不同灌溉方式對(duì)旱區(qū)葡萄脯氨酸及滲透脅迫相關(guān)基因的影響

陳郁，張清濤*，袁利兵，陳拓，陳曉宏

不同灌溉方式對(duì)旱區(qū)葡萄脯氨酸及滲透脅迫相關(guān)基因的影響

陳郁1,2,3，張清濤1,2,3*，袁利兵4，陳拓1,2,3，陳曉宏1,2,3

（1.中山大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 珠海 519082；2.中山大學(xué) 華南地區(qū)水循環(huán)與水安全廣東省普通高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510275；3.廣東省海洋土木工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 珠海 519082；4.中山大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，廣州 510275）

【】評(píng)估不同灌溉方式的適用性。以摩爾多瓦葡萄為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理，分為2組。不同灌溉方式（灌溉水量相同），即常規(guī)溝灌（CK1）、滴灌（D）和超纖埋深滲灌（超纖毛細(xì)芯埋深10 cm）（C）；不同水分梯度的超纖表面滲灌（超纖毛細(xì)芯放置土壤表面），即普通灌溉量（CK2）；普通灌溉量的1/3（W1），低灌溉量；普通灌溉量的2/3（W2），中灌溉量。通過測(cè)量土壤含水率、葉水勢(shì)、果實(shí)脯氨酸量、5基因的相對(duì)表達(dá)量及產(chǎn)量，比較了6個(gè)處理下的摩爾多瓦葡萄受旱情況及各種指標(biāo)。不同灌溉方式下，CK1受旱時(shí)間最多，約占總時(shí)間的73%，C處理和D處理分別為67%和40%，同時(shí)，CK1脯氨酸量一直大于D處理，且產(chǎn)量、總用水效率及灌溉水利用效率均為C處理>D處理>CK1。不同水分梯度下，葡萄受旱情況差異不顯著，另外，5次采樣中，有4次W2處理脯氨酸量均明顯高于CK2，且分別為CK2的1.5、1.1、1.1、1.8倍，且總用水效率及灌溉水利用效率均為W1處理>W2處理>CK2。不同灌溉方式下，D處理維持土壤含水率的能力最強(qiáng)，C處理土壤含水率適中的時(shí)間最多，且D處理和C處理水分利用效率均大于CK1，表明超纖埋深滲灌和滴灌都是較好的節(jié)水灌溉方式；不同水分梯度下，W1處理在某些階段的5基因相對(duì)表達(dá)量是6種處理中最高的，顯示該處理下葡萄受到的水分脅迫較嚴(yán)重，但其產(chǎn)量和水分利用效率較高。因此，“超細(xì)纖維”滲灌在保持土壤有效含水量方面體現(xiàn)出了優(yōu)越性和應(yīng)用價(jià)值，是一種較優(yōu)的灌溉方式。

超纖滲灌；水分脅迫；摩爾多瓦；脯氨酸；5；水分利用效率

0 引言

【研究意義】在氣候變化的大背景下，干旱對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響[1]。全球每年灌溉用水量約為2 500 km3[2]；2013年，我國用水總量為6 183.4億m3，其中農(nóng)業(yè)用水量為3 920.3億m3，約為用水總量的63.4%[3]，而我國農(nóng)業(yè)用水效率僅43%左右[4]。Martina等[5]提出，如果灌溉用水效率適度提高10%，即在50 a的時(shí)間內(nèi)用水效率每年提高0.3%，可以減少城市地表水赤字約26.18億m3，能幫助78%的水脆弱城市及2.36億居民緩解水危機(jī)，因此提高灌溉效率具有重要意義?！狙芯窟M(jìn)展】美國氣象學(xué)會(huì)[6]將干旱分為4種類型，即氣象干旱、農(nóng)業(yè)干旱、水文干旱以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)干旱[7]。農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)涉及土壤、作物、大氣等因素。一般認(rèn)為，當(dāng)土壤相對(duì)含水率小于40%時(shí)，作物受旱嚴(yán)重；當(dāng)土壤相對(duì)含水率為40%～60%時(shí)，作物呈干旱現(xiàn)象；60%～80%時(shí)為作物生長(zhǎng)適宜含水率[8]。當(dāng)植物蒸騰失水超過土壤供水時(shí)，植物就會(huì)出現(xiàn)水分脅迫現(xiàn)象[9]。水分脅迫是限制農(nóng)作物產(chǎn)量的主要因素[10]。當(dāng)葡萄受到干旱脅迫時(shí)，其新陳代謝將會(huì)發(fā)生變化[11-12]，促進(jìn)類胡蘿卜素[13]、酚類[14-15]等特定揮發(fā)性有機(jī)化合物的合成。同時(shí)，葡萄果實(shí)也會(huì)受到影響[16]。植物脯氨酸的合成有2條途徑：一條途徑是以谷氨酸（Glu）為底物合成，另一條途徑是以鳥氨酸（Orn）為底物合成[17]。通常在植物受到脅迫或氮素缺乏的情況下，脯氨酸的主要來源是谷氨酸合成途徑[18]。吡咯啉-5-羧酸還原酶（5）和吡咯啉-5-羧酸合成酶（5）是脯氨酸合成過程中2個(gè)重要的酶。5基因由干旱脅迫、鹽和ABA誘導(dǎo)，而5基因則不被干旱脅迫、鹽和ABA誘導(dǎo)[19]。

