聚乙二醇-6000脅迫對(duì)茄子幼苗生長(zhǎng)及酶活性的影響

張愛(ài)慧， 崔群香， 楊夢(mèng)嫻， 朱士農(nóng)

(金陵科技學(xué)院園藝園林學(xué)院，江蘇南京 210038)

隨著全球氣候的變化，局部干旱已經(jīng)成為影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最大威脅之一。我國(guó)約有50%的耕地處于干旱或半干旱地區(qū)，干旱脅迫不僅影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，而且對(duì)作物產(chǎn)量和品質(zhì)都構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。蔬菜作物是喜水肥的經(jīng)濟(jì)作物，提高蔬菜作物的耐旱性或降低其對(duì)干旱脅迫的敏感性是增加蔬菜作物產(chǎn)量的有效途徑。已有研究發(fā)現(xiàn)，一定時(shí)間或強(qiáng)度的干旱脅迫能夠嚴(yán)重抑制植物地上部及根系的正常生長(zhǎng)，影響植物的光合作用，使植物葉片萎蔫、黃化甚至導(dǎo)致植物葉片中的葉綠素發(fā)生降解，光合能力迅速減弱，進(jìn)而造成植物的干物質(zhì)積累量下降。干旱脅迫還導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)活性氧積累，加劇細(xì)胞的膜脂過(guò)氧化程度，導(dǎo)致植物的抗旱能力減弱。

為了更好地研究干旱對(duì)作物的影響，研究者常以聚乙二醇-6000(PEG-6000)作為模擬干旱的理想水勢(shì)調(diào)節(jié)劑來(lái)研究植物的抗旱性能和機(jī)制。近年來(lái)，研究者采用PEG-6000模擬干旱脅迫，對(duì)不同作物的耐旱性能進(jìn)行了大量研究，其中尤以幼苗期的抗旱性研究較多，但PEG-6000對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究干旱脅迫模式下植物的耐旱反應(yīng)及其生理機(jī)制。

茄子(L.)屬于茄科茄屬植物，是我國(guó)南北方栽培面積較大的蔬菜之一。茄子生長(zhǎng)旺盛、葉面積較大，在茄子生長(zhǎng)期間需水量較多，一般認(rèn)為土壤田間持水量達(dá)80%比較適宜其生長(zhǎng)，茄子生長(zhǎng)期間的耐旱力弱，在干旱條件下植株發(fā)育不良，會(huì)妨礙花的發(fā)育，已形成短柱花，使得果實(shí)發(fā)育受阻，果形小且無(wú)光澤，因此在茄子生長(zhǎng)期間缺水會(huì)嚴(yán)重影響茄子的生長(zhǎng)并造成產(chǎn)量降低。本研究以蘇琦1號(hào)茄子為材料，研究聚乙二醇-6000模擬干旱脅迫下茄子幼苗的抗旱性及其相關(guān)酶活性的變化，以期為茄子抗旱栽培及抗旱性鑒定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

分析純PEG-6000，購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。蘇崎1號(hào)茄子種子，購(gòu)自江蘇省江蔬種苗科技有限公司。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)于2020年3月至2021年1月在金陵科技學(xué)院園藝實(shí)驗(yàn)站玻璃溫室、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。選取整齊一致、飽滿(mǎn)的茄子種子，用50 ℃溫水浸種 15 min，之后用100 mg/L GA浸種6 h，置于光—暗周期為16 h(30 ℃)—8 h(20 ℃)的光照培養(yǎng)箱中催芽，待70%種子露白后播種，育苗基質(zhì)為泥炭—珍珠巖—蛭石混合物(體積比為2 ∶1 ∶1)，按常規(guī)管理。待幼苗長(zhǎng)至3～4張真葉時(shí)，用自來(lái)水將幼苗根系的基質(zhì)洗凈，再將幼苗移栽到盛有營(yíng)養(yǎng)液的20孔水培箱中，接通增氧泵，按常規(guī)管理。待茄子幼苗長(zhǎng)到3～4張真葉時(shí)，定植于水培槽中，幼苗緩苗后進(jìn)行如下3種處理：處理1，5% PEG-6000；處理2，10% PEG-6000；處理3，15% PEG-6000。以純營(yíng)養(yǎng)液栽培作為對(duì)照(CK)，共設(shè)3次重復(fù)。分別于PEG-6000干旱脅迫0、3、6 d時(shí)取生長(zhǎng)點(diǎn)下第2～3張功能葉，測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.2 相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定方法

1.2.1 茄子根、莖干、鮮質(zhì)量的測(cè)定 將洗凈的茄子幼苗根、莖、葉表面的水分吸干，分別稱(chēng)其質(zhì)量，即得鮮質(zhì)量(FW)；將稱(chēng)質(zhì)量的樣品裝入已知質(zhì)量的紙袋中，放入鼓風(fēng)干燥箱中于105 ℃殺青20 min，然后于75 ℃烘至恒質(zhì)量后稱(chēng)質(zhì)量，即得干質(zhì)量(DW)。

