干旱脅迫對木薯苗生理特性影響研究

單忠英　羅興錄　樊吳靜　羅璇

摘 要 為探明木薯苗在干旱脅迫下的生理特性，以木薯品種新選048為材料，用桶栽方法人工模擬土壤干旱條件，設(shè)置供水量為土壤田間最大持水量的20%、40%、60%和80% 4個水分處理水平，以不供水為對照，研究不同程度干旱脅迫對木薯苗生理特性的影響。結(jié)果表明：木薯株高、莖粗、葉片的總含水量、自由水的含量、自由水和束縛水的比值均隨著供水量的增加而升高；葉片脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、細(xì)胞膜透性、SOD酶活性、POD酶活性均隨著供水量的增加而降低?？梢姡珊得{迫越嚴(yán)重對木薯生長越不利，土壤含水量占田間最大持水量的80%時最有利于木薯苗的生長。

關(guān)鍵詞 木薯；苗；干旱脅迫；生理特性

中圖分類號 S533 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

木薯（Manihot esculenta Crantz）是世界三大薯類作物之一，有“地下糧倉”“淀粉之王”和“特用作物”的譽稱[1]，是一種用途很廣，經(jīng)濟(jì)價值較高的作物。中國木薯主要種植在廣西、廣東、海南和云南等地，且多為貧瘠易旱的坡地。木薯雖然為優(yōu)良的耐旱、耐貧瘠作物，但當(dāng)遭受長期干旱威脅，特別是苗期受旱時，常導(dǎo)致木薯大幅度減產(chǎn)[2]。當(dāng)植物遭受不同程度干旱脅迫時，其生長狀況、形態(tài)結(jié)構(gòu)、光合特性與生理生化特性等會產(chǎn)生顯著影響，而為了在干旱脅迫條件下保證生存或保持生物量，植物就會相應(yīng)地做出一系列響應(yīng)，如氣孔調(diào)控、滲透調(diào)節(jié)和抗氧化防御等，以減輕干旱脅迫對植物正常生長所造成的傷害[3]。目前，對于干旱脅迫對木薯生長的影響方面的研究已有一些報道[4-6]，但對于木薯干旱脅迫下生理特性的研究較少。于曉玲等[7]對3個木薯栽培品種進(jìn)行了不同梯度的干旱處理，利用相關(guān)及判別分析方法研究其相關(guān)生理生化指標(biāo)與木薯抗旱性的關(guān)系，研究結(jié)果表明，隨著水分脅迫強度的增加，不同木薯品種Fv/Fm（光化學(xué)效率）有不同程度的降低，測試品種中SCl24（華南124）降低幅度最大，SC5（華南5號）變化最?。籄BA（脫落酸）含量則有所增強，變化幅度因供試品種而異，SCl24變化最為顯著，SC5增強幅度最?。恢芊嫉萚8]研究了經(jīng)前期干旱鍛煉后再次水分脅迫對木薯葉片內(nèi)脫落酸、脯氨酸及可溶性糖含量的影響等。為進(jìn)一步探討不同供水量對木薯苗生理指標(biāo)的影響，本研究以木薯品種新選048為試材，研究了木薯苗在干旱脅迫下的生理特性，以探討木薯的抗旱性規(guī)律，尋求適合木薯苗生長的供水量，為木薯的栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試木薯品種為廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院自育的新選048。

供試土壤取自大田耕層，風(fēng)干后混勻過篩，土壤質(zhì)地為輕砂壤土，田間最大持水量為8.49%，土壤pH值5.88，有機質(zhì)含量21.44 g/kg，速效氮含量44.97 mg/kg，有效磷含量5.95 mg/kg，速效鉀含量49.02 mg/kg。

1.2 方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗于2014年在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院科研基地溫室大棚內(nèi)進(jìn)行。試驗采用桶栽土培法，桶高39 cm，口徑58 cm（含2 cm外沿），底徑40 cm，每個桶底部各打3個孔以防積水，在桶底墊一層紗網(wǎng)防止土壤損失，裝入5 kg沙、75 kg風(fēng)干土。將木薯莖桿桶栽于溫室大棚中，每周給予澆水，保證木薯正常生長，1個月后，待幼苗長至約30 cm時進(jìn)行試驗處理。

試驗設(shè)5個處理，分別是土壤含水量占田間最大持水量的20%（T1）、40%（T2）、60%（T3）、80%（T4）和不供水處理，其中以不供水為對照（CK），每個處理重復(fù)3次，每周澆1次水。3周后，測定各處理株高和莖粗，同時取木薯苗功能葉，即從上往下第4片展開葉，去掉中脈，均勻剪碎、混勻，測定各處理葉片的生理指標(biāo)。

