外源脫落酸對干旱脅迫下谷子生長及生理特性的影響

張 笑，宋敏麗

(太原師范學(xué)院 生物系，山西 晉中 030619)

谷子是山西的主要糧食作物之一，作為我國旱地可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，具有較強(qiáng)的抗旱性，耐瘠性，適應(yīng)性廣的特點(diǎn)[1]，但干旱對其造成嚴(yán)重的生理脅迫，影響其正常發(fā)育，尤其是在需水量較大的苗期影響更為嚴(yán)重[2].研究表明，在干旱脅迫下谷子發(fā)芽率顯著下降，苗期葉片相對含水量明顯低于正常灌水處理[3,4]，谷子單穗重、株高顯著下降，使其產(chǎn)量和質(zhì)量都受到嚴(yán)重影響[5,6].因此，在較為干旱的山西地區(qū)，通過采取一定措施減輕干旱脅迫對谷子幼苗的傷害，提高谷子抗旱性，對谷子栽培、生產(chǎn)具有重要意義.

脫落酸(ABA)是一種廣泛分布于高等植物體內(nèi)的植物激素，具有能夠引起芽休眠、葉子脫落和抑制細(xì)胞生長等生理作用.研究發(fā)現(xiàn)，除了抑制生長以外，ABA也是啟動植物體內(nèi)抗逆基因表達(dá)的“第一信使”，可有效激活植物體內(nèi)抗逆免疫系統(tǒng)，增強(qiáng)植物綜合抗性(抗旱、抗熱、抗寒、抗病蟲、抗鹽堿等)的能力[7].植物在處于干旱環(huán)境時(shí)，細(xì)胞會迅速積累ABA，而ABA可以通過誘導(dǎo)氣孔關(guān)閉，從而減少葉片水分的散失，同時(shí)誘導(dǎo)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累，并活化與抗旱誘導(dǎo)有關(guān)的基因[8]，從而起到減少植物體內(nèi)水分散失的作用，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上對抗旱節(jié)水、減災(zāi)保產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)具有重要作用.

目前，關(guān)于谷子抗旱性的研究主要集中在抗旱資源的篩選與鑒定，有關(guān)外源ABA對谷子抗旱性的研究少之又少[9].本研究以晉谷42號谷子為研究材料，在以PEG-6000模擬干旱的條件下對谷子幼苗外源施用ABA，研究外源ABA對不同干旱條件下谷子幼苗的生長和生理特性的影響，從而揭示外源ABA對谷子抗旱性的調(diào)控作用，為研究谷子抗旱作用機(jī)制及培育谷子抗旱品種提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料：山西省晉谷42號谷子.選取顆粒飽滿的谷子種子用自來水浸泡24 h，然后擺放在鋪有5層紗布的培養(yǎng)皿(直徑150mm)中，暗培養(yǎng)36 h后放入光照培養(yǎng)箱(光照/黑暗=16 h/8 h，25 ℃/20 ℃)中培養(yǎng).待幼苗出現(xiàn)綠芽后，每日用Hoagland營養(yǎng)液澆灌3次，每次大約20 ml.

試驗(yàn)試劑：本研究所用的PEG-6000和ABA均購于Sigma-Aldrich公司.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

當(dāng)谷子幼苗長至兩葉一心后進(jìn)行處理.外源ABA采用均勻噴施葉片的處理方法，于每日早、中、晚各處理一次，當(dāng)谷子幼苗葉片全部濕潤而且不再持續(xù)滴水時(shí)停止噴施(約噴施10 mL)，對照組則噴施蒸餾水.ABA處理2 d后再進(jìn)行干旱處理，采用質(zhì)量濃度為150 g/L的聚乙二醇(PEG-6000)，分別于早、中、晚各施加在培養(yǎng)皿中模擬干旱脅迫，對照組則只施加Hoagland營養(yǎng)液，24 h后取樣進(jìn)行各個(gè)指標(biāo)測試.所有處理設(shè)置3組生物學(xué)重復(fù).

