干旱脅迫下不同品種馬鈴薯塊莖膨大期葉片對(duì)烯效唑的生理響應(yīng)*

丁凱鑫,王立春,田國(guó)奎,王海艷,李鳳云,潘 陽,龐 澤,單瑩

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部馬鈴薯生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 齊齊哈爾 161600)

馬鈴薯(Solanum tuberosum)作為世界第四大主糧作物,具有突出的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益,在薯類種植業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)重要地位[1-2]。黑龍江省松嫩平原位于我國(guó)東北高緯度寒區(qū)[3],是我國(guó)重要的馬鈴薯種植區(qū),該地區(qū)氣候變化敏感和生態(tài)環(huán)境脆弱,半干旱季風(fēng)氣候顯著,干旱頻率增加,農(nóng)田受旱災(zāi)影響嚴(yán)重[4-6],特別是6?7 月正值馬鈴薯塊莖形成和膨大的重要時(shí)期,干旱嚴(yán)重?fù)p害馬鈴薯的生長(zhǎng)發(fā)育。塊莖膨大期是馬鈴薯水分敏感期,此時(shí)期也最易受干旱損傷,研究塊莖膨大期馬鈴薯干旱損傷機(jī)制并尋求解決方案,是一個(gè)重要的科學(xué)問題,對(duì)我國(guó)馬鈴薯抗旱栽培具有重要意義。干旱會(huì)導(dǎo)致土壤水分失衡,植物體內(nèi)水分過度流失,引起氣孔關(guān)閉和光合作用降低,使得葉片光合器官受損,造成光合損傷[7],同時(shí)導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生過多活性氧(ROS),加劇細(xì)胞膜脂過氧化程度,抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育[8]。

因此,研究干旱脅迫下外源植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑,對(duì)提高馬鈴薯的耐旱性意義重大。正常條件下,植物體內(nèi)產(chǎn)生過多的活性氧會(huì)在抗氧化酶和抗氧化劑的協(xié)同作用下維持平衡,但當(dāng)植物遭受嚴(yán)重逆境脅迫時(shí),植物體內(nèi)的活性氧清除機(jī)制平衡被打破,影響細(xì)胞膜透性,阻礙信號(hào)傳導(dǎo)[9]。作物在脅迫下積累過多的活性氧會(huì)加重膜質(zhì)過氧化進(jìn)程產(chǎn)生大量的丙二醛(MDA)、過氧化氫(H2O2)等物質(zhì),導(dǎo)致細(xì)胞膜損傷[10]?？寡趸负头敲缚寡趸瘎┦侵参矬w內(nèi)存在的重要抗氧化防御系統(tǒng),超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)和抗壞血酸過氧化物酶(APX)作為抗氧化酶的主要組成,可有效清除逆境脅迫所積累的過多活性氧[11]?？箟难?谷胱甘肽(AsA-GSH)循環(huán)是另一重要的抗氧化代謝途徑,植物會(huì)通過調(diào)節(jié)AsA-GSH 循環(huán)底物和產(chǎn)物含量來應(yīng)對(duì)逆境脅迫[12],但隨著脅迫時(shí)間延長(zhǎng),植物體內(nèi)抗氧化防御能力下降,過度積累的活性氧不能被及時(shí)清除,引發(fā)植株代謝紊亂,抑制植株的生理生化進(jìn)程。

隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,通過應(yīng)用外源植物激素或植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)促使植物開啟自我保護(hù)機(jī)制,提高植株的抗逆性,已成為重要的抗逆途徑之一[13-14]。植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑是人工合成的與植物激素具有類似生理和生物學(xué)效應(yīng)的物質(zhì),具備廣譜、高效、低毒、低殘留的特點(diǎn)[15-16],可在水分脅迫下增強(qiáng)植株的水分調(diào)控能力,在植物對(duì)脅迫耐受性和抗性中發(fā)揮重要作用[17]。諸多研究顯示烯效唑(uniconazole,簡(jiǎn)稱S3307)作為一種重要的三唑類植物生長(zhǎng)延緩劑可以提高植物對(duì)環(huán)境脅迫的抗性[18],諸如干旱[19]、淹水[20]、冷害[21]、重金屬[22]和鹽脅迫[23]等。有研究表明,干旱時(shí)施用烯效唑可促進(jìn)小麥(Tritic-um aestivum)體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)及時(shí)清除過量的ROS,有效緩解干旱損傷[24]。也有研究發(fā)現(xiàn),干旱時(shí)施用適宜濃度的烯效唑可提高蕓豆(Phaseolus vulgaris)葉片[25]和薏苡(Coix lacryma-jobi)幼苗[26]的SOD、POD、CAT 活性,增強(qiáng)植株的抗旱性。目前,有研究指出,干旱脅迫下烯效唑也可提高紅小豆(Vigna angularis)根系SOD、POD 活性,以及可溶性糖和可溶性蛋白含量,減少M(fèi)DA 的積累,從而增強(qiáng)植株的抗氧化能力[27],但關(guān)于烯效唑緩解干旱脅迫下光合作用和AsA-GSH 循環(huán)損傷的研究尚鮮見報(bào)道。且關(guān)于烯效唑緩解馬鈴薯干旱損傷的研究更是鮮見。本研究探究了塊莖膨大期干旱脅迫對(duì)耐旱性不同的2 個(gè)馬鈴薯品種葉片內(nèi)光合作用、活性氧代謝、抗氧化酶活性和AsA-GSH 循環(huán)的影響,以及外源烯效唑的緩解效應(yīng),旨在揭示烯效唑增強(qiáng)馬鈴薯耐旱性的作用機(jī)理,以其為馬鈴薯的抗旱栽培提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)供試馬鈴薯品種為‘克新1 號(hào)’(KX1)和‘大西洋’(Atlantic),其中,‘克新1 號(hào)’為耐旱品種[28],‘大西洋’為干旱敏感品種[29],由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院馬鈴薯育種研究所提供。供試調(diào)節(jié)劑為烯效唑,由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)化控研究室提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022 年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院克山分院室外防雨棚內(nèi)(48°03′N,125°87′E)進(jìn)行。所選種子均為脫毒微型塊莖。選用樹脂花盆(上口徑32 cm,下口徑25 cm,高30 cm,底部10 孔),每盆種植2 粒種子,每盆裝土約19 kg (栽培土、蛭石、珍珠巖體積比為1∶3∶12),不額外施肥。5 月8 日播種。每個(gè)品種設(shè)正常水分管理(CK)、干旱脅迫處理(D)和干旱脅迫+烯效唑處理(D+S),采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),在塊莖膨大期(6 月26 日)首先進(jìn)行烯效唑處理,此時(shí)盆栽的土壤相對(duì)含水量為80.0%,葉面噴施烯效唑后進(jìn)行干旱處理。干旱脅迫的盆栽保持45.0%的土壤相對(duì)含水量,正常澆水的盆栽澆水至80.0%的土壤相對(duì)含水量[30]。前期濃度篩選試驗(yàn)確定馬鈴薯最佳噴施濃度為40 mg?L?1,噴施量為225 L?hm?2烯效唑溶液[31]。正常水分管理噴施蒸餾水。每盆每天稱重,通過補(bǔ)充失水使土壤含水量維持在45.0%或80.0%。干旱歷時(shí)15 d。試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),每個(gè)處理3 個(gè)生物學(xué)重復(fù);分別于干旱脅迫處理后5 d、10 d和15 d 取樣,取樣部位選擇馬鈴薯完全展開的倒三葉片,取樣后立即置于液氮中,然后保存于?80 ℃冰箱中,測(cè)定生理指標(biāo)。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

采用Cao等[32]的方法測(cè)定光合色素含量,參照Wu等[33]的方法測(cè)定丙二醛(MDA)含量,參照Tian等[34]的方法測(cè)定超氧陰離子(O2?)產(chǎn)生速率和過氧化氫(H2O2)含量。取0.1 g 冰凍葉片樣品在10 mL 50 mmol?L?1磷酸鹽緩沖液(pH 7.8)中冰浴研磨成勻漿,在4 ℃、12 000 rpm 離心20 min。然后,將離心后得到的上清液用于酶活測(cè)定,利用植物提取試劑盒(中國(guó)Solarbio 公司)測(cè)定SOD、POD、CAT、APX活性。抗壞血酸(AsA)和脫氫抗壞血酸(DHA)含量的測(cè)定參照Wang等[35]的方法。谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)的含量采用高俊鳳[36]的方法測(cè)定。

在烯效唑施用后5 d、10 d 和15 d,于上午9:00?11:00 用 LI-6400XT (Li-COR 6400,Li-COR Inc.,Nebraska,USA)便攜式開放式氣體交換系統(tǒng)測(cè)定主莖頂端完全展開的第3 片功能葉的光合特性,包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。光合有效輻射(PAR) 1000 μmol?m?2·s?1;CO2濃度為400 mol?L?1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)所有數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0 進(jìn)行單因素方差分析。采用Duncan’s 檢驗(yàn)評(píng)價(jià)不同處理間的差異,P<0.05 表示處理間存在統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 烯效唑?qū)K莖膨大期干旱脅迫下馬鈴薯葉片光合色素含量的影響

