不同品種藜麥幼苗對干旱脅迫的生理響應(yīng)及耐旱性評價(jià)

劉文瑜，楊發(fā)榮，謝志軍，王旺田，黃 杰，魏玉明，楊 釗

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

干旱是影響作物生長和生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)境脅迫因素之一[1]。干旱導(dǎo)致植物發(fā)生多種多樣的生理生化以及分子響應(yīng)，例如氣孔關(guān)閉和抗氧化酶活性變化等[2]。甘肅地處我國西北部，地域遼闊，氣候差異大[3]。其大部分地區(qū)為旱區(qū)或半干旱區(qū)，水資源短缺、降水量稀少、日照時(shí)數(shù)長、蒸發(fā)強(qiáng)度大等特點(diǎn)使當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展受到限制。在干旱半干旱條件下如何發(fā)展農(nóng)業(yè)、提高作物產(chǎn)量成為關(guān)鍵問題。因此，選擇耐旱作物、通過節(jié)水灌溉提高作物水分利用效率對干旱半干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整具有重要意義。

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld.)是藜科藜屬一年生雙子葉草本植物，原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈的秘魯、玻利維亞和厄瓜多爾，富含蛋白質(zhì)、氨基酸、礦物質(zhì)等營養(yǎng)物質(zhì)，被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)稱為“唯一一種以單體即可滿足人體基本營養(yǎng)需求的植物”[4]。藜麥具有耐寒、耐旱、耐鹽堿、耐瘠薄等生物學(xué)特性[5]，非常適合我國西北干旱半干旱地區(qū)種植。近年來，有關(guān)藜麥研究大多集中于品種選育[6-8]、栽培技術(shù)[9-11]、產(chǎn)品加工[12-14]、分子生物學(xué)[15]等方面，非生物環(huán)境脅迫尤其是干旱脅迫對其影響的研究鮮見報(bào)道。因此，本試驗(yàn)以甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所自育隴藜系列藜麥品種為材料，設(shè)置不同水分脅迫處理，研究不同品種藜麥幼苗對干旱脅迫的生理響應(yīng)，并對其進(jìn)行耐旱性評價(jià)，以期揭示藜麥響應(yīng)干旱脅迫的生理機(jī)制，并為后續(xù)耐旱分子機(jī)制研究奠定理論基礎(chǔ)，為西北地區(qū)不同生態(tài)區(qū)藜麥種植提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料來自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，分別為‘隴藜1號’(代號L-1)、‘隴藜2號’(代號L-2)、‘隴藜3號’(代號L-3)和‘隴藜4號’(代號L-4)，千粒重分別為2.49、2.72、2.97 g和2.85 g。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)于2018年3—8月在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院溫室及畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。挑選無病蟲害的L-1、L-2、L-3及L-4種子播種于裝有2 kg沙壤土的花盆中，每盆播種30粒，覆蓋0.1 cm厚蛭石，放置于溫室中，正常澆水。待出苗后至6～8葉期時(shí)定苗，每盆留苗10株，并進(jìn)行水分脅迫處理。本試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)水分脅迫梯度，分別為輕度水分脅迫(LD，土壤相對含水量為田間持水量的60%～50%)、中度水分脅迫(MD，土壤相對含水量為田間持水量的40%～30%)和重度水分脅迫(SD，土壤含水量為田間持水量的20%～10%)，以正常澆水為對照(CK，土壤相對含水量為田間持水量的70%～80%)。每個(gè)處理重復(fù)3次，每24 h采用稱重法補(bǔ)充各盆栽的水分。于水分脅迫處理后15 d取葉片進(jìn)行生理生化指標(biāo)測定。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)測定 干旱處理結(jié)束后，將供試植株連根取出，洗凈根部泥土，用濾紙吸干根部和葉片表面水分，用直尺測量株高、根長，并稱量其鮮重。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測定5次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010整理數(shù)據(jù)并做圖，應(yīng)用SPSS 19.0 Duncan法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。

本試驗(yàn)運(yùn)用隸屬函數(shù)值法對供試材料進(jìn)行耐旱性綜合評價(jià)。如果某一指標(biāo)與耐旱性呈正相關(guān)，則采用以下公式計(jì)算：

