基于脯氨酸合成積累的甘蔗分蘗期耐旱生理效應(yīng)分析

楊　善，楊杰文，葉昌輝，莫俊杰，周鴻凱

（廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 湛江 524088）

基于脯氨酸合成積累的甘蔗分蘗期耐旱生理效應(yīng)分析

楊善，楊杰文，葉昌輝，莫俊杰，周鴻凱

（廣東海洋大學(xué)農(nóng)學(xué)院，廣東 湛江 524088）

為探究干旱脅迫下分蘗期甘蔗植株內(nèi)游離脯氨酸積累及其合成關(guān)鍵酶的響應(yīng)機(jī)制，以甘蔗品種ROC22為材料進(jìn)行桶栽干旱脅迫實(shí)驗(yàn)，測定生長于7種不同土壤水分下的甘蔗葉片中丙二醛含量、電導(dǎo)率、游離脯氨酸含量以及δ-OAT、P5CS、SOD的活性。結(jié)果表明，隨著干旱脅迫強(qiáng)度增大，植株體內(nèi)不同程度地激活了P5CS、δ-OAT、SOD的活性，合成積累了大量的游離脯氨酸，以抵抗丙二醛等氧化物的積累所造成對細(xì)胞膜透性的破壞。但在沙土的土壤水分為2.64%（相對持水量21.2%）時(shí)，達(dá)到了ROC22的萎蔫系數(shù)。相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，6個(gè)甘蔗生理指標(biāo)間的簡單正相關(guān)均達(dá)到了顯著水平。偏相關(guān)分析結(jié)果，細(xì)胞膜透性分別與P5CS活性、脯氨酸含量為負(fù)的偏相關(guān)且達(dá)到了顯著水平,丙二醛、δ-OAT、SOD分別與脯氨酸含量的偏相關(guān)系數(shù)均到達(dá)了極顯著水平。此外，P5CS與SOD存在共線性，多元相關(guān)性分析表明P5CS對游離脯氨酸積累的作用顯著地大于δ-OAT，在干旱脅迫下，甘蔗脯氨酸的兩個(gè)合成途徑表現(xiàn)為以Glu→Pro途徑主，Orn→Pro途徑為輔。

甘蔗；脯氨酸；P5CS；δ-OAT；干旱脅迫。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常受到逆境條件的影響，其中干旱和鹽漬引起的滲透脅迫對農(nóng)作物的生長和產(chǎn)量影響最大。作物通過長期的自然進(jìn)化和人工選育，已經(jīng)形成了許多抵抗外界逆境條件的機(jī)制[1]。在水分脅迫下植物首先受害的是細(xì)胞膜系統(tǒng)，過氧化作用導(dǎo)致細(xì)胞衰老，其主要氧化產(chǎn)物丙二醛(MDA)含量明顯增加，質(zhì)膜透性(PMP)增大，離子外滲，同時(shí)大量積累游離脯氨酸(Pro）[2]；而脯氨酸的增加有助于保持細(xì)胞或組織的持水能力，提高農(nóng)作物在干旱和鹽漬脅迫條件下的適應(yīng)性，是獲得高產(chǎn)和充分利用自然資源的重要途徑[3]。

