干旱脅迫對(duì)春小麥旗葉生理特征及其根系抗旱基因表達(dá)特征的影響

方 靜，史功賦，魏淑麗，程玉臣，張向前，王建國(guó)，安 玉，趙小慶，路戰(zhàn)遠(yuǎn)

(1. 內(nèi)蒙古大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020；2. 內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；3. 內(nèi)蒙古自治區(qū)退化農(nóng)田生態(tài)修復(fù)與污染治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

干旱是影響作物生長(zhǎng)發(fā)育最主要的自然災(zāi)害[1]，其導(dǎo)致作物減產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò)其他因素造成的減產(chǎn)量總和[2-5]。小麥(TriticumaestivumL.)是三大主糧之一，我國(guó)小麥的種植面積及產(chǎn)量?jī)H次于玉米、水稻[6-7]。呼倫貝爾市是內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的商品糧輸出基地[8]，春小麥?zhǔn)窃摰貐^(qū)主要種植作物之一，分布范圍較廣，種植歷史較長(zhǎng)。其中，在呼倫貝爾市陳巴爾虎旗、新巴爾虎左旗、牙克石市等大興安嶺西麓旱作區(qū)春小麥種植面積最大，約占全市春小麥種植面積的82%[8]。因此，對(duì)干旱脅迫下春小麥生理特征及其根系基因表達(dá)情況的變化特征進(jìn)行研究，以期為進(jìn)一步量化春小麥?zhǔn)芎党潭群秃祬^(qū)作物抗旱性研究提供理論依據(jù)和技術(shù)路徑。

光合作用對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)力起到?jīng)Q定性作用[9-10]。干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致春小麥旗葉光合及生理生化指標(biāo)發(fā)生改變。張士昌等[11]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下抗旱小麥品種產(chǎn)量高于水敏感品種，且抗旱小麥品種旗葉光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度下降幅度均低于水敏感品種。郭程瑾等[12]研究不同小麥品種的光合特性發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫對(duì)抗旱性強(qiáng)的品種光合影響要比抗旱性弱的品種低。也有研究表明，土壤含水量是氣孔開(kāi)啟程度的決定因素，土壤水分受限制時(shí)小麥葉片氣孔導(dǎo)度降低[13]。植株受到干旱脅迫時(shí)其生理特征也會(huì)發(fā)生顯著變化。前人研究發(fā)現(xiàn)植物受到干旱脅迫時(shí)，其細(xì)胞內(nèi)清除活性氧的酶促體系(SOD、POD等)、細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)(Pro)含量均有升高趨勢(shì)，能夠清除植物機(jī)體內(nèi)活性氧有害物質(zhì)并減輕葉片組織失水，進(jìn)而提高作物的抗旱性能[11,14]。

植物生長(zhǎng)發(fā)育和對(duì)逆境的誘導(dǎo)反應(yīng)涉及到復(fù)雜的基因表達(dá)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[15]。研究干旱脅迫下基因表達(dá)變化規(guī)律是揭示干旱脅迫分子機(jī)理的重要手段[15-16]。不同基因型春小麥耐旱程度存在著極大的差異性[17-19]，且不同春小麥品種對(duì)干旱脅迫響應(yīng)機(jī)制和調(diào)控途徑也存在較大差異。根系作為植物的水分吸收器官，其基因表達(dá)變化可直觀反映出作物抗旱性的強(qiáng)弱[18-19]。周琪等[20]研究表明，干旱處理下小麥抽穗期根、莖、葉和穗中木葡聚糖內(nèi)轉(zhuǎn)糖苷酶基因(TaXTH-7A)均有表達(dá)，并在根中優(yōu)勢(shì)表達(dá)。李素等[21]通過(guò)在小麥兩葉一心期連續(xù)進(jìn)行4 d PEG脅迫處理?xiàng)l件下，進(jìn)一步篩選小麥抗旱基因，TaBADHb基因呈上調(diào)趨勢(shì)，且該基因與小麥抗旱性密切相關(guān)。秦鵬等[22]研究指出，在干旱處理下敏感型小麥葉片TaWdreb2、TaWlip19基因表達(dá)顯著低于抗旱型小麥，說(shuō)明小麥?zhǔn)艿礁珊得{迫后不同品種的基因表達(dá)存在差異，這與小麥品種自身抗旱能力和抗旱調(diào)控途徑具有一定的相關(guān)性。

