不同水分處理對甜菜幼苗生長和生理指標(biāo)的影響

范國凱，王 堽，劉 鈺，何 碩，張廣華，耿 貴

(1.黑龍江大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080； 2.黑龍江大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引言

低溫、高溫、干旱、鹽度、重金屬和營養(yǎng)缺乏等[1-2]非生物因素，能直接影響植物生長發(fā)育。這些逆境影響被統(tǒng)稱為非生物脅迫。在非生物脅迫中，對作物生長造成主要傷害的是水分脅迫[3-5]。水分供應(yīng)不足對于植物細(xì)胞生長有顯著的抑制作用，使植物生長緩慢[6-7]。同時植物在受到水分脅迫時，細(xì)胞內(nèi)會產(chǎn)生大量自由基，破壞植物體內(nèi)活性氧代謝平衡，加劇膜過氧化程度，甚至損害膜系統(tǒng)，直至植物細(xì)胞死亡[8-10]。因此脯氨酸、丙二醛(MDA)和甜菜堿等透調(diào)節(jié)物質(zhì)以及抗氧化酶相關(guān)指標(biāo)經(jīng)常被用來衡量植物受到脅迫的程度[11-15]。

甜菜(BetavulgarisL.)作為我國重要的糖料作物，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位[16]。其種植范圍主要分布在我國西北、華北、東北地區(qū)[17]。由于部分地區(qū)年降水量少，季節(jié)降雨分布不平衡，并且缺少有效的灌溉措施，導(dǎo)致土壤含水量較低，嚴(yán)重影響甜菜的生長，降低了農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)質(zhì)量[18]。因此干旱已經(jīng)成為制約甜菜產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的重要因素[19]。本試驗為了解水分變化對甜菜生長的影響，通過觀察甜菜幼苗生長，探究其在水分供應(yīng)不足條件下的表型及生理變化，以期對甜菜水分脅迫的生理響應(yīng)規(guī)律和適應(yīng)性進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 材料

本實驗采用KWS1176甜菜品種。選用12支塑料管(材質(zhì)為PVC)為一個處理，每支塑料管播三粒種子，澆改良的1/2 Hoagland營養(yǎng)液。將塑料管放入注滿水的水槽，使塑料管內(nèi)土壤充分吸水，種子出苗后進(jìn)行水分脅迫。甜菜幼苗發(fā)芽和生長均在光培室中進(jìn)行(光照強度480±10 μmol/m2/s，光照時間為7∶00～21∶00，晝夜溫度分別為25℃/20℃，濕度為65%)。

1.2 方法

實驗設(shè)置 5個不同土壤含水量，分別為CK：85±15%、A1：75±15%、A2：65±15%、A3：55±15%、A4：45±15%，共 5個處理，每個處理重復(fù) 3 次。培養(yǎng)過程中按照試驗處理要求實施水分控制。培養(yǎng)4 周后測定甜菜幼苗各項生理指標(biāo)。

生長指標(biāo)測量：從每個盆栽中隨機抽取5株幼苗，用游標(biāo)卡尺測量株高、葉寬。然后，將植株放入105℃的烤箱中殺青0.5小時，70℃烘干至恒重，測定干重。葉片和根系面積使用掃描儀進(jìn)行掃描并利用Win RHIZO計算分析。

生理指標(biāo)測定：收獲時將甜菜葉片剪碎，0.5g精準(zhǔn)稱量低溫保存?zhèn)溆谩０凑展①F等[20-22]的方法進(jìn)行生理指標(biāo)的測定，主要包括SOD、POD、APX、CAT、脯氨酸、丙二醛(MDA)可溶性蛋白等，所有指標(biāo)測定為3次重復(fù)。

通過Microsoft office Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理、利用IBM SPSS Statistics 22中的ANOVA進(jìn)行單因素方差統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下甜菜幼苗形態(tài)指標(biāo)的變化

水分是影響甜菜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)最重要的組成部分之一，嚴(yán)重影響著甜菜的生長和發(fā)育。由圖1、表1可知，隨著土壤水分含量的降低，甜菜幼苗株高、葉寬、葉面積和根系面積均呈現(xiàn)出下降趨勢。甜菜幼苗在A4處理時，這四項指標(biāo)較其他處理差異明顯，其中根系面積差異最為顯著，較CK比下降了70.54%。

圖1 干旱脅迫下甜菜幼苗的生長狀態(tài)Fig.1 Growth status of sugar beet seedlings under drought stress

表1 干旱脅迫下甜菜幼苗的株高、葉寬、葉面積、根面積的變化Tab.1 Changes of plant height, leaf width, leaf area and root area of sugar beet seedlings under drought stress

