干旱脅迫對(duì)2個(gè)甘蔗品種生長(zhǎng)和生理生化特性的影響

李健 農(nóng)艷豐

摘 要：為了探究干旱脅迫對(duì)甘蔗的生長(zhǎng)和生理生化特性的影響，為甘蔗的抗旱育種和栽培技術(shù)提供理論依據(jù)，該研究對(duì)桶栽的新臺(tái)糖22號(hào)（ROC22）和桂選B9（GXB9）2個(gè)甘蔗品種在伸長(zhǎng)期進(jìn)行了干旱脅迫及復(fù)水處理。結(jié)果表明，干旱脅迫嚴(yán)重阻礙了2個(gè)甘蔗品種蔗莖的正常生長(zhǎng)，在恢復(fù)供水后GXB9的生長(zhǎng)速度明顯慢于ROC22，此外在干旱脅迫下GXB9葉片的葉綠素含量、葉片相對(duì)含水量和SOD活性均顯著低于ROC22，并積累了較多的MDA，POD和CAT活性則兩者差異不大，這些都表明從巴西引進(jìn)的GXB9甘蔗品種抗旱性要弱于廣西主栽的品種ROC22。

關(guān)鍵詞：甘蔗；干旱脅迫；生長(zhǎng)；生理生化；影響

中圖分類(lèi)號(hào) S566.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）21-0025-05

Effects of Drought Stress on Growth，Physiological and Biochemical Characteristics of Two Sugarcane Varieties

Li Jian et al.

（Baise University，Baise 533000，China）

Abstract：In order to explore the effects of drought stress on the growth，physiological and biochemical characteristics of sugarcane，which provide a theoretical basis for drought-resistant breeding and cultivation techniques of sugarcane.Two sugarcane varieties，ROC22 and GXB9 were grown in pots，drought stress and re-watering treatments were applied at elongating stages in this study.The results showed that drought stress has seriously hindered the normal growth of two sugarcane varieties，and the growing rate of variety GXB9 was significantly slower than variety ROC22 after re-watering.In addition，the chlorophyll content，leaf relative water content and SOD activity in leaves of variety GXB9 were significantly lower than variety ROC22 and more MDA was accumulated under drought stress.And the activities of POD and CAT were little difference between two varieties.It indicates that drought resistance of variety GXB9 which was introduced from Brazil is weaker than the main variety ROC22 in Guangxi.

Key words：Sugarcane；Drought stress；Growth；Physiological and biochemical；Effect

甘蔗是世界最為重要的糖料作物之一，廣泛種植于熱帶、亞熱帶地區(qū)。廣西獨(dú)特的溫?zé)釛l件使其成為我國(guó)甘蔗的主產(chǎn)區(qū)，但由于廣西地處石山地區(qū)，耕地資源有限，多數(shù)甘蔗種植在水源缺乏的丘陵地帶，干旱缺水大大影響了甘蔗的正常生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高，從而制約了我國(guó)糖業(yè)的健康發(fā)展。研究甘蔗在干旱脅迫下的生長(zhǎng)及生理生化特性，將有助于選育抗旱甘蔗品種以及研發(fā)更為高效的甘蔗抗旱栽培技術(shù)。

植物遭受干旱脅迫時(shí)，活性氧（ROS）會(huì)在植物體內(nèi)快速積累并破壞植物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，使植物的正常新陳代謝受到破壞[1]。在自身的新陳代謝不能維持ROS的正常平衡時(shí)，植物為了清除ROS并保護(hù)細(xì)胞膜免受傷害，植物體內(nèi)形成了一套復(fù)雜的抗氧化系統(tǒng)，將多余的ROS不斷清除，減少自身所受的傷害[2]。超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化氫酶（CAT）和過(guò)氧化物酶（POD）都是該系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，SOD通過(guò)催化ROS和H2O2分解過(guò)程中植物代謝產(chǎn)生的有毒物質(zhì)的歧化來(lái)保護(hù)細(xì)胞免受ROS的侵害[3]，POD和CAT則在清除后期的H2O2中起主要作用[4]。Dalvi等[5]對(duì)鷹嘴豆進(jìn)行干旱脅迫時(shí)發(fā)現(xiàn)，SOD和CAT活性會(huì)隨著干旱脅迫的加劇而顯著提高。高陽(yáng)等[6]則研究發(fā)現(xiàn)冬小麥旗葉的SOD、POD和CAT的活性在干旱脅迫下呈先上升后下降的趨勢(shì)。Wang等[7]則發(fā)現(xiàn)開(kāi)花灌漿期的水稻在遭受干旱脅迫時(shí)，其劍葉的SOD活性始終比較穩(wěn)定，且略低于正常生長(zhǎng)的植株，CAT和POD活性則呈先上升后急劇下降的趨勢(shì)。丙二醛（MDA）則是植物在遭受逆境脅迫時(shí)細(xì)胞膜膜質(zhì)過(guò)氧化的產(chǎn)物，其含量的高低反映了植物細(xì)胞膜受傷害的程度。有研究認(rèn)為，植物在遭受干旱脅迫時(shí)，其體內(nèi)MDA會(huì)不斷積累，但是抗旱性強(qiáng)的植株其體內(nèi)積累的MDA更少[8]。而對(duì)于甘蔗，則有研究指出在干旱脅迫下，抗旱性較強(qiáng)的甘蔗品種葉片的SOD、POD和CAT含量的提高速度均顯著高于抗旱性弱的品種，同時(shí)MDA含量也增長(zhǎng)較為緩慢[9]。

