干旱脅迫對不同抗旱類型蕪菁苗期生理特性的影響

高亞寧,軒正英,張凱浩,李 玉,常 嬌,阿依買木·沙吾提,馬國財(cái)

(1.塔里木大學(xué)園藝與林學(xué)學(xué)院,新疆 阿拉爾 843300;2.塔里木大學(xué)南疆特色果樹高效優(yōu)質(zhì)栽培與深加工技術(shù) 國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,新疆 阿拉爾 843300;3.塔里木大學(xué)分析測試中心,新疆 阿拉爾 843300)

蕪菁(Brassicarapa.L)別名蔓菁、圓根、盤菜等,由油用亞種演化而來,隸屬于十字花科蕓薹屬[1]。其維吾爾語又稱為恰瑪古,是生長在新疆天山南部、塔里木盆地西北,具有藥用、食用、飼用三大應(yīng)用價(jià)值的2 a生草本植物[2-3]。新疆屬于極旱地區(qū),土地沙漠化嚴(yán)重、日照時(shí)間長、水分蒸發(fā)量大,大多數(shù)土地為山脈、戈壁和沙漠[4]。蕪菁雖耐瘠薄、耐干旱,有較強(qiáng)的適應(yīng)性,但長時(shí)間的干旱少雨仍會在一定程度上對蕪菁的葉片及肉質(zhì)根生長發(fā)育造成嚴(yán)重影響。眾多研究表明,干旱脅迫可引起植物的生理生化過程損害,如細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)[5]、關(guān)鍵酶活性[6]、活性氧合成與積累[7]、氣孔調(diào)節(jié)和其他氣體交換特性[8]。植物細(xì)胞可以調(diào)控基因的表達(dá)、產(chǎn)生新的蛋白質(zhì),進(jìn)而引起植物生理和代謝上的變化來應(yīng)對干旱脅迫[9]。例如降低凈光合速率,改變植物代謝途徑,累積可溶性物質(zhì),合成脯氨酸、甜菜堿等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),分解體內(nèi)原有的蛋白質(zhì),同時(shí)合成參與各種代謝調(diào)節(jié)相關(guān)的酶[10]。Jabeen等[11]研究表明干旱脅迫導(dǎo)致蕪菁的生長量(根和莖的干質(zhì)量與鮮質(zhì)量、根長與莖長)、色素含量(葉綠素a,b和總?cè)~綠素)、總酚和抗壞血酸含量減少,顯著增強(qiáng)了蕪菁葉片與根部的游離脯氨酸、甜菜堿、丙二醛、過氧化氫的含量以及提高了其過氧化氫酶和超氧化物歧化酶活性。

當(dāng)前在蕪菁的營養(yǎng)品質(zhì)、遺傳多樣性和非生物脅迫等多方面都開展了大量的研究[1-3,11],但鮮有關(guān)于蕪菁抗旱性方面的研究。本試驗(yàn)選取前期篩選出的1個(gè)抗旱型資源和1個(gè)干旱敏感型資源,采用盆栽自然干旱法,研究不同抗旱類型蕪菁在苗期干旱脅迫下的生理生化變化,旨為深入研究蕪菁抗旱生理機(jī)制奠定基礎(chǔ),為蕪菁抗旱品種選育及抗旱栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為本課題組前期獲得的干旱敏感型資源WJC106和抗旱型資源WJC129,采取盆栽自然干旱的方法進(jìn)行試驗(yàn)。于2021年8月在塔里木大學(xué)園藝試驗(yàn)站智能溫室中進(jìn)行育苗。分別將種子播種于裝有125 g混合基質(zhì)(草炭、蛭石、園土按2∶2∶1體積混合)的營養(yǎng)缽中(每個(gè)營養(yǎng)缽播3粒),每份試材共播90個(gè)營養(yǎng)缽。育苗期間采取正常管理,當(dāng)幼苗長出第2片真葉時(shí)進(jìn)行定苗,每盆保留1株苗。待幼苗長至四葉一心時(shí),采用自然干旱的方法進(jìn)行干旱處理。共設(shè)置對照組(CK)和干旱組(T)兩個(gè)處理,各3次重復(fù),每個(gè)重復(fù)15株。對照組：土壤相對含水量保持在70%～80%之間;干旱組：干旱處理前澆一次透水,之后不再澆水讓其自然干旱。直到幼苗葉片出現(xiàn)嚴(yán)重萎蔫時(shí)(干旱第10 d)試驗(yàn)結(jié)束。

