干旱脅迫對藜麥幼苗生長及生理的影響

馬建蓉，朱玉雪，朱永娟，梅艷桃，馬國花，郭曉農(nóng),2*

（1.西北民族大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030；2.西北民族大學(xué)生物醫(yī)學(xué)研究中心生物工程與技術(shù)國家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730030）

藜麥（Willd）屬1年生雙子葉植物，又稱奎藜、南美藜等，原產(chǎn)于南美洲安第斯高原，富含蛋白質(zhì)、淀粉、脂肪、必需氨基酸、多種維生素、礦物質(zhì)等，具有較高的營養(yǎng)價值。藜麥?zhǔn)锹?lián)合國國際糧農(nóng)組織（FAO）確認(rèn)的唯一一種能滿足人體基本營養(yǎng)需求的單體植物，被稱為最適宜人類的完美“全營養(yǎng)食品”，具有“超級谷物”的美譽(yù)。除了營養(yǎng)價值，藜麥還具有廣泛的生態(tài)適應(yīng)性，對于干旱、鹽堿、高寒等逆境環(huán)境均有較好的耐受性，能夠在高寒干旱鹽漬化地區(qū)生長。藜麥生理機(jī)制獨(dú)特，不僅能夠抵抗干旱環(huán)境，對土壤低水分環(huán)境具有較好的耐受性，也具有較高的水分利用效率。

干旱是常見的環(huán)境脅迫因子之一，抑制植物生長和發(fā)育，影響作物產(chǎn)量。受人為活動與自然環(huán)境的影響，干旱對作物的危害日趨嚴(yán)重，成為制約我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素。因此，研究作物的抗旱機(jī)理，提高作物抗旱能力，選育優(yōu)良的抗旱品種是應(yīng)對干旱的重要途徑。據(jù)報(bào)道，植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化特征等方面在干旱脅迫和復(fù)水條件下都會發(fā)生較為明顯的變化，短期或輕度干旱脅迫下植物葉片水勢降低，氣孔關(guān)閉，CO的攝取與光合作用降低；長期且嚴(yán)重的干旱脅迫可抑制植株生長，并引起外觀形態(tài)和生物量的變化，破壞植物體生理代謝過程，影響植株的生長、發(fā)育及物質(zhì)積累。而短期干旱脅迫后降水或灌溉，抗旱植株部分生理指標(biāo)能得到不同程度的恢復(fù)。良好的耐旱品種要求植物在受到干旱脅迫時能利用其自身生理特性產(chǎn)生一系列響應(yīng)機(jī)制以減少干旱脅迫造成的傷害，同時也要求一旦降水或灌溉，能從干旱傷害中快速恢復(fù)生長。藜麥作為節(jié)水抗旱作物，被廣泛運(yùn)用于干旱地區(qū)土壤的利用與開發(fā)中。目前，對藜麥耐旱機(jī)理研究較多，但對藜麥幼苗干旱后復(fù)水相關(guān)生理生化變化機(jī)制研究較少。因此，本試驗(yàn)采用盆栽控水法，對不同藜麥幼苗進(jìn)行干旱及復(fù)水處理，分別測定各個階段藜麥相關(guān)指標(biāo)，比較高海拔擴(kuò)繁前后藜麥幼苗的生理指標(biāo)變化，旨在探究干旱和復(fù)水對藜麥幼苗生理特性的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

隴藜1號購自甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所，其適合在海拔1 500 m以上地區(qū)種植，命名為NL1；筆者所在實(shí)驗(yàn)室在甘南臨潭木地坡（3 000 m以上地區(qū)）擴(kuò)繁后的隴藜1號，命名為LL1。

1.2 幼苗培養(yǎng)

選擇飽滿、大小均一且無病蟲害的藜麥種子，分別用0.5%高錳酸鉀溶液浸泡10 min，用無菌水清洗至無色。將種子移置覆有濾紙的90 mm培養(yǎng)皿中，每個皿50粒，光照培養(yǎng)，溫度26℃（晝）/22℃（夜），光照16 h/d。待藜麥種子胚根伸出種皮約1.5 cm后，挑選長勢一致的種子移入裝有滅菌蛭石的穴盤（21 cm×21 cm），每個穴孔放置4株。光照培養(yǎng)，溫度為26℃（晝）/22℃（夜），光照時間16 h/d，光照強(qiáng)度520 μmol/(m·s)，1/2 Hoagland營養(yǎng)液隔天澆灌（保持相對濕度60%～70%）。

