水分脅迫下不同耐旱性糜子葉片保護酶活性及膜脂過氧化特性

馮曉敏，張永清

(1中國農(nóng)業(yè)科學院作物科學研究所/農(nóng)業(yè)部生理生態(tài)重點實驗室，北京100081； 2 山西師范大學生命科學學院, 山西 臨汾 041004；3.山西師范大學地理科學學院, 山西 臨汾 041004)

水分脅迫是農(nóng)作物生長過程中周期性經(jīng)歷的一種逆境脅迫現(xiàn)象，影響和制約著作物的產(chǎn)量與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計，世界上有1/3的可耕作土地面臨著水分脅迫[1]。近40年來，中國由于干旱缺水造成的糧食減產(chǎn)已達近1億t[2]。黃土高原是我國重要的農(nóng)牧業(yè)基地，也是中低產(chǎn)田集中區(qū)域，其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)受降雨影響很大，篩選水分脅迫條件下仍能保持穩(wěn)產(chǎn)的作物品種是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的根本途徑[3]。糜子(PanicummiliaceumL.)屬禾本科黍?qū)伲俏覈爬系募Z食作物之一[4]，具有生育期短、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿等特性，是北方冷涼地區(qū)的主要抗逆渡荒作物，也是良好的填閑作物。近年來關(guān)于糜子的研究多集中在抗旱基因[5]、種質(zhì)資源利用[6]及營養(yǎng)價值分析[7]等方面。在山西中部和北部的旱薄地區(qū)，糜子具有明顯的生產(chǎn)和區(qū)位優(yōu)勢，是該地區(qū)主栽的小雜糧作物之一。合理高效地利用有限的水資源對于提高糜子產(chǎn)量、推動糜子產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設(shè)計

試驗于2010-2011年在山西省農(nóng)業(yè)科學院小麥研究所田間試驗基地(北緯35°23′～36°57′，東經(jīng)110°22′～112°34′)進行。供試材料為本試驗室篩選的糜子(PanicummiliaceumL.)品種：耐旱品種隴糜4號和旱敏感品種晉黍7號；其中隴糜4號由蘭州大學提供，晉黍7號由山西省農(nóng)業(yè)科學院品種資源研究所提供。采用直徑為25 cm，高為30 cm的聚乙烯塑料盆進行盆栽試驗。土壤為黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的石灰性褐土，含有機質(zhì)11.2 g·kg-1、全氮720 mg·kg-1、速效磷32 mg·kg-1、速效鉀137 mg·kg-1。每盆裝土14.0 kg，田間持水量為26.8%， 將肥料(尿素0.49 g·kg-1，過磷酸鈣和氧化鉀為0.94 g·kg-1)與選用土壤混勻后直接施入盆中。每個處理5次重復(fù)，常規(guī)栽培管理。共設(shè)4個土壤水分處理：W1 正常供水(CK)是田間最大持水量的75%以上，W2 輕度水分脅迫 (65%～70%)，W3 中度水分脅迫 (55%～60%)，W4 重度水分脅迫 (35%～40%)。試驗所用種子預(yù)先在實驗室進行催芽，將種子平鋪在含有濕潤濾紙的培養(yǎng)皿上，同時用濕紗布覆蓋，并保持濾紙和紗布的濕潤，待大部分種子露白后，挑選發(fā)芽情況一致的種子播種，每盆播種20粒，待幼苗長到三葉一心期時開始定苗，每盆留苗10株，定苗后開始控水處理。土壤水分的控制采用稱重法，每天進行稱重，當盆質(zhì)量下降到水分指標下限時，補充水分使其維持在各處理設(shè)計的土壤含水量水平。拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期分別在8∶00取樣，每盆每次取兩株長勢基本一致的糜子植株，取葉片后洗凈葉片表面的塵土和污物并用吸水紙小心擦干，去除葉脈，混勻，樣品用液氮冷凍后，置超低溫冰箱中待用。

