葡萄砧木SO4對(duì)淹水的生理生化特異響應(yīng)

李艷?┒溫匏? 馬慶州++付艷東++翟衡

摘要：采用盆栽淹水法，測(cè)定淹水對(duì)1年生SO4葉片水勢(shì)及根系生理指標(biāo)的影響。結(jié)果表明，淹水3 d時(shí)，SO4葉片的水勢(shì)顯著低于對(duì)照，3 d后有明顯恢復(fù)，隨后持續(xù)降低；隨淹水脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，SO4根系丙酮酸脫羧酶（PDC）、乙醇脫氫酶（ADH）、乳酸脫氫酶（LDH）活性均呈先升后降的變化趨勢(shì)，并均在脅迫6 d時(shí)達(dá)到最高值，根系呼吸強(qiáng)度、可溶性蛋白含量逐漸降低，超氧陰離子（O-2[KG-*2]· [KG-*3]）產(chǎn)生速率持續(xù)上升；SO4植株K、Ca、Mg元素的含量有所降低，F(xiàn)e、Zn、Cu元素的含量相對(duì)升高。

關(guān)鍵詞：葡萄砧木；SO4；淹水脅迫；生理響應(yīng)；根系；葉片

中圖分類號(hào)： S663.101文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）12-0213-04

收稿日期：2015-10-12

基金項(xiàng)目：國(guó)家葡萄產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)項(xiàng)目（編號(hào)：CRAS-30-zp）；長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃（編號(hào)：IRT1155）。

作者簡(jiǎn)介：李艷（1987—），女，河南新鄉(xiāng)人，碩士，從事葡萄栽培生理研究。E-mail：liyan.0109@163.com。

通信作者：翟衡，研究員，從事葡萄栽培生理研究。Tel：（0538）8241335；E-mail：hengz@sdau.edu.cn。

我國(guó)葡萄栽培地域遼闊，葡萄生長(zhǎng)面臨寒旱澇漬等生態(tài)逆境的脅迫，其中澇漬脅迫已成為近年頻發(fā)的自然災(zāi)害之一，而突發(fā)性暴雨、季節(jié)性降水、地下水位高是葡萄生產(chǎn)上發(fā)生澇漬災(zāi)害的主要原因。一方面，水澇脅迫阻斷了細(xì)胞內(nèi)正常的電子鏈傳遞，造成超氧陰離子（O-2[KG-*2]· [KG-*3]）等活性氧（ROS）的積累，過(guò)量的ROS會(huì)導(dǎo)致膜脂過(guò)氧化[1]；另一方面，水澇脅迫下植株會(huì)啟動(dòng)無(wú)氧呼吸代謝，丙酮酸脫羧酶（PDC）、乙醇脫氫酶（ADH）、乳酸脫氫酶（LDH）的活性增加，并產(chǎn)生乙醛、乙醇、乳酸等中間產(chǎn)物，這些產(chǎn)物積累到一定程度會(huì)對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒害[2]。目前，關(guān)于葡萄耐澇性研究的報(bào)道相對(duì)較少。筆者所在實(shí)驗(yàn)室早期對(duì)部分主栽葡萄砧木的耐澇性進(jìn)行鑒定，并篩選出具有河岸葡萄親緣關(guān)系如SO4（Vitis berlandieri×V. riparia）、101-14M等具有較強(qiáng)耐澇性的砧木[3]。本研究以耐澇性較強(qiáng)的砧木SO4為試材，采用盆栽淹水法，測(cè)定淹水脅迫下SO4的生理生化變化，旨在探討葡萄砧木的抗?jié)承詸C(jī)理，為葡萄砧木的選擇利用提供理論支持。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料與處理

試驗(yàn)于2012年春季在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝試驗(yàn)站核心示范園內(nèi)進(jìn)行，將砧木SO4的1年生苗40株定植于上、下口徑分別為24、7 cm、高為22 cm的盆中，每盆1株，培養(yǎng)基質(zhì)為壤土；待幼苗長(zhǎng)至8張完全展開(kāi)葉時(shí)，將20盆試材置于水池中，保持水面位于盆沿2 cm左右，水池長(zhǎng)、寬、深分別為3.0、20、0.5 m，對(duì)照盆栽苗不淹水。試驗(yàn)苗同正常田間管理。

