干旱脅迫下噴施黃腐酸對燕麥光合及其抗氧化酶活性的影響

朱珊珊，米俊珍，趙寶平，武俊英，王 瑩，劉景輝

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，呼和浩特 010019)

燕麥(AvenasativaL.)作為中國北方重要的糧飼兼用作物，具有豐富的營養(yǎng)價值和保健功能，多種植于干旱、半干旱地區(qū)，干旱是制約燕麥產(chǎn)量最主要的環(huán)境因子[1]。隨著氣候的變暖，極端干旱天氣日益頻發(fā)，植物干旱缺水的情況更加嚴(yán)重[2]。干旱脅迫使植物體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除系統(tǒng)之間的平衡遭到破壞，導(dǎo)致活性氧過量積累，造成植物細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)損傷[3]，還導(dǎo)致植物葉片光合色素的積累減少，光合作用受到抑制，細(xì)胞正常代謝受阻，最終影響植物生長[4-5]。因此，探究改善燕麥對干旱脅迫適應(yīng)能力的有效農(nóng)藝措施及其調(diào)節(jié)機(jī)制具有重要的理論和實(shí)踐意義。

黃腐酸是腐植酸中具有親水性、分子量較小的有機(jī)化合物，屬于水溶性腐植酸，對植株生長起促進(jìn)作用[6]。黃腐酸可以增加植株干物質(zhì)積累量，提高光合色素含量，增強(qiáng)植株對逆境的抵抗能力[7]。有研究表明，干旱脅迫下，腐植酸能改善作物葉綠素?zé)晒鈪?shù)，提高植株氣體交換，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量及抗旱能力[8-9]。Zhang等的研究表明，干旱脅迫下噴施黃腐酸能更好地提高蘋果植株的抗氧化酶活性，增加脯氨酸含量，降低丙二醛含量使其新陳代謝旺盛，增強(qiáng)植物的抗旱能力[10]。盡管黃腐酸在燕麥抗旱性方面已經(jīng)有一些研究[8,11-12]，但是關(guān)于干旱脅迫下燕麥光合特性和抗氧化酶活性相結(jié)合對黃腐酸的響應(yīng)鮮見報道。因此，本研究以燕麥為試驗材料，通過分析干旱脅迫下黃腐酸對燕麥光合特性及抗氧化酶活性的影響，為黃腐酸在燕麥抗旱種植中的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

1 材料和方法

1.1 試驗材料及設(shè)計

試驗于2021年4月至8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(jìn)行。試驗材料為‘燕科2號’，由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院提供。黃腐酸采購于范德生物科技公司，純度大于85%。試驗選用直徑為25 cm，高18 cm的塑料盆，內(nèi)裝混合土5 kg(河沙∶泥炭土體積比1∶1)，泥炭土中N+P+K大于10 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)量大于50 g·kg-1，pH值為5.5～8.5，土壤含水量為9%。播種前以2 g/盆磷酸二銨做底肥施入(N 18%，P2O546%)。每盆播種30株，三葉期定植為20株。采用隨機(jī)區(qū)組排列，隨機(jī)分成7組做如下處理：對照組(CK)，正常供水(田間持水量的75%)+葉面噴施蒸餾水；單獨(dú)干旱脅迫處理(D0)，干旱脅迫(田間持水量的45%)+葉面噴施蒸餾水；干旱脅迫下葉面噴施黃腐酸處理，干旱脅迫(田間持水量的45%)+葉噴不同濃度的黃腐酸處理(D1～D5)，各處理黃腐酸濃度依次為200、400、600、800、1 000 mg/L。每個處理重復(fù)3次，每次重復(fù)種植3盆，共63盆。從2021年5月10日拔節(jié)期開始采用稱重差值法進(jìn)行控水[13]，在控水開始后的上午9:00-11:00進(jìn)行噴施黃腐酸和清水，連續(xù)噴施3 d，每盆噴施量為45 mL，噴施處理結(jié)束后第7天進(jìn)行各項指標(biāo)測定。