綜上所述，目前對(duì)干旱脅迫的研究主要集中在植株光合特征和生理生化指標(biāo)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律上，或分子水平基因表達(dá)的單因素研究上，而關(guān)于干旱脅迫條件下春小麥開(kāi)花期光合特性、生理生化指標(biāo)以及根系抗旱基因表達(dá)的系統(tǒng)性研究報(bào)道較少，尤其是對(duì)于多指標(biāo)間協(xié)同效應(yīng)的研究更少。本研究以抗旱組3個(gè)耐旱春小麥品種(定西40號(hào)、龍麥36號(hào)、龍麥33號(hào))和水敏感組3個(gè)水敏感春小麥品種(農(nóng)麥2號(hào)、巴麥12號(hào)、巴豐5號(hào))為研究對(duì)象，在大興安嶺西麓旱作區(qū)內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院特泥河土壤管理與生態(tài)修復(fù)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，設(shè)置旱棚防雨和調(diào)控補(bǔ)水2個(gè)水分控制處理，系統(tǒng)分析各春小麥品種的旗葉生理特征及根系抗旱基因表達(dá)差異，明確水敏感組和抗旱組春小麥的各指標(biāo)差異性，為揭示耐旱春小麥對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)機(jī)制及抗旱栽培提供了理論依據(jù)和實(shí)踐基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

根據(jù)國(guó)家現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系春小麥抗旱品種的推薦，結(jié)合查詢前人研究結(jié)果和課題組內(nèi)部的春小麥抗旱性試驗(yàn)驗(yàn)證，篩選出龍麥36號(hào)(LM36)、龍麥33號(hào)(LM33)、定西40號(hào)(DX40)3個(gè)耐旱春小麥品種和農(nóng)麥2號(hào)(NM2)、巴麥12號(hào)(BM12)、巴豐5號(hào)(BF5)3個(gè)水敏感品種作為供試材料。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2019年在內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院特泥河土壤管理與生態(tài)修復(fù)科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站(120°48′E，49°55′N，海拔650 m)開(kāi)展。試驗(yàn)區(qū)地處中溫帶半干旱大陸性草原氣候區(qū)，無(wú)霜期90～105 d，年平均日照時(shí)數(shù)2 589 h，地表土質(zhì)為黑鈣土，屬于典型內(nèi)蒙古農(nóng)牧交錯(cuò)帶大興安嶺西麓黑土地代表。土壤養(yǎng)分：堿解氮110～120 mg·kg-1、速效鉀144 mg·kg-1、速效磷20 mg·kg-1，pH 6.8。2000—2019年平均降水量為334.86 mm，2019年特泥河年降水量330.2 mm，2019年春小麥全生育期降雨量為223.9 mm(圖1)。在春小麥全生育期，7月降雨量最大為92.0 mm，占全年降水量的27.86%。

注：圖中虛線框?yàn)楹蹬锓烙?調(diào)控補(bǔ)水的水分控制處理時(shí)間，為7月5日至7月25日。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)置，其中，主處理為水分處理，包括干旱(HC)處理和對(duì)照(CK)處理；副處理為春小麥品種，主要包括抗旱組(DRG)3個(gè)品種(DX40、LM36、LM33)，水敏感組(WSG)3個(gè)品種(NM2、BM12、BF5)共6個(gè)品種處理，共12個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)3次，共36個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)面積為9 m2，區(qū)組間距為0.5 m，設(shè)置1 m寬保護(hù)行。