【切入點(diǎn)】作為一種新的節(jié)水灌溉技術(shù)，“超細(xì)纖維毛細(xì)芯滲灌”（超纖滲灌）基于毛細(xì)作用的原理，通過超細(xì)纖維材料制成的滲灌裝置給植物根區(qū)供水[20]，以達(dá)到節(jié)水目的?！俺?xì)纖維”材料吸水性能優(yōu)越，“超纖滲灌”可以有效提高水分利用效率，提高生產(chǎn)力[21]。晚熟葡萄摩爾多瓦既可鮮食又可釀酒，具有高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、抗病性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在全國各地均有種植[22]。但是，“超細(xì)纖維”滲灌對(duì)摩爾多瓦葡萄脯氨酸及滲透脅迫相關(guān)基因影響的研究鮮見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過測(cè)量土壤含水率、葉水勢(shì)、果實(shí)脯氨酸量、5基因的相對(duì)表達(dá)量及產(chǎn)量，比較了不同灌溉方式下的摩爾多瓦葡萄受旱情況及各種指標(biāo)，評(píng)估不同灌溉方式的適用性。

1 材料和方法

1.1 研究概況

試驗(yàn)于2019年5—9月葡萄生長(zhǎng)季進(jìn)行。試驗(yàn)基地位于國家葡萄酒原產(chǎn)地保護(hù)區(qū)“寧夏賀蘭山東麓”的寧夏農(nóng)墾集團(tuán)玉泉營(yíng)農(nóng)場(chǎng)。農(nóng)場(chǎng)位于黃河沖積平原與賀蘭山?jīng)_積扇之間的洪積平原地帶, 屬中溫帶干旱氣候，年平均氣溫8.7 ℃，田間持水率為16%。年均降水量為201.4 mm，年平均蒸發(fā)量1 470.1 mm。賀蘭山作為天然屏障可抵御寒流，又引黃河水為灌溉之用[23]，以此優(yōu)越的自然資源，寧夏賀蘭山東麓是我國第3個(gè)“葡萄酒原產(chǎn)地域產(chǎn)品保護(hù)地區(qū)”（地理標(biāo)志產(chǎn)區(qū)），在全國釀酒葡萄產(chǎn)業(yè)中具有重要的地位[24]。試驗(yàn)地所在的鮮食葡萄園面積達(dá)0.67 hm2，四周綿延的釀酒葡萄園面積超過2萬hm2。試驗(yàn)選取9 a生鮮食葡萄品種摩爾多瓦（Lcv. Moldova），葡萄園種植方向?yàn)闁|西行向，行距為2.5 m，株間距為75 cm。滲灌環(huán)狀毛細(xì)芯選用超細(xì)纖維材料，內(nèi)環(huán)直徑約為15 cm，寬3 cm，厚2 mm，在其外部采用無紡布包裹縫合。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

葡萄園中葡萄植株為壟作，壟高20 cm，在中部位置隨機(jī)選取54棵長(zhǎng)勢(shì)均一的葡萄植株進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。每3株放置1個(gè)容量為90 L的塑料桶，連接PVC管，并通過閥門控制出水，PVC管上方設(shè)置3個(gè)細(xì)槽口供3個(gè)毛細(xì)芯穿入，毛細(xì)芯與PVC管連接緊密，無漏水現(xiàn)象。每個(gè)毛細(xì)芯對(duì)應(yīng)1棵葡萄植株，并放置于葡萄主根部（圖1（a））。試驗(yàn)共設(shè)置6個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)內(nèi)有3棵葡萄樹（每個(gè)處理9棵葡萄植株）。試驗(yàn)設(shè)置不同灌溉方式（灌溉水量相同），即常規(guī)溝灌（CK1）、滴灌（D）和超纖埋深滲灌（超纖毛細(xì)芯埋深10 cm，C）（圖1（b））；又設(shè)不同水分梯度（超纖毛細(xì)芯放置土壤表面）（圖1（a）），即超纖表面滲灌普通灌溉量（CK2）；低灌溉量：即普通灌溉量的1/3（W1）；中灌溉量：即普通灌溉量的2/3（W2）。W1處理每次水桶補(bǔ)充水量為滿桶的1/3，即30 L水，W2處理每次水桶補(bǔ)充水量為滿桶的2/3，即60 L水，其余處理每次補(bǔ)充水量為滿桶，即90 L水。試驗(yàn)灌水周期（水桶水耗完后再次向水桶補(bǔ)充水的周期）為1個(gè)月左右，受天氣影響，灌水日期有所調(diào)整，各處理灌溉次數(shù)相同。本次試驗(yàn)供水時(shí)期從5月15日至收獲前9月30日為止。如圖2所示，試驗(yàn)期內(nèi)，總降水量為109 mm，5—9月降水量分別為0.3、86.7、4.8、2.7、14.5 mm。結(jié)合試驗(yàn)期內(nèi)的日降水量，同時(shí)考慮桶內(nèi)水的余量及葡萄生長(zhǎng)狀況，在整個(gè)試驗(yàn)期內(nèi)，在5月28日、7月18日、8月15日、9月14日，共進(jìn)行了4次灌水。

