干旱脅迫對持綠性甘蔗細莖野生種葉片生理和生物量的影響

邊芯，郎榮斌，桃聯(lián)安，董立華，經(jīng)艷芬，俞華先，安汝東，周清明，孫有芳

干旱脅迫對持綠性甘蔗細莖野生種葉片生理和生物量的影響

邊芯，郎榮斌，桃聯(lián)安，董立華，經(jīng)艷芬*，俞華先，安汝東，周清明，孫有芳

（云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所瑞麗育種站，云南瑞麗678600）

以高持綠性甘蔗細莖野生種（云瑞08-254）和低持綠性甘蔗細莖野生種（云瑞09-525）為試驗材料，在干旱脅迫和正常澆水兩個條件下，研究干旱脅迫對甘蔗葉片生理活性和生物量的影響。結(jié)果表明：干旱脅迫下，云瑞08-254的葉片SOD、CAT和MDA含量都明顯增加，而云瑞09-525葉片SOD、CAT、POD和MDA含量均明顯降低；云瑞08-254的相對電導率增幅顯著小于云瑞09-525，云瑞08-254的質(zhì)膜受損程度相對較??；與云瑞09-525相比，云瑞08-254在干旱脅迫后脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高幅度較為明顯，且本身即具有較高的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量。在干旱脅迫條件下，持綠性甘蔗細莖野生種能通過產(chǎn)生保護性物質(zhì)降低對干旱的敏感性，通過調(diào)節(jié)SOD、CAT和POD活性以及MDA、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量以及持綠生物量的變化，從而減輕干旱的傷害，表現(xiàn)出更好的抗旱性。

甘蔗細莖野生種；干旱脅迫；持綠性；保護酶活性

甘蔗是我國主要的糖料作物，其面積占我國常年糖料面積的85%以上，產(chǎn)糖量占食糖總產(chǎn)的90%以上，我國已成為世界第三大產(chǎn)糖國。隨著國家農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，廣西、云南等西部蔗區(qū)的甘蔗面積已占全國的79.9%。近年來，氣候的變化以及水資源的短缺，導致旱災不斷；加之經(jīng)濟的發(fā)展和人口的膨脹，甘蔗種植向無灌溉條件的旱坡地遷移。廣西丘陵、旱坡地種植甘蔗面積達全區(qū)種植甘蔗總面積的90%，云南旱坡地種植甘蔗面積占全省種植甘蔗面積的70%，這些蔗區(qū)多數(shù)抵御自然災害能力不足，干旱成為甘蔗生產(chǎn)的主要制約因素。干旱最容易引起作物葉片褪色，加速作物的衰老死亡，但持綠性較強的作物能夠在干旱條件下延緩葉片衰老的過程。持綠性是由多基因控制的數(shù)量遺傳性狀，既是植物生理成熟的表型反應，又是衡量作物抗旱性的指標。干旱脅迫下，作物葉片中超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）和過氧化氫酶（CAT）這三種酶活性降低快[1-4]。

甘蔗細莖野生種（Saccharum spontaneum L.），也稱割手密，具有抗逆性強和適應性廣的特點。對甘蔗細莖野生種的研究，齊永文等[5]、張革民等[6]、丁燦等[7]分別研究了不同省區(qū)甘蔗細莖野生種的農(nóng)藝性狀、糖分、抗寒性表現(xiàn)；王麗萍等[8]、吳才文等[9-10]、劉新龍等[11]、桃聯(lián)安等[12]分別對甘蔗細莖野生種后代分離群體進行構(gòu)建及其遺傳分析等方面研究；經(jīng)艷芬等[13]、邊芯等[14]對云南野生甘蔗血緣后代的抗旱性進行鑒定研究。

本研究分析了干旱脅迫下持綠性高的甘蔗細莖野生種葉片生理反應和生物量變化，為持綠性狀在甘蔗細莖野生種抗旱性的選擇以及甘蔗細莖野生種上的進一步發(fā)掘利用提供科學依據(jù)，同時提高甘蔗抗逆育種效率。

