干旱脅迫對甘蔗光合生理特性的影響

劉 碩，樊 仙，全怡吉，楊紹林，李如丹，鄧 軍，張躍彬

(1.云南大學資源植物研究院，昆明 650000；2.云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所，云南 開遠 661699)

【研究意義】甘蔗是中國種植面積最大的糖料作物，以甘蔗為原料的糖產(chǎn)量占我國食糖供應總量85%以上[1]。隨著全球氣候的變化，干旱成為影響甘蔗生長最嚴重的非生物脅迫之一。在中國，甘蔗主要種植在旱坡地，蔗區(qū)旱地面積達到70%以上[2]。夏秋季是甘蔗生長的關(guān)鍵時期—伸長期，隨著秋旱發(fā)生的日益頻發(fā)，甘蔗產(chǎn)量和糖分受到嚴重影響。因此，研究甘蔗伸長期的抗旱特性，了解土壤水分脅迫對甘蔗光合及生理生化指標的影響，對抗旱甘蔗品種選擇、提高產(chǎn)量具有指導意義。干旱脅迫下，由于植物體內(nèi)水分狀態(tài)發(fā)生改變，導致植物生理脫水，造成植物呼吸作用紊亂、膜傷害、代謝失調(diào)等一系列損害，最終使得植物生長抑制、萎蔫、局部壞死或全株死亡[3]?！厩叭搜芯窟M展】大量對甘蔗的研究表明，干旱脅迫導致甘蔗株高變矮、單莖重、葉片含水量下降[4-6]，葉片枯萎程度加重，光合作用面積減小并減弱光合作用，使甘蔗株高生長變慢，產(chǎn)量降低[7]；甘蔗脯氨酸、丙二醛、可溶性糖含量上升[8-9]；可溶性蛋白在干旱初期含量上升，后期隨著干旱增強降低[10]；超氧化物歧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、谷胱甘肽還原酶等酶活性升高[11-13]；干旱脅迫引起甘蔗光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和葉綠素含量降低，胞間二氧化碳濃度上升[14]；光系統(tǒng)II(PSII)活性Fv/Fo、光系統(tǒng)II光化學最大效率Fv/Fm隨水分脅迫強度增強而下降[15-16]。在甘蔗抗旱性鑒定的指標選取方面，有研究認為葉綠素值SPAD[17]、葉綠素熒光參數(shù)[18-19]、滲透物質(zhì)[20]、抗氧化酶活性[21]等可以作為評價甘蔗抗旱性的主要指標?！颈狙芯壳腥朦c】粵甘52號、云蔗11-1074、云瑞12-263是中國第十四輪區(qū)試的新品種，ROC22是中國主栽品種，通過對新品種和老品種之間的比較，探究品種間對干旱脅迫的表現(xiàn)。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究對4個不同基因型甘蔗在人工氣候溫室內(nèi)采用干旱脅迫—復水法，通過探究甘蔗在伸長期不同水分脅迫下相關(guān)生理生化指標及光合作用的變化趨勢和規(guī)律，并對試驗品種進行抗旱性評價，對甘蔗抗旱品種的鑒定、選育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

所選品種為粵甘52號、云蔗11-1074、云瑞12-263和ROC22，由云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所提供。

1.2 試驗設計

試驗地位于云南省開遠市云南省農(nóng)業(yè)科學院甘蔗研究所第一科研基地。將粵甘52號、云蔗11-1074、云瑞12-263和對照ROC22號用桶進行栽植(桶規(guī)格為直徑40 cm×高度35 cm)，每桶分別種植4個單芽，出苗后選取健康蔗苗定苗3株進行常規(guī)管理。于2020年9月甘蔗伸長期時對長勢一致的甘蔗開始進行干旱脅迫，設置自然干旱3、6、10 d及復水10 d 4個處理。每個處理15株，均設置正常澆水作為對照。