圖1 超細(xì)纖維滲灌處理現(xiàn)場(chǎng)圖

圖2 試驗(yàn)地2019年5月18日—9月30日的每日降水量

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤含水率：采用土壤溫濕度傳感器（濟(jì)南仁碩公司）RK-TR-I20測(cè)量根區(qū)土壤體積含水率，測(cè)定位置為超纖毛細(xì)芯下方10 cm。每個(gè)重復(fù)放置2個(gè)傳感器，每小時(shí)記錄1次數(shù)據(jù)。選取每天06:00土壤含水率的數(shù)值并計(jì)算平均值。

葉片水勢(shì)：觀測(cè)日期05:00采集葡萄植株陰面中部成熟葉片用塑封袋保存，用壓力室法測(cè)量，儀器為蘭州大學(xué)生產(chǎn)的ZLZ-4型植物水分狀況測(cè)定儀[25]。

脯氨酸量：采用茚三酮法測(cè)定果實(shí)脯氨酸量。

脯氨酸合成基因的測(cè)定：通過實(shí)時(shí)熒光定量PCR[26]，采用SYBR GREEN染料法，以7為內(nèi)參基因[27]，做相對(duì)定量檢測(cè)。分別以CK1、CK2處理為對(duì)照。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果，采用2-△△Ct法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對(duì)定量分析：△=（目的基因）-（內(nèi)參基因），△△=△（檢測(cè)組）-△（對(duì)照組），2-△△Ct=檢測(cè)組目的基因的相對(duì)表達(dá)量[28]。引物設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 脯氨酸相關(guān)合成基因的特異性引物設(shè)計(jì)

水分利用效率（）和灌溉水利用效率（WUE）：（water production）=產(chǎn)量/（灌溉水量+降水總量），WUE=產(chǎn)量/灌溉水量[29]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與繪圖，SPSS17.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理下摩爾多瓦葡萄的受旱情況

由圖3、圖4可知，2019年5月18日—9月30日，6個(gè)處理均出現(xiàn)了不同程度的受旱情況。

圖3 不同灌溉方式及水分梯度下土壤含水率

圖4 不同灌溉方式及水分梯度下葡萄的受旱情況

不同灌溉方式下，CK1受旱嚴(yán)重的時(shí)間最長(zhǎng)，為38 d，主要集中在8月3日后；C處理為9 d，主要集中在7月初，D處理未出現(xiàn)嚴(yán)重受旱現(xiàn)象。C處理土壤含水量率為40%～60%的時(shí)間最多，為82 d，CK1、D處理次之。在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，CK1受旱時(shí)間最長(zhǎng)，約占總時(shí)間的73%，C處理D處理分別為67%和40%。此外，在試驗(yàn)中后期，C處理和D處理的土壤含水率一直高于CK1。

不同水分梯度下葡萄植株受旱情況差異不大，CK2、W1處理和W2處理嚴(yán)重受旱時(shí)間分別為3、2 d和0 d，差別很小。在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，CK2、W1處理和W2處理的受旱時(shí)間分別占整個(gè)周期的64%、61%、57%。

2.2 不同處理下摩爾多瓦葡萄葉水勢(shì)及脯氨酸量

在不同灌溉方式和不同水分梯度下，6個(gè)處理葉水勢(shì)的變化呈現(xiàn)出相似的趨勢(shì)（圖5）。不同灌溉方式下，7月23日、8月2日、13日、22日共4次采樣中，CK1葉水勢(shì)值最小，C處理次之，D處理最大。7月13日，CK1葉水勢(shì)最小，C處理最大。6次采樣中，CK1葉水勢(shì)的值均低于D處理，分別降低了11.8%、18.1%、25.5%、71.2%、18.9%、2.6%。不同水分梯度下，各處理差異并不顯著。除7月23日外，W2處理葉水勢(shì)值均為最小。在7月13日、8月2日、13日、22日4次采樣中，葉水勢(shì)值從小到大依次為W2處理

圖5 不同灌溉方式及水分梯度下的葉水勢(shì)

如圖6所示，不同灌溉方式下，CK1脯氨酸量均大于D處理，但是在8月25日和9月28日，2個(gè)處理之間的差異并不明顯。7月25日和8月25日，C處理脯氨酸量明顯高于CK1的，9月4日和28日CK1脯氨酸量明顯高于C處理的。不同水分梯度下，8月4日、25日、9月4日、28日，W1處理脯氨酸量明顯高于CK2的，特別是9月28日，W1處理脯氨酸量約為CK2的1.8倍。除8月25日外，W2處理脯氨酸量均明顯高于CK2，且分別為CK2的1.5、1.1、1.1、1.8倍。

