不同逆境脅迫下小麥苗期生理指標(biāo)的測定

◇洛陽師范學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院 袁聰穎 陳柯新 王 悅 郭冰玉 鄭曉漫

為探究不同品種小麥在干旱、鹽脅迫逆境環(huán)境下生理指標(biāo)的變化情況，分析研討小麥抗旱抗鹽能力的強弱，本實驗選用11種優(yōu)勢小麥品種實驗材料，分別使用20%PEG（6000）、5%NaCl與0.4M甘露醇溶液處理小麥幼苗，模擬干旱和鹽脅迫環(huán)境。進而對正常條件下和脅迫處理條件下的小麥幼苗進行脯氨酸、過氧化氫、丙二醛含量以及葉綠素含量的測定。實驗結(jié)果表明：經(jīng)干旱、鹽脅迫處理后不同品種的脯氨酸、過氧化氫和丙二醛含量值均不同程度升高，葉綠素含量變化呈下降趨勢，且幅度較大。經(jīng)綜合分析，小麥品種百農(nóng)207、偃師4110抗旱、抗鹽性能最佳。該研究從生理指標(biāo)角度對小麥的耐旱耐鹽性進行評價，在一定程度上為研究鹽漬逆境下的小麥育種與種植提供一定的理論依據(jù)和選擇。

小麥?zhǔn)鞘澜绶N植面積最廣的農(nóng)作物，其營養(yǎng)價值高，用途廣，產(chǎn)量大約占世界糧食產(chǎn)量的1/3，全世界約有1/3的人口以小麥為主要食物[1]。在我國，小麥作為種植面積僅次于水稻的第二大糧食作物，其生產(chǎn)在糧食作物中占有舉足輕重的地位。據(jù)統(tǒng)計，我國城鄉(xiāng)的居民中50%～60%以小麥為主要糧食，小麥占我國居民的口糧消費總量43%左右，從中我們可以看出，小麥在我國的糧食安全中有著舉足輕重的地位[2]。然而近年來，隨著人類的經(jīng)濟發(fā)展、人口膨脹及環(huán)境污染，造成水資源短缺、全球氣候變暖等現(xiàn)象，致使土壤干旱及土壤鹽漬化現(xiàn)象日趨嚴重[3-4]。高鹽干旱等非生物脅迫會嚴重影響高等植物的生長和發(fā)育，使農(nóng)作物的產(chǎn)量降低。高鹽干旱可以導(dǎo)致植物細胞缺水，使植物細胞發(fā)生滲透脅迫、離子脅迫，破壞膜結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致植物體內(nèi)多個代謝活動的失調(diào)，如降低植物的光合作用、增加呼吸耗能以及積累有毒物質(zhì)等。此外，高鹽、干旱脅迫還使細胞產(chǎn)生氧化脅迫、損傷蛋白質(zhì)和核酸等[5-7]。土壤高鹽及干旱造成小麥產(chǎn)量和質(zhì)量的大幅度下降,威脅著人類的食物來源和食品安全。小麥抗旱、抗鹽性研究和小麥抗旱、抗鹽育種已成為當(dāng)今世界上的重要課題之一。植物體內(nèi)脯氨酸、丙二醛、過氧化氫及葉綠素等生理生化指標(biāo)均可以作為植物抗旱、抗鹽評價標(biāo)準(zhǔn)[8-10]。國內(nèi)外許多學(xué)者利用生理生化指標(biāo)對小麥、黑麥、偃麥草和水稻等作物進行了抗鹽抗旱能力的測定[11-13]。小麥幼苗的形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)受逆境脅迫影響較大，品種之間會表現(xiàn)出較大的差異，因此可從不同方面反映出品種的抗逆能力。前人研究中，大多使用單一脅迫對小麥品種抗逆性做出評價。本文選取11個地方優(yōu)勢小麥品種，分別使用PEG（6000）、NaCl與甘露醇模擬高鹽及干旱環(huán)境對小麥幼苗脯氨酸、丙二醛、過氧化氫和葉綠素含量進行測定，為高鹽及干旱、半干旱土壤地區(qū)小麥種植與優(yōu)良品種選育作出指導(dǎo)，為小麥抗旱抗鹽研究奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 植物材料

