干旱和復(fù)水對不同抗旱型谷子品種苗期生理指標(biāo)的影響

張明飛 遲悅 王慧穎 相吉山 王韶婉 于龍君 田佳和 周明旭 朱天浩

摘 要：為了了解不同抗旱型谷子品種抗旱性差異的生理基礎(chǔ)，本研究以5個極抗旱和5個極弱抗谷子品種為實驗材料，對其進行PEG干旱脅迫和復(fù)水處理，分別測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和丙二醛（MDA）含量變化。結(jié)果表明，干旱脅迫前，不同抗旱型谷子品種的SOD、POD酶活性差異不顯著；極弱抗型谷子的MDA含量略高于極抗旱谷子。干旱脅迫后，極抗旱型谷子的SOD酶活性顯著高于極弱抗型谷子，極弱抗型谷子的MDA含量顯著高于極抗旱型谷子，不同抗旱型谷子品種間POD酶活性差異不顯著。復(fù)水處理后，極抗旱型谷子的SOD酶活性仍大于極弱抗型谷子，不同抗旱型谷子的POD酶活性水平下降，但仍高于脅迫前，極弱抗型谷子的MDA含量顯著高于極抗旱型谷子。

關(guān)鍵詞：谷子；干旱脅迫；復(fù)水處理；生理指標(biāo)

中圖分類號：Q945；S515? 文獻標(biāo)識碼：A? 文章編號：1673-260X（2023）09-0039-04

谷子（Setaria italica L.）起源于我國黃河流域，屬于禾本科植物黍亞科（Panicoideae）黍族（Paniceae）狗尾草屬（Setaria）[1]，在我國有8700多年的栽培史。谷子是C4植物，具有生育期短、基因組小、營養(yǎng)豐富、適應(yīng)性廣等特點，是禾本科研究的模式作物，是我國北方的主要雜糧作物之一，分布在北方的干旱、半干旱地區(qū)。

干旱是眾多非生物脅迫中嚴重影響農(nóng)作物生長、代謝和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一[2]。植物在遭受干旱脅迫時，細胞內(nèi)外滲透勢、葉面卷曲、萎蔫程度等均受影響，在植物形態(tài)上表現(xiàn)顯著并且激發(fā)包括超氧自由基（O2-）、過氧化氫等活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）的產(chǎn)生?；钚匝醯漠a(chǎn)生會導(dǎo)致脂類、核酸以及糖類物質(zhì)的損傷[3]。為了使細胞免受活性氧的毒害，保證細胞正常生理功能，植物已經(jīng)進化出復(fù)雜防御活性氧毒害的保護酶系統(tǒng)。超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SOD）是生物體內(nèi)普遍存在的參與氧代謝的一種含金屬酶，該酶是植物體內(nèi)重要的保護酶之一，與植物的衰老及抗逆性密切相關(guān)[4]。過氧化物酶（peroxisome，POD）在清除種子萌發(fā)過程中產(chǎn)生的自由基傷害上擔(dān)負重要的功能。研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫后，SOD活性會隨著干旱脅迫程度的增加而有顯著上升的趨勢，同時POD的變化呈先上升后下降的趨勢。李長明等研究表明，干旱脅迫條件下，水稻抗旱性與其葉片中的SOD活性有關(guān)，品種的抗旱性強，其SOD活性隨著土壤水分的降低而升高[5]。朱永波等研究報道，POD活性在水分脅迫下與品種的抗旱性密切相關(guān)，抗旱性強的品種能維持較高的POD活性[6]。丙二醛（MDA）是植物細胞膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，對細胞具有毒害作用，逆境條件會加劇MDA的產(chǎn)生和積累[7]。MDA的含量和細胞膜脂的透性變化能夠反映植物在逆境脅迫中細胞膜脂遭受破壞的程度。