1.2測(cè)定內(nèi)容

于淹水后0、3、6、9、12 d，分別測(cè)定葉片水勢(shì)、根系呼吸強(qiáng)度、O-2[KG-*2]· [KG-*3]產(chǎn)生速率、SOD活性、可溶性蛋白含量、無(wú)氧呼吸代謝酶活性、礦質(zhì)元素含量等生理指標(biāo)[4-9]，每株為1個(gè)單位取樣，每個(gè)測(cè)定項(xiàng)目重復(fù)3次。

1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

數(shù)據(jù)采用Excel、SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理，采用Duncans極差法進(jìn)行多重比較分析。

2結(jié)果與分析

2.1淹水對(duì)SO4葉片水勢(shì)的影響

由圖1可知，不淹水砧木植株（對(duì)照）葉片的水勢(shì)在 -0.65～-0.90 MPa之間波動(dòng)，前后波動(dòng)變化不大；淹水脅迫下，砧木SO4的葉片水勢(shì)呈“降—升—降”的趨勢(shì)，處理3 d時(shí)，淹水植株葉片水勢(shì)顯著低于對(duì)照，后葉片水勢(shì)有一定程度恢復(fù)，但隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng)，葉片水勢(shì)再度顯著降低，淹水9、12 d時(shí)，淹水植株葉片水勢(shì)分別是對(duì)照的1.62、2.65倍，這導(dǎo)致砧木SO4出現(xiàn)生理干旱、葉片萎蔫。

2.2淹水對(duì)SO4根系呼吸強(qiáng)度的影響

根系是植物對(duì)缺氧反應(yīng)最敏感的部位。由圖2可知，處理3 d時(shí)，淹水的SO4植株根系與對(duì)照沒(méi)有顯著性差異；隨處理時(shí)間的延長(zhǎng)，淹水植株根系的呼吸強(qiáng)度越來(lái)越弱，淹水6 d時(shí)，淹水植株根系的呼吸強(qiáng)度為對(duì)照的74.30%，有顯著性差異，這說(shuō)明淹水植株的根系呼吸已經(jīng)受阻；淹水9、12 d時(shí)，淹水植株根系的呼吸強(qiáng)度分別是對(duì)照的53.70%、33.40%，顯著低于對(duì)照，淹水植株根系的呼吸強(qiáng)度持續(xù)減弱。

2.3淹水對(duì)SO4根系O-2[KG-*2]· [KG-*3]產(chǎn)生速率的影響

在逆境脅迫下，活性氧會(huì)大量積累，其中，O-2[KG-*2]· [KG-*3]對(duì)細(xì)胞膜脂具有較強(qiáng)的氧化作用。由圖3可知，淹水脅迫下，SO4根系中O-2[KG-*2]· [KG-*3]的產(chǎn)生速率隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈直線上升趨勢(shì)，淹水3、6、9、12 d時(shí)，O-2[KG-*2]· [KG-*3]的產(chǎn)生速率分別是對(duì)照的1.24、2.00、2.05、3.61倍，與對(duì)照有顯著性差異。

2.4淹水對(duì)SO4根系SOD活性的影響

SOD是植物體內(nèi)清除活性氧的一個(gè)關(guān)鍵酶。由圖4可知，淹水初期，淹水脅迫產(chǎn)生的活性氧誘導(dǎo)SOD活性升高，脅迫3 d時(shí)，SOD的活性顯著高于對(duì)照，增幅達(dá)83.55%，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，植株活性氧清除能力下降；脅迫6 d時(shí)，淹水植株的SOD活性比對(duì)照高55.65%；脅迫9 d時(shí)，淹水植株的SOD[CM（23*2/3]活性比對(duì)照低18.52%，導(dǎo)致植株整體活性氧清除系統(tǒng)

受到抑制。

2.5淹水對(duì)SO4根系可溶性蛋白含量的影響

由圖5可知，淹水處理可引起根系可溶性蛋白含量的持續(xù)降低，脅迫6、9、12 d時(shí)，淹水植株根系的可溶性蛋白含量比對(duì)照分別降低29.17%、35.86%、50.14%，這可能是因?yàn)檠退{迫一方面阻礙了蛋白質(zhì)的合成，另一方面促進(jìn)了蛋白質(zhì)的降解及蛋白質(zhì)的過(guò)度利用。