桂選B9（GXB9）甘蔗品種是中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院甘蔗研究中心從巴西引進(jìn)的甘蔗品種，具有在低氮環(huán)境下依然具有較高產(chǎn)量的特點(diǎn)[10]，但是對(duì)于其抗旱能力的研究還鮮有報(bào)道。本研究以GXB9和廣西主栽且抗旱性較強(qiáng)的新臺(tái)糖22號(hào)（ROC22）2個(gè)甘蔗品種為材料，設(shè)置不同干旱脅迫處理，研究其對(duì)甘蔗苗期、伸長(zhǎng)期葉片抗氧化系統(tǒng)酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響，探討各指標(biāo)與甘蔗抗旱性的關(guān)系，為甘蔗抗旱育種和栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料 以巴西引進(jìn)并在廣西種植表現(xiàn)較好的GXB9和廣西主栽品種ROC22蔗莖為材料。

1.2 方法 選取新鮮無(wú)病蟲(chóng)害且大小一致的蔗莖，砍成長(zhǎng)度均等的單芽段，浸泡在1000倍稀釋的50%多菌靈溶液里1h后撈出晾干，種植于沙床中，待蔗莖發(fā)芽長(zhǎng)至3葉期時(shí)，選取大小一致的健康植株移栽到塑料桶中（上徑32cm、下徑21cm、內(nèi)高27cm），栽培土以天然壤土和沙子按3∶1的比例混合，桶底留有6個(gè)直徑0.5cm的圓孔。每桶種植3株，每個(gè)處理3桶，正常施肥澆水等日常管理，待其長(zhǎng)至伸長(zhǎng)期時(shí)（約100d）進(jìn)行干旱脅迫處理，后恢復(fù)澆水，在干旱脅迫后的2、5、7d和復(fù)水后的2、5d時(shí)對(duì)葉片（+1葉）進(jìn)行取樣，貼好標(biāo)簽后保存于冰箱中備用。

1.3 指標(biāo)的測(cè)定

1.3.1 生長(zhǎng)指標(biāo) 在進(jìn)行干旱脅迫前和恢復(fù)澆水后15d，分別測(cè)定甘蔗植株的莖高（基部至+1葉，每個(gè)處理測(cè)5株取平均值）。

1.3.2 生理生化指標(biāo) 葉片葉綠素含量的測(cè)定用丙酮乙醇（2∶1）浸提法[11]，葉片相對(duì)含水量的測(cè)定參照張風(fēng)娟等[12]的方法，SOD、POD、CAT和MDA含量用ELISA試劑盒進(jìn)行測(cè)定[13]，每個(gè)處理3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱和復(fù)水對(duì)甘蔗生長(zhǎng)的影響 從圖1可以看出，干旱脅迫前，2個(gè)甘蔗品種的處理植株和對(duì)照植株之間的株高差異較小，經(jīng)過(guò)干旱脅迫處理并恢復(fù)正常澆水15d后，2個(gè)甘蔗品種的對(duì)照植株的莖高均顯著高于干旱脅迫植株，而品種間則是ROC22的莖高增長(zhǎng)較快，GXB9的對(duì)照和干旱脅迫處理植株的莖高增長(zhǎng)率分別為40.37%和26.74%，ROC22則分別為46.85%和36.13%。干旱脅迫對(duì)于GXB9品種莖高的增長(zhǎng)率的限制程度顯著大于ROC22，這表明GXB9甘蔗受干旱脅迫的影響更大，植株的正常代謝受到了極大的破壞。

