干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥苗期光合能力與抗氧化系統(tǒng)的影響

毛浩田，陳夢瑩，吳 楠，劉海悅，劉玉林，張懷渝，陳洋爾

(四川農(nóng)業(yè)大學生命科學學院，四川雅安 625014)

小麥是世界上干旱半干旱地區(qū)的主要作物，而水是限制干旱和半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)的重要因子[1]。干旱在小麥生長周期中極為常見，也是造成小麥減產(chǎn)的最具威脅性的逆境之一[2-3]。早期幼苗生長階段是決定植物種群在干旱環(huán)境下進行正常生長發(fā)育的最為關(guān)鍵時期[4]?，F(xiàn)代栽培的普通小麥(Triticumaestivum，AABBDD)是由栽培二粒小麥(Triticumdicoccum，AABB)和節(jié)節(jié)麥(Aegilopstauschii，DD)雜交而成的異源六倍體[5]，而八倍體小黑麥(AABBDDRR)是由普通小麥和黑麥(RR)雜交制得的人工種，結(jié)合了普通小麥的優(yōu)質(zhì)和黑麥良好的抗性等特點[6]。不同遺傳背景下小麥光合能力和水分利用效率存在差異[7-8]。因此，研究苗期不同倍性小麥和八倍體小黑麥在干旱脅迫下的生理響應差異，有助于揭示倍性水平對小麥抗逆能力的影響，為指導小麥育種工作提供理論參考。

干旱脅迫下，不同基因型小麥在種子萌發(fā)、形態(tài)、生理、生化特性等方面表現(xiàn)出不同的適應機制[9-11]。 研究表明，水分脅迫下四倍體小麥光合參數(shù)下降最顯著[12]。在水分虧缺下，不同倍性小麥灌漿期旗葉光合速率和水分利用效率顯著下降[13]。干旱脅迫下，栽培二粒小麥和普通小麥單葉水分利用效率明顯增加[14]。干旱脅迫導致小黑麥和春小麥的葉綠素熒光參數(shù)降低，其中小黑麥降幅低于春小麥，表現(xiàn)出了更強的抗旱能力[15]。吳 強等[16]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下抗旱小麥體內(nèi)活性氧含量明顯低于干旱敏感型小麥，而SOD、CAT和POD三種抗氧化酶活性明顯高于干旱敏感型小麥。綜上所述，干旱脅迫可使小麥的光合作用受到抑制，降低產(chǎn)量[12-13]，并引起植物相關(guān)生理生化代謝的改變[16]，但不同基因型小麥應對干旱脅迫的能力存在明顯差異。

目前，關(guān)于小麥在干旱脅迫下的生理響應已有較多研究[3，15-16]，但大多集中在普通小麥上。而干旱脅迫下不同倍性小麥的研究也多集中在水分利用效率與光合產(chǎn)量的差異上[12-14]。針對于苗期不同倍性小麥和八倍體小黑麥對干旱脅迫的響應報道較少。因此，本研究通過對干旱脅迫下不同倍性小麥和八倍體小黑麥光合能力與抗氧化系統(tǒng)進行比較，深入剖析了不同倍性小麥和八倍體小黑麥在干旱脅迫下的響應機制差異，以期闡明小麥進化過程中不同基因組和染色體倍數(shù)對小麥抗旱能力的影響，為指導優(yōu)良作物育種栽培工作奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗選用栽培一粒小麥、栽培二粒小麥和普用小麥(品種川麥19)和八倍體小黑麥(自選品系ZX31)為材料(四川農(nóng)業(yè)大學提供)。挑選飽滿一致的種子，用1%的NaClO溶液表面消毒10 min，自來水沖洗數(shù)次后再用蒸餾水沖洗一次，之后將種子均勻放在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，室溫下暗處萌發(fā)48 h。待其萌發(fā)后移植于石英砂中，置于人工氣候室(光照250 μmol·m-2·s-1，光暗周期為16 h/8 h，溫度為22 ± 1 ℃，相對濕度為70%)，用1/2 Hoagland培養(yǎng)液培養(yǎng)至三葉期。將生長一致的三葉期小麥及小黑麥幼苗從石英砂中拔出，用20%的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫，分別處理0、1、3 d，脅迫處理依照Chen等[17]的方法進行，每個處理設置3個重復，每個重復20株，脅迫處理后取植株第二葉進行生理生化指標的測定。

