黑花生花針期干旱后復(fù)水的生理響應(yīng)

趙玉坤，李 楠，寧東賢，楊秀麗

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所，山西 臨汾 041000)

【研究意義】黑花生富含硒、鋅等微量元素和多種氨基酸[1-2]，產(chǎn)量與普通紅衣花生相近，但其營養(yǎng)價(jià)值、商品附加值更好，經(jīng)濟(jì)效益更高，種衣提取色素可廣泛應(yīng)用于食藥行業(yè)[3]，加工開發(fā)前景廣闊[4]，對(duì)我國種植業(yè)優(yōu)化調(diào)整中作物種類布局有較好的借鑒意義。山西省地處黃土高原干旱、半干旱地區(qū)，降水量少且時(shí)空分布不均[5]，在作物生長季易形成“旱后降水”的農(nóng)田小氣候。作物干旱復(fù)水后的快速生長和生理修復(fù)過程[6-8]，可部分補(bǔ)償干旱脅迫對(duì)植株生長造成的損害[9-10]，也是其對(duì)外界環(huán)境變化的一種適應(yīng)機(jī)制[11]，其生理響應(yīng)及恢復(fù)程度與作物抗旱性密切相關(guān)?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】花生作為一種耐旱性油料和經(jīng)濟(jì)作物[12-13]，花針期是水分需求關(guān)鍵時(shí)期之一[14]。前人對(duì)其干旱脅迫后的生理傷害和適應(yīng)機(jī)制研究較多[15-17]，而在干旱復(fù)水后花生生理恢復(fù)機(jī)理研究主要集中在葉片光合特性、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量表現(xiàn)等方面[18-20]，通過生物產(chǎn)量和葉片生理特性來綜合評(píng)價(jià)花生耐旱性及旱后復(fù)水補(bǔ)償能力。【本研究切入點(diǎn)】根系是花生首先感應(yīng)土壤干旱脅迫的重要器官，葉片保護(hù)酶系統(tǒng)可主動(dòng)保護(hù)膜結(jié)構(gòu)使花生免受逆境脅迫傷害，針對(duì)干旱復(fù)水后花生根系活力、葉片保護(hù)酶系統(tǒng)的生理補(bǔ)償機(jī)制研究尚不多見?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文以山西南部種植的2個(gè)黑花生品種(系)為試驗(yàn)材料，分析花針期干旱處理后間隔不同時(shí)間復(fù)水條件下黑花生根系活力、葉片保護(hù)酶活性及光合特性變化規(guī)律，為黑花生旱作栽培提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2018年6—10月在山西省農(nóng)科院小麥研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行。供試2個(gè)品種(系)為豫花黑1號(hào)(YH)、臨黑3號(hào)(LH)，各選用一級(jí)果仁作種，盆栽種植，盆規(guī)格為內(nèi)徑60 cm，深55 cm，盆底部墊15 cm左右的泡沫層。取花生田0～20 cm耕層土，置于烘箱105 ℃烘干30 min，研碎、過孔徑1 mm篩，與洗凈、晾干后的沙子按5∶1混合，每盆裝混沙土30 kg。取樣地塊前茬為休閑用地，土壤石灰性褐土，基本理化性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)14.10 g/kg，堿解氮37.20 mg/kg，速效磷10.38 mg/kg，速效鉀110.00 mg/kg，pH 7.46。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)處理每盆18穴，單粒穴播，足墑播種。干旱處理設(shè)置4組：①CK，對(duì)照組，正常澆水，土壤相對(duì)含水量約70%；②T1，持續(xù)干旱處理3 d，干旱條件為土壤相對(duì)含水量約30%，過低則適度補(bǔ)水；③T2，持續(xù)干旱處理5 d；④T3，持續(xù)干旱處理7 d。在黑花生花針期干旱處理組結(jié)束澆水后，土壤相對(duì)含水量自然下降至約30%時(shí)開始實(shí)驗(yàn)，參考Hsiao[21]的方法，結(jié)合土壤水分速測(cè)儀和烘干法監(jiān)測(cè)盆中土壤相對(duì)含水量，每天早晚各1次，實(shí)驗(yàn)期間嚴(yán)格控制土壤含水量，遇雨時(shí)用遮雨棚。

