PEG脅迫對木薯葉片形態(tài)、生理及根系解剖結(jié)構(gòu)的影響

魏云霞 王曉慶 黃潔

摘 要 為探討木薯的干旱響應(yīng)，采用0（CK）、10%、20%、30% PEG模擬法，研究干旱對木薯葉片形態(tài)、生理，以及根系解剖結(jié)構(gòu)等的影響。結(jié)果表明，與CK相比，在30% PEG處理下，木薯葉片均萎蔫、下垂。除SC205游離脯氨酸含量在30% PEG處理下降外，3份種質(zhì)葉片的O2-產(chǎn)生速率、游離脯氨酸含量均隨PEG濃度提高而明顯提高。在PEG脅迫下，Rayong9葉片的可溶性蛋白含量無明顯變化，CMR35-22-196的顯著提高，SC205的明顯降低。3份種質(zhì)在20% PEG和30% PEG處理下，均出現(xiàn)表皮或薄壁細胞殘缺、根冠脫落現(xiàn)象；且Rayong9在30% PEG處理下，根系出現(xiàn)細胞程序性死亡，SC205、CMR35-22-196在20%和30% PEG處理下，根系出現(xiàn)細胞程序性死亡、表皮細胞栓化?？梢姡珊得{迫對木薯生長不利，脅迫越強，危害越大。

關(guān)鍵詞 木薯；種質(zhì)；干旱脅迫；聚乙二醇；形態(tài)；生理；解剖結(jié)構(gòu)

中圖分類號 S533 文獻標識碼 A

Influence of PEG Stress on the Morphology and Physiology of

Leaf and Anatomical Structure of Root of Cassava

WEI Yunxia， WANG Xiaoqing， HUANG Jie*

Tropical Crops Genetic Resources Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of

Conservation and Utilization of Cassava Genetic Resources， Minstry of Agriculture， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract The purpose of this study was to investigate the variation of different cassava germplasms responding to drought stress. The leaf morphology， leaf physiology and root anatomical structure of three cassava germplasms， namely Rayong9， SC205 and CMR35-22-196， were evaluated， under drought stress using 0（CK）， 10%， 20% and 30% of PEG solutions. The results showed that the leaves of the three germplasms became wilting and drooping at the 30% PEG. The O2- production rate and the free proline contents of the three germplasms increased with the increasing of PEG， except for the free proline content of SC205 decreased at the 30% PEG. When compared with the 0 PEG， PEG stress affected slightly the soluble proteins content of Rayong9， while， those of SC205 and CMR35-22-196 were decreased and increased dramatically， respectively. The epidermis or parenchyma cells of root of the three germplasms， were incomplete and the root cap came off at the 20% and 30% PEG， when compared with the 0 PEG. Simultaneously， the programmed death cells in root were appeared for Rayong9 at the 30% PEG， while， the programmed death cells and suberisated epidermis were both appeared for SC205 and CMR35-22-196 at the 20% and the 30% PEG. In short， drought stress was bad for the growth of cassava， and the damage was getting worse with the aggravating drought stress.

Key words Cassava；Germplasms；Drought stress；Polyethylene glycol；Morphology；Physiology；Anatomical structure

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.02.013

木薯（Manihot esculenta Crantz.）是世界熱帶農(nóng)業(yè)的重點發(fā)展對象，又是中國重要的熱帶作物。發(fā)展木薯產(chǎn)業(yè)，對中國飼料、糧食、淀粉、能源方面有著重要的意義[1]。然而，在中國，木薯苗期易受干旱影響，從而導(dǎo)致木薯大幅減產(chǎn)[2-3]，不利于木薯產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和擴大。

干旱脅迫下，作物形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理特性、器官解剖結(jié)構(gòu)等會發(fā)生變化，以阻止、降低或修復(fù)脅迫造成的損傷[4-7]。植物根系首先感受到脅迫，是研究抗旱性、耐旱性的重要部位[8]。而不同的作物種類、品種，甚至同一品種的不同生育時期，都可能表現(xiàn)出不同的抗旱響應(yīng)和機制[9-11]。于曉玲等[4]指出，干旱脅迫引起木薯葉片萎蔫，直至脫落；單忠英等[12]研究表明，‘新選048木薯的脯氨酸及可溶性蛋白質(zhì)含量隨干旱脅迫強度增加而增加；劉艷等[13]發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，甘草（Glycyrrhiza uralensis Fisch.）根系細胞核發(fā)生變形，染色質(zhì)凝聚并邊緣化分布。目前，關(guān)于干旱脅迫對木薯葉片形態(tài)、生理特性的影響已有一些報道[4，12，14]，然而，國內(nèi)未見不同木薯種質(zhì)對干旱脅迫響應(yīng)的比較，以及干旱脅迫對木薯根系解剖結(jié)構(gòu)影響的研究報道。