X(u1)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

如果某一指標(biāo)與耐旱性呈負(fù)相關(guān)，則采用以下公式計(jì)算：

X(u2)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，X(u1)和X(u2)分別為隸屬函數(shù)值，X為不同程度干旱脅迫下各供試材料某一指標(biāo)的測定值，Xmin和Xmax分別為所有供試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。將所有供試材料的隸屬函數(shù)值加起來，求其平均值后綜合評價(jià)各供試材料的耐旱性強(qiáng)弱[22]。

2 結(jié)果分析

2.1 干旱脅迫對藜麥幼苗生物量的影響

由表1可知，隨土壤水分含量降低，不同品種藜麥幼苗株高均呈逐漸降低的趨勢。SD處理下，各品種幼苗株高較CK處理分別降低了30.64%、28.36%、32.76%和37.88%；CK、LD和SD處理下，供試品種L-1株高顯著高于其他3個(gè)藜麥品種(P<0.05)，較株高最矮的L-4品種分別高8.50%、17.39%和18.05%。

表1 干旱脅迫對不同品種藜麥幼苗生物量的影響

隨干旱脅迫程度加劇，供試各品種幼苗根長呈逐漸增加的趨勢。SD處理下，各供試品種幼苗根長較CK處理增加了37.54%、81.46%、43.33%和74.85%。在CK和干旱處理下，藜麥品種L-1根長顯著高于其他3個(gè)品種(P<0.05)，較根長最短的L-4分別高41.51%、31.26%、35.64%和26.48%。

隨干旱脅迫程度加劇，供試藜麥品種幼苗根冠比呈先升高后下降的趨勢。LD處理下，4個(gè)品種幼苗根冠比達(dá)到最大，較CK處理分別升高了42.86%、33.33%、40.00%和40.00%；SD處理下，4個(gè)品種幼苗根冠比最低，較CK處理降低了14.29%、33.33%、40.00%和20.00%。藜麥品種L-1幼苗根冠比高于其他3個(gè)供試品種(P<0.05)。

綜上所知，不同程度的干旱脅迫均能促進(jìn)藜麥幼根的生長，而輕度抑制幼苗地上部分生長。4個(gè)供試品種中，L-1適應(yīng)性最優(yōu)。

2.2 干旱脅迫對藜麥幼苗葉片葉綠素含量的影響

由表2可知，隨土壤水分含量降低，供試4個(gè)品種藜麥幼苗葉片葉綠素含量呈先升高后下降的趨勢。MD處理下，各品種藜麥幼苗葉片葉綠素含量達(dá)到最大值，較CK處理分別升高了84.36%、31.81%、7.43%和17.07%；SD處理下，除L-1較CK處理升高了29.40%外，其余3個(gè)品種幼苗葉片葉綠素含量均低于CK處理，分別降低了33.22%、36.20%和15.99%。在MD和SD處理下，藜麥品種L-1幼苗葉片葉綠素含量均顯著高于其他供試品種(P<0.05)。在LD處理下，L-1較葉綠素含量最低的藜麥品種L-4高29.10%；MD處理下，L-1較葉綠素含量最低的藜麥品種L-3高34.55%；SD處理下，L-1較葉綠素含量最低的藜麥品種L-2高81.62%。說明藜麥品種L-1對干旱脅迫的適應(yīng)能力強(qiáng)于其他品種。

表2 不同干旱脅迫程度下藜麥幼苗葉片葉綠素含量變化

2.3 干旱脅迫對藜麥幼苗葉片可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量的影響

如圖1A所示，隨干旱程度加劇，供試品種藜麥幼苗葉片可溶性蛋白含量呈先下降后升高的趨勢，且不同處理下各品種間差異顯著(P<0.05)。LD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片可溶性蛋白含量較CK處理分別降低了31.30%、46.69%、5.39%和35.54%；MD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片可溶性蛋白含量較CK處理分別降低了29.52%、25.70%、12.93%和21.52%；SD處理下，藜麥品種L-1和L-2幼苗葉片可溶性蛋白含量較CK處理分別降低了11.45%和10.07%，而品種L-3和L-4幼苗葉片可溶性蛋白含量較CK處理分別升高了9.74%和3.94%。

