抗旱型高粱開花前期和后期應(yīng)對水分虧缺的生理調(diào)節(jié)研究

王艷秋，張飛，朱凱，盧峰，鄒劍秋，張志鵬

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高梁研究所，遼寧沈陽110161）

高粱是我國重要的釀酒原料和糧飼作物，在我國農(nóng)業(yè)種植業(yè)調(diào)整中具有重要作用［1，2］。由于高粱具有抗旱、耐澇、耐鹽堿、抗瘠薄等多重抗性，因此高粱常被種植在邊際土地上，尤其是一些山地種植較多，這些土地經(jīng)常遭遇階段性干旱［3］。因此，如何選擇和選育抗旱性高粱材料是應(yīng)對高粱抗旱生產(chǎn)問題的有效途徑。

高粱抗旱種質(zhì)遼粘R-6 是一個(gè)苗期極抗旱型的高粱種質(zhì)，2016 年沈陽地區(qū)遭遇苗期干旱，2 000余份材料均遭遇不同程度的干旱損傷，唯有該材料幼苗生長旺盛，持綠性極高。近幾來，通過抗旱棚、盆栽等多種方式的多重篩選和表型鑒定，進(jìn)一步確定了該高粱種質(zhì)苗期極具抗旱性。但開花前期和開花后期階段也是高粱產(chǎn)量形成的關(guān)鍵時(shí)期，而遼粘R-6 在這一生長階植株遭遇干旱時(shí)株高、莖穗柄長度以及穗長等生物學(xué)性狀均較正常供水變化很小，體現(xiàn)出一定的表型抗旱性，但其內(nèi)在的生理抗旱性仍不明晰。在生理抗旱評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)方面，學(xué)者們普遍認(rèn)為根系和葉片的相對含水量、葉片葉綠素含量、光合能力和抗氧化酶活性等是高粱抗旱性評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，并初步將這一階段的高粱抗旱性分為5 級（很強(qiáng)、強(qiáng)、中等、弱、很弱）。有研究表明，作物的抗旱型與植株維持器官含水量的穩(wěn)定密切相關(guān)［4，5］；也有報(bào)道土壤水分虧缺會造成作物葉片葉綠素合成受阻、分解加快，進(jìn)而影響光合物質(zhì)生產(chǎn)［6］；另外，相關(guān)學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫會造成作物生理代謝，如抗氧化系統(tǒng)、滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)、離子代謝等發(fā)生紊亂［7，8］。

本研究以抗旱型高粱遼粘R-6 和不抗旱型高粱遼3518R 為材料，對開花前和開花后期遭遇干旱脅迫后的器官相對含水量、葉綠素、光合參數(shù)、抗氧化參數(shù)、滲透調(diào)節(jié)指標(biāo)及產(chǎn)量等進(jìn)行了測定與分析，旨在評價(jià)遼粘R-6 開花前后階段的抗旱性和內(nèi)在作用機(jī)理，為高粱抗旱育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為抗旱型高粱遼粘R-6 和不抗旱型高粱遼3518R，2 個(gè)材料株高生物量、生育期等特性均相近，但抗旱性差異明顯。2 材料均由遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院高粱研究所選育。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018 年5-9 月在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院移動抗旱棚中進(jìn)行，采用盆栽方式，盆大小為直徑40 cm×高20 cm，盆內(nèi)裝等量壤土，土壤養(yǎng)分含量為：全氮0.14%、全磷0.12%、全鉀2.26%、水解性氮 6.11 mg·kg-1、有 效 磷 13.08 mg·kg-1、有 效 鉀142.50 mg·kg-1、pH 值 6.9。試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。

播種后60 d 開始水分脅迫處理，此時(shí)高粱營養(yǎng)生長基本完成，不同處理間高粱植株的生物量差異很小，因此采用稱重法控制土壤含水量，每天下午15：00 補(bǔ)水1 次。設(shè)5 個(gè)水分處理，分別為：（1）設(shè)正常供水處理，即對照，以下簡稱ST（CK），即水分含量為30%；（2）干旱脅迫處理，土壤水分含量為26%、22%、18%、14%四個(gè)處理（以下分別簡稱 ST1、ST2、ST3、ST4）。每處理 5 盆，每盆均勻播種8 粒種子，出苗后留苗3 株。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系、地上部相對含水量

