不同基因型谷子葉片衰老及活性氧代謝研究

劉鳳琴，馮強強，妙佳源，蘇 旺，王 孟，董孔軍，馮佰利

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2 榆林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西 榆林 719000；3 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅 蘭州 730070)

不同基因型谷子葉片衰老及活性氧代謝研究

劉鳳琴1，馮強強1，妙佳源1，蘇 旺1，王 孟2，董孔軍3，馮佰利1

(1 西北農(nóng)林科技大學(xué) 旱區(qū)作物逆境生物學(xué)國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2 榆林市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，陜西 榆林 719000；3 甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅 蘭州 730070)

谷子；葉片衰老；活性氧代謝

谷子(Setariaitalica(L.) Beauv) 是世界上古老農(nóng)作物之一，它生長于中國、印度及北非和美洲的干旱半干旱地區(qū)，因其耐旱性而廣泛種植[1]，是干旱半干旱地區(qū)的重要糧食作物。同時，谷子是C4植物，與柳枝稷、珍珠粟等生物燃料作物一樣，耐受性極強，可作為一種替代物種參與未來生物燃料的研究[2]。因此，篩選抗旱谷子品種，探索谷子抗旱生理特性，對于提高谷子的產(chǎn)量和品質(zhì)，實現(xiàn)產(chǎn)區(qū)農(nóng)民增收具有重要的現(xiàn)實意義。

活性氧是植物細胞正常新陳代謝的產(chǎn)物，過度產(chǎn)生會鈍化保護酶的活性，破壞細胞的穩(wěn)定性[3]，對細胞組分、結(jié)構(gòu)及新陳代謝造成氧化傷害[4]。作物在生長過程中，可通過多種途徑產(chǎn)生活性氧，而為了保護自身免受傷害，作物細胞內(nèi)也存在清除這些活性氧的多種途徑[5-6]，其中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、過氧化物酶(Peroxidase，POD)、過氧化氫酶(Catalase，CAT)等是活性氧清除系統(tǒng)的重要保護性酶[7]。這些保護性酶能有效地阻止高濃度活性氧積累，防止膜脂過氧化，延緩植物衰老，使植物維持正常的生長和發(fā)育[4]。目前，關(guān)于谷子的研究多集中在谷子種質(zhì)資源[8]、營養(yǎng)價值[9]、高產(chǎn)栽培模式[10]等方面，關(guān)于葉片衰老與活性氧代謝方面的研究則以小麥[11]、玉米[12]、水稻[13]等大宗作物居多。在植物衰老過程中，活性氧的積累對植物產(chǎn)生傷害的一個重要機制是直接或間接啟動膜脂的過氧化作用，導(dǎo)致膜的損傷和破壞，引起膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)的增加，葉綠素的降解和光合酶活性下降，使植物光合能力下降，進而影響籽粒產(chǎn)量的形成。但目前有關(guān)不同基因型谷子在生長發(fā)育過程中葉片衰老以及活性氧代謝的研究尚未見報道。本研究以不同基因型谷子為材料，分析不同類型谷子開花期至成熟期葉片衰老過程中葉綠素含量，SOD、POD、CAT活性及MDA含量的變化，探討谷子葉片衰老的生理機制，為谷子生產(chǎn)與栽培技術(shù)研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試谷子材料為大同32、太選1號和白谷9號，經(jīng)甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院敦煌試驗站田間鑒定，參試品種抗旱指數(shù)分別為2.13，1.39和0.09，品種間抗旱性差異明顯。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2013年在陜西省榆林市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技示范區(qū)進行。該示范區(qū)位于黃土高原北部半干旱易旱區(qū)(109.77° E，38.36° N)，海拔1 050 m，年平均降水量為420 mm，其中60%集中在7-9月，為中溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候。小區(qū)面積15 m2(2 m×7.5 m)，6行區(qū)，行距33.3 cm，種植密度30萬株/hm2。05-08整地，05-09施入磷酸二胺300 kg/hm2，尿素150 kg/hm2，05-10開溝條播，6月上旬定苗。試驗為單因素(品種)隨機區(qū)組排列，設(shè)3次重復(fù)。田間管理按照國家谷子品種區(qū)域試驗要求進行。

1.3 田間取樣

自谷子開花期(08-09)起，選擇生長基本一致且無病蟲害的植株，掛牌標記，每隔7 d于上午10:00取樣，剪下旗葉、倒二葉、倒三葉及時放入冰壺并帶回實驗室，置于-40 ℃超低溫冰箱保存待測。

1.4 測定項目及方法

(1) 葉綠素含量。 采用丙酮浸提法[14]：用UV-2012分光光度計進行比色測定，按Inskeep法計算其含量。

(2) 可溶性蛋白含量。 采用考馬斯亮藍-250蛋白染色法[14]測定。

(4) SOD、CAT、POD活性。 分別取葉片0.500 g 剪碎，置于預(yù)冷研缽內(nèi)，取8 mL預(yù)冷的提取介質(zhì)(0.05 mol/L pH 7.8的Na2HPO4-NaH2PO4緩沖液)及少量石英砂，在冰浴中研磨，勻漿后于2 ℃、20 000×g冷凍離心30 min，上清液即為酶提取液。用此酶液并參照王愛國等[15]和劉道宏[16]的改進法測定SOD活性，用姜春明等[17]的方法測定POD和CAT活性。