基于前期試驗(yàn)結(jié)果，春小麥水敏感品種比耐旱品種的開(kāi)花期提前15 d左右。因此，為保證6個(gè)春小麥品種的水分處理在同一生育期內(nèi)，2019年抗旱春小麥品種DX40、LM36、LM33的播種日期為5月5日，水敏感組春小麥品種NM2、BM12、BF5的播種日期為5月20日。播種量均為300 kg·hm-2，行距為0.15 m。播種時(shí)所有肥料一次性施入，其中尿素施入量為60 kg·hm-2、磷酸二銨施入量為180 kg·hm-2、硫酸鉀施入量為30 kg·hm-2，后期不追肥，除水分處理外，其他管理方式同大田。干旱處理在旱棚內(nèi)進(jìn)行，將土壤質(zhì)量含水量控制在8%～12%；對(duì)照組根據(jù)春小麥生長(zhǎng)發(fā)育所需水量，通過(guò)雨水自養(yǎng)與漫灌相結(jié)合的方式將土壤質(zhì)量含水量控制在25%～30%之間。干旱處理時(shí)間為22 d，于春小麥拔節(jié)期(7月4日)開(kāi)始到春小麥開(kāi)花后期(7月25日)結(jié)束。在水分控制處理的22 d內(nèi)，試驗(yàn)共進(jìn)行5次土壤質(zhì)量含水量監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)具體時(shí)間為2019年7月4日、7月10日、7月15日、7月22日、7月26日。通過(guò)監(jiān)測(cè)干旱處理最終土壤質(zhì)量含水量為10.83%，對(duì)照處理最終土壤質(zhì)量含水量為29.12%，均在試驗(yàn)預(yù)設(shè)范圍內(nèi)(圖2)。

注：不同處理土壤質(zhì)量含水量變化情況，對(duì)照處理(CK)共灌水兩次(7月11日、7月16日)，灌水量為：每個(gè)處理3次重復(fù)共2 m3。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.4.1 春小麥開(kāi)花期旗葉光合特性指標(biāo)測(cè)定 在春小麥開(kāi)花后期(全田90%以上麥穗中上部小花的內(nèi)外穎張開(kāi)，花藥散粉且部分籽粒出現(xiàn)灌漿)選擇無(wú)風(fēng)無(wú)云的晴天進(jìn)行測(cè)定，每小區(qū)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的3株春小麥測(cè)定旗葉光合特性及SPAD，重復(fù)3次。

光合特性：采用便捷式光合儀(LI-6800，LI-COR公司，美國(guó))，在9∶00—11∶30將紅藍(lán)光源設(shè)定為1 200 μmol·m-2·s-1，測(cè)定春小麥旗葉凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)。

SPAD：采用葉綠素測(cè)定儀(TYS-A，浙江拓普儀器有限公司)將春小麥旗葉(該葉片與測(cè)定光合特性葉片相同)放入葉室內(nèi)并將葉室完全覆蓋，將上下葉室?jiàn)A緊后讀數(shù)，每個(gè)葉片重復(fù)讀數(shù)3次，取平均值作為該植株葉片的SPAD。

1.4.2 春小麥開(kāi)花期旗葉生理指標(biāo)測(cè)定 在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻且具有代表性的春小麥9株，用無(wú)菌剪刀將春小麥旗葉剪下，無(wú)菌水沖洗干凈葉片表面的附著物，用吸水紙吸干葉片表面殘留的無(wú)菌水，錫箔紙包裹樣品，做好標(biāo)記，液氮速凍后放于-80℃超低溫冰箱保存?zhèn)溆?。過(guò)氧化物酶(POD)活性、超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)含量、脯氨酸(Pro)含量均參照高俊鳳[23]的方法測(cè)定。

1.4.3 春小麥地上部干重指標(biāo)測(cè)定 春小麥開(kāi)花后期，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取長(zhǎng)勢(shì)均勻且具有代表性的春小麥5株，取其地上部稱重，重復(fù)3次。將稱完鮮重的春小麥放于烘箱內(nèi)105℃殺青0.5 h后，80℃烘干至恒重，稱重。