2.2 干旱和復(fù)水對(duì)甘蔗生理生化特性的影響

2.2.1 干旱和復(fù)水對(duì)甘蔗葉片葉綠素含量的影響 由圖2可知，正常生長(zhǎng)條件下，2個(gè)甘蔗品種葉片的葉綠素含量差異不大，均在4mg/g左右，隨著干旱脅迫程度的加劇，2個(gè)甘蔗品種葉片的葉綠素含量急劇下降，恢復(fù)澆水后又逐漸得到恢復(fù)。其中GXB9品種的下降幅度更大，在干旱脅迫7d時(shí)其葉片葉綠素含量已降至0.42mg/g，而ROC22則依然維持在1mg/g以上，并且復(fù)水后GXB9葉片葉綠素的恢復(fù)速度也較慢，持續(xù)的干旱導(dǎo)致了其葉片正常產(chǎn)生葉綠素的能力大大減弱，重新澆水后的恢復(fù)速度也較為緩慢。

2.2.2 干旱和復(fù)水對(duì)甘蔗葉片相對(duì)含水量的影響 甘蔗是一種高光效的C4作物，其葉片較長(zhǎng)，含水量也較多，正常狀態(tài)下，其葉片相對(duì)含水量在80%以上，隨著干旱脅迫的加劇，2個(gè)品種葉片的相對(duì)含水量逐漸降低，特別是GXB9在干旱脅迫7d時(shí)，其葉片相對(duì)含水量已降至39.77%，而ROC22則依舊達(dá)到47.85%。恢復(fù)澆水后，2個(gè)品種的葉片相對(duì)含水量也快速回升，但是ROC22的回升速度更快，在復(fù)水5d時(shí)已接近恢復(fù)至正常水平（圖3）。

2.2.3 干旱和復(fù)水對(duì)甘蔗葉片MDA含量的影響 由圖4可知，2個(gè)甘蔗品種葉片的 MDA含量在干旱脅迫下急劇升高，到干旱脅迫7d時(shí)，ROC22和GXB9葉片的MDA含量分別是對(duì)照的3.69倍和4.85倍。復(fù)水后，MDA含量均有所降低，但仍維持了較高的水平，至復(fù)水5d時(shí)，ROC22和GXB9葉片的MDA含量分別是對(duì)照的1.57倍和2.09倍。干旱脅迫極大地促進(jìn)了MDA在甘蔗葉片中的積累，并且恢復(fù)澆水后也短期內(nèi)難以降低至正常水平，可見(jiàn)干旱對(duì)甘蔗葉片膜結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重的破壞，而這2個(gè)甘蔗品種葉片中MDA含量在干旱脅迫及復(fù)水各階段均呈顯著差異，表明這2個(gè)品種對(duì)干旱脅迫的應(yīng)答能力存在差異。

2.2.4 干旱和復(fù)水對(duì)甘蔗葉片SOD活性的影響 由圖5可見(jiàn)，2個(gè)甘蔗品種葉片SOD活性在干旱初期僅有少量的上升，但是在干旱5d和7d時(shí)均有顯著的上升，維持了較高的活性，其中ROC22的上升幅度更為明顯，在干旱脅迫5d和7d時(shí)分別達(dá)到對(duì)照的2.14倍和2.34倍，GXB9則分別為1.54倍和1.64倍。當(dāng)恢復(fù)澆水后，它們的活性又逐漸降低至正常水平，這可能是甘蔗葉片的一種適應(yīng)機(jī)制。

2.2.5 干旱和復(fù)水對(duì)甘蔗葉片POD活性的影響 從圖6可以看出，2個(gè)甘蔗葉片的POD活性對(duì)干旱脅迫的敏感度不像SOD那么明顯，在干旱脅迫的2d和5d時(shí)并未有大幅提高，到7d時(shí)才有較為明顯的上升，但是在恢復(fù)澆水后的2d和5d時(shí)其活性均大大低于正常水平，且2個(gè)品種間在各處理僅有復(fù)水2d時(shí)有顯著差異。

2.2.6 干旱和復(fù)水對(duì)甘蔗葉片CAT活性的影響 由圖7可知，在干旱脅迫及復(fù)水階段，2個(gè)甘蔗品種葉片的CAT活性逐漸升高，其中ROC22在干旱脅迫7d和復(fù)水2d時(shí)其活性相當(dāng)，到復(fù)水5d時(shí)又迅速降低；而GXB9到第7天時(shí)達(dá)到最大值后逐漸降低至比CK略高的水平，2個(gè)品種在各個(gè)處理階段則是僅在復(fù)水2d后有顯著差異。

