外源水楊酸對干旱脅迫下馬鈴薯生長及抗性生理指標的影響

姚嶺柏， 任 琴， 韓海霞

(集寧師范學院生物系，內(nèi)蒙古烏蘭察布 012000)

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)為茄科茄屬的草本植物，具有適應性強、生育期短的特點，在全世界栽培廣泛，是重要的糧食、蔬菜和經(jīng)濟作物。馬鈴薯是典型溫帶植物，對水分和高溫敏感[1-2]。中國馬鈴薯栽培面積達400萬hm2，其中內(nèi)蒙古是全國主要的馬鈴薯產(chǎn)區(qū)，內(nèi)蒙古烏蘭察布市有“中國馬鈴薯之都”的稱號，該地區(qū)氣候冷涼、光照充足、晝夜溫差大、夏季與雨季重合，恰好適合馬鈴薯的生長發(fā)育[3]。所以，烏蘭察布馬鈴薯產(chǎn)量高、品質(zhì)好。但是，本地區(qū)的春季雨量少，春季內(nèi)蒙古中西部降水多為10 mm以下，且近30年間的降水量呈波動下降趨勢，易造成馬鈴薯幼苗期干旱，從而影響馬鈴薯植株葉面積增大，進而影響馬鈴薯產(chǎn)量與品質(zhì)[3-6]。

水楊酸(salicylic acid，SA)是植物內(nèi)源信號分子之一，能誘導植物對干旱、低溫、病害、鹽害脅迫的防御反應[7]。關于外源水楊酸能否緩解逆境植物傷害，已在干旱脅迫小麥、干旱脅迫黃瓜、鹽脅迫菊芋等植物的逆境脅迫中發(fā)現(xiàn)，外源水楊酸起到一定的調(diào)控作用[8-11]，另外外源水楊酸能增強馬鈴薯葉綠素合成，降低丙二醛的含量，提高抗氧化酶活性，從而顯著降低馬鈴薯對瘡痂病的感病率[12]。外源水楊酸還可在一定程度上使連作馬鈴薯的生長得到促進，葉片內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化酶活性提高[13]，但針對外源水楊酸對干旱馬鈴薯影響的相關研究未見報道。本研究在室內(nèi)模擬干旱脅迫下對馬鈴薯葉片噴施水楊酸，探討外源水楊酸對干旱脅迫下馬鈴薯抗性誘導的影響機制，以期為干旱地區(qū)馬鈴薯的生產(chǎn)應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 品種 馬鈴薯后旗紅品種由烏蘭察布市種子公司提供，為“薯都”烏蘭察布市主栽品種。

1.1.2 試劑 水楊酸(SA)，由天津市致遠化學試劑有限公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 幼苗準備 試驗于2016年3月在集寧師范學院植物園日光溫室內(nèi)進行。3月18日將后旗紅馬鈴薯種薯(已催芽)切成50 g左右的小塊，每塊具1～2個芽，鋪平晾干。采用16 cm×16 cm塑料盆進行盆栽試驗。盆土由園土混合15%有機肥，再添加少量馬鈴薯專用復合肥混勻消毒裝盆，每盆裝等體積的土，播種深度5 cm，壓實土，等量1次澆透水；設空白盆作為對照，共播種210盆。已測定盆土田間最大持水量(24.44%)，在幼苗培養(yǎng)期間采用正常土壤含水量，盆土含水量控制在70%～80%，每天稱量空白盆，確定澆水量。出苗后每盆留1株幼苗，當幼苗長到15 cm時進行處理。

1.2.2 干旱脅迫及處理 待馬鈴薯植株長到15 cm時，將馬鈴薯分為A、B等2組，A組(干旱前噴施)噴施不同濃度的水楊酸，之后進行干旱脅迫；B組(干旱后噴施)直接進行干旱脅迫，當馬鈴薯植株表現(xiàn)出萎蔫、老葉片黃化等干旱癥狀時，再進行水楊酸處理。干旱脅迫期間，均控制盆土含水量在35%～45%，以空白盆為參考確定澆水量。設SA濃度分別為0(CK)、6.9、13.8、27.6 mg/L，對照以清水噴施，各處理分別隔離噴施，直到葉片開始滴水為止。A、B組共8個處理，每次處理重復3次，每重復8盆。從B組噴施水楊酸開始取樣，噴灑后0(噴后2 h)、10、20 d測定生長指標，并取同一部位真葉，測定生理指標。