1.2 測定方法

1.2.1 葉綠素含量和相對含水量測定

依照Porra等[18]的方法，取各處理的植物葉片0.5 g，用80%丙酮浸提，通過分光光度法測定葉綠素含量。根據(jù)Tambussi等[19]的方法，測各處理植物葉片鮮重(FW)、葉片干重(DW)、葉片飽水重(TW)后，按“相對含水量=(FW-DW)/(TW-DW)×100%”計算相對含水量。

1.2.2 丙二醛(MDA)含量、相對電導率和活性氧含量測定

1.2.3 可溶性糖含量、脯氨酸含量和抗氧化酶活性測定

依照李合生[24]的蒽酮比色法，用分光光度計測定OD620值，根據(jù)葡萄糖標準溶液的標準曲線計算樣品中可溶性糖含量。依照朱廣廉等[25]的方法，用分光光度計測定OD520值，并根據(jù)公式計算脯氨酸含量。超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性依照Tan等[26]的方法測定，APX活性依照Nakano等[27]的方法測定。

1.2.4 氣體交換參數(shù)和葉綠素熒光參數(shù)測定

采用GFS-3000便攜式光合儀測定葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導度(Gs)、蒸騰速率(Tr)和胞間CO2濃度(Ci)。測定溫度和光照采用GFS-3000的溫度控制系統(tǒng)和人工光源，光照強度為1 500 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為360 μmol·mol-1。將各處理的植株葉片暗適應30 min后，于暗室中使用Imaging PAM熒光成像系統(tǒng)測定小麥和小黑麥第二葉葉片的最大光化學效率(Fv/Fm)、光系統(tǒng)II的實際量子產(chǎn)量(ΦPSII)和非光化學淬滅(NPQ)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用SPSS軟件分析試驗數(shù)據(jù)，采用Duncan多因素分析檢查數(shù)據(jù)間差異的顯著性，并用Microsoft Excel 2010軟件完成數(shù)據(jù)處理與繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對不同倍性小麥及八倍體小黑麥相對含水量和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

與對照(無干旱脅迫)相比，干旱脅迫1 d后，二倍體和四倍體小麥相對含水量分別降低了36.5%和17.0%，而六倍體小麥與八倍體小黑麥下降不顯著；脅迫3 d后，二倍體、四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥相對含水量分別下降了74.5%、61.7%、55.5%、60.1%(圖1)。這表明四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥相對于二倍體小麥具有較強的抗旱能力。

干旱脅迫下，不同倍性小麥和八倍體小黑麥的脯氨酸和可溶性糖含量增加程度顯著不同(圖1)。干旱脅迫1 d后，二倍體、四倍體、六倍體小麥以及八倍體小黑麥的脯氨酸含量分別增加了39.6%、96.0%、125.5%、126.9%，可溶性糖含量分別增加了178.4%、276.7%、189.3%、237.8%；脅迫3 d后，脯氨酸含量分別增加了158.9%、286.6%、334.6%、326.9%；可溶性糖含量分別增加了420.1%、910.5%、560.1%、754.4%。由此可見，四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥相對于二倍體小麥具有較強的滲透調(diào)節(jié)能力。

圖柱上不同小寫字母表示小麥和小黑麥在不同處理下存在顯著差異(P<0.05)。Z16：一粒小麥；H89：二粒小麥；CN19：普通小麥；XZ31：小黑麥。圖2～圖7同。

Different small letters above the columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level. Z16:Triticummonococcum; H89:Triticumdicoccum; CN19:Triticumaestivum; XZ31:Triticale.The same in figure 2-7.

圖1干旱脅迫對不同倍性小麥及八倍體小黑麥相對含水量、脯氨酸和可溶性糖含量的影響

Fig.1Effectsofdroughtstressonrelativewatercontent，proline，andsolublesugarcontent

inwheatwithdifferentploidylevelsandoctoploidTriticale

2.2 干旱脅迫對不同倍性小麥及八倍體小黑麥葉片光合特性的影響

2.2.1 干旱脅迫對葉綠素含量及葉綠素a/b的影響

與對照相比，干旱脅迫導致不同倍性小麥和八倍體小黑麥葉綠素總含量顯著下降(圖2)，而葉綠素a/b值隨干旱脅迫時間的延長呈現(xiàn)不同程度的上升。干旱脅迫1 d后，二倍體、四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥葉綠素總含量分別下降了25.0%、11.0%、8.8%、10.2%；二倍體小麥葉綠素a/b值上升了16.4%，而四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥葉綠素a/b值無顯著變化。干旱脅迫3 d后，二倍體、四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥葉綠素總含量分別下降了41.4%、30.7%、21.8%、23.0%；而葉綠素a/b值分別上升了17.2%、13.9%、25.4%、17.9%。這些結(jié)果表明，干旱脅迫加速了葉綠素的降解，且葉綠素b降解速度快于葉綠素a。