1.4.4 春小麥開(kāi)花期根系樣品采集及保存 在每個(gè)小區(qū)內(nèi)選取長(zhǎng)勢(shì)相同且具有代表性的春小麥9株，選取新鮮幼嫩生長(zhǎng)旺盛的根，用無(wú)菌水快速清洗根表面的附著物，用吸水紙吸干根系表面殘留的無(wú)菌水，用無(wú)菌剪刀剪成1 cm的小段。將3次重復(fù)的春小麥樣品等量混合均勻后，放置于3個(gè)5 mL滅菌的離心管中，做好標(biāo)記液氮速凍后放于-80℃超低溫冰箱保存?zhèn)溆?，樣品用于總RNA的提取。

1.4.5 引物的設(shè)計(jì)與合成 參考GenBank(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/)中的XTH-7A、Wlip19、Wdreb2、BADHb、Actin(實(shí)時(shí)熒光定量?jī)?nèi)參基因)基因cDNA序列(GenBank登錄號(hào)分別為：MK395550、AB193552.1、AB193608.1、AY050316.1、AK458303.1)，利用Primer5.0軟件設(shè)計(jì)引物，用于普通PCR和實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-qPCR)[24]。引物由北京盛元科萌基因生物科技有限公司合成，引物序列信息見(jiàn)表1。

表1 引物序列信息

1.4.6 總RNA提取質(zhì)量檢測(cè)及反轉(zhuǎn)錄 參照Easy Pure Plant RNA Kit試劑盒(目錄號(hào)ER301，北京全式金生物技術(shù)有限公司)。用1%的瓊脂糖凝膠以及超微量核酸定量?jī)x(NanoDrop 2000，美國(guó))檢測(cè)提取RNA的濃度及質(zhì)量。記錄濃度(ng·μL-1)及A260/A280比值。參照TransScript All-in-One First-Strand cDNA Syn One-Step gDNA Removal thesis SuperMix for qPCR(One-Step gDNA Removal)試劑盒(目錄號(hào)AT341，北京全式金生物技術(shù)有限公司)。20 μL反應(yīng)體系為T(mén)otal RNA/ mRNA 800 ng，5×TransScript?All-in-One SuperMix for qPCR 4 μL，gDNA remover 1 μL，RNase-free Water Variable。設(shè)置PCR反應(yīng)程序?yàn)椋?42℃ 15 min)×1；(85℃ 5 s)×1；(4℃ ∞)。將反轉(zhuǎn)錄得到的cDNA(質(zhì)量濃度為1 μg·μL-1)放置于-80℃冰箱保存。

1.4.7 目的基因的PCR擴(kuò)增 25 μL的PCR體系為cDNA(1 μg·μL-1) 2 μL，2×EasyTaq? PCR SuperMix 12.5 μL，上、下游引物(10 μmol·L-1)各1 μL，Nuclease-free Water 8.5 μL。PCR反應(yīng)條件為：(94℃ 5 min)×1；(94℃ 30 s；58℃ 30 s；72℃ 30 s)×35；(72℃ 10 min)×1；(4℃ ∞)。

1.4.8 實(shí)時(shí)熒光定量PCR(RT-qPCR) 參照TransStart Tip Green qPCR SuperMix試劑盒(目錄號(hào)AQ601，北京全式金生物技術(shù)有限公司)。熒光定量PCR反應(yīng)體系為cDNA(1 μg·μL-1)1 μL，2×PerfectStartTMGreen qPCR SuperMix 10 μL，上、下游引物(10 μmol·L-1)各0.8 μL，Nuclease-free Water 7.4 μL。利用熒光定量PCR儀(Light Cycler 4800Ⅱ)進(jìn)行qRT-PCR擴(kuò)增，反應(yīng)條件：95℃預(yù)變性30 s；95℃變性5 s；60℃退火30 s；40個(gè)循環(huán)。每個(gè)樣品設(shè)置3個(gè)生物學(xué)重復(fù)，3個(gè)技術(shù)重復(fù)。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