2.3 不同處理下摩爾多瓦葡萄P5CS基因量

如圖7所示，不同灌溉方式下，8月4日、25日、9月28日CK1的5基因的相對(duì)表達(dá)量明顯高于D和C處理，但是在7月25日和9月4日，CK1、D、C處理之間的差異不顯著。不同水分梯度下，7月25日、8月25日和9月28日W1處理的5基因相對(duì)表達(dá)量明顯低于CK2，而其余2次采樣則明顯高于CK2。與CK2相比，在7月25日和9月4日，W2處理明顯低于CK2，其余幾次采樣中CK2與W2處理的5基因相對(duì)表達(dá)量差異不顯著。

圖7 不同灌溉方式和水分梯度下果實(shí)P5CS基因相對(duì)表達(dá)量

表2 不同處理下摩爾多瓦葡萄產(chǎn)量和水分利用效率

2.4 不同處理下摩爾多瓦葡萄的產(chǎn)量及水分利用效率

如圖2所示，5月15日—9月30日，試驗(yàn)期內(nèi)，總降水量為109 mm。不同灌溉方式下，產(chǎn)量、總用水效率及灌溉水利用效率均表現(xiàn)為C處理>D處理>CK1。不同水分梯度下，產(chǎn)量W1處理>CK2>W2處理，總用水效率及灌溉水利用效率均為W1處理>W2處理>CK2，且W1處理的灌溉水利用效率約為W2處理的2.6倍，約為CK2的3.7倍。

3 討論

植物水勢(shì)的測(cè)定被認(rèn)為是了解植物水分虧缺程度的最直接方法，其中葉水勢(shì)被多數(shù)研究作為衡量植物水分狀況的指標(biāo)[30]。在本試驗(yàn)中，由于8月13日各處理水勢(shì)均小于-0.4 MPa，且8月以來日平均最高氣溫達(dá)到了31.3 ℃，自8月10日起也出現(xiàn)了連續(xù)干旱。因此在8月15日進(jìn)行1次灌水。8月22日葉水勢(shì)除D處理為-0.48 MPa外，其余各處理水勢(shì)均小于-0.5 MPa。據(jù)此可以發(fā)現(xiàn)，由于氣溫高、輻射強(qiáng)，葡萄園蒸散強(qiáng)烈，此次灌水對(duì)葉水勢(shì)的影響不大；但8月25日CK1、D、C、CK2、W1、W2處理這6個(gè)處理脯氨酸量較8月13日分別下降了38.7%、31.3%、33.4%、22.0%、44.2%、22.6%，說明灌溉緩解了水分脅迫。自8月10日以來，持續(xù)的高溫少雨天氣使得各處理均受到了不同程度的水分脅迫，這也導(dǎo)致了葉片水勢(shì)的持續(xù)降低，以及9月脯氨酸量大幅反彈增加（尤其是水分脅迫程度較重、脅迫時(shí)間較長(zhǎng)的CK1），這與曹幫華等[31]的研究結(jié)果相似。劉瑞香等[32]也發(fā)現(xiàn)，不同的干旱脅迫條件下，沙棘葉內(nèi)脯氨酸量隨著干旱脅迫程度和干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。

葡萄成熟期的最后2次采樣結(jié)果表明，CK1比C處理的脯氨酸量高，是因?yàn)槠咸焉L(zhǎng)后期CK1受到的水分脅迫較嚴(yán)重，這與Stewart等[33]、Halloran等[34]的研究結(jié)果是一致的。有的植物隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，脯氨酸量逐漸增加，Saglam等[35]發(fā)現(xiàn)銀羽斑竹芋（）在70 d時(shí)的脯氨酸量較20 d時(shí)明顯增加。因此，在脅迫條件下，脯氨酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增高是植物的一種適應(yīng)性, 能夠控制自身的水分平衡，保證植物不受或少受脅迫的危害，脯氨酸積累是植物為了對(duì)抗干旱脅迫而采取的一種保護(hù)性響應(yīng)[36]。

不同水分梯度下，3個(gè)處理受旱時(shí)間差異不大，但收獲前CK2的脯氨酸量最低，表明普通灌溉量的超纖滲灌下葡萄植株所受的水分脅迫較小。在8月4日和9月4日2次采樣中，W1處理的5基因相對(duì)表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CK2，表明W1處理在該階段的水分脅迫較嚴(yán)重，這是由于其灌溉量最小。其余采樣中，CK2、W1、W2處理水勢(shì)、脯氨酸量、5基因相對(duì)表達(dá)量之間的差異不大。Schultz等[37]在比較了多種試驗(yàn)方法的結(jié)果后認(rèn)為，葡萄葉片具有明顯的滲透調(diào)節(jié)能力，其滲透調(diào)節(jié)可達(dá)數(shù)百kPa。Taylor等[9]發(fā)現(xiàn)在水分脅迫下，赤霞珠果實(shí)脯氨酸量增加，同時(shí)這也誘導(dǎo)了脯氨酸合成的關(guān)鍵基因，如5表達(dá)量的增加。這是由于脯氨酸是水溶性最大的氨基酸[38]，表明具有易于水合的趨勢(shì)或具有較強(qiáng)的水合能力。在植物受旱時(shí)脯氨酸的增加有助于細(xì)胞或組織的持水作用，防止脫水[39]。楊素鈾等[40]發(fā)現(xiàn)在水分脅迫下，不同品種的小麥幼苗及谷子幼苗中游離脯氨酸量明顯的增高，且隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，游離脯氨酸量成10倍或幾十倍地增加。不同水分梯度下，W1處理灌溉量最少，受到的水分脅迫最為嚴(yán)重，但其產(chǎn)量和灌溉水利用效率大于CK2和W2處理，這與于文穎等[41]的研究結(jié)果相似，即適度的水分脅迫能夠提高玉米葉片的水分利用效率，從而增強(qiáng)葉片對(duì)水分的利用能力，抵御干旱的環(huán)境。

