甜菜堿對(duì)甘蔗抗旱生理的調(diào)控效應(yīng)

李健 農(nóng)艷豐 陸艾纓

(百色學(xué)院，廣西 百色 533000)

引言

甘蔗主要種植于熱帶及亞熱帶地區(qū)，對(duì)水分的需求量較大。廣西是我國甘蔗的主產(chǎn)區(qū)，但由于廣西地處石山地區(qū)，耕地資源有限，多數(shù)甘蔗種植在水源缺乏的丘陵地帶，干旱缺水大大影響了甘蔗的正常生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高，從而制約了我國蔗糖業(yè)的健康發(fā)展。在干旱脅迫下，植物會(huì)生成并累積大量滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來提高其體內(nèi)的滲透壓以減少水分流失，維持體內(nèi)水分代謝，減少干旱給植物帶來的傷害，可溶性糖就是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。植物在受到干旱脅迫時(shí)，其體內(nèi)的生理生化特性會(huì)發(fā)生一系列的變化來抵御干旱環(huán)境對(duì)自身造成的傷害，而外源調(diào)節(jié)物質(zhì)能在一定程度上彌補(bǔ)植物內(nèi)源物質(zhì)調(diào)節(jié)機(jī)制的缺陷，從而提高植物的耐脅迫能力[1]。一般而言，在干旱脅迫下，抗旱性較強(qiáng)的甘蔗品種或甘蔗植株，其葉片的抗氧化酶系統(tǒng)的酶含量的提高速度均顯著高于抗旱性弱的品種或植株，同時(shí)MDA含量也增長(zhǎng)較為緩慢[2]。

甜菜堿是一種無毒且在水中很容易溶解的植物抗旱劑，在一定濃度范圍內(nèi)合理施用能減緩干旱脅迫對(duì)植物造成傷害。甜菜堿之所以能夠減緩干旱脅迫對(duì)作物的傷害，是因?yàn)槠淠芙档吞幱诟珊得{迫下植物葉片的丙二醛(MDA)含量，調(diào)節(jié)作物的滲透壓以及相關(guān)酶的活性[3]。以天南星科植物半夏為例，在干旱脅迫下通過對(duì)半夏施用甜菜堿能提高半夏氮代謝相關(guān)酶的活性從而加快無機(jī)氮的同化，促進(jìn)代謝次生物質(zhì)的積累從而緩解了干旱對(duì)半夏的傷害[4]。甜菜堿具有滲透調(diào)節(jié)、清除活性氧、維持生物膜的穩(wěn)定性、保護(hù)光合機(jī)構(gòu)等功能，從根本上來說，甜菜堿就是通過對(duì)上述生理指標(biāo)的調(diào)節(jié)來達(dá)到減緩干旱脅迫對(duì)植物造成傷害的目的。近年來,有大量學(xué)者探究施用外源甜菜堿與作物抵抗環(huán)境脅迫能力之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在逆境條件下，如高溫或者干旱噴施甜菜堿可以提高植物的抗旱生理效應(yīng)[5-7]。黃承石[8]認(rèn)為，在干旱處理的條件下噴施甜菜堿可以調(diào)節(jié)湘南的酶活性，提高抗旱能力；甜菜堿在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用越來越多被人們關(guān)注和研究。

甜菜堿的抗旱功效已經(jīng)在許多植物上得到驗(yàn)證，但是對(duì)于其在甘蔗上的施用研究還鮮有報(bào)道。本研究以黑皮果蔗為材料，設(shè)置不同干旱脅迫處理，對(duì)甘蔗幼苗噴施外源甜菜堿溶液進(jìn)行處理，研究其對(duì)甘蔗苗期葉片抗氧化系統(tǒng)酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響，探討外施甜菜堿是否能增強(qiáng)甘蔗的抗旱性，為甘蔗抗旱栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以黑皮果蔗幼苗為試驗(yàn)材料，試驗(yàn)于2020年10月—2021年1月在百色學(xué)院校內(nèi)試驗(yàn)地進(jìn)行，盆栽使用的泥土為天然優(yōu)質(zhì)泥土并添加營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)混勻。

1.2 試驗(yàn)方法

將生長(zhǎng)良好的甘蔗苗(5～6片真葉)移栽于塑料盆中，每盆1株，20d后挑選30盆長(zhǎng)勢(shì)較好且大小一致的植株，將其分成3組(1組10盆)。1組作為正常澆水對(duì)照(CK)；1組正常干旱處理(噴施蒸餾水作為對(duì)照，為處理1)，每天用小噴壺對(duì)葉片噴灑1次(以覆蓋全部葉片為準(zhǔn))；1組在葉面噴100mg·L-1甜菜堿溶液后干旱處理，為處理2。對(duì)2個(gè)處理下的甘蔗苗進(jìn)行干旱脅迫，試驗(yàn)分別于干旱1d、3d、6d后對(duì)各組處理進(jìn)行采樣(取甘蔗+1葉)，測(cè)量其葉綠素含量、葉片相對(duì)含水量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)含量等相關(guān)生理指標(biāo)。