春小麥根系抗旱基因表達(dá)水平采用2-ΔΔCt的計(jì)算方法[19]，ΔCt=Cttarget gene-Ctactin。

采用Excel 2010和IBM SPSS Statistics 22軟件進(jìn)行春小麥旗葉光合特性、生理指標(biāo)和根系抗旱基因表達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算及統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析(ANOVA)，新復(fù)極差法(Duncan)的多重比較方法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)。當(dāng)P<0.05時(shí)具有顯著性差異；P<0.01時(shí)具有極顯著差異；P>0.05時(shí)則無(wú)顯著性差異。對(duì)春小麥旗葉各指標(biāo)進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析。利用GraphPad Prism 8作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)耐旱春小麥旗葉光合特性的影響

與對(duì)照相比，干旱處理顯著降低了春小麥旗葉凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、蒸騰速率(Tr)、SPAD(P<0.05)(圖3)；而胞間CO2濃度(Ci)則呈相反結(jié)果，干旱處理下春小麥旗葉Ci顯著增加(P<0.05)。其中抗旱組春小麥旗葉Pn降低15.74%；Gs下降40.74%；Tr下降34.32%；相對(duì)葉綠素含量(SPAD)降低7.58%；Ci提高7.77%，而水敏感組Pn降低35.15%；Gs下降48.98%；Tr下降39.29%；SPAD降低13.56%；Ci提高9.09%(圖3A～E)。表明干旱處理會(huì)降低春小麥旗葉Pn、Gs、Tr、SPAD，增加Ci，而抗旱組Pn、Gs、Tr、SPAD下降幅度和Ci的上升幅度明顯小于水敏感組。

注：(A)凈光合速率；(B)胞間CO2濃度；(C)氣孔導(dǎo)度；(D)蒸騰速率；(E)SPAD；DRG：抗旱組(DX40、LM36、LM33三個(gè)品種的均值)；WSG：水敏感組(NM2、BM12、BF5三個(gè)品種的均值)。圖上不同小寫(xiě)字母表示同一組別春小麥在不同處理間P<0.05水平下顯著，下同。

干旱處理下春小麥抗旱組與水敏感組相比，具有較高的Pn、Gs、Tr和SPAD。從光合特性的角度來(lái)看，抗旱組春小麥葉片持綠性較好、衰老較慢，葉片水、氣循環(huán)與物質(zhì)交換條件良好，利于其干物質(zhì)的積累。因此，抗旱組春小麥表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性，更能適應(yīng)干旱環(huán)境。

2.2 干旱脅迫對(duì)耐旱春小麥旗葉生理指標(biāo)的影響

與對(duì)照相比，干旱處理下春小麥旗葉過(guò)氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)含量顯著增加(P<0.05)(圖4)；抗旱組分別提高了14.18%、2.00%、29.78%，而水敏感組分別提高了17.06%、7.38%、73.80%；其中抗旱組春小麥旗葉Pro含量為90.36 μg·g-1，水敏感組為70.36 μg·g-1；水敏感組春小麥旗葉MDA含量比抗旱組提高11.24%(圖4A～D)。表明抗旱組生理指標(biāo)總體變化幅度小于水敏感組，且抗旱組Pro含量明顯高于水敏感組，MDA含量明顯低于水敏感組。

注：(A)過(guò)氧化物酶活性；(B)超氧化物歧化酶活性；(C)丙二醛含量；(D)脯氨酸含量；DRG：抗旱組(DX40、LM36、LM33三個(gè)品種的均值)；WSG：水敏感組(NM2、BM12、BF5三個(gè)品種的均值)。

綜合比較，抗旱組春小麥旗葉Pro含量比水敏感組高，而POD、SOD活性、MDA含量比水敏感組低。從植株生理指標(biāo)的角度來(lái)看，抗旱組較水敏感組春小麥旗葉細(xì)胞膜脂損傷程度低、葉片組織失水少、抗氧化能力強(qiáng)，所以抗旱組春小麥能較好地維持春小麥的正常生理功能，抵抗干旱危害的能力較強(qiáng)。

