耐熱甘薯品種篩選及生理機(jī)理探析

施小梅

摘 要：為了篩選獲得甘薯耐熱品種，以4個優(yōu)質(zhì)甘薯品種為研究對象，將葉片耐熱評價值、SPAD值、過氧化氫（H2O2）含量、丙二醛（MDA）含量、過氧化氫酶（CAT）活性以及抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性作為耐熱指標(biāo)，對比35℃和40℃高溫脅迫下 4個品種甘薯葉片各指標(biāo)間的差異，探究高溫脅迫對甘薯葉片生理及抗氧化酶活性的影響。結(jié)果表明：35℃高溫脅迫下，4個品種甘薯葉片形態(tài)無明顯變化，在 40℃高溫脅迫下，龍薯116和莆薯23的葉片出現(xiàn)明顯的失水卷曲，SPAD值較金山57和廣薯87顯著降低；葉片中產(chǎn)生的H2O2含量高達(dá)2.53 μmol·g-1和4.21 μmol·g-1，造成CAT以及APX的活性增強(qiáng)，且MDA含量較金山57和廣薯87顯著增加，高達(dá)10.06 nmol·g-1和14.94 nmol·g-1。綜合評價，參試品種中廣薯87為耐熱性優(yōu)秀的甘薯品種，金山 57 次之。研究結(jié)果可為甘薯種植產(chǎn)業(yè)提供耐熱品種資源，為甘薯耐熱品種的選育提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：耐熱甘薯品種；葉片；高溫脅迫；生理；抗氧化酶

中圖分類號：S 531?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A?? 文章編號：0253-2301（2023）01-0037-06

DOI： 10.13651/j.cnki.fjnykj.2023.01.006

Screening and Physiological Mechanism Analysis of Heat-resistant Sweet Potato Varieties

SHI Xiao-mei

（Sanming Academy of Agricultural Sciences/Fujian Key Laboratory of Crop Genetic Improvement

and Innovation Utilization in Mountainous Areas， Sanming， Fujian 365509， China）

Abstract： In order to screen and obtain the heat-resistant varieties of sweet potato， four high-quality sweet potato varieties were used as the research objects. The heat resistance evaluation value， SPAD value， hydrogen peroxide （H2O2） content， malondialdehyde （MDA） content， catalase （CAT） activity and ascorbate peroxidase （APX） activity of leaves were used as the heat resistance indexes. Then， the effects of high temperature stress on the leaf physiology and antioxidant enzyme activity of sweet potatoes were investigated by comparing the differences of various leaf indexes of four varieties of sweet potatoes under the high temperature stress of 35℃ and 40℃. The results showed that there was no significant change in leaf morphology of the four sweet potato varieties under the high temperature stress of 35℃. Under the high temperature stress of 40℃， the leaves of Longshu 116 and Pushu 23 showed obvious water loss curl， and the SPAD value was significantly lower than that of Jinshan 57 and Guangshu 87. The content of H2O2 in leaves was as high as 2.53 nmol·g-1 and 4.21 nmol·g-1， which resulted in the increase of CAT and APX activity， and the content of MDA was significantly higher than that of Jinshan 57 and Guangshu 87， which were up to 10.06 nmol·g-1 and 14.94 nmol·g-1. According to the comprehensive evaluation， Guangshu 87 was the best sweet potato variety with excellent heat resistance in the the tested varieties， followed by Jinshan 57. The results could provide the heat-resistant variety resources for the planting industry of sweet potato and provide theoretical basis for the breeding of heat-resistant varieties of sweet potato.

Key words： Heat-resistant sweet potato varieties； Leaf； High temperature stress； Physiology； Antioxidant enzymes

甘薯Ipomoea batatas為旋花科甘薯屬番薯種草本塊根類植物，又名白薯、紅薯、山芋、紅苕、地瓜等［1］。甘薯對生產(chǎn)條件的要求較低，具有耐旱、耐貧瘠、適應(yīng)性強(qiáng)、易栽培等特點(diǎn)，是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物、糧食作物及工業(yè)原料［2-3］，其生產(chǎn)及加工對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展舉足輕重。甘薯產(chǎn)量高，富含淀粉、蛋白質(zhì)、維生素、氨基酸等，適當(dāng)食用甘薯不僅可以保持人體血液的酸堿平衡，還能夠滿足人體對各種維生素的需求。此外，甘薯還具有非常高的藥用價值，在抗癌、抗氧化、穩(wěn)定膽固醇與血糖［4-5］等方面發(fā)揮重要功能，廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、保健等領(lǐng)域［4］。