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)5個(gè)組：空白處理(Control)：Hoagland營養(yǎng)液正常生長+蒸餾水、處理1(T1)：蒸餾水、處理2(T2)：10-6mol/ L ABA、處理3(T3)：10-5mol/ L ABA、處理4(T4)：10-4mol/ L ABA.

1.3 測定指標(biāo)及方法

相對含水率(relative water content，RWC)采用稱重法測定[10]；葉綠素含量采用分光光度計(jì)法測定[10]；超氧化物歧化酶(SOD)活性測定采用 NBT 光化還原法[10]；過氧化物酶(POD)活性測定采用愈創(chuàng)木酚法[10]；丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸比色法[16]；相對電導(dǎo)率采用簡易浸泡法測定[10].

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016 和 SPSS 21.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度脫落酸對干旱脅迫下谷子葉片相對含水量和葉綠素含量的影響

從圖1(A)可知，正常生長的谷子幼苗(Control)葉片中相對含水量最高，干旱脅迫(T1)使谷子幼苗的相對含水量顯著降低5.28%；干旱脅迫后噴灑不同濃度脫落酸，一定程度上均可提高葉片的相對含水量.與干旱處理相比，10-6mol/L ABA處理(T2)和10-4mol/L ABA(T4)處理后葉片含水量分別提高了2.11%和1.89%，T3處理后幼苗含水量顯著提高了3.43%(P<0.05)，與正常幼苗含水量無顯著差異.以上結(jié)果表明，不同濃度的脫落酸處理對干旱脅迫下谷子幼苗的含水量影響存在濃度效應(yīng)，且濃度為10-5mol/L的脫落酸能夠最有效地緩解干旱下葉片相對含水量的減少.

從圖1(B)可知，與對照相比，干旱脅迫后葉片中葉綠素含量均顯著降低(P<0.05),外源施加不同濃度脫落酸后，谷子葉片葉綠素含量各有所提高.與干旱處理(T1)相比，外源ABA濃度為10-6mol/L (T2)和10-5mol/L (T3) 處理下葉片葉綠素含量顯著升高，且當(dāng)脫落酸濃度為10-5mol/L (T3)時(shí)，葉綠素的總含量達(dá)到最大值.以上結(jié)果表明，在一定濃度范圍內(nèi)，外源脫落酸能夠緩解干旱脅迫下谷子幼苗葉片中葉綠素含量降低的問題，當(dāng)濃度太高時(shí)反而會降低幼苗的光合作用.

圖1 外源脫落酸對干旱脅迫下谷子幼苗水分含量(A)和葉綠素含量(B)的影響

2.2 不同濃度脫落酸對干旱脅迫下谷子葉片抗氧化酶活性的影響

外源施加不同濃度的ABA后對干旱脅迫下谷子葉片中的POD和SOD酶活性進(jìn)行測定.結(jié)果表明(圖2A)，與對照相比，模擬干旱處理后顯著提高了葉片中POD的活性.而在外源施加ABA處理的情況下，谷子幼苗葉片的POD活性在不同ABA濃度處理下有不同程度的變化.與干旱處理組(T1)相比，在10-6mol/ L(T2)和10-5mol/ L(T3)外源ABA處理下葉片POD活性均顯著升高，而10-4mol/ L(T4)外源ABA處理下葉片POD活性變化不明顯.結(jié)果表明，噴施適量濃度的外源ABA可以顯著提高干旱脅迫下谷子幼苗葉片的POD活性，但濃度過高會使這種提高作用減弱.

由圖2 B可知，與正常生長組(Control)的谷子幼苗相比，質(zhì)量濃度為150 g/L的PEG-6000溶液模擬干旱處理(T1)下的谷子幼苗葉片的SOD活性顯著升高14.3 %.與T1相比，外源施加10-6mol/ L(T2)和10-5mol/ L(T3)的ABA后，葉片中SOD活性分別顯著升高了12.5%和25%.外源施加10-4mol/ L(T4)的ABA后，谷子葉片中SOD的活性比對照組(Control)明顯升高，但與干旱處理(T1)組相比無明顯變化.以上結(jié)果表明，外源噴施ABA可以提高干旱脅迫下谷子幼苗葉片的SOD活性，且這種作用存在濃度效應(yīng)，即外源ABA的最適濃度為10-5mol/ L.