[TPLY55.tif]

2.6淹水對(duì)SO4根系無(wú)氧呼吸代謝酶活性的影響

由圖6可知，淹水脅迫后，SO4根系中的PDC活性呈快速上升趨勢(shì)，脅迫6 d時(shí)達(dá)到最大值，比對(duì)照增加63.92%，隨后活性有所降低，且仍顯著高于對(duì)照；淹水脅迫使SO4根系中的ADH活性表現(xiàn)出與PDC相同的變化趨勢(shì)，淹水6 d時(shí)，脅迫根系中的ADH活性快速升至最大值，比同期對(duì)照處理增加97.46%，后保持緩慢降低趨勢(shì)，脅迫12 d時(shí)比對(duì)照顯著增加50.08%；淹水脅迫下SO4根系中LDH活性也表現(xiàn)為先升后降的趨勢(shì)，脅迫3 d時(shí)，植株根系LDH活性比對(duì)照增加 23.26%，6 d時(shí)，根系LDH活性達(dá)到最大值，比對(duì)照增加 89.97%，后緩慢降低，淹水脅迫能誘導(dǎo)SO4根系中LDH活性的增加，推動(dòng)乳酸發(fā)酵的進(jìn)行。

[FK（W10][TPLY66.tif]

2.7淹水對(duì)SO4植株礦質(zhì)元素含量的影響

由圖7可知，長(zhǎng)期淹水明顯抑制葡萄根、莖、葉對(duì)K、Ca、Mg的吸收運(yùn)轉(zhuǎn)及利用，淹水脅迫12 d時(shí)，處理根系中的K、Ca、Mg含量分別比對(duì)照降低47.52%、25.47%、22.08%，莖中的K、Ca、Mg含量分別比對(duì)照降低63.89%、26.13%、21.74%，葉內(nèi)的K、Ca、Mg含量分別比對(duì)照降低42.99%、20.28%，9.57%，各器官均以K元素含量減少相對(duì)最多；相反，淹水脅迫下，SO4根、莖、葉中的Fe、Zn、Cu含量升高，淹水植株根、莖、葉中的Fe含量分別是對(duì)照的1.01、1.09、1.34倍，Zn含量分別是對(duì)照的1.12、2.67、3.52倍，Cu含量分別是對(duì)照的1.01、1.16、1.10倍，Zn元素在莖、葉中富集。

3結(jié)論與討論

SO4是一個(gè)比較耐澇的砧木品種，淹水3 d時(shí)植株表觀尚無(wú)明顯澇害癥狀，但生理上先于表觀已有澇害反應(yīng)。從生理反應(yīng)看，3 d的澇漬對(duì)SO4傷害較小，植株最多可忍受6 d內(nèi)的澇漬。

葉片水勢(shì)反映植物組織水分狀況，是衡量植物水分虧缺程度的重要生理指標(biāo)，葉片水勢(shì)越小，細(xì)胞越缺水，細(xì)胞的吸水能力越強(qiáng)。本研究中，淹水SO4的葉片水勢(shì)呈“降—升—降”的變化趨勢(shì)，這是由于脅迫3 d時(shí)，SO4蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均升高，引起葉片水勢(shì)降低，植物為減少過(guò)度蒸騰失水造成的傷害，葉片氣孔關(guān)閉、水勢(shì)升高，如繼續(xù)淹水，SO4會(huì)出現(xiàn)生理干旱，導(dǎo)致葉片水勢(shì)降低。

根系呼吸強(qiáng)度是淹水條件下根系活力的重要指標(biāo)，澇漬條件下根系呼吸強(qiáng)度的降低是植物最早的反應(yīng)之一。根系呼吸代謝所利用的氧主要是土壤孔隙中的自由氧和土壤水中的溶解氧，淹水脅迫后，土壤孔隙中的自由氧大量減少，根系呼吸只能利用少量的溶解氧，這導(dǎo)致呼吸代謝受到抑制，呼吸速率下降。

