我國甜菜抗旱與耐鹽性研究進展

劉華君，王燕飛，李翠芳，沙紅

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，烏魯木齊830091）

綜述

我國甜菜抗旱與耐鹽性研究進展

劉華君，王燕飛，李翠芳，沙紅

（新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，烏魯木齊830091）

介紹了脯氨酸、聚乙二醇、丙二醛、可溶性糖、可溶性蛋白、超氧化物歧化酶、過氧化氫酶等生理指標的含量、活性與甜菜抗旱、耐鹽堿的關(guān)系。

甜菜；抗旱；耐鹽堿

甜菜屬藜科，甜菜屬，包括14個野生種和1個栽培種。栽培種有4個變種：糖用甜菜（簡稱甜菜）、飼用甜菜、根用甜菜（食用甜菜）和葉用甜菜。糖用甜菜起源于地中海沿岸[1]。甜菜是世界主要糖料作物之一，主要種植在北溫帶?，F(xiàn)在世界上有40多個國家和地區(qū)種植甜菜，主要分布在烏克蘭、俄羅斯、美國、中國、德國、波蘭、法國、土耳其、西班牙、意大利、荷蘭、英國等國家。世界甜菜種植面積在780～850萬hm2，約占世界糖料作物面積的35%[1]。我國甜菜種植面積約26萬hm2，主要分布在新疆、內(nèi)蒙、黑龍江等省區(qū)。這些甜菜種植區(qū)環(huán)境條件經(jīng)常出現(xiàn)惡劣的情況，如干旱、土壤鹽堿化等，使作物的生存環(huán)境受到威脅，這就要求作物不斷地對環(huán)境變化，特別是逆境做出反應(yīng)，改變自身的形態(tài)結(jié)構(gòu)，代謝功能，增強適應(yīng)能力，才能生存。因此，研究作物在逆境下的形態(tài)結(jié)構(gòu)和生命活動規(guī)律，探索抗逆性的細胞及生理學(xué)基礎(chǔ)，對選育出抗逆性強的作物品種以及品種推廣均具有十分重要的意義。

1 干旱協(xié)迫對甜菜的危害

旱害是指土壤水分缺乏或者大氣相對濕度過低而對甜菜造成的傷害。旱害分為土壤干旱和大氣干旱。土壤干旱是指土壤可利用的水分不足或缺乏，使甜菜組織處于缺水狀態(tài)，對甜菜造成傷害。

干旱對甜菜的傷害包括：（1）甜菜各部位間水分重新分布。當干旱發(fā)生時，甜菜不同器官或不同組織間的水分，按各部位的水勢的高低重新分配。（2）影響甜菜各種生理過程。甜菜的生長對干旱最為敏感，輕微的水分虧缺即可引起生長速率明顯下降，甜菜生長矮小。水分不足，氣孔開度變小或半閉，蒸騰減弱，影響礦質(zhì)鹽的運輸；同時，使CO2進入葉肉困難，增大光合作用的氣孔限制，如嚴重缺水，則增大光合作用的非氣孔限制，導(dǎo)致光合速率明顯下降。缺水還可增強呼吸作用，氧化磷酸化解偶聯(lián)。（3）破壞甜菜正常的代謝過程。細胞缺水對代謝過程最明顯的影響是抑制合成代謝而加強分解代謝。水解酶活性加強，合成酶活性降低；蛋白質(zhì)合成減弱而分解加強；葉綠素分解大于合成；DNA和RNA含量減少；促進生長發(fā)育的甜菜激素減少，而抑制生長發(fā)育的激素則增加。由此，破壞了正常代謝過程，甚至發(fā)生代謝紊亂。