1.3 試驗方法

分別在各處理日上午9:00—11:00測定植株的光合參數(shù)并取樣。甘蔗葉片的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間二氧化碳濃度(Ci)由LI-6400便攜式光合儀測定。葉綠素含量采用手持SPAD-502測定+1葉SPAD值。使用Handy Pea進行葉綠素熒光參數(shù)的測定。葉片含水率用稱重法測定，超氧化物歧化酶(SOD)活性用WAT-8法測定[22]，過氧化物酶(POD)活性用微量法測定[23]，過氧化氫酶(CAT)用鉬酸銨比色法測定[24]，丙二醛(MDA)用硫代巴比妥酸法測定[25]，脯氨酸(Pro)用磺基水楊酸法測定[26]，可溶性糖(SS)用蒽酮比色法測定[27]，可溶性蛋白(SP)用BCA法測定[28]，谷胱甘肽還原酶(GR)活性采用試劑盒進行測定。在各處理取樣前測量株高并記錄綠葉數(shù)和總?cè)~數(shù)，計算綠葉率。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根據(jù)以下公式計算各品種所有指標的隸屬函數(shù)值，以各品種平均隸屬函數(shù)值作為抗旱性評價的依據(jù)[29]。

(1)

(2)

式中，Xi是某指標測定值；Ximin和Ximax分別為4個甘蔗品種中某一指標內(nèi)的最小值和最大值。當所測指標與抗旱性為正相關(guān)時，用(1)式計算，反之使用(2)式計算。平均隸屬函數(shù)值越高的品種抗旱性越強，反之抗旱性越弱。

數(shù)據(jù)采用軟件SPSS 25.0進行統(tǒng)計和分析，Origin 2019進行作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對甘蔗形態(tài)特征的影響

從表1可以看出，4個甘蔗品種綠葉率的變化，正常供水下綠葉率均達到70%以上。干旱脅迫下4個品種的綠葉率均隨著干旱時間的增長顯著降低，在復水后顯著提升。云瑞12-263在正常供水時綠葉率為4個品種中最低，為74.49%，但在干旱脅迫10 d時綠葉率為45.18%，顯著高于其它3個品種?；浉?2號在干旱3 d時綠葉率顯著高于其它品種，在干旱10 d時綠葉率為4個品種中最低，僅為13.39%。復水后，ROC22和云瑞12-263的綠葉率恢復，與干旱6 d時無顯著差異，說明復水情況較好，云蔗11-1074與粵甘52號的綠葉率雖然顯著高于干旱10 d，但低于干旱6 d，恢復能力較弱。

甘蔗是一種高光效C4植物，本研究中，正常供水下葉片含水率達80%以上。從表2可以看出，干旱脅迫后期會對甘蔗葉片含水率影響顯著。干旱3 d時4個品種葉片含水率無顯著差異，在干旱10 d時葉片含水率均顯著低于其它處理，其中粵甘52號的葉片含水率顯著低于其它3個品種。復水后，4個品種的葉片含水率均顯著提升。

從表3可以看出，受干旱脅迫影響4個品種的株高生長速率均低于對照。干旱脅迫下ROC22和云瑞12-263的株高生長速率高于云蔗11-1074和粵甘52號。干旱10 d時，粵甘52號生長速率最低，僅為0.13，ROC22最高，為0.71。復水后，云瑞12-263株高生長速率最高為0.93，云蔗11-1074最低為0.38。