1.2 測定項目及方法

1.2.1 酶液的提取 取0.5 g鮮樣剪碎，置預(yù)冷研缽中，加0.05 mol·L-1, pH7.8的磷酸緩沖液(內(nèi)含1%的PVP)及少量石英砂，在冰浴中研磨提取，4℃，15 000 r·min-1，冷凍離心20 min，上清液定容到10 mL，上清液即為酶提取液。

1.2.2 SOD活性 測定方法參照張志良[22]等方法并加以改進，以抑制50% NBT反應(yīng)為1個酶活性單位。

1.2.3 POD活性 采用愈創(chuàng)木酚法[22]測定，以ΔOD470g-1FWmin-1表示酶活力單位。

1.2.4 CAT活性 采用鉬酸銨比法[22]測定。

1.2.5 MDA含量 采用硫代巴比妥酸法[22]測定。

1.2.6 可溶性糖含量 采用蒽酮法[22]測定。

1.2.7 產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子 成熟期分別測定每盆的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重，并計產(chǎn)。

1.3 統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel 2007處理數(shù)據(jù)，用SPSS 13.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，利用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著性差異法(Least significant Difference, LSD)比較樣本平均數(shù)差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對不同耐旱性糜子品種產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成的影響

表1結(jié)果表明，水分脅迫導致植株矮化、生長發(fā)育受阻、產(chǎn)量下降，尤其是重度脅迫處理，與對照相比差異顯著(P<0.05)，2010年耐旱品種隴糜4號和旱敏感品種晉黍7號的產(chǎn)量在重度脅迫處理下分別比對照下降26.9%和39.2%，2011年分別比對照下降33.1%和37.2%。從產(chǎn)量構(gòu)成因子來看，水分脅迫后，糜子的穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重均下降，下降幅度隨脅迫強度的升高而增大，且在重度脅迫下與對照相比差異顯著(P<0.05)。旱敏感品種晉黍7號各產(chǎn)量因子受重度脅迫的影響較大。

2.2 水分脅迫對糜子葉片葉綠素含量的影響

如圖1所示，各處理的糜子葉片葉綠素含量隨著生育時期的延長表現(xiàn)為先升后降趨勢，灌漿期達到最大值。與對照相比，輕度水分脅迫(LS)對糜子葉片葉綠素含量影響較小，但重度水分脅迫(SS)的糜子葉片葉綠素含量降幅較大，旱敏感品種晉黍7號的降幅大于耐旱品種隴糜4號，如2010年和2011年，晉黍7號的葉片葉綠素含量在重度脅迫處理(SS)下與對照相比降低26%和22.4%，差異顯著(P<0.05)。

表1 水分脅迫對不同耐旱性糜子品種產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的影響

注：表內(nèi)數(shù)據(jù)為平均值+標準差，每列數(shù)據(jù)后字母相同者表示差異未達顯著水平(P>0.05)，字母不同者表示差異達顯著水平(P<0.05)。

Note：values are means ±SD. Values followed by a different letter within the same column are significantly different atP<0.05.

2.3 水分脅迫對糜子葉片保護酶活性的影響

由圖2可以看出，隨糜子生育進程的推進，葉片超氧化物歧化酶活性變化呈現(xiàn)先升后降的趨勢，抽穗期達到峰值。水分脅迫降低了SOD活性，尤其是重度脅迫處理，2010年和2011年耐旱品種隴糜4號分別降低20.48%和24.68%，而旱敏感品種晉黍7號SOD活性大幅下降，分別下降39.96%、49.93%，與對照相比差異顯著(P<0.05)。表明晉黍7號葉片對超氧陰離子自由基的清除能力較弱，抗衰老能力較弱，而耐旱品種隴糜4號積極參與活性氧的清除過程，保持相對較高的SOD活性。

圖3結(jié)果表明，水分脅迫導致糜子葉片POD活性下降，中度脅迫和重度脅迫條件下，晉黍7號的POD活性的降低程度要明顯高于隴糜4號，說明晉黍7號POD活性對水分脅迫反應(yīng)比較敏感。隨著生育期的推進，POD活性均呈現(xiàn)先升后降的趨勢，抽穗期達到最大值。