甘薯的生長過程受諸多外界因素影響，如栽培方式、施肥、溫度、濕度等，其中溫度的影響最為直接。已有研究報道，一般甘薯品種形成塊根的最適溫度為24℃，在此溫度下甘薯形成層活動旺盛，中柱木質(zhì)化程度較小，有利于塊根的形成；當(dāng)溫度低于15℃，生長停滯；若高于30℃，塊根形成漸慢，呼吸消耗增大，不利于同化作用［6］。當(dāng)環(huán)境溫度高于植物正常生長發(fā)育所需的溫度閾值時，稱植物處于高溫脅迫，高溫脅迫會對植物的生長發(fā)育造成可恢復(fù)性或不可恢復(fù)性的破壞［7］。在我國南方，由于夏季炎熱易造成高溫脅迫，使甘薯葉細(xì)胞失水、膜系統(tǒng)損壞、酶活性改變、光合作用降低等，導(dǎo)致不耐熱品種不結(jié)薯塊，對甘薯的生長發(fā)育造成巨大影響［8-9］，嚴(yán)重降低甘薯產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

近年來，對甘薯品種的篩選不勝枚舉，但多是針對其食用性［10］、耐旱性［11］、耐鹽性［12］、抗病蟲害［13］等方面的篩選，針對甘薯耐熱性方面的篩選鮮少報道。因此，本研究選用4種優(yōu)質(zhì)品種金山57、廣薯87、龍薯116以及莆薯23為試驗(yàn)對象，綜合當(dāng)?shù)叵募靖邷丨h(huán)境，設(shè)置35℃和40℃高溫脅迫，以葉片的耐熱評價值、SPAD值、過氧化氫（H2O2）含量、丙二醛（MDA）含量、過氧化氫酶（CAT）活性以及抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性為耐熱指標(biāo)，評估各指標(biāo)間的差異，闡明高溫脅迫對不同品種甘薯葉的生長發(fā)育、抗逆性及抗氧化特性的影響，旨在為甘薯耐熱品種的選育、栽培技術(shù)的改良以及生態(tài)栽培技術(shù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試品種為金山57、廣薯87、龍薯116和莆薯23，在三明市農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱作所沙縣富口基地試驗(yàn)基地大棚中采用薯塊育苗，2021年6月經(jīng)田間假植后從苗圃中選長勢基本一致的甘薯苗，剪取頂端4～5個莖節(jié)移入盆栽后取45日齡甘薯苗為試驗(yàn)材料。

1.2 儀器與試劑

1.2.1 供試儀器

離心機(jī)［賽默飛世爾科技（中國）有限公司］；低溫離心機(jī)［艾本德（上海）國際貿(mào)易有限公司］；紫外可見分光亮度計（萊恩生物科技有限公司）；旋渦震蕩儀（無錫沃信儀器有限公司）；SPAD-502 Plus葉綠素儀［柯尼卡美能達(dá)辦公系統(tǒng)（中國）有限公司］。

1.2.2 供試藥劑

過氧化氫（H2O2）含量檢測試劑盒、丙二醛（MDA）含量檢測試劑盒、過氧化氫酶（CAT）活性檢測試劑盒、抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性檢測試劑盒購自北京索萊寶科技有限公司。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 樣品處理

試驗(yàn)分別選取生長健壯、長勢一致的植株移入智能玻璃溫室大棚中，設(shè)置35℃（作為對照）和40℃作為高溫脅迫的溫度條件，每個品種各溫度條件下分別處理3盆，每個處理3 個重復(fù)。在處理3 d時觀察不同處理?xiàng)l件下的植株形態(tài)變化（葉片的褪綠、枯萎程度），并取其葉片測定相應(yīng)的生理指標(biāo)及抗氧化酶活性。

1.3.2 耐熱評價分析

測定方法：對移入人工氣候箱的4個品種甘薯植株分別進(jìn)行耐熱評價打分，由5位專業(yè)研究人員針對各小區(qū)4個甘薯品種表觀現(xiàn)象，參照耐熱評分表（表1）分別進(jìn)行一對一打分。

1.3.3 指標(biāo)測定

SPAD 值：參照蘇云松等［14］所述方法測定。采用SPAD-502葉綠素儀測量，每個葉片測6個點(diǎn)，取平均值。

H2O2含量、MDA 含量、CAT活性以及APX 活性均采用索萊寶公司檢測試劑盒進(jìn)行檢測，對不同品種甘薯地上部葉片進(jìn)行試驗(yàn)，每個處理3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2016軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，采用SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析（LSD）。

