甜菜幼苗光合生理對干旱脅迫的響應(yīng)

尹希龍 石楊 李王勝 興旺

（1黑龍江大學(xué)國家甜菜種質(zhì)中期庫，150080，黑龍江哈爾濱；2黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，150080，黑龍江哈爾濱）

甜菜（Beta vulgaris L.）是莧科甜菜屬2年生草本植物，為我國重要的經(jīng)濟(jì)作物和糖料作物之一[1]。華北、東北和西北地區(qū)是甜菜種植的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，甜菜主要種植在新疆、黑龍江、內(nèi)蒙古等地[2-3]，這些地區(qū)幅員遼闊，晝夜溫差大，適合甜菜生長及糖分積累[4]。但是這些地區(qū)多處于干旱、半干旱地區(qū)，土壤對水資源的承載能力較低，環(huán)境脆弱[5]。甜菜在生長時需要大量水分，特別是在苗期對水分虧缺十分敏感[6]。干旱脅迫不僅影響甜菜正常的生長發(fā)育，而且會造成產(chǎn)量和品質(zhì)的損失，成為限制甜菜產(chǎn)量的重要因素[7]。如何培育出更加耐旱的甜菜種質(zhì)資源，以便更好地在干旱、半干旱區(qū)擴(kuò)大甜菜種植及保持甜菜穩(wěn)產(chǎn)已成為重要研究內(nèi)容[8]。

植物在生長過程中會遇到各種非生物脅迫，如高溫[9]、冷害[10]和干旱等[11]。水分是植物生長的重要條件，在作物生長過程中如果水分虧缺，最先響應(yīng)的是根系[12]。植物根系伸長受到抑制，吸收水分受阻，會造成作物生長緩慢。植物的葉片狀態(tài)直接反映出植株受到干旱脅迫的影響[13]，干旱脅迫不僅會影響葉綠素含量，還會影響光合作用[14]。干旱脅迫降低植物葉片氣孔導(dǎo)度（Gs），抑制對CO2的吸收，影響凈光合速率（Pn）和蒸騰速率（Tr）[15]。水是光合作用的原料，光合作用是植物生長發(fā)育的重要代謝過程，是植物必不可少的生命活動[16]。在甜菜的非生物脅迫研究方面，大多集中在干旱脅迫對甜菜的生長和生理生化影響的研究，對干旱脅迫下甜菜表觀光合指標(biāo)的研究有一些報道[17-18]，研究了甜菜在干旱脅迫下根膨大期光合光響應(yīng)特性和干旱脅迫對甜菜葉叢期光合作用的影響等。

本試驗(yàn)研究干旱脅迫下耐旱型品種甜菜和干旱敏感型甜菜生長發(fā)育和光合生理變化，有助于從生理層面探討不同甜菜種質(zhì)對于干旱脅迫響應(yīng)的差異，探究不同耐旱性甜菜種質(zhì)對干旱脅迫的響應(yīng)。豐富甜菜抗旱機(jī)制方面研究內(nèi)容，為甜菜抗旱育種及穩(wěn)產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在黑龍江大學(xué)國家甜菜種質(zhì)中期庫進(jìn)行。供試材料為耐旱甜菜品種依安一號（V1）和干旱敏感甜菜品種92011/1-6/1（V2）。二者均由國家甜菜種質(zhì)中期庫（國家甜菜種質(zhì)資源平臺）提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

將甜菜種子用75%酒精消毒30s，沖洗干凈，在2‰的福美雙液體中浸泡12h。蛭石提前烘干，在出苗盆（高25.00cm，寬20.00cm，長35.00cm）中放入適量蛭石，將甜菜種子均勻撒在蛭石中，保持種子萌發(fā)過程中水分充足。人工氣候室培養(yǎng)10d后，待甜菜長出2片子葉，移入Hoagland營養(yǎng)液中培養(yǎng)。人工氣候室培養(yǎng)條件為320μmol/(m2·s)，溫度27℃，光/暗周期14h/10h[19]。培養(yǎng)至第3對真葉完全展開，選取長勢一致的甜菜幼苗，進(jìn)行干旱脅迫。干旱脅迫采用PEG-6000溶液（濃度為9%）模擬（DS），正常生長條件為對照組（CK），每個試驗(yàn)時間點(diǎn)取樣設(shè)置3次重復(fù)，即每次取長勢一致的3株甜菜幼苗。干旱脅迫第2、5、7天，測定甜菜幼苗生長指標(biāo)、葉片總?cè)~綠素含量和表觀光合指標(biāo)。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