圖2 外源脫落酸對干旱脅迫下谷子幼苗POD(A)和SOD(B)酶活性的影響

2.3 不同濃度脫落酸對干旱脅迫下谷子葉片質(zhì)膜透性和丙二醛(MDA)含量的影響

圖3A顯示，與對照組幼苗(Control)相比，干旱處理(T1)下幼苗葉片的電導(dǎo)率顯著升高；與T1相比，外源施加不同濃度的ABA(T2、T3、T4)后，谷子幼苗葉片的相對電導(dǎo)率均顯著降低，且這種作用表現(xiàn)出一定的濃度效應(yīng).其中，10-5mol/ L(T3)ABA處理后，對干旱脅迫引起的谷子幼苗葉片質(zhì)膜透性升高的緩解作用最為明顯.以上結(jié)果表明植物在干旱脅迫下細(xì)胞結(jié)構(gòu)受到破壞，導(dǎo)致葉片質(zhì)膜透性增大，電導(dǎo)率升高.而外源施加ABA能一定程度降低葉片電導(dǎo)率，對質(zhì)膜產(chǎn)生保護(hù)作用.

由圖3 B可知，與對照組幼苗(Control)相比，干旱處理(T1)下幼苗葉片的丙二醛顯著升高了30.8%；外源施加不同濃度的ABA(T2、T3、T4)后，谷子幼苗葉片中丙二醛含量與T1相比分別呈現(xiàn)顯著下降的結(jié)果.與對照組相比，10-6mol/ L(T2)和10-4mol/ L(T4)的外源ABA處理下葉片MDA含量分別增加了11.0%和13.5%；而當(dāng)外源ABA濃度為10-5mol/ L(T3)時(shí)，谷子葉片中MDA含量則與對照組葉片沒有顯著差異.這表明谷子在處于干旱脅迫時(shí)，植物細(xì)胞膜脂過氧化，導(dǎo)致體內(nèi)的MDA積累.而外源噴施適量濃度的ABA可以顯著降低這種作用，從而減輕植物因干旱所致的膜脂過氧化程度，但ABA濃度選擇要合適，過高或過低濃度的ABA處理會減弱這種作用.

圖3 外源脫落酸對干旱脅迫下谷子幼苗葉片電導(dǎo)率(A)和丙二醛含量(B)的影響

3 討論與結(jié)論

植物的生長是環(huán)境與植物代謝相互作用的結(jié)果，水分在各種影響植物生長的環(huán)境因素中占主導(dǎo)地位，植物生長對水分不足有著極高的敏感度，并會誘導(dǎo)植物體內(nèi)發(fā)生一系列的生理生化變化，以提高植物自身的抗旱性，因此可以使用相關(guān)生理指標(biāo)的變化來檢測植物抗旱性的強(qiáng)弱[11].外源ABA可以作為增強(qiáng)植物抗旱性的信號分子，已有研究表明，在干旱脅迫下，茶樹內(nèi)源ABA的含量會迅速增加，誘導(dǎo)激發(fā)茶樹的抗旱性[12]；對孕穗期水稻的研究發(fā)現(xiàn)，ABA可以使孕穗期水稻“暫時(shí)性休眠”，降低水稻的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和凈光合速率，抑制其生長代謝，提高其水分利用效率[13]；在對紅紗幼苗[14]、北柴胡[15]、番茄幼苗[16]以及白三葉[17]的研究中發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫下施用外源ABA可以不同程度地減少植物水分散失，增加植物抗旱性.本研究結(jié)果顯示，質(zhì)量濃度為150 g/L的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫處理顯著影響了谷子幼苗的生長發(fā)育及生理變化；外源施加不同濃度的ABA以后，明顯緩解了干旱脅迫下谷子幼苗所受損傷，并且這種作用存在濃度效應(yīng)，過高或過低外源ABA濃度都不利于谷子幼苗形成更高的抗旱性，在本研究中，10-5mol/ L 外源ABA對提高干旱脅迫下谷子幼苗的抗旱能力有最顯著效果.

