薏苡抗旱的研究進(jìn)展

彭方麗， 羅永露， 汪 燦， 周棱波， 張國兵， 邵明波*，王 麗

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 旱糧研究所， 貴州 貴陽 550006； 2.麻江縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，貴州 麻江 557600)

薏苡(Coxilacryma-jobiL.)又名薏苡仁、薏仁米，屬禾本科薏苡屬一年生或多年生草本植物，是我國傳統(tǒng)藥食兼用小雜糧作物，具有很高的營養(yǎng)和藥用價值[1-8]。目前，貴州省薏苡種植面積及產(chǎn)量均位居全國第一，已成為貴州省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整重要的特色經(jīng)濟(jì)作物[1-3]。隨著全球氣候的變暖等現(xiàn)象的出現(xiàn)，干旱已成為制約全世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要問題之一，更是影響薏苡生產(chǎn)的重要非生物脅迫因素[1]。貴州省降雨量豐富，但分布不均，加上喀斯特山區(qū)的土壤保水能力較差，導(dǎo)致薏苡在生產(chǎn)上容易發(fā)生春旱和伏旱[1-3]。薏苡研究起步較晚，研究基礎(chǔ)較為薄弱，目前國內(nèi)關(guān)于薏苡抗旱的研究較少，在貴州省大力開展農(nóng)村產(chǎn)業(yè)革命和500畝以上壩區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的契機下，開展薏苡抗旱相關(guān)研究對提高其抗逆性和增加產(chǎn)量具有重要意義。筆者對薏苡抗旱性鑒定、干旱對薏苡生長發(fā)育的影響、干旱對薏苡生理的影響等方面進(jìn)行綜述，旨在了解薏苡抗旱研究進(jìn)展，為今后的抗旱品種選育、抗旱栽培等提供理論依據(jù)，為貴州省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及薏苡產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供參考。

1 薏苡抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選

作物抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選需將農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量等指標(biāo)相結(jié)合，對各生育期進(jìn)行綜合評價，評價指標(biāo)及其篩選方法的合理選擇是作物抗旱性鑒定的關(guān)鍵[1-6]。目前，關(guān)于薏苡抗旱性鑒定評價研究較少，主要由貴州省旱糧研究所團(tuán)隊進(jìn)行了較為深入全面的研究。薏苡抗旱性鑒定主要通過萌發(fā)期、苗期及成株期3個時期的生長發(fā)育指標(biāo)來進(jìn)行綜合評價[1-3]。

張國兵等[5-6]對薏苡品種萌發(fā)期、苗期和成株期的抗旱性進(jìn)行綜合評價，將萌發(fā)期、苗期、成株期抗旱等級均分為5個等級，選擇相對發(fā)芽率大于70%的品種參加苗期鑒定，選擇幼苗干旱存活率大于60%的品種參加成株期鑒定，最后根據(jù)不同抗旱級別的劃分選擇抗旱系數(shù)大于0.8的品種即得到高度抗旱薏苡品種。陳寧等[9]采用高滲透性能的不同濃度PEG-6000作為水分脅迫劑，研究對9個薏苡品種萌發(fā)的影響，表明不同薏苡品種在抗旱性上存在明顯差異，萌發(fā)抗旱指數(shù)高的品種在水分脅迫下仍保持著較高的根長脅迫指數(shù)、發(fā)芽勢和發(fā)芽率。認(rèn)為發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長脅迫指數(shù)與萌發(fā)抗旱指數(shù)可作為薏苡品種萌芽期的抗旱性鑒定指標(biāo)。

