水分脅迫對不同發(fā)育時期藜麥生理的影響

田計均， 唐 媛， 董 雨， 余海萍， 孫雁霞,

(1. 成都大學 藥學與生物工程學院， 成都 610106； 2. 成都大學 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜糧加工重點實驗室， 成都 610106)

藜麥(Chenopodiumquinoawilld)，是一種莧科藜屬的一年生草本經(jīng)濟植物，也稱為藜谷、南美藜等[1]，原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈高原地區(qū)，高海拔的生長環(huán)境使得藜麥對多種非生物條件具有較好的耐受性[2]。藜麥營養(yǎng)物質含量高，易于被人體吸收[3]。聯(lián)合國糧農(nóng)組織認為藜麥是唯一一種可滿足人體基本營養(yǎng)需求的單體植物,正式推薦藜麥為最適宜人類的全營養(yǎng)食品[4]，并將2013年定為國際藜麥年，以促進藜麥在全世界的推廣[5]。因此，藜麥具有很大的研究價值，并且在全世界開始大量種植。

作物在生長過程中會受到干旱、洪澇等因素的影響[6]。隨著藜麥在世界各地的大量種植，人們發(fā)現(xiàn)雖然其抗逆性很強，但也會與其他作物一樣受到干旱和水澇的影響。干旱會嚴重限制作物的正常生長并導致作物減產(chǎn)[7]，干旱導致的作物減產(chǎn)超過其他環(huán)境脅迫導致減產(chǎn)的總和[8]。因此，研究作物的抗旱機制、提高作物的抗旱能力、培育干旱耐受性的作物新品種已經(jīng)成為當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的迫切問題[9]。水澇脅迫也會顯著抑制作物生長發(fā)育[10]。在全球范圍內(nèi)，有大約13%的土地和10%的農(nóng)業(yè)用地受到水澇的影響，導致作物減產(chǎn)15%～80%[11]。

丙二醛(MDA)是由自由基作用于脂質發(fā)生過氧化反應的最終產(chǎn)物，具有細胞毒性，在正常情況下可通過自身抗氧化酶和滲透物質降低對細胞的毒害，如果植物處于脅迫環(huán)境中，MDA含量便會增加，不能及時清除將會導致植物損傷。許多對植物水分脅迫的研究報道[12-15]都表明了抗性強的植物受到水分脅迫時抗氧化酶和滲透物質會顯著增加，但不同植物的酶和滲透物質表現(xiàn)出不同的變化。目前對藜麥脅迫的研究多集中于干旱脅迫對藜麥幼苗的影響，水分脅迫對不同發(fā)育時期藜麥生理的影響還鮮見報道。本文通過使用30%質量分數(shù)PEG6000溶液模擬干旱環(huán)境，用雙套盆法模擬水澇環(huán)境，研究藜麥4個生育時期(幼苗期、現(xiàn)蕾期、花期和灌漿期)在水分脅迫下生理的變化，以期為藜麥的栽培種植提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料及處理

本實驗選用藜麥(Chenopodiumquinoawilld)LL-3號作為實驗材料，種子由農(nóng)業(yè)農(nóng)村部雜糧加工重點實驗室、國家雜糧加工技術研發(fā)分中心引種。土壤使用1∶1的營養(yǎng)土和自然土的混合土。選取較為飽滿且形態(tài)大小相一致的藜麥種子均勻播撒于直徑為20 cm的塑料花盆中，澆適量的水，再用1～2 cm厚的營養(yǎng)土覆蓋。在藜麥幼苗長出第4片真葉后進行間苗，留下長勢相同的幼苗且保持合適的株間距[16]。待苗長至第8片真葉時，再進行一次間苗[17]，每盆定苗4株。

對藜麥幼苗期、現(xiàn)蕾期、花期以及灌漿期長勢一致的盆栽植株進行水分脅迫處理。對照組使用300 mL的去離子水進行澆灌；干旱脅迫處理組參考呂亞慈等[18]的方法略微改動，使用30%質量分數(shù)的PEG6000溶液300 mL進行澆灌；水澇脅迫處理組使用雙套盆法，將盆栽直接浸置水盆中澆灌置水浸沒花盆。水分脅迫處理48 h后取樣，干旱和水澇脅迫分別處理6盆作為實驗重復。幼苗期由于植株葉片較小，選取整個地上部分作為實驗材料，其他3個時期選取從頂芽往下數(shù)的第3個節(jié)間的葉片作為實驗材料。采集的材料迅速用液氮冷凍保存并用于后續(xù)滲透物質和生理指標的測定。