由圖1B所示，隨干旱脅迫程度的加劇，供試品種藜麥幼苗葉片可溶性糖含量呈逐漸升高的趨勢，除CK處理外，其余各處理下各品種間均存在差異。LD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片可溶性糖含量較CK處理分別升高了0.03%、0.61%、0.89%和0.67%；MD處理下，各供試品種幼苗葉片可溶性糖含量較CK處理分別升高了0.39%、1.64%、1.12%和1.73%；SD處理下，各供試品種幼苗葉片可溶性糖含量較CK處理分別升高了0.51%、1.67%、1.19%和2.07%。

由圖1C可知，隨著干旱脅迫程度的加劇，各供試品種藜麥幼苗葉片脯氨酸含量呈逐漸升高的趨勢，在SD處理下達(dá)到最大值，同一處理下各供試品種間脯氨酸含量存在差異。LD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片脯氨酸含量較CK分別升高了77.57%、120.46%、308.33%和59.32%；MD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片脯氨酸含量較CK分別升高了79.53%、182.90%、681.71%和97.35%；SD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片脯氨酸含量較CK分別升高了116.84%、268.07%、798.01%和208.70%。

2.4 干旱脅迫對藜麥幼苗MDA和產(chǎn)生速率的影響

由圖2A可知，隨干旱脅迫程度的加劇，各供試品種藜麥幼苗葉片MDA含量呈逐漸升高的趨勢，在SD處理下達(dá)到最大值，且同一處理下各供試品種間MDA含量存在差異。LD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片MDA含量較CK處理分別升高了78.93%、67.00%、66.90%和108.28%；MD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片MDA含量較CK處理分別升高了103.80%、75.59%、95.79%和137.98%；SD處理下，各供試品種藜麥幼苗葉片MDA含量較CK處理分別升高了130.67%、98.93%、248.59%和312.48%。不同水分處理下，品種L-3幼苗葉片MDA含量顯著高于其他各供試品種(P<0.05)。

2.5 干旱脅迫對藜麥幼苗SOD、POD、CAT和APX活性的影響

由圖3A可知，隨干旱脅迫程度加劇，各供試品種藜麥幼苗葉片SOD活性呈先升高后降低的趨勢，在不同處理下各品種間差異不顯著(P>0.05)。LD處理下，各供試品種幼苗葉片SOD活性較CK處理分別升高了10.91%、7.87%、25.90%和9.04%；MD處理下，供試品種L-1和L-4幼苗葉片SOD活性較CK處理分別降低了5.04%和2.10%，而品種L-2和L-3升高了6.46%和23.79%；SD處理下，品種L-3幼苗葉片SOD活性較CK處理升高了6.67%，其余供試品種分別下降了23.98%、3.39%和4.20%。

由圖3B可知，隨干旱脅迫程度的加劇，各供試品種幼苗葉片POD活性呈逐漸升高的趨勢。LD處理下，各供試品種幼苗葉片POD活性較正常處理分別升高了1.02%、35.84%、30.69%和88.65%，且品種L-1與其余3個(gè)品種間差異顯著(P<0.05)；MD處理下，各供試品種幼苗葉片POD活性較正常處理下分別升高了68.53%、52.65%、44.55%和108.51%，但各品種間差異不顯著(P>0.05)；SD處理下，各供試品種幼苗葉片POD活性較正常處理分別升高了163.96%、62.83%、73.27%和169.50%，品種L-1與其余3個(gè)品種間差異顯著(P<0.05)。

由圖3C可知，隨干旱脅迫程度的加劇，各供試品種幼苗葉片CAT活性呈先升高后下降的趨勢，但整體高于CK處理，各品種間差異不顯著(P>0.05)。LD處理下，各供試品種幼苗葉片CAT活性較CK分別升高了8.79%、6.94%、10.56%和0.41%；MD處理下，各供試品種幼苗葉片CAT活性達(dá)到最高，較CK處理分別升高了23.26%、32.04%、20.89%和17.20%，較LD處理分別升高了13.29%、23.47%、9.34%和16.72%；SD處理下，各供試品種幼苗葉片CAT活性較CK處理分別升高了16.87%、11.44%、10.79%和4.30%，較MD處理有不同程度降低，分別下降了5.19%、15.60%、8.35%和11.10%。