1.2.2 葉綠素含量的測(cè)定 分別取不同處理茄子幼苗的最大功能葉，用蒸餾水清凈、吸干表面水分后，剪去葉脈、葉緣，將葉片剪碎，稱(chēng)取0.1 g新鮮樣品放入10 mL離心管中，加入8 mL 95%乙醇提取液，蓋好蓋子，將離心管避光保存，浸提24 h后取出，分別在波長(zhǎng)663、645、470 nm處測(cè)定吸光度，并計(jì)算不同處理茄子葉片葉綠素含量。

1.2.3 凈光合速率()的測(cè)定 處理第3天用便攜式葉綠素?zé)晒鈨x(Li-6400型，美國(guó)Li-Cor公司生產(chǎn))于10：00測(cè)定茄子葉片的凈光合速率。

1.2.4 茄子幼苗過(guò)氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)活性的測(cè)定 將從金陵科技學(xué)院園藝實(shí)驗(yàn)站取回的新鮮樣品放在冰袋上剪碎，并稱(chēng)取0.2 g放入預(yù)冷的研缽中，加入2 mL配制好的磷酸緩沖液(0.01 mol/L，pH值=7.8)，在冰浴上充分研磨成勻漿，轉(zhuǎn)入10 mL離心管中，于12 000 r/min、4 ℃低溫離心20 min，小心吸取上清液，于4 ℃保存?zhèn)溆谩⒄胀鯇W(xué)奎的方法進(jìn)行SOD、POD及CAT活性的測(cè)定。

1.2.5 茄子幼苗抗壞血酸過(guò)氧化物酶(APX)活性的測(cè)定 采用南京建成生物工程研究所提供的APX試劑盒測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)整理用Excel完成，并用SPSS 24.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行新復(fù)極差分析和多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG-6000脅迫對(duì)茄子幼苗干、鮮質(zhì)量的影響

如表1所示，隨著PEG-6000處理濃度的提高，茄子幼苗地下部分干質(zhì)量、地下部分鮮質(zhì)量、地上部分干質(zhì)量、地上部分鮮質(zhì)量均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。PEG-6000脅迫3 d時(shí)，地下部分干質(zhì)量、鮮質(zhì)量在5% PEG-6000濃度處理下均達(dá)到最大值。在10%、15% PEG-6000處理下，茄子幼苗地下部分干質(zhì)量、鮮質(zhì)量下降，其中15% PEG-6000 處理的茄子地下部分干質(zhì)量、鮮質(zhì)量顯著低于對(duì)照，分別降低了35.7%、35.0%。地上部分鮮質(zhì)量在15% PEG-6000濃度處理下較對(duì)照降低了37.6%。脅迫6 d時(shí)，地下部分干質(zhì)量、鮮質(zhì)量在10%、15% PEG-6000處理下均有所降低，其中15% PEG-6000處理的地下部分干質(zhì)量、鮮質(zhì)量顯著低于CK，與CK相比分別降低了43.8%、43.9%。在10%、15% PEG-6000處理下，地上部干質(zhì)量顯著下降，與CK相比分別降低了32.4%、37.7%。地下部分干鮮質(zhì)量比、地上部分干鮮質(zhì)量比均在5% PEG-6000處理下達(dá)最大最大值，分別為16.67%、15.12%。由此可見(jiàn)，低濃度PEG-6000處理對(duì)茄子幼苗生長(zhǎng)的影響較小，隨著PEG-6000處理濃度的提高，對(duì)茄子幼苗生長(zhǎng)產(chǎn)生了明顯的抑制作用。

表1 PEG-6000對(duì)茄子幼苗干、鮮質(zhì)量的影響

2.2 PEG-6000脅迫對(duì)茄子幼苗葉綠素含量的影響

葉綠素是光合作用的主要色素之一，其含量的高低對(duì)植物光合能力的影響較大。由圖1可知，與對(duì)照相比，不同濃度PEG-6000處理顯著降低了茄子幼苗葉綠素含量，隨著PEG-6000脅迫濃度的增加、脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，茄子幼苗中的葉綠素含量逐漸降低。PEG-6000處理3 d時(shí)，各處理葉綠素含量均顯著低于CK，與CK相比分別降低了19.2%、24.5%、26.0%。PEG-6000處理6 d時(shí)，隨著 PEG-6000 濃度的提高，葉綠素含量的降低幅度增加，與CK相比分別降低了48.2%、48.5%、66.2%，各處理與CK間的差異均達(dá)到顯著水平。