干旱脅迫后分別在開花前7 d、開花前14 d、開花后7 d 和開花后14 d 每處理選取具有代表性的植株3 株將其根系與地上部分分離，分別測定根系和地上部相對含水量。將根系（用清水沖凈，風(fēng)干表面水分）和地上部分別稱鮮重，之后用烘箱105 ℃殺青，用60 ℃烘48 h，直至恒重，記錄干重，計(jì)算根系和地上部相對含水量。相對含水量/%=（鮮重-干重）/鮮重×100。

1.3.2 葉綠素含量

分別在開花前7 d、開花前14 d、開花后7 d 和14 d 每處理選取具有代表性的植株5 株，采用SPAD-502 葉綠素儀測定葉綠素含量，測定部位為倒二片葉。

1.3.3 光合參數(shù)

干旱脅迫后，分別在開花前7 d、開花前14 d、開花后7 d 和開花后14 d 每處理選取具有代表性的植株3 株進(jìn)行光合參數(shù)測定。采用美國LICOR 公司生產(chǎn)的LI-6400 型光合儀，設(shè)置紅藍(lán)光源 ，PAR 為 1 000 μmol·m-2·s-1，測 定 時(shí) 間 為 上 午9：30-11：30 時(shí)測定凈光合速率（Pn），同步探測記錄氣孔導(dǎo)度（Gs）、胞間 CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）。

1.3.4 生理指標(biāo)

分別在開花前7 d、開花前14 d、開花后7 d 和開花后14 d 取葉片測定抗壞血酸過氧化物酶（Ascorbate Peroxidase，APX）、過氧化氫酶（Catalase，CAT）、丙二醛（Malondialdehyde，MDA）、超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（Peroxidase，POD）、和超氧陰離子自由基（Superoxide radicals，O2·-）等抗氧化指標(biāo)，同時(shí)測定游離氨基酸、脯氨酸、還原性糖、可溶性蛋白、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)指標(biāo)，均采用張憲政（1992）［8］的方法進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2003 和DPS v7.50 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分虧缺條件下的器官相對含水量變化

抗旱型高粱和不抗旱型高粱在水分虧缺下根系和葉片的相對含水量存在顯著差異（表1）?？傮w上看，花前處理對根系和葉片的相對含水量影響更大，抗旱型高粱根系相對含水量干旱處理下降低幅度明顯低于不抗旱型高粱。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明：水分處理間花前14 d 根系差異顯著性最大（F 值=440.2**），花前 7 d 次之（F 值=230.2**），均明顯高于花后處理；葉片相對含水量總體上略高于根系，但在水分處理間的變化趨勢與根系基本一致，也表現(xiàn)為花前 14 d 最大（F 值=302.5**），花前 7 d 次之（F 值=92.1*），高于花后處理的根系和葉片。說明就相對含水量而言，花前干旱處理較花后干旱處理對高粱的影響更大。

另外，不同品種間（VF）統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明抗旱型高粱根系和葉片相對含水量在干旱處理下均顯著高于不抗旱型高粱，且尤其在花前對干旱敏感時(shí)期差異幅度更大。說明抗旱型高粱在遭遇干旱逆境時(shí)，具有較好的根系和葉片相對含水量保持能力，以增強(qiáng)其對干旱逆境的適應(yīng)性。同時(shí)，水分和品系間也普遍存在顯著的互作效應(yīng)。

表1 抗旱型高粱水分虧缺下根系和葉片相對含水量的變化Table 1 Variation of relative water content in roots and leaves of sorghum varieties under different soil water deficit conditions