表1 干旱脅迫對甘蔗綠葉率的影響

表2 干旱脅迫對甘蔗葉片含水率的影響

表3 干旱脅迫對株高生長速率的影響

2.2 干旱脅迫對甘蔗光合作用的影響

由圖1可以看出，在干旱脅迫下4個甘蔗品種的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均低于正常澆水對照。干旱脅迫下，4個品種的凈光合速、氣孔導度和蒸騰速率均隨著干旱加劇后復水而呈現(xiàn)出先降低后增加的趨勢。其中粵甘52號的凈光合速率和氣孔導度在干旱3、6、10 d 3個處理中是4個品種中最低的，復水后其凈光合速率和氣孔導度恢復至4個品種中的最高值，分別達到了9.18 μmol/(m2·s)和0.076 mol/(m2·s)。云瑞12-263的凈光合速率和氣孔導度在干旱3、6、10 d 3個處理中均為最高。云蔗11-1074在正常和干旱期間的凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率均處于較低水平。ROC22作為對照品種，在干旱10 d時凈光合速率、氣孔導度、蒸騰速率和胞間CO2濃度分別為0.66 μmol/(m2·s)、0.006 mol/(m2·s)、 0.151 mmol/(m2·s)和292.75 μmol/mol。隨著干旱脅迫氣孔關(guān)閉，4個品種的胞間CO2濃度隨著干旱加劇而不斷上升，其中粵甘52號上升最高在干旱10 d時為459.00 μmol/mol，云蔗11-1074最低為290.75 μmol/mol。復水后，4個品種的胞間CO2濃度均有所降低。

由圖2可以看出，各參試品種在不同干旱脅迫時期下的葉綠素熒光Fv/Fm和Fv/Fo的變化情況。正常澆水時，4個品種的Fv/Fm和Fv/Fo無較大變化。在干旱6 d至干旱10 d時4個品種Fv/Fm降低，ROC22、云蔗11-1074、云瑞12-263和粵甘52號的降幅分別為26.84%、39.31%、9.96%、55.62%，其中粵甘52號降幅最大，云瑞12-263降幅最小。Fv/Fo在干旱脅迫下也受到影響，在干旱6 d至干旱10 d時ROC22、云蔗11-1074、云瑞12-263和粵甘52號的降幅分別為58.10%、71.77%、25.20%、75.06%，其中云瑞12-263降幅最小。復水后，4個品種Fv/Fm和Fv/Fo均有所回升。

水分脅迫下葉綠體膨脹，排列紊亂，基質(zhì)片層模糊，基粒間連接松弛，類囊體層腫脹或解體，葉綠素含量下降[30]。由圖3可以看出，正常澆水情況下，4個時期內(nèi)各品種的SPAD均無顯著差異。干旱脅迫時，除云瑞12-263在4個時期SPAD無顯著差異外，其它3個品種在干旱10 d時均顯著低于干旱3和6 d。在干旱10 d時，4個品種的葉綠素均達到最低值，分別為28.89、27.20、32.87和17.44。SPAD排序為云瑞12-263>ROC22>云蔗11-1074>粵甘52號。

2.3 干旱脅迫對甘蔗抗氧化酶活性的影響

由圖4可以看出，干旱脅迫下甘蔗抗氧化酶活性的變化規(guī)律。干旱脅迫導致4個品種的SOD活性不斷提高，并在干旱10 d時達到最高值，顯著高于干旱3和 6 d，復水后顯著降低。云瑞12-263的SOD活性在干旱脅迫3、6、10 d和復水10 d 4個處理中均顯著高于ROC22、云蔗11-1074和粵甘52號。ROC22和云瑞12-263在干旱6、10 d時POD活性均沒有顯著差異，粵甘52號在干旱6、10 d和復水10 d的POD活性分別為814.25、984.47、650.02 U/g，均顯著高于其它3個品種，在干旱脅迫6、10 d時3個品種并無顯著差異。干旱脅迫下4個品種的CAT活性在干旱10 d時顯著高于其它處理。云瑞12-263在4個處理的CAT活性為77.64、79.03、81.76和80.88 U/g，均顯著高于其它3個品種，云蔗11-1074在干旱3、6 d時CAT活性最低，到干旱10 d時增幅達到204.73%。GR活性在干旱10 d時顯著高于其它處理。ROC22在干旱10 d時GR活性顯著高于其它品種，為522.75 nmol/(min·g)。