2.2 干旱脅迫下甜菜幼苗生物量的變化

甜菜是對干旱脅迫敏感的作物，干旱脅迫會抑制甜菜幼苗的生長，最終導(dǎo)致生物量的減少。由表2可以看出，干旱條件下，甜菜幼苗的生物量顯著降低。隨著土壤水分含量的降低，甜菜幼苗莖葉、根系和干鮮重均呈現(xiàn)下降趨勢。A4處理下，甜菜幼苗根系和干鮮重較其他處理差異最為顯著，其中根系重量在A4處理較CK處理降低了90%。

表2 干旱脅迫下甜菜幼苗莖葉、根系重量和干鮮重的變化Tab.2 Changes of stem and leaf, root weight, dry and fresh weight of sugar beet seedlings under drought stress

2.3 干旱脅迫下甜菜幼苗葉片膜透性和根系活力變化

丙二醛含量通常被用來衡量水分脅迫下細(xì)胞膜的透性，是在細(xì)胞水平上確定非生物脅迫造成的損害程度的一個重要指標(biāo)。由圖2(a)可以看出，隨著土壤含水量的下降，甜菜幼苗葉片中MDA含量呈顯著上升趨勢。MDA含量在A4處理時，達(dá)到最大值17.80 mmol·g-1，與CK比較含量增加129.55%。植物根系根對α-萘胺的氧化能力與其呼吸強度有密切聯(lián)系，可以通過測定溶液中未被氧化的α-萘胺的量測定根系活力。由圖2(b)可以看出，隨著土壤含水量的下降，甜菜根系活力呈先下降后上升的趨勢。在A3處理時，達(dá)到最小值2.12 ug·g-1·h-1，較CK比含量降低了42.72%。

圖2 干旱脅迫下甜菜幼苗葉片MDA含量(a)和α-萘胺的生物氧化量(b)的變化Fig.2 Changes of MDA content (a) and (b) of α-naphthylamine in sugar beet seedling leaves under drought stress

2.4 干旱脅迫下甜菜幼苗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量變化

作為對氧化損傷的反應(yīng)，植物體內(nèi)通過積累不同的滲透物質(zhì)，如脯氨酸、可溶性蛋白等，來維持正常的水分關(guān)系應(yīng)對干旱脅迫。由圖3看出，隨著土壤含水量的下降，甜菜幼苗葉片中脯氨酸以及可溶性蛋白含量呈顯著上升趨勢。在A4處理下，脯氨酸含量達(dá)到最大值59.73 μg·g-1，與CK比較含量增加459.79%；可溶性蛋白含量在A3處理達(dá)到最大值1.51 μg·g-1，與CK相比增加了30.17%。

圖3 干旱脅迫下甜菜幼苗葉片脯氨酸(a)、可溶性蛋白(b)含量的變化Fig.3 Changes of proline (a) and soluble protein (b) content in sugar beet seedling leaves under drought stress

2.5 干旱脅迫下甜菜幼苗葉片抗氧化酶活性變化

在干旱脅迫下，抗氧化酶活性高的植物被認(rèn)為具有更好的清除自由基的能力。從圖4可知，隨著土壤含水量的下降，甜菜幼苗葉片中CAT、POD、APX、SOD活性均顯著上升。CAT、POD和APX活性在A4處理時，達(dá)到最大值,分別為37.40 U·min-1g-1·FW、28.83 U·min-1g-1·FW和1.05 U·min-1g-1·FW，與CK比較活性分別增加187.69%、68.23%和211.44%；而SOD活性在A3處理達(dá)到最大值404.6637.40 U·min-1g-1·FW，與CK比較含量增加20.91%。

圖4 干旱脅迫下甜菜幼苗葉片CAT(a)、POD(b)、APX(c)、SOD(d)活性的變化Fig.4 Changes of CAT (a), POD (b), APX (c) and SOD (d) activities in sugar beet seedling leaves under drought stress

3 討論

甜菜幼苗株高、葉寬、葉面積、根面積、干鮮重等生長指標(biāo)隨著水分脅迫程度的加深顯著降低。且地下部分降低尤為明顯，這與楊娟等[23]的研究結(jié)果一致。這可能是由于葉片受到水分脅迫，光合作用減弱，產(chǎn)生的同化物和能量減少，不能及時的對甜菜根系進(jìn)行供給，導(dǎo)致甜菜幼苗根系隨著干旱脅迫的程度逐漸變小。研究發(fā)現(xiàn)，甜菜幼苗對水分脅迫的響應(yīng)能力較弱，通常要經(jīng)過一段時間的適應(yīng)它才能逐漸恢復(fù)。因此在甜菜發(fā)苗初期應(yīng)當(dāng)保持充足的水分供其正常生長。