1.2.3 指標測定 生長指標測定馬鈴薯最大葉長、葉面積、莖高，測定后計算10、20 d與0 d的指標變化值。取同部位功能葉片，測定葉片質(zhì)膜透性。丙二醛MDA含量、游離脯氨酸含量、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、抗壞血酸過氧化物酶APX活性。參照張志良等的方法[14]進行葉片質(zhì)膜透性，MDA和游離脯氨酸含量，POD、CAT、SOD活性的測定，參照高俊鳳的方法[15]測定APX活性。其中，POD活性計算時以1 minD470 nm值變化0.01作為1個酶活性單位(U)，SOD活性以抑制NBT光化還原的50%為1個酶活性單位(U)，CAT以1 minD240 nm值下降0.1作為1個酶活性單位(U)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)以Excel 2003處理圖表，以SPSS 19.0處理系統(tǒng)對結(jié)果進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源SA對干旱馬鈴薯生長指標的影響

由表1可見，與對照相比，A組方法(在干旱前施用外源SA)各處理濃度對干旱馬鈴薯的最大葉長、單株葉面積和莖高3個指標有不同趨勢的影響。用13.8 mg/L SA進行A組處理后，除了10 d時的單株葉面積變化率(比對照低了0.3百分點，13.8 mg/L處理單株葉面積在10 d變化值÷13.8 mg/L 單株葉面積在0 d觀測值×100%-CK單株葉面積10 d變化值÷CK在0 d觀測值×100%)以外，對干旱馬鈴薯的最大葉長、20 d單株葉面積和莖高有顯著(P<0.05)的改善作用，20 d時變化率分別較對照高29.0、13.4、13.2百分點。6.9 mg/L處理對最大葉長和 20 d 單株葉面積縮小有顯著減緩作用外，對其余生長指標無顯著影響。27.6 mg/L處理顯著促進干旱馬鈴薯最大葉長，而對單株葉面積和莖高則較對照有顯著抑制作用。

表1 外源SA處理下持續(xù)干旱馬鈴薯生長指標的變化(A組)

注：表中數(shù)據(jù)為對應時間數(shù)值與0 d數(shù)值之差±標準差。同列數(shù)據(jù)后不同小寫字母代表在0.05水平上差異顯著，下同。

由表2可見，與對照相比，B組的各個處理(干旱后施用外源SA)對干旱馬鈴薯的最大葉長均無顯著影響(P>0.05)，但對單株葉面積和莖高有不同程度的影響。B組SA處理濃度為13.8 mg/L時可顯著減緩干旱馬鈴薯單株葉面積的縮小，在干旱10、20 d時單株葉面積變化率分別較對照多保持了17.78、23.21百分點；13.8 mg/L SA還促進了干旱馬鈴薯的莖高的增長，其中20 d時變化率與對照的差異達顯著水平，提高20.9百分點。6.9～27.6 mg/L處理對單株葉面積的縮小有一定程度減緩作用，其中在20 d時與對照差異達顯著水平，對莖高則無明顯作用。27.6 mg/L處理對以上指標無明顯改善作用。

表2 外源SA處理下持續(xù)干旱馬鈴薯生長指標的變化(B組)

可見，A(干旱前處理)、B(干旱后處理)組隨著處理濃度由6.9～27.6 mg/L不斷增大，外源SA對干旱馬鈴薯的生長指標具有一定改善作用，其作用大小呈小、大、微小(B組)或加劇傷害(A組)的趨勢，13.8 mg/L處理均表現(xiàn)最佳。但A、B組間存在一定差異，干旱脅迫相同時間情況下，A組較B組在最大葉長方面的改善作用更優(yōu)，而在葉面積和莖高方面的改善作用則較差。另外，A、B組對比結(jié)果顯示，處理濃度為 13.8 mg/L 時，B組單株葉面積變化率在10、20 d較對照分別提高了17.8、23.2百分點，而A組為-0.3、13.4百分點，說明外源SA濃度為13.8 mg/L時能夠有效減緩馬鈴薯干旱脅迫的傷害，B組較A組方法能更大程度地保持干旱馬鈴薯單株葉面積，有利于增加光能利用率，從而有利于光合同化產(chǎn)物的積累。

2.2 外源SA對干旱馬鈴薯質(zhì)膜透性變化、游離脯氨酸和MDA含量變化的影響

由圖1可知，A、B組在隨著干旱時間(10～20 d)的延長，各處理的膜質(zhì)透性變化值均表現(xiàn)為上升趨勢。與對照相比，A組干旱10 d各處理的膜質(zhì)透性變化率下降了15.4～34.9百分點，20 d降低了33.9～39.1百分點，與對照差異均達到顯著水平，A組各處理的膜質(zhì)透性均受到抑制。B組各處理在10、20 d的膜質(zhì)透性變化率均較對照有顯著下降，分別下降了8.6～24.9、9.3～11.2百分點。