植物體內(nèi)可溶性蛋白含量變化是逆境脅迫下植物代謝變化較為敏感的指標(biāo)。Sachs等研究發(fā)現(xiàn)，氧氣不足時(shí)，好氣性蛋白合成受到抑制[10]。本試驗(yàn)中，淹水脅迫下SO4根系中的可溶性蛋白含量降低，這可能是由于淹水脅迫抑制了植株體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成，從而造成可溶性蛋白含量的降低。

澇漬低氧脅迫下，三羧酸循環(huán)和電子傳遞流受阻，細(xì)胞能荷水平顯著降低，根系功能減弱，植株生長(zhǎng)發(fā)育遲緩，植物啟動(dòng)無(wú)氧呼吸是其對(duì)低氧或無(wú)氧逆境的一種臨時(shí)性、適應(yīng)性反應(yīng)[11-12]。缺氧條件下，丙酮酸進(jìn)入乙醇發(fā)酵途徑，在PDC催化下生成乙醛，乙醛在ADH催化下生成乙醇，并進(jìn)入乳酸發(fā)酵途徑，在LDH催化下直接生成乳酸[13]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，淹水脅迫下，SO4通過(guò)提高無(wú)氧呼吸酶的活性以促進(jìn)丙酮酸的無(wú)氧代謝，其根系PDC、ADH、LDH活性均呈先升后降的變化趨勢(shì)，酶活性在脅迫中期達(dá)到最高值，隨著脅迫傷害的進(jìn)一步加重，無(wú)氧呼吸的代償功能明顯減弱，酶活性逐漸減弱，這與劉周斌等研究結(jié)果[14]一致。

正常條件下，植物體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與清除系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)，但在逆境條件下，這種平衡被破壞，活性氧的產(chǎn)生增加。齊琳等研究認(rèn)為，淹水脅迫下，無(wú)花果葉片O-2[KG-*2]· [KG-*3]的產(chǎn)生速率顯著升高[15]。本試驗(yàn)中，淹水脅迫處理的SO4根系中O-2[KG-*2]· [KG-*3]的產(chǎn)生速率比不淹水處理的高，并隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，活性氧積累更多。SOD是O-2[KG-*2]· [KG-*3]主要的清除物，能將O-2[KG-*2]· [KG-*3]歧化為H2O2和O2，H2O2在CAT等作用下被分解成H2O和O2。淹水脅迫下，SO4根系中SOD活性表現(xiàn)為先增后減的變化趨勢(shì)，說(shuō)明SO4可通過(guò)提高自身抗氧化酶活性來(lái)適應(yīng)淹水脅迫，這在一定程度上減緩了淹水造成的氧化脅迫，提高了SO4對(duì)逆境的適應(yīng)性；隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，SOD活性下降，而活性氧的積累也越來(lái)越多。

植物體中的Ca、Mg、Fe、Zn、Cu元素在構(gòu)成細(xì)胞結(jié)構(gòu)、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、葉綠素合成、構(gòu)成酶活性中心和參與酶促反應(yīng)中發(fā)揮著重要作用。植物往往通過(guò)根系吸收礦質(zhì)元素，而淹水脅迫會(huì)影響ATP的合成及土壤微生物的活動(dòng)，從而使根系對(duì)養(yǎng)分的主動(dòng)吸收受阻，對(duì)礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的利用效率降低。本試驗(yàn)結(jié)果表明，淹水脅迫下，SO4體內(nèi)K、Ca、Mg元素的含量降低，這可能與淹水脅迫下根系腐爛、吸收能力降低有關(guān)[16]，也可能與淹水下SO4的代謝生理紊亂有關(guān)，同時(shí)，F(xiàn)e、Zn、Cu等元素的過(guò)量積累，會(huì)對(duì)植物產(chǎn)生一定的毒害作用[17-18]。

總之，澇漬直接作用于根系，植株受傷害的首先是根系，淹澇脅迫下，根系的有氧呼吸受到抑制，無(wú)氧呼吸增強(qiáng)。同時(shí)，淹澇脅迫促進(jìn)了根系抗氧化酶活性的增加，但隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，根系的自我調(diào)控能力減弱，植株生長(zhǎng)受到抑制。需指出的是，植物體內(nèi)各種代謝相互聯(lián)系、相互制約，某個(gè)單一的生理過(guò)程或指標(biāo)的變化尚不足表征其耐澇能力的強(qiáng)弱。

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