2.2 抗旱型高粱對水分虧缺下的葉綠素變化

由表2 可見，抗旱型高粱和不抗旱型高粱在水分虧缺下葉綠素含量差異較大。在不同土壤水分處理間，隨著干旱程度的增加不抗旱型高粱葉綠素含量下降明顯，而抗旱型高粱與不抗旱型高粱下降幅度較小，無論是花前還是花后干旱處理，其葉綠素最低值仍可達(dá)52.74 SPAD，花前7 d、花前14 d、花后7 d 和花后14 d 的平均值僅比對照處理下降13.5%；而不抗旱型高粱在ST4 干旱處理下花前 7 d、花前 14 d、花后 7 d 和花后 14 d 的葉綠素含 量 分 別 下 降 至 31.44、27.15、37.93、43.42 SPAD，平均值比對照下降44.1%。說明抗旱型高粱在葉綠素調(diào)節(jié)方面對干旱逆境具有較好的調(diào)節(jié)能力。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示花后干旱對葉綠素的影響更大，花后 14 d（F 值=172.3**）和花前 14 d（F 值=116.8**）差異更大，水分×品系在這 2 個(gè)處理下也存在著顯著的互作效應(yīng)。

2.3 抗旱型高粱應(yīng)對水分虧缺的光合參數(shù)調(diào)節(jié)

鑒于不同水分處理間和不同類型品種在花前14 d 和花后14 d 葉綠素含量差異較大，對其凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率進(jìn)行了測定與分析（表3）。研究發(fā)現(xiàn)花前處理對葉片凈光合速率影響較大，干旱處理會造成葉片凈光合速率顯著下降，伴隨氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率下降和胞間CO2濃度的提高。但是抗旱型高粱凈光合速率下降幅度很小，低于不抗旱型高粱。在凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率4 個(gè)參數(shù)中，氣孔導(dǎo)度的 F 值（花前 14 d F 值=152.6**，花后14 d F 值=204.1**）最高，說明氣孔導(dǎo)度是干旱調(diào)節(jié)中最為活躍的光合參數(shù)指標(biāo)，抗旱材料在干旱條件下保持較高的氣孔導(dǎo)度是其具有較強(qiáng)抗旱性的重要特征。

2.4 抗旱型高粱應(yīng)對水分虧缺的抗氧化參數(shù)調(diào)節(jié)

干旱處理下高粱葉片相對含水量、葉綠素和凈光合速率含量均有所下降，為進(jìn)一步分析其內(nèi)在生理原因，對葉片的抗氧化參數(shù)APX、SOD、CAT、POD、MDA 和 O2·-進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明：不同土壤水分處理間 O2·-（F 值=287.4**）顯著性最強(qiáng)，不同品種類型間MDA（F 值=613.4**）、SOD（F 值 =505.6**）和 O2·-（F 值 =402.3**）顯著性最強(qiáng)，說明抗旱型高粱可主要通過對MDA、SOD 和O2·-的調(diào)節(jié)來維持干旱逆境下的機(jī)體平衡，而O2·-的調(diào)節(jié)使其抗旱型材料具有抗旱性的關(guān)鍵所在。此外，水分、品系和不同測定時(shí)間也普遍存在顯著的互作效應(yīng)，說明抗氧化參數(shù)的調(diào)節(jié)是一個(gè)綜合作用過程，而抗旱型高粱在這一作用過程具有較好的調(diào)節(jié)作用。

表2 抗旱型高粱水分虧缺下葉綠素含量的變化Table 2 Variation of chlorophyll content of sorghum varieties under different soil water deficit conditions

表3 抗旱型高粱水分虧缺下光合參數(shù)的變化Table 3 Variation of photosynthetic parameters of sorghum varieties under different soil water deficit conditions

表4 抗旱型高粱水分虧缺下抗氧化參數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析Table 4 Statistical analysis of antioxidant traits of sorghum varieties under different soil water deficit conditions

2.5 抗旱型高粱應(yīng)對水分虧缺滲透調(diào)節(jié)參數(shù)的變化

花前14 d 和花后14 d 分析結(jié)果表明抗旱型高粱和不抗旱型高粱滲透調(diào)節(jié)參數(shù)差異較大（表5）。游離氨基酸含量、脯氨酸含量、還原糖含量、可溶性蛋白和可溶性糖含量均隨干旱程度的增加有所增大，以增強(qiáng)對干旱逆境的抵御能力，但抗旱材料的增加幅度明顯高于不抗旱材料，尤其是游離氨基酸含量和脯氨酸含量顯著性較大，說明抗旱材料的這2 個(gè)指標(biāo)在遭遇干旱脅迫時(shí)變化活躍，時(shí)其調(diào)節(jié)和適應(yīng)干旱逆境的關(guān)鍵指標(biāo)，同時(shí)這2 個(gè)指標(biāo)不同水分處理和品種類型間也存在較強(qiáng)的互作，進(jìn)一步證實(shí)了上述結(jié)論。