1.3 生理指標(biāo)測(cè)定

葉片葉綠素含量的測(cè)定用丙酮乙醇(2∶1)浸提新鮮葉片的方法[9]，葉片相對(duì)含水量的測(cè)定參考杜成忠的方法[10]，SOD活性的測(cè)定參考馮曉敏和張永清[11]的方法，可溶性糖和MDA含量的測(cè)定參考林艷等的方法[12]。每個(gè)處理3次重復(fù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片葉綠素含量的影響

由圖1可知，正常情況下，苗期甘蔗葉片的葉綠素含量保持在3mg·g-1左右，干旱脅迫后，葉片葉綠素受到不同程度的破壞，干旱1d時(shí)，各組處理的葉綠素含量相差不大，對(duì)葉綠素的損傷較小。隨著干旱脅迫天數(shù)的增加，處理組葉綠素含量急劇下降，到第6天時(shí)，處理1的葉綠素含量已少于正常值的1/2，且處理1葉片葉綠素含量下降的幅度顯著大于處理2。

圖1 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片葉綠素含量的影響

2.2 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片含水量的影響

環(huán)境干旱，供水不足，甘蔗自身吸收不到足夠的水分時(shí)，其組織的含水量也會(huì)受影響，由圖2可知，正常生長(zhǎng)時(shí)，甘蔗葉片的相對(duì)含水量超過80%，隨著干旱脅迫的加劇，其葉片相對(duì)含水量逐漸降低。處理1的甘蔗葉片相對(duì)含水量下降的幅度顯著高于處理2，即甜菜堿的噴施顯著提高了干旱脅迫下甘蔗葉片的相對(duì)含水量。

圖2 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片含水量的影響

2.3 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片丙二醛酶(MDA)活性的影響

干旱脅迫會(huì)擾亂植物體正常的新陳代謝，其體內(nèi)自由基產(chǎn)生與消除之間的相對(duì)平衡也會(huì)被打破。由圖3可知，干旱導(dǎo)致丙二醛大量積累在甘蔗葉片內(nèi)得不到有效的清除，同期條件下，處理1累積的量要顯著多于處理2，到干旱處理的第6天時(shí)，處理1的甘蔗葉片丙二醛含量已超過正常值的3倍，而處理2的僅為2倍左右。

圖3 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片丙二醛酶(MDA)活性的影響

2.4 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片可溶性糖含量的影響

由圖4可知，干旱促進(jìn)了甘蔗葉片可溶性糖的積累，在干旱脅迫下，2組處理甘蔗葉片中的可溶性糖含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，干旱3d時(shí)，2個(gè)處理葉片的可溶性糖含量達(dá)到最高，在干旱6d時(shí)又緩慢回落。同等干旱條件下，處理2的累積量更大，即甜菜堿的噴施顯著提高了干旱脅迫下甘蔗葉片可溶性糖的累積。

圖4 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片可溶性糖含量的影響

2.5 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片SOD活性的影響

由圖5可知，2組處理甘蔗葉片的SOD活性隨著干旱處理天數(shù)的增加而不斷上升。干旱1d時(shí)，2組處理葉片的SOD活性已顯著高于對(duì)照，同等干旱條件下，處理2甘蔗葉片的SOD活性顯著高于處理1，即甜菜堿的噴施顯著提高了干旱脅迫下甘蔗葉片的SOD活性。

圖5 甜菜堿對(duì)甘蔗葉片超氧化物歧化酶活性的影響

3 討論

葉綠素是植物體內(nèi)一種重要物質(zhì)，在其他條件適宜的情況下，作物葉綠素含量通常與光合強(qiáng)度成正比。葉片一旦失水到一定程度，氣孔關(guān)閉，蒸騰作用隨之減弱。氣孔關(guān)閉影響二氧化碳的吸收，光合作用會(huì)減弱，細(xì)胞質(zhì)遭到破壞，葉綠素進(jìn)行降解，含量下降。植物體內(nèi)許多有機(jī)物都是在光合作用下產(chǎn)生的，而葉綠素又是植物進(jìn)行光合作用的物質(zhì)，所以葉綠素含量越多，表明植物的耐干旱脅迫能力就越強(qiáng)。本試驗(yàn)中，2組處理隨著干旱處理天數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)，同等干旱條件下，處理2中甘蔗葉片的葉綠素含量顯著高于處理1。說明噴施甜菜堿可以加強(qiáng)甘蔗葉片細(xì)胞活性，增強(qiáng)光合作用，100mg·L-1的甜菜堿有助于維持干旱脅迫下甘蔗葉片葉綠素的合成或減緩其受損害的程度。