1.2 測定項目與方法

1.2.1 地上部鮮、干重每個重復(fù)取5株燕麥幼苗，放入紙袋稱鮮重，每個處理重復(fù)3次。測完鮮重的樣品放入烘箱105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干到恒重，稱取干重。

1.2.2 光合特性的測定(1)光合氣體交換參數(shù)：在晴朗無風(fēng)的上午9:00-11:30，用便攜式光合儀(CIRAS-3)測定旗葉氣體交換參數(shù)，包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)。每個處理各測3株。測定時飽和光強(qiáng)為1 200 μmol·m-2·s-1，CO2濃度為400 μmol·mol-1，葉室溫度為30 ℃。

(2)光合色素含量：采用乙醇浸提法[14]。取燕麥旗葉，用蒸餾水洗凈、擦干后剪碎混勻，取0.20 g放入25 mL容量瓶中，用95%乙醇定容后置于黑暗處浸提，直至葉片完全變白，最后以95%乙醇為對照，測定其在470 nm、649 nm和665 nm處的吸光值，計算葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素含量，每個處理重復(fù)3次。

(3)葉綠素?zé)晒鈪?shù)：每個處理選擇3片生長完好的旗葉葉片，用FMS-2便攜式脈沖調(diào)制式熒光儀測定葉綠素?zé)晒鈪?shù)。先測定光下最大熒光(Fm′)、穩(wěn)態(tài)熒光(Fs)和光下最小熒光(Fo′)，然后將同部位燕麥幼苗葉片暗適應(yīng)20 min，測定初始熒光(Fo)、最大熒光(Fm)，通過以上測定的葉綠素?zé)晒鈪?shù)計算出光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm，光系統(tǒng)Ⅱ?qū)嶋H光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)= (Fm′-Fs)/Fm′，光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)=(Fm′-Fs)/(Fm′-Fo′)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)=(Fm-Fm′)/Fm′，電子傳遞效率(ETR)=ΦPSⅡ*PAR*0.84*0.5，PAR為光合有效輻射。

1.2.3 抗氧化酶活性測定取各處理的燕麥旗葉，剪成小段混勻，用來測定以下生理指標(biāo)。分別稱取0.5 g，采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法測定超氧化物歧化酶(SOD)活性[15]，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(POD)活性[16]；稱取0.1 g，采用過氧化氫法測定過氧化氫酶(CAT)活性[17]。以上生理指標(biāo)每個處理3次重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Microsoft Excel2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及作圖，使用SPSS22.0軟件進(jìn)行單因素方差分析，并運(yùn)用Duncan’s檢驗法對顯著性差異進(jìn)行多重比較(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 噴施黃腐酸對干旱脅迫下燕麥地上部鮮、干重的影響

圖1顯示，燕麥的地上部鮮重和干重在單獨(dú)干旱脅迫處理(D0)下較CK分別顯著降低了25.39%和37.84%(P<0.05)；與D0處理相比，干旱脅迫下噴施黃腐酸處理(D1～D5)中，D3處理燕麥幼苗的地上鮮重和干重顯著提高(P<0.05)，其余處理無顯著變化，其中D3處理的地上鮮重和干重比單獨(dú)干旱脅迫處理(D0)顯著升高了28.59%和39.13%(P<0.05)。說明葉面噴施適宜濃度的黃腐酸可顯著促進(jìn)干旱脅迫下燕麥幼苗地上生長，并以600 mg/L黃腐酸處理效果最好。

CK. 對照，正常供水(田間持水量的75%)；D0. 干旱脅迫(田間持水量的45%)；D1～D5. D0 +葉面分別噴施200、400、600、800、1 000 mg/L的黃腐酸處理；不同小寫字母表示同一指標(biāo)不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同圖1 干旱脅迫下黃腐酸對燕麥地上部鮮重和干重的影響CK. Control, normal water supply (75% of field capacity); D0. Drought stress (45% of field capacity); D1-D5. D0 and foliar sprayed with 200, 400, 600, 800 and 1 000 mg/L fulvic acid, respectively; Different lowercase letters represent significant differences among different treatments of the same index (P<0.05); the same as belowFig.1 Effects of fulvic acid on dry and fresh weight of A. sativa shoot under drought stress

