干旱脅迫對冬播馬鈴薯現(xiàn)蕾期生理生化指標(biāo)的影響

韓德鵬，尹智宇，楊 蓓，翁大成，許從恩，肖關(guān)麗*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南 昆明 650201；2.云南省永平縣園藝工作站，云南 永平 652600）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）營養(yǎng)豐富，豐產(chǎn)性好，適應(yīng)性廣，可兼做菜糧，是重要的工業(yè)原料，也是中國的重要出口物資[1]，至2009年，中國馬鈴薯的出口貿(mào)易地位在世界上已上升至第8位[2]。中國馬鈴薯種植總面積逾460萬hm2，是世界上最大的馬鈴薯生產(chǎn)國[3]。中國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)有著巨大的生產(chǎn)潛力與市場發(fā)展空間。全國馬鈴薯產(chǎn)區(qū)以種植春馬鈴薯為主，即3月播種，當(dāng)年7～10月收獲，故2月中旬至5月中旬馬鈴薯鮮薯上市量卻很少，無法滿足市場供應(yīng)。而冬馬鈴薯于11月播種，翌年2～5月收獲，可作為冬春蔬菜錯季上市，在彌補市場空缺的同時還可增加農(nóng)民收入。云南省具有馬鈴薯四季種植、周年收獲的氣候優(yōu)勢，非常適合冬馬鈴薯栽培[4]，近年來冬馬鈴薯種植發(fā)展迅速[5]。

馬鈴薯是典型的喜涼性溫帶氣候性作物，對水分虧缺十分敏感。云南省屬典型的季風(fēng)氣候，冬季降水量稀少，有著山原降水量小于蒸發(fā)量的特點，且海拔越高，濕度越低，空氣越干燥，冬季云南省旱情頻發(fā)，干旱脅迫成為嚴(yán)重影響馬鈴薯正常生長發(fā)育和后期產(chǎn)量形成的限制因素，甚至可造成減產(chǎn)50%以上，并引起一系列的不良反應(yīng)，抑制馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展[6-8]?，F(xiàn)蕾期是馬鈴薯生長發(fā)育中需水量最多的時期，此時地上地下部分同時生長，匍匐莖頂端膨大，塊莖開始形成，是豐產(chǎn)的重要時期，水分供應(yīng)不足，將嚴(yán)重影響馬鈴薯植株的生長發(fā)育[1]。

干旱是全世界都面臨的最大的自然災(zāi)害之一。1950～2000 年中國北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)干旱面積呈擴大趨勢，特別是華北等地干旱面積擴大迅速，形勢嚴(yán)峻，而且極端年份干旱面積顯著擴大[9]。在云南省，受旱面積35.45 萬hm2，其中成災(zāi)面積17.04 萬hm2，全省平均每年因旱災(zāi)損失糧食30.64萬t[10]。因此，人們在干旱脅迫方面做出了許多研究。焦志麗等[11]研究不同程度干旱脅迫對馬鈴薯植株幼苗的影響，認為土壤含水量在20%的田間最大持水量為重度干旱脅迫。左應(yīng)梅等[12]在干旱脅迫下對4 種人參屬植物的生理指標(biāo)進行比較，認為植物抗旱的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和過氧化物酶（Peroxidase，POD）的活性較高，丙二醛（Malondialdehyde，MDA）的變幅較小。馬雪梅和吳朝峰[13]在研究干旱脅迫對金銀花生理指標(biāo)與品質(zhì)的影響時發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫程度加劇，金銀花葉綠素總量呈下降趨勢，脯氨酸（Proline，Pro）、MDA 和可溶性糖含量呈顯著升高趨勢，POD 活性呈先升后降趨勢。于健等[14]發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶（Catalase，CAT）活性廣泛存在于植株體內(nèi)，將活性氧轉(zhuǎn)變?yōu)榈突钚晕镔|(zhì)，從而保護細胞膜系統(tǒng)不受損傷。楊華應(yīng)等[15]認為，在干旱脅迫下，因為抗旱能力的不同，烤煙葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)、光合參數(shù)、脯氨酸含量、MDA 含量、抗氧化系統(tǒng)酶活性均出現(xiàn)不同程度的變化。張麗莉等[16]在研究塊莖膨大期干旱脅迫對馬鈴薯生理指標(biāo)及產(chǎn)量的影響中發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，馬鈴薯葉片的MDA、脯氨酸含量均增加。迄今國內(nèi)外有關(guān)馬鈴薯抗旱生理的研究已有很多卓有成效的工作，但針對冬馬鈴薯抗旱性研究少見相關(guān)報道。本研究立足云南馬鈴薯生產(chǎn)實際，研究干旱脅迫對冬播馬鈴薯的影響，可為冬馬鈴薯生產(chǎn)發(fā)展提供理論依據(jù)。