干旱對甜菜傷害的機理包括：（1）機械損傷學(xué)說。當細胞脫水時，細胞壁與原生質(zhì)粘連在一起收縮，細胞壁韌性有限而形成許多銳利的折疊，當細胞壁因彈性所限不再收縮時，原生質(zhì)體就可能被折疊的壁刺破，細胞壁堅硬的細胞，此現(xiàn)象尤為明顯。另一方面，當細胞復(fù)水時，因細胞壁吸水速度快于原生質(zhì)，這種不協(xié)調(diào)現(xiàn)象，也可撕破粘連在細胞壁上的原生質(zhì)，導(dǎo)致細胞死亡。（2）蛋白質(zhì)變性學(xué)說。與冷害一樣，干旱也可使蛋白質(zhì)分子因失水而相互靠近，使相鄰肽鏈外部的-SH形成-S-S-鍵；若復(fù)水時，肽鏈松散而-S-S-不易斷開，使蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性失活。

2 鹽脅迫對甜菜的危害

鹽脅迫是指土壤中鹽分含量過高，危害甜菜的正常生長。灌溉可導(dǎo)致土壤中碳酸鈣和碳酸鎂的增加，沿海地區(qū)或降雨量少的地區(qū)，土壤中NaCl的含量較高。另外，鹽土中還常常伴隨著弱酸如硼酸的毒害。

2.1 直接鹽害

細胞膜是逆境對甜菜傷害的原初位點，而細胞膜中的質(zhì)膜傷害尤為嚴重。質(zhì)膜在受到鹽脅迫后發(fā)生一系列的脅變，其組分，透性，運輸，離子流率等都會受到影響而發(fā)生變化，脂膜透性增大和膜脂過氧化，從而損害膜的正常生理功能，使甜菜代謝過程發(fā)生脅變。

2.2 間接鹽害

鹽脅迫下甜菜生長環(huán)境原有的水分平衡被打破。土壤鹽分過多，使甜菜根際土壤溶液滲透勢降低，根細胞滲透勢相對升高，給甜菜造成一種水逆境，使甜菜吸收水分困難，嚴重時還造成細胞組織的水分外滲，抑制甜菜的萌發(fā)與生長。如一般甜菜在土壤鹽分超過0.2%～0.5%時出現(xiàn)吸水困難，鹽分高于0.4%時甜菜體內(nèi)水分易外滲，生長速率顯著下降，甚至導(dǎo)致甜菜死亡。

2.3 鹽害破壞正常代謝

由于鹽脅迫影響了膜的正常透性和改變了一些膜結(jié)合酶類活性，引起一系列的代謝失調(diào)。一方面，光合下降，能耗增加。在含鹽量為0.35%以上時鹽漬土中大量的可溶性鹽可導(dǎo)致土壤水勢及水分有效性顯著降低，使甜菜出苗困難。鹽分過多使PEP羧化酶和RuBP羧化酶活性降低，葉綠體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成受到破壞而數(shù)量減少，葉綠體趨于分解，葉綠素和類胡蘿卜素的生物合成受阻。高鹽脅迫下，甜菜為保持葉內(nèi)相對水勢，氣孔關(guān)閉，從而導(dǎo)致CO2進入葉肉細胞受阻。逆境下有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成，離子主動吸收，區(qū)域化分配以及鹽誘導(dǎo)的代謝變化等使植物的耗能增加。鹽分過多時總的趨勢是呼吸消耗量多，凈光合生產(chǎn)率低，不利于甜菜生長。另外，過多的鹽分抑制蛋白質(zhì)合成，促進其分解，抑制的直接原因可能是由于破壞了氨基酸的合成。脅迫還會使甜菜體內(nèi)積累大量有毒的代謝產(chǎn)物，如蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的游離氨基酸、胺、氨等，這些物質(zhì)抑制植物的生物合成，致使甜菜葉片生長不良，組織變黑壞死等。毒素積累是鹽害的重要原因。

