石 楊，尹希龍，李王勝，興 旺

（1國(guó)家甜菜種質(zhì)中期庫(kù)/黑龍江大學(xué)，哈爾濱 150080；2黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/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）

0 引言

隨著全球氣候變暖，水資源日趨短缺，干旱脅迫已成為全球范圍內(nèi)作物產(chǎn)量的主要影響因素之一[1]。中國(guó)干旱半干旱區(qū)面積約占中國(guó)國(guó)土面積的一半左右，在農(nóng)業(yè)灌溉方面用水量巨大，因此提高作物的水分利用率，培育抗（耐）旱作物種質(zhì)是現(xiàn)有國(guó)情下提高干旱地區(qū)水分利用率和干旱地區(qū)作物產(chǎn)量最有效、最經(jīng)濟(jì)、最環(huán)保的解決辦法，對(duì)于推動(dòng)中國(guó)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[2-4]。甜菜是中國(guó)主要的糖料作物，在東北、西北和華北地區(qū)廣泛種植。這些區(qū)域年降水量受節(jié)氣影響差異大，且灌溉資源少，在受到干旱，高溫等極端天氣影響下，甜菜的產(chǎn)量和質(zhì)量相比于預(yù)期均產(chǎn)生大幅度下降，所以水分脅迫被認(rèn)為是甜菜生產(chǎn)力和產(chǎn)量穩(wěn)定性最普遍的限制之一[5]。通過研究不同耐旱性甜菜種質(zhì)苗期生長(zhǎng)規(guī)律以及對(duì)干旱的響應(yīng)機(jī)制，在有限水資源下高效利用甜菜自身的抗旱能力，促進(jìn)甜菜作物高產(chǎn)高效的發(fā)展有著重要意義。

現(xiàn)有研究表明在甜菜幼苗的生長(zhǎng)階段，干旱會(huì)阻止葉片重量的增加，而且在一定程度上抑制了主根的生長(zhǎng)[6]。韓凱虹等[7]研究發(fā)現(xiàn)甜菜任何生育期受到水分的脅迫，都會(huì)明顯抑制株高、葉面積及根粗等生長(zhǎng)性狀。苗期的水分脅迫顯著降低了甜菜的株高，直接影響了葉片數(shù)的分化而致單株葉面積降低且塊根直徑增長(zhǎng)受到嚴(yán)重限制，進(jìn)而顯著降低甜菜塊根的產(chǎn)量。唐利華等[8]研究發(fā)現(xiàn)甜菜葉片和根系的含水量變化趨勢(shì)基本一致，甜菜的根系活力隨著土壤水分的減少呈下降趨勢(shì)。葉片和根系在脫水過程中會(huì)出現(xiàn)暫時(shí)萎蔫、永久萎蔫和完全枯萎3種生理現(xiàn)象。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)時(shí)間、地點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)于2021年11月—2022年1月，在黑龍江大學(xué)國(guó)家甜菜種質(zhì)中期庫(kù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)施并完成。

1.2 試驗(yàn)材料

表1為耐旱型（V1、V2種質(zhì)）和干旱敏感型（V3、V4種質(zhì)）甜菜種質(zhì)材料，分別由國(guó)家甜菜種質(zhì)資源中期庫(kù)（國(guó)家甜菜種質(zhì)資源平臺(tái)）提供。