甘蔗（Saccharum officinarum）是中國重要的糖料和能源作物，目前主要蔗區(qū)分布在桂中南、滇西南、粵西和海南等南方黃、紅壤地區(qū)，而且90%以上的種植面積為缺乏灌溉的旱坡地，季節(jié)性干旱是限制這些地區(qū)甘蔗生產(chǎn)的首要環(huán)境因素[4]。因此，甘蔗抗旱耐旱生理亦為研究熱點(diǎn)之一，陳如凱等[5]研究表明，干旱脅迫下甘蔗體內(nèi)脂質(zhì)過氧化作用加劇，質(zhì)膜透性增加，耐旱性弱的品種變化尤為明顯。在反復(fù)干旱脅迫處理下，不同甘蔗品種的生長勢、葉片水勢及葉綠素含量均有不同程度降低，葉片脯氨酸和丙二醛含量升高，葉片細(xì)胞質(zhì)膜透性增大[6]。黃誠梅等[7]用3個(gè)甘蔗品種于伸長期以PEG脅迫1-6d模擬干旱脅迫的研究表明，脅迫條件下甘蔗葉片的脯氨酸含量明顯上升的趨勢、△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)活性顯著提高，并表現(xiàn)為品種間的差異顯著，但δ-鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶(δ-OAT)活性的變化不明顯。劉洋等[8]認(rèn)為，干旱脅迫下甘蔗及其近緣植物的抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)如過氧化物酶（POD）活性、過氧化氫酶（CAT）活性、超氧化物歧化酶（SOD）活性及可溶性蛋白含量等都會發(fā)生不同的變化。然而，針對干旱脅迫下甘蔗體內(nèi)基于游離脯氨酸積累及其合成關(guān)鍵酶的抗旱生理效應(yīng)方面的研究未見報(bào)道。本研究以甘蔗品種ROC22為材料，測定干旱脅迫下甘蔗葉片的游離脯氨酸、丙二醛含量、電導(dǎo)率 (Cond)，及P5CS、δ-OAT、SOD活性等6個(gè)生理生化指標(biāo)，旨在探索甘蔗分蘗期植株內(nèi)游離脯氨酸積累及其合成關(guān)鍵酶的響應(yīng)機(jī)制，為甘蔗抗旱耐旱機(jī)制的深入研究，以及旱坡地高產(chǎn)高糖栽培技術(shù)的創(chuàng)新提供參考。

1　材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

參試材料為粵西蔗區(qū)主推品種ROC22，采用桶栽實(shí)驗(yàn)方法，實(shí)驗(yàn)土壤為礫質(zhì)沙土(田間最大持水量為12.5%)。選用高50 cm、口徑40 cm的塑膠桶（距桶底10 cm處對稱打4個(gè)小孔），每桶裝干礫質(zhì)沙土8.0 kg，共6桶。于2013年9月11日，將18段甘蔗雙芽苗按每桶3段分別種入6個(gè)桶內(nèi)，種苗入土深度為10 cm，澆水保持土壤為濕潤狀態(tài)，12 d后萌芽，每桶澆淋500 mL的0.2 g/mL荷蘭復(fù)合肥營養(yǎng)液，往后每隔2 d澆淋自來水500 mL。于2013年10月26日下午，將桶栽甘蔗搬入玻璃溫室內(nèi)進(jìn)行干旱處理，不再澆水。2013年10月27日，甘蔗出苗后34 d，處于分蘗期，開始第1次取樣（即干旱處理0 d），以后每2天（即48 h）取樣1次，連續(xù)取樣7次，即7種水分水平。每次每桶取一個(gè)樣，均在9:30—10:00時(shí)段內(nèi)剪取樣本（-1葉與+1葉）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試分析，同時(shí)取5～10 cm土層的土樣測定土壤含水量。

1.2測定方法

取-1葉進(jìn)行丙二醛含量、植物組織細(xì)胞通透性測定、SOD活性測定；取+1葉進(jìn)行脯氨酸含量、P5CS活性、δ-OAT活性測定。丙二醛的含量測定按高俊鳳[9]的方法；植物組織細(xì)胞通透性的測定采用電導(dǎo)法[9]進(jìn)行；土壤含水量的測定采用烘干法[10]進(jìn)行測定； P5CS的抽提按照Kavi等[11]的方法，其活性測定參照黃誠梅[12]的方法進(jìn)行，一個(gè)酶活性單位(U)定義為每分鐘生成1 μmol γ-谷氨酰胺（濕樣）所需要的酶量，單位為U·g-1·min-1；δ-OAT的抽提按照Delauney等[13]的方法進(jìn)行，其活性測定按照Kim等[14]的方法進(jìn)行，一個(gè)酶活性單位（1 U）定義為1 h生成1 mmol P5C所需要的酶量（濕樣），單位為U·g-1·h-1；脯氨酸含量的測定按照Bates等[15]的方法；SOD活性測定依據(jù)南京建成生物工程研究所生產(chǎn)的試劑盒測定，試劑配制按照說明書操作。