因此，超氧化物歧化酶、丙二醛和過氧化物酶等物質(zhì)的含量或活性可以反映植物抵抗逆境的能力。作物的抗旱性不僅體現(xiàn)在其對干旱脅迫的耐受程度上，而且還應(yīng)包括脅迫狀態(tài)解除后的恢復(fù)能力。因此，作物干旱后復(fù)水機理的研究對其抗旱性的改良具有重要意義。本研究利用水培試驗對不同抗旱類型的谷子品種進行干旱脅迫和復(fù)水處理，測定其SOD、POD和MDA等生理指標(biāo)，探索不同抗旱類型的谷子品種在受到干旱脅迫和復(fù)水處理后，其生理指標(biāo)的變化規(guī)律，為谷子抗旱性品種的選育和改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試材料為前期篩選出10個不同抗旱型的谷子品種，如表1所示。

1.2 試驗方法

1.2.1 適宜PEG脅迫濃度的篩選

隨機選取5個谷子品種作為發(fā)芽試驗材料（敖谷8號、大同41、大同27號、隴谷14、長生11），采用直徑12cm培養(yǎng)皿鋪濾紙進行種子發(fā)芽實驗，將種子均勻分布在濾紙上，PEG脅迫濃度設(shè)置5個質(zhì)量分數(shù)梯度分別為5%、10%、15%、20%、25%，以蒸餾水做對照。每天根據(jù)濾紙濕潤程度補充相應(yīng)溶液或蒸餾水，室溫下發(fā)芽5天后，統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)和未發(fā)芽數(shù)，計算發(fā)芽率。

1.2.2 谷子幼苗處理

將10個不同抗旱類型的谷子品種種植在穴盤中，以蛭石為基質(zhì)，定時澆水保持蛭石濕潤。待谷子生長至三葉期時，用清水輕輕沖洗掉谷子幼苗根部的蛭石后轉(zhuǎn)入1/4MS營養(yǎng)液中，適應(yīng)培養(yǎng)24h后進行第一次取樣；將適應(yīng)培養(yǎng)后的谷子幼苗轉(zhuǎn)入1/4 MS和適宜PEG脅迫濃度（質(zhì)量分數(shù)20%）的營養(yǎng)液中脅迫24h后進行第二次取樣；再將脅迫24h后的谷子幼苗轉(zhuǎn)入1/4MS營養(yǎng)液中復(fù)水處理24h后進行第三次取樣，每次取樣葉片數(shù)不少于50片。3次取樣樣品用液氮速凍后立即置于-80℃超低溫冰箱中保存待測。

1.2.3 生理指標(biāo)測定

采用合肥萊爾生物科技有限公司的試劑盒YX-W-A401測定MDA、試劑盒YX-W-A500測定SOD和試劑盒YX-C-A502測定POD酶活性，按照試劑盒說明書進行取樣、勻漿、離心、測定等實驗操作。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對試驗數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計和作圖，利用SPSS 26.0對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 適宜PEG濃度篩選

發(fā)芽實驗表明，5個谷子品種的發(fā)芽率隨PEG脅迫濃度的升高，發(fā)芽率整體呈下降趨勢，但是PEG脅迫濃度小于15%時，發(fā)芽率下降不明顯；當(dāng)PEG脅迫濃度達到20%時，5個谷子品種的發(fā)芽率差異較大；當(dāng)PEG脅迫濃度達到25%時，5個谷子品種的發(fā)芽率均為0，因此，后續(xù)實驗選擇脅迫濃度20%的PEG脅迫處理谷子幼苗，如圖1所示。