1.3 干旱處理及復(fù)水處理

培養(yǎng)幼苗至第3周（6～8葉期），定苗后進(jìn)行干旱處理。設(shè)置4個處理組，分別為對照組CK（正常澆灌）、輕度干旱W1（持水量65%）、中度干旱W2（持水量45%）、重度干旱W3（持水量25%）。持水量=水分質(zhì)量/烘干土質(zhì)量×100%，每24 h采用稱重法補(bǔ)充各盆栽的水分。處理24、48、96 h后測定各組藜麥相關(guān)生理指標(biāo)。干旱脅迫96 h后對各組幼苗進(jìn)行復(fù)水處理（正常澆灌），處理1 d后進(jìn)行相關(guān)生理指標(biāo)的測定，每個處理3次重復(fù)。

1.4 指標(biāo)測定

1.4.1 植株生物量。測量幼苗株高、根長、地上部分干鮮質(zhì)量后，分別將植株地上部、根裝于紙袋中，于75℃烘箱中烘至恒質(zhì)量，取出分別稱質(zhì)量，每個處理取樣8株，取其平均值。

1.4.2 生理指標(biāo)。使用法國Dualex植物多酚-葉綠素測量儀分別測定葉綠素（Chl）指數(shù)、類黃酮（Flav）指數(shù)、花青素（Anth）指數(shù)及氮平衡（NBI）指數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用SPSS 21.0對各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行單因素方差分析（one-way ANOVA），以Duncan多重比較方法對干旱脅迫和復(fù)水處理期間的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性分析，顯著性水平設(shè)置為＜0.05。以O(shè)rigin Pro 8.5繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫和復(fù)水對藜麥幼苗生物量的影響

由表1、表2可知，干旱脅迫24 h與48 h，隨干旱程度的增加，LL1地上部與根部干鮮質(zhì)量先降后升。干旱脅迫24 h，NL1地上部干鮮質(zhì)量與根部鮮質(zhì)量先升后降，而NL1根部干質(zhì)量維持不變。干旱脅迫48 h，NL1地上部與根部鮮質(zhì)量先升后降，NL1地上部與根部干質(zhì)量呈下降趨勢。

表1 干旱脅迫24 h對藜麥幼苗生物量的影響

表2 干旱脅迫48 h對藜麥幼苗生物量的影響

由表3可知，LL1與NL1的株高隨干旱程度的升高而均呈下降趨勢，重度干旱處理時均為最小值，與CK相比分別降低29.91%、22.83%。由表4可知，LL1與NL1復(fù)水后株高均隨干旱程度的增加先增高后降低，W2組值最大，與CK相比分別增加16.16%、9.25%。

表3 干旱脅迫96 h對藜麥幼苗生物量的影響

表4 復(fù)水處理1 d對藜麥幼苗生物量的影響

由表3、表4可知，干旱脅迫96 h，LL1地上部干鮮質(zhì)量隨干旱程度的增加呈逐漸升高趨勢，復(fù)水后LL1地上部鮮質(zhì)量呈降低趨勢，地上部干質(zhì)量先升高后降低。NL1地上部鮮質(zhì)量隨干旱程度的增加先升后降，且復(fù)水后呈升高趨勢。干旱脅迫96 h后，LL1根鮮質(zhì)量隨干旱程度增加先降后升，而NL1根部鮮質(zhì)量隨干旱程度增加呈先升后降趨勢，在中度干旱（W2）出現(xiàn)最大值，在重度干旱（W3）出現(xiàn)最小值，且最小值大于對照組CK。由表4可知，復(fù)水后LL1與NL1地上部質(zhì)量與根質(zhì)量變化趨勢不一致，LL1地上部和根部鮮質(zhì)量，以及根部干質(zhì)量均呈下降趨勢；LL1地上部干質(zhì)量先升后降。NL1地上部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量在復(fù)水后呈上升趨勢，根部鮮質(zhì)量和干質(zhì)量均為先升后降。干旱程度的增加可抑制藜麥幼苗生物量，復(fù)水后部分生物量有所恢復(fù)。結(jié)果表明，短時間內(nèi)的輕度干旱處理可以促進(jìn)幼苗生物量的積累（表1、表2）。復(fù)水后LL1的W1組和W2組根的干鮮質(zhì)量以及株高均高于NL1（表4），說明LL1在復(fù)水后的恢復(fù)能力強(qiáng)于NL1。