1.3統(tǒng)計(jì)分析方法

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 19.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，用Duncan法測定處理間各生理指標(biāo)的差異顯著性（P<0.05），并在圖中進(jìn)行標(biāo)注。

2　結(jié)果與分析

2.1土壤含水量

由圖1可見，隨著干旱處理天數(shù)的增加，土壤含水量按一定的梯度下降，并且在每個(gè)梯度之間均有顯著性的差異，其相應(yīng)的土壤含水量梯度為11.72%、9.96%、8.86%、6.52%、4.96%、3.65%、2.64%。表明本研究的干旱脅迫梯度設(shè)計(jì)具有代表性和可靠性，該水分的梯度即可作為顯著性差異的干旱脅迫水平而進(jìn)行相應(yīng)指標(biāo)的測定與分析。

圖1　干旱脅迫下土壤含水量的變化Fig.1　Changes in water content of soil

2.2甘蔗干旱脅迫生理效應(yīng)分析

隨著干旱脅迫強(qiáng)度的增加，甘蔗葉片內(nèi)游離脯氨酸的含量、P5CS活性、δ-OAT活性、SOD活性等而增加，其中脯氨酸含量在干旱處理第4天開始有顯著性地增加，第8天急劇增加，第10天達(dá)到游離脯氨酸累積量的高峰值，為第一次取樣時(shí)（土壤含水量為11.72%）的6.5倍，此后即開始顯著性減少（圖2_a）。

圖2　干旱脅迫下各項(xiàng)生理指標(biāo)Fig.2　Various physiological indicators under drought stress

P5CS活性和SOD活性在干旱脅迫下有相似的增長趨勢，分別在處理后第4、6天開始有顯著性地增加，在第10天和第8天達(dá)到峰值，為第一次取樣時(shí)的2.05和7.2倍，隨后P5CS活性開始顯著下降，而SOD活性則緩慢下降(圖2_b，2_d)。δ-OAT活性在干旱處理開始即顯著增加，到處理后的第8天到達(dá)峰值，之后開始顯著下降（圖2_c）。細(xì)胞膜透性和丙二醛含量在干旱處理開始時(shí)呈現(xiàn)緩慢遞增，在處理后的第8天電導(dǎo)率開始顯著增加，在第12天時(shí)急劇增加；處理后第4天開始，丙二醛含量持續(xù)顯著增加，并隨著處理時(shí)間而增量擴(kuò)大 (圖2_e，2_f)。說明在干旱的脅迫下，甘蔗植株內(nèi)不同程度地激活了P5CS、δ-OAT的活性，合成積累了大量的游離脯氨酸，同時(shí)也激活了SOD活性，以抵抗干旱脅迫下甘蔗植株內(nèi)丙二醛等氧化物的積累而所造成對細(xì)胞膜透性的破壞。

2.3甘蔗干旱脅迫生理指標(biāo)間的相關(guān)性分析

由表1可知，甘蔗干旱脅迫的6個(gè)生理指標(biāo)間的簡單相關(guān)系數(shù)均到達(dá)了顯著水平，表明了這6個(gè)生理指標(biāo)間均有密切的相關(guān)關(guān)系。同時(shí)可見，脯氨酸與P5CS、MDA與Cond、P5CS與SOD的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.91以上，表明這些因素之間相當(dāng)密切，而在多元回歸分析時(shí)可能存在共線性現(xiàn)象。而偏相關(guān)分析表明，MDA、Cond、δ-OAT、SOD等與脯氨酸的偏相關(guān)系數(shù)均到達(dá)了極顯著水平，其中SOD為最大，Cond和δ-OAT為負(fù)向偏相關(guān)性。另外，MDA與Cond、P5CS，Cond與P5CS，SOD與P5CS、δ-OAT的偏相關(guān)性達(dá)到顯著水平。