分4組測(cè)定復(fù)水后各項(xiàng)指標(biāo)：①R0，復(fù)水前1 d，即干旱處理時(shí)測(cè)定相關(guān)指標(biāo)；②R1，復(fù)水1 d時(shí)測(cè)定；③R2，復(fù)水4 d時(shí)測(cè)定；④R3，復(fù)水8 d時(shí)測(cè)定。每處理3次重復(fù)，干旱控水到設(shè)定天數(shù)時(shí)復(fù)水，持續(xù)補(bǔ)水到對(duì)照水平(土壤相對(duì)含水量70%)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

光合參數(shù)測(cè)定：分別在復(fù)水前1 d，復(fù)水后1、4、8 d時(shí)，每處理選取長勢(shì)均勻一致的3株黑花生，用LI-6400光合儀測(cè)定黑花生功能葉(主莖倒3葉)的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)，測(cè)定時(shí)間為上午9：00—10：00，按公式WUE=Pn/Tr計(jì)算葉片水分利用效率。沿葉柄基部剪下功能葉，錫箔紙包裹置于液氮罐中，用于葉片酶活性測(cè)定，最后將3株黑花生根系挖出，抖凈土壤后帶回室內(nèi)沖洗干凈，置于0 ℃冰箱內(nèi)備用，用于根系活力測(cè)定。

根系活力測(cè)定：根系活力采用改良TTC法[22]測(cè)定。

保護(hù)酶系統(tǒng)相關(guān)指標(biāo)測(cè)定：參考李合生[23]的方法測(cè)定樣品葉片的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性和丙二醛(MDA)含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010和SPSS 24.0軟件對(duì)測(cè)定數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱后復(fù)水對(duì)黑花生根系活力的影響

隨著干旱脅迫時(shí)間增加，黑花生根系活力逐漸下降(圖1)，干旱7 d后，豫花黑1號(hào)和臨黑3號(hào)的根系活力與對(duì)照(CK)相比，分別降低了65.44%和62.26%。2個(gè)黑花生品種干旱后根系活力隨著復(fù)水天數(shù)的增多呈緩慢恢復(fù)趨勢(shì)。方差分析(表1)表明，不同干旱處理間、不同復(fù)水天數(shù)間、干旱與復(fù)水兩因素交互間的差異變化均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。

圖1 花針期干旱復(fù)水對(duì)黑花生根系活力的影響Fig.1 Effects of black peanut root vigor under drought and rehydration in flower needle stage

表1 不同黑花生品種干旱復(fù)水后根系活力方差分析

豫花黑1號(hào)干旱處理3、5 d后持續(xù)復(fù)水4 d，其根系活力可分別恢復(fù)至對(duì)照組(CK)的87.34%和85.92%，其后持續(xù)復(fù)水8 d，根系活力不再變化，干旱處理7 d后，根系活力遭受不可逆損傷，其后持續(xù)復(fù)水根系活力也僅可恢復(fù)至對(duì)照組(CK)的70.95%；其在適度干旱(如5 d)脅迫后復(fù)水根系活力恢復(fù)能力更強(qiáng)，但耐旱性較差，對(duì)干旱脅迫更敏感。

臨黑3號(hào)干旱處理3、5 d后持續(xù)復(fù)水，根系活力可緩慢恢復(fù)，復(fù)水第8天，根系活力分別恢復(fù)至對(duì)照組(CK)的95.28%和97.72%，干旱7 d已對(duì)臨黑3號(hào)根系造成損傷，后復(fù)水8 d僅可恢復(fù)至對(duì)照組(CK)的64.40%；其根系活力在適度干旱脅迫(如3、5 d)后復(fù)水可恢復(fù)至對(duì)照水平，耐旱性較好。