本試驗通過比較4個馬鈴薯品種在現(xiàn)蕾期干旱脅迫下各生理生化指標(biāo)的變化，并對各生理生化指標(biāo)變化進行綜合模糊隸屬函數(shù)分析，研究不同馬鈴薯品種在冬播時對干旱脅迫的響應(yīng)，并評價馬鈴薯的抗旱性，該研究可為冬馬鈴薯的抗旱栽培及優(yōu)良種質(zhì)的鑒定與篩選奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試品種：以云南省主栽的4 個馬鈴薯品種‘合作88’、‘麗薯6號’、‘宣薯2號’和‘會-2’為材料，均由云南省曲靖市農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供。

1.2 試驗地點及試驗設(shè)計

試驗在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山標(biāo)本園大棚中進行，地理位置N 25°18′，E 102°35′，海拔1 930 m。于2015年11月～2016年4月，進行冬播馬鈴薯的試驗測定。試驗用盆高27 cm，上徑39 cm，下徑20 cm。試驗用土為山地紅壤土，土壤pH 5.7，每盆裝土10 kg，施有機肥（N+P2O5+K2O ≥5%，有機質(zhì)≥60%，腐殖質(zhì)≥25%，pH 5.5～8）50 g，復(fù)合肥（N∶P∶K = 30∶10∶10）10 g，作為基肥與土壤混勻后裝盆，每品種每處理各3盆，現(xiàn)蕾期（2016年1月）進行控水，每天9：00 測定土壤相對含水量[17]。對照處理的土壤相對含水量在70%～85%，干旱脅迫處理的土壤相對含水量在15%～30%，馬鈴薯葉片出現(xiàn)萎蔫狀態(tài)時（控水第8 d），進行相關(guān)生理生化指標(biāo)的測定。

1.3 取樣及測定

于早上8：00 取馬鈴薯倒4 頂小葉，置于冰盒中，在實驗室內(nèi)測定脯氨酸含量、可溶性蛋白含 量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性和MDA 含量。脯氨酸含量的測定采用磺基水楊酸法[18]，可溶性蛋白含量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性及MDA 含量的測定均使用南京建成生物工程研究所提供的試劑盒。3 次重復(fù)，結(jié)果取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理

測定后計算各指標(biāo)變幅：變幅=[（處理值-對照值）/對照值] × 100%（變幅＞0 時，為升幅；變幅＜0時，為降幅）。

試驗數(shù)據(jù)先用Excel 2003進行整理，再用SPSS 17.0 對各項生理生化指標(biāo)變幅進行單因素（One-way ANOVA）和最小顯著差異法（LSD）分析，最后使用模糊隸屬函數(shù)法[19]對4個馬鈴薯品種的各生理生化指標(biāo)變幅進行綜合分析。

隸屬函數(shù)值的計算：

其中X 為各材料的某一指標(biāo)測定值，Xmax、Xmin分別表示各參試材料中某一指標(biāo)測定值內(nèi)的最大值和最小值。如果指標(biāo)與抗旱性成正相關(guān)，用公式（1）計算，呈負相關(guān)，用公式（2）計算。MDA用公式（2）計算，其余用公式（1）計算。然后累加各材料各個性狀的具體函數(shù)值，并求出平均隸屬函數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤相對含水量的測定與分析