1.2 測定指標(biāo)與方法

干旱處理結(jié)束后采用組內(nèi)隨機(jī)取樣的方法,選取植株第4片長勢一致的葉片測定其生理指標(biāo),每個(gè)重復(fù)5片,每個(gè)處理3次重復(fù)共15片葉。參考李合生[12]的方法測定其相對電導(dǎo)率、總?cè)~綠素、可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和游離脯氨酸含量。采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司生產(chǎn)的試劑盒測定超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性和過氧化氫酶(CAT)活性。

采用發(fā)射掃描電子顯微鏡(APREO-S,Thermo Fisher Scientific公司,美國)對葉片的氣孔特征進(jìn)行觀察,并用Image Pro Plus軟件進(jìn)行指標(biāo)測量。每個(gè)葉片隨機(jī)選取10個(gè)視野,主要測量氣孔張開長度、氣孔張開寬度、氣孔長度、氣孔寬度、氣孔開度、保衛(wèi)細(xì)胞厚度、氣孔密度。氣孔開度=氣孔張開長度×氣孔開張寬度×π/4,氣孔密度=視野下氣孔數(shù)/視野下的面積[13]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,用SPSS 25.0及 Origin 9.0軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對不同抗旱類型蕪菁苗期丙二醛含量及相對電導(dǎo)率的影響

丙二醛作為膜脂過氧化的最終分解產(chǎn)物,可反映膜系統(tǒng)的受傷害程度和抗旱性強(qiáng)弱,同時(shí)對細(xì)胞產(chǎn)生毒害作用[13];相對電導(dǎo)率是衡量細(xì)胞膜透性的重要指標(biāo)[14-15]。如圖1所示,兩個(gè)蕪菁資源在干旱脅迫下,其苗期葉片丙二醛含量和相對電導(dǎo)率相對于對照組均呈現(xiàn)出顯著上升趨勢。圖1A顯示,與對照組相比,WJC106在干旱脅迫下的丙二醛增量顯著高于WJC129,增幅分別為59.71%和54.52%。圖1B顯示,WJC106和WJC129在干旱脅迫下相對電導(dǎo)率值與對照組相比,分別增加了27.05%和20.06%。干旱脅迫下,干旱敏感型的WJC106蕪菁苗期細(xì)胞膜受損程度大于抗旱型的WJC129。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05),下同。Note：Different lowercase letters indicate significant differences between treatments at P<0.05,the same below.圖1 干旱脅迫對蕪菁苗期丙二醛含量及相對電導(dǎo)率的影響Fig.1 Effects of drought stress on MDA and relative electrical conductivity of turnips seedling

2.2 干旱脅迫對不同抗旱類型蕪菁苗期抗氧化酶活性的影響

如圖2所示,干旱脅迫使兩個(gè)不同抗旱類型蕪菁苗期的SOD、POD和CAT活性增加。圖2A、2B表明,與對照組相比,WJC129蕪菁幼苗葉片的SOD、POD活性受干旱脅迫的影響呈顯著增加趨勢,而WJC106葉片的SOD和POD活性與對照組無顯著差異。從圖2C可以看出,相比于對照組,兩個(gè)不同抗旱類型蕪菁在干旱脅迫下的CAT活性均顯著增加,且干旱下WJC129的CAT活性顯著大于WJC106?？购敌偷腤JC129蕪菁苗期保護(hù)酶活性變化大于干旱敏感型的WJC106。

圖2 干旱脅迫對蕪菁苗期抗氧化酶活性的影響Fig.2 Effects of drought stress on antioxidant enzyme activity of turnips seedling

2.3 干旱脅迫對不同抗旱類型蕪菁苗期滲透調(diào)節(jié)的影響

圖3A、3B顯示,干旱脅迫下WJC106和WJC129兩個(gè)蕪菁的脯氨酸和可溶性蛋白含量均顯著高于對照組,其脯氨酸增量分別為85.22%和88.97%,可溶性蛋白增量為32.51%和58.26%。圖3C顯示,干旱條件下兩個(gè)不同抗旱類型蕪菁苗期葉片可溶性糖含量均增加,但無顯著差異。由此可知,干旱脅迫使蕪菁苗期滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加,且WJC129滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化量高于WJC106,抗旱型蕪菁苗期在受到干旱脅迫時(shí)的滲透調(diào)節(jié)能力強(qiáng)于干旱敏感型;同時(shí)脯氨酸和可溶性蛋白在干旱脅迫下較為敏感,起主要滲透調(diào)節(jié)作用。

圖3 干旱脅迫對蕪菁苗期滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響Fig.3 Effects of drought stress on contents of osmotic regulation substances of turnips seedling