2.2 干旱后復(fù)水對(duì)黑花生葉片丙二醛含量及保護(hù)酶活性的影響

MDA是膜脂過氧化的分解終產(chǎn)物，其含量水平可代表植株遭受干旱逆境傷害程度。隨著干旱脅迫時(shí)間的增加，豫花黑1號(hào)、臨黑3號(hào)植株葉片中MDA含量逐漸增加(表2)，干旱脅迫處理7 d后，與對(duì)照相比，2個(gè)黑花生品種(系)葉片MDA含量分別較對(duì)照增加288.56%和262.81%。干旱后持續(xù)復(fù)水可部分緩解脅迫對(duì)植株的傷害，在干旱5 d復(fù)水8 d處理后，2個(gè)黑花生品種(系)葉片MDA含量可恢復(fù)至對(duì)照(CK)水平，與對(duì)照相比無顯著差異(P>0.05)。干旱脅迫處理7 d會(huì)對(duì)葉片造成不可逆損傷，其后持續(xù)復(fù)水8 d，葉片MDA含量仍維持在較高水平，2個(gè)黑花生品種分別達(dá)到對(duì)照的2.87和2.62倍，顯著高于對(duì)照(P<0.05)。

表2 不同黑花生品種干旱復(fù)水后葉片丙二醛含量及保護(hù)酶活性分析

超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)是植物主動(dòng)應(yīng)對(duì)膜脂過氧化傷害的2種重要保護(hù)酶。隨著葉片膜脂過氧化產(chǎn)物(MDA)含量的增多，SOD、POD活性逐漸增強(qiáng)，2個(gè)黑花生品種峰值均出現(xiàn)在干旱7 d脅迫處理，分別較對(duì)照增加1.81、1.78倍和2.87、2.83倍，其后變化趨勢(shì)與MDA含量變化趨勢(shì)相似。在2個(gè)黑花生品種中，葉片MDA含量較低時(shí)，SOD、POD活性也較低，當(dāng)植株受到干旱脅迫損傷較大時(shí)，葉片MDA含量升高，SOD、POD保護(hù)酶活性增強(qiáng)。方差分析(表3)顯示，葉片MDA含量及SOD、POD活性在品種、干旱、復(fù)水處理間和3處理因素交互間差異極顯著(P<0.01)。

2.3 干旱后復(fù)水對(duì)黑花生葉片光合參數(shù)的影響

隨著干旱脅迫時(shí)間的增加，2個(gè)黑花生品種(系)的葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)均呈下降趨勢(shì)(表3)。干旱7 d后，2個(gè)黑花生品種(系)4個(gè)光合參數(shù)值分別較對(duì)照(CK)下降13.16%、33.36%、20.35%、56.58%和14.01%、23.61%、19.50%、27.88%。輕度干旱脅迫處理(3 d)提高了2個(gè)黑花品種的葉片Pn值，分別較對(duì)照增加了14.48%和1.64%，而Tr、Ci和Gs3個(gè)光合參數(shù)值均低于對(duì)照值(P<0.05)。中、重度干旱處理(5和7 d)后的2個(gè)黑花生品種葉片4個(gè)光合參數(shù)值均顯著低于對(duì)照(P<0.05)。干旱脅迫5 d后持續(xù)復(fù)水8 d，豫花黑1號(hào)葉片4個(gè)光合參數(shù)值可分別恢復(fù)至對(duì)照的103.91%、98.78%、99.07%和92.92%，而臨黑3號(hào)可恢復(fù)至對(duì)照的101.71%、101.05%、100.14%和100.00%，說明臨黑3號(hào)的干旱后補(bǔ)償修復(fù)能力強(qiáng)于豫花黑1號(hào)。2個(gè)黑花生品種在干旱脅迫處理7 d后持續(xù)復(fù)水8 d，Pn、Tr、Ci和Gs4個(gè)光合參數(shù)值均顯著低于對(duì)照(P<0.05)，表明重度干旱對(duì)葉片造成不可逆損害，即使持續(xù)復(fù)水也僅可部分恢復(fù)，達(dá)不到正常植株葉片的功能水平。