表1 供試甜菜種質(zhì)信息及類型

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用溫室水培箱干旱處理法，通過在人工氣候室恒溫恒濕模式下，對(duì)4份甜菜種質(zhì)進(jìn)行栽培，選用塑料培養(yǎng)盆（高25.0 cm，寬20.0 cm，長(zhǎng)35.0 cm）。每個(gè)種質(zhì)挑選100粒優(yōu)質(zhì)甜菜種子，用酒精浸泡30 s，自來水沖洗3 min。甜菜種子播種于蛭石中，用去離子水灌溉一個(gè)星期至其發(fā)芽。出苗后，從蛭石中移出，移栽到水培箱中，用營(yíng)養(yǎng)液提供植物生長(zhǎng)所需元素，每7天更換一次營(yíng)養(yǎng)液。在出苗3周后進(jìn)行脅迫實(shí)驗(yàn)，分對(duì)照組處理和干旱處理，用PEG-6000為滲透劑模擬干旱環(huán)境，配制成濃度分別為0%（正常水分處理）、3%（輕度干旱脅迫）、6%（中度干旱脅迫）、9%（重度干旱脅迫）的溶液模擬不同干旱環(huán)境，每個(gè)梯度3個(gè)重復(fù)，第7天進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定，測(cè)量地上部指標(biāo)（株高、葉鮮重、葉干重、葉飽和鮮重）、地下部指標(biāo)（根鮮重、根長(zhǎng)）、根冠比、葉片相對(duì)含水量。

1.4 測(cè)定指標(biāo)

（1）株高：直尺測(cè)量甜菜幼苗的自然株高(cm)。

（2）根長(zhǎng)：直尺測(cè)定甜菜幼苗根系總長(zhǎng)度(cm)。

（3）葉鮮重：收集每株甜菜幼苗的葉部，稱重(g)。

（4）根鮮重：收集每株甜菜幼苗的根部，用吸水紙吸干根系表面水分，稱重(g)。

學(xué)會(huì)創(chuàng)造性獨(dú)立運(yùn)用語言，是學(xué)習(xí)語言運(yùn)用的最終目標(biāo)。如果教師能引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系自己的生活實(shí)際，有創(chuàng)意地獨(dú)立自主地運(yùn)用語言，也就把發(fā)展學(xué)生思維和語言訓(xùn)練表達(dá)結(jié)合起來，就能形成有效的語言表達(dá)能力。

（5）葉干重：收集每株甜菜幼苗的葉部，然后放入紙袋，80℃恒溫下烘至恒重后稱重(g)。

（6）葉飽和鮮重：將每株甜菜幼苗的葉部放入玻璃罐中，加水放置4 h，擦干水分稱重(g)。

（7）根冠比的計(jì)算見公式(1)。

（8）葉片相對(duì)含水量的計(jì)算見公式(2)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù)，DPS 18.0軟件進(jìn)行單因素方差(ANOVA)統(tǒng)計(jì)分析，Duncan法進(jìn)行多重比較，差異顯著性定義為P＜0.05，差異極顯著定義為P＜0.01，求取各種質(zhì)最優(yōu)線性回歸方程，所有數(shù)據(jù)均為3個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差[13-14]。

2 .結(jié)果與分析

2.1 干旱處理對(duì)不同耐旱型甜菜種質(zhì)幼苗生長(zhǎng)的影響

植物受到干旱脅迫時(shí)，從外觀上看，植株的大小、葉片的形態(tài)、葉色以及萎蔫情況是最明顯的表現(xiàn)途徑，在持續(xù)一周的干旱脅迫下，4個(gè)種質(zhì)的甜菜幼苗表型變化如圖1所示。

圖1 4個(gè)甜菜種質(zhì)在干旱脅迫下幼苗表型變化

在脅迫第7天時(shí)，輕度干旱脅迫下(3%)，4個(gè)甜菜種質(zhì)葉片卷曲，顏色加深，光澤變暗，與對(duì)照相比，生長(zhǎng)速率明顯降低。中度干旱脅迫下(6%)，耐旱型甜菜V1種質(zhì)與V2種質(zhì)葉片無光，部分葉片萎縮；干旱敏感型甜菜V3種質(zhì)與V4種質(zhì)葉片邊緣出現(xiàn)輕微干枯現(xiàn)象。重度干旱脅迫下(9%)，耐旱型甜菜V1種質(zhì)與V2種質(zhì)幼苗萎縮嚴(yán)重，V4種質(zhì)葉片出現(xiàn)大面積干枯現(xiàn)象，V3種質(zhì)表現(xiàn)為壞死狀態(tài)。