1.2.2 生理指標(biāo)測定方法 株高為地上莖基部到生長點的距離，莖粗為株高下三等分點處的莖徑；葉片自由水和束縛水含量采用阿貝折射儀（WZS-1，上海長方光學(xué)儀器公司）測定[9]；游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定[10]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250染色法測定，細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)儀法測定[11]，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法測定，過氧化物酶（POD）活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，過氧化氫酶（CAT）活性采用KMnO4滴定法測定[9-10]。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及制圖，SPSS 18.0軟件進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對木薯苗株高、莖粗的影響

由表1可看出，隨著供水量的增加，株高、莖粗都呈上升的趨勢。T1的株高和莖粗與對照（CK）差異不顯著；T2的株高和莖粗與CK差異顯著；T3和T4的株高、莖粗與CK差異達(dá)極顯著，T3和T4的株高比CK分別高74.09%和133.95%，莖粗分別比CK高31.34%和45.08%。由此可見，苗期干旱脅迫對木薯的延伸生長和加粗生長具有明顯的抑制作用，抑制程度與脅迫程度有關(guān)，對延伸生長的抑制程度比對加粗生長的抑制更加明顯。

2.2 干旱脅迫對木薯苗葉片束縛水、自由水含量的影響

植物組織中的水分以自由水和束縛水2種不同的狀態(tài)存在。自由水與束縛水含量的高低與植物的生長及抗性有密切關(guān)系。當(dāng)自由水/束縛水比值高時，植物組織或器官的代謝活動旺盛，生長也較快，抗逆性較弱；反之，則生長較緩慢，但抗性較強。由表2可看出，隨著供水量的增加，木薯苗葉片的總含水量逐漸增加，T4與CK差異達(dá)極顯著，自由水含量也逐漸增加，T3和T4與CK間差異均達(dá)極顯著，束縛水含量逐漸降低，各處理與CK均達(dá)極顯著差異，自由水/束縛水比值也逐漸增加，T2、T3、T4與對照差異均達(dá)極顯著。

2.3 干旱脅迫對木薯苗葉片脯氨酸含量的影響

由圖1可看出，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中的脯氨酸含量呈降低趨勢，T2、T3、T4與CK差異極顯著，分別比CK降低26.44%、28.27%和38.74%。這表明干旱脅迫嚴(yán)重時，木薯苗葉片表現(xiàn)出明顯的脯氨酸積累效應(yīng)，隨著供水量的增加，累積效應(yīng)逐漸降低。這種特征有利于木薯苗受到干旱脅迫時提高滲透調(diào)節(jié)能力，維持細(xì)胞的膨壓，有助于提高其自身保水和主動吸水的能力，是木薯葉片在水分虧缺時的一種保護(hù)性反應(yīng)。

2.4 干旱脅迫對木薯苗葉片可溶性糖含量的影響

由圖2可看出，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中的可溶性糖含量逐漸降低，T1、T2與CK差異不顯著，T3、T4與CK差異極顯著，可溶性糖含量比CK分別降低了28.67%、33.62%。由此可見，在供水量較多情況下，木薯幼苗體內(nèi)的可溶性糖含量減少，在干旱脅迫下木薯苗能積累更多的可溶性糖，增強滲透調(diào)節(jié)能力，提高抗旱性。

2.5 干旱脅迫對木薯苗葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的影響

在逆境條件下，植物體內(nèi)可溶性蛋白質(zhì)的含量會顯著增加。其含量變化與植物的抗旱性有密切關(guān)系，可作為抗脅迫性的重要生理指標(biāo)。由圖3可以看出，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中的可溶性蛋白質(zhì)含量逐漸降低，T1與CK差異不顯著，T2與CK差異顯著，T3、T4與CK差異極顯著，T3、T4可溶性蛋白質(zhì)含量比CK分別降低了30.61%、34.67%。

2.6 干旱脅迫對木薯苗葉片細(xì)胞膜透性的影響

在干旱脅迫下，木薯葉片細(xì)胞的膜透性增大，造成電解質(zhì)外滲，干旱脅迫越嚴(yán)重，電解質(zhì)外滲量越多。由圖4可看出，隨著供水量的不斷增加，電解質(zhì)相對外滲率隨之減少，T1、T2、T3與CK差異不顯著，T4與CK差異顯著，T4電解質(zhì)相對外滲率比CK降低了21.67%。

2.7 干旱脅迫對木薯苗葉片SOD酶活性的影響

SOD酶普遍存在于動、植物體內(nèi)，是一種清除超氧陰離子自由基的酶，與植物抗逆性有密切的關(guān)系。由圖5可以看出，各處理的SOD酶活性均低于對照，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中SOD酶活性逐漸降低，T1、T2、T3與CK差異不顯著，T4與CK差異顯著，T4 SOD酶活性比CK降低了4.68%。