表1　各個(gè)生理指標(biāo)與脯氨酸含量的簡單、偏相關(guān)性分析Table 1　Simple correlation analysis and partial correlation analysis of physiological indexes of sugarcane under drought stress

從表2可知，脯氨酸與其他5個(gè)生理指標(biāo)多元回歸分析的共線性診斷分析，No.4的特征值為0.019 8，由此可知這5個(gè)生理指標(biāo)之間存在共線性現(xiàn)象。結(jié)合簡單相關(guān)分析的結(jié)果，即進(jìn)行脯氨酸與P5CS、SOD的多元回歸的共線性診斷分析及其通徑分析如表3和表4。

表2　Y與5個(gè)X因素多元回歸分析的共線性診斷Table 2　Y and five X-factors in multiple regression analysis of collinearity diagnostics

表3　Y與X3、X5的多元回歸的共線性診斷Table 3　Y and X3, X5in multiple regression analysis of collinearity diagnostics

由表3可知，P5CS與SOD之間確實(shí)存在共線性現(xiàn)象，表明了表1中出現(xiàn)的P5CS對脯氨酸偏相關(guān)系數(shù)較低的狀況，是由于P5CS與SOD之間存在的共線性所造成。

由表4的分析結(jié)果表明，P5CS和SOD因素對脯氨酸均有極顯著的偏相關(guān)關(guān)系，而且P5CS對脯氨酸的偏相關(guān)關(guān)系比SOD因素的還大。P5CS對脯氨酸的直接通徑系數(shù)為0.609 3，通過SOD的系數(shù)為0.302 8，而SOD對脯氨酸的直接通徑系數(shù)為0.326 0，通過P5CS的系數(shù)為0.566。

表4　Y與X3、X5的多元回歸及通徑分析Table 4　 Complex correlation analysis of Y and X3, X5

表5可見，各個(gè)指標(biāo)對脯氨酸的直接通徑系數(shù)中，SOD為1.093 8，其對脯氨酸的正向直接作用最大；而Cond與δ-OAT對脯氨酸有顯著的負(fù)向作用。由于P5CS與SOD存在共線性現(xiàn)象，雖然P5CS對脯氨酸的直接通徑系數(shù)較小，但通過SOD和MDA對脯氨酸的間接通徑系數(shù)均較大，分別為0.970 5、0.571 5；剩余通徑系數(shù)僅為0.063。

表5　各個(gè)生理指標(biāo)對脯氨酸的通徑分析Table 5　Path analysis of physiological indexes to proline

2.4植株游離脯氨酸與P5CS、δ-OAT相關(guān)性分析

從表6、表7可知， P5CS和δ-OAT對脯氨酸的偏相關(guān)系數(shù)分別為0.854 2和-0.197 2，P5CS對脯氨酸的偏相關(guān)系數(shù)達(dá)極顯著水平；P5CS對脯氨酸的直接通徑系數(shù)為1.004 7，通過δ-OAT的系數(shù)為-0.0927，而δ-OAT對脯氨酸的直接通徑系數(shù)為-0.123 0，通過P5CS的系數(shù)為0.757 0。這一結(jié)果表明，在干旱脅迫下，甘蔗植株脯氨酸的合成積累過程，P5CS對脯氨酸含量的作用顯著地大于δ-OAT的作用。同時(shí)，剩余通徑系數(shù)為0.161 6，說明還有隨機(jī)因素對植株脯氨酸含量有較大的影響。

表6　P5CS、δ-OAT與脯氨酸含量的簡單、偏相關(guān)性分析Table 6　P5CS, δ-OAT and proline of simple correlation analysis and partial correlation analysis

表7　P5CS、δ-OAT與脯氨酸的通徑分析Table 7　Path analysis of P5CS, δ-OAT and psroline

3　討　論

3.1干旱脅迫下甘蔗分蘗期的脯氨酸積累效應(yīng)