圖4結(jié)果表明，整個生育期，CAT活性變化呈現(xiàn)先升后降的趨勢，抽穗期達到最大值。水分脅迫導致糜子葉片CAT活性下降，中度脅迫和重度脅迫條件下，晉黍7號和隴糜4號的CAT活性與對照相比顯著降低(P<0.05)。

2.4 水分脅迫對糜子葉片丙二醛(MDA)含量的影響

由圖5可知，水分脅迫增加了糜子葉片MDA含量，耐旱品種隴糜4號和旱敏感品種晉黍7號在重度水分脅迫處理下增幅分別為30.8%～51%和61.7%～81.6%，與對照相比差異顯著(P<0.05)。晉黍7號葉片MDA含量最高，表明其細胞膜結(jié)構(gòu)和功能受傷害程度最嚴重，葉片衰老進程較快。

注：CK，LS，MS，SS分別為正常灌水、輕度水分脅迫、中度水分脅迫、重度水分脅迫；JS，HS，F(xiàn)S，MS分別為拔節(jié)期、抽穗期、灌漿期、成熟期。下同。Note: CK，LS，MS，and SS mean irrigated conditions treatments: normal irrigation, mild stress, moderate stress, and severe stress treatment. JS, HS, FS, and MS mean growth stages: jointing stage, heading stage, filling stage, and mature stage. The same below.圖1 水分脅迫對不同耐旱性糜子品種葉片葉綠素含量的影響Fig.1 Effects of water stress on chlorophyll content of leaves of broomcorn millet

圖2 水分脅迫下不同耐旱性糜子品種葉片超氧化物歧化酶(SOD)活性的變化Fig.2 Changes of SOD activities in leaves of different drought-tolerant millet varieties under water stress

圖3 水分脅迫下不同耐旱性糜子品種葉片過氧化物酶(POD)活性的變化Fig.3 Changes of POD activities in leaves of different drought-tolerant millet varieties under water stress

圖4 水分脅迫下不同耐旱性糜子品種葉片過氧化氫酶(CAT)活性的變化Fig.4 Changes of CAT activities in leaves of different drought-tolerant millet varieties under water stress

圖5 水分脅迫下不同耐旱性糜子品種葉片丙二醛(MDA)含量的變化Fig.5 The changes of the MDA content in leaves of different drought-tolerant millet varieties under water stress

2.5 水分脅迫對糜子葉片可溶性糖含量的影響

如圖6所示，水分脅迫增加了糜子葉片的可溶性糖含量，在糜子的生理成熟期，重度脅迫處理下晉黍7號的葉片可溶性糖含量在2010年和2011年分別比對照增加44.70%和40.75%。隨著生育期的延長，糜子葉片可溶性糖含量均呈現(xiàn)先上升后下降的變化趨勢，最大值出現(xiàn)在灌漿期。

2.6 水分脅迫下產(chǎn)量與糜子葉片生理指標的相關(guān)性分析

不同生理指標存在一定的必然聯(lián)系，水分脅迫影響各指標相關(guān)性，如表2所示，產(chǎn)量與葉綠素含量、SOD活性，POD和CAT活性呈正相關(guān)，與可溶性糖含量和MDA含量呈負相關(guān)，此外，葉綠素含量與丙二醛含量呈顯著負相關(guān)，表明糜子葉片的初生代謝過程和次生代謝過程是緊密相關(guān)的，只是不同的生理生化指標對抗旱貢獻存在差異。

圖6 水分脅迫下不同耐旱性糜子品種葉片可溶性糖含量的變化Fig.6 Changes of soluble sugar content in leaves of different drought-tolerant millet varieties under water stress

指標Indices產(chǎn)量Yield葉綠素含量Chlorophyll contentSOD活性SOD activityPOD活性POD activityCAT活性CAT activity丙二醛含量MDA content可溶性糖含量Soluble sugar content產(chǎn)量 Yield1葉綠素含量Chlorophyll content0.7581SOD活性SOD activity0.8230.8451POD活性POD activity0.7690.8100.6131CAT活性CAT activity0.7840.6250.6050.6581丙二醛含量MDA content-0.712-0.956*-0.812-0.8560.8221可溶性糖含量Soluble sugar content-0.908*-0.847-0.683-0.982**0.8450.938*1

注：*表示0.05水平(雙側(cè))顯著相關(guān)，**表示0.01水平(雙側(cè))顯著相關(guān)。

Note: * and ** are significant at 0.05 and 0.01 level, respectively.