干旱處理下4 個馬鈴薯品種的土壤相對含水量在21.93%～23.60%，CK 處理（正常澆水）的4個馬鈴薯品種的土壤相對含水量在80.64%～81.95%（表1）。分別將干旱處理與CK 處理的4個馬鈴薯品種的土壤相對含水量進行方差分析，干旱處理與對照處理的4 個馬鈴薯品種間的土壤相對含水量值差異均不顯著，說明4 個馬鈴薯品種分別在干旱處理與CK 處理的土壤相對含水量基本一致。

表1 4個冬播馬鈴薯品種土壤相對含水量比較Table 1 Comparison on soil relative water content of four winter sowing potato varieties

2.2 干旱條件下冬馬鈴薯現(xiàn)蕾期脯氨酸與可溶性蛋白含量分析

在干旱脅迫下，4 個馬鈴薯品種的葉內(nèi)脯氨酸含量均較CK 增加（表2）。將4 個馬鈴薯品種的脯氨酸含量變幅進行方差分析，差異不顯著。

干旱脅迫下各馬鈴薯品種的可溶性蛋白含量均較CK 增加（表2），說明在水分虧缺條件下，馬鈴薯葉內(nèi)積累大量的可溶性蛋白以降低滲透勢，使植株適應(yīng)干旱環(huán)境或提高自身的抗旱能力。將各馬鈴薯品種的可溶性蛋白含量變幅進行方差分析，‘會-2’的可溶性蛋白含量變幅顯著高于‘合作88’與‘麗薯6 號’，‘宣薯2 號’的可溶性蛋白含量變幅顯著高于‘麗薯6號’，說明在干旱脅迫下，‘會-2’葉內(nèi)能夠維持較高的可溶性蛋白水平，‘宣薯2號’次之，‘合作88’再次，‘麗薯6號’葉內(nèi)維持較低的可溶性蛋白水平。

2.3 干旱條件下冬馬鈴薯現(xiàn)蕾期SOD、POD 和CAT活性分析

干旱脅迫下4 個馬鈴薯品種的SOD 活性含量均較CK 增加（表3）。將各馬鈴薯品種SOD 活性變幅進行方差分析，‘合作88’、‘麗薯6號’、‘宣薯2 號’及‘會-2’的SOD 活性增幅分別是：86.69%、302.48%、143.00%和128.19%，品種間SOD 活性差異不顯著。

在干旱脅迫下，4 個馬鈴薯品種的POD 活性均較CK 增加（表3）。將各馬鈴薯品種的POD 活性變幅進行方差分析，‘會-2’與‘合作88’的POD 活性變幅顯著高于‘麗薯6 號’，‘宣薯2 號’的POD活性變幅高于‘麗薯6 號’，但不顯著。說明在干旱脅迫下，‘會-2’與‘合作88’葉內(nèi)能夠維持較高的POD 活性，去除活性氧自由基，保護葉內(nèi)細胞不受傷害，‘麗薯6 號’能力最弱。

在干旱脅迫下，4 個馬鈴薯品種的CAT 活性均較CK 增加（表3），說明干旱脅迫使植株體內(nèi)活性氧清除劑CAT 活性增加，以維持活性氧的代謝動態(tài)平衡，使膜結(jié)構(gòu)免受或少受活性氧的傷害，一定程度上增強了植物在忍受、抵抗干旱脅迫的能力，但不同品種的CAT 活性增幅不同。將4 個馬鈴薯品種CAT 活性變幅進行方差分析，‘會-2’的CAT 活性增幅最大，顯著高于‘麗薯6 號’，‘宣薯2 號’、‘合作88’的CAT 活性增幅高于‘麗薯6號’，但不顯著。說明在干旱脅迫下，‘會-2’的葉片細胞膜結(jié)構(gòu)受損程度最小，能更好的抵御干旱，‘宣薯2 號’與‘合作88’次之，‘麗薯6 號’葉內(nèi)細胞膜膜保護結(jié)構(gòu)受損較嚴(yán)重。

表2 4個馬鈴薯品種脯氨酸與可溶性蛋白含量比較Table 2 Comparison on proline and soluble protein contents of four potato varieties