2.2 噴施黃腐酸對干旱脅迫下燕麥葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

由表1可知，干旱脅迫處理下(D0)，燕麥幼苗的Pn、Tr和Gs較CK均顯著下降，分別降低了54.45%、26.88%和57.69%，而Ci則提高了35.59%，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。與D0相比，葉面噴施不同濃度黃腐酸對燕麥的Pn、Tr和Gs均具有一定促進(jìn)作用，但隨著黃腐酸處理濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并均在D3處理達(dá)到最大值，增幅分別為74.38%、26.47%和43.34%，而Ci則表現(xiàn)出完全相反的規(guī)律，并在D3處理達(dá)到最小值，降幅為19.52%，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)。可見，適宜濃度的黃腐酸處理能有效提高干旱脅迫下燕麥幼苗的光合速率，增強(qiáng)光合能力。

表1 干旱脅迫下黃腐酸對燕麥葉片光合氣體交換參數(shù)的影響

2.3 噴施黃腐酸對干旱脅迫下燕麥葉片光合色素含量的影響

由表2可知，干旱脅迫處理下(D0)， 燕麥葉片的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素及葉綠素a+b含量較CK均顯著下降(P<0.05)，分別降低了28.14%、14.95%和42.42%及23.86%。與D0相比，葉面噴施不同濃度黃腐酸對燕麥葉片的葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素及葉綠素a+b含量均具有促進(jìn)作用，但隨著黃腐酸處理濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并均在D3處理達(dá)到最大值。與D0相比，D3處理的葉綠素a、類胡蘿卜素和葉綠素a+b含量，分別增加了25.17%、47.37%和21.03%，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，葉綠素b含量增加了13.19%，差異不顯著。

表2 干旱脅迫下噴施黃腐酸對燕麥葉片光合色素含量的影響

2.4 噴施黃腐酸對干旱脅迫下燕麥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

表3顯示，燕麥幼苗葉片F(xiàn)v/Fm、ΦPSⅡ、qP和ETR在單獨(dú)干旱脅迫處理(D0)下均較CK明顯降低，而Fo、NPQ升高，且均達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。在干旱脅迫條件下，葉面噴黃腐酸處理(D1～D5)幼苗葉片的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP和ETR均隨著黃腐酸濃度的增加而先升高后降低，并均在D3處理時達(dá)到最大值，而其葉片F(xiàn)o、NPQ則隨著黃腐酸的增加而先降低后升高，并在D3處理時達(dá)到最小值；與D0相比，幼苗葉片的Fv/Fm、ΦPSⅡ、qP和ETR在D1～D5處理均不同程度升高，其中Fv/Fm、ΦPSⅡ和ETR在D3達(dá)到顯著水平(P<0.05)，增幅分別為6.49%、69.57%和70.71%，qP未達(dá)到顯著水平；其葉片F(xiàn)o、NPQ在D1～D5處理下均不同程度降低，其中D2～D5處理的降幅均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，最低的D3處理降幅分別為13.32%、43.75%。