甘蔗長期生長在熱帶、亞熱帶的環(huán)境中，往往可通過形態(tài)、生理生化等多種途徑的變化來維持干旱脅迫下體內(nèi)的水分平衡，其中生理抗旱一直是研究的熱點(diǎn)。周鴻凱等[16]的研究認(rèn)為，甘蔗抗旱耐旱能力有兩種類型：第一種為具有強(qiáng)大的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)功能系統(tǒng)，其缺水臨界值較低，從而表現(xiàn)好的抗旱性；第二種為靠迅速積累游離的脯氨酸來抵抗不良的條件，而表現(xiàn)抗旱力好。本研究結(jié)果表明，當(dāng)沙土的土壤含水量低于9.96%時(shí)(相對持水量為79.6%)，甘蔗植株內(nèi)P5CS、δ-OAT的活性即被顯著地激活了，合成積累了大量的游離脯氨酸，同時(shí)也激活了SOD活性，以抵抗干旱脅迫下甘蔗植株內(nèi)丙二醛等氧化物的積累而所造成對細(xì)胞膜透性的破壞。從表面上看，似乎ROC22屬于第二種類型，靠迅速積累大量脯氨酸來抵抗不良環(huán)境。若要準(zhǔn)確判定ROC22屬于哪一種抗旱類型，還有待與其它甘蔗品種進(jìn)行深入的對比探究。有研究表明，MDA含量高低和細(xì)胞質(zhì)膜透性變化是反映細(xì)胞膜脂過氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)，也是反映水分脅迫對甘蔗造成傷害的重要參數(shù)[17]，高三基等[18]研究也認(rèn)為MDA、SOD等可作為甘蔗抗旱性鑒定指標(biāo)。本研究在沙土的土壤水分低于2.64%（相對持水量為21.2%）時(shí)，甘蔗葉片的細(xì)胞膜透性和丙二醛含量急劇地增大，同時(shí)，P5CS、δ-OAT、SOD等的活性急劇地下降，游離脯氨酸的積累量亦開始顯著地減少，表明此時(shí)植株已經(jīng)無法抵抗該干旱強(qiáng)度的脅迫。由此可見，在礫質(zhì)沙土中土壤水分為2.64%（相對持水量為21.2%）時(shí)，已到達(dá)了ROC22的萎蔫系數(shù)。

3.2干旱脅迫下甘蔗分蘗期生理指標(biāo)間的相關(guān)性

本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下6個(gè)甘蔗生理指標(biāo)間的簡單正相關(guān)均達(dá)到了顯著水平，說明了甘蔗分蘗期植株體內(nèi)的這些生理生化過程間關(guān)系密切，甘蔗受到干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)的滲透壓增加，質(zhì)膜產(chǎn)生過氧化作用，MDA含量提高，使得質(zhì)膜受損透性增加，而促使游離脯氨酸的合成積累，以降低細(xì)胞內(nèi)的滲透壓，同時(shí)SOD活性也增大，用于清除O2-、·OH等活性氧（ROS）的積累，保持植株的生長發(fā)育。這與陳如凱等[4]、梁麗瓊等[19]以甘蔗為材料的研究結(jié)論類似。進(jìn)一步的偏相關(guān)分析表明，細(xì)胞膜透性分別與P5CS活性、脯氨酸含量為負(fù)的偏相關(guān)且達(dá)到了顯著水平。毛才良等[20]的研究認(rèn)為，大麥葉片細(xì)胞電導(dǎo)率上升是由于細(xì)胞電解質(zhì)外滲，而細(xì)胞電解質(zhì)的外滲主要是離子脅迫所致。同理，本研究甘蔗由于水分脅迫，導(dǎo)致細(xì)胞電解質(zhì)外滲，電導(dǎo)率增大，細(xì)胞膜透性增大，P5CS活性增強(qiáng)，生物體內(nèi)合成更多的脯氨酸，從而細(xì)胞液溶質(zhì)含量變大，減少細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，降低了電導(dǎo)率。同時(shí)，丙二醛、δ-OAT、SOD分別與脯氨酸含量的偏相關(guān)系數(shù)均到達(dá)了極顯著水平，其中δ-OAT與脯氨酸為負(fù)向偏相關(guān)，說明干旱脅迫下，甘蔗脯氨酸含量多了，會使得δ-OAT活性降低，有反饋調(diào)節(jié)的作用。