2.4 干旱脅迫對4個馬鈴薯品種MDA含量的影響

在干旱脅迫下，4個馬鈴薯品種的MDA含量均較CK增加（表4），說明干旱脅迫使植株葉內(nèi)的膜系統(tǒng)受損，但不同品種受傷程度不同。在干旱脅迫下，‘合作88’、‘麗薯6號’、‘宣薯2號’和‘會-2’的MDA 增幅分別是191.11%、226.67%、66.67%和58.33%。經(jīng)方差分析，4個馬鈴薯品種間MDA含量增幅存在差異，其中，‘合作88’和‘麗薯6 號’的MDA含量變幅顯著高于‘宣薯2號’和‘會-2’，說明在干旱脅迫下，‘會-2’與‘宣薯2號’的葉片膜系統(tǒng)受損程度較小，‘合作88’與‘麗薯6號’葉內(nèi)膜系統(tǒng)受傷較嚴(yán)重。

表3 4個馬鈴薯品種SOD、POD、CAT活性比較Table 3 Comparison on SOD, POD and CAT activityies of four potato varieties

表4 4個馬鈴薯品種MDA含量比較Table 4 Comparison on MDA content of four potato varieties

2.5 模糊隸屬函數(shù)法對4個馬鈴薯品種的抗旱性綜合評價

馬鈴薯品種的抗旱性是一種復(fù)雜的遺傳、生理、代謝反應(yīng)，單一指標(biāo)去鑒定馬鈴薯品種的抗旱性較局限，因此利用模糊隸屬函數(shù)法對各馬鈴薯品種進行綜合、客觀的評價。結(jié)合各生理生化指標(biāo)變幅對馬鈴薯品種進行抗旱性評價，模糊隸屬函數(shù)值越高，品種的抗旱性越強。由表5 可知，4 個馬鈴薯品種各項生理生化指標(biāo)的隸屬函數(shù)平均值從大到小順序依次排列為：‘會-2’＞‘宣薯2 號’＞‘合作88’＞‘麗薯6 號’。

3 討 論

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累是植物御旱的一種重要方式。但現(xiàn)今對干旱脅迫下，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量的研究依然存在矛盾。賈瓊[20]研究認為干旱脅迫下，脯氨酸含量積累是一種生理現(xiàn)象，僅能將該指標(biāo)作為脅迫傷害指標(biāo)，但據(jù)田豐等[21]研究報道認為，脯氨酸含量積累可作為鑒定品種抗旱性的指標(biāo)，且變幅越大，品種抗旱性越強。李波等[22]研究干旱脅迫對苜蓿脯氨酸累積的影響時發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫時間長短是影響脯氨酸積累的重要因素。本研究認為，干旱脅迫下冬播馬鈴薯葉內(nèi)脯氨酸含量較CK 增加，干旱脅迫對馬鈴薯葉片的脯氨酸積累有影響；而對相同處理的不同品種間脯氨酸變幅進行比較，差異不顯著，故認為脯氨酸積累的量與4 個馬鈴薯品種抗旱性的相關(guān)性不顯著；脯氨酸含量變幅在一定程度上反映了馬鈴薯植株葉片對干旱脅迫的忍耐和適應(yīng)能力，與李波等[22]研究結(jié)論一致。據(jù)劉玲玲等[23]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下可溶性蛋白含量占對照（正常澆水）可溶性蛋白含量的百分率與品種抗旱性呈極顯著相關(guān)關(guān)系，但賈瓊[20]認為，可溶性蛋白含量變化與品種抗旱性的相關(guān)性不顯著。本試驗研究表明，在干旱脅迫下，其品種抗旱性越強，馬鈴薯可溶性蛋白含量增幅越大，馬鈴薯植株葉內(nèi)的可溶性蛋白含量的增加，對其適應(yīng)干旱環(huán)境有積極作用，與李建武[24]的觀點一致。