(5) MDA含量的測定。 采用硫代巴比妥酸(TBA)法[12]測定。

(6) 產(chǎn)量及其構(gòu)成因素。谷子成熟時隨機取樣20株進行考種，分別測定株高、穗長、穗碼數(shù)、穗粗、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量，按照小區(qū)實收計產(chǎn)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007和SAS V7.0統(tǒng)計軟件進行試驗數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，用Duncan新復(fù)極差法進行樣本間的多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基因型谷子葉片葉綠素含量的變化

由表1可知，隨著生育進程的推進，谷子葉片葉綠素含量逐漸增大，花后7 d(08-16)達最大值，之后隨葉片衰老呈明顯的下降趨勢，不同葉位葉片葉綠素含量依次為旗葉>倒二葉>倒三葉，不同基因型品種差異顯著，同一葉位葉綠素含量大小依次為大同32>太選1號>白谷9號。與干旱敏感品種白谷9號相比，抗旱品種大同32各功能葉片的葉綠素衰減過程較為緩慢。

注：同葉位同時期欄中不同小寫字母表示差異在0.05水平上顯著。表2～7同。

Note:Different small letters in each column for same leaf position indicate significant difference at 0.05 level.The same table 2-7.

2.2 不同基因型谷子葉片可溶性蛋白含量的變化

植株葉片可溶性蛋白含量的高低，不僅反映植株氮代謝水平，而且常被作為葉片衰老程度的重要指標[18]。由表2可知，谷子開花至成熟期葉片可溶性蛋白含量逐漸降低，不同葉位可溶性蛋白含量表現(xiàn)為旗葉>倒二葉>倒三葉，不同基因型谷子各葉位可溶性蛋白含量在開花初期差異不顯著，隨植株的衰老差異增大至顯著水平，且相同葉位可溶性蛋白含量表現(xiàn)為大同32>太選1號>白谷9號。

2.4 不同基因型谷子葉片SOD、POD和CAT活性的變化

SOD、POD和CAT作為細胞內(nèi)的重要保護酶，對防止超氧自由基對生物膜系統(tǒng)的氧化，以及細胞的抗氧化、衰老具有重要意義，其活性的高低標志著植物細胞自身抗衰老能力的強弱[20]。由表4～6可知，谷子開花至成熟階段葉片SOD、POD和CAT活性均在花后7 d達到最大值，之后隨葉片衰老呈下降趨勢，表現(xiàn)為旗葉>倒二葉>倒三葉。不同基因型品種差異顯著，同一葉位SOD、POD及CAT活性大小依次為大同32>太選1號>白谷9號。

2.5 不同基因型谷子葉片MDA含量的變化

表7表明，谷子開花至成熟階段，隨葉片衰老MDA積累量持續(xù)上升，且表現(xiàn)為倒三葉>倒二葉>旗葉，不同基因型品種之間有顯著差異，同一測定時期各葉位MDA積累量表現(xiàn)為白谷9號>太選1號>大同32。

2.6 不同基因型谷子產(chǎn)量性狀的比較

由表8可知，大同32株高較低，而谷子產(chǎn)量構(gòu)成因素的穗長、穗碼數(shù)、穗粗、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量顯著高于太選1號和白谷9號。3種不同基因型谷子產(chǎn)量差異顯著(P<0.05)，表現(xiàn)為大同32>太選1號>白谷9號。

注：同列不同小寫字母表示差異在0.05水平上顯著。

Note:Different small letters in each column indicate significant difference at 0.05 level.

3 討 論

葉綠素含量是影響光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)。在一定范圍內(nèi)，葉綠素含量與光合作用呈正相關(guān)關(guān)系，葉綠素含量越高，光合作用也就越強。在實際生長發(fā)育過程中，隨著玉米[12]、糜子[21]、小豆[22]等生育期的推進，其葉綠素含量呈下降趨勢，同時伴隨著一系列生理生化的變化，如葉片內(nèi)可溶性蛋白含量的降低、活性氧含量的增加、清除活性氧自由基的保護酶(POD、SOD、CAT)活性的降低以及丙二醛(MDA)積累量的增加。本研究結(jié)果表明，開花至成熟期谷子功能葉片的葉綠素含量呈現(xiàn)出先增后減的趨勢，其中抗旱高產(chǎn)品種大同32葉片葉綠素含量降低速度最慢，衰老延緩。

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Leaf senescence and reactive oxygen metabolism of foxtail millet with different genotypes

LIU Feng-qin1,FENG Qiang-qiang1,MIAO Jia-yuan1,SU Wang1, WANG Meng2,DONG Kong-jun3,FENG Bai-li1

(1StateKeyLaboratoryofCropBiologyAdversityandAridRegions,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2YulinResearchInstituteofAgriculturalScience,Yulin,Shaanxi719000,China; 3GansuResearchInstituteofAgriculturalScience,Lanzhou,Gansu730070,China)

foxtail millet;leaf senescence;antioxidant metabolism

2014-04-24

國家自然科學(xué)基金項目(31371529)；國家谷子糜子產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(CARS-07-12.5-A9)；農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(200903007)；陜西省攻關(guān)項目

劉鳳琴(1987-)，女，河南項城人，碩士，主要從事作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)生態(tài)生理技術(shù)研究。E-mail:zkfengqin@gmail.com

馮佰利(1966-)，男，陜西耀縣人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事作物高產(chǎn)生態(tài)生理技術(shù)及小雜糧栽培、育種研究。 E-mail:7012766@163.com

時間:2015-06-10 08:40

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.07.005

S515.01

A

1671-9387(2015)07-0095-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150610.0840.005.html