圖2 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥葉綠素總含量及葉綠素a/b的影響Fig.2 Effects of drought stress on chlorophyll content and chlorophyll a/b in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

2.2.2 干旱脅迫對氣體交換參數(shù)的影響

由圖3可知，干旱脅迫導致不同倍性小麥和八倍體小黑麥的Pn、Tr、Gs不同程度下降以及Ci不同程度上升。與對照相比，干旱脅迫1 d后，二倍體、四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥的葉片Pn分別下降了55.8%、42.4%、35.3%、42.3%；Tr分別下降了55.8%、36.2%、42.3%、51.4%；Gs分別下降了49.6%、36.2%、42.3%、47.1%；而Ci分別上升了71.7%、53.0%、45.7%、48.4%。干旱脅迫3 d后，二倍體、四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥的葉片Pn分別下降了81.2%、72.1%、67.8%、70.2%；Tr分別下降了81.2%、67.8%、70.2%、75.8%；Gs分別下降了78.6%、67.8%、70.2%、73.7%；而Ci分別上升了294.2%、246.2%、226.1%、230.0%。以上結(jié)果表明，干旱脅迫下二倍體小麥光合速率降低最顯著。

2.2.3 干旱脅迫對葉綠素熒光參數(shù)的影響

干旱脅迫導致不同倍性小麥和八倍體小黑麥的Fv/Fm和ΦPSII不同程度下降(圖4)，其中二倍體小麥下降最顯著。干旱脅迫1 d和3 d后，二倍體小麥的Fv/Fm分別下降了20.4%和42.0%；ΦPSII分別下降了37.5%和75.1%；而六倍體小麥下降程度較小，其Fv/Fm分別下降了8.6%和19.5%，ΦPSII分別下降了11.8%和62.9%。然而NPQ呈現(xiàn)相反的趨勢。干旱脅迫下，不同倍性小麥和八倍體小黑麥NPQ不同程度上升。其中，二倍體小麥上升最顯著，干旱脅迫1 d和3 d后，其NPQ分別上升了86.0%和193.7%；而六倍體小麥NPQ增加程度較小，分別上升了36.2%和100.6%。這表明二倍體小麥以熱形式耗散的光能較多。

2.3 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥活性氧(ROS)水平的影響

圖3 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥氣體交換參數(shù)的影響Fig.3 Effects of drought stress on gas exchange parameters in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

圖4 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥葉綠素熒光參數(shù)的影響Fig.4 Effects of drought stress on chlorophyll fluorescence parameters in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

2.4 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥MDA含量和相對電導率的影響

干旱脅迫后不同倍性小麥和八倍體小黑麥MDA含量和相對電導率不同程度增加，且干旱脅迫3 d比1 d后增加更顯著(圖6)。與對照相比，干旱脅迫后二倍體小麥MDA含量增加最明顯，干旱脅迫1 d和3 d后分別增加了191.1%和410.8%，而六倍體小麥分別增加了176.4%和307.3%。干旱脅迫1 d和3 d后，二倍體小麥相對電導率分別增加了192.0%和417.0%，而六倍體小麥分別增加了50.1%和209.2%。這說明二倍體小麥在干旱脅迫下膜損傷程度較重。

圖5 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥活性氧水平積累的影響Fig.5 Effects of drought stress on level of ROS in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

圖6 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥MDA含量和相對電導率的影響Fig.6 Effects of drought stress on MDA content and electrolyte leakagein wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