汪燦等[1-4]以50份薏苡種質(zhì)為材料，分別在萌發(fā)期、苗期、成株期進(jìn)行了抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選。萌發(fā)期首先以抗旱性不同的6份薏苡種質(zhì)為材料，通過調(diào)查5個不同濃度的PEG-6000水溶液模擬干旱脅迫下的發(fā)芽率，確定了薏苡萌發(fā)期模擬干旱脅迫的最適PEG-6000水溶液滲透勢為-0.1 MPa。然后以-0.1MPa的PEG-6000水溶液模擬干旱脅迫，測定50份薏苡種質(zhì)發(fā)芽勢、發(fā)芽率、萌發(fā)指數(shù)、芽長、芽粗、芽鮮重、芽干重、根長、根粗、根鮮重和根干重的變化，表明干旱脅迫對薏苡萌發(fā)期各指標(biāo)均有極顯著影響。篩選出萌發(fā)期抗旱性強的薏苡種質(zhì)分別為貴州興仁地方品種yy18-1、四川地方品種yy14-3 和野生種yy13-1，芽長、芽干重、根長、根鮮重和根干重可作為薏苡種質(zhì)資源萌發(fā)期簡單、直觀的抗旱性評價指標(biāo)。該團(tuán)隊在苗期和成株期設(shè)置正常供水和反復(fù)干旱2個處理，在旱棚內(nèi)進(jìn)行盆栽試驗。苗期測定存活率、株高、莖粗、葉長、葉寬、地上部鮮重、地上部干重、根長、根粗、根鮮重和根干重；成株期測定株高、莖粗、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、分蘗數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、千粒重和產(chǎn)量，采用旱性度量值(D 值)、綜合抗旱系數(shù)(CDC 值)、加權(quán)抗旱系數(shù)(WDC)、相關(guān)分析、頻次分析、主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析和逐步回歸分析相結(jié)合的方法，對50份薏苡種質(zhì)進(jìn)行苗期抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選。篩選出苗期抗旱性強的薏苡種質(zhì)為興仁地方品種yy18-1、四川地方品種yy14-3 和野生種yy13-1；成株期抗旱性強的薏苡種質(zhì)有興仁地方品種yy18-1、晴隆地方品種yy03-8 和粱豐薏14-2；可作為薏苡抗旱育種、抗旱機理及干旱調(diào)控緩解機制研究材料。表明幼苗存活率、株高、葉寬、根長和根鮮重可作為評價薏苡種質(zhì)資源苗期抗旱性的指標(biāo)性狀；分蘗數(shù)、單株粒重和千粒重可作為薏苡種質(zhì)資源成株期抗旱性評價的直觀指標(biāo)。