3 甜菜抗旱耐鹽的生理指標

干旱對甜菜的影響廣泛而深刻，影響著甜菜的光合作用、呼吸作用、水分和營養(yǎng)的吸收運輸?shù)雀鞣N生理過程。品種間在抗旱性方面所表現(xiàn)的差異，都有其相應(yīng)的生理生化基礎(chǔ)。目前，許多學(xué)者對于抗旱性鑒定的生理生化指標做了大量的研究。很多研究者應(yīng)用聚乙二醇（PEG）作為誘導(dǎo)劑和篩選劑來模擬逆境脅迫，研究甜菜的抗逆性。在PEG脅迫下，研究甜菜的生理生化反應(yīng)，甜菜內(nèi)源物質(zhì)及對酶的變化等都有報道。比較一致的研究結(jié)果表明葉片丙二醛含量、可溶性糖、可溶性蛋白、SOD活性、POD活性等均可作為抗旱性鑒定評價指標。

鹽脅迫下，甜菜自身通過滲透調(diào)節(jié)來減小這種危害，使甜菜在鹽漬環(huán)境條件下保持足夠的水分。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)主要分兩類：一類是外界進入細胞的無機離子如Na+、K+和Cl-，一類是細胞自身合成有機小分子物質(zhì)，如脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖、甜菜堿、多胺等。鹽生植物依靠體內(nèi)積累的無機離子如Na+、Cl-作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，許多非鹽生植物，如高粱等也可以K+作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，大豆的耐鹽性與可溶性蛋白質(zhì)、脯氨酸的積累有關(guān)，在西瓜、沙棘中以游離脯氨酸含量的增加作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[3]。

3.1 游離脯氨酸含量與抗逆性的關(guān)系

脯氨酸是最好的有機滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其溶解度高，具有很高的水合能力，與細胞內(nèi)的一些化合物形成聚合物，類似親水膠體。當甜菜水分虧缺時，可維持聚合體的水合作用。所以游離脯氨酸的含量可作為甜菜抗旱性的一項生化指標。采用磺基水楊酸提取甜菜體內(nèi)的游離脯氨酸，不僅大大減少了其他氨基酸的干擾，快速簡便，而且不受樣品狀態(tài)限制。在酸性條件下，脯氨酸與茚三酮反應(yīng)生成穩(wěn)定的紅色縮合物，用甲苯萃取后，此縮合物在波長520nm處有一最大吸收峰。脯氨酸濃度的高低在一定范圍內(nèi)與其消光度成正比。甜菜在正常條件下，游離脯氨酸含量很低，但遇到干旱、低溫、鹽堿等逆境時，游離脯氨酸便會大量積累，可比原始含量高幾十倍[4]。

3.2 超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化氫酶（POD）活性與抗逆性的關(guān)系

超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，簡稱SOD）是需氧生物中普遍存在的一種含金屬酶。它與過氧化物酶、過氧化氫酶等酶協(xié)同作用防御活性氧或其他過氧化物自由基對細胞膜系統(tǒng)的傷害。活性氧對細胞的傷害最為嚴重，細胞自身不能清除活性氧，而SOD作為抵御活性氧傷害的“第一道防線”，它可將活性氧歧化成H2O2，H2O2的累積會形成膜脂過氧化作用，造成整體膜損傷，而POD是細胞內(nèi)有害物質(zhì)H2O2的清除劑。在某種意義上，PEG處理對植株來說，起到的是一種水分脅迫的作用，如果這種脅迫是在甜菜根體耐受范圍之內(nèi)，就會激活體內(nèi)包括抗氧化酶在內(nèi)的一系列保護機制的啟動，從而引起機體內(nèi)抗氧化活性的增強，加速活性氧自由基的清除，降低植株生長過程中的不利因素，提高甜菜根體抗氧化水平[5]。

3.3 丙二醛（MDA）含量與抗逆性的關(guān)系

甜菜器官衰老或在逆境下遭受傷害，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，MDA是膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物，其含量可以反映甜菜遭受逆境傷害的程度。MDA從膜上產(chǎn)生的位置釋放出后，可與蛋白質(zhì)、核酸反應(yīng)，改變這些大分子的構(gòu)型，或使之產(chǎn)生膠聯(lián)反應(yīng)，從而喪失功能，還可使纖維素分子間的橋鍵松馳，或抑制蛋白質(zhì)的合成。因此，MDA的積累可能對膜和細胞造成一定的傷害。MDA是常用的膜脂過氧化指標，在酸性和高溫條件下，可以與硫代巴比妥酸（TBA）反應(yīng)生成紅棕色的三甲川（3，5，5-三甲基惡唑-2，4-二酮），其最大吸收波長在532nm，MDA含量與甜菜抗逆性成反比。