2.3 干旱脅迫對(duì)耐旱春小麥根系抗旱基因表達(dá)特征的影響

干旱脅迫下，作物光合生理及植株生理指標(biāo)均會(huì)發(fā)生顯著變化。而不同春小麥品種其基因型不同?；谖墨I(xiàn)資料[19-21]發(fā)現(xiàn)，在小麥?zhǔn)艿礁珊得{迫時(shí)TaXTH-7A、TaBADHb、TaWdreb2、TaWlip19等基因會(huì)發(fā)生顯著變化。

本研究中抗旱組春小麥根系基因TaXTH-7A、TaWlip19、TaWdreb2、TaBADHb相對(duì)表達(dá)量表現(xiàn)為干旱處理顯著高于對(duì)照處理，水敏感組根系基因TaXTH-7A、TaWlip19、TaWdreb2、TaBADHb相對(duì)表達(dá)量則為干旱處理顯著低于對(duì)照處理(P<0.05)(圖5A～D)。干旱處理下抗旱組春小麥根系基因TaXTH-7A、TaWlip19、TaWdreb2、TaBADHb相對(duì)表達(dá)量分別比對(duì)照顯著提高1.067倍、1.737倍、1.036倍、0.799倍。而水敏感組春小麥根系基因TaXTH-7A、TaWlip19、TaWdreb2、TaBADHb相對(duì)表達(dá)量分別比對(duì)照顯著降低了0.735倍、0.554倍、0.667倍、0.496倍(圖5A～D)。

注：(A)TaXTH-7A相對(duì)表達(dá)量；(B)TaWlip19相對(duì)表達(dá)量；(C)TaWdreb2相對(duì)表達(dá)量；(D)TaBADHb相對(duì)表達(dá)量；DRG：抗旱組(DX40、LM36、LM33三個(gè)品種的均值)；WSG：水敏感組(NM2、BM12、BF5三個(gè)品種的均值)。

綜上，干旱處理下TaXTH-7A、TaWlip19、TaWdreb2、TaBADHb基因在抗旱組春小麥根系中相對(duì)表達(dá)量均顯著上調(diào)，而在水敏感組中4個(gè)基因表達(dá)均顯著下調(diào)，從抗旱基因表達(dá)水平上反映出抗旱組春小麥可通過(guò)上調(diào)抗旱基因表達(dá)應(yīng)對(duì)干旱危害。

2.4 干旱脅迫對(duì)耐旱春小麥地上部干重的影響

與對(duì)照相比，干旱處理下春小麥干重均顯著降低(P<0.05)，抗旱組春小麥干重降低了27.77%，而水敏感組降低了32.39%，表明干旱處理會(huì)顯著降低春小麥干重，抗旱組春小麥可以保持相對(duì)較好的生長(zhǎng)狀況，積累更多的干物質(zhì)(圖6)。

圖6 干旱處理對(duì)抗旱組、水敏感組春小麥干重的影響

2.5 春小麥生物量與春小麥旗葉生理特征的相關(guān)分析

為了明確春小麥生物量與春小麥旗葉生理特征之間的相關(guān)關(guān)系，本試驗(yàn)以春小麥地上部干重作為其生物量的代表與上述各指標(biāo)進(jìn)行了Spearman相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 春小麥地上部干重與春小麥旗葉生理特征相關(guān)系數(shù)

春小麥地上部干重與光合指標(biāo)呈顯著正相關(guān)的有4個(gè)：相對(duì)葉綠素含量(X1)、蒸騰速率(X2)、凈光合速率(X3)、氣孔導(dǎo)度(X4)；相關(guān)系數(shù)分別為0.549、0.604、0.585、0.605。春小麥地上部干重與胞間CO2濃度(X5)呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.585。

春小麥地上部干重與生理指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)的有2個(gè)：超氧化物歧化酶(X7)、丙二醛(X8)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.356、-0.440。