表3 干旱脅迫下噴施黃腐酸對燕麥葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

2.5 噴施黃腐酸對干旱脅迫下燕麥葉片抗氧化酶的影響

圖2顯示，燕麥葉片超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)和過氧化氫酶(CAT)活性在單獨(dú)干旱脅迫處理(D0)下均比CK明顯增加，增幅分別為25.68%、19.98%和7.29%，且SOD和POD達(dá)到顯著差異水平(P<0.05)。在單獨(dú)干旱脅迫下，葉噴黃腐酸處理(D1～D5)葉片的SOD、POD、CAT活性均隨著黃腐酸濃度的增加而先升高后降低，并均在D3處理時達(dá)到最大值。與D0相比，幼苗葉片的POD、CAT活性在D1～D5處理均不同程度升高，且均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其中在D3處理下增幅最大，分別為76.57%、55.26%。其葉片SOD活性在D1～D5處理下均不同程度升高，其中的D3處理增幅達(dá)到顯著水平(P<0.05)，增幅為12.19%。說明黃腐酸能顯著提高干旱脅迫下燕麥幼苗的SOD、POD、CAT活性，增強(qiáng)燕麥幼苗葉片細(xì)胞對活性氧的清除能力，緩解因干旱脅迫而引起的膜脂過氧化程度。

圖2 干旱脅迫下噴施黃腐酸對燕麥葉片抗氧化酶活性的影響Fig.2 Effects of fulvic acid on antioxidant enzyme activities in A. sativa leaves under drought stress

3 討 論

有研究表明，黃腐酸可以緩解干旱對甘蔗[18]、馬鈴薯[19]、黃瓜[20]的傷害，提高其耐旱性，且存在濃度效應(yīng)。本試驗發(fā)現(xiàn)，噴施200～1 000 mg/L FA可以降低干旱脅迫下燕麥葉片的膜脂過氧化傷害，提高燕麥的耐旱性，這與前人研究結(jié)果一致，而本試驗條件下以600 mg/L FA的綜合效果最好，與前人研究結(jié)果在濃度上有所差異，可能是因為所施用的作物不同，作物所能吸收的量也不同。

氣孔是植物與周圍空氣進(jìn)行氣體交換的重要通道，為植物的光合作用提供原料CO2。干旱脅迫下光合速率受抑制有氣孔因素和非氣孔因素兩種原因，氣孔因素是葉片氣孔關(guān)閉，從環(huán)境中吸收CO2的途徑受到阻礙，從而降低光合速率；非氣孔因素是外界環(huán)境的變化導(dǎo)致葉肉細(xì)胞光合活性降低，光合速率降低[21-23]。本研究表明單獨(dú)干旱脅迫處理下，燕麥葉片的Pn、Gs和Tr均顯著降低，而Ci顯著增加，說明燕麥幼苗光合速率的下降是由非氣孔因素導(dǎo)致的，究其原因可能是干旱破壞了葉綠體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使葉片光合機(jī)構(gòu)損傷，光合活性下降，導(dǎo)致CO2的固定和轉(zhuǎn)化受到抑制，Ci升高[24-25]。Anjume等[26]研究表明黃腐酸能促進(jìn)光合作用，降低氣孔開放狀態(tài)和蒸騰速率，從而促進(jìn)生長，減少水分流失。本試驗結(jié)果顯示600 mg/L黃腐酸能顯著提高干旱脅迫下燕麥葉片Tr、Pn和Gs，降低Ci，可能是黃腐酸通過提高干旱脅迫下植物體內(nèi)光合作用過程中相關(guān)碳同化酶的活性來增強(qiáng)植物光合能力[11]。

光合色素是植物進(jìn)行光合作用吸收、傳遞、轉(zhuǎn)化光能的主要色素[27]。干旱脅迫導(dǎo)致植物葉片失水，破壞類囊體膜結(jié)構(gòu)，影響葉綠素的合成，甚至促進(jìn)已合成的葉綠素分解，使得葉綠素和類胡蘿卜素含量降低[28-29]。本試驗結(jié)果表明，干旱脅迫下燕麥葉片的光合色素含量明顯降低，與上述研究結(jié)果相似。但也有研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫使葉片含水量下降，葉片擴(kuò)展生長受阻，導(dǎo)致葉片單位面積的葉綠素含量升高[30]，與本研究結(jié)果相反，說明不同類型作物對干旱脅迫的反應(yīng)不同。劉彩娟等[20]研究表明，噴施黃腐酸能提高干旱脅迫下黃瓜的光合色素含量。本試驗發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下噴施600 mg/L黃腐酸能顯著增加燕麥光合色素含量，說明黃腐酸可以緩解干旱脅迫對燕麥幼苗葉綠素的降解，增強(qiáng)燕麥葉片對光能的吸收和利用，進(jìn)而提高干旱條件下燕麥的Pn，這與姜磊[31]在黃果柑抗旱性研究中的結(jié)果一致。