2.4 干旱脅迫對甘蔗滲透物質(zhì)的影響

由圖5可以看出，干旱脅迫下4個甘蔗品種的脯氨酸含量隨脅迫時間顯著升高，在干旱10 d時顯著高于其它處理?；浉?2號的脯氨酸含量在干旱10 d時為139.70 μg/g，顯著高于其它品種。ROC22的脯氨酸含量在干旱脅迫4個處理中均為最低。復水后，脯氨酸含量均顯著下降。4個品種的丙二醛含量都在干旱10 d時顯著高于其它處理，其中云蔗11-1036顯著高于其它品種。4個品種的MDA含量均在復水后顯著降低。云瑞12-263在干旱6、10 d和復水10 d處理中MDA含量最低，分別為29.00、34.38和21.96 nmol/g。ROC22、云蔗11-1036和云瑞12-263的可溶性糖含量在干旱10 d時顯著高于其它處理，粵甘52號在干旱6 d時顯著高于其它處理。干旱10 d時，云瑞12-263的可溶性糖含量為24.59 mg/g，顯著高于其它品種。各品種可溶性蛋白含量在干旱6 d時達到最高，其中粵甘52號最高，為34.89 mg/g。在干旱10 d時，ROC22、云蔗11-1074和云瑞12-263可溶性蛋白含量為4個處理中的最低值，復水后則有所回升。

2.5 干旱脅迫下四個品種抗旱性綜合評價

由表4可以看出，各品種在干旱脅迫下的各項抗旱指標隸屬函數(shù)值各不相同，通過平均隸屬函數(shù)計算后得出各品種的抗旱性排序，結(jié)果為云瑞12-263>ROC22>云蔗11-1074>粵甘52號。

表4 不同甘蔗品種伸長期抗旱性評價

續(xù)表4 Continued table 4

3 討 論

3.1 干旱脅迫對甘蔗農(nóng)藝性狀的影響

干旱脅迫下甘蔗的正常生長會受到抑制，形態(tài)上主要表現(xiàn)為綠葉數(shù)大幅度減少導致甘蔗生長變慢，莖徑變小。蔗株在干旱脅迫下保持較多的綠葉數(shù)，則該品種抗旱性越強[7]。本研究表明，粵甘52號葉片形態(tài)受影響最為嚴重，綠葉率受損較高，云瑞12-263受影響較小。葉片相對含水率表現(xiàn)了葉片的水分情況，本研究發(fā)現(xiàn)4個品種甘蔗葉片含水率在遭受干旱脅迫初期不會有較大的改變，經(jīng)歷嚴重干旱后粵甘52號的葉片含水率降低較大。葉片中細胞在經(jīng)歷脅迫時能夠有效保持水分，然而當細胞因干旱而受到破壞時，抗旱性較差的品種由于細胞膜結(jié)構(gòu)的損害，所以不能及時吸水造成葉片水分含量降低。株高作為甘蔗產(chǎn)量形成的關(guān)鍵因素之一，干旱脅迫對植株生長速率造成影響,使甘蔗節(jié)間伸長受阻，造成甘蔗減產(chǎn)[31]。本研究中，干旱脅迫下株高生長速率減慢，云瑞12-263和ROC22受影響較小，其降低幅度較低，粵甘52號和云蔗11-1074受影響較大。