表5 各馬鈴薯品種的隸屬函數(shù)值Table 5 Subordinate function values of four potato varieties

SOD、POD 和CAT 是保護細胞以抵御干旱脅迫的重要保護酶，SOD、POD 共同作用是減輕或消除因干旱引起的活性氧與自由基等對植物生長發(fā)育的不良影響，以增強馬鈴薯植株自身的抗旱能力，適應(yīng)逆境[7,25]。姜慧芳和任小平[25]對干旱脅迫下花生葉片SOD 和POD 活性的研究認為，在干旱脅迫下，植物葉內(nèi)SOD、POD 活性較CK 增加，且抗旱性越強，其增幅越大。賈瓊[20]研究認為，在干旱脅迫下，SOD 活性較CK 增加，但SOD活性變幅與品種抗旱性無明顯規(guī)律；而李建武等[26]研究認為，在重度干旱脅迫下，SOD 活性較CK降低。宋志榮[27]研究認為，干旱脅迫使馬鈴薯植株葉內(nèi)SOD 活性增加，且增幅越大，品種的抗旱性越強，與本試驗研究結(jié)果相一致，與李建武[24]、賈瓊[20]的研究結(jié)果不一致。覃鵬等[28]通過不同方式干旱脅迫試驗，認為試管苗干旱脅迫下，POD活性較CK 增加，但盆栽試驗中，POD 活性較CK降低。本研究認為，在干旱脅迫下，POD 活性較CK 增加，但不同品種增幅不同，增幅越大，品種抗旱性越強，這與宋志榮[27]研究結(jié)果相一致，但與李建武[24]以及李建武等[26]研究結(jié)果不一致。在干旱脅迫下，CAT 活性清除過氧化氫，將有毒物質(zhì)分解為水和氧氣，避免過氧化氫與氧自由基在鐵螯合物作用下反應(yīng)生成非常有害的羥自由基[29]，因此，在逆境下的植物葉片內(nèi)的MDA 的含量變化可作為抗旱指標(biāo)之一。本試驗中干旱脅迫下的CAT 活性較CK 增加，且增幅越大，抗旱性越強，該結(jié)論與張武[30]研究結(jié)果相一致。由干旱脅迫引起的膜脂過氧化產(chǎn)物MDA，是具有細胞毒性的物質(zhì)，趙海超等[31]、穆懷彬等[32]通過研究認為，在干旱脅迫下，抗旱性強的品種MDA 含量增幅較少，反之亦然，這與本試驗中研究結(jié)果相一致。

綜上所述，‘會-2’在可溶性蛋白及CAT 活性指標(biāo)中，表現(xiàn)出較好的滲透調(diào)節(jié)能力與抗氧化能力，干旱脅迫所引起的膜脂過氧化產(chǎn)物MDA 含量也相對較少?！? 號’在可溶性蛋白含量增幅高于‘合作88’，MDA 含量顯著低于‘合作88’?！愂? 號’的可溶性蛋白含量和POD 活性及CAT活性增幅低于其他3 個品種。本研究中為避免對馬鈴薯各品種單一指標(biāo)抗旱性分析比對的片面性，結(jié)合模糊隸屬函數(shù)評價鑒定，全面揭示各品種對干旱適應(yīng)的綜合能力。研究發(fā)現(xiàn)，不同品種對干旱的響應(yīng)不同，抗旱性強的品種不具備全部的生理生化指標(biāo)都體現(xiàn)出該品種的抗旱特性，如‘會-2’的大多指標(biāo)維持較高水平，但個別指標(biāo)低于‘宣薯2 號’、‘合作88’及‘麗薯6 號’，綜合各指標(biāo)及模糊隸屬函數(shù)評價結(jié)果更真實可靠。4 個馬鈴薯品種抗旱性由強到弱依次是：‘會-2’＞‘宣薯2 號’＞‘合作88’＞‘麗薯6 號’。

通過對干旱脅迫下馬鈴薯現(xiàn)蕾期各生理生化指標(biāo)的分析，發(fā)現(xiàn)4 個馬鈴薯品種抗旱性由強到弱依次是：‘會-2’＞‘宣薯2 號’＞‘合作88’＞‘麗薯6 號’。在重度干旱脅迫下，馬鈴薯生理生化水平的變化與品種的抗旱性密切相關(guān)。