葉綠素?zé)晒饧夹g(shù)是觀測PSⅡ活性、功能以及電子傳遞方面的探針[32]，逆境脅迫造成PSⅡ反應(yīng)中心損傷，使光合電子傳遞和PSⅡ的光合作用活力受到抑制,光合速率下降[33]。本試驗中，干旱脅迫導(dǎo)致燕麥葉片F(xiàn)v/Fm、qP、ETR和ΦPSⅡ的顯著下降，F(xiàn)o、NPQ顯著上升。說明干旱脅迫使燕麥葉片的PSⅡ反應(yīng)中心活性和開放程度受損，能量耗散途徑受到抑制，PSⅡ反應(yīng)中心的過剩光能大量積累，光合機(jī)構(gòu)受到傷害，從而導(dǎo)致其光能利用能力降低[34]。黃腐酸噴施緩解了干旱脅迫下Fv/Fm、qP、ETR和ΦPSⅡ的下降，F(xiàn)o、NPQ的上升。說明黃腐酸能提高PSⅡ?qū)饽艿牟东@能力和轉(zhuǎn)化效率，修復(fù)干旱脅迫對PSⅡ反應(yīng)中心的損傷、降低熱耗散程度，增加光合電子傳遞速率，維持光合機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定，從而提高光合效率，有效緩解了干旱脅迫對燕麥幼苗生長的抑制作用，這與梁太波等[35]在腐植酸處理旱作小麥上的研究結(jié)果相一致。

正常情況下植株體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生與消除處于動態(tài)平衡，當(dāng)遇到逆境脅迫時，這種動態(tài)平衡會被破壞，此時植株通過提高抗氧化酶活性來清除自由基，從而緩解脅迫對植株所帶來的傷害[36]。本試驗發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，燕麥葉片中的抗氧化酶 SOD、POD、CAT活性顯著高于CK，說明燕麥在遭受到干旱脅迫后，通過自身調(diào)節(jié)機(jī)制使SOD、POD、CAT活性增強(qiáng)，使植株適應(yīng)干旱環(huán)境的能力提高。Ramin等[37]研究發(fā)現(xiàn)，噴施黃腐酸可明顯提高小麥等作物體內(nèi)SOD、CAT活性。王娟等[38]結(jié)果表明，腐植酸處理下的雞冠花幼苗SOD等保護(hù)酶活性提高，減緩了水分脅迫造成的傷害。本研究中，600 mg/L黃腐酸處理顯著增強(qiáng)了干旱脅迫下燕麥幼苗的SOD、POD和CAT的活性，且隨著黃腐酸濃度的升高呈先增加后降低的趨勢，這與周海濤等在皮燕麥上報道的黃腐酸提高干旱脅迫下SOD、POD和CAT活性的研究結(jié)果一致[12]，說明600 mg/L黃腐酸對細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)具有良好的修復(fù)和保護(hù)作用，維持了細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定，有效緩解了干旱脅迫造成的氧化損傷，增強(qiáng)了燕麥幼苗的抗旱性。

4 結(jié) 論

黃腐酸通過緩解干旱脅迫下燕麥葉片的光合作用的減弱，提高光合色素含量及抗氧化酶活性，降低PSⅡ的損傷程度，來改善植株光合能力、維持抗氧化酶系統(tǒng)相對穩(wěn)定，進(jìn)而緩解活性氧、自由基對植物的氧化損傷，抑制干旱脅迫對其造成的傷害，并具有濃度效應(yīng)，以600 mg/L的黃腐酸緩解作用效果最佳。