1 材料與方法

1.1試驗材料

選用持綠性甘蔗細莖野生種血緣云瑞08-254和持綠性表現(xiàn)較差的云瑞09-525，兩個創(chuàng)新種質(zhì)材料。云瑞材料為云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所瑞麗育種站自育的創(chuàng)新種質(zhì)材料。

1.2試驗設計

試驗場地位于云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所瑞麗育種站抗旱溫室內(nèi)，桶栽種植，其中桶高27cm，直徑30cm。在土、有機肥與沙（質(zhì)量比為2∶1∶1）的基質(zhì)中培養(yǎng)催芽，當單芽種植的試驗材料開始分蘗時，將培養(yǎng)的幼苗移入同樣基質(zhì)的桶中，每桶移栽5叢，每個材料兩個處理，包括正常供水和干旱脅迫，每個處理設3重復，第Ⅰ重復為正常供水，第Ⅱ、Ⅲ重復進行干旱脅迫，測定3次重復試驗材料相關(guān)指標。

1.3指標測定

1.3.1 生理指標測定參照李明媚[4]的方法測定SOD、CAT和POD活性；采用硫代巴比妥酸顯色法測定丙二醛（MDA）含量；相對電導率參照張憲政[15]的方法測定；脯氨酸（Pro）含量采用酸性茚三酮法測定；可溶性糖含量采用蒽酮法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定。

1.3.2 生物量指標測定每處理每重復實稱15叢甘蔗的地上部分總生物量、地上部分持綠和失綠生物量，

記錄每叢株數(shù)，計算單株持綠和失綠生物量以及地上部分持綠生物量占地上總生物量的比值。

1.4數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2003軟件進行數(shù)據(jù)整理和作圖，DPS v13.5軟件進行統(tǒng)計分析，用LSD法進行差異顯著性分析（α=0.05）。

表1 干旱脅迫對甘蔗細莖野生種生理話性的影響

2 結(jié)果與分析

2.1干旱脅迫對甘蔗葉片生理活性的影響

由表1可見，與對照相比，干旱脅迫使云瑞08-254的SOD活性、CAT活性和MDA含量分別提高了31.7%、72.0%和43.9%，而同樣干旱脅迫條件下云瑞09-525的SOD活性、CAT活性、POD活性和MDA含量分別降低了3.4%、24.1%、33.7%和10.3%。同時云瑞08-254的POD活性也降低18.8%。正常供水的條件下，持綠性較差的云瑞09-525的CAT活性值、POD活性值和MDA含量值均大于持綠性較好的云瑞08-254的相應值；而在干旱脅迫下，持綠性較好的云瑞08-254僅有CAT活性值小于持綠性較差的云瑞09-525的CAT活性值，其余SOD活性、POD活性和MDA含量值均大于云瑞09-525的相應值。

2.2干旱脅迫對甘蔗葉片相對電導率、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響

相對電導率的變化可以反映作物質(zhì)膜受干旱等逆境傷害的程度[16]。如圖1A所示，在干旱脅迫下，云瑞08-254和云瑞09-525的相對電導率均有不同程度的增加，其中云瑞08-254的相對電導率增加了16.9%，云瑞09-525的相對電導率增加了20.9%。云瑞08-254的相對電導率增幅明顯小于云瑞09-525，說明云瑞08-254的質(zhì)膜受損程度相對較小。

脯氨酸屬植物在水分脅迫下的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，干旱條件下細胞內(nèi)游離脯氨酸含量增加，抗旱性越強，游離脯氨酸含量積累越多[17]。從圖1B可見，正常條件下云瑞08-254的脯氨酸含量略高于云瑞09-525的。在干旱脅迫下兩者葉片中的脯氨酸含量均大量增加。云瑞08-254的脯氨酸含量較對照增加了287.8%，而云瑞09-525則增加73.4%。云瑞08-254葉片脯氨酸含量增幅明顯大于云瑞09-525，同時相對含量也高于云瑞09-525。試驗結(jié)果表明，在干旱脅迫下，云瑞08-254能夠通過大量脯氨酸含量積累來提高自身的抗旱性。