2.5 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥抗氧化酶活性的影響

干旱脅迫后不同倍性小麥和八倍體小黑麥SOD、CAT、POD和APX活性呈現(xiàn)不同程度的變化(圖7)。與對照相比，在干旱脅迫后，二倍體小麥的APX活性無明顯變化，而四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥APX活性顯著上升，其中六倍體小麥增加最明顯，干旱脅迫1 d和3 d后分別增加了67.5%和106.0%。干旱脅迫1 d后，二倍體、四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥SOD、POD活性顯著上升，而CAT活性呈下降趨勢。其中二倍體小麥SOD、POD和CAT活性明顯低于四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥。干旱脅迫3 d后，二倍體、四倍體、六倍體小麥和八倍體小黑麥SOD、POD、CAT活性較干旱脅迫1 d后顯著下降，且CAT活性明顯低于對照。

3 討 論

前人研究表明，不同基因型小麥在水分虧缺條件下，其形態(tài)、生理生化特性均有所差異[9]。植物組織相對含水量可反映植物水分狀況。大量研究表明葉片相對含水量可以較好地反映作物的抗旱性[28-29]。在逆境條件下，植物可通過滲透物質(zhì)的積累維持水分平衡。脯氨酸和可溶性糖是兩類重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[30]。許多研究表明，干旱脅迫下植物體內(nèi)游離脯氨酸水平顯著上升，且脯氨酸積累能力與物種抗旱性呈正相關(guān)[31-32]。在本研究中，干旱脅迫后，小麥和小黑麥葉片相對水含量顯著下降，脯氨酸、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)顯著上升，其中六倍體小麥脯氨酸和可溶性糖含量明顯高于八倍體小黑麥、四倍體小麥和二倍體小麥，表明六倍體小麥具有較強的滲透調(diào)節(jié)能力，這也與前人的研究結(jié)果基本一致[33]。

圖7 干旱脅迫對不同倍性小麥和八倍體小黑麥抗氧化酶的影響Fig.7 Effects of drought stress on the activities of antioxidant enzymes in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

光合色素是植物進行光合作用的重要成分，環(huán)境脅迫可導致色素含量的降低[34]。在本研究中，干旱脅迫導致不同倍性小麥和八倍體小黑麥色素含量顯著下降，且二倍體小麥下降最為迅速，這可能是引起二倍體小麥光合作用效率下降的原因之一[35]。逆境脅迫下植物光合作用效率的下降受氣孔因素和非氣孔因素的共同作用[36]。植物可通過關(guān)閉氣孔，降低蒸騰速率來減少植株體內(nèi)水分散失，從而應對干旱脅迫[14]。Gs下降會導致CO2進入葉片的阻力增加，Ci濃度降低，進而導致Pn降低。在本研究中，干旱脅迫導致不同倍性小麥和八倍體小黑麥Gs、Tr下降，而Ci上升，表明干旱條件下植物光合作用的降低是非氣孔因素引起的[36]。水分缺失導致了植物光合結(jié)構(gòu)的受損，CO2無法進入葉肉細胞并積累，Ci上升，進而導致了光合速率的降低。在本研究中，六倍體小麥在干旱脅迫后顯示出更高的Pn，表明六倍體小麥具有更強抵抗干旱脅迫的能力，這也與前人的研究結(jié)果基本一致[33,37]。張林剛[38]的研究結(jié)果顯示，干旱脅迫下含有不同染色體組的二倍體小麥葉片Pn的大小順序為DD>BB>AA>RR，表明D染色體組可能含有控制高光合能力的基因。此外，葉綠素熒光參數(shù)是研究光合作用的有效探針。史磊等[12]研究表明，水分脅迫下不同倍性小麥Fv/Fm下降，NPQ上升，這也與本研究的結(jié)果一致。本研究結(jié)果顯示，六倍體小麥Fv/Fm和ΦPSII下降幅度和NPQ增加幅度顯著低于八倍體小黑麥、四倍體小麥和二倍體小麥，表明干旱脅迫下六倍體小麥將捕獲的光能用于光合作用的能力較強。

綜上所述，干旱脅迫抑制了小麥光合能力。不同倍性小麥和八倍體小黑麥可通過調(diào)節(jié)滲透物質(zhì)含量、相對含水量、氣孔導度等方式應對水分缺失，同時增強有關(guān)抗氧化酶活性，減少干旱造成的氧化損傷，其中六倍體小麥適應干旱的能力更強，這可能與小麥進化過程中染色體數(shù)目增加，進而導致遺傳信息總量增加有關(guān)。有關(guān)于不同倍性小麥和小黑麥抗旱性機理有待從蛋白和基因水平來深入研究。