2.3 PEG-6000脅迫對(duì)茄子幼苗凈光合速率的影響

在用PEG-6000處理3 d時(shí)，測(cè)定茄子幼苗的光合參數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可以看出，隨著PEG-6000處理濃度的增加，茄子幼苗的凈光合速率呈先升高后降低的趨勢(shì)，其中5%、10% PEG-6000處理的茄子幼苗凈光合速率較CK提高，分別為11.80、10.03 μmol/(m·s)，但二者與CK間沒(méi)有顯著差異。在15% PEG-6000處理下，茄子幼苗的凈光合速率下降為 7.04 μmol/(m·s)，顯著低于CK和其他處理，與CK相比降低了29.2%。在5%、10% PEG-6000處理下，茄子幼苗蒸騰速率與對(duì)照相比差異不顯著，當(dāng)PEG-6000濃度達(dá)到15%時(shí)，葉片蒸騰速率較CK顯著下降，僅為0.54 mmol/(m·s)，且顯著低于其他處理。隨著PEG-6000處理濃度的提高，茄子幼苗氣孔導(dǎo)度先升高后降低。

表2 不同濃度PEG-6000脅迫對(duì)茄子幼苗光合參數(shù)的影響

2.4 PEG-6000脅迫對(duì)茄子幼苗CAT活性的影響

CAT是活性氧清除系統(tǒng)中的重要反應(yīng)酶之一，在逆境條件下有明顯變化，一定程度上可以反映植物體受到逆境脅迫后自身應(yīng)對(duì)外界傷害能力大小的一種調(diào)節(jié)機(jī)制。由圖2可知，在PEG-6000脅迫下，茄子幼苗的CAT活性均有所提高，隨著處理時(shí)間和脅迫程度的增加，CAT活性呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)。處理3 d時(shí)，各PEG-6000處理的CAT活性均高于CK，其中15% PEG-6000處理的CAT 活性最大，為4.38 U/(g·min)，與CK間的差異達(dá)到顯著水平(<0.05)，與對(duì)照相比提高了58.12%。處理6 d時(shí)，各PEG-6000處理的CAT活性均顯著高于CK，其中15% PEG-6000處理的CAT 活性達(dá)到最大值，為5.31 U/(g·min)，與CK間差異顯著。5%、10%、15% PEG-6000處理的CAT 活性分別比CK提高了30.63%、41.04%、61.74%，5%、10% PEG-6000處理間CAT活性差異不顯著。

2.5 PEG-6000脅迫對(duì)茄子幼苗SOD活性的影響

SOD活性反映了機(jī)體清除自由基的能力，活性的高低可反映植物對(duì)逆境的抵御能力。由圖3可知，干旱脅迫顯著增加了茄子幼苗的SOD活性，隨著處理時(shí)間和脅迫程度的增加，幼苗SOD活性呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)。用PEG-6000處理3 d時(shí)，5% PEG-6000處理的SOD活性最低，為 143.49 U/(g·min)；在10%、15% PEG-6000處理下，SOD活性上升，與對(duì)照相比差異均顯著，其中15% PEG-6000處理的SOD活性最高，為 198.86 U/(g·min) 與對(duì)照相比提高了22.3%。用PEG-6000處理6 d時(shí)，與CK相比，各 PEG-6000 處理的SOD活性均顯著提高；在15% PEG-6000處理下，SOD活性達(dá)到最高值，為197.00 U/(g·min)；5%、10%、15% PEG-6000處理的SOD活性分別比CK提高了10.26%、14.31%、16.82%。

2.6 PEG-6000脅迫對(duì)茄子幼苗POD活性的影響

如圖4所示，干旱脅迫顯著提高了茄子幼苗的POD活性，隨著PEG-6000處理時(shí)間和脅迫程度的增加，POD活性呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)。PEG-6000 處理3 d時(shí)，10%、15% PEG-6000處理的POD活性顯著高于CK，其中15% PEG-6000處理的POD活性最大，為6.59 U/(g·min)，10%、15% PEG-6000處理的POD活性與CK相比分別提高了76.41%、83.07%，5% PEG-6000處理的POD活性與CK間沒(méi)有顯著差異。處理6 d時(shí)，隨著PEG-6000濃度升高，各處理的POD活性與CK相比有較大幅度提高，其中15% PEG-6000 處理的POD活性達(dá)到最大值，為 10.17 U/(g·min)；各PEG-6000處理的POD活性均顯著高于CK(<0.05)，分別提高了0.70、1.09、1.57倍；不同處理的POD活性表現(xiàn)為15% PEG-6000>10% PEG-6000>5% PEG-6000>CK，各PEG-6000處理與CK間的差異均顯著。