由圖2可知，A、B組隨著干旱時間的延長，各處理的游離脯氨酸含量呈上升趨勢。A組處理10 d時，各處理游離脯氨酸含量變化值與對照差異不大，僅27.6 mg/L處理的增加量與對照差異達顯著水平； 20 d時各處理變化值隨濃度增加而依次增大，且均顯著高于對照。B組處理10 d和20 d的濃度分別為13.8 mg/L和13.8、27.6 mg/L時，其脯氨酸含量變化值顯著高于對照值，其余處理與對照無顯著差異。說明無論A組還是B組方法，外源SA都可提高干旱馬鈴薯的游離脯氨酸含量的增幅，且20 d時的增幅大于10 d的。

由圖3可知，隨著處理時間的延長，A、B組各處理MDA增加量呈上升趨勢，與對照相比，各處理增加幅度均有不同程度的下降。A組中13.8、27.6 mg/L處理與對照的差異達顯著水平(P<0.05)，B組中6.9～27.6 mg/L處理與對照的差異達顯著水平，且A、B組13.8 mg/L處理的增幅為最小。13.8 mg/L處理下，A組在10、20 d的MDA增量變化率分別較對照降低19.7、26.8百分點，B組降低了33.3、47.2百分點。說明外源SA可有效抑制干旱馬鈴薯MDA的積累，減輕了馬鈴薯細胞膜質(zhì)過氧化程度，與A組相比，B組的改善效果更好。

2.3 外源SA對干旱馬鈴薯4種抗氧化酶活性的影響

由表3可知，A組干旱馬鈴薯外施SA后，4種抗氧化酶活性呈規(guī)律性變化，其在10、20 d的變化值與對照具有一定差異。POD是清除氧自由基的重要抗氧化酶之一，持續(xù)干旱后，POD活性變化值基本為負值，即活性下降。10 d時POD活性呈較大幅度下降，20 d時有小幅度的回升。其中， 27.6 mg/L 處理的變化值與對照差異達顯著水平，有效抑制了POD活性的下降，POD活性變化率分別比對照下降了15.3、12.4百分點。

表3 外源SA處理下持續(xù)干旱馬鈴薯抗氧化酶活性的變化(A組)

CAT活性在持續(xù)干旱過程中變化值為正值，即活性上升，且10、20 d各個處理均與對照差異達顯著水平，CAT活性變化率分別較對照提高了21.6～29.2、27.3～37.0百分點。說明外源SA能夠使干旱馬鈴薯的CAT活性隨著時間的延長穩(wěn)定上升。

SOD活性的變化值均為正值，即持續(xù)干旱10～20 d SOD活性呈上升趨勢。10 d時，6.9～27.6 mg/L SA均可提高干旱馬鈴薯的SOD活性的增量，與對照的差異達顯著水平(P<0.05)；20 d時，13.8～27.6 mg/L SA與對照的差異達顯著水平。2次測得的最大變化率較對照分別提高109.5、398.1百分點。說明A組中外源SA能夠大幅度提高干旱馬鈴薯的SOD活性。

APX活性變化值均為正值，即干旱期間APX活性上升，10 d時各處理變化率與對照相近，增加了4.0～5.6百分點；20 d時增幅升高，其中27.6 mg/L較對照變化率上升了10.2百分點，與對照差異達顯著水平。

由表4可見，B組干旱馬鈴薯外施SA后，POD活性變化趨勢與A組的變化趨勢相似，在干旱脅迫后10、20 d先大幅度下降后小幅回升。同時，POD活性變化幅度(變化值的絕對值)隨處理濃度升高而減小，且10 d時13.8～27.6 mg/L、20 d時6.9～27.6 mg/L與對照差異達顯著水平，說明此濃度范圍內(nèi)的外源SA能有效減緩干旱馬鈴薯POD活性的下降。

CAT活性變化值為正，即活性上升，各處理增加幅度均大于對照，且10 d時6.9 mg/L、20 d時6.9～13.8 mg/L與對照差異達顯著水平。

SOD活性變化量均為正值，即干旱期間馬鈴薯中SOD活性呈上升趨勢變化，在10 d時6.9～27.6 mg/L處理馬鈴薯中的SOD活性增加量較對照顯著下降；20 d時6.9、27.6 mg/L處理SOD活性增加量與對照無顯著差異， 13.8 mg/L 增加量較對照顯著上升。說明外源SA在10 d時顯著抑制了SOD活性的上升，到20 d時此抑制作用消失，其中13.8 mg/L SA可顯著提高SOD的增加幅度。

表4 外源SA處理下持續(xù)干旱馬鈴薯抗氧化酶活性的變化(B組)

APX活性也呈上升變化，10 d時各處理的APX活性增加率高于對照24.1～51.9百分點，均達到顯著水平；20 d時，增加率較對照上升至26.1～54.8百分點，達到顯著水平。說明干旱后(B組)外施SA能夠顯著提高馬鈴薯APX活性。