2.8 干旱脅迫對木薯苗葉片POD酶活性的影響

POD是活性氧物質(zhì)的清除劑，由圖6可看出，各處理的POD酶活性均低于對照，隨著供水量的增加，木薯苗葉片中POD酶活性逐漸降低，T1與CK差異不顯著，T2、T3、T4與CK差異極顯著，T2、T3、T4 POD酶活性比CK分別降低了24.50%、42.05%、75.83%。

2.9 干旱脅迫對木薯苗葉片CAT酶活性的影響

CAT和POD一樣，也是活性氧物質(zhì)的清除劑，由圖7可看出，CK中CAT含量很低，說明在木薯苗葉片中，干旱太嚴(yán)重會造成CAT含量急劇下降，其它處理隨著供水量的增加而降低，但相互之間差異不顯著。

2.10 干旱脅迫對木薯苗生理指標(biāo)的相關(guān)性分析

植物受到脅迫時的抗逆反應(yīng)是一個復(fù)雜的生理生化過程，各生理生化指標(biāo)之間相互影響、相互作用。由表3可知，供水量與株高、莖粗、自由水含量呈極顯著正相關(guān)，與脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、細(xì)胞膜透性、SOD酶活性、POD酶活性均呈極顯著負(fù)相關(guān)；株高與莖粗、自由水含量呈極顯著正相關(guān)，與脯氨酸含量、可溶性糖含量、POD酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)，與可溶性糖含量、細(xì)胞膜透性呈顯著負(fù)相關(guān)；莖粗與自由水含量呈極顯著正相關(guān)，與脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、POD酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)；自由水含量脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白質(zhì)含量、POD酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān)；脯氨酸含量與可溶性糖含量、POD酶活性呈極顯著正相關(guān)，與可溶性蛋白質(zhì)含量呈顯著負(fù)相關(guān)；可溶性糖含量與POD酶活性呈極顯著正相關(guān)；可溶性蛋白質(zhì)含量與SOD酶活性、POD酶活性呈極顯著正相關(guān)；細(xì)胞膜透性與POD酶活性呈顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

植物受到干旱脅迫時，其生長就會受到抑制。本研究得出，隨著干旱脅迫的加深，木薯植株生長越緩慢，株高、莖粗越小，其中，土壤含水量占田間最大持水量的80%時最有利于木薯苗的生長。

干旱脅迫下，植物葉片的組織水、自由水含量都會受到很大影響。本研究結(jié)果表明，木薯葉片的組織水、自由水、自由水和束縛水比值與其干旱脅迫的程度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這與張德炎[12]對辣椒的研究結(jié)果相似。

本研究中，干旱脅迫下，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量大量積累，且隨著脅迫程度的增加積累逐漸增加，這是木薯苗在干旱逆境下的一種主動防御機制，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的增加，可以維持細(xì)胞膨壓，使植物組織免遭失水的破壞，這與盧瓊瓊等[12]對大豆及韓苗苗等[13]對玉米的研究結(jié)果一致。

通過測定不同干旱梯度下木薯苗葉片電解質(zhì)相對外滲率，比較其膜透性增加的程度，根據(jù)差異性來判斷不同梯度脅迫下幼苗葉片細(xì)胞膜的穩(wěn)定性。隨著脅迫程度增加，電解質(zhì)的相對外滲率增加，說明膜質(zhì)透性增加，細(xì)胞膜的穩(wěn)定性減小。這是由于受到干旱脅迫時，細(xì)胞類囊體被破壞，使細(xì)胞內(nèi)溶液外滲，引起電解質(zhì)相對外滲率增大，當(dāng)脅迫程度加強時，電解質(zhì)相對外滲率顯著增加。劉海龍等[14]也研究表明，干旱脅迫下，玉米苗葉片的質(zhì)膜相對透性上升。

對干旱脅迫下木薯苗葉片中SOD、POD、CAT含量研究表明，這3種酶的活性隨著供水量的升高而降低，說明在干旱脅迫下，葉片通過增強保護(hù)酶活性來抵御干旱逆境對其所造成的傷害，從而使木薯苗表現(xiàn)出較強的抗旱能力。桑子陽等[15]對紅花玉蘭研究表明，隨著干旱脅迫程度的加重，葉片SOD、CAT和POD活性逐漸增強，這與本研究結(jié)果一致。由CAT在CK中含量較低，結(jié)合SOD和POD分析，可能是由于達(dá)到一定限度其活性都會下降，CAT下降較其它二者早。

干旱脅迫下，植物能夠進(jìn)行相關(guān)抗旱基因的表達(dá)，隨之產(chǎn)生一系列生理、生化及形態(tài)結(jié)構(gòu)等方面的變化，從而顯現(xiàn)出抗旱性的綜合性狀。從形態(tài)和生理方面反映了木薯對不同程度干旱環(huán)境的適應(yīng)能力特性，對于開展木薯對干旱脅迫與適應(yīng)的機制研究及揭示木薯的抗旱機理具有重要意義。

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