1.2 WSS和可溶性蛋白(SP)含量的測定

SP含量的測定參考楊正坤等[19]的方法，采用考馬斯亮藍染色法測定；WSS含量檢測采用植物可溶性糖檢測試劑盒。數(shù)據(jù)測量均重復3次。

1.3 生理指標的測定

T-AOC、POD活性以及MDA含量的測定分別采用相應試劑盒。數(shù)據(jù)測量均為3次重復。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計采用Excel進行，制圖采用Origin，用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)進行組間的顯著性差異分析。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對藜麥幼苗期的影響

幼苗期藜麥在水分脅迫下各指標變化如表1所示。與CK相比，在干旱和水澇脅迫條件下，SP含量差異均不顯著，WSS含量差異顯著，分別降低了13%和14%；T-AOC差異均不顯著；POD活性差異顯著，分別增加了52%和15%；干旱條件下MDA含量降低了50%，在水澇條件下MDA含量無明顯變化。結果顯示：水分脅迫使得藜麥幼苗期的POD酶活性顯著增加，使得MDA與正常組基本無變化甚至降低，表明幼苗期在受到水分脅迫時，POD酶活性的顯著增加，增強了藜麥的耐受性，使得水分脅迫對藜麥影響較小。

2.2 水分脅迫對藜麥現(xiàn)蕾期的影響

現(xiàn)蕾期藜麥在水分脅迫下各指標變化如表2所示。與CK相比，在干旱和水澇脅迫條件下，SP含量差異均不顯著，WSS含量差異顯著，分別增加了20%和10%；T-AOC差異顯著，分別降低了11%和14%；POD活性差異顯著，分別增加了50%和62%；MDA含量差異顯著，分別增加了52%和17%。結果表明：現(xiàn)蕾期藜麥在受到干旱和水澇脅迫時WSS含量和POD酶活性顯著增加，但是并沒有控制MDA的增長，因此推測該時期藜麥對干旱和水澇反應極其敏感，產(chǎn)生了大量的MDA，酶和滲透物質的調節(jié)不足以清除，使得MDA積累。

2.3 水分脅迫對藜麥花期的影響

花期藜麥在水分脅迫下各指標變化如表3所示。與CK相比，在干旱和水澇脅迫條件下，SP含量差異均不顯著，WSS含量差異顯著，分別增加了307%和114%；T-AOC差異顯著，分別增加了51%和20%；POD活性差異顯著，分別增加了26%和17%；在干旱條件下MDA含量差異顯著，增加了89%，而水澇條件下差異不顯著。結果表明：花期在受到水分脅迫時，WSS含量、T-AOC和POD活性顯著增加，MDA含量與CK差異不顯著，說明水澇對花期藜麥影響較??；而干旱條件下的MDA含量顯著增加了89%，說明干旱對花期藜麥影響較大，雖然通過酶和滲透物質的調節(jié)，但MDA還是有積累，可能對植物體造成損傷。

表1 水分脅迫對藜麥(幼苗期)各項生理指標的影響

表2 水分脅迫對藜麥(現(xiàn)蕾期)各生理指標的影響

表3 水分脅迫對藜麥(花期)各生理指標的影響

2.4 水分脅迫對藜麥灌漿期的影響

灌漿期藜麥在水分脅迫下各指標變化如表4所示。與CK相比，在干旱和水澇脅迫條件下，SP含量差異均不顯著，WSS含量差異顯著，分別增加了38%和61%；T-AOC差異顯著，分別增加了22%和36%；干旱條件下POD活性差異不顯著，在水澇條件下差異顯著，增加了10%；MDA含量均無顯著差異。結果表明，灌漿期藜麥在受到干旱和水澇脅迫后，WSS含量、總抗氧化能力和POD酶活性顯著增加，MDA均無明顯變化，說明水分脅迫對灌漿期藜麥影響較小。