由圖3D可知，隨干旱脅迫程度的加劇，各供試品種幼苗葉片APX活性呈先升高后下降的趨勢，但整體高于CK處理，且各品種間存在差異。LD處理下，各供試品種幼苗葉片APX含量較CK處理分別升高了118.57%、35.00%、28.17%和53.19%；MD處理下，各供試品種幼苗葉片APX活性最強(qiáng)，較CK處理分別升高了158.57%、125.00%、111.27%和165.96%，較LD處理分別升高了18.30%、66.67%、64.84%和73.61%；SD處理下，所有供試品種較CK處理分別升高了92.86%、342.50%、54.93%和165.95%，除品種L-2外，其余各供試品種幼苗葉片APX活性較MD處理有不同程度下降，分別下降了25.41%、26.67%和50.40%。

2.6 不同品種藜麥抗旱性評價(jià)

2.6.1 不同指標(biāo)間相關(guān)性分析 干旱脅迫下13個(gè)測定指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)如表3所示，干旱脅迫下脯氨酸含量和與根冠比呈極顯著負(fù)相關(guān)，SOD活性與可溶性糖含量呈顯著負(fù)相關(guān)，POD活性與與根冠比和脯氨酸含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，APX活性與脯氨酸含量和POD活性呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 試驗(yàn)測定指標(biāo)相關(guān)系數(shù)矩陣

2.6.2 各測定指標(biāo)的主成分分析 利用SPSS 19.0對干旱脅迫下13個(gè)測定指標(biāo)做主成分分析，結(jié)果如表4所示。在干旱脅迫下，前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了100%，說明干旱脅迫處理中，前3個(gè)主成分可以代表13個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)的絕大多數(shù)信息，可以分別用這3個(gè)主成分對4個(gè)供試品種抗旱性做概括分析。以y1、y2、y3分別代表第一、二、三主成分，x1～x13分別代表13個(gè)形態(tài)和生理生化指標(biāo)，即因子。以特征向量為系數(shù)，組成3個(gè)主成分方程，分別如下：

表4 主成分特征向量及貢獻(xiàn)率

y1=0.104x1+0.129x2+0.126x3+0.059x4-

0.12x5+0.074x6-0.128x7-0.041x8-0.031x9+

0.117x10-0.13x11-0.001x12+0.131x13

y2=0.065x1-0.1x2+0.034x3+0.179x4-

0.144x5+0.226x6-0.029x7+0.246x8+0.305x9-

0.139x10-0.037x11+0.201x12+0.059x13

y3=0.24x1+0.102x2-0.123x3+0.291x4+

0.026x5-0.191x6+0.108x7-0.24x8-0.118x9-

0.095x10+0.083x11+0.321x12+0.002x13

2.6.3 不同品種抗旱性評價(jià) 根據(jù)耐旱指標(biāo)相關(guān)性分析和主成分分析結(jié)果，對篩選出的耐旱指標(biāo)運(yùn)用隸屬函數(shù)值法求其平均值，對4個(gè)供試藜麥品種作抗旱性評價(jià)。根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值計(jì)算出4個(gè)供試品種綜合評價(jià)值和排序，結(jié)果如表5所示，4個(gè)供試品種抗旱性由強(qiáng)到弱依次為L-1、L-3、L-2、L-4。

表5 13個(gè)測定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及品種抗旱性評價(jià)

3 討 論

3.1 干旱脅迫對藜麥幼苗形態(tài)指標(biāo)和葉綠素含量的調(diào)控

植株形態(tài)結(jié)構(gòu)變化與作物吸收和散失水分關(guān)系密切，干旱脅迫下，植株細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和生理代謝會(huì)發(fā)生適應(yīng)性改變，最終表現(xiàn)在形態(tài)上，故部分形態(tài)指標(biāo)可用于植物抗旱性鑒定[23]。張靜鴿等[24]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下牧草單葉面積、地上部分干重均表現(xiàn)為明顯的下降趨勢，地下部分干重則呈明顯上升趨勢，根冠比上升比較顯著。賈雙杰等[25]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下2個(gè)玉米自交系的株高均在下降，各器官干物質(zhì)量也在不斷下降。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隨干旱脅迫程度的加重，供試4個(gè)品種藜麥幼苗株高整體呈下降趨勢，根長呈升高趨勢，根冠比呈先升高后降低的趨勢。