超纖滲灌通過毛細(xì)芯浸潤(rùn)方式給作物根部供水，較好地減輕了傳統(tǒng)滲灌的堵塞問題，同時(shí)不需要額外的灌溉動(dòng)力即可達(dá)到灌溉的目的[34,42]。譚圣林等[42]報(bào)道環(huán)狀毛細(xì)芯滲灌可以大幅提升灌水均勻度；孫伊博等[20]利用棉質(zhì)毛細(xì)芯等材料作為引水介質(zhì)在野外大田中的試驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)狀毛細(xì)芯滲灌可以大幅節(jié)約水資源。本試驗(yàn)表明，與常規(guī)溝灌相比，滴灌和超纖滲灌可以有效地減少作物受旱時(shí)間，使作物免受嚴(yán)重的干旱脅迫傷害。

4 結(jié)論

不同灌溉方式下，滴灌維持土壤含水量的能力最好，其次是超纖埋深滲灌，且滴灌和超纖埋深滲灌水分利用效率均大于CK1，表明超纖埋深滲灌和滴灌都是較好的節(jié)水灌溉方式；不同水分梯度下，W1的低水處理在某些階段的5基因相對(duì)表達(dá)量最高，顯示該處理水分脅迫較嚴(yán)重，但其產(chǎn)量和水分利用效率較高。與CK1相比，超纖滲灌在保持土壤水分方面體現(xiàn)出了優(yōu)越性和應(yīng)用價(jià)值，其緩慢滲水特性使得土壤含水率較為穩(wěn)定，減少了大量的土壤深層滲漏和蒸發(fā)損失，節(jié)約水資源。在葡萄生長(zhǎng)后期，CK1比C處理的脯氨酸量高，是因?yàn)镃K1水分脅迫時(shí)間較長(zhǎng)，受旱較重。因此，“超細(xì)纖維”滲灌可以較好地穩(wěn)定土壤含水率，使葡萄植株免于長(zhǎng)時(shí)間的水分脅迫，是一種較優(yōu)的灌溉方式。

[1] CARTWRIGHT J M, LITTLEFIELD C E, MICHALAK J L, et al. Topographic, soil, and climate drivers of drought sensitivity in forests and shrublands of the Pacific Northwest, USA[J]. Scientific Reports, 2020, 10(1): 18 486.

[2] ROST S, GERTEN D, BONDEAU A, et al. Agricultural green and blue water consumption and its influence on the global water system[J]. Water Resources Research, 2008, 44(9).

[3] KANG S Z, HAO X M, DU T S, et al. Improving agricultural water productivity to ensure food security in China under changing environment: From research to practice[J]. Agricultural Water Management, 2017, 179: 5-17.

[4] 侯波. 提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率研究[J]. 水利科技與經(jīng)濟(jì), 2020, 26(6): 55-58.

HOU Bo. Study on improving agricultural irrigation water efficiency[J]. Water Conservancy Science and Technology and Economy, 2020, 26(6): 55-58.

[5] FL?RKE M, SCHNEIDER C, MCDONALD R I. Water competition between cities and agriculture driven by climate change and urban growth[J]. Nature Sustainability, 2018, 1(1): 51-58.

[6] American Meteorological Society. Meteorological drought Policy statement[J]. Bulletin of American Meteorological Society, 1997, 78: 847-849.

[7] 袁文平, 周廣勝. 干旱指標(biāo)的理論分析與研究展望[J]. 地球科學(xué)進(jìn)展, 2004, 19(6): 982-991.

YUAN Wenping, ZHOU Guangsheng. Theoratical study and research prospect on drought indices[J]. Advance in Earth Sciences, 2004, 19(6): 982-991.

[8] 王密俠, 馬成軍, 蔡煥杰. 農(nóng)業(yè)干旱指標(biāo)研究與進(jìn)展[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 1998, 16(3): 122-127.

WANG Mixia, MA Chengjun, CAI Huanjie. Research progress in agricultural drought index[J]. Agricultural Reseach in the Arid Areas, 1998, 16(3): 122-127.

[9] TAYLOR C B. Proline and water deficit: Ups, Downs, ins, and outs[J]. The Plant Cell, 1996, 8(8): 1 221-1 224.