莖粗：采用S071012數(shù)顯游標(biāo)卡尺（杭州巨星鋼盾工具有限公司）測定莖粗。

株高：用直尺測定甜菜幼苗地上部自然高度。

根長：用直尺測定甜菜幼苗地下部自然長度。

葉鮮重：采用ALC210.2電子天平（北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司）測定去除葉柄的甜菜幼苗葉片質(zhì)量。

根鮮重：用電子天平測定甜菜幼苗根質(zhì)量。

葉干重：用電子天平測定在OGS干燥箱（賽默飛世爾科技公司）烘干的去除葉柄的甜菜幼苗葉片質(zhì)量。

根干重：用電子天平測定在干燥箱烘干的甜菜幼苗根質(zhì)量。

甜菜幼苗總?cè)~綠素含量：稱取不同處理的甜菜幼苗葉片0.50g，充分研磨，用乙醇提取，離心，取上清液，用比色法測定[20]。

甜菜幼苗表觀光合指標(biāo)：采用CI-340光合儀（思愛迪生態(tài)科學(xué)儀器有限公司）在每天上午9:00-11:00進(jìn)行測定。測定部位為甜菜幼苗第2對完全展開的真葉，每個種質(zhì)不同處理均測定3株，每株測3次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2019和Origin 2022等統(tǒng)計軟件進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計及作圖，采用DPS 18.0軟件進(jìn)行二因素有重復(fù)試驗(yàn)統(tǒng)計分析，差異顯著性定義為P＜0.05，所有數(shù)據(jù)均為3次重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差[21]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對甜菜幼苗生長的影響

從表1可知，在正常生長條件下，品種V1和V2幼苗的莖粗、株高、根長、葉鮮重、根鮮重、葉干重和根干重隨著生長時間的增加而增加。

表1 甜菜幼苗表型指標(biāo)Table 1 Phenotypic indexes of sugar beet seedlings

在干旱脅迫下，2個甜菜品種幼苗的生長明顯受到抑制，隨著時間的增加，抑制程度不斷增強(qiáng)。V1和V2幼苗諸多生長指標(biāo)呈下降趨勢。其中，在第7天，甜菜幼苗受到干旱脅迫影響最嚴(yán)重。第7天的干旱脅迫使V1和V2幼苗的株高分別下降51.38%和74.65%（DS與CK比較，下同）；V1和V2幼苗的根長分別下降到20.33和13.00cm；V1和V2幼苗的葉鮮重下降幅度分別是76.06%和84.89%，V2下降幅度比V1大。干旱脅迫對甜菜幼苗的生長影響較大，干旱脅迫下V1與V2生長指標(biāo)比較，進(jìn)一步說明V1的耐旱性比V2好。

2.2 干旱脅迫對甜菜幼苗總?cè)~綠素含量的影響

由圖1可知，在正常生長條件下，V1和V2幼苗葉片的葉綠素含量隨時間增加逐漸增加。在第2、5、7天，V1和V2幼苗葉片的葉綠素含量沒有顯著差異。

圖1 正常水分條件下甜菜幼苗葉片總?cè)~綠素含量Fig.1 Total chlorophyll content of sugar beet seedling leaves under normal water conditions

由圖2可知，在干旱脅迫條件下，V1和V2幼苗葉片的葉綠素含量顯著降低。V1幼苗的葉綠素含量降低幅度小于V2。

圖2 干旱脅迫下甜菜幼苗葉片總?cè)~綠素含量Fig.2 Total chlorophyll content of sugar beet seedling leaves under drought stress

由圖3可知，在第2天V1幼苗葉片的葉綠素含量沒有顯著差異；在第5天，不同處理間V1幼苗葉片的葉綠素含量有顯著差異，CK處理葉綠素含量為0.25mg/g，DS處理葉綠素含量為0.18mg/g；在第7天，不同處理間V1幼苗葉片的葉綠素含量有顯著差異，含量顯著降低，降幅為48.01%。