2.2 干旱脅迫和復(fù)水處理對不同抗旱類型谷子SOD酶活性的影響

在干旱脅迫和復(fù)水處理對谷子SOD酶活性的影響中，如圖2所示。脅迫前10個谷子品種SOD酶活性差異不大，變幅為50.44-79.91U/g，其中天粟7號SOD酶活性最高，大黃谷SOD酶活性最低。天粟7號SOD酶活性顯著大于14H758、隴谷14、17H1148、大糟皮、大黃谷和長生11。脅迫后，10個谷子品種SOD酶活性均大于脅迫前，變幅為83.72-143.65U/g，其中大黃谷SOD酶活性最大，吉9806-1最小。極抗旱型谷子SOD酶活性增加幅度較大，且顯著大于極弱抗谷子。在極抗旱谷子品種中，大黃谷SOD酶活性顯著大于17H1148；極弱抗谷子SOD酶活性雖有提高，但增加幅度不大且差異不顯著。復(fù)水后，10個谷子品種SOD酶活性均比脅迫后有所降低，變幅為71.08-121.82U/g，其中隴谷14最大，長農(nóng)44號最小。復(fù)水后與脅迫處理后相比，SOD酶活性略有降低，但仍比脅迫前SOD酶活性高，極抗旱谷子品種SOD酶活性顯著高于極弱抗谷子品種。

2.3 干旱脅迫和復(fù)水處理對不同抗旱類型谷子POD酶活性的影響

在干旱脅迫和復(fù)水處理對谷子POD酶活性的影響中，如圖3所示。脅迫前，10個谷子品種POD活性差異不顯著，變幅為118.88-166.44U/g，其中17H1148的POD活性最高，天粟7號POD活性最低。脅迫后，10個谷子品種POD酶活性均增加，變幅在166.44-213.99U/g，其中隴谷14 POD酶活性最大，天粟7號最小。復(fù)水后，10個谷子品種POD酶活性與脅迫處理后相比略有降低，但仍比脅迫前高，POD酶活性變幅為142.66-190.21U/g，其中17H1148最大，天粟7號最小。

2.4 干旱脅迫和復(fù)水處理對不同抗旱類型谷子MDA含量的影響

在干旱脅迫和復(fù)水處理對谷子MDA含量的影響中，如圖4所示。脅迫前，10個谷子品種的MDA含量整體趨勢呈現(xiàn)極抗旱谷子低于極弱抗谷子，且不同谷子間差異顯著，MDA含量變幅為98.065-276.989nmol/g，其中天粟7號MDA含量最高，隴谷14最低。脅迫后，10個谷子品種MDA含量與脅迫前相比均有不同程度的增加，MDA含量變幅為110.108-434.065nmol/g，其中吉9806-1 MDA含量最大，大黃谷最小。極弱抗谷子MDA含量顯著高于極抗旱谷子品種，極弱抗型谷子MDA含量增加幅度較大，極抗旱谷子品種MDA含量增加幅度較小。在極抗旱谷子品種中，大糟皮MDA含量顯著高于14H758、隴谷14、17H1148、大黃谷。在極弱抗旱谷子品種中，吉9806-1的MDA含量顯著高于天粟7號，天粟7號MDA含量顯著高于朝438、長農(nóng)44號和長生11。復(fù)水后，10個谷子品種MDA含量與脅迫后相比MDA含量水平略有下降，但復(fù)水后MDA含量水平仍比脅迫前高。MDA含量變幅為106.667-378.495nmol/g，其中吉9806-1最大，大黃谷最小。極弱抗谷子品種MDA含量整體顯著高于極抗旱谷子品種，在極弱抗谷子品種中，吉9806-1的MDA含量顯著高于天粟7號，天粟7號MDA含量顯著高于朝438和長生11，朝438和長生11的MDA含量顯著高于長農(nóng)44號。在極抗旱谷子品種中，大糟皮的MDA含量顯著高于14H758和17H1148，14H758和17H1148的MDA含量顯著高于大黃谷和隴谷14。

3 討論

PEG脅迫濃度的篩選，王振華等[8]在對15個谷子品種萌芽期對干旱脅迫生理響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度為20%的PEG脅迫條件下，不同品種谷子的發(fā)芽率差異明顯，確定篩選適宜谷子抗旱鑒定的PEG質(zhì)量濃度為20%。該結(jié)論與本研究一致，但裴帥帥等[9]在對不同品種谷子種子萌發(fā)期對干旱脅迫的生理響應(yīng)及其抗旱性評價研究中認為質(zhì)量濃度為18%的PEG適合作為谷子抗旱脅迫的篩選條件，這可能是由于裴帥帥采取發(fā)芽勢作為評價指標(biāo)，而本研究和王振華均采取發(fā)芽率作為評價指標(biāo)有關(guān)。