[10] JAIN R, CHANDRA A, VENUGOPALAN V K, et al. Physiological changes and expression of SOD and P5CS genes in response to water deficit in sugarcane[J]. Sugar Tech, 2015, 17(3): 276-282.

[11] BINDON K A, DRY P R, LOVEYS B R. Influence of plant water status on the production of C13-norisoprenoid precursors in vitis vinifera L. cv. cabernet sauvignon grape berries[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2007, 55(11): 4 493-4 500.

[12] SAVOI S, WONG D C J, ARAPITSAS P, et al. Transcriptome and metabolite profiling reveals that prolonged drought modulates the phenylpropanoid and terpenoid pathway in white grapes (Vitis vinifera L.)[J]. BMC Plant Biology, 2016, 16(1): 1-17.

[13] DELUC L G, QUILICI D R, DECENDIT A, et al. Water deficit alters differentially metabolic pathways affecting important flavor and quality traits in grape berries of Cabernet Sauvignon and Chardonnay[J]. BMC Genomics, 2009, 10(1): 1-33.

[14] CASTELLARIN S D, MATTHEWS M A, GASPERO G, et al. Water deficits accelerate ripening and induce changes in gene expression regulating flavonoid biosynthesis in grape berries[J]. Planta, 2007, 227(1): 101-112.

[15] HOCHBERG U, DEGU A, CRAMER G R, et al. Cultivar specific metabolic changes in grapevines berry skins in relation to deficit irrigation and hydraulic behavior[J]. Plant Physiology and Biochemistry, 2015, 88: 42-52.

[16] SAVOI S, WONG D C J, DEGU A, et al. Multi-omics and integrated network analyses reveal new insights into the systems relationships between metabolites, structural genes, and transcriptional regulators in developing grape berries (Vitis vinifera L.) exposed to water deficit[J]. Front Plant Sci, 2017, 8: 1 124.

[17] DELAUNEY A J, VERMA D P S. Proline biosynthesis and osmoregulation in plants[J]. The Plant Journal, 1993, 4(2): 215-223.

[18] 王麗媛, 丁國華, 黎莉. 脯氨酸代謝的研究進(jìn)展[J]. 哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 26(2): 84-89.

WANG Liyuan, DING Guohua, LI Li. Progress in synthesis and metabolism of proline[J]. Natural Science Journal of Harbin Normal University, 2010, 26(2): 84-89.

[19] 郭春芳, 孫云. 干旱脅迫下植物的滲透調(diào)節(jié)及脯氨酸代謝研究進(jìn)展[J]. 福建教育學(xué)院學(xué)報(bào), 2015, 16(1): 114-118, 128.

GUO Chunfang, SUN Yun. Progress in the study of plants' osmotic adjustment and proline metabolism under drought stress[J]. Journal of Fujian Institute of Education, 2015, 16(1): 114-118, 128.

[20] 孫伊博, 張清濤, 王垚, 等. 旱區(qū)“環(huán)狀毛細(xì)芯滲灌”對(duì)葡萄生長(zhǎng)發(fā)育和果實(shí)品質(zhì)的影響研究[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2018, 36(3): 1-8.

SUN Yibo, ZHANG Qingtao, WANG Yao, et al. Influence research on infiltration irrigation by annular capillary wicking to growing development and fruit quality of grape in arid region[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2018, 36(3): 1-8.

[21] 袁學(xué)冬. 超纖滲灌對(duì)干旱區(qū)葡萄生長(zhǎng)及果實(shí)品質(zhì)的影響研究[D]. 廣州：中山大學(xué), 2019.

YUAN Xuedong. Study on effects of the Microfiber Wicking Infiltration Irrigation (MWII) on table grape growth and berry quality in arid areas[D]. Guangzhou: Sun Yat-Sen University, 2019.

[22] 王珊, 蘇玲, 宮磊, 等. 避雨栽培下行間生草對(duì)‘摩爾多瓦’葡萄果實(shí)品質(zhì)的影響[J]. 中外葡萄與葡萄酒, 2020(2): 20-24.

WANG Shan, SU Ling, GONG Lei, et al. Effects of cover crops on berry quality of ‘Moldova’ under rain-shelter cultivation[J]. Sino-Overseas Grapevine & Wine, 2020(2): 20-24.

[23] 李玉鼎, 李欣, 張光弟, 等. 寧夏葡萄酒產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展的思考與技術(shù)創(chuàng)新[J]. 中外葡萄與葡萄酒, 2010(3): 74-77.

LI Yuding, LI Xin, ZHANG Guangdi, et al. Thinking on sustainable development of Ningxia wine industry and technical innovation[J]. Sino-Overseas Grapevine & Wine, 2010(3): 74-77.

[24] 張春芝, 江志國. 賀蘭山東麓地區(qū)酵母菌資源優(yōu)勢(shì)的研究進(jìn)展初探[J]. 農(nóng)產(chǎn)品加工(學(xué)刊), 2014(3): 46-48, 51.

ZHANG Chunzhi, JIANG Zhiguo. Discussion on yeast' resource advantages in eastern region of Helan mountain[J]. Academic Periodical of Farm Products Processing, 2014(3): 46-48, 51.