3.3干旱脅迫下甘蔗分蘗期體內(nèi)游離脯氨酸的合成積累途徑

植物脯氨酸合成、累積及代謝是一個(gè)受非生物脅迫和細(xì)胞內(nèi)脯氨酸濃度高度調(diào)控的生理生化過程[21]。植物體內(nèi)脯氨酸的合成分為兩條生物合成途徑[22]，其中△1-毗咯琳-5-羧酸合成酶(P5CS)和δ-鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶(δ-OAT)分別是脯氨酸合成途徑中谷氨酸途徑[23]和鳥氨酸途徑[23]的關(guān)鍵酶。在鹽、干旱、重金屬等逆境脅迫下，哪一種途徑對脯氨酸積累的影響占據(jù)主導(dǎo)地位，則與植物的種類、生理狀態(tài)和植物體內(nèi)的氮素水平有關(guān)[24]。Roosens等[25]研究不同生育期植物脯氨酸積累途徑發(fā)現(xiàn)，幼小植株以O(shè)rn途徑為主，成年植株以Glu途徑為主，而在滲透脅迫條件下兩條途徑發(fā)揮同樣重要的作用。本研究中，以游離脯氨酸為因變量、其他5個(gè)生理指標(biāo)為自變量的通徑分析結(jié)果表明，各個(gè)指標(biāo)對游離脯氨酸的直接通徑系數(shù)中，SOD對游離脯氨酸的正向直接作用最大，而細(xì)胞膜透性與δ-OAT對游離脯氨酸表現(xiàn)為負(fù)向的直接作用。由于P5CS與SOD存在共線性現(xiàn)象，雖然P5CS對Y的直接通徑系數(shù)較小，但通過SOD對游離脯氨酸具有較大的間接通徑系數(shù)，說明P5CS對植株游離脯氨酸合成積累具有較大的作用。同時(shí)，干旱脅迫下甘蔗分蘗期葉片內(nèi)的P5CS、δ-OAT活性均被顯著地激活，植株游離脯氨酸與P5CS、δ-OAT的多元相關(guān)性分析表現(xiàn)為P5CS對游離脯氨酸積累的作用顯著地大于δ-OAT。表明甘蔗在干旱脅迫下，P5CS、δ-OAT活性均被顯著地激活，啟動各自的途徑合成積累游離脯氨酸，以抵制干旱脅迫所造成的破壞，表現(xiàn)為以Glu→Pro途徑主，Orn→Pro途徑為輔。這與黃誠梅等[6]用3個(gè)甘蔗品種于伸長期以PEG脅迫模擬干旱脅迫，認(rèn)為甘蔗葉片中脯氨酸生物合成的谷氨酸合成途徑比鳥氨酸合成途徑更占優(yōu)勢地位的結(jié)論相似。而趙福庚等[26]的研究則認(rèn)為，鹽脅迫下可明顯激活大麥幼苗體內(nèi)脯氨酸合成的鳥氨酸途徑，使得Orn →Pro途徑成為脯氨酸合成積累的主要途徑。

植物游離脯氨酸合成積累是一個(gè)十分復(fù)雜的生理生化過程，由許多生理生化反應(yīng)及多個(gè)基因調(diào)控。本研究結(jié)果表明，尚有一些因子對游離脯氨酸的合成積累有影響。其他研究表明，除脯氨酸的合成酶受激活外，還有其它一些酶如脯氨酸運(yùn)輸酶[27]、谷氨酰胺合成酶[28]等也參與了脯氨酸的累積過程。因此，高等植物體內(nèi)游離脯氨酸合成積累的機(jī)制，還有待于從植物細(xì)胞信號傳遞、脯氨酸運(yùn)輸、相關(guān)酶的作用機(jī)制等方面進(jìn)一步研究證明。

[1]INES Slama，TAHAR Ghnaya，DORSAF Messedi，et al. Effect of sodium chloride on the response of thehalophyte species Sesuvium portulacastrum grown in mannitol-induced water stress[J]. J Plant Res，2007，120（2）：291–299.