3 討 論

3.1 水分脅迫下糜子產(chǎn)量及其構(gòu)成因素

水分脅迫是影響旱地作物生長發(fā)育的主要逆境，而產(chǎn)量及其構(gòu)成因子是反映水分脅迫對作物影響的直接指標。本試驗中水分脅迫對糜子產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的影響與脅迫程度密切相關(guān)，重度水分脅迫下，糜子的穗粒數(shù)、千粒重都受到了一定程度的影響，這與前人的結(jié)果一致[23-24]。水分脅迫降低了作物的光合能力，破壞了糜子源庫關(guān)系的協(xié)調(diào)，導致糜子早衰；同時，水分脅迫下耐旱品種糜子的減產(chǎn)幅度要低于旱敏感品種，說明耐旱品種隴糜4號較旱敏感品種晉黍7號緩解機體損傷的能力更強。在其它谷類作物中也有類似的研究，如任鵬等[25]的研究結(jié)果表明，在中度脅迫和重度脅迫下，抗旱品種的燕麥籽粒減產(chǎn)低于同期的水敏感品種。關(guān)于糜子所能承受的最大水分脅迫程度以及對水分脅迫最敏感的生育時期需要進一步研究。

3.2 糜子葉片衰老過程中保護酶活性的變化

水分脅迫下作物在體內(nèi)積累活性氧，破壞了作物正常生長時活性氧產(chǎn)生與清除的平衡，因而通過內(nèi)源性保護酶促清除系統(tǒng)來維持細胞的正常運行[26]。前人研究發(fā)現(xiàn)，SOD、POD和MDA積累量的變化反映了作物對活性氧、自由基的清除能力[18]。SOD和POD酶活力的提高與干旱傷害程度成負相關(guān)[16]，本試驗研究中，不同耐旱品種葉片的SOD、POD活性在輕度水分脅迫下變化不大，但隨著脅迫程度的加劇均有不同程度的下降，可能是由于水分脅迫條件下，作物利用細胞內(nèi)所具有的保護酶及時清除了活性氧。但王娟等[26]研究發(fā)現(xiàn)，在水分脅迫下，SOD和POD活性有上升的趨勢[26]。也有研究表明干旱使作物葉片的SOD、CAT和POD活性于作物生育前期增加后期降低[15]。這與本試驗結(jié)果存在差異?？赡苁怯捎诓煌难芯空咚扇〉难芯矿w系不同，包括作物材料及脅迫處理的方法存在差異。本研究發(fā)現(xiàn)耐旱品種隴糜4號SOD活性和POD活性明顯高于旱敏感品種晉黍7號，可能是由于水分脅迫處理下不同品種糜子葉片啟動保護酶系統(tǒng)的能力不同，此外，耐旱性強的品種能迅速對水分脅迫做出響應(yīng)，激活體內(nèi)的保護酶以清除自由基，從而緩解脅迫帶來的傷害。糜子葉片SOD活性和POD活性在生育前期增加幅度較大，可能是糜子對水分脅迫的響應(yīng)機制減輕糜子在水分脅迫下遭受的損傷，并增強糜子生育后期對水分脅迫的抵抗力。