圖3 不同水分條件下V1甜菜幼苗葉片總?cè)~綠素含量Fig.3 Total chlorophyll content of V1 sugar beet seedling leaves under different water conditions

由圖4可知，在第2天，不同處理間V2幼苗葉片的葉綠素含量沒有顯著差異；在第5天，DS處理的V2幼苗葉片葉綠素含量開始顯著降低，具有顯著差異，下降幅度為30.58%；在第7天，不同處理間V2幼苗葉片的葉綠素含量有顯著差異，CK處理葉綠素含量為0.26mg/g，DS處理葉綠素含量為0.11mg/g，下降幅度為58.05%。

圖4 不同水分條件下V2甜菜幼苗葉片總?cè)~綠素含量Fig.4 Total chlorophyll content of V2 sugar beet seedling leaves under different water conditions

2.3 干旱脅迫對甜菜幼苗表觀光合指標(biāo)的影響

從表2可知，在正常生長條件下，V1和V2幼苗葉片的Pn是隨時間增加呈上升趨勢。在干旱脅迫下，V1和V2幼苗葉片的Pn均顯著低于對照組。干旱脅迫下，甜菜幼苗葉片的Pn呈下降趨勢。其中V2幼苗葉片的Pn受到干旱脅迫的影響比V1大，在第7天時降到最低，達(dá)到了 0.20μmol/(m2·s)，比對照組降低了96.54%。

在未受到干旱脅迫情況下，V1幼苗葉片的Tr逐漸增加，V2幼苗葉片的Tr變化規(guī)律和V1相似。干旱脅迫下，V1和V2幼苗葉片的Tr隨著時間的增加逐漸下降，V1幼苗葉片的Tr在第5天時顯著下降，而V2幼苗葉片的Tr在第2天時顯著下降。V1和V2幼苗葉片的Tr在第7天時降至最低值，下降幅度分別是77.73%、89.53%，下降幅度較大的是V2，V1表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐旱性。

由表2可知，在沒有受到干旱脅迫情況下，V1和V2幼苗葉片Gs是逐漸增加的。在受到干旱脅迫時，與正常生長條件比較，V2幼苗葉片的葉片Gs逐漸下降，而V1幼苗葉片的Gs隨時間呈先上升后下降的趨勢。第2天時，V1幼苗葉片的Gs從CK處理的70.94mmol/(m2·s)升高到DS處理的111.60mmol/(m2·s)，在第5、7天時，甜菜幼苗葉片Gs開始顯著下降。而V2甜菜幼苗葉片的Gs在第2天時就開始顯著下降，雖然V2的Gs比V1的要低，但是在第5或7天時，V1與V2沒有顯著差異。

表2 甜菜幼苗葉片表觀光合指標(biāo)Table 2 Apparent photosynthetic index of sugar beet seedling leaves

在正常水分條件下，V1和V2幼苗葉片的胞間CO2濃度（Ci）隨干旱脅迫時間的增加呈上升趨勢。干旱脅迫下，V1和V2幼苗葉片的Ci隨時間的增加逐漸下降，V1幼苗葉片的Ci顯著高于V2。V1幼苗葉片的Ci下降幅度分別是48.89%、54.90%和66.56%；V2幼苗葉片的Ci下降幅度分別是50.14%、69.94%和84.49%。V1幼苗葉片的Ci下降幅度比V2的小，受到干旱脅迫影響較小。

3 討論

3.1 甜菜幼苗生長對干旱脅迫的響應(yīng)