有研究表明，干旱脅迫導(dǎo)致MDA水平升高，被認(rèn)為是脂質(zhì)過氧化、膜通透性及細(xì)胞損傷程度的一個重要指標(biāo)[24]。李國龍等[25]研究指出，脂質(zhì)過氧化程度會隨著水分脅迫時間的增加而加重。本試驗發(fā)現(xiàn)，土壤含水量的逐漸減少會引起MDA含量呈現(xiàn)不斷增加趨勢。說明植物在受到水分脅迫時MDA起到了重要的調(diào)節(jié)作用，且隨著脅迫程度的加劇而呈現(xiàn)正相關(guān)。

根系活力是衡量根生長力的一個重要指標(biāo)。有研究證明，土壤水分含量是植物根系活力的重要影響因子，會隨著水分含量的減少而降低[26]。本試驗發(fā)現(xiàn)，甜菜幼苗根系活力隨著水分缺失程度的增加，呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。說明隨著水分脅迫的增加，甜菜幼苗根系生長受到抑制。當(dāng)水分缺失到一定程度時這種抑制會明顯降低，從而促進(jìn)了甜菜幼苗根的生長。因此在甜菜幼苗期適當(dāng)?shù)母珊涤欣诟陌l(fā)育，促進(jìn)根的汲水生長。然而這種調(diào)節(jié)能力是有一定限度的，當(dāng)水分缺失超過抗旱能力會逐漸增強，這與黃海霞等[27]的研究結(jié)果一致。

脯氨酸是細(xì)胞壁蛋白質(zhì)的重要組成部分，也是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在調(diào)節(jié)活性氧、羥自由基方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[28-29]，而可溶性蛋白則可以增加細(xì)胞的保水能力，對細(xì)胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護(hù)作用，二者都是測定植物對干旱抗性的重要指標(biāo)。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫程度的加深，甜菜幼苗中的脯氨酸和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)會顯著增加，這與彭春雪等[10]的研究結(jié)果一致。脯氨酸在A1-A3處理時增加并不明顯，可能是甜菜幼苗受到輕度干旱時，脯氨酸相應(yīng)的基因表達(dá)較弱且相應(yīng)代謝途徑也不會有特別明顯的變化。可溶性蛋白含量趨勢為先升后降，說明其滲透調(diào)節(jié)作用只是暫時性的，它的調(diào)節(jié)幅度也是有限制的[30]。

植物受到干旱脅迫，其細(xì)胞內(nèi)會積累大量的活性氧，而抗氧化酶如APX、SOD、CAT和POD的活性提高，才能抑制活性氧的積累。本研究中，干旱處理的甜菜幼苗葉片抗氧化酶活性均有所提升，且明顯高于對照處理。李陽陽等[6]發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，植物會通過提高抗氧化酶活性來增加對逆境脅迫的適應(yīng)能力，與本文結(jié)論一致。通過對比四種抗氧化酶活性趨勢可知，甜菜幼苗的CAT活性在受到輕度干旱時顯著增加，隨著干旱程度的加深，POD、APX、SOD活性顯著增加，且APX變化趨勢最為明顯，推測甜菜幼苗在受到干旱脅迫時APX在清除自由基中占據(jù)主導(dǎo)地位。這與劉鈺等[22]的研究結(jié)果一致：在甜菜受到非生物脅迫時，APX是清除植物細(xì)胞內(nèi)自由基的主要抗氧化酶。

4 結(jié)論

甜菜幼苗在受到水分脅迫時，其形態(tài)指標(biāo)、生物量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性、膜透性和根系活力等一系列生理生化指標(biāo)會發(fā)生改變。隨著水分脅迫的加深，甜菜幼苗的生長抑制逐漸加重，根系活力下降，葉片中MDA、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量以及抗氧化酶活性升高。說明甜菜幼苗通過調(diào)節(jié)葉片中滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量和抗氧化酶活性清除甜菜細(xì)胞內(nèi)的自由基，從而減少水分脅迫對其造成的傷害。

通過對數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：甜菜幼苗生長前期，嚴(yán)重的氣體交換和大部分葉片性狀的負(fù)面影響雖然是可逆的，但卻能顯著降低甜菜的產(chǎn)量和質(zhì)量，甚至?xí)?dǎo)致植株死亡。因此，在甜菜幼苗期應(yīng)該保證田間水分充足，并配套相應(yīng)的水分管理設(shè)施，從而提高甜菜幼苗的抗逆能力，提高作物產(chǎn)量。