3.2 干旱脅迫對甘蔗光合作用的影響

光合作用在干旱脅迫時降低的原因分為氣孔限制和非氣孔限制。若CO2進入葉片受阻是由氣孔導度降低引起光合速率降低的，屬于氣孔限制。胞間CO2濃度升高，氣孔導度降低，則說明光合速率的下降是因為光合色素量減少，葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞等非氣孔原因引起的，屬于非氣孔限制。本試驗中，隨著干旱脅迫時間的增加，4個甘蔗品種的葉片氣孔導度、蒸騰速率明顯降低，隨著胞間CO2的升高，氣孔導度隨之降低，說明造成光合作用降低的原因是非氣孔限制，葉片進行光合作用的部位受到了破壞。在干旱脅迫初期，葉片蒸騰速率快速降低，是由于甘蔗感受到干旱脅迫，限制了氣孔開度，減少水分流失。ROC22和云瑞12-263在干旱前期氣孔導度快速降低，限制了蒸騰作用，對干旱脅迫有著較快的響應。干旱嚴重時蒸騰速率的下降已經(jīng)不明顯，則說明氣孔應對干旱的調(diào)節(jié)已經(jīng)起不到重要作用。有研究表明，耐旱性較強的品種在干旱脅迫中期葉綠素含量降低速度更小[15]。本研究中云瑞12-263降低速度最小，粵甘52號降低速度最大。ROC22在正常澆水和干旱脅迫下均能保持較高的光合能力；云瑞12-263正常澆水時光合能力較差，但干旱脅迫時光合能力最強；粵甘52號在正常澆水時光合能力最高，但干旱脅迫下其光合作用下降最嚴重。有研究發(fā)現(xiàn)甘蔗在苗期受旱后葉綠素熒光參數(shù)下降顯著[32]。本研究分析了伸長期干旱脅迫下4個甘蔗品種葉片光合機構(gòu)對干旱脅迫的響應。本試驗結(jié)果表明，隨著水分脅迫時間的延長，4個品種的Fv/Fm和Fv/Fo均顯著下降，ROC22和云瑞12-263的降幅小于云蔗11-1074和粵甘52號。ROC22水分脅迫下蔗葉Fv/Fm和Fv/Fo的動態(tài)變化因品種抗旱性能不同而有不同的模式，這與前人的研究[19]相一致。

3.3 干旱脅迫對甘蔗生理變化的影響

干旱脅迫會引起植物葉綠體、線粒體和過氧化物酶體中的ROS濃度升高到損害水平[33]。ROS是有氧代謝不可避免的副產(chǎn)物，損害植物細胞的正常功能，ROS的合成非常普遍，胞內(nèi)和胞外都有產(chǎn)生部位[34]。本研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫的持續(xù)，4個品種的抗氧化酶活性均不斷升高。ROC22和云瑞12-263的抗氧化酶活性高于云蔗11-1074和粵甘52號，較高的抗氧化酶活性有助于減輕干旱帶來的傷害。MDA反映了細胞膜遭受破壞的程度，云蔗11-1074的MDA含量較高，說明其細胞膜遭破壞程度較為嚴重。干旱脅迫導致各品種滲透物質(zhì)含量提升，如脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白。研究發(fā)現(xiàn)干旱條件下植物通過自身糖類的代謝以增強細胞的保水能力，使植物能夠在逆境中更好生存[7]。云瑞12-263在遭受嚴重脅迫時，其可溶性糖含量在4個品種中含量最高，有利于植物抗旱。植物在失水時會產(chǎn)生可溶性蛋白進行保護，本研究發(fā)現(xiàn)，隨著干旱脅迫的進行，在干旱6 d時4個品種的可溶性蛋白達到最高，在干旱10 d時除粵甘52號外其它3個品種可溶性蛋白含量為最低值，其中粵甘52號下降幅度最大而云瑞12-263下降幅度最小，說明脅迫導致蛋白酶活性迅速提高，加速了蛋白質(zhì)的水解。

4 結(jié) 論

4個甘蔗品種的抗旱性排序為云瑞12-263>ROC22>云蔗11-1074>粵甘52號。ROC22作為主栽品種，其光合作用能力、應對干旱的反應速度以及受干旱脅迫后的恢復能力均表現(xiàn)較好。較ROC22而言，云瑞12-263具有最強的抗旱能力，在干旱脅迫下光合作用能力強，具有較高的抗氧化酶活性，但是在正常供水條件下綠葉率以及光合作用較差?；浉?2號屬于高光效甘蔗品種，綠葉率高、光合作用強且生長速度快，在干旱條件下卻易受到很大影響，嚴重損失光合及生長能力；云蔗11-1074在正常及干旱脅迫下，光合作用和生長能力均未有較好表現(xiàn)。因此，在進行抗旱育種時，干旱脅迫下甘蔗的光合能力應值得重點研究。