表3 不同黑花生品種干旱復(fù)水后保護(hù)酶活性及丙二醛含量的方差分析

凈片凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)的比值(WUE)反映植物葉片中水分參與光合同化反應(yīng)的比值，其值越高，葉片水分利用效率越高，光合源產(chǎn)物也相應(yīng)增加。隨著干旱脅迫時(shí)間的增加，2個(gè)黑花生品種水分利用效率(WUE)均有不同幅度的增加，峰值出現(xiàn)在干旱3 d后，2個(gè)黑花生品種WUE值分別較對(duì)照增加了36.59%和22.62%。適度干旱處理后，隨著復(fù)水進(jìn)程持續(xù)，2個(gè)黑花生品種WUE值逐漸降低，但均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，說明適度干旱后復(fù)水可增強(qiáng)植株葉片耐旱性，提高水分利用效率。方差分析(表5)結(jié)果表明，葉片光合參數(shù)Pn、Tr、Ci、Gs和WUE在品種、干旱、復(fù)水三因素處理間及各因素交互間差異極顯著(P<0.01)。

表4 不同黑花生品種干旱復(fù)水后葉片光合參數(shù)分析

表5 不同黑花生品種干旱復(fù)水后光合參數(shù)值方差分析

3 討 論

3.1 干旱復(fù)水后根系活力變化

根系是作物首先感應(yīng)土壤干旱脅迫的重要器官。干旱環(huán)境脅迫影響作物根系形態(tài)發(fā)育及生理性狀，進(jìn)而影響地上部分(莖、葉)的生長。干旱條件下根系活力與葉片總?cè)~綠素含量顯著正相關(guān)[24]。適度干旱后，作物根系大量合成脫落酸這一根源逆境信號(hào)物質(zhì)，調(diào)節(jié)植株生長發(fā)育，以度過干旱逆境[25-26]。作物干旱后復(fù)水，根系活力可快速恢復(fù)，其恢復(fù)能力與作物類型和品種有關(guān)，但重度干旱脅迫會(huì)對(duì)根系造成不可逆的損傷，進(jìn)而影響植株生長發(fā)育[27]。在本研究中，豫花黑1號(hào)和臨黑3號(hào)在適度干旱脅迫(5 d)后持續(xù)復(fù)水8 d，根系活力可分別恢復(fù)至對(duì)照的85%和95%以上，臨黑3號(hào)的旱后復(fù)水補(bǔ)償生長能力優(yōu)于豫花黑1號(hào)。重度干旱脅迫(7 d)處理后，2個(gè)黑花生品種(系)的根系均有不同程度地?fù)p傷，持續(xù)復(fù)水8 d也不能恢復(fù)至對(duì)照水平，植株生長發(fā)育受到抑制。

