重度干旱脅迫下燕麥葉片活性氧清除系統(tǒng)對噴施腐植酸水溶肥的響應(yīng)

李英浩，劉景輝*，米俊珍，呂 品，潘 越，趙寶平，Allen Xue

(1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010019; 2 加拿大農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品部渥太華研發(fā)中心，加拿大 渥太華 KIA0C6)

干旱作為一種頻發(fā)的農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害，長期困擾著世界各國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[1]。近50年在全球變暖和北方干旱化的背景下，中國受旱面積和受旱成災(zāi)面積呈上升趨勢，全國有近77.0%的省區(qū)旱災(zāi)風(fēng)險增加[2-3]。燕麥(AvenasativaL.)為禾本科一年生糧飼兼用作物，在世界各地廣泛種植，具有耐寒、抗旱、耐土壤瘠薄等特點。中國燕麥集中種植在內(nèi)蒙古、河北、山西、青海、甘肅等省區(qū)[4-6]，這些地區(qū)多為干旱半干旱地區(qū)，生育期間的干旱是限制燕麥增產(chǎn)的主要因素[7]。因此，燕麥被認(rèn)為是治理土地荒漠化的先鋒作物。

腐植酸水溶肥是動植物遺骸經(jīng)過微生物分解和轉(zhuǎn)化等一系列過程形成的一類有機物質(zhì)[8]。研究表明，腐植酸水溶肥可通過控制植物體內(nèi)活性氧類物質(zhì)的含量來協(xié)助植物抵御逆境脅迫[9]。適宜濃度的腐植酸水溶肥可提高玉米細(xì)胞保護酶活性，降低丙二醛含量和膜脂過氧化程度，增加膜的穩(wěn)定性，提高植物抗旱性[10]。關(guān)于腐植酸緩解燕麥干旱脅迫的研究表明，干旱脅迫條件下噴施腐植酸可改善燕麥葉片的光合性能，促進干物質(zhì)積累和增加產(chǎn)量，且在重度干旱脅迫條件下效果最明顯[11]。因此，研究腐植酸對重度干旱脅迫下燕麥葉片活性氧清除系統(tǒng)的影響、探索提高燕麥抗旱的途徑具有重要意義。但關(guān)于腐植酸水溶肥能否調(diào)控燕麥葉片活性氧代謝、緩解重度干旱脅迫帶來的氧化損傷，目前尚不明確。

本研究以‘燕科2號’燕麥品種為材料，采用盆栽模擬重度干旱脅迫，探討噴施腐植酸水溶肥對燕麥葉片活性氧含量、抗氧化酶活性及抗氧化物質(zhì)含量等的影響，旨在為腐植酸水溶肥緩解干旱脅迫對植物的傷害提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2019年5-9月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)燕麥產(chǎn)業(yè)研究中心溫室進行。供試燕麥品種為‘燕科2號’，種子由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)研究院提供；腐植酸水溶肥(HA)由內(nèi)蒙古自治區(qū)永業(yè)農(nóng)豐生物技術(shù)有限責(zé)任公司提供，其水溶腐植酸含量≥50 g/L，氮磷鉀含量(N+P+K)≥200 g/L，微量元素含量(錳、硼、鉬、鋅等)≥10 g/L，噴施時稀釋500倍[11]。

1.2 材料培養(yǎng)與處理

試驗采用盆栽方法進行，供試土壤為蛭石與泥炭土按質(zhì)量比1∶1混合而成，田間持水量為28%。泥炭土中N+P2O5+K2O≥2.5%，有機質(zhì)含量>50 g·kg-1，pH值為5.5～6.5。塑料盆高25 cm，直徑20 cm，每盆裝混合土2.5 kg，利用稱重法保持土壤含水量，每天15:00進行稱重補充水分。播種前每盆底施磷酸二銨(N18%，P2O546%)2 g。5月1日播種，每盆播30粒，在三葉期(5月20日)定苗，每盆20株。