甜菜苗期耐旱性較弱，由于幼苗沒有發(fā)育成完善的根系，對水分虧缺較為敏感[19]。干旱脅迫下，植物缺水而細(xì)胞水勢降低，細(xì)胞的收縮和細(xì)胞壁的收縮不能同步，導(dǎo)致細(xì)胞原生質(zhì)體破損，葉片出現(xiàn)卷曲或者萎蔫。耐旱性較強(qiáng)的植物根系發(fā)達(dá)，根冠比大，有較多的根毛數(shù)量，能夠在干旱脅迫下保持根系的功能，進(jìn)行正常水分吸收。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫影響了甜菜幼苗的生長，包括抑制甜菜幼苗的根長、莖粗、株高的生長和降低甜菜幼苗葉鮮重、根鮮重、葉干重及根干重。但是耐旱型甜菜幼苗的各項(xiàng)生長指標(biāo)均高于干旱敏感型甜菜幼苗，耐旱型甜菜幼苗的降幅比干旱敏感型甜菜降幅小?？赡苁悄秃敌推贩N根系較為發(fā)達(dá)，根毛長度和數(shù)量高于敏感型，雖然根系長度沒有增加，但能維持細(xì)胞水分的平衡，進(jìn)行正常的水分吸收。而敏感型品種根系較弱，在干旱脅迫下不能伸長根系或者生成更多數(shù)量的根毛，體內(nèi)的細(xì)胞水勢遭到破壞，機(jī)體受損，根系結(jié)構(gòu)功能遭到破壞，地上部分表現(xiàn)出萎蔫。隨著干旱脅迫時間的增加，2種甜菜幼苗吸收水分能力均逐漸下降，敏感型品種葉片逐漸變黃，出現(xiàn)干枯斑點(diǎn)，但沒有出現(xiàn)死亡，而耐旱型品種很少出現(xiàn)這種情況，進(jìn)一步說明耐旱型品種甜菜和干旱敏感型甜菜生長指標(biāo)對干旱脅迫的響應(yīng)。王新軍等[22]研究發(fā)現(xiàn)，番茄幼苗生長在干旱脅迫下無法吸收到充足的水分，植物器官無法生長發(fā)育，致使干物質(zhì)合成下降。說明干旱脅迫下不僅根系出現(xiàn)響應(yīng)，植物的器官發(fā)育也出現(xiàn)響應(yīng)。2種甜菜幼苗器官生長發(fā)育不能得到充足的水分，幼苗鮮重和干重下降。2種甜菜幼苗的鮮重與干物質(zhì)量隨著時間的增加均呈下降趨勢，耐旱型品種干旱脅迫下器官的生長發(fā)育雖然接近正常代謝水平，但代謝合成還是會減少，鮮重和干物質(zhì)的重量也自然下降，而敏感型品種對水分變化敏感，器官功能不能正常運(yùn)行，代謝合成能力急劇下降，鮮重和干物質(zhì)重量顯著降低。干旱脅迫下，甜菜幼苗的根系首先做出響應(yīng)[23]，甜菜幼苗失去的水分超過了根系的吸收水分，水分平衡受到破壞。甜菜幼苗器官發(fā)育由于水分的減少，物質(zhì)合成減少，鮮重減少，干物質(zhì)量也趨于下降[24]。

3.2 甜菜幼苗總?cè)~綠素含量對干旱脅迫的響應(yīng)

植物葉片中的葉綠素含量和植物的光合作用強(qiáng)弱有關(guān)，干旱脅迫下葉綠素合成減少[25]。干旱脅迫下氣孔關(guān)閉，CO2吸收下降。葉綠體被膜和基質(zhì)片層在干旱脅迫下皺縮，組織破損，光系統(tǒng)活力下降，電子傳遞和光合磷酸化活動降低。本研究結(jié)果顯示，2種甜菜幼苗的葉綠素含量隨干旱脅迫時間的增加，整體呈下降趨勢，干旱敏感型甜菜幼苗的降幅比耐旱型甜菜幼苗的降幅大。說明在干旱脅迫下，葉綠體片層結(jié)構(gòu)遭到破壞，吸收光能下降，光合作用下降，總?cè)~綠素合成降低。李劍威等[26]研究顯示，薄殼核桃幼苗在干旱脅迫下葉綠素含量下降。Wang等[27]研究表明，在干旱脅迫下，植物幼苗葉綠素含量顯著下降，均低于對照組。前人研究結(jié)果與本研究結(jié)果相同。但曾繼娟等[28]研究表明，胡枝子幼苗在干旱脅迫下，葉綠素的含量呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢。水分降低，植株的葉面積減小，葉綠素在一定程度上被壓縮，先導(dǎo)致葉綠素含量升高，隨著干旱脅迫程度的加深，葉片的水分缺失進(jìn)一步加深，葉片功能遭到損害，葉綠素合成受限，葉綠素含量降低[29]。干旱脅迫下耐旱型品種并沒有出現(xiàn)葉綠素含量先上升再降低的情況，可能是葉片面積沒有減少，葉綠體結(jié)構(gòu)破壞程度不深，組織結(jié)構(gòu)較為完整，能夠保持一定的光合作用，維持葉綠素的合成。敏感型品種在干旱脅迫下光系統(tǒng)活力快速下降，氧化程度增加，光合作用過程效率低下，總?cè)~綠素含量迅速降低[30-31]。