[25] 高俊鳳. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2006: 19, 142, 210, 228.

GAO Junfeng. Experimental guidance for plant physiology[M]. Beijing: Higher Education Press, 2006: 19, 142, 210, 228.

[26] 趙曉, 馬會(huì)勤, 陳尚武, 等. 葡萄果實(shí)發(fā)育后期半定量RT-PCR內(nèi)參基因的優(yōu)選[J]. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 15(3): 7-14.

ZHAO Xiao, MA Huiqin, CHEN Shangwu, et al. Internal reference gene selection for semi quantitative RT-PCR of genes in the second half of grape berry development[J]. Journal of China Agricultural University, 2010, 15(3): 7-14.

[27] GUTHA L R, CASASSA L F, HARBERTSON J F, et al. Modulation of flavonoid biosynthetic pathway genes and anthocyanins due to virus infection in grapevine (Vitis vinifera L.) leaves[J]. BMC Plant Biology, 2010, 10: 187.

[28] HASHIMOTO K, ECKERT C, ANSCHüTZ U, et al. Phosphorylation of calcineurin B-like (CBL) calcium sensor proteins by their CBL-interacting protein kinases (CIPKs) is required for full activity of CBL-CIPK complexes toward their target proteins[J]. The Journal of Biological Chemistry, 2012, 287(11): 7 956-7 968.

[29] 秦軍紅, 陳有君, 周長(zhǎng)艷, 等. 膜下滴灌灌溉頻率對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)、產(chǎn)量及水分利用率的影響[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(7): 824-830.

QIN Junhong, CHEN Youjun, ZHOU Changyan, et al. Effects of frequency of drip irrigation frequency under mulch on potato growth, yield and water use efficiency[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(7): 824-830.

[30] 肯吉古麗?蘇力旦, 袁森. 不同滲灌深度對(duì)設(shè)施葡萄種植的影響[J]. 中國果菜, 2020, 40(11): 55-58.

SULIDAN·Kenjiguli, YUAN Sen. Effect of different depth of infiltration irrigation on grape planting in facility[J]. Chinese Fruit and Vegetable, 2020, 40(11): 55-58.

[31] 曹幫華, 張明如, 翟明普, 等. 土壤干旱脅迫下刺槐無性系生長(zhǎng)和滲透調(diào)節(jié)能力[J]. 浙江林學(xué)院學(xué)報(bào), 2005, 22(2): 161-165.

CAO Banghua, ZHANG Mingru, ZHAI Mingpu, et al. Growth and osmotic regulation of Robinia pseudoacacia clones under soil drought stress[J]. Journal of Zhejiang Forestry University, 2005, 22(2): 161-165.

[32] 劉瑞香, 楊劼, 高麗. 中國沙棘和俄羅斯沙棘葉片在不同土壤水分條件下脯氨酸、可溶性糖及內(nèi)源激素含量的變化[J]. 水土保持學(xué)報(bào), 2005, 19(3): 148-151, 169.

LIU Ruixiang, YANG Jie, GAO Li. Changes of proline, soluble sugar and endogenous hormones in leaves of Chinese hippophae rhamnoides and Russian hippophae rhamnoides under different soil water conditions[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(3): 148-151, 169.

[33] STEWART G R, LEE J A. The role of proline accumulation in halophytes[J]. Planta, 1974, 120(3): 279-289.

[34] HALLORAN G M, PENNELL A L. Duration and rate of development phases in wheat in two environments[J]. Annals of Botany, 1982, 49(1): 115-121.

[35] SAGLAM A, KADIOGLU A, TERZI R, et al. Physiological changes in them in post-stress emerging Ctenanthe setosa plants under drought conditions[J]. Russian Journal of Plant Physiology, 2008, 55(1): 48-53.

[36] ASHRAF M, FOOLAD M R. Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress resistance[J]. Environmental and Experimental Botany, 2007, 59(2): 206-216.

[37] SCHULTZ H R, MATTHEWS M A. Vegetative growth distribution during water deficits in vitis vinifera L[J]. Functional Plant Biology, 1988, 15(5): 641.

[38] SZABADOS L, SAVOURé A. Proline: a multifunctional amino acid[J]. Trends in Plant Science, 2010, 15(2): 89-97.

[39] 朱虹, 祖元?jiǎng)? 王文杰, 等. 逆境脅迫條件下脯氨酸對(duì)植物生長(zhǎng)的影響[J]. 東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2009, 37(4): 86-89.

ZHU Hong, ZU Yuangang, WANG Wenjie, et al. Effect of proline on plant growth under different stress conditions[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2009, 37(4): 86-89.

[40] 楊素鈾, 張仲明. 水分和鹽脅迫對(duì)幾種禾本科作物幼苗體內(nèi)脯氨酸含量的影響[J]. 西北師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 1983, 19(2): 48-51, 47.

YANG Suyou, ZHANG Zhongming. Effects of water and salt stress on proline content in several grasses seed[J]. Journal of Northwest Normal University, 1983, 19(2): 48-51, 47.