2.2 干旱處理對(duì)甜菜地上部不同生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

株高、葉鮮重、葉干重、葉飽和鮮重都是反映植株地上部生長(zhǎng)特征的重要指標(biāo)。由表2可以看出，不同濃度的水分脅迫基本降低了甜菜的地上部指標(biāo)的變化，而V2種質(zhì)的葉干重呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。比較不同水分處理下甜菜種質(zhì)的株高可以看出，與正常水分處理組相比，輕度干旱脅迫下，4個(gè)種質(zhì)均未達(dá)到顯著變化；在中度干旱脅迫下，V3、V4種質(zhì)的株高變化出現(xiàn)顯著降低(P＜0.05)，在重度干旱脅迫下，4個(gè)種質(zhì)的株高下降幅度分別為22.19%、21.26%、56.64%、55.38%，V3種質(zhì)的株高下降幅度最大，其中V3、V4種質(zhì)的株高平均值下降程度顯著高于V1、V2種質(zhì)(P＜0.05)。在中度與重度干旱脅迫下，耐旱種質(zhì)V1、V2的株高下降幅度低于旱敏感型種質(zhì)。

表2 PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)甜菜地上部的影響

葉鮮重與葉干重體現(xiàn)了甜菜地上部指標(biāo)的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀態(tài)。與對(duì)照組相比，在輕度干旱下，4個(gè)種質(zhì)的葉鮮重發(fā)生了極顯著變化(P＜0.01)，V1、V2種質(zhì)相對(duì)于對(duì)照組降低了30.97%、30.65%，V3、V4種質(zhì)降低了82.14%、78.36%。4個(gè)種質(zhì)在重度干旱脅迫下葉鮮重降至最低，降幅分別為59.37%，67.84%，97.02%，94.79%。V3、V4種質(zhì)的葉干重在輕度缺水狀態(tài)下出現(xiàn)極顯著差異(P＜0.01)，而V1、V2種質(zhì)的葉干重差異不顯著；直到重度缺水情況下，4個(gè)種質(zhì)葉干重均出現(xiàn)顯著降低，降幅為43.10%、48.48%、90.32%、84.62%，其中V3、V4種質(zhì)葉干重的降幅快于V1、V2種質(zhì)。比較不同耐旱性甜菜種質(zhì)間的差異可以得出，在不同濃度的干旱脅迫下，耐旱型種質(zhì)葉鮮重與葉干重的降幅均小于旱敏感型種質(zhì)。

在輕度干旱脅迫下，葉飽和鮮重表現(xiàn)出與葉部鮮重變化相似的動(dòng)態(tài)，4個(gè)種質(zhì)的葉飽和鮮重發(fā)生顯著下降(P＜0.05)。由表結(jié)果可看出，在中度干旱脅迫下，葉飽和鮮重表現(xiàn)出極顯著變化(P＜0.01)，重度脅迫下降至最低值，降幅為56.63%、61.40%、96.12%、91.94%，可以得出在各種濃度的干旱脅迫程度下，V1、V2種質(zhì)的葉飽和鮮重平均值下降程度都低于V3、V4種質(zhì)。

2.3 干旱處理對(duì)甜菜地下部不同生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

由表3可知，隨著干旱脅迫程度的增加，供試甜菜種質(zhì)的根長(zhǎng)與根鮮重表現(xiàn)為降低趨勢(shì)，而V2種質(zhì)的根長(zhǎng)在3種干旱脅迫下相對(duì)于對(duì)照組有顯著增加(P＜0.05)，分別為21.89%、2.81%、4.69%；V1、V3、V4種質(zhì)的根長(zhǎng)隨著脅迫程度的增加，分別減少了11.53%、18.07%、7.38%，24.07%、23.44%、26.93%和18.73%、14.88%、31.02%。除中度干旱脅迫下，V4的根系長(zhǎng)度的下降幅度小于V1種質(zhì)，其余干旱脅迫濃度下，V3、V4種質(zhì)根系總長(zhǎng)度的下降程度均高于V1、V2種質(zhì)。