SOD能清除活性氧自由基等物質(zhì)，具有保護細胞免受活性氧毒害，維持細胞正常生命活動的功能[9]。邵怡若等[10]研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)SOD活性與抗旱性呈正相關(guān)，且在干旱脅迫下植物體內(nèi)SOD酶活性會提高。本研究中也得到了相同的結(jié)論，PEG脅迫后10個谷子品種的SOD酶活性均有提升，且極抗旱型谷子的SOD酶活性升高幅度比極弱抗型谷子的升高幅度大，這說明鑒定谷子抗旱性可以選用SOD酶含量作為重要的評價指標(biāo)。

POD是一種植物細胞內(nèi)防御酶系統(tǒng)能清除過多的H2O2等過氧化物的重要的清除酶。朱永波等[6]在對玉米抗旱性鑒定研究中發(fā)現(xiàn)，POD酶的活性與農(nóng)作物本身的抗旱能力密切相關(guān)，一般來說，抗旱性強的農(nóng)作物品種的POD酶的活性能維持相對較高水平。朱學(xué)海等[11]和劉佳等[12]人研究均發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，植物的POD活性呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢，該結(jié)論與許冰霞等[13]得出的在干旱條件下谷子POD活性呈下降趨勢的研究結(jié)果不一致。綜上，不同的作物在干旱脅迫下其抗氧化保護性物質(zhì)表現(xiàn)不一致。本研究結(jié)果表明，在干旱脅迫下不同抗旱類型谷子品種的POD活性均有升高，但各處理品種間POD酶活性差異不顯著，且POD活性變化幅度與谷子抗旱類型沒有表現(xiàn)出明顯相關(guān)性，可能是由于試驗材料、處理及測定方式等差異導(dǎo)致。

MDA是植物受到逆境脅迫時體內(nèi)脂膜過氧化產(chǎn)物之一，對細胞有嚴重的毒害作用，會嚴重損傷生物膜[14]。因此，通過測定丙二醛含量來判斷膜脂過氧化程度及膜系統(tǒng)的受損程度，可間接評價不同品種的抗逆性[15]。在干旱脅迫下，植物體內(nèi)MDA含量越高，細胞膜受損程度越高，抗旱性越弱；反之，抗旱性越強[16]。本研究中，10個谷子品種在PEG脅迫后，葉片的MDA含量均呈升高趨勢，極弱抗型谷子品種整體比極抗旱谷子品種MDA含量上升幅度大。復(fù)水后10個谷子品種的葉片MDA含量開始下降，但仍高于脅迫前水平，原因可能是PEG干旱脅迫造成細胞內(nèi)膜氧化強烈，短時間內(nèi)無法完全清除MDA，這一結(jié)果與朱學(xué)海等[11]和秦嶺[2]等研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

干旱脅迫前，極抗旱型和極弱抗型谷子品種的SOD、POD酶活性差異不顯著；極弱抗型谷子品種的MDA含量略高于極抗旱型谷子品種。干旱脅迫后，極抗旱型谷子品種的SOD酶活性增加幅度較大，且顯著大于極弱抗型谷子品種。不同抗旱型谷子品種間POD酶活性差異不顯著，沒有明顯規(guī)律。極弱抗型谷子品種的MDA含量顯著高于極抗旱型谷子品種。復(fù)水后，極抗旱型谷子品種的SOD酶活性短時間內(nèi)仍維持較高水平，而極弱抗型谷子品種的SOD酶活性則與脅迫前水平相近。極抗旱型和極弱抗型谷子品種的POD酶活性水平均下降，但高于脅迫前。極弱抗型谷子品種的MDA含量維持較高水平，顯著高于極抗旱型谷子品種，極抗旱型谷子品種的MDA含量則下降至與脅迫前相近水平。綜上所述，極抗旱型谷子品種具有較強的抗逆和修復(fù)能力。

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