3.2 干旱復(fù)水后葉片丙二醛含量和保護(hù)酶活性變化

丙二醛(MDA)作為植物遭受逆境脅迫時(shí)膜質(zhì)過氧化的最終產(chǎn)物，其含量高低與植物細(xì)胞膜受損程度密切相關(guān)[28-29]。干旱脅迫時(shí)，植物葉片中活性氧代謝平衡被打破，自由基增多，植物會(huì)主動(dòng)調(diào)節(jié)保護(hù)酶系統(tǒng)(SOD、POD等)活性維持在較高水平，清除自由基，保護(hù)膜結(jié)構(gòu)，減小膜質(zhì)過氧化對(duì)植物細(xì)胞的傷害[30-32]。葉片保護(hù)酶活性在干旱脅迫幾天后迅速增加，達(dá)到峰值，然后隨著干旱程度地加劇，酶結(jié)構(gòu)遭到不可逆破壞，其活性又會(huì)迅速下降[33]。適度干旱脅迫后持續(xù)復(fù)水，葉片?；蠲富钚猿省巴埂弊中巫兓厔?shì)，可有效保護(hù)作物免受干旱損害，鍛煉品種抗旱性[34-35]。在本研究中，隨著干旱脅迫天數(shù)的增加，豫花黑1號(hào)、臨黑3號(hào)葉片丙二醛含量逐漸增加，與之對(duì)應(yīng)的是葉片中超氧化物歧化酶、過氧化物酶活性升高，保護(hù)葉片膜結(jié)構(gòu)免受自由基損害。中度干旱(3～5 d)經(jīng)持續(xù)復(fù)水處理后，2個(gè)黑花生品種(系)葉片丙二醛含量會(huì)逐漸下降至對(duì)照水平，SOD、POD活性也隨之降低，重度干旱(7 d)后2個(gè)黑花生品種(系)葉片保護(hù)酶系統(tǒng)均遭受不可逆損傷，不能恢復(fù)至對(duì)照水平，這種趨勢(shì)也反映出2個(gè)黑花生品種(系)葉片保護(hù)酶系統(tǒng)在旱后復(fù)水條件下的補(bǔ)償恢復(fù)能力：豫花黑1號(hào)和臨黑3號(hào)葉片保護(hù)酶恢復(fù)能力相近，但臨黑3號(hào)對(duì)重度干旱脅迫的調(diào)節(jié)恢復(fù)能力要強(qiáng)于豫花黑1號(hào)。

3.3 干旱復(fù)水后葉片光合特性變化

干旱條件下，作物葉片光合效率(Pn)的降低主要原因是氣孔部分關(guān)閉，同時(shí)蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)也隨之下降[36-37]。光合效率是作物產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，干旱脅迫影響葉片光合產(chǎn)物的分配格局[38-39]，降低光合效率，復(fù)水后葉片中的光合產(chǎn)物向外運(yùn)輸，在植株水平上表現(xiàn)出生長補(bǔ)償[40-41]。在本研究中，隨著干旱脅迫天數(shù)的增加，葉片Pn、Tr、Ci、Gs4個(gè)光合參數(shù)值均呈下降趨勢(shì)，復(fù)水后豫花黑1號(hào)Pn恢復(fù)迅速，而臨黑3號(hào)恢復(fù)持續(xù)時(shí)間長，且復(fù)水后最終Pn值略高于對(duì)照(CK)。適度干旱處理(3～5 d)后復(fù)水，2個(gè)黑花生品種(系)葉片水分利用效率(WUE)值均顯著高于對(duì)照(P<0.05)，說明適度干旱鍛煉可提高作物植株抗旱性。與根系活力、保護(hù)酶活性變化趨勢(shì)一致，重度干旱脅迫(7 d)亦可對(duì)2個(gè)黑花生品種(系)葉片光合特性造成不可逆損害，最終影響光合產(chǎn)物的分配格局。

4 結(jié) 論

適度干旱脅迫可在一定程度上鍛煉黑花生品種(系)的抗旱性，其通過根系活力、葉片保護(hù)酶活性、光合特性等生理過程綜合調(diào)節(jié)植株整體抗旱性，復(fù)水后這些指標(biāo)可恢復(fù)至正常水平，部分生理指標(biāo)在適度干旱脅迫復(fù)水后甚至要高于對(duì)照，抗旱性更強(qiáng)；但重度干旱脅迫會(huì)對(duì)黑花生植株造成不可逆生理損害。本試驗(yàn)中豫花黑1號(hào)復(fù)水響應(yīng)迅速，但對(duì)干旱脅迫更敏感；而臨黑3號(hào)復(fù)水持續(xù)響應(yīng)時(shí)間較長，耐旱性相對(duì)較好。

干旱復(fù)水條件下黑花生根系活力、葉片丙二醛含量、保護(hù)酶活性及光合參數(shù)的變化規(guī)律，可為黑花生抗旱性研究和復(fù)水恢復(fù)能力強(qiáng)的品種(系)篩選提供理論依據(jù)，下一步應(yīng)對(duì)不同品種旱后復(fù)水條件下“根莖葉”各器官生理協(xié)同調(diào)節(jié)的物質(zhì)分配格局及分子調(diào)控機(jī)理進(jìn)行更深入地研究。