2 干旱脅迫對薏苡不同時期生長發(fā)育的影響

汪燦等[4]以抗旱性強的品種yy18-1和抗旱性弱的品種yy12-7為材料，以5個不同濃度的PEG-6000作為水分脅迫劑，探究干旱脅迫對薏苡的響應(yīng)。表明，隨著PEG-6000溶液滲透勢的降低，種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、根苗長度、根苗直徑、根苗鮮重、根苗干重和幼苗相對含水量均降低。種子萌發(fā)期是作物生長發(fā)育過程的關(guān)鍵階段，也是鑒定作物抗旱性強弱的重要時期，直接關(guān)系到出苗的整齊度[10-11]。黃玉蘭等[12]以薏遼5號為材料，研究S3307對干旱脅迫下薏苡種子萌發(fā)的影響，干旱脅迫下種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及胚根干重均呈下降趨勢。S3307 浸種12 h 后，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)呈下降趨勢，但活力指數(shù)和胚根干重呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，表明一定濃度的S3307 能夠提高干旱脅迫下種子的活力指數(shù)和胚根干重，為薏苡萌發(fā)期抗旱性機理研究提供一定的理論參考。王澤等[13-14]通過測定薏苡種子的凈度、千粒重、吸水性、發(fā)芽率和發(fā)芽勢等指標(biāo)，研究干旱脅迫對其種子習(xí)性及生長狀況的影響，發(fā)現(xiàn)水分對薏苡的株高和節(jié)數(shù)存在較大影響，薏苡的耗水量表現(xiàn)出前期小、中期大、后期小的變化趨勢。敖茂宏等[7]采用盆栽干旱脅迫處理，通過測定綠葉面積、粒灌漿時間、線性灌漿速度、籽粒百粒重、單株有效穗數(shù)、單穗穗粒數(shù)、結(jié)實率、單株產(chǎn)量等指標(biāo)得出，干旱脅迫導(dǎo)致薏苡籽粒線性灌漿速度下降和灌漿持續(xù)時間縮短，造成籽粒單粒重下降。干旱脅迫的植株，其子粒灌漿持續(xù)時間縮短4～9 d。干旱脅迫使薏苡分蘗、單株有效穗數(shù)均減小，單株穗粒數(shù)降低。敖茂宏[7]認(rèn)為干旱脅迫對單株有效穗數(shù)及單株有效穗粒數(shù)的危害程度為開花期>孕穗期>灌漿期，但相比之下，中度干旱脅迫對薏苡生長發(fā)育和產(chǎn)量影響最大；此外，干旱脅迫具有雙重性，雖然干旱脅迫導(dǎo)致籽粒產(chǎn)量降低，但同時提高了籽粒的蛋白質(zhì)、脂肪等有效養(yǎng)分含量。方子松等[15]研究了云南薏苡新品種在不同生育時期干旱脅迫對其形態(tài)指標(biāo)的影響，表明文薏4號和文薏5號的株高在苗期受干旱脅迫影響較大，而莖粗在苗期和拔節(jié)期均受干旱脅迫影響較大；薏苡不同時期抗旱性強弱為拔節(jié)期>苗期>分蘗期。因此，根據(jù)干旱對不同生長時期形態(tài)指標(biāo)的影響表現(xiàn)，可得出在薏苡不同生長時期進(jìn)行水分調(diào)控可作為薏苡栽培管理的重要技術(shù)措施。此外，對薏苡苗期干旱脅迫后相關(guān)性狀變化趨勢進(jìn)行分析，也有助于確立準(zhǔn)確可行的抗旱性鑒定指標(biāo)，對抗旱優(yōu)良品種的選育有參考意義。

3 干旱脅迫對薏苡抗旱生理的影響

植物在受到干旱脅迫時，光合作用、呼吸作用、滲透調(diào)節(jié)、抗氧化反應(yīng)等生理生化過程都會受到影響，嚴(yán)重時會導(dǎo)致生長緩慢，葉片枯萎變黃，進(jìn)而造成產(chǎn)量下降，此時植物便會通過生理反應(yīng)調(diào)節(jié)、抵御、并適應(yīng)不良環(huán)境[16-17]。目前，薏苡對干旱脅迫條件響應(yīng)的調(diào)節(jié)機制研究主要停留在滲透調(diào)節(jié)、光合作用和抗氧化系統(tǒng)等細(xì)胞水平上，對于分子水平等深入的研究報道較少。