3.4 可溶性糖含量與抗逆性的關(guān)系

糖類與蒽酮反應(yīng)生成的有色物質(zhì)在可見光區(qū)的吸收峰為630nm，故在此波長下進行比色?？扇苄蕴亲鳛樘鸩嗽诟珊得{迫下滲透調(diào)節(jié)的重要物質(zhì)，通過對可溶性糖含量的測定，可為甜菜抗旱性研究提供依據(jù)。增強細胞滲透調(diào)節(jié)能力的關(guān)鍵是細胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的主動積累，已有研究證明：在細胞的幾種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中，對穩(wěn)定滲透調(diào)節(jié)能力的相對貢獻大小是K+＞可溶性糖＞其它游離氨基酸＞Ca2+＞Mg2+＞脯氨酸。脅迫下可溶性糖含量的變化說明在干旱條件下，細胞內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物可溶性糖的積累是反映抗旱性強弱的有效指標之一。因此可溶性糖的增加與脅迫強度存在著一定正相關(guān)。從脯氨酸的生物合成來看，干旱將影響脯氨酸的合成，最終造成脯氨酸的積累在干旱處理末期下降和停止。可溶性糖在干旱后期大量積累，對甜菜根體滲透調(diào)節(jié)而言，嚴重干旱會使甜菜體滲透調(diào)節(jié)能力喪失，因此可溶性糖在干旱后期的大量積累可能是對脯氨酸補償策略。

3.5 可溶性蛋白含量與抗逆性的關(guān)系

甜菜體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)含量是一個重要的生理生化指標，如在研究每一種酶的作用時常以比活（酶活力單位/毫克蛋白質(zhì)，unit/mg protein）表示酶活力大小及酶制劑純度，這就需要測定蛋白質(zhì)的含量。在一定蛋白質(zhì)濃度范圍內(nèi)（1～100μg），蛋白質(zhì)與色素結(jié)合物在595nm波長下的光吸收與蛋白質(zhì)含量成正比，故可用于蛋白質(zhì)的定量測定。

4 甜菜抗旱與耐鹽堿研究展望

從甜菜生理學(xué)方面看，甜菜的根系較發(fā)達，葉面的角質(zhì)層較厚，與馬鈴薯等作物相比，比較抗旱。但是甜菜種子與其它作物比較，其外部宿存的花萼、果皮增厚明顯高于一般的作物種子。甜菜在生育中后期比較抗旱，但苗期抗旱能力弱。旱作甜菜區(qū)50%～60%的降水是在7～8月份，5～6月降水較少。因此在春旱的氣候條件下，甜菜發(fā)芽困難、出苗差、保苗率低。根據(jù)地球氣候變暖、旱災(zāi)增多的趨勢，加之我國甜菜大部分種植在旱作區(qū)的生產(chǎn)實際情況，進一步開展抗旱型甜菜品種的選育和應(yīng)用十分重要。

甜菜是嫌酸性作物，適應(yīng)于pH值6.5～8.0的微酸至堿性環(huán)境，在栽培甜菜中耐堿性名列前茅。甜菜苗期可生長于含鹽0.5%～0.6%的土地上，生長盛期可生長于含鹽0.6%～0.8%的土地上（以硫酸鹽、氯化物為主）[6]。Greenway在1980年定義鹽生植物為“能夠在含有至少3.3bar（相當于70mmol/L單價鹽，即0.4%含鹽量）滲透壓鹽水的環(huán)境中生長的自然植物區(qū)系”。因此甜菜應(yīng)屬于鹽生植物[7]。