表3 PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)甜菜地下部的影響

在干旱脅迫下，甜菜苗期根鮮重相對(duì)于對(duì)照組均出現(xiàn)顯著下降(P＜0.05)，且在輕度干旱脅迫下，V1、V3、V4種質(zhì)呈現(xiàn)極顯著變化(P＜0.05)，降幅為23.78%、68.57%、73.33%；在重度干旱脅迫下4個(gè)種質(zhì)的根鮮重降至最低，降幅為49.65%、8.74%、93.33%，93.33%，其中V3、V4種質(zhì)的根鮮重平均值低于V1、V2種質(zhì)。

2.4 干旱處理對(duì)不同甜菜種質(zhì)根冠比與葉片相對(duì)含水量的影響

如表4所示，隨著干旱程度的加劇，4個(gè)種質(zhì)的根冠比在不斷增加。在輕度干旱脅迫下，V2、V3種質(zhì)的根冠比顯著增加(P＜0.05)，增幅分別為61.54%、80.65%。在中度干旱脅迫下，4個(gè)種質(zhì)相對(duì)于對(duì)照組均顯著增加(P＜0.05)，增幅分別為21.43%、138.46%、83.87%、48.00%，在重度干旱脅迫下增幅達(dá)到最大，其中V2、V3種質(zhì)的根冠比呈現(xiàn)極顯著增加(P＜0.01)，分別為184.62%、122.58%。

表4 PEG-6000模擬干旱脅迫對(duì)甜菜種質(zhì)根冠比與葉片相對(duì)含水量的影響

隨著脅迫程度的增加，4個(gè)甜菜種質(zhì)的葉片相對(duì)含水量呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)。在輕度干旱脅迫下，V1、V2、V3種質(zhì)的葉片相對(duì)含水量降幅不大，V4種質(zhì)的葉片相對(duì)含水量顯著降低(P＜0.05)，為19.51%。中度干旱脅迫下，V4種質(zhì)的葉片相對(duì)含水量極顯著降低(P＜0.01)，降幅為40.24%。重度干旱脅迫下，4個(gè)種質(zhì)的葉片相對(duì)含水量均顯著下降(P＜0.05)，降幅分別為14.94%、20.45%、37.33%、43.90%。其中V1、V2種質(zhì)的葉片相對(duì)含水量較V3、V4種質(zhì)分別高出22.39%、28.96%和16.88%、23.45%。

2.5 不同甜菜種質(zhì)的耐旱性綜合評(píng)價(jià)及逐步回歸分析

如表5所示，采用逐步回歸法分析不同供試甜菜種質(zhì)在干旱脅迫程度逐漸加劇的情況下，對(duì)各種質(zhì)耐旱性影響較為顯著的指標(biāo)。根冠比是對(duì)V1種質(zhì)耐旱性影響較顯著的指標(biāo)(R2=0.974)；株高是對(duì)V2、V4種質(zhì)耐旱性影響較為顯著的指標(biāo)(R2=0.984)；對(duì)V3種質(zhì)耐旱性影響較為顯著的指標(biāo)為根鮮重(R2=0.996)。說明耐旱型甜菜種質(zhì)主要通過增加根冠比或調(diào)節(jié)株高來應(yīng)對(duì)干旱脅迫，干旱敏感型甜菜種質(zhì)通過調(diào)節(jié)根鮮重與株高的生長(zhǎng)來適應(yīng)干旱。表明4種耐旱性不同的種質(zhì)是通過改變地上部株高、葉鮮重與地下部根鮮重的生長(zhǎng)特征來抵御干旱造成的損傷。