設(shè)置正常供水(75%田間持水量，CK)、正常供水噴施HA(CKH)、重度干旱脅迫(45%田間持水量，SS)、重度干旱脅迫下噴施HA (SSH)共4個處理，每個處理重復(fù)3次，每重復(fù)種植5盆。水分脅迫在5月12日(苗期)開始，6月1日(拔節(jié)期)噴施HA；6月5日，選取燕麥植株新鮮、長勢均勻一致的葉片，立即液氮速凍并保存，每個處理重復(fù)取樣5次，共25片葉，用于生理生化指標(biāo)的測定；6月30日(抽穗期)選取各處理下的代表性植株進行拍照，8月10日(成熟期)測定籽粒產(chǎn)量和生物量。

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.2 葉片抗氧化酶活性及抗氧化物質(zhì)含量超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性均按李合生等[17]的方法測定，抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱甘肽還原酶(GR)和谷胱甘肽過氧化物酶(GPX)活性均按Tan等[12]的方法測定，酶活性均以每克鮮重材料的活力單位數(shù)表示。谷胱甘肽(GSH)和抗壞血酸(ASA)含量分別采用Ellman[18]和Arakawa[19]等的方法測定，結(jié)果以每克干重材料含量表示。

1.3.3 葉片總抗氧化能力總抗氧化能力(toal antioxidant capacity, T-AOC)的測定按南京建成試劑盒(A015)的方法測定。

1.3.4 籽粒產(chǎn)量與生物產(chǎn)量取成熟期的盆內(nèi)植株進行脫粒，稱量獲得每盆籽粒產(chǎn)量(鮮重)。然后將脫粒后的植株連同籽粒置于烘箱105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，稱量得出生物產(chǎn)量(干重)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2016進行處理及作圖，采用SAS 9.4進行統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥生長的影響

從圖1中明顯看出，與正常供水(CK)相比，重度干旱脅迫(SS)下燕麥植株高度明顯降低，葉片數(shù)目減少且顏色失綠發(fā)黃，小穗數(shù)目明顯減少。正常供水條件下噴施HA(CKH)與CK相比植株形態(tài)無明顯變化，而重度干旱脅迫下噴施HA (SSH)處理比SS處理葉片數(shù)目增多，且綠色加深，小穗數(shù)也明顯增多。

2.2 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥葉片活性氧及丙二醛含量的影響

2.3 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥葉片抗氧化酶活性的影響

燕麥葉片各類抗氧化酶活性在不同處理下的變化有所不同(圖3)。其中，與CK相比，SS處理下燕麥葉片超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)活性分別顯著提升31.84%和74.15%，而其過氧化氫酶(CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(APX)、谷胱氨肽還原酶(GR)和谷胱氨肽過氧化物酶(GPX)活性卻分別顯著降低了30.79%、44.55%、62.50%和66.67%(P<0.05)；CKH處理下葉片各類抗氧化酶活性與CK相比均未出現(xiàn)顯著變化；與SS處理相比，SSH處理下葉片SOD和POD活性分別顯著降低38.94%和22.97%，但仍顯著高于對照，CAT、APX、GR和GPX活性分別顯著提高21.71%、43.63%、100.00%和44.44%，但仍顯著低于對照(P<0.05)。以上結(jié)果說明重度干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片中活性氧的大量積累，誘導(dǎo)其抗氧化酶活性發(fā)生顯著變化，葉片噴施HA通過進一步調(diào)控抗氧化酶的活性分解清除葉片內(nèi)過量的活性氧，從而緩解干旱脅迫引起的過氧化損傷。

2.4 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥葉片抗氧化劑含量的影響

燕麥葉片中抗氧化劑抗壞血酸(ASA)和谷胱氨肽(GSH)含量在不同處理下表現(xiàn)出相似的變化趨勢(圖4)。其中，與CK相比，燕麥葉片ASA和GSH含量在 SS處理下分別顯著降低28.93%和58.18%(P<0.05)，在CKH處理下未出現(xiàn)顯著變化；與SS處理相比，SSH處理下葉片ASA和GSH含量分別顯著提高23.89%和56.52% (P<0.05)。說明重度干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片中抗氧化劑含量的顯著降低，噴施HA顯著提高干旱脅迫下葉片抗氧化劑的含量，從而增強燕麥適應(yīng)干旱脅迫的能力。

2.5 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥葉片總抗氧化能力的影響

圖5顯示，燕麥葉片總抗氧化能力(T-AOC)在SS處理下比CK顯著提升55.14%(P<0.05)，在CKH處理下與CK相比無顯著變化；與SS處理相比，SSH處理下葉片T-AOC顯著提升34.62%。說明重度干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片總抗氧化能力顯著提高，噴施HA通過進一步提高葉片總抗氧化能力來增強燕麥的抗旱性。