3 討論

植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)，其正常生長(zhǎng)會(huì)受到不同程度的影響。對(duì)于甘蔗來(lái)說(shuō)，蔗莖是最終的收獲產(chǎn)品，蔗莖中含有大量水分，干旱脅迫造成蔗莖供水不足，會(huì)影響蔗莖的正常伸長(zhǎng)。本試驗(yàn)中，2個(gè)甘蔗品種在經(jīng)歷了7d的干旱脅迫后，盡管恢復(fù)了正常供水，但是其生長(zhǎng)已經(jīng)受到了嚴(yán)重的影響，蔗莖伸長(zhǎng)量顯著低于對(duì)照，且2個(gè)品種中GXB9受干旱的影響程度更為明顯（圖1），表明干旱對(duì)該品種甘蔗植株造成的傷害更為嚴(yán)重。

甘蔗是原產(chǎn)于熱帶的作物，其對(duì)光照有很高的需求，葉片作為其光合作用的最主要器官，葉片內(nèi)的葉綠素對(duì)增加光合反應(yīng)能力起著重要作用[14]。葉綠素是植物基本的色素之一，葉綠素濃度的降低會(huì)導(dǎo)致葉片萎黃，降低植物的生長(zhǎng)速度同時(shí)影響了產(chǎn)量[15]。滲透脅迫下葉片中的葉綠素水平可以反映出其光合作用的能力，葉綠素含量較高可以防止細(xì)胞過(guò)度脫水，保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)，維持細(xì)胞內(nèi)膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[16，17]，RWC是植物水分狀況的重要指標(biāo)，它反映了植物葉片組織供水與蒸騰速率之間的平衡狀況，被認(rèn)為是評(píng)估干旱脅迫下植物抗旱性的重要指標(biāo)[18]。從本研究圖2和圖3可以看出，在干旱脅迫下，ROC22甘蔗葉片中葉綠素含量顯著高于GXB9，RWC的降低程度則顯著低于GXB9，并且恢復(fù)澆水后葉綠素RWC的回升速度也均較快，這意味著ROC22甘蔗品種可以更有效地增強(qiáng)光合能力以及流失更少的水分以調(diào)節(jié)干旱脅迫下其葉片細(xì)胞的滲透壓，表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗旱性。

MDA在植物組織中的積累也是ROS毒性作用影響的表現(xiàn)，并且可用于評(píng)估ROS介導(dǎo)的植物損傷[19]。干旱脅迫下，2個(gè)甘蔗品種葉片的MDA含量急劇上升，甘蔗葉片的細(xì)胞膜受到了極大的損害，以至于恢復(fù)供水后其含量依舊維持在較高水平（圖4）。SOD、POD和CAT是植物細(xì)胞防御系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，尤其是SOD更被認(rèn)為是植物界最強(qiáng)大的抗氧化劑之一，其主要作用是通過(guò)將2個(gè)超氧化物分子轉(zhuǎn)化為2個(gè)H2O2來(lái)應(yīng)對(duì)氧化應(yīng)激，從而維持植物的正常生理過(guò)程[20]。在本研究中，甘蔗葉片中SOD活性在干旱脅迫下顯著增高，其中ROC22的增加幅度更大（圖5）；POD和CAT活性則未表現(xiàn)出過(guò)大的增長(zhǎng)，2個(gè)品種間的差異也有所減?。▓D6、7），這也反映出SOD才是植物抗旱防御系統(tǒng)中的首道防線(xiàn)，POD和CAT僅僅起到了次要的協(xié)同作用。干旱脅迫下，ROC22甘蔗葉片內(nèi)積累了更少的MDA和具有更高的SOD活性，表明該品種更能有效地啟動(dòng)防御系統(tǒng)，減少干旱造成的傷害程度。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果顯示，干旱脅迫對(duì)甘蔗的正常生長(zhǎng)和生理生化代謝都造成了重要影響。2個(gè)甘蔗品種在干旱脅迫下，GXB9葉片的葉綠素含量、葉片相對(duì)含水量和SOD活性顯著低于ROC22，并積累了較多的MDA，POD和CAT活性則兩者差異不大；在恢復(fù)供水后，GXB9蔗莖的生長(zhǎng)速度更慢，表明從巴西引進(jìn)的GXB9優(yōu)良甘蔗品種，其抗旱性要弱于廣西主栽的新ROC22。

參考文獻(xiàn)

[1]Mittler R，Vanderauwera S，Gollery M，et al.VanBreusegem.Reactive oxygen gene network of plants[J].Trends in Plant Science，2004，9：490–498.