3 討 論

3.1 耐旱春小麥通過(guò)調(diào)節(jié)葉片水、氣循環(huán)條件適應(yīng)干旱逆境

光合作用是植物重要的生理過(guò)程之一，也是植物生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)，還是外部生態(tài)因子和內(nèi)部生理因子共同作用的復(fù)雜過(guò)程[25]。本試驗(yàn)在光合特性方面的研究表明，干旱處理下抗旱組和水敏感組春小麥旗葉SPAD、Pn、Tr、Gs顯著降低，抗旱組分別降低了7.58%、15.74%、34.32%、40.74%，而水敏感組分別降低了13.56%、35.15%、39.29%、48.98%；Ci顯著升高，抗旱組提高7.77%，水敏感組提高9.09%，抗旱組各光合指標(biāo)變化幅度小于水敏感組。本研究結(jié)果在前人的研究中也得到了印證[26-28]，并得出相同結(jié)論,即干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致春小麥旗葉持綠性差，葉片衰老加快，不利于葉片細(xì)胞物質(zhì)交換，光合作用強(qiáng)度減少，影響春小麥生長(zhǎng)發(fā)育。

一定條件下，氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)呈正相關(guān)關(guān)系[12]，在干旱和對(duì)照兩種水分處理下抗旱組春小麥旗葉SPAD、Pn、Tr、Gs下降幅度均小于水敏感組，干旱脅迫對(duì)抗旱性強(qiáng)的品種光合作用影響要比水敏感品種低且抗旱性強(qiáng)的品種可以保持相對(duì)較高的Gs，為Pn和Tr提供有利條件，而較高的Pn和Tr可以促進(jìn)作物積累較多的干物質(zhì)，促使抗旱強(qiáng)的作物保持較高的產(chǎn)量[29]。Ci的上升幅度小于水敏感組，抗旱組Ci上升幅度較小也說(shuō)明了Pn下降是由于非氣孔因素導(dǎo)致的，這與張士昌、張東等[11,28]的研究結(jié)果相同。本研究還發(fā)現(xiàn)相對(duì)葉綠素含量、蒸騰速率、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度與干重呈顯著正相關(guān)。說(shuō)明以上指標(biāo)與干物質(zhì)積累程度密切相關(guān)，可通過(guò)測(cè)定春小麥旗葉光合參數(shù)：SPAD、Pn、Tr、Gs等的變化趨勢(shì)，評(píng)估干旱對(duì)春小麥生育后期干物質(zhì)積累的危害程度，進(jìn)而量化干旱對(duì)作物造成的影響。

3.2 耐旱春小麥通過(guò)增強(qiáng)抗氧化酶活性和水溶性物質(zhì)含量緩解干旱損傷

作物在正常生長(zhǎng)發(fā)育階段會(huì)產(chǎn)生活性氧自由基(ROS)，盡管ROS有可能引起有害的氧化，但它也是一種參與控制植物生長(zhǎng)發(fā)育的信號(hào)分子[30]，在干旱脅迫下，光抑制和光呼吸會(huì)導(dǎo)致大量的ROS積累，對(duì)作物的細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害，但作物本身會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的機(jī)制來(lái)激活細(xì)胞防御系統(tǒng)進(jìn)而抵抗逆境危害[31]。本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)春小麥旗葉生理指標(biāo)的研究發(fā)現(xiàn)：干旱脅迫下抗旱組、水敏感組春小麥旗葉POD、SOD、MDA、Pro均顯著升高。在干旱處理下水敏感組春小麥旗葉POD、SOD、Pro上升幅度均顯著高于抗旱組。這說(shuō)明在干旱條件下，植物細(xì)胞內(nèi)清除活性氧的酶促體系(SOD、POD等)的含量有升高的趨勢(shì)，能夠幫助清除植物機(jī)體內(nèi)的活性氧有害物質(zhì)以提高植物的抗旱性[32-33]；孫軍偉等[34]研究表明，在小麥灌漿期遭受干旱脅迫時(shí)Pro含量急劇上升，在一定程度上減輕葉片組織失水，較好地保持了植株的正常生理功能[11,35]，而抗旱性強(qiáng)的品種Pro含量顯著高于抗旱性弱的品種，滲透物質(zhì)的增加可以使抗旱性強(qiáng)的品種保持相對(duì)較好的水分平衡。干旱處理下，抗旱性強(qiáng)的品種其MDA含量上升較小，生物膜損傷程度較小[36-38]。這與本研究結(jié)果一致。