2.4 干旱脅迫對不同抗旱類型蕪菁幼苗葉綠素含量及光合熒光參數(shù)的影響

如表1所示,干旱脅迫使兩個(gè)不同抗旱類型蕪菁苗期葉綠素含量顯著降低,且WJC129葉綠素含量高于WJC106。與對照組相比,兩個(gè)蕪菁處理組Pn和Tr呈現(xiàn)出顯著降低。干旱脅迫下WJC106的Gs值顯著低于對照組,而WJC129對照組與干旱組的Gs值無顯著差異。兩個(gè)不同抗旱類型蕪菁Ci變化量不盡相同,抗旱型WJC129蕪菁在干旱脅迫下呈現(xiàn)為下降趨勢,而干旱敏感型WJC106表現(xiàn)為顯著升高。兩個(gè)資源的水分利用效率變化量也有不同變化趨勢,在干旱脅迫的影響下,WJC106干旱敏感型蕪菁的WUE表現(xiàn)為顯著降低,而WJC129抗旱型資源出現(xiàn)顯著增加的趨勢。

表1 干旱脅迫對蕪菁苗期葉綠素含量及光合參數(shù)的影響Table 1 Effects of drought stress on chlorophyll and photosynthetic parameters of turnips seedling

表2 干旱脅迫對蕪菁苗期熒光特性的影響Table 2 Effects of drought stress on fluorescence characteristics of turnips seedling

2.5 干旱脅迫對不同抗旱類型蕪菁苗期葉片氣孔形態(tài)的影響

表3為干旱脅迫對不同抗旱類型蕪菁苗期葉片氣孔特征值的影響,圖4為干旱脅迫對蕪菁苗期葉片氣孔形態(tài)的影響。由表3和圖4(A～D)可知,干旱脅迫使兩個(gè)不同抗旱類型的蕪菁苗期葉片氣孔張開長度、氣孔張開寬度、氣孔長度、氣孔寬度、保衛(wèi)細(xì)胞厚度和氣孔開度極顯著降低。干旱脅迫下,WJC129抗旱型蕪菁苗期葉片氣孔開度的降幅顯著小于WJC106,降幅分別為65.90%和87.32%,并且氣孔張開長度、氣孔張開寬度、氣孔長度、氣孔寬度和保衛(wèi)細(xì)胞厚度降幅也是WJC129明顯小于WJC106。表3與圖4(E～H)結(jié)合更直觀可知,干旱脅迫下WJC106蕪菁苗期葉片的氣孔張開率極顯著降低,而WJC129蕪菁無明顯差異。從氣孔密度上看,WJC106呈極顯著增加,WJC129無顯著差異。干旱敏感型WJC106蕪菁苗期葉片受干旱脅迫的損害較大。從圖4(C、D)和圖4(G、H)可以觀察到WJC129抗旱型蕪菁葉片表面有蠟質(zhì)層覆蓋,蠟質(zhì)晶體呈管狀形態(tài)。

注：A為對照組WJC106蕪菁苗期葉片下表皮單個(gè)氣孔形態(tài);B為干旱脅迫下WJC106蕪菁苗期葉片下表皮單個(gè)氣孔形態(tài);C為對照組WJC129蕪菁苗期葉片下表皮單個(gè)氣孔形態(tài);D為干旱脅迫下WJC129蕪菁苗期葉片下表皮單個(gè)氣孔形態(tài);E為對照組WJC106蕪菁苗期葉片下表皮氣孔形態(tài);F為干旱脅迫下WJC106蕪菁苗期葉片下表皮氣孔形態(tài);G為對照組WJC129蕪菁苗期葉片下表皮氣孔形態(tài);H為干旱脅迫下WJC129蕪菁苗期葉片下表皮氣孔形態(tài)。Note：B：A single stomatal morphology of the epidermis of the leaves at the seedling stage of turnip WJC106 in the control group;B：A single stomata morphology of the epidermis of the epidermis of the leaves at the seedling stage of turnip WJC106 under drought stress;C：A single stomatal morphology of the epidermis of the leaves at the seedling stage of turnip WJC129 in the control group;D：A single stomata morphology of the epidermis of the leaves at the seedling stage of turnip WJC129 under drought stress;E：The stomata morphology of the epidermis at the seedling stage of the control group WJC106 turnip;F：The stomata morphology of the epidermis of the leaves at the seedling stage of turnip WJC106 under drought stress;G：The stomata morphology of the epidermis of the leaves at the seedling stage of the control group WJC129 turnip;H：The stomata morphology of the epidermis of the leaves at the seedling stage of turnip WJC129 under drought stress.圖4 干旱脅迫對蕪菁苗期葉片氣孔特征的影響Fig 4 Effects of drought stress on stomatal eigenvalue of turnips seedling