2.5 在水分脅迫下不同發(fā)育時期藜麥生理指標對比分析

干旱和水澇處理藜麥各時期生理指標如圖1所示。結合各時期生理指標與CK的比較，筆者認為現(xiàn)蕾期對干旱和水澇較敏感，受到干旱和水澇脅迫時，機體不能抑制MDA的增長，使得MDA含量達到較高水平，可能會導致藜麥細胞損傷嚴重?；ㄆ谠谑艿礁珊得{迫時，雖然POD活性、T-AOC和WSS含量增加，MDA仍顯著增加到一個較高的水平，表明花期對干旱的耐受性同樣較差。

圖1 水分脅迫影響藜麥生理指標的對比分析

表4 水分脅迫對藜麥(灌漿期)各生理指標的影響

2.6 在水分脅迫下不同發(fā)育時期藜麥的可溶性糖和蛋白質含量的比較分析

干旱和水澇處理不同發(fā)育時期藜麥滲透物質含量對比如圖2所示，可以看出，無論干旱還是水澇處理，現(xiàn)蕾期藜麥WSS和SP含量較低，而幼苗期和灌漿期均處于較高水平，這可能是現(xiàn)蕾期藜麥對干旱和水澇耐受性差的原因之一。

3 討論與結論

對4個發(fā)育期藜麥分別在干旱和水澇脅迫下的滲透物質和生理指標測定(表1至表4)發(fā)現(xiàn)，4個發(fā)育時期藜麥在受到水分脅迫后的響應趨勢基本一致，都表現(xiàn)為WSS含量或POD活性的顯著升高，以抑制MDA含量的增長。但每個時期MDA含量變化情況不一樣(圖1)?，F(xiàn)蕾期藜麥在干旱和水澇脅迫下，MDA含量顯著升高到較高水平；花期藜麥在干旱脅迫下，MDA含量同樣顯著升高到較高水平；而幼苗期和灌漿期的MDA變化不顯著。MDA含量的變化情況反映了植物細胞膜脂過氧化程度和植物對逆境條件的反應強弱[20]，說明干旱和水澇脅迫對現(xiàn)蕾期及干旱對花期藜麥的影響較大。

圖2 水分脅迫影響藜麥WSS和蛋白質含量的對比

SP和WSS含量能夠在一定程度上調節(jié)植物細胞的滲透壓，保持原生質與環(huán)境的滲透平衡，維持植物正常的代謝水平，從而抵抗水分脅迫帶來的傷害[21]。通過對水分脅迫下不同發(fā)育時期藜麥的WSS和SP含量比較(圖2)分析發(fā)現(xiàn)，無論干旱還是水澇處理，現(xiàn)蕾期藜麥WSS和SP含量較低，而幼苗期和灌漿期均處于較高水平，說明滲透調節(jié)可能是現(xiàn)蕾期藜麥對干旱和水澇的耐受性差的原因之一，這與李巧娟等[13]的研究結果相似。在水分脅迫下4個時期藜麥的SP含量始終不變，而WSS含量卻顯著變化，說明WSS對藜麥抗性具有較大影響，這與王林紅等[14]的研究結果相似。

POD酶能夠清除植物體內(nèi)過量的活性氧，維持活性氧的代謝平衡，保護膜結構, 從而使植物能在一定程度上減緩或抵抗逆境脅迫[22]。研究表明，在水分脅迫下，為防止活性氧積累，抗性強的植物會維持POD等酶較高的活性，減輕水分脅迫所帶來的傷害[13]。本實驗發(fā)現(xiàn)，無論在干旱還是水澇條件下，每個發(fā)育時期藜麥的POD活性始終顯著升高，維持較高的活性，說明POD調節(jié)機制作用于藜麥整個發(fā)育時期，其調節(jié)能力強，但由于干旱和水澇脅迫對現(xiàn)蕾期及干旱對花期藜麥的影響較大，POD酶活性的升高不足以清除過量的MDA。

研究結果顯示，藜麥可通過提高WSS含量和POD酶活性降低水分脅迫的影響，也揭示了藜麥具有較強抗性的特征，同時還發(fā)現(xiàn)藜麥在現(xiàn)蕾期和花期易受到水分脅迫的影響。這些結果可為高抗性藜麥的選種以及藜麥的栽培育種提供一定的理論基礎。