我國甜菜產(chǎn)區(qū)，大多處于半干旱的地區(qū)，雖然近年來我國的農(nóng)田水利灌溉發(fā)展很快，但是甜菜能夠做到灌溉的面積還不多，我國的甜菜大部分種植在沒有灌溉條件的旱地上，是依靠自然降水維持甜菜生長。因此，這些地區(qū)的甜菜可以稱之為旱作甜菜。我國東北、內(nèi)蒙古等省區(qū)的甜菜多分布在春旱、風(fēng)大、無霜期短、沒有灌溉條件的地區(qū)，由于受干旱的影響，特別是春旱使甜菜出苗差、保苗率低、田間經(jīng)常缺苗、斷壟，嚴重影響甜菜的產(chǎn)量，有的地塊甚至毀種。干旱嚴重地制約了甜菜的生產(chǎn)水平和生產(chǎn)的發(fā)展，為了提高旱作甜菜的生產(chǎn)水平，國內(nèi)外很多專家、研究人員進行抗旱型甜菜品種的選育和研究工作。

近年來，甜菜生理選（育）種，以其提高選育質(zhì)量，縮短育種年限，加快育種進程，越來越受到重視。在甜菜抗旱生理選（育）種方面，用甜菜枯葉/全葉比值能夠可靠地反映甜菜的抗旱性及程度。在塊根分化形成期（苗期），葉片的電泳外滲率能較準確地反映甜菜品種抗旱性能，不同程度的膜系統(tǒng)的傷害情況，外滲率大的不抗旱，反之抗旱，可作為入選抗旱品種的重要指標[8]。超氧化物歧化酶活性強的、過氧化氫酶活性強的、維生素C、谷光甘肽等含量高的，可作為抗旱品種選擇的參考指標。測定甜菜細胞液濃度的滲透壓、根中蛋白質(zhì)的含量，光合作用和呼吸作用的強度、葉片干物質(zhì)等生理指標，一般的細胞液濃度高、滲透壓大、蛋白質(zhì)含量高、光合作用強、呼吸作用弱、葉片干物質(zhì)含量高的植株抗旱能力強。

我國的甜菜育種應(yīng)在豐產(chǎn)、高糖、抗病的前提下，根據(jù)甜菜的生產(chǎn)實際情況，進一步加強甜菜抗旱型、耐鹽堿型基因資源的發(fā)掘和利用；加強甜菜抗旱與耐鹽生理學(xué)和遺傳學(xué)的研究，引進抗旱與耐鹽甜菜品種?？梢岳矛F(xiàn)代生物技術(shù)，克隆和構(gòu)建與抗旱性、耐鹽性有關(guān)的外源基因用于甜菜抗旱型、耐鹽堿型品種的選育。應(yīng)將傳統(tǒng)的田間選育與現(xiàn)代化的生理學(xué)選育、生物技術(shù)結(jié)合起來，選育出更多的抗旱型、耐鹽堿型甜菜品種，用于我國甜菜生產(chǎn)，提高甜菜的產(chǎn)質(zhì)量。

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Research Progress of Drought and Salt Tolerance of Sugarbeet in China

LIU Hua-jun,WANG Yan-fei,LI Cui-fang,SHA Hong
(Institute of Industrial Crops,Xinjiang Academy of Agricultural Sciences,Urumchi 830091,China)

Some physiological indices and activity relationship with features of drought and salinity tolerance in sugarbeet were introduced.These indices were proline,polyethylene glycol,MDA,soluble sucrose,soluble protein,superoxide dismutase,catalase contents et al.

Sugarbeet;Resistance to drought;Tolerance to salinity

S566.3

A

1007-2624（2010）04-0052-03

2010-08-20

國家甜菜產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項目（nycytx-25-14）。

劉華君（1970-），男，助理研究員，研究方向：甜菜育種與栽培。

王燕飛，女，研究員，碩士生導(dǎo)師。