmol/L 分別下降7.15%、12.76%和6.79%。因此，在干旱脅迫下噴施CaCl2溶液會(huì)降低甜菜葉片細(xì)胞內(nèi)MDA 含量，以噴施10 mmol/L CaCl2溶液效果最佳。細(xì)胞膜透性是作物受到脅迫后細(xì)胞膜損傷程度的重要生理指標(biāo)之一，可通過(guò)葉片相對(duì)電導(dǎo)率來(lái)衡量細(xì)胞膜損傷程度。相對(duì)電導(dǎo)率越高說(shuō)明細(xì)胞膜透性強(qiáng)、受損程度嚴(yán)重，反之則說(shuō)明細(xì)胞膜完整性好。如圖5B所示，干旱脅迫增加了甜菜葉片的相對(duì)電導(dǎo)率，而噴施不同濃度CaCl2溶液與0 mmol/L相比相對(duì)電導(dǎo)率分別降低15.47%、27.93%和20.35%，因此，在干旱脅迫下噴施10 mmol/L CaCl2溶液可有效防止甜菜葉片細(xì)胞膜受損。綜上所述，噴施CaCl2溶液可有效緩解干旱脅迫對(duì)甜菜細(xì)胞膜的損害。

圖5 外源鈣在干旱脅迫下對(duì)甜菜MDA含量（A）和甜菜葉片膜透性（B）的影響Fig.5 Effect of exogenous calcium on MDA content(A)and membrane permeability(B)of sugarbeet leaves under drought stress

2.5 外源鈣對(duì)干旱脅迫下甜菜脯氨酸含量的影響

干旱脅迫下，甜菜葉片中脯氨酸含量隨著噴施CaCl2溶液濃度的增加呈先上升后下降趨勢(shì)（圖6）。與CK 相比，干旱脅迫下甜菜葉片脯氨酸含量提高，與CK 之間差異顯著。在干旱脅迫下，與0 mmol/L 相比，噴施不同濃度CaCl2溶液的甜菜葉片脯氨酸含量分別增加了48.72%、75.15%和63.61%，在噴施10 mmol/L Ca-Cl2溶液時(shí)，甜菜葉片中脯氨酸的含量達(dá)到最大值。因此，噴施不同濃度的CaCl2溶液可以促進(jìn)甜菜葉片脯氨酸含量的積累，提高其滲透調(diào)節(jié)能力，其中10 mmol/L CaCl2溶液效果最好。

圖6 不同濃度外源鈣在干旱脅迫下對(duì)甜菜脯氨酸含量的影響Fig.6 Effects of different concentrations of exogenous calcium on proline content of sugar beet under drought stress

3 討論

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，而干旱脅迫可以通過(guò)影響Pn、Tr、Gs 和Ci 等光合特性來(lái)影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育。Ca2+在植物光合作用的調(diào)節(jié)中起到重要的作用，XUE等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下施加Ca2+可以顯著提高光合作用相關(guān)的參數(shù)，如Pn、Tr、Gs和Ci 等。本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，隨著葉面噴施CaCl2溶液濃度的增加，甜菜幼苗葉片Pn、Tr 和Gs 光合參數(shù)均呈先上升后下降的趨勢(shì)，與0 mmol/L 相比，10 mmol/L達(dá)到最大值，該結(jié)果與前人研究結(jié)果相似[16]。干旱脅迫下，葉面噴施CaCl2溶液可提高甜菜葉片光合特性，促進(jìn)甜菜光合作用，其中10 mmol/L時(shí)效果最佳。

植物膜脂過(guò)氧化酶促防御系統(tǒng)中，SOD、POD、CAT 和APX 是重要的保護(hù)酶。米銀法等[17]的試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植物遭受干旱脅迫時(shí)，施加一定濃度外源鈣可提高植物體內(nèi)抗氧化酶活性，增強(qiáng)清除自由基的能力。本試驗(yàn)中，在干旱脅迫下，與0 mmol/L相比，隨著噴施CaCl2溶液濃度的增加，SOD、POD、CAT和APX 活性總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說(shuō)明外源鈣可提高干旱脅迫下甜菜抗氧化能力。同時(shí)，SOD 和CAT 的活性在噴施5 mmol/L CaCl2溶液時(shí)達(dá)最大值；POD和APX的活性在噴施10 mmol/L CaCl2溶液時(shí)達(dá)最大值。

MDA 是植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化最主要產(chǎn)物之一，其含量越多，代表植物受傷害的程度越高[18]。本試驗(yàn)中，在干旱脅迫下，噴施不同濃度CaCl2溶液，甜菜葉片細(xì)胞內(nèi)MDA 含量呈先下降后上升的趨勢(shì)，且都低于0 mmol/L。這說(shuō)明干旱脅迫下，外源鈣可通過(guò)產(chǎn)生溶質(zhì)（如脯氨酸），提高細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，從而減少M(fèi)DA 的產(chǎn)生[19]。當(dāng)植物在生長(zhǎng)過(guò)程中受到干旱脅迫，植物細(xì)胞膜透性增大，細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，導(dǎo)致植物細(xì)胞浸提液的電導(dǎo)率增大[20]。本試驗(yàn)中，與CK 相比，甜菜葉片受干旱脅迫時(shí)電導(dǎo)率增大。在干旱脅迫下，與0 mmol/L 相比，噴施不同濃度CaCl2溶液后，甜菜葉片電導(dǎo)率呈先下降后上升的趨勢(shì)，在10 mmol/L 最低，這與外源Ca2+和H2O2對(duì)油菜幼苗干旱脅迫的緩解作用[20]研究結(jié)果相似。脯氨酸是植物體內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。本試驗(yàn)中，干旱脅迫導(dǎo)致脯氨酸含量增加，葉面噴施CaCl2溶液進(jìn)一步促進(jìn)脯氨酸的積累，提高其滲透調(diào)節(jié)能力，增強(qiáng)了甜菜的耐旱性。

4 結(jié)論

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，在干旱脅迫下，葉面噴施CaCl2溶液可提高甜菜葉片的Pn、Tr 和Gs，降低Ci，從而提高甜菜光合作用，其中噴施10 mmol/L CaCl2溶液效果最佳；SOD 和CAT 活性在噴施5 mmol/L CaCl2溶液時(shí)達(dá)最大值，POD 和APX 的活性在噴施10 mmol/LCaCl2溶液時(shí)達(dá)最大值；噴施10 mmol/L CaCl2溶液時(shí)MDA 含量和相對(duì)電導(dǎo)率達(dá)最小值，脯氨酸含量達(dá)最大值。綜上所述，噴施10 mmol/L CaCl2溶液能最大程度地緩解干旱脅迫對(duì)甜菜幼苗生長(zhǎng)造成的損傷，促進(jìn)甜菜幼苗生長(zhǎng)。