2.2 干旱脅迫和復(fù)水對藜麥幼苗生理指標(biāo)的影響

2.2.1 對葉綠素（Chl）指數(shù)的影響。如圖1-A所示，干旱脅迫24 h后，隨干旱程度的增加，LL1與NL1幼苗葉片葉綠素指數(shù)均呈下降趨勢。干旱脅迫48 h（圖1-B）后，LL1與NL1葉綠素指數(shù)均隨干旱程度的增加整體呈先降后升趨勢，輕度干旱（W1）時相比對照組分別提高了6.07%、3.32%，LL1為最大值。中度干旱（W2）時NL1為最小值，顯著低于LL1。干旱處理96 h（圖1-C），LL1葉綠素指數(shù)隨干旱程度增加變化不顯著，NL1先降后升，在中度干旱（W2）時為最小值。與96 h干旱脅迫后葉綠素指數(shù)相比，復(fù)水處理（圖1-D）后，LL1的W1和W3組葉綠素指數(shù)上升，NL1在干旱處理時葉綠素指數(shù)無明顯變化。

圖1 干旱及復(fù)水處理對藜麥幼苗葉綠素指數(shù)的影響

以上結(jié)果表明，在不同干旱脅迫和不同干旱處理時間，高海拔擴(kuò)繁前后的藜麥幼苗的葉綠素指數(shù)變化不明顯，基本維持較穩(wěn)定的水平。

2.2.2 對類黃酮（Flav）指數(shù)的影響。如圖2-A所示，干旱脅迫24 h，LL1和NL1的類黃酮指數(shù)在輕度干旱W1處理時為最大值，均高于對照組，較對照組W3分別增加了25.31%、5.92%；在重度干旱W3處理時LL1顯著高于NL1。如圖2-B所示，干旱處理48 h，LL1類黃酮指數(shù)呈下降趨勢，NL1呈先降后升趨勢。不同干旱程度下LL1類黃酮指數(shù)均高于對照組，W1、W2、W3比對照組分別高130.95%、67.46%、2.22%；NL1類黃酮指數(shù)在W1和W3處理下高于對照組，較對照組分別高73.99%、2.31%。干旱處理96 h（圖2-C），LL1和NL1在W1處理下類黃酮指數(shù)均高于其對照組，LL1類黃酮指數(shù)隨干旱程度的增加呈下降趨勢，NL1類黃酮指數(shù)隨干旱程度的增加呈先降后升趨勢。復(fù)水后（圖2-D），NL1和LL1各處理組類黃酮指數(shù)與96 h相比均有所恢復(fù)。試驗(yàn)表明，高海拔擴(kuò)繁前后的藜麥在干旱處理的不同時期，植物體內(nèi)類黃酮呈持續(xù)升高趨勢，LL1類黃酮指數(shù)在干旱處理24 h、中度干旱48 h和96 h以及不同干旱處理組復(fù)水后均高于NL1。

圖2 干旱及復(fù)水處理對藜麥幼苗類黃酮指數(shù)的影響

2.2.3 對氮平衡指數(shù)（NBI）的影響。如圖3-A至圖3-C所示，在干旱處理24、48和96 h LL1與NL1氮平衡指數(shù)隨干旱程度增加均呈持續(xù)上升趨勢，特別是重度干旱處理96 h，W3組LL1氮平衡指數(shù)顯著高于NL1。如圖3-D所示，在復(fù)水處理后，LL1與NL1的W1、W2、W3各組氮平衡指數(shù)呈持續(xù)上升趨勢。

圖3 干旱及復(fù)水處理對藜麥幼苗氮平衡指數(shù)的影響

2.2.4 對花青素指數(shù)（Anth）的影響。如圖4-A所示，在干旱處理24 h后，LL1花青素指數(shù)隨干旱程度增加呈先升后降的趨勢，在中度干旱處理時LL1花青素指數(shù)達(dá)到最高值，比對照組增加21.43%。在干旱處理48 h（圖4-B），隨干旱程度增加，LL1花青素指數(shù)各組差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，NL1花青素指數(shù)先升后降。干旱脅迫96 h（圖4-C），中度干旱處理時NL1花青素指數(shù)達(dá)到最高值。復(fù)水處理后（圖4-D），LL1和NL1的W1和W2組相較于干旱處理96 h時花青素指數(shù)有所升高，但差異均不具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