在正常條件下，云瑞08-254葉片中可溶性糖含量比云瑞09-525高7.2%；干旱脅迫下，兩材料與對照相比，云瑞08-254葉片可溶性糖含量增加40.6%，而云瑞09-525則增加32.9%，云瑞08-254可溶性糖含量增幅大于云瑞09-525。依可溶性糖含量的變化可反映出，云瑞08-254本身具有相對較高的可溶性糖含量，在干旱脅迫后其調(diào)節(jié)能力仍然高于云瑞09-525（圖1C）。

圖1 干旱脅迫對參試材料葉片相對電導率、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的影晌

干旱脅迫下，云瑞08-254和云瑞09-525葉片可溶性蛋白含量與對照相比分別增加了17.6%和22.2%；但是，無論在正常條件還是干旱脅迫條件下，云瑞08-254葉片可溶性蛋白含量值均大于云瑞09-525的葉片可溶性蛋白含量（圖1D）。

2.3干旱脅迫對不同持綠性甘蔗細莖野生種地上生物量的影響

由表2可知，干旱脅迫后兩個甘蔗試驗材料的地上部分生物量和持綠生物量以及單株持綠生物量都明顯下降，同時地上部分失綠生物量和單株失綠生物量都明顯增加。與云瑞08-254相比較而言，云瑞09-525地上部分持綠生物量與地上總生物量的比值較低，經(jīng)過干旱脅迫后持綠生物量下降較為明顯。

表2 干旱脅迫對甘蔗細莖野生種地上生物量指標的影響

3 討論

在干旱脅迫條件下，作物能通過產(chǎn)生保護性物質(zhì)降低對干旱的敏感性，或產(chǎn)生一系列生理生化變化，從而減輕干旱的傷害，表現(xiàn)出抗逆性。有研究表明，干旱脅迫下作物酶活性上升或未見變化[18-19]；但也有研究表明，干旱脅迫下作物葉片SOD、CAT和POD活性下降，并使葉片MDA含量降低[20-21]。丙二醛是質(zhì)膜過氧化產(chǎn)物[22]，葉片內(nèi)其含量的變化可作為抗旱性強弱的評價指標。本研究中持綠性甘蔗細莖野生種的葉片SOD、CAT和MDA含量都明顯增加，而非持綠性甘蔗細莖野生種葉片SOD、CAT、POD和MDA含量均明顯降低，說明持綠性甘蔗細莖野生種減輕了干旱脅迫下質(zhì)膜過氧化程度。

細胞質(zhì)膜是一種選擇透過性膜，干旱脅迫可促使作物細胞內(nèi)產(chǎn)生大量自由基，使細胞膜的通透性增強，導致可溶性物質(zhì)大量外滲。傷害愈大，外滲的可溶性物質(zhì)越多，電導率值增加的也越大，從而對作物細胞造成傷害。一般情況下，作物在干旱脅迫下細胞通透性越好，其抗旱性越弱;通透性越弱，其抗旱性越強[23]。本研究中，干旱脅迫下非持綠性甘蔗細莖野生種相對電導率的增加程度高于持綠性甘蔗細莖野生種，說明非持綠性的甘蔗細莖野生種創(chuàng)新種質(zhì)細胞膜被破壞的程度大于持綠性創(chuàng)新種質(zhì)；相比較而言，持綠性甘蔗細莖野生種創(chuàng)新種質(zhì)的質(zhì)膜受損程度相對較小。