聚乙二醇（PEG-6000）有很強的親水性，是模擬土壤干旱較為理想的滲透調(diào)節(jié)劑[15]，因其模擬干旱脅迫與土壤控水的結(jié)果較為一致[16]，而被廣泛用于植物的抗旱性研究[5，15]。本研究以木薯Rayong9、SC205、CMR35-22-196為研究對象，采用0、10%、20%及30%PEG-6000模擬干旱，研究干旱脅迫下木薯葉片形態(tài)、生理及根系解剖結(jié)構(gòu)的變化；以期為木薯抗旱研究提供參考和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

為研究干旱脅迫對木薯的影響，于2011年8～10月在位于海南省儋州市的中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所（品資所）木薯基地采用盆栽試驗進行了干旱脅迫模擬研究。通過在品資所木薯種質(zhì)圃田間評價，并結(jié)合反復(fù)干旱-復(fù)水初步篩選，選取不同抗旱類型的Rayong9、SC205、CMR35-22-196，3份種質(zhì)參試。2011年8月1日，每份種質(zhì)培育50盆，每盆直插1條種莖，種莖長度為（15.0±0.5）cm。塑料盆直徑13.0 cm、高度12.0 cm，每盆裝入0.8 kg混合基質(zhì)（V河泥 ∶ V腐熟椰糠=1∶3）。1個月后，每份種質(zhì)選取其中生長健康、長勢、株高基本一致的幼苗36盆，用純水小心沖去花盆中基質(zhì)，至完整取出幼苗，小心洗凈根系后，將其置于直徑8.5 cm、高度14.0 cm的水杯中，種莖基部離杯底5 cm，每杯固定1株苗，并裝入200 mL Hoagland營養(yǎng)液，放入人工氣候培養(yǎng)箱內(nèi)恢復(fù)培養(yǎng)14 d。

1.2 試驗設(shè)計

恢復(fù)培養(yǎng)結(jié)束后，用Hoagland營養(yǎng)液配制濃度為0%（CK）、10%、20%、30%的 PEG-6000溶液，對3份種質(zhì)進行為期72 h的模擬干旱脅迫處理。每份種質(zhì)的4個處理均設(shè)3次重復(fù)，每重復(fù)3株。每12 h更換1次相應(yīng)濃度的PEG-6000溶液，以減少濃度誤差。

1.3 測定項目及方法

形態(tài)觀察：脅迫結(jié)束時，觀察、記載各處理幼苗葉片是否萎蔫、下垂。

生理指標：形態(tài)觀察結(jié)束后，分別取各重復(fù)的3株幼苗頂部4片展開葉，用蒸餾水沖洗除去表面污物，并用吸水紙吸干葉片表面水分，混合葉片后進行生理指標測定。其中，O2-產(chǎn)生速率采用羥胺氧化反應(yīng)法測定[17]，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[18]，游離脯氨酸含量采用茚三酮顯色法測定[18]。

根系解剖結(jié)構(gòu)：采集各重復(fù)葉片的同時，剪取各重復(fù)的3株幼苗新生白色根尖，用于制備橫切、縱切石蠟切片，每株幼苗均需制備1張完整橫切片和1張完整縱切片，以觀察根系結(jié)構(gòu)。石蠟切片采用蔣道松[19]的方法，經(jīng)FAA固定、梯度乙醇脫水、正丁醇透明、石蠟包埋。用切片機（Leica RM2245，德國）切片，切片經(jīng)二甲苯脫蠟、固綠染色、乙醇梯度脫水、中性樹膠封片后，在顯微鏡（Nikon 正置顯微鏡 eclipse CI，日本）下觀察，并采集照片。

1.4 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

采用Excel 2013進行數(shù)據(jù)整理及制圖，SPSS 20.0軟件進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 對葉片形態(tài)的影響