表5 供試甜菜種質(zhì)信息及來源

3 討論

3.1 干旱脅迫對(duì)不同耐旱性甜菜種質(zhì)地上部形態(tài)指標(biāo)的影響差異

在干旱環(huán)境中，地上部的株高、葉部的鮮重、干重、飽和鮮重的變化直接體現(xiàn)出作物在逆境條件下的不良生長(zhǎng)狀態(tài)，同時(shí)葉片的形態(tài)變化對(duì)干旱的響應(yīng)也是植株重要的耐旱機(jī)制[15]。研究證實(shí)，甜菜在任何生育期受到水分的脅迫，都會(huì)明顯抑制其株高、葉面積等生長(zhǎng)性狀，導(dǎo)致甜菜產(chǎn)量降低[7]。相對(duì)耐旱型種質(zhì)而言，干旱脅迫后敏感型種質(zhì)株高、地徑降幅更大[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，無論種質(zhì)是否耐旱，地上部指標(biāo)都有不同程度的減少。在不同濃度的干旱脅迫下，耐旱型種質(zhì)葉鮮重、葉干重和葉飽和鮮重的降幅均小于旱敏感型種質(zhì)。在中度與重度干旱脅迫下，耐旱型V1、V2種質(zhì)的株高下降幅度低于旱敏感型種質(zhì)，這與前人研究結(jié)果一致[17]。說明耐旱型種質(zhì)在苗期生長(zhǎng)期間，維持葉部生物量和株高的生長(zhǎng)速率的能力較強(qiáng)，相對(duì)旱敏感型種質(zhì)，地上部指標(biāo)受到干旱脅迫的影響更小。

3.2 干旱脅迫對(duì)不同耐旱性甜菜種質(zhì)地下部形態(tài)指標(biāo)的影響差異

根系是作物生長(zhǎng)發(fā)育的重要營(yíng)養(yǎng)器官，也是對(duì)干旱脅迫最先出現(xiàn)適應(yīng)性變化的部位。植物根系在受到水分脅迫時(shí)，會(huì)通過調(diào)節(jié)自身的生理狀態(tài)和代謝途徑，影響不同器官的干物質(zhì)分配情況來維持自身正常生長(zhǎng)發(fā)育。所以根系的形態(tài)指標(biāo)變化可以直接體現(xiàn)出植物的抗逆性反應(yīng)情況[18-21]。根系性狀也是甜菜重要的表型性狀之一，是從土壤中吸收水分的重要營(yíng)養(yǎng)器官，其生長(zhǎng)狀況會(huì)影響到甜菜地上部葉片的發(fā)育水平，可以從根系長(zhǎng)度和根系鮮重反映出甜菜對(duì)土壤水分變化以及土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的適應(yīng)情況[22]。已有研究表明[23]耐旱性較強(qiáng)的棉花種質(zhì)通過保持較大的根冠比，增加深土層根系分布的比例，增加其在干旱下汲取水分的能力，保證地上部生長(zhǎng)來維持干物質(zhì)的累積和有限水分高效吸收與利用以適應(yīng)干旱脅迫。本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫濃度的增加，根長(zhǎng)與根鮮重在逐漸降低，根冠比在逐漸增加。說明甜菜在受到干旱脅迫時(shí)，通過增加根系生物量的生長(zhǎng)機(jī)制來保持較好的根系生長(zhǎng)狀態(tài)，進(jìn)而充分吸收利用土壤中的水分來適應(yīng)干旱環(huán)境。且耐旱性越強(qiáng)的甜菜種質(zhì)在干旱脅迫期間根系長(zhǎng)度、根系鮮重的下降幅度相對(duì)于旱敏感型種質(zhì)較小。脅迫濃度越大，不同耐旱性種質(zhì)間差異越大，說明具有較大根系結(jié)構(gòu)及較強(qiáng)吸收土壤水分能力的種質(zhì)有顯著的耐旱優(yōu)勢(shì)。