干旱條件下，植株為了維持正常的滲透壓、穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)以及減小干旱脅迫對自身的傷害，會累積一些如脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等有效的滲透調(diào)節(jié)劑[16-17]。方子松等[15]采取盆栽的方法，以正常澆水為對照，測定文薏4號、文薏5號分別在苗期、分蘗期和拔節(jié)期干旱脅迫后的蛋白質(zhì)、可溶性糖、葉綠素含量和相對電導(dǎo)率等生理指標(biāo)。結(jié)果表明不同品種在干旱脅迫下生理生化表現(xiàn)不同，文薏5號的相對電導(dǎo)率、蛋白質(zhì)和可溶性糖含量增加較多，葉綠素含量減少較多，說明文薏5號受干旱脅迫影響較大。王澤等[14]通過試驗得出不同供水處理下可溶性蛋白含量無顯著性差異，但薏苡水分缺乏時類胡蘿卜素的含量相對較多。正常供水處理時葉綠素含量最多，無顯著性差異。馬堯等[18]用0.1 mol/L NaCl浸泡種子，得出萌發(fā)期幼苗在干旱脅迫下葉片積累蛋白質(zhì)和游離脯氨酸，抗性增強。在干旱條件下，隨著脅迫的加強，正常和鹽脅迫幼苗脯氨酸和蛋白質(zhì)含量均上升、含水量均下降。當(dāng)干旱第7天時，幼苗正常和干旱脅迫狀態(tài)下含水量降至16.26%、14.63%時，蛋白質(zhì)和脯氨酸含量下降，幼苗已受到不同程度的傷害，抗性降低。馬堯等[19]利用水浸泡薏苡24 h后萌發(fā)4 d后移播在石英砂盤中，待幼苗長出3片真葉取下分別置于干旱(常溫、無水分供應(yīng))條件生長，并以正常幼苗作對照。結(jié)果表明在干旱脅迫下，薏苡幼苗的電解質(zhì)滲漏率均明顯增加，隨著脅迫時間的延長，葉片的電導(dǎo)率迅速上升。在干旱脅迫下，隨著脅迫時間的延長，幼苗體內(nèi)含水量逐漸下降，葉片的脯氨酸含量迅速提高，4 h后提高最快，對脅迫有一定抗性。

光合作用是植株生長發(fā)育的基礎(chǔ)，植物在干旱條件下，通常是首先關(guān)閉氣孔減少蒸騰作用，阻止CO2進(jìn)入，通過氣孔和非氣孔限制因素抑制植物的光合作用[16-22]。干旱后明顯降低薏苡的光合速率。敖茂宏等[7]通過研究得出由于干旱脅迫的發(fā)生，薏苡植株的莖、葉水分狀況明顯低于對照組，在不同干旱脅迫時期，植株各部分的鮮重含水量、干重含水量及相對含水量均比對照小。干旱脅迫導(dǎo)致葉片的正常生理活動受到不同程度的影響，同一品種在不同階段曾受到干旱脅迫的影響，相對于對照其葉凈同化率下降、比葉重減少、葉綠素含量降低、氣孔阻力增加，蒸騰速率下降、葉面積減少。王澤等[13]采用盆栽模擬控水法研究干旱脅迫對薏苡光合特性的影響，采用盆栽法在薏苡生長季節(jié)設(shè)3種水分處理(重度干旱312 mm、輕度干旱468 mm、正常供水624 mm)，研究干旱脅迫對薏苡凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率、氣孔限制值和水分利用率日變化的影響。結(jié)果表明，隨著水分的降低，凈光合速率也隨之降低，重度干旱時薏苡出現(xiàn)了光合午休現(xiàn)象，表明干旱顯著降低了薏苡的光合能力。而輕度干旱和正常供水處理中薏苡未表現(xiàn)出光合午休現(xiàn)象，反而隨著溫度的升高凈光合速率升高，認(rèn)為是由于薏苡屬于C4類植物并且水分達(dá)到了光合作用的要求導(dǎo)致，因此通過調(diào)控土壤水分促使蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度向有利于提高植物光合速率方向變化是提高薏苡凈光合速率的有效措施。