水分脅迫下作物器官和細胞內(nèi)首先受傷害的是細胞膜，膜系統(tǒng)的過氧化作用能導致細胞的衰老[23]。MDA含量可以反映糜子遭受水分脅迫時的破壞程度，研究表明，水分脅迫增加了糜子葉片MDA含量，表明作物體內(nèi)細胞酶系統(tǒng)平衡體系被打破，活性氧過量積累，導致MDA和質(zhì)膜透性增加，促進了膜脂過氧化作用，使細胞膜受破壞[23]；這與前人的研究相似[27]。旱敏感品種晉黍7號在不同生育時期和不同脅迫程度下MDA含量增加的幅度大于耐旱品種隴糜4號，且增幅在抽穗期表現(xiàn)得更加明顯，表明隴糜4號膜脂過氧化程度較低，膜受傷較輕，膜完整性破壞較晉黍7號滯后，由于作物在灌漿期體內(nèi)大部分細胞開始衰老，此時對水分脅迫的反應(yīng)比較遲鈍。

本研究表明，水分脅迫下，膜脂過氧化物MDA含量增加，但是酶促防御系統(tǒng)的POD活性并未提高。糜子葉片SOD、POD保護酶活性下降與MDA積累有關(guān)，一方面，由于糜子葉片SOD、POD活性下降，使有害自由基積累，當超過傷害閾值時，可能直接或間接地啟動膜脂過氧化作用使MDA含量增加，膜完整性被破壞；另一方面，隨著MDA含量的增加又抑制了糜子葉片SOD、POD的活性，從而喪失了保護酶系統(tǒng)的功能，進一步促使膜系受損加重。這可能是水分脅迫下糜子葉片的主要生理反應(yīng)及損傷機理。

3.3 水分脅迫對糜子葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

滲透調(diào)節(jié)作用是作物抵御逆境脅迫的重要機制。農(nóng)作物主要的光合產(chǎn)物之一可溶性糖是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和脫水保護物質(zhì)[28]。水分脅迫使糜子缺水嚴重，可溶性糖含量的增加可引起其它生理代謝的響應(yīng)，如原生質(zhì)粘度增大等，從而提高作物的保水能力和吸水能力，有利于適應(yīng)缺水的環(huán)境，維持水解類酶如蛋白酶等的穩(wěn)定性，進而保持原生質(zhì)體結(jié)構(gòu)。本試驗中隨著水分脅迫程度的增加，各生育期不同處理可溶性糖含量增加幅度不同，在糜子生長前期以營養(yǎng)生長為主，需水量較大，CK的可溶性糖含量較高；但灌漿期是糜子生長旺盛時期，其體內(nèi)代謝較快，積累的可溶性糖含量較多，水分需求量較大，對水分比較敏感，此時期的水分脅迫處理可溶性糖含量較高；水分脅迫后期糜子葉片的可溶性糖含量下降，可能是糜子后期逐步適應(yīng)干旱環(huán)境，能調(diào)節(jié)自身物質(zhì)代謝，同時葉片中的可溶性糖含量逐步轉(zhuǎn)化為籽粒營養(yǎng)，從而使可溶性糖含量下降。這是由于在干旱初期可溶性糖含量增加有促進同化物質(zhì)運輸?shù)淖饔茫掷m(xù)干旱對物質(zhì)運輸起到了抑制作用[23]?？傊置{迫下糜子葉片中可溶性糖含量增加進而提高其滲透調(diào)節(jié)能力影響產(chǎn)量。

水分脅迫導致光合電子傳遞鏈的過度還原，產(chǎn)生的活性氧不僅對酶促防御系統(tǒng)造成破壞，同時使保護酶喪失有效清除超氧陰離子、OH-等自由基的能力。本研究雖然表明SOD、POD、CAT可能參與了糜子葉片衰老進程的調(diào)控，但是植物只有啟動整個防御系統(tǒng)才能抵抗水分脅迫造成的氧化傷害，單一的抗氧化酶均不足以防御這種氧化脅迫；同時，作物體內(nèi)抗氧化脅迫的模式也不相同，有些以酶性為主，有些可能使非酶性為主；同時，抗氧化系統(tǒng)包括抗壞血酸-谷胱甘肽循環(huán)系統(tǒng)(ASA-GSH)和抗氧化酶類[29-30]，而本研究只進行了一些抗氧化酶的分析。因此，水分脅迫下作物如何協(xié)調(diào)保護酶及非酶性為主的過程從而使活性氧傷害降低到最大程度的內(nèi)在機制，還需進行深入研究。