干旱脅迫下，作物通過滲透調(diào)節(jié)增加細胞溶質(zhì)含量，脯氨酸作為植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，逆境脅迫下，作物體內(nèi)游離脯氨酸大量積累。作物體內(nèi)脯氨酸含量越高，滲透調(diào)節(jié)的能力就越強，也就越能抵御干旱和其它的逆境脅迫[24]。但也有人認為脯氨酸的積累量與作物的抗旱能力呈負相關(guān)，不適合作為篩選抗旱品種的指標[25]。可溶性糖是植物進行正常生理代謝的重要物質(zhì)之一。在干旱條件下，作物可以通過自身糖的代謝，增強細胞的保水能力，產(chǎn)生其他保護性物質(zhì)和能源，促進其能夠在逆境中更好生存[26]。植物體內(nèi)可溶性糖含量的變化，在一定程度上能反應出對干旱脅迫的適應能力，通過滲透調(diào)節(jié)可增加可溶性糖的含量來緩解壓力[27]。干旱脅迫下，抗旱性強的種質(zhì)會產(chǎn)生更多的可溶性蛋白來增強機體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)[28-29]。但也有學者研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫會降低可溶性蛋白的含量，抗旱性弱的材料降低幅度更大[30]。本研究表明，與非持綠甘蔗細莖野生種相比，持綠性甘蔗細莖野生種創(chuàng)新種質(zhì)在干旱脅迫后，其葉片內(nèi)的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高幅度較為明顯，且本身即具有較高的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量。

干旱脅迫下，持綠生物量較對照有所減少，而失綠生物量則相應增加。持綠性細莖野生種與非持綠性細莖野生種相比，在干旱脅迫后地上部分持綠生物量的比重較大，單株失綠生物量較小。

綜上，在干旱脅迫條件下，持綠性甘蔗細莖野生種能通過產(chǎn)生保護性物質(zhì)降低對干旱的敏感性，通過SOD、CAT和POD活性以及MDA、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量和持綠性生物量的變化，來減輕干旱的傷害，表現(xiàn)出更好的抗旱性。

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Impacts of Drought Stress on Leaf Physiology and Biomass of Stay-green S.spontaneum L.

BIAN Xin,LANG Rong-bin,TAO Lian-an,DONG Li-hua,JING Yan-fen*, YU Hua-xian,AN Ru-dong,ZHOU Qing-ming,SUN You-fan
(Ruili Breeding Station,Sugarcane Research Institute,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Ruili,Yunnan 678600,China)

Taking sugarcane S.spontaneum L.of stay-green(YR08-254)and non stay-green(YR09-525)as test materials,effect of drought stress on leaf physiological activity and biomass of the S.spontaneum L.was analyzed in comparison with normal watering condition.The results showed that drought stress caused increment of SOD,CAT and MDA content of YR08-254 leaf,meanwhile reduction in SOD,CAT,POD and MDA content of YR09-525 leaf.The increment of electrical conductivity and damaged degree of the YR08-254 were obviously lower than that of the YR09-525.The leaf proline content,soluble sugar content and soluble protein content of the YR08-254 increased more obviously than that of the YR09-525,and its content of proline,soluble sugar and soluble protein was also higher under non drought stress.Under the drought stress condition,the stay-green S. spontaneum L decreased the sensitivity to drought by producing and regulating protective substance,which included activities of SOD,CAT and MDA,proline content,soluble sugar content,soluble protein content and stay-green biomass to enhance drought resistance and relieve damage of drought.

S.spontaneum L.;drought stress;stay-green;protective enzyme activity

S566.101

：A

：1007－2624（2017）03－0005－04

10.13570/j.cnki.scc.2017.03.002

2017-01-19

國家自然科學基金項目（31360358）；云南省甘蔗遺傳改良重點實驗室開放基金（2015DG015-05、2015DG015-09）；云南省科技惠民計劃（農(nóng)業(yè)）（2014RA059）；高產(chǎn)高糖強宿根甘蔗新品種選育及產(chǎn)業(yè)化開發(fā)（2012BB014）資助。

邊芯（1989-），女，云南大理人，學士，研究實習員，主要從事甘蔗遺傳育種研究。E-mail：rlbianxin@163.com

經(jīng)艷芬（1965-），女，云南麗江人，學士，研究員，主要從事甘蔗遺傳育種研究。E-mail：rljyf@126.com

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