水是植物細(xì)胞的重要成分之一。水分使細(xì)胞原生質(zhì)呈溶膠狀態(tài)，保證了植物新陳代謝順利進(jìn)行。如果含水量減少，植物的原生質(zhì)會(huì)由溶膠狀態(tài)變成凝膠狀態(tài)，就可能引起原生質(zhì)破壞而招致細(xì)胞死亡，生命活動(dòng)就大大減弱。在呼吸作用、光合作用、有機(jī)物的合成和分解的過程中，都需要水的參與。只有溶解在水中的固態(tài)無機(jī)物和有機(jī)物才能被植物吸收，植物不能直接吸收固態(tài)的無機(jī)物和有機(jī)物。水在植物體內(nèi)是不可或缺的一部分。而干旱可打破植物體內(nèi)的水分平衡，影響植物的生理功能，含水量的高低是植物能否正常生長(zhǎng)的重要指標(biāo)，因此，植物含水量可以作為植物在干旱脅迫下受損程度的重要指標(biāo)，從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在干旱脅迫下，甘蔗葉片相對(duì)含水量在不斷下降，處理1的甘蔗葉片相對(duì)含水量下降的幅度顯著高于處理2，甜菜堿的施用有效緩解了甘蔗葉片的水分流失，在甘蔗葉片脫水過程中能夠起到一定保水作用。

植物器官在逆境條件下，如高溫、鹽堿、干旱以及強(qiáng)光等，自由基會(huì)代謝失調(diào)，往往發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛(MDA)是膜脂過氧化的產(chǎn)物，丙二醛可以損傷生物膜結(jié)構(gòu)，主要是細(xì)胞質(zhì)膜，MDA的積累可能對(duì)膜和細(xì)胞造成一定的傷害，MDA含量的多少可作為脂質(zhì)過氧化的指標(biāo)，用于表示細(xì)胞膜過氧化程度和植物對(duì)干旱脅迫下反應(yīng)的強(qiáng)弱。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴施了甜菜堿的甘蔗葉片，其MDA的積累量顯著低于未噴施的處理，說明甜菜堿有利于減緩MDA在甘蔗體內(nèi)的積累，降低了其對(duì)甘蔗植株的傷害。植物體內(nèi)的可溶性糖作為一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，其含量會(huì)隨著滲透脅迫的加劇而不斷積累，以緩解滲透脅迫對(duì)植株的傷害。本研究中，2組處理甘蔗葉片中的可溶性糖含量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，但是同等干旱條件下，處理2的累積量更大，即甜菜堿的噴施顯著有利于甘蔗葉片可溶性糖含量的提高，更能抵御干旱的風(fēng)險(xiǎn)。

過氧化物歧化酶(SOD)是植物抗氧化系統(tǒng)的關(guān)鍵酶，其可以消除過多的活性物質(zhì)并防止植物中自由基的形成，還可以通過合理調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)來提高植物抗逆性，SOD是水-水循環(huán)的關(guān)鍵酶之一，在干旱脅迫和其他方面發(fā)揮重要作用。在干旱脅迫的情況下，植物呼吸作用和光合作用受到嚴(yán)重影響的原因是植物正常水分調(diào)節(jié)平衡被打破。隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)，干旱脅迫程度的加深，植物細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)功能遭破壞。SOD活性增高可以緩解ROS對(duì)植物造成的危害。從試驗(yàn)結(jié)果可看出，干旱脅迫下，噴施甜菜堿后，甘蔗葉片超氧化物歧化酶活性顯著高于未噴施的處理，有利于甘蔗消除體內(nèi)過多的活性氧物質(zhì)，更能抵御干旱環(huán)境的脅迫。

4 小結(jié)

在缺水的條件下，甘蔗的生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)受到嚴(yán)重影響，體內(nèi)的一些生理機(jī)制發(fā)生改變，本試驗(yàn)以100mg·L-1甜菜堿作為外源物質(zhì)，研究其對(duì)干旱脅迫下甘蔗相關(guān)生理生化特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，干旱脅迫對(duì)甘蔗葉片的正常生長(zhǎng)和生理生化代謝都造成了不利影響，外源甜菜堿的施用使甘蔗葉片的葉綠素含量、葉片相對(duì)含水量、可溶性糖含量及SOD活性都顯著高于未噴施的處理，同時(shí)積累了更少的MDA，表明100mg·L-1的甜菜堿能有效啟動(dòng)甘蔗的防御系統(tǒng)，能在一定程度上增強(qiáng)甘蔗的抗旱生理，緩解干旱脅迫對(duì)甘蔗造成的傷害。