圖4 干旱及復(fù)水處理對藜麥幼苗花青素指數(shù)的影響

3 討論

植株在受到干旱脅迫時，株高、地上部有明顯變化，復(fù)水后部分指標(biāo)恢復(fù)，表現(xiàn)出一定的補(bǔ)償效應(yīng)，但隨著干旱程度的增加，補(bǔ)償效應(yīng)逐漸減弱。王志恒等研究發(fā)現(xiàn)，藜麥的抗旱機(jī)制可分為避旱和耐旱2種。在避旱方面，藜麥可以通過滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來應(yīng)對干旱對其造成的傷害；在耐旱方面，藜麥發(fā)達(dá)的根系、堅(jiān)實(shí)的細(xì)胞壁、動態(tài)氣孔等可共同作用增強(qiáng)藜麥耐旱性。干旱脅迫解除后，幼苗表現(xiàn)出旱后修復(fù)的能力。本試驗(yàn)中隨著干旱程度的增加，干旱處理24 h及48 h，LL1地上部與根部干鮮質(zhì)量先降后升。干旱脅迫24 h，NL1地上部干鮮質(zhì)量與根部鮮質(zhì)量先升后降，而NL1根部干質(zhì)量維持不變；干旱脅迫48 h，NL1地上部與根部鮮質(zhì)量先升后降，NL1地上部與根部干質(zhì)量呈下降趨勢。干旱96 h后LL1與NL1的株高隨干旱程度的升高均呈下降趨勢，重度干旱處理時均為最小值，與CK相比分別降低29.91%、22.83%。復(fù)水后各生長指標(biāo)都得到不同程度的恢復(fù)，結(jié)果與李振松等的研究結(jié)果一致。

干旱脅迫對藜麥幼苗生長影響除了干鮮質(zhì)量變化，還表現(xiàn)為株高變化。試驗(yàn)表明，在干旱脅迫下LL1與NL1株高隨干旱程度增加而降低，復(fù)水后株高皆有升高，但是不同處理階段LL1的株高始終高于NL1，這說明高海拔擴(kuò)繁后的藜麥地上部生物量的積累同樣強(qiáng)于高海拔擴(kuò)繁前。

干旱脅迫對藜麥幼苗的影響還表現(xiàn)在葉綠素指數(shù)、類黃酮指數(shù)、氮平衡指數(shù)等方面。葉綠素是反映植物光合作用的顯著指標(biāo)，也是植物耐旱性指標(biāo)，干旱脅迫會破壞植物葉片內(nèi)葉綠體，導(dǎo)致葉綠素合成受到抑制或加快葉綠素的分解。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，24 h干旱處理，即輕度干旱脅迫會造成藜麥幼苗葉片中的葉綠素指數(shù)增加，但隨干旱程度增高，干旱時間延長會造成葉片中葉綠素指數(shù)下降。復(fù)水后輕度干旱下2種藜麥幼苗中葉綠素相較其他處理組有明顯恢復(fù)趨勢，而NL1在重度干旱幾乎沒有變化。說明輕度干旱可對植物生長有一定的促進(jìn)作用，而重度干旱則抑制其生長，且受到重度干旱脅迫后不易恢復(fù)。隨干旱程度和干旱時間的增加，LL1葉綠素指數(shù)變化趨勢逐漸不顯著，而NL1呈下降趨勢，說明高海拔擴(kuò)繁后的LL1在受到干旱脅迫后葉綠素的穩(wěn)定性較高。

通過測量干旱脅迫后藜麥幼苗類黃酮的指數(shù)，發(fā)現(xiàn)類黃酮指數(shù)和氮平衡指數(shù)變化與葉綠素變化基本一致，但類黃酮指數(shù)在復(fù)水后無明顯恢復(fù)趨勢。結(jié)果表明，干旱脅迫對類黃酮指數(shù)影響較大，旱后恢復(fù)較差。但在此過程中，LL1的氮平衡指數(shù)高于NL1，說明LL1生長性能較好。

藜麥作為抗旱植物，不同藜麥品種存在較明顯的抗旱差異性，且在一定干旱脅迫與復(fù)水處理后，干旱對藜麥幼苗造成的損傷恢復(fù)能力也有一定差異。本文以隴藜1號及高海拔擴(kuò)繁后的隴藜1號為研究材料，對干旱脅迫及復(fù)水后藜麥幼苗各指標(biāo)進(jìn)行比較分析，并探究高海拔擴(kuò)繁前后藜麥在響應(yīng)干旱脅迫方面的差異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同程度干旱脅迫下，高海拔擴(kuò)繁后的LL1抗旱能力優(yōu)于高海拔擴(kuò)繁前的NL1，且干旱處理后LL1的修復(fù)能力也較強(qiáng)。

4 結(jié)論

藜麥作為耐旱植物，其抗旱性在高海拔擴(kuò)繁前后存在一定的差異，并且干旱處理后復(fù)水，其損傷恢復(fù)能力也存在一定程度的差異。通過對藜麥高海拔擴(kuò)繁前后幼苗各指標(biāo)進(jìn)行比較分析，并探究其在響應(yīng)干旱脅迫方面的差異性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，高海拔擴(kuò)繁后藜麥品種抗旱性能及其干旱處理與復(fù)水處理后的恢復(fù)能力均優(yōu)于高海拔擴(kuò)繁前。具體機(jī)制有待后續(xù)進(jìn)一步的研究。