[2]OUZOUNIDOU G，ILIAS I F，GIANNAKOULA A, et al. Effect of water stress and NaCl triggered changes on yield，physiology，biochemistry of broad bean（Vicia faba）plants and on quality of harvested pods[J]. Biologia，2014，69（8）：1010- 1017.

[3]RUTHERFORD R S. The assessment of proline accumulation as a mechanism of drought resistance in sugarcane[J]. Prec S Afric Sug Tech Asseci，1989，63：136-141.

[4]李富生，何麗蓮. 植物對非生物脅迫的生理響應(yīng)及甘蔗抗旱抗寒性研究進(jìn)展[J]. 甘蔗，2004，11（1）：31-37.

[5]陳如凱，張木清，陸裔波. 干旱脅迫對甘蔗生理影響的研究[J]. 甘蔗，1995，2（1）：1-6.

[6]楊建波，諸葛少軍，黎海濤，等. 干旱脅迫對甘蔗生長生理的影響及品種抗旱性評價(jià)[J]. 南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，43（8）：1114-1120.

[7]黃誠梅，畢黎明，楊麗濤，等. 聚乙二醇脅迫對甘蔗伸長期間葉中脯氨酸積累及其代謝關(guān)鍵酶活性的影響[J].植物生理學(xué)通訊，2007，43（1）：77-80.

[8]劉洋，姚艷麗，林希昊，張海林，蘇俊波. 干旱脅迫對甘蔗近緣材料抗氧化系統(tǒng)酶活性的影響[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2012，25（3）：852-855.

[9]高俊鳳. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)[M]. 西安：世界圖書出版公司，2000.

[10]周鐘瑜. 土壤水分測定方法[M]. 北京：水利水電出版社，1986：11-12.

[11]KAVI KISHOR P B，HONG Z L，MIAO G H, et al. Overexpression of △1-pyrroline-5-carboxylate synthetase increases proline production and confers osmotolerance in transgenic plants [J]. Plant Physiol，1995，108（4）：1387-1394.

[12]黃誠梅. 甘蔗脯氨酸積累與△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶（ScP5CS）基因克隆及轉(zhuǎn)化研究[D]. 廣西大學(xué)，2007：17-18.

[13]HU C-AA，DELAUNEY A J，VERMA D P S. A bifunctional enzyme（△1-pyrroline-5-carboxylate synthetase）catalyzes the first two steps in proline biosynthesis in plants[J]. Proc Natl Acad Sci USA 1992，89（19）：9354-9358.

[14]Kim H R，Rho H M W,Park J W，et al. Assay of ornithine aminotransferase with ninhydrin[J]. Anal Biochem，1994，223（2）：205-207.

[15]BATES L S，WALDREN R P，TEARE I D. Rapid determination of free proline for water-stress studies[J]. Plant and Soil，1973，39（1）：205-207.

[16]周鴻凱，葉振邦. 干旱對甘蔗葉片的細(xì)胞透性及脯氨酸積累效應(yīng)的研究初報(bào)[J]. 甘蔗糖業(yè)，1988（4）：39-41.

[17]陳少裕. 膜脂過氧化與植物逆境脅迫[J]. 植物學(xué)通報(bào)，1989，6（4）：211-217.

[18]高三基，羅俊，張華，等. 甘蔗抗旱性生理生化鑒定指標(biāo)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17（6）：1051-1054.

[19]毛才良，劉有良. 鹽脅迫大麥苗體內(nèi)的Na+、K+分配與葉片耐鹽量[J].南京農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1990，13（3）：32-36.

[20]羅俊，張木清，林彥銓，等.甘蔗葉綠體熒光參數(shù)、MDA含量及膜透性與耐旱性的關(guān)系[J].福建農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，28（3）：257-262.