[41] 于文穎, 紀(jì)瑞鵬, 馮銳, 等. 不同生育期玉米葉片光合特性及水分利用效率對(duì)水分脅迫的響應(yīng)[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2015, 35(9): 2 902-2 909.

YU Wenying, JI Ruipeng, FENG Rui, et al. Responses of photosynthetic characteristics and water use efficiency of maize leaves to water stress at different growth stages[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(9): 2 902-2 909.

[42] 譚圣林, 張清濤, 邱國玉, 等. 滲灌技術(shù)助力水資源節(jié)約[J]. 高科技與產(chǎn)業(yè)化, 2014(5): 66-69.

TAN Shenglin, ZHANG Qingtao, QIU Guoyu, et al. Infiltration irrigation technology helps save water resources[J]. High Technology and Industrialization, 2014(5): 66-69.

The Effects of Irrigation Methods on Proline- and Osmotic Stress-Related Genes of Grape (L.cv. Moldova) in Arid Regions

CHEN Yu1,2,3, ZHANG Qingtao1,2,3*, YUAN Libing4, CEHN Tuo1,2,3, CHEN Xiaohong1,2,3

(1.School of Civil Engineering, Sun Yat-sen University, Zhuhai 519028, China; 2.Key Laboratory of Marine Civil Engineering of Guangdong Province, Guangzhou 510275, China; 3 .Guangdong University Key Laboratory of Water Cycle and Security in South China, Sun Yat-sen University, Guangzhou 519082, China; 4.School of life sciences, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, China)

【】Metabolic activities and the genes coding them are modulated by soil water, and the aim of this paper is to study how a new irrigation technology - microfiber capillary core infiltration irrigation (MII) –affects soil water content, leaf water potential, expression of proline- and osmotic stress-related genes of grape in comparison with conventional irrigation methods.【】We used the Moldovan variety (L. cv. Moldova) as the model plant and conducted the experiment from May to September in 2019 in Yuquanying Farm at the eastern foot of Helan Mountain in Ningxia province. We compared three irrigation methods: conventional ditch irrigation (CK1), drip irrigation (D), and the new microfiber capillary core infiltration irrigation by burying the fibers at the depth of 10 cm; the irrigation amount in all of them was the same. To study the efficacy of MII in saving water, we also laid the capillary fibers over the soil surface and compared three irrigation accounts: the amount used in conventional irrigation (CK2), and reducing it by 2/3 (W1) and 1/3 (W2) respectively. In each treatment, we measured soil water content, leaf water potential, proline content of the fruits, and relative expression of5genes. 【】All treatments resulted in water stress though the degree of the stress varied. The water stress in CK1 was most severe persisting in 73% of the growing season, followed by C and D with the crop in the former and the latter suffering from water stress in 67% and 40% of its growth season respectively. The effects of the irrigation method on fruit yield, water use efficiency and irrigation water use efficiency were ranked in the order of C > D > CK1, and in the middle and later growth stage, the soil water content in C and D was higher than that in CK1. For MII, we did not find difference in water stress between the three irrigation amounts at significant level. The leaf water potential in CK1 was less than that in D, meaning that CK1 was more likely to have given rise to water stress, while its proline content was greater than that in D. For all data we measured, the leaf water potential was least in CK1 and largest in D, with that in C in between. Under different irrigation amounts in MII, the leaf water potential was ranked in the order of W2 W2 >CK2. Coding proline synthesis, the content of5gene reflects the water stress and their relative expression in CK1 was significantly higher than those in D and C only from 4 to 28 August. Outside this window, there was no insignificant difference between them based on the data measured on July 25 and September 4.【】Water use efficiency of D and MII was higher than that of CK1, indicating both microfiber infiltration irrigation and drip irrigations were water-saving. Among all treatments, the relative expression of5gene was the highest in W1, indicating grapes in this treatment had been subjected to serious water stress despite achieving high yield and water use efficiency. Therefore, the superfine fiber infiltration is an improved irrigation method for grape production in arid regions as studied in this paper.

microfiber irrigation; water stress;LcvMoldova; proline;5; water use efficiency

S562

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021206

1672 - 3317（2021）11 - 0009 - 08

陳郁, 張清濤, 袁利兵, 等. 不同灌溉方式對(duì)旱區(qū)葡萄脯氨酸及滲透脅迫相關(guān)基因的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(11): 9-16.

CHEN Yu, ZHANG Qingtao, YUAN Libing, et al. The Effects of Irrigation Methods on Proline- and Osmotic Stress-related Genes of Grape (L.cv. Moldova) in Arid Regions[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(11): 9-16.

2021-05-15

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（31270748，31470707）；深圳市科技研發(fā)資金基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（JCYJ20150331160617771）；海綿城市建設(shè)水系統(tǒng)科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（武漢大學(xué)）（2020-05）

陳郁，女，碩士研究生，研究方向?yàn)樗Y源高效利用。E-mail:cheny779@mail2.sysu.edu.cn

張清濤，男，副教授，研究方向?yàn)樗Y源高效利用。E-mail: zhangqt6@mail.sysu.edu.cn

責(zé)任編輯：趙宇龍