植物受到干旱脅迫后會第一時(shí)間保持體內(nèi)水分含量，減少水分的快速丟失，因此相對含水量是植物水分狀況的重要指標(biāo)，它影響植物的生長、氣孔開閉以及作物產(chǎn)量[18].外源施加ABA提高了干旱脅迫下谷子幼苗的相對含水量，這有利于谷子在逆境中保持自身的水分從而保證正常的代謝[19].光合作用作為植物最重要的生理過程之一，受到植物體內(nèi)葉綠素含量的影響.葉片葉綠素含量與作物的營養(yǎng)狀況密切相關(guān)，也為提高植物的生存能力提供理論依據(jù)[20].本研究中干旱脅迫后，谷子幼苗葉綠素含量均顯著下降，這是逆境下谷子應(yīng)對傷害的生理反應(yīng)，而外源施加ABA后緩解和降低了干旱對谷子幼苗的損傷.

超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)是植物體內(nèi)抗氧化酶系統(tǒng)中的兩種保護(hù)酶，可將有毒超氧自由基最終轉(zhuǎn)化為無毒的O2，保證植物細(xì)胞的正常代謝.當(dāng)植物處于不良環(huán)境時(shí)，SOD和POD的活性會被激活，從而提高植物的抗逆性[21].本研究中，與單獨(dú)干旱脅迫相比，噴施外源ABA后干旱脅迫下谷子幼苗葉片中的SOD和POD的酶活性均有不同程度的增加，并且與對照組形成顯著差異.這說明外源ABA可以有效提高干旱下谷子幼苗葉片SOD和POD的酶活性，從而有效清除干旱脅迫產(chǎn)生的氧自由基，增強(qiáng)谷子幼苗葉片的抗氧化能力[22].

大量研究表明，植物處于干旱環(huán)境時(shí)，體內(nèi)氧自由基代謝平衡被破壞，氧自由基含量大幅增加，進(jìn)而導(dǎo)致細(xì)胞膜脂過氧化程度加劇，產(chǎn)生有毒物質(zhì)丙二醛(MDA)，同時(shí)質(zhì)膜滲透性增加，電解質(zhì)外滲，電導(dǎo)率增強(qiáng)[23,24].本研究發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量濃度為150 g/L的PEG-6000溶液模擬干旱脅迫處理下的谷子幼苗葉片的SOD和POD酶活性明顯增加，與吳政霖[25]等研究結(jié)果一致；丙二醛(MDA)含量提高，相對電導(dǎo)率顯著增大，與陳青奇[26]等研究結(jié)果一致.此外，干旱的谷子幼苗葉片經(jīng)過外源ABA噴施處理后，SOD和POD酶活性均進(jìn)一步增加，丙二醛(MDA)含量以及相對電導(dǎo)率均明顯降低，與王晶懋[27]的研究一致，表明適度的外源ABA噴施處理可以有效減緩谷子幼苗葉片在干旱脅迫下產(chǎn)生的生理損傷.

綜上所述，干旱脅迫降低了谷子幼苗的相對含水量以及葉綠素含量，增加了葉片質(zhì)膜透性并導(dǎo)致電解質(zhì)外滲，相對電導(dǎo)率升高.而外源施加一定濃度的ABA以后，顯著提高了幼苗體內(nèi)抗氧化酶的活性，降低了有害氧化產(chǎn)物丙二醛的含量，一定程度上提高了干旱下葉片的水分和葉綠素含量，從而緩解了干旱對谷子幼苗的傷害，提高了自身的抗旱性.但是，通過這種方法提高谷子幼苗葉片抗旱性對外源ABA的濃度有一定的限制，過高或過低均會使這種作用減弱，本實(shí)驗(yàn)中外源ABA的最適濃度為10-5mol/L.因?qū)嶒?yàn)所用材料、培養(yǎng)時(shí)間、處理方式的不同等，外源ABA的最適濃度也可能有所變化，因此，在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中進(jìn)行ABA噴施處理時(shí)必須要掌握好噴施濃度，減少不必要的浪費(fèi).