3.3 耐旱春小麥通過(guò)上調(diào)抗旱基因表達(dá)抵御干旱危害

小麥基因的復(fù)雜多樣性可能促使小麥在干旱的環(huán)境下生長(zhǎng)[16]，這與小麥基因的表達(dá)差異有關(guān)。在基因表達(dá)方面，我們基于前人的研究結(jié)果，在抗旱功能基因和抗旱調(diào)節(jié)基因方面分別選取了2對(duì)典型的抗旱相關(guān)基因(XTH-7A、Wlip19，Wdreb2、BADHb)作為對(duì)基因表達(dá)分析的代表。楊成民等[39]研究表明，XTH-7A、BADHb基因在植物抗逆過(guò)程中編輯產(chǎn)生功能蛋白，直接對(duì)植物細(xì)胞起到保護(hù)作用。周琪等[20]研究發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下TaXTH-7A有利于作物提高滲透調(diào)節(jié)能力和更好地存活。李素等[21]研究表明，TaBADHb基因表達(dá)呈上調(diào)趨勢(shì)且該基因與小麥抗旱性密切相關(guān)。劉欣等[40]研究表明，Wdreb2、Wlip19基因在植物抗逆過(guò)程中傳導(dǎo)信號(hào)及參與抗旱相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控。秦鵬等[22]研究指出，敏感型小麥葉片在干旱脅迫下的TaWdreb2、TaWlip19基因表達(dá)顯著低于抗旱性小麥，說(shuō)明基因在不同品種小麥?zhǔn)艿礁珊得{迫后存在表達(dá)差異，這與小麥品種的抗旱能力具有一定相關(guān)性。在干旱處理下XTH-7A、Wlip19、Wdreb2、BADHb基因在抗旱組中均為高表達(dá)，在水敏感組中均為低表達(dá)，抗旱組4種基因相對(duì)表達(dá)量比對(duì)照分別顯著提高了1.067倍、1.737倍、1.036倍、0.799倍，與前人研究結(jié)果一致。

另一個(gè)有趣的發(fā)現(xiàn)是,除XTH-7A基因外，前人主要在小麥葉片上對(duì)Wlip19、Wdreb2、BADHb進(jìn)行基因表達(dá)差異的研究，而本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在根系中也可得到與前人相似的結(jié)果。由于植物不同的組織細(xì)胞生活的環(huán)境不同，基因表達(dá)具有選擇性，因此經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)錄產(chǎn)生的mRNA不完全相同。因此，本試驗(yàn)結(jié)果也可為以后的研究提供參考。

4 結(jié) 論

干旱脅迫下春小麥通過(guò)關(guān)閉或部分關(guān)閉氣孔降低氣孔導(dǎo)度，減少水分蒸發(fā)。光抑制和光呼吸會(huì)產(chǎn)生大量ROS積累，對(duì)作物細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害?？购到M春小麥積極上調(diào)根系抗氧化酶類基因、滲透調(diào)節(jié)等相關(guān)基因表達(dá)來(lái)提高其旗葉POD、SOD等抗氧化酶活性和增加Pro等水溶性物質(zhì)在胞質(zhì)中的含量，降低細(xì)胞內(nèi)活性氧濃度，減少其對(duì)細(xì)胞的毒害作用，從而緩解了干旱對(duì)春小麥生長(zhǎng)的抑制作用。耐旱春小麥通過(guò)減小根系基因表達(dá)與旗葉的光合特性及生理指標(biāo)的變化幅度，以此增強(qiáng)其干旱適應(yīng)性?？购到M春小麥提高抗旱性能并促使其較水敏感組春小麥更能抵御干旱脅迫的危害。因此，抗旱組春小麥的抗旱性較好。