與CK相比，在10%PEG、20%PEG處理下，3份種質(zhì)的葉片形態(tài)無明顯變化；在30%PEG處理下，均出現(xiàn)葉片萎蔫、下垂癥狀，下部葉片尤為嚴重，并出現(xiàn)黃化現(xiàn)象。

2.2 對葉片生理指標的影響

2.2.1 對葉片O2-產(chǎn)生速率的影響 由圖1可知，與CK相比，PEG濃度越高，3份種質(zhì)的O2-產(chǎn)生速率及O2-產(chǎn)生速率增幅越大，Rayong9、SC205、CMR35-22-196的O2-產(chǎn)生速率增幅范圍分別為506.92%～5069.18%、77.11%～333.00%、13.55%～216.76%。在CK處理下，3份種質(zhì)的O2-產(chǎn)生速率高低表現(xiàn)為CMR35-22-196≈SC205>Rayong9；在10%PEG和20%PEG處理下表現(xiàn)為SC205>Rayong9>CMR35-22-196，在30%PEG處理下，表現(xiàn)為Rayong9>SC205>CMR35-22-196。在相同濃度PEG處理下，3份種質(zhì)的O2-產(chǎn)生速率增幅均表現(xiàn)為Rayong9>SC205>CMR35-22-196。

2.2.2 對葉片可溶性蛋白含量的影響 由圖2可知，與CK相比，在PEG脅迫處理下，3份種質(zhì)的可溶性蛋白含量變化規(guī)律不同，其中，Rayong9可溶性蛋白含量無明顯變化；SC205可溶性蛋白含量降低13.94%～24.97%；CMR35-22-196可溶性蛋白含量隨PEG濃度增加而提高，增幅達8.20%～75.57%。在相同濃度PEG處理下，Rayong9可溶性蛋白含量均明顯高于SC205、CMR35-22-196。

2.2.3 對葉片游離脯氨酸含量的影響 由圖3可知，與CK相比，在PEG脅迫處理下，3份種質(zhì)的游離脯氨酸含量均明顯提高，除SC205游離脯氨酸含量在30 %PEG處理下降外，3份種質(zhì)的游離脯氨酸含量均隨PEG濃度增加而增加。在CK、10% PEG、20% PEG處理下，3份種質(zhì)的游離脯氨酸含量高低排序為SC205>CMR35-22-196>Rayong9，30% PEG處理下為Rayong9>CMR35-22-196>SC205。與CK相比，在10%PEG處理下，3份種質(zhì)的游離脯氨酸含量增幅高低排序為CMR35-22-196>SC205>Rayong9；在20%PEG、30%PEG處理下，3份種質(zhì)的游離脯氨酸含量增幅高低排序與相應(yīng)PEG處理下游離脯氨酸含量高低排序一致。

2.3 對根系解剖結(jié)構(gòu)的影響

與CK相比，10% PEG處理下（圖4～6的b、圖4～6的f），3份種質(zhì)的根系解剖結(jié)構(gòu)均無明顯變化；但在20% PEG、30% PEG處理下，3份種質(zhì)的根系解剖結(jié)構(gòu)有不同變化趨勢。Rayong9在20% PEG處理下（圖4-c、圖4-g），根系部分薄壁細胞殘缺、根冠脫落；在30% PEG處理下（圖4-d、圖4-h），根冠脫落、染色質(zhì)凝聚并邊緣化分布。SC205和CMR35-22-196在20% PEG（圖5～6的c、圖5～6的g）、30% PEG處理下（圖5～6的d、圖5～6的h），染色質(zhì)凝聚并邊緣化分布、表皮細胞栓化、栓化程度隨PEG濃度增加而加強。此外，SC205在20% PEG處理下（圖5-g）根冠細胞殘缺，在30% PEG處理下（圖5-d、圖5-h）根系薄壁細胞及伸長區(qū)表皮細胞殘缺，而CMR35-22-196在20% PEG（圖6-c、圖6-g）、30% PEG（圖6-d、圖6-h）處理下整個根系表皮細胞殘缺。在相同濃度PEG處理下，SC205、CMR35-22-196根系解剖結(jié)構(gòu)的變化程度強于Rayong9根系解剖結(jié)構(gòu)的變化程度。

3 討論與結(jié)論

3.1 葉片生理指標對干旱脅迫的響應(yīng)