[2]Uzilday B，Turkan I，Sekmen A H，et al.Comparison of ROS formation and antioxidant enzymes in Cleome gynandra（C4）and Cleome spinosa（C3）under drought stress[J].Plant Science，2012，182：59-70.

[3]Kim M D，Kim Y H，Kwon S Y，et al.Enhanced tolerance to methyl viologen-induced oxidative stress and high temperature in transgenic potato plants overexpressing the CuZnSOD，APX and NDPK2 genes[J].Physiologia Plantarum，2010，140（2）：153-162.

[4]Blokhina O，Virolainen E，F(xiàn)agerstedt KV.Antioxidants，oxidative damage and oxygen deprivation stress：a review[J].Ann Bot，2003，91（2）：179-194.

[5]Dalvi U S，Naik R M，Lokhande P K.Antioxidant defense system in chickpea against drought stress at pre- and post- flowering stages[J].Indian Journal of Plant Physiology，2018，23（1）：16-23.

[6]高陽(yáng)，黃玲，李新強(qiáng)，等.開(kāi)花后水分脅迫對(duì)冬小麥旗葉光合作用和保護(hù)酶活性的影響[J].水土保持學(xué)報(bào)，2013，27（4）：201-206.

[7]Wang Y，Xu C，Zhang B，et al.Physiological and proteomic analysis of rice （Oryza sativa L.）in flag leaf during flowering stage and milk stage under drought stress[J].Plant Growth Regulation，2017，82（2）：1-18

[8]宋丹華，黃俊華，王豐，等.鈴鐺刺苗期對(duì)持續(xù)干旱脅迫的生理響應(yīng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，45（5）：292-295.

[9]Do Thanh Trung，李健，張風(fēng)娟，等.干旱脅迫下不同甘蔗品種葉片抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化[J].熱帶作物學(xué)報(bào)，2018，39（5）：858-866.

[10]張艷梅，楊麗濤，李翔，等.不同氮水平對(duì)三個(gè)甘蔗品種氮代謝關(guān)鍵酶活性及相關(guān)活性物質(zhì)含量的影響[J].南方農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2015，46（5）：766-771.

[11]明華，胡春勝，張玉銘，等.浸提法測(cè)定玉米葉綠素含量的改進(jìn)[J].玉米科學(xué)，2007，15（4）：93-95.

[12]張風(fēng)娟，李健，杜成忠，等.不同甘蔗品種葉片氣孔對(duì)水分脅迫的響應(yīng)[J].廣西植物，2014（6）：821-827.

[13]李健，杜成忠，王露蓉，等.甘蔗△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶基因轉(zhuǎn)化煙草的抗旱性分析[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，37（2）：34-42.

[14]Dhindsa R，MatoweW.Drought tolerance in two mosses：Correlated with enzymatic defense against lipid peroxidation[J].Journal of Experimental Botany，1981，32（1）：79-91.

[15]Jangpromma N，Kitthaisong S，Lomthaisong K，et al.A proteomics analysis of drought stressresponsive proteins as biomarker for drought-tolerant sugarcane cultivars[J].Am J BiochemBiotechnol，2010，6：89-102.

[16]Zhang H，Mao X，Wang C，et al.Overexpression of a common wheat gene TaSnRK2.8 enhances tolerance to drought，salt and low temperature in Arabidopsis[J].PLOS One，2010，5（12）：e16041

[17]Mao X，Zhang H，Tian S，et al.TaSnRK2.4，an SNF1-type serine/threonine protein kinase of wheat （Triticum aestivum L.），confers enhanced multistress tolerance in Arabidopsis[J].J Exp Bot，2010，61（3）：683–696.

[18]Lugojan C，Ciulca S.Evaluation of relative water content in winter wheat[J].Journal of Horticulture Forestry and Biotechnology，2011，15：173-177.

[19]Phan T T，Sun B，Niu J Q，et al.Overexpression of sugarcane gene SoSnRK2.1，confers drought tolerance in transgenic tobacco[J].Plant Cell Reports，2016，35（9）：1891-1905.

[20]Amini H，Arzani A，BahramiF.Seed yield and some physiological traits of saf?ower as affected by water de?citstress[J].Int J Plant Prod，2013，7：597-614. （責(zé)編：張宏民）