2 結(jié)果與分析

2.1 高溫脅迫對甘薯葉片耐熱性的影響

由表2可知，在35℃高溫脅迫下，4個品種甘薯葉片形態(tài)無明顯變化，耐熱評分差異不顯著。在40℃高溫脅迫下，金山57和廣薯87的耐熱評分較高，分別為4.56分和4.72分，葉片形態(tài)無明顯變化；龍薯116和莆薯23的耐熱評分顯著低于金山57和廣薯87，葉片嚴(yán)重失水出現(xiàn)下垂、黃化等現(xiàn)象。結(jié)果表明，參試品種在35℃高溫脅迫下均表現(xiàn)出較好的耐熱性，但處于40℃高溫脅迫下，金山57和廣薯87的耐熱性顯著優(yōu)于龍薯116和莆薯23。

2.2 高溫脅迫對甘薯葉片SPAD值的影響

由表3可知，在35℃高溫脅迫下，廣薯87的SPAD值最高，為54.19；金山57次之，為53.44；莆薯23最低，為50.13。在40℃高溫脅迫下，金山57與廣薯87的SPAD值顯著高于龍薯116與莆薯23，隨著溫度的升高，4個參試品種的SPAD值均呈下降趨勢，結(jié)果表明，高溫脅迫可造成甘薯葉片葉綠素含量降低。

2.3 高溫脅迫對甘薯葉片H2O2含量的影響

植物在逆境脅迫下會產(chǎn)生大量自由基，進(jìn)而導(dǎo)致植株代謝異常甚至死亡。由表4可知，在35℃高溫脅迫下，龍薯116的H2O2含量為1.79 μmol·g-1，顯著高于金山57、廣薯87和莆薯23。在40℃高溫脅迫下，莆薯23的H2O2含量高達(dá)4.21 μmol·g-1，顯著高于其余 3 個參試品種，廣薯87的H2O2含量最低，為1.24 μmol·g-1。結(jié)果表明，在高溫脅迫下，莆薯23產(chǎn)生大量的H2O2，而廣薯87則產(chǎn)生較少的H2O2。

2.4 高溫脅迫對甘薯葉片MDA含量的影響

膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛（MDA）是衡量氧化脅迫程度的常用指標(biāo)之一，用來反映植物膜脂過氧化的程度。由表5可知，在35℃高溫脅迫下，參試品種的MDA含量均無顯著性差異。在40℃高溫脅迫下，莆薯23的MDA含量為6.47 nmol·g-1，顯著高于金山57、廣薯87和龍薯116，金山57與廣薯87的MDA累積量最低，分別為6.85 nmol·g-1和 6.72 nmol·g-1。結(jié)果表明，在高溫脅迫下，金山57與廣薯87的質(zhì)膜損傷程度顯著輕于莆薯23。

2.5 高溫脅迫對甘薯葉片CAT活性的影響

由表6可知，在35℃高溫下，龍薯116的CAT活性高達(dá)40.10 U·g-1 FW，顯著高于其余3 個品種，莆薯23 的CAT活性最低，為27.69 U·g-1 FW；在40℃ 高溫脅迫下，龍薯116、莆薯23的CAT活性較高，分別為56.07 U·g-1 FW 和72.40 U·g-1 FW，顯著高于龍薯116、金山57 和廣薯87。

2.6 高溫脅迫對甘薯葉片APX活性的影響

由表7可知，在35℃高溫脅迫下，龍薯116的APX活性高達(dá)69.31 U·g-1 FW，顯著高于其余3個參試品種；在40℃高溫脅迫下，莆薯23的APX活性高達(dá)201.08 U·g-1 FW，顯著高于其余3 個參試品種。

3 討論與結(jié)論

植物具有在高于適宜生長溫度存活的基本耐熱性以及抵抗致死熱脅迫的獲得性耐熱性，這兩種能力使得植物體能在數(shù)小時內(nèi)迅速獲得耐熱性，以抵御致死高溫［15］，但是同種作物不同品種間所能耐受的最高溫度各有差異。本研究通過比較4個參試品種甘薯高溫脅迫下耐熱評價指標(biāo)、生理指標(biāo)及抗氧化特性發(fā)現(xiàn)，在35℃高溫下，參試品種甘薯葉片形態(tài)無明顯變化，但隨著溫度增高，達(dá)到40℃時，龍薯116和莆薯23的葉片嚴(yán)重失水出現(xiàn)下垂、黃化等現(xiàn)象，而金山57和廣薯87葉片形態(tài)則無明顯變化。由此可見，當(dāng)熱脅迫所造成的傷害超過生物體自身的調(diào)控能力時，植物就開始表現(xiàn)出外觀形態(tài)的熱害癥狀。