供試小麥品種為：偃展4110，百旱207，鄭麥366，周麥18，百農(nóng)207，華育116，華育166，百農(nóng)64，百農(nóng)201，華育198，周麥16。以上小麥品種均有河南科技學(xué)院歐行奇教授課題組提供。

1.2 種子消毒及培養(yǎng)

挑選籽粒飽滿的小麥種子作為試驗材料，首先使用75%酒精浸泡小麥種子5min，然后使用無菌水沖洗6次，將沖洗后的小麥種子均勻的擺放于鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿中加入適量無菌水，使用保鮮膜封口，放置于22℃恒溫光照培養(yǎng)箱中至種子萌發(fā)。將萌發(fā)后的小麥種子轉(zhuǎn)至Hogland培養(yǎng)液中進行水培養(yǎng)，培養(yǎng)條件為：每天500μmol m-2s-1光照16h，溫度22℃，濕度60%；黑暗8h，溫度16℃，濕度80%，將小麥幼苗培養(yǎng)至兩葉一心期。

1.3 植物幼苗的脅迫處理

將兩葉一心期的小麥幼苗分別放置于含有20%PEG（6000）、5%NaCl與0.4M甘露醇的Hogland培養(yǎng)液中，對照組放置于等體積Hogland培養(yǎng)液中，每個處理重復(fù)三次。5d 后取幼苗葉片進行生理生化實驗。

1.4 小麥幼苗脯氨酸、丙二醛、過氧化氫和葉綠素含量的測定

小麥幼苗中脯氨酸的含量的測定，采用Troll酸性茚三酮顯色法[14]。丙二醛含量的測定采用硫代巴比妥酸（TBA）法[15]。過氧化氫含量的測定根據(jù)劉俊等改進后的方法進行[16]。葉綠素含量的測定采用丙酮反復(fù)提取法[17]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同逆境脅迫對小麥幼苗脯氨酸含量的影響

本文使用20%PEG（6000）、0.4M甘露醇與5%NaCl 分別模擬干旱與鹽脅迫處理供試小麥幼苗，并對其體內(nèi)脯氨酸含量進行測定，結(jié)果顯示（圖1）：在20%PEG（6000）處理下，11個供試小麥品種偃展4110，百旱207，鄭麥366，周麥18，百農(nóng)207，華育116，華育166，百農(nóng)64，百農(nóng)201，華育198和周麥16，經(jīng)處理后體內(nèi)脯氨酸含量均增加，與對照組比較幼苗體內(nèi)脯氨酸增加量分別為：47.16%、41.81%、26.21%、10.00%、74.10%、39.56%、36.61%、43.68%、8.12%、5.86%、5.18%；經(jīng)0.4M甘露醇處理下，11個小麥品種體內(nèi)脯氨酸含量增加量分別為：21.41%、43.36%、20.25%、5.25%、82.36%、7.79%、6.86%、13.21%、32.27%、11.81%、5.11%；經(jīng)5%NaCl處理下，11個小麥品種體內(nèi)脯氨酸含量增加量分別為：40.51%、49.95%、13.32%、2.35%、73.27%、34.49%、15.96%、13.56%、26.48%、37.96%、0.71%。綜上可得，小麥品種偃展4110、百旱207、百農(nóng)207抗旱抗鹽性較強，其中小麥品種百農(nóng)207最強。其他小麥品種抗旱抗鹽能力稍弱。