在干旱等逆境條件下，活性氧常會對植物細(xì)胞產(chǎn)生氧化脅迫作用，植物抗氧化系統(tǒng)賦予植物體以清除活性氧的能力，以減輕或避免活性氧對細(xì)胞造成的傷害[21-23]。汪燦等[4]以抗旱性強的品種yy18-1和抗旱性弱的品種yy12-7為材料，以-0.1 MPa滲透勢為干旱脅迫劑模擬干旱對薏苡的影響，結(jié)果表明隨著PEG-6000溶液滲透勢的降低，幼苗體內(nèi)過氧化氫(H2O2)、丙二醛(MDA)和脯氨酸含量增加。幼苗過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)活性隨PEG-6000溶液滲透勢的降低先升高后降低。脯氨酸含量和POD、CAT活性是維持薏苡苗抗旱性的重要機制。王澤等[14]通過測定不同干旱處理下的超氧化歧化酶活性、過氧化物酶活性、過氧化氫酶活性以及可溶性蛋白含量等生理生化指標(biāo)，得出正常供水處理的薏苡SOD 活性最小，有顯著差異。水分缺乏時，SOD活性更大，重度缺水時，薏苡的POD活性最大，供水充足時，活性相對減小，無顯著差異；重度缺水時，薏苡的CAT活性最大，其次是輕度干旱和正常供水時最小，無顯著差異。烯效唑作為一種廣譜性高效植物生長調(diào)節(jié)劑，兼有殺菌和除草作用[24]。向君亮等[25]研究表明，在干旱脅迫下，烯效唑可顯著降低薏苡株高和根長，增加莖粗和根冠比，同時提高薏苡葉片和根系的抗氧化酶活性，降低其活性氧含量，進(jìn)而緩解干旱脅迫下薏苡膜脂過氧化膜的損傷，具有良好壯苗作用。路獻(xiàn)勇等[20]研究表明，土壤水分含量下降對不同薏苡品種分蘗期的葉綠素含量及POD活性存在影響，在土壤水分含水量達(dá)最大毛管持水量的70%時，POD活性及植株生長明顯，MDA含量則隨水分含量減少而下降。

4 展望

目前有關(guān)薏苡功能基因組及基因分子水平等方面研究十分缺乏[26-29]。據(jù)查閱文獻(xiàn)顯示，僅有李文艷等[26]為了全面獲得和發(fā)掘薏苡的基因數(shù)據(jù)、功能信息以及潛在的SSR標(biāo)記，采用PacBioSequel TM第3代測序平臺對干旱脅迫下薏苡苗期葉片進(jìn)行全長轉(zhuǎn)錄組測序與分析，獲得總計98 858條非冗余的高質(zhì)量獨立基因，其平均長度為2 318 bp，1 kb 以上獨立基因占91.74%。KEGG代謝通路分析表明，30 579個獨立基因被注釋到133條已知代謝通路，其中，1 884條獨立基因涉及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和環(huán)境適應(yīng)途徑，包括植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑、MAPK 信號途徑和植物-病原互作信號途徑，上述代謝通路或途徑均與植物響應(yīng)干旱等逆境脅迫相關(guān)。研究結(jié)果將為薏苡耐旱等抗逆基因發(fā)掘與克隆、抗逆分子生理機制解析以及分子標(biāo)記開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)和理論參考。

目前關(guān)于薏苡抗旱研究主要集中在薏苡材料和品種的抗旱性鑒定和干旱對生長發(fā)育的影響兩方面。薏苡抗旱栽培模式和抗旱基因表達(dá)等方面研究較為缺乏，鮮少見報道。干旱對薏苡生長發(fā)育形態(tài)及生理指標(biāo)的影響變化有助于研究薏苡的抗旱能力，進(jìn)一步加強對薏苡生理指標(biāo)的系統(tǒng)研究，對薏苡抗旱育種、抗旱機理及干旱調(diào)控緩解機制的研究具有重要意義[30]。今后應(yīng)主要從選育抗旱品種和改進(jìn)栽培模式等方面來進(jìn)行有針對性的研究[31-33]。一是選育抗旱品種，根據(jù)現(xiàn)有研究基礎(chǔ)，將傳統(tǒng)育種方法和現(xiàn)代生物育種方法相結(jié)合，通過分子標(biāo)記、功能基因等現(xiàn)代生物技術(shù)，選育抗旱薏苡新品種。二是改進(jìn)耕作栽培模式，在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，根據(jù)薏苡在干旱條件下的表現(xiàn)，通過水肥等外源調(diào)控、栽培模式改進(jìn)等提高薏苡植株的保水能力，提高薏苡在干旱脅迫下的耐受性。