綜上所述，持續(xù)干旱10、20 d馬鈴薯體內(nèi)POD活性下降，CAT、SOD和APX等3種酶活性上升，干旱前(A組)和干旱后(B組)施加外源SA對POD和CAT活性的影響相近，外源SA均能夠在一定程度上促進酶活性升高，但對另2種酶則有不同影響：A組可大幅度促進馬鈴薯的SOD活性，10 d最高增幅比對照提高了18.86倍，而B組處理在10 d時抑制了SOD活性的升高，到20 d時抑制作用消失；A組處理對干旱馬鈴薯APX活性的影響不大，B組處理有效促進了APX活性的升高，10 d時比對照的增加率高了24.1～51.9百分點。表明外施SA后能夠減緩POD活性的下降趨勢，有效促進CAT活性的增加量，干旱前外施SA有利于SOD活性的提高，干旱后外施SA有利于APX活性的提高，且干旱后施用酶活性提高幅度較大。

說明干旱前、后SA處理對馬鈴薯防御干旱的4種抗氧化酶活性有不同的影響。干旱前施用SA，主要激活了SOD的活性，其次是CAT，馬鈴薯體內(nèi)按抗氧化酶活性增加量由大到小依次為SOD、CAT、APX、POD；干旱后施用SA，主要激活了APX和CAT，馬鈴薯體內(nèi)按抗氧化酶活性增加量由大到小依次為APX、CAT、SOD、POD。這幾種抗氧化酶一起清除氧自由基，減輕干旱脅迫對馬鈴薯的傷害，且干旱后的施用效果較好。

3 結(jié)論與討論

外源SA的濃度在6.9～13.8 mg/L時能夠不同程度緩解干旱對馬鈴薯生長的脅迫傷害，以13.8 mg/L為最佳處理濃度，而27.6 mg/L則只有微弱的緩解作用(B組)或者加劇脅迫傷害(A組)。結(jié)果表明，外源SA處理干旱馬鈴薯濃度不宜超過13.8 mg/L，且干旱后處理較干旱前處理效果更好。在干旱前后進行SA處理，均能夠顯著抑制干旱脅迫下馬鈴薯葉片膜質(zhì)透性的增大，促進游離脯氨酸含量的增加，抑制MDA含量的增加，其中干旱后處理(B組)對MDA的抑制效果更好，且以13.8 mg/L處理最佳。馬鈴薯葉片中抗氧化酶活性與其抗旱有關，POD活性在干旱后呈下降趨勢變化，干旱后以外源SA處理能夠在中高濃度下有效抑制這種下降，在外源SA誘導下SOD、APX活性出現(xiàn)大幅度上升，而CAT活性則隨脅迫時間平穩(wěn)上升，與SA處理濃度無明顯相關性。

逆境脅迫導致植物生長受抑制、體內(nèi)大量積累超氧陰離子和H2O2[1-2，6]，植物會啟動調(diào)控反應，如調(diào)節(jié)細胞滲透勢、增強抗氧化酶活性等。其中，游離脯氨酸是植物內(nèi)調(diào)節(jié)細胞滲透勢的主要物質(zhì)之一，SOD能夠清除氧自由基，POD和CAT能夠清除過量H2O2，APX可以特異性地催化抗壞血酸與H2O2反應，起到清除H2O2的目的。本試驗中外源SA對干旱脅迫下馬鈴薯的生長和生理指標均有一定的調(diào)控作用。

關于外源SA噴施濃度的研究結(jié)果與王磊等關于水楊酸在菊芋上的研究結(jié)果[10]一致，同時與楊偉等關于青花菜的研究結(jié)果[16]相近，但比回振龍等在連作馬鈴薯上噴施SA最佳濃度(20～30 μmol/L)大一些[13]，可能是本試驗只處理了1次而回振龍試驗中處理3次的原因。本試驗關于外源SA對提高植物生理方面抗性能力的研究結(jié)果，與前人的研究結(jié)果[7-17]一致，表明外源水楊酸在干旱脅迫下小麥、黃瓜、青花菜、高羊茅等植物的生長和生理指標方面，均具有不同程度的調(diào)控作用[7-9，16-17]，SA具有增強植物抗旱性方面的積極作用。還有研究表明，外源SA在增強馬鈴薯抵抗瘡痂病能力和克服馬鈴薯連作障礙方面也具有一定的作用[12-13]，也有研究顯示外源SA可在增強菊芋抗鹽性、增強蘿卜克服高溫、鉛脅迫能力方面具有一定的作用[10-11，18]。所以，外源水楊酸能夠有效增強后旗紅馬鈴薯的抗旱能力。

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