圖1 不同逆境脅迫下不同小麥品種幼苗脯氨酸含量的測定

2.2 不同逆境脅迫對小麥幼苗丙二醛含量的影響

分析圖2可知，經(jīng)過20%PEG（6000）、0.4M甘露醇與5%NaCl 處理的實驗組小麥體內(nèi)的丙二醛含量高于對照組，說明小麥幼苗受到PEG、甘露醇和鹽脅迫時，小麥體內(nèi)的MDA含量會受到影響。結(jié)果顯示，使用20%PEG（6000）處理11個供試小麥品種偃展4110，百旱207，鄭麥366，周麥18，百農(nóng)207，華育116，華育166，百農(nóng)64，百農(nóng)201，華育198和周麥16后體內(nèi)丙二醛含量均增加，與對照組比較幼苗體內(nèi)丙二醛增加量分別為：9.98%、26.63%、55.58%、51.29%、4.17%、65.85%、81.06%、53.85%、34.36%、88.12%、72.85%；經(jīng)0.4M甘露醇處理下，11個小麥品種體內(nèi)丙二醛含量增加量分別為：12.47%、17.24%、21.91%、5.94%、5.84%、53.18%、32.40%、60.54%、44.77%、40.09%、27.64%；經(jīng)5%NaCl處理下，11個小麥品種體內(nèi)脯氨酸含量增加量分別為：18.73%、21.47%、58.63%、45.91%、17.90%、35.97%、25.69%、84.34%、30.74%、40.97%、21.62%。綜合以上數(shù)據(jù)可以得出，在模擬干旱及鹽脅迫下，百農(nóng)207體內(nèi)丙二醛含量增加最少，偃展4110次之，說明這兩種品種小麥相對于其它品種而言具有較強的抗鹽抗旱性。

圖2 不同逆境脅迫下不同小麥品種幼苗丙二醛含量的測定

2.3 不同逆境脅迫對小麥幼苗過氧化氫含量的影響

當(dāng)植物體內(nèi)過氧化氫濃度過高時，會誘發(fā)體內(nèi)細胞發(fā)生程序化死亡[18]。分析圖3可知，經(jīng)過20%PEG（6000）、0.4M甘露醇與5%NaCl處理的實驗組小麥幼苗體內(nèi)過氧化氫含量較對照組均由不同程度增幅。11個供試小麥品種偃展4110，百旱207，鄭麥366，周麥18，百農(nóng)207，華育116，華育166，百農(nóng)64，百農(nóng)201，華育198和周麥16，使用20%PEG（6000）處理后體內(nèi)過氧化氫增加量分別為：9.36%、15.06%、23.97%、26.28%、7.92%、29.41%、14.95%、14.00%、27.06%、27.31%、7.95%；0.4M甘露醇處理下11個供試品種體內(nèi)過氧化氫增加量為：4.95%、14.77%、8.16%、9.10%、2.78%、12.44%、33.86%、69.87%、20.14%、19.06%、1.67%；5%NaCl處理下增幅分別為：2.97%、12.33%、13.83%、18.66%、9.65%、26.97%、28.06%、12.85%、12.69%、22.05%、25.23%。綜合分析以上數(shù)據(jù)，小麥品種百農(nóng)207、偃展4110及百旱207經(jīng)干旱及鹽處理后體內(nèi)過氧化氫含量增加相對較少，說明三種小麥品種可能具有較強的抗鹽抗旱能力。此結(jié)果與以上結(jié)果相符。

圖3 不同逆境脅迫下不同小麥品種幼苗過氧化氫含量的測定

2.4 不同逆境脅迫對小麥幼苗葉綠素含量的影響

在干旱、鹽等脅迫下植物葉片葉綠素含量會降低從而影響作物的光合作用[19]。由圖4可知，經(jīng)過20%PEG（6000）、0.4M甘露醇與5%NaCl處理下11種小麥品種體內(nèi)葉綠素含量均降低，此結(jié)果與理論相符。11個供試小麥品種偃展4110，百旱207，鄭麥366，周麥18，百農(nóng)207，華育116，華育166，百農(nóng)64，百農(nóng)201，華育198和周麥16，使用20%PEG（6000）處理后體內(nèi)葉綠素含量下降率分別為：40.45%、51.92%、58.64%、38.63%、36.68%、56.60%、59.90%、53.75%、61.94%、51.17%、58.60%；0.4M甘露醇處理下為葉綠素含量下降率分別為：56.13%、59.60%、64.45%、38.49%、47.58%、73.66%、87.16%、81.91%、63.30%、74.42%、54.37%；5%NaCl處理下葉綠素含量下降率分別為：55.84%、57.62%、72.31%、60.38%、52.20%、64.52%、66.11%、65.05%、85.03%、77.25%、63.21%。綜上可知在干旱、鹽脅迫下周18、百農(nóng)207及偃展4110三個小麥品種體內(nèi)葉綠素含量降低率相對較少，說明三種小麥品種抗鹽抗旱能力可能較強。