O2-的增加能引起膜損傷和脂質(zhì)過氧化，當其積累超過一定程度，將會影響到植物的正常生長[20]；且抗旱性強的品種O2-含量增加較慢，增幅較小，抗旱性弱的品種則相反[21]。干旱脅迫下，維持正常的可溶性蛋白濃度或產(chǎn)生新的蛋白、增加脯氨酸含量等是植物適應(yīng)干旱脅迫的重要機制[9，22]。本研究中，PEG脅迫下，3份木薯種質(zhì)的O2-產(chǎn)生速率及其增幅均隨PEG濃度增加而顯著提高，與干旱脅迫對諸葛菜（Orgchophragmus violaceus）[23]、夏臘梅（Calycanthus chinensis）O2-產(chǎn)生速率的影響研究一致[24]；Rayong9可溶性蛋白含量維持穩(wěn)定，CMR35-22-196的明顯提高，而SC205的明顯降低；3份種質(zhì)的游離脯氨酸含量明顯提高，與干旱脅迫顯著提高諸葛菜[23]、花生（Arachis hypogaea Linn.）[25]游離脯氨酸含量的結(jié)果一致，且除SC205游離脯氨酸含量在30% PEG處理下降外，3份種質(zhì)的游離脯氨酸含量均隨PEG濃度增加而增加，這與重度脅迫下脯氨酸積累可能下降[26-27]的結(jié)果吻合。針對3項生理指標運用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)值法[28]對3份種質(zhì)抗旱性強弱進行綜合評價可知，10%和20% PEG脅迫下，3份種質(zhì)抗旱性強弱排序為CM35-22-196>SC205>Rayong9；30%PEG脅迫下則為CM35-22-196>Rayong9>SC205。

3.2 根系解剖結(jié)構(gòu)對干旱脅迫的響應(yīng)

栓化的細胞可以保護植物內(nèi)部細胞，有效防止水分散失，保護根系免受干旱的傷害[6-7]；且干旱等逆境下植物細胞會發(fā)生程序性死亡，以抵御逆境[29]。本研究中，干旱脅迫下，3份木薯種質(zhì)的根系結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)表皮或薄壁細胞殘缺、根冠脫落現(xiàn)象，與水曲柳（Fraxinus mandshurica Rupr.）根系在干旱脅迫下的表現(xiàn)現(xiàn)象相似[30]；在相同濃度PEG處理下，SC205、CMR35-22-196根系解剖結(jié)構(gòu)的變化程度都大于Rayong9，推測干旱脅迫對SC205、CMR35-22-196根系結(jié)構(gòu)的影響程度可能大于Rayong9。干旱脅迫下，Rayong9根系出現(xiàn)細胞程序性死亡；而SC205、CMR35-22-196不僅根系出現(xiàn)細胞程序性死亡，還出現(xiàn)根系表皮細胞栓化。這可能是3份種質(zhì)通過根系結(jié)構(gòu)變化應(yīng)對干旱脅迫的機制存在一定的差異。在PEG脅迫下，木薯種質(zhì)通過根系細胞程序性死亡應(yīng)對干旱的機制與甘草[13]、 蘋果（Malus sieversii（Ledeb）Roem.）[31]等應(yīng)對干旱的機制相似；而SC205、 CMR35-22-196通過根系表皮細胞栓化抵御干旱的機制與水稻（Oryza sativa L.）[6]應(yīng)對干旱的機制又有相似之處。

3.3 其他

從本研究可以看出，與CK相比，當木薯種質(zhì)葉片形態(tài)、葉片生理指標、根系解剖結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯變化時，其起始PEG濃度是不同的。木薯種質(zhì)在30% PEG脅迫下，葉片形態(tài)出現(xiàn)明顯變化；自10% PEG脅迫起，葉片生理生化特性出現(xiàn)明顯變化；自20% PEG脅迫起，根系解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化。孫彩霞等[32]認為，水分脅迫下，植物在生理、細胞結(jié)構(gòu)發(fā)生適應(yīng)改變后，最終在植株形態(tài)上有所表現(xiàn)。推測，木薯的形態(tài)、生理、解剖結(jié)構(gòu)對抗旱響應(yīng)的敏感性不同，敏感性強弱順序為生理>解剖結(jié)構(gòu)>形態(tài)。

綜上所述，干旱脅迫對木薯生長不利，脅迫程度越強，危害越大。木薯形態(tài)、生理指標、根系解剖結(jié)構(gòu)等都會對干旱脅迫做出響應(yīng)。

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