2.6 噴施HA對重度干旱脅迫下燕麥產(chǎn)量的影響

如圖6所示，每盆燕麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量在SS處理下分別比CK顯著降低30.62%和55.65%(P<0.05)，而在CKH處理下與CK相比均未出現(xiàn)明顯變化；與SS處理相比，SSH處理下燕麥籽粒產(chǎn)量和生物產(chǎn)量分別顯著提高13.63%和20.58%，但仍顯著低于CK(P<0.05)?？梢?，重度干旱脅迫導(dǎo)致燕麥干物質(zhì)積累顯著受阻，籽粒產(chǎn)量大幅度降低，而葉面噴施HA可一定程度上彌補燕麥在重度干旱脅迫下的產(chǎn)量損失。

3 討 論

AsA-GSH循環(huán)系統(tǒng)作為植物體內(nèi)抗氧化系統(tǒng)的重要機制，也是清除ROS的重要途徑。APX、GR和GPX是AsA-GSH循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，對循環(huán)系統(tǒng)中抗氧化物質(zhì)AsA和GSH的再生及循環(huán)的有效運轉(zhuǎn)具有重要作用[27]。本研究中，與CK相比，重度干旱脅迫下燕麥葉片APX、GR和GPX活性顯著降低，說明過度的干旱會造成AsA-GSH循環(huán)系統(tǒng)紊亂，而前人研究結(jié)果顯示中度干旱導(dǎo)致植物葉片APX、GR和GPX活性提升，說明在適度的干旱下APX、GR和GPX會協(xié)助植物緩解膜脂氧化損傷，幫助植物適應(yīng)干旱脅迫環(huán)境[28]。

已有研究結(jié)果表明，HA可促進干旱脅迫下玉米[10]和甘蔗[29]活性氧的積累，并有效激活保護酶APX、GR和GPX的活性，促進ASA和GSH的合成。本試驗結(jié)果顯示，HA提高了重度干旱脅迫下燕麥葉片APX、GR和GPX活性及ASA和GSH的含量。表明適宜濃度的HA處理可提高燕麥葉片AsA-GSH循環(huán)系統(tǒng)相關(guān)酶活性，從而促進重度干旱脅迫下燕麥AsA-GSH循環(huán)的有效運轉(zhuǎn)，緩解重度干旱脅迫對燕麥的傷害。孫海燕等的研究指出，由于HA浸種對低溫脅迫下活性氧產(chǎn)生速率影響很小，而調(diào)控H2O2的積累是加強玉米幼苗抵御低溫膜質(zhì)過氧化的主要途徑；雖然HA浸種同步提高了CAT和AsA-GSH循環(huán)活性，但H2O2清除主要依靠AsA-GSH循環(huán)[30]。由此推測，干旱脅迫下噴施HA加強了燕麥葉片AsA和GSH再生，提高了AsA-GSH循環(huán)活性，從而增加H2O2清除能力，且以促進AsA合成為核心。另外，孫海燕等的研究表明，高濃度的HA浸種有利于低溫脅迫下玉米幼苗對活性氧的清除和系統(tǒng)抗性的增強，但AsA-GSH循環(huán)主要物質(zhì)和系統(tǒng)抗氧化酶的合成是以犧牲生長為代價[30]。植物往往以消耗更多的代謝資源用于防御系統(tǒng)的激活以“權(quán)衡生長與防御”，但快速生長也是植物耐受逆境的一種重要方式[31]，這也合理地解釋了重度干旱脅迫導(dǎo)致燕麥產(chǎn)量大幅下跌的原因。

4 結(jié) 論

HA可提高重度干旱脅迫下燕麥葉片APX、GR、GPX和CAT活性，促進抗氧化物質(zhì)ASA和GSH再生，顯著增強葉片的總抗氧化能力，從而有效清除重度干旱脅迫引起的ROS積累，降低干旱脅迫對植物細(xì)胞膜的氧化損傷，最終緩解重度干旱脅迫對燕麥造成的傷害，一定程度上彌補燕麥產(chǎn)量損失。