圖4 不同逆境脅迫下不同小麥品種幼苗葉綠素含量的測定

3 討論

小麥幼苗時期是由營養(yǎng)生長向生殖生長過渡的一個重要時期，在小麥生長發(fā)育過程起到非常重要的作用，此時期直接影響小麥的成苗率以及最終產(chǎn)量[20]。因此，在逆境條件不同小麥品種幼苗期的抗逆性，對于促進成苗、減少逆境脅迫造成的損失具有重要的意義。

研究表明，小麥幼苗在面臨干旱、鹽脅迫時其體內(nèi)會產(chǎn)生一系列的生理生化變化。干旱、鹽脅迫下，植物體內(nèi)水分的缺乏會影響到植物的滲透調(diào)節(jié)，脯氨酸是植物體內(nèi)的一種主要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物體內(nèi)分布最為廣泛，它降低脅迫環(huán)境對植物造成的氧化損傷。其在植物體內(nèi)的含量的變化能夠在一定的程度上反映出小麥抗旱、抗鹽能力的強弱。已有研究表明，在正常的環(huán)境條件下，抗逆性較好的植物品種體內(nèi)的游離脯氨酸含量也較高。另外當(dāng)植物面臨干旱、鹽脅迫，滲透調(diào)節(jié)受到影響時，原生質(zhì)膜會受到損傷[21]。植物組織或器官膜脂質(zhì)會發(fā)生過氧化反應(yīng)，丙二醛是此過氧化反應(yīng)的重要產(chǎn)物。因此當(dāng)小麥處于干旱脅迫下時，小麥體內(nèi)的丙二醛含量也會發(fā)生相應(yīng)的變化。丙二醛具有細胞毒性，大量累積會使膜蛋白受損，對細胞結(jié)構(gòu)造成損害[22]。過氧化氫作為植物體內(nèi)的一種常見活性氧物質(zhì)，在植物體內(nèi)的來源也是十分廣泛的。而干旱、鹽脅迫能夠?qū)е轮参锂a(chǎn)生大量的活性氧，從而導(dǎo)致過氧化氫的含量增加。當(dāng)過氧化氫濃度過高時，會破壞細胞內(nèi)的一些大分子物質(zhì)，甚至還會進一步的誘發(fā)程序性細胞死亡[18]。干旱、鹽脅迫下會影響植物細胞膜的通透性，從而抑制植物的生長發(fā)育、光合作用、葉綠素合成、可溶性糖的含量等，在干旱、鹽脅迫條件下，葉綠體是最敏感的細胞器之一，葉綠體中葉綠素是植物進行光合作用的物質(zhì)基礎(chǔ)，在光合作用中起著不可或缺的作用，其含量高低決定了光合速率大小，據(jù)研究表明在干旱、鹽分脅迫下葉綠素含量降低的主要原因是由于葉綠體片層中捕光復(fù)合體的合成受到抑制造成的[11]。

使用20%PEG（6000）、0.4M甘露醇與5%NaCl 分別對供試小麥幼苗進行處理，并對其體內(nèi)脯氨酸、丙二醛、過氧化氫和葉綠素含量進行測定，結(jié)果顯示經(jīng)處理后的小麥幼苗體內(nèi)脯氨酸、丙二醛、過氧化氫含量與對照組相比均由升高，處理組小麥幼苗體內(nèi)葉綠素含量低于對照組，此結(jié)果與理論相符。經(jīng)綜合分析小麥品種百農(nóng)207及偃展4110抗逆性較好，此結(jié)果可為高鹽及干旱、半干旱土壤地區(qū)小麥種植與優(yōu)良品種選育作出指導(dǎo)，為小麥抗旱抗鹽研究奠定基礎(chǔ)。