葉綠素是光合作用的基礎(chǔ)，而光合作用是作物干物質(zhì)積累和產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[26]。干旱脅迫影響植物代謝和生理過程，導(dǎo)致植物葉綠素含量降低，并影響植物葉綠素?zé)晒鈪?shù)，造成植物光合能力下降[27]。樊良新等[28]研究表明干旱脅迫在一定程度上降低了紫花苜蓿Chl a、Chl b含量和葉綠素總含量。研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫降低了野生小麥葉綠素含量[29]。本試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，供試4個(gè)品種藜麥幼苗葉片葉綠素含量隨干旱脅迫程度的加重呈先升高后下降的趨勢，在中度干旱脅迫下達(dá)到最大值。說明藜麥能適應(yīng)輕度和中度干旱條件，在重度干旱脅迫條件下藜麥幼苗葉片葉綠素合成受到抑制，干物質(zhì)的積累受到影響，而生物量優(yōu)先分配給地下部分，從而表現(xiàn)為株高降低、根長增加、根冠比比例增大。

3.2 干旱脅迫對藜麥幼苗生理特性的調(diào)控

植物忍耐和抵御非生物逆境的重要生理機(jī)制之一是滲透調(diào)節(jié)[30]。植物滲透調(diào)節(jié)能力的大小與逆境條件下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的高低息息相關(guān)[30-31]。研究表明，干旱脅迫下植株葉片內(nèi)脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高[32-33]。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，隨干旱脅迫程度的加重，供試4個(gè)品種藜麥幼苗葉片可溶性蛋白含量呈先下降后升高的趨勢，可溶性糖和脯氨酸含量呈逐漸升高的趨勢。說明藜麥在輕度和中度干旱脅迫下，細(xì)胞通過積累溶質(zhì)來降低滲透勢，發(fā)揮主動(dòng)調(diào)節(jié)作用，當(dāng)干旱脅迫程度加重至重度干旱時(shí)，滲透調(diào)節(jié)作用減弱甚至消失，因此藜麥耐旱是有一定閾值的。

3.3 藜麥幼苗抗旱性評價(jià)

植物的抗旱性受到許多內(nèi)外因素控制的綜合遺傳性狀的影響，例如形態(tài)、組織切片和生理生化等特性，均會(huì)對植物抗旱性產(chǎn)生影響，且這些特性是相互聯(lián)系、相互制約的[3]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者們普遍認(rèn)為多指標(biāo)多方法相結(jié)合的抗旱性評價(jià)可以更加真實(shí)、可靠地反映植物的抗旱性，同時(shí)研究和提出了包括抗旱系數(shù)、主成分分析、聚類分析、隸屬函數(shù)法等多種分析方法相結(jié)合的作物抗旱性鑒定評價(jià)方法[39]。上述方法在亞麻[40]、小豆[41]、大麥[42]、小麥[43]、高粱[44]等多種作物上已得到應(yīng)用，且篩選出相應(yīng)的作物耐旱種質(zhì)資源。本研究采用相關(guān)性分析法和主成分分析法對13個(gè)測定指標(biāo)進(jìn)行分析，明確了各指標(biāo)間的相互關(guān)系及其與干旱脅迫的關(guān)系；同時(shí)利用隸屬函數(shù)法對4個(gè)隴藜系列藜麥品種進(jìn)行抗旱性評價(jià)，其中供試材料抗旱性‘隴藜1號’與‘隴藜3號’相同，強(qiáng)于‘隴藜2號’，‘隴藜4號’抗旱性最弱。這些方法的綜合使用不僅客觀地評價(jià)了藜麥的抗旱性，也為以后的耐旱分子機(jī)制研究奠定了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

2)通過隸屬函數(shù)法分析可知，供試材料抗旱性‘隴藜1號’=‘隴藜3號’>‘隴藜2號’>‘隴藜4號’。