3 討論與結(jié)論

環(huán)境在植物的生長發(fā)育過程中起著至關(guān)重要的作用,而水分因子更是占具主導(dǎo)地位[16]。本試驗(yàn)表明,干旱脅迫使蕪菁苗期的丙二醛含量和相對電導(dǎo)率顯著增加,細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)受損,這與前人研究結(jié)果一致[11]。本試驗(yàn)中WJC106干旱敏感型蕪菁苗期葉片的丙二醛含量和相對電導(dǎo)率的增量顯著高于WJC129抗旱型資源。干旱敏感型的蕪菁苗期細(xì)胞膜受損程度大于抗旱型,嚴(yán)重影響細(xì)胞中物質(zhì)的進(jìn)出,破壞細(xì)胞代謝的穩(wěn)定性,同時(shí)表明蕪菁幼苗的抗旱性越強(qiáng),電解質(zhì)外滲量小,膜脂過氧化程度越低,其相對電導(dǎo)率和MDA積累量越低。

當(dāng)植物受到干旱脅迫時(shí),干旱信號會促進(jìn)脯氨酸和可溶性糖等代謝物質(zhì)的產(chǎn)生,激發(fā)抗氧化系統(tǒng)以維持氧化還原穩(wěn)態(tài),并通過過氧化物酶防止細(xì)胞損傷和膜完整性的破壞[17]。SOD、POD和CAT是保護(hù)酶系統(tǒng)中最重要的三種酶,其中SOD催化兩個(gè)超氧自由基發(fā)生歧化反應(yīng)形成O2和H2O2,產(chǎn)生的H2O2再由POD和CAT分解除去[18]。三種酶協(xié)同作用有助于抵抗氧化損傷,維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性和完整性。本研究中,干旱脅迫使兩個(gè)不同抗旱類型蕪菁苗期的SOD、POD和CAT活性增加,并且抗旱型蕪菁抗氧化酶活性的增幅顯著大于干旱敏感型?？扇苄缘鞍?、可溶性糖和脯氨酸是植物主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),干旱脅迫下可通過滲透調(diào)節(jié)使植物維持一定的膨壓,從而維持細(xì)胞生長、氣孔開放和光合作用等生理過程、增強(qiáng)抗旱性[19]。本研究中兩個(gè)不同抗旱類型蕪菁苗期的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量在干旱條件下均表現(xiàn)出增加趨勢,但可溶性糖增幅差異不顯著,且抗旱型WJC129滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量高于干旱敏感型WJC106,表明蕪菁苗期可通過增加其滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)提高其抗旱性,且脯氨酸和可溶性蛋白在干旱脅迫下較為敏感,起主要的滲透調(diào)節(jié)作用。

氣孔是植物進(jìn)行氣體交換的重要器官,是水汽蒸騰和CO2進(jìn)出的主要通道,受干旱影響,氣孔可能會關(guān)閉[24],以減少水分損失。本研究中干旱脅迫使兩個(gè)不同抗旱類型的蕪菁苗期葉片氣孔變小,保衛(wèi)細(xì)胞變薄,氣孔開度顯著減小?？购敌褪忀?xì)饪讖堥_率顯著大于干旱敏感型的,仍能維持較高的光合作用。干旱狀態(tài)下干旱敏感型WJC106蕪菁葉片表皮細(xì)胞出現(xiàn)重疊褶皺和起伏,影響氣孔開度和植物蒸騰,而抗旱型WJC129表皮細(xì)胞無明顯起伏,并且其表面附有蠟質(zhì)層,蠟質(zhì)晶體呈管狀形態(tài)。前人研究表明,蠟質(zhì)是通過防止非氣孔性水分的流失,使得植物體蒸騰作用得以下降,從而能夠更好地維持植物體的水分來抵御干旱脅迫[25]。故抗旱型WJC129通過表面附有的蠟質(zhì)層來增加其抗旱性。

綜上所述,干旱敏感型蕪菁苗期細(xì)胞膜受損程度大于抗旱型,且抗旱型蕪菁有較強(qiáng)的自我恢復(fù)與協(xié)調(diào)能力,通過增加抗氧化酶活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量來抵御干旱脅迫。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)中,脯氨酸和可溶性蛋白在干旱脅迫下較為敏感,起主要的調(diào)節(jié)作用。干旱脅迫降低蕪菁的光合熒光參數(shù),氣孔特征值下降,光合機(jī)構(gòu)活性降低;抗旱型蕪菁的各光合特性指標(biāo)降幅均低于干旱敏感型,氣孔特征值也顯著大于干旱敏感型,故仍能維持較高的光合作用?？购敌褪忀急砥じ接邢炠|(zhì)層,從而增加其抗旱性。