[21]KIYOSUE T，YOSHIBA Y，YAMAGUCHI SK. A nuclear gene encoding mitochondrial proline dehy-drogenase, an enzyme involved in proline metabolism，is upregulated by proline but downregulated by dehydration in Arabidopsis thaliana[J]. Plant Cell，1996，8（8）：1323-1335.

[22]LEHMANN S，F(xiàn)UNK D，Szabados L. Proline metabolism and transport in plant development[J]. Amino Acids，2010，39（4）：949-962.

[23]DELAUNEY A J，HU C-AA，KISHOR P B K，et al . Cloning of ornithine -aminotransferase cDNA from Vigna aconitifolia by trans-comple-mentation in Escherichia coliand regulation of proline biosynthesis[J]. J Biol Chem 1993，268（25）：18673-18678.

[24]HERVIEU F，LE D L，HUAUL T C. Contribution of ornithine aminotransferase to proline accumulation in NaCl treated radish cotyledons[J]. Plant Cell Environ，1995，18（2）：205-210.

[25]ROOSENS N H C J，THU T T, ISKANDAR H M. Isolation of ornithine- aminotransferase cDNA and effect of salt stress on its expression in Arabidopsis[J]. Plant Physiol，1998，117（1）：263-271.

[26]趙福庚，孫誠，劉友良. 鹽脅迫激活大麥幼苗脯氨酸合成的鳥氨酸途徑[J]. 植物學(xué)報(bào)，2001，43（1）：36-40.

[27]IGARASHI Y，YOSHIBA Y，TAKESHITA T. Molecular cloning and characterization of a cDNA encoding proline transporter in rice[J]. Plant Cell Physiol，2000，41（6）：750-756.

[28]BRUGIEREA N，DUBOISB F，LIMAMIA A M. Glutamine synthetase in the phloem plays a major role in controlling proline production[J]. Plant Cell，1999，11（10）：1995-2012.

（責(zé)任編輯：陳莊）

Analysis of Drought toLerance Physiological Effect Based on Proline Biosynthesis and Accumulation at the Tillering Stage in Sugarcane

YANG Shan, YANG Jie-wen, YE Chang-hui, MO Jun-jie, ZHOU Hong-kai
（College of Agriculture, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088，China）

To explore the responses of free proline accumulation and its synthesis key enzymes at the tillering stage in sugarcane under drought stress，sugarcane variety ROC22 as materials was cultivated in bucket for drought stress test. The malondialdehyde content, conductivity, free proline content and the activity of δ-OAT, P5CS and SOD were measured under the seven soil moisture levels in sugarcane leaves.The results showed that when drought stress strength increased, the activity of P5CS, δ-OAT and SOD were activated in different degree, synthesized and accumulated a largeamount of free proline, to resist the damage caused by accumulation of MDA and other oxides for the cell membrane permeability. But when soil moisture was 2.64% (relative water capacity was 21.2%) in sandy soil, the wilting coefficient reached up to ROC22. Statistical analysis of the results showed that thesimple correlation between 6 physiological indexes of sugarcane had reached a significant level. Further partial correlation analysis showed that the cell membrane permeability and P5CS, proline content were negative partial correlation and reached a significant level. MDA, δ-OAT, SOD and proline content of partial correlation coefficients had reached a significant level. Meanwhile, SOD and P5CS were collinear and the multiple correlation analysis showed that the effects excertedon proline accumulation by P5CS was significantly greater than that by δ-OAT, and it appeared that the glutamic acid pathway （Glu→Pro）was the main pathway, and ornithine pathway（Orn→Pro）supplemented under drought stress in sugarcane.

sugarcane；proline；P5CS；δ-OAT；drought stress

S566.1

A

1673-9159（2015）06-0087-07

10.3969/j.issn.1673-9159.2015.06.016

2015-06-24

國家自然科學(xué)基金（41073059）；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013B020301005，2013B020301008）；廣東省良種培育和引進(jìn)專項(xiàng)（201201148）

楊善（1987—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)闊釒ё魑镌耘嗌怼?/p>

周鴻凱（1962—），男，研究員，研究方向?yàn)樽魑飳W(xué)。E-mail: 897961801@qq.com