2.6 抗旱型高粱水分虧缺下的產(chǎn)量和千粒重的變化

不同水分處理間和不同類型品種在花前7 d、14 d 和花后7 d、14 d 的產(chǎn)量和千粒重差異較大（表6）。分析可以看出，在對照（CK）條件下抗旱型和不抗旱型高粱材料差異很小，而在干旱條件下不抗旱型高粱材料隨著干旱脅迫程度的增加產(chǎn)量急劇下降，當(dāng) ST4 處理時(shí)，花前 7 d、14 d 和花后 7 d、14 d 產(chǎn)量分別比對照下降22.9%、41.5%、28.8%和37.3%；而抗旱型高粱材料隨著干旱脅迫程度的增加產(chǎn)量下降幅度較小，在ST4 處理時(shí)，花前7 d、14 d 和花后 7 d、14 d 產(chǎn)量僅分別比對照下降0.6%、2.3%、0.5%和3.9%，同時(shí)花前14 d 干旱處理對不抗旱材料影響最大。千粒重的變化趨勢與產(chǎn)量基本一致，但值得注意的是而花后14 d 干旱處理對千粒重影響最大。

3 討論與結(jié)論

干旱是制約我國高粱規(guī)?；彤a(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要非生物因子。本研究研究發(fā)現(xiàn)遼粘R-6 在遭遇干旱逆境時(shí)，可減緩根系和葉片相對含水量的下降，依靠保持較高的持綠性來應(yīng)對干旱逆境。此研究結(jié)果與 Ashraf M 等［9］、Ullah A 等［10］、何秀紅等［11］提出的苗期植株較穩(wěn)定的持水量是其抗旱重要表型特征的結(jié)果基本吻合。本研究還發(fā)現(xiàn)在遭遇干旱條件時(shí)，不抗旱材料光合能力明顯下降，但遼粘R-6 可通過氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率等光合參數(shù)的調(diào)節(jié)增強(qiáng)其抵御干旱脅迫的能力。此研究結(jié)果 與 Rahbarian R 等［12］、Kato M.C 等［13］、Bai J等［14］、蔣菊芳等［15］的研究結(jié)果相一致。但也有研究［16，17］提出干旱與光合速率并非呈完全正相關(guān)，與本研究的結(jié)論略有差異，可能是因?yàn)樽魑锊煌拢部赡芘c水分脅迫程度和脅迫時(shí)期不同有關(guān)。

此外，本研究探究了遼粘R-6 的內(nèi)在生理作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)遼粘 R-6 的超氧陰離子自由基（O2·-）的調(diào)節(jié)對維持干旱逆境下的機(jī)體平衡發(fā)揮著重要作用，游離氨基酸含量和脯氨酸滲透調(diào)在抗旱調(diào)節(jié)中變化活躍。此研究結(jié)果與曹昌林等［18］、楊博等［19］、Dacosta M 等［20］的研究結(jié)果基本一致。綜上所述，遼粘R-6 開花前期和開花后期均具有較好的抗旱性，是一個(gè)優(yōu)良的抗旱種質(zhì)材料，但本文僅對一些基本的生理參數(shù)進(jìn)行了分析，其內(nèi)在抗旱生理代謝機(jī)制和分子機(jī)理還有待于進(jìn)一步深入研究。

表5 抗旱型高粱水分虧缺下抗氧化參數(shù)的變化Table 5 Variation of osmotic parameter of sorghum varieties under different soil water deficit conditions

表6 抗旱型高粱水分虧缺下產(chǎn)量和千粒重的變化Table 6 Variation of thousand-grain weight and grain yield of sorghum varieties under different soil water deficit conditions