3.3 甜菜幼苗表觀光合對干旱脅迫的響應(yīng)

水分的缺失會影響植物的光合生命活動，Pn、Tr、Gs和Ci常作為衡量植株光合作用的強(qiáng)弱[32-33]。本研究中，干旱脅迫下甜菜幼苗的Pn、Tr、Gs和Ci趨于下降。耐旱型品種甜菜幼苗的表觀光合指標(biāo)顯著高于干旱敏感型種質(zhì)，耐旱型甜菜幼苗Pn、Tr、Gs和Ci降低的幅度比干旱敏感型甜菜幼苗降低的幅度小。說明在干旱脅迫下甜菜幼苗水分缺失，光合作用下降，直接造成Pn降低[34]。Tr是植物在一定時間內(nèi)單位葉面積蒸騰的水量，蒸騰作用反映出植株生命活動的強(qiáng)弱，隨著干旱脅迫程度的增加，甜菜幼苗水分不足，生命活動強(qiáng)度降低[35]。氣孔是水分和CO2進(jìn)出的重要門戶[36]，在干旱脅迫下，甜菜幼苗葉片氣孔保衛(wèi)細(xì)胞和周圍葉肉細(xì)胞水勢不一致，導(dǎo)致Gs變化，葉片Gs張開變化和光反應(yīng)一致[37]。植株體內(nèi)CO2濃度不足以支持植物生命活動，甜菜幼苗需要從外界吸收CO2，而氣孔的關(guān)閉會導(dǎo)致吸收CO2減少，Ci降低。陳芳等[38]研究顯示，干旱脅迫下辣椒的Pn、Tr、Gs和Ci均降低。吳海霞等[39]研究結(jié)果顯示，在干旱脅迫情況下，甜菜幼苗的氣孔阻力不斷增大，Gs隨之變小。曹兵等[40]研究表明，隨干旱脅迫的加劇，臭椿苗期Pn、Tr和Gs明顯下降。前人研究結(jié)果與本研究結(jié)果一致。耐旱型品種生命活動較強(qiáng)，水勢變化導(dǎo)致Gs和Ci減??；而敏感型品種生命活動較弱，光合作用效率下降，Gs迅速減小。

4 結(jié)論

干旱脅迫下，2種甜菜幼苗根系水分吸收減少，生長發(fā)育受到抑制，器官發(fā)育緩慢甚至破損，干物質(zhì)合成下降。CK與DS處理比較，第7天時的V2和V1幼苗根長分別下降到13.00和20.33cm；V1和V2幼苗的葉鮮重下降幅度分別是45.05%和64.06%。葉綠體基質(zhì)破壞，光合電子傳遞和氧化磷酸化活動降低，總?cè)~綠素含量降低。隨著干旱脅迫時間的增加，甜菜幼苗葉片Gs減小，吸收CO2能力下降，Tr和Pn降低。敏感型品種Pn在第7天時降到最低，為 0.20μmol/(m2·s)，比對照組降低了96.54%。耐旱型品種甜菜幼苗的各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)于干旱敏感型種質(zhì)，降幅總體上小于干旱敏感型種質(zhì)，進(jìn)一步說明2種甜菜種質(zhì)耐旱性差異，能夠更好地探究甜菜幼苗光合生理對干旱脅迫的響應(yīng)。

為全面掌握不同耐旱型甜菜品種對干旱的應(yīng)答機(jī)制，后續(xù)將從細(xì)胞學(xué)層面探討甜菜不同種質(zhì)對于干旱脅迫響應(yīng)的差異及對相關(guān)作用的重要差異表達(dá)基因和代謝通路等進(jìn)行轉(zhuǎn)錄組分析，豐富甜菜抗旱機(jī)制的研究內(nèi)容，豐富甜菜幼苗對非生物脅迫響應(yīng)的研究內(nèi)容，為甜菜穩(wěn)產(chǎn)及育種提供理論依據(jù)。