隨著脅迫程度的不斷增強(qiáng)，高溫將導(dǎo)致植物細(xì)胞膜損傷、光合作用受抑制、抗氧化系統(tǒng)、細(xì)胞老化死亡等生理變化［16］，通過測量不同高溫脅迫下參試品種的SPAD值可知，當(dāng)脅迫溫度在35℃及40℃時，金山57與廣薯87的SPAD值均顯著高于龍薯116與莆薯23，其中莆薯23的SPAD值最低，表明高溫脅迫使莆薯23的葉綠素含量遭到嚴(yán)重破壞，從而影響光合作用，因此推測這是造成其耐熱性差的原因之一。已有的研究表明，植物的耐熱性與膜脂成分、抗氧化系統(tǒng)等［17］有關(guān)。因此，本研究通過進(jìn)一步分析高溫脅迫下參試品種葉片MDA累積量，研究表明當(dāng)處于40℃高溫脅迫時，莆薯23的MDA含量顯著高于金山57、廣薯87和龍薯116，而金山57與廣薯87的MDA累積量最低，由此可見，在高溫脅迫下，金山57與廣薯87的質(zhì)膜損傷程度顯著輕于莆薯23，表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐熱性。

植物體在進(jìn)行生命活動過程中、受到逆境脅迫以及受病原菌侵染過程中均會產(chǎn)生大量的自由基，直接或間接的引起植物的衰變［18］，使平衡受到破壞，造成植物細(xì)胞凋亡［19］。本研究通過檢測在高溫脅迫下甘薯葉片產(chǎn)生活性氧的含量，來反映其抗逆水平。在35℃高溫下，龍薯116產(chǎn)生的H2O2顯著高于金山57、廣薯87和莆薯23；當(dāng)溫度達(dá)40℃時，莆薯23的H2O2含量較其余3個參試品種顯著增加，而參試品種中廣薯87則產(chǎn)生較低的H2O2，可見其在應(yīng)對高溫脅迫下表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗逆水平。莆薯23與龍薯116在高溫脅迫下均產(chǎn)生了大量的H2O2，導(dǎo)致葉片細(xì)胞的過氧化，擾亂細(xì)胞的正常代謝，因此推測高溫逆境所造成的氧化傷害可能是導(dǎo)致其耐熱性較差的主要原因。

在高溫脅迫條件下，植物細(xì)胞膜系統(tǒng)感受到脅迫信號，通過信號傳遞途徑將脅迫信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)，引起植物體內(nèi)酶活性的變化，進(jìn)而影響一系列熱脅迫相關(guān)的生理生化反應(yīng)及逆境誘導(dǎo)基因的表達(dá)和調(diào)控［15］。其中，CAT與APX 廣泛存在于植物中，是植物活性氧代謝過程中重要的抗氧化酶，也是重要的H2O2清除酶，在活性氧清除系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。本研究進(jìn)一步分析來高溫脅迫下參試品種葉片中CAT與APX的活性，我們發(fā)現(xiàn)，在 35℃高溫脅迫下，龍薯116的CAT與APX活性最高，顯著高于其余3個品種；在40℃高溫脅迫下，龍薯116與莆薯23的CAT活性顯著高于金山57和廣薯87，且莆薯23的 APX 活性顯著高于其余3個參試品種，推測在高溫脅迫下，莆薯23與龍薯116產(chǎn)生大量H2O2引發(fā)了細(xì)胞的應(yīng)激反應(yīng)，激活抗氧化系統(tǒng)，為了及時清除活性氧，從而產(chǎn)生較高水平的抗氧化活性［20］。

綜上所述，高溫脅迫使植物體的生理與抗氧化過程發(fā)生不同程度的變化，本研究以甘薯葉片耐熱評價值、SPAD值、H2O2含量、MDA含量、CAT活性以及APX活性作為耐熱性鑒定指標(biāo)，探究高溫脅迫對甘薯葉片生理及抗氧化酶活性的影響，在參試品種中，廣薯87較其余的3個品種表現(xiàn)出更強(qiáng)的耐熱性，金山57次之，莆薯23最差。本研究針對不同品種甘薯葉片在高溫脅迫下生理與抗氧化特性的研究，對研究甘薯耐熱機(jī)理以及甘薯耐熱新品種的選育具有重要意義，為甘薯種植產(chǎn)業(yè)提供耐熱品種資源，同時對甘薯栽培技術(shù)的改良、生態(tài)栽培技術(shù)的應(yīng)用以及甘薯耐熱品種的選育提供理論依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：柯文輝）