3.3 干旱脅迫下不同耐旱性甜菜種質(zhì)苗期的階段性響應(yīng)策略

植物對(duì)干旱的應(yīng)答是復(fù)雜的，因?yàn)樗从沉酥参锝M織在空間和時(shí)間上的所有潛在水平的脅迫效應(yīng)的整合[24-25]。在甜菜的耐旱性研究過程中，形態(tài)指標(biāo)在干旱脅迫下具有直觀、簡(jiǎn)便、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，常用于分析甜菜在逆境條件下生長(zhǎng)的狀態(tài)反映[26]。本研究結(jié)果表明，在輕度干旱脅迫下，4個(gè)甜菜種質(zhì)的根長(zhǎng)未出現(xiàn)顯著變化，而葉部與根部的重量表現(xiàn)出顯著性差異。說明輕度干旱下，甜菜可能會(huì)通過降低葉部生長(zhǎng)，維持根系長(zhǎng)度生長(zhǎng)汲取深層土壤水分來降低干旱對(duì)甜菜生長(zhǎng)造成的損傷，這與馬富舉等[26]的研究結(jié)果相似。在中度與重度干旱脅迫下，耐旱型種質(zhì)相較于干旱敏感型種質(zhì)，地上部、地下部的干物質(zhì)積累與葉片相對(duì)含水量受干旱影響較小。其原因可能在于甜菜地上部在受到干旱脅迫時(shí)，耐旱型種質(zhì)的根系與輸導(dǎo)系統(tǒng)更發(fā)達(dá)，有利于汲取水分和養(yǎng)分的運(yùn)輸，葉片蒸騰速率慢，有利于保水，這些特征有助于防御干旱脅迫。

甜菜的地上部與地下部指標(biāo)的響應(yīng)情況不同，其中耐旱性不同的種質(zhì)對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)狀態(tài)也不同[27-28]。本研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下，對(duì)V2、V4種質(zhì)耐旱性影響較為顯著的指標(biāo)是株高，對(duì)V1、V3種質(zhì)耐旱性影響較為顯著的指標(biāo)分別是根冠比與根鮮重。說明不同耐旱性的甜菜種質(zhì)因其形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理等多方面的特性是不同的，對(duì)干旱的響應(yīng)程度與方式也不同。不同的水分條件下，不同耐旱性種質(zhì)會(huì)啟動(dòng)防御機(jī)制來響應(yīng)干旱脅迫造成的威脅，而這些防御機(jī)制的啟動(dòng)是由于種質(zhì)本身適應(yīng)干旱脅迫的生理機(jī)制差異造成[29]。因此，有關(guān)不同耐旱性甜菜種質(zhì)對(duì)干旱脅迫的表型特征和生理指標(biāo)之間的相互作用還需進(jìn)一步深入研究。

4 結(jié)論

4個(gè)甜菜種質(zhì)的地上部指標(biāo)、地下部指標(biāo)和相對(duì)含水量均隨干旱脅迫程度的增加而降低。輕度干旱脅迫下，V1、V2耐旱型種質(zhì)的根冠比與葉片相對(duì)含水量未發(fā)生顯著變化。在中度與重度干旱脅迫下，耐旱型種質(zhì)相較于干旱敏感型種質(zhì)，地上部與地下部的干物質(zhì)積累量與葉片相對(duì)含水量受干旱影響較小。在不同濃度的干旱脅迫下，耐旱型甜菜種質(zhì)葉鮮重、葉干重、葉飽和鮮重、根系長(zhǎng)度和根系鮮重的下降幅度均小于旱敏感型甜菜種質(zhì)，能夠維持較為適宜的葉部生物量和株高的生長(zhǎng)，積累較多的干物質(zhì)并有效減輕脅迫所帶來的各種傷害，進(jìn)而更好地抵御逆境。