2.7 PEG-6000脅迫對(duì)茄子幼苗APX活性的影響

由圖5可知，各處理茄子幼苗的APX活性與CK間的差異均顯著(<0.05)，5%、10%、15% PEG-6000處理的APX活性分別比CK提高了32.96%、49.16%、26.25%。PEG-6000處理3 d時(shí)，隨著PEG-6000處理濃度的增加，茄子幼苗中APX活性逐漸上升，并且各PEG-6000處理的APX活性均顯著高于CK，其中15% PEG-6000處理的APX活性最大，為2.09 U/(g·min)；5%、10%、15% PEG-6000處理分別比CK提高了18.14%、24.24%、41.50%。PEG-6000處理6 d時(shí)，10% PEG-6000處理的APX活性最高，為 2.67 U/(g·min)；而15% PEG-6000處理的APX活性低于10% PEG-6000處理，表明長(zhǎng)時(shí)間高濃度的脅迫劑處理可能對(duì)植物造成了生理上的傷害。

3 結(jié)論與討論

在干旱脅迫下，植物為了保證自身正常生長(zhǎng)，通過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化形成了特有的抗旱模式，如通過(guò)減小葉面積來(lái)減弱蒸騰作用，進(jìn)而減少水分散失或使根系更加發(fā)達(dá)、根系量增加、葉表面蠟質(zhì)層增厚等。干旱脅迫還會(huì)引起植物根系從土壤中吸收水分、養(yǎng)分受到抑制，導(dǎo)致植物根系中的養(yǎng)分、根系活力下降，進(jìn)而影響植物地上部進(jìn)行光合作用等生理進(jìn)程，使得植物地上部的碳水化合物積累量和有機(jī)物含量降低。通常在干旱脅迫初期植物葉片生長(zhǎng)所受影響較大，植物葉片常出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。隨著干旱脅迫的進(jìn)一步增強(qiáng)或脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，植物中的相對(duì)含水量會(huì)呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。干旱作為一種環(huán)境脅迫因素，會(huì)促進(jìn)植物內(nèi)部物質(zhì)代謝加快，在短期內(nèi)提高物質(zhì)的積累量。本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫程度的增加，茄子幼苗的葉綠素含量呈降低趨勢(shì)，而干質(zhì)量、鮮質(zhì)量和凈光合速率呈現(xiàn)先升高后降低的變化趨勢(shì)，在5% PEG-6000處理下達(dá)到最大值，說(shuō)明適度脅迫有利于茄子幼苗生長(zhǎng)，而當(dāng)脅迫程度超過(guò)植物體本身能承受的范圍后，植物幼苗生長(zhǎng)量便會(huì)下降。

有研究認(rèn)為，滲透調(diào)節(jié)是植物體內(nèi)主要的調(diào)節(jié)途徑，植物體內(nèi)膨壓的降低會(huì)引起滲透保護(hù)液的積累，以此保持植物體內(nèi)的水分。當(dāng)植物體內(nèi)水分虧缺時(shí)，脯氨酸、可溶性蛋白等滲透物的積累量增加，相關(guān)生理變化有利于植物對(duì)逆境脅迫的適應(yīng)性。滲透調(diào)節(jié)過(guò)程中常見(jiàn)脯氨酸含量變化，脯氨酸是一種蛋白質(zhì)原五碳α-氨基酸，研究者早已發(fā)現(xiàn)其在植物中是一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。干旱脅迫后，植物葉片中的脯氨酸含量明顯升高。脯氨酸的調(diào)節(jié)作用有利于維持細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)，增強(qiáng)細(xì)胞保水能力，從而滿(mǎn)足正常生長(zhǎng)所需水分和促進(jìn)根部吸水，因此脯氨酸含量變化常常作為植物耐旱能力篩選指標(biāo)中的生化標(biāo)記物之一。

本研究發(fā)現(xiàn)，茄子幼苗在遭受干旱脅迫時(shí)會(huì)生成活性氧自由基，活性氧陰離子的產(chǎn)生可能參與細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)細(xì)胞受到逆境脅迫時(shí)，抗氧化酶活性降低，導(dǎo)致細(xì)胞中自由基不斷積累，進(jìn)而加速了膜脂過(guò)氧化反應(yīng)，最終破壞膜系統(tǒng)，進(jìn)而對(duì)植物體造成傷害，最終可能導(dǎo)致細(xì)胞死亡。因此，為抵抗逆境造成的傷害，植物體內(nèi)的抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)SOD、POD、CAT和APX會(huì)參與調(diào)節(jié)反應(yīng)，尤其在脅迫初期酶活性變化明顯，隨著脅迫程度的加劇，保護(hù)酶系統(tǒng)清除活性氧的能力受到抑制。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫顯著增加了茄子幼苗中的CAT、SOD、POD活性，隨著處理時(shí)間和脅迫程度的增加，呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，各處理與對(duì)照間的差異均顯著，表明活性氧清除系統(tǒng)在植物耐旱反應(yīng)中具有重要作用，有關(guān)干旱脅迫下植物活性氧清除機(jī)制仍需要深入研究。