干旱脅迫降低了植株的葉綠素含量,隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng),在干旱脅迫處理15 d 葉綠素含量達(dá)最小值,此時(shí)‘克新1 號(hào)’和‘大西洋’的D 處理葉片內(nèi)Chl a、Chl b、CAR、Chl a+b 分別比CK 顯著降低37.1%、71.0%、50.7%、45.0%和29.0%、46.3%、53.2%、34.0%。D+S 處理能夠有效緩解干旱脅迫下上述4 個(gè)指標(biāo)的下降,干旱處理后5 d 和10 d,‘克新1 號(hào)’的Chl a、Chl a+b 含量分別比D 處理顯著提高11.3%、7.8%和17.2%、12.4%;干旱處理后15 d,‘克新1 號(hào)’和‘大西洋’的Chl a、Chl a+b 含量分別比D處理顯著提高20.9%、29.2%和16.5%、13.9%。說明外源烯效唑能夠有效緩解干旱脅迫下兩個(gè)品種葉綠素含量的下降(表1)。

表1 烯效唑?qū)Σ煌珊得{迫時(shí)間下不同品種馬鈴薯塊莖膨大期葉片光合色素含量的影響Table 1 Effects of uniconazole on photosynthetic pigment content in leaves of different potato cultivars under different durations of drought stress during tuber expansion period mg?g?1

2.2 烯效唑?qū)K莖膨大期干旱脅迫下馬鈴薯葉片光合參數(shù)的影響

與CK 相比,D 處理對(duì)兩個(gè)馬鈴薯品種葉片Pn、Tr、Gs、Ci均有顯著的抑制作用,并隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低,在干旱處理后15 d 達(dá)最小值,且此時(shí)‘克新1 號(hào)’葉片的Pn、Tr、Gs、Ci降幅均小于‘大西洋’,說明干旱脅迫對(duì)干旱敏感品種光合作用的抑制作用大于耐旱品種。與D 處理相比,D+S 處理有效緩解了干旱對(duì)馬鈴薯葉光合作用的抑制,在干旱處理后15 d,‘克新1 號(hào)’葉片的Pn、Tr和Ci分別比D 處理顯著提高50.8%、14.1%和16.3%,‘大西洋’葉片的Pn、Tr、Gs、Ci分別比D 處理顯著提高66.1%、19.5%、67.3%和9.9%。說明外源烯效唑?qū)S持干旱脅迫下葉片光合作用具有促進(jìn)作用(圖1)。

圖1 烯效唑?qū)Σ煌珊得{迫時(shí)間下不同品種馬鈴薯塊莖膨大期葉片光合參數(shù)的影響Fig.1 Effects of uniconazole on the leaf photosynthetic parameters of different potato cultivars under different durations of drought stress during tuber expansion period

2.3 烯效唑?qū)K莖膨大期干旱脅迫下馬鈴薯葉片膜脂過氧化程度和活性氧積累(ROS)的影響

與CK 相比,在干旱脅迫后5～15 d D 處理顯著提高了馬鈴薯葉片的MDA、H2O2和O2?含量,并且隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)含量逐漸增加,在干旱處理后15 d 達(dá)最大值,此時(shí)干旱脅迫對(duì)干旱敏感品種‘大西洋’的傷害大于耐旱品種‘克新1 號(hào)’。與D 處理相比,D+S 處理顯著抑制了葉片內(nèi)MDA、H2O2含量的增加和O2?產(chǎn)生速率,說明外源烯效唑可緩解干旱脅迫對(duì)兩個(gè)馬鈴薯品種細(xì)胞膜的損傷和ROS 積累(圖2)。

圖2 烯效唑?qū)Σ煌瑫r(shí)間干旱脅迫下不同品種馬鈴薯塊莖膨大期葉片膜脂過氧化程度和活性氧(ROS)積累的影響Fig.2 Effects of uniconazole on membrane lipid peroxidation and reactive oxygen species (ROS) accumulation in leaves of different potato cultivars under different durations of drought stress during tuber expansion period

2.4 烯效唑?qū)K莖膨大期干旱脅迫下馬鈴薯葉片抗氧化酶活性的影響

由圖3 可知,兩個(gè)馬鈴薯品種葉片中SOD、POD、CAT 和APX 活性均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而升高,在干旱處理第15 d 達(dá)最大值,此時(shí)‘克新1 號(hào)’葉片的POD 和APX 活性漲幅均大于‘大西洋’,而葉片的SOD 和CAT 活性漲幅均小于‘大西洋’。與D 處理相比,D+S 處理顯著提高了兩種馬鈴薯葉片的SOD、POD、CAT 和APX 活性,在干旱處理后第15 d,‘克新1 號(hào)’和‘大西洋’葉片中SOD、POD、CAT、APX 活性分別比D 處理提高9.7%、12.1%、9.6%、7.5%和16.9%、41.9%、8.7%、48.0%,說明外源烯效唑?qū)Ω珊得舾衅贩N的抗氧化酶活性的促進(jìn)作用要優(yōu)于耐旱品種,外源烯效唑延緩了抗氧化酶活性的降低。

圖3 烯效唑?qū)Σ煌瑫r(shí)間干旱脅迫下不同品種馬鈴薯塊莖膨大期葉片抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effects of uniconazole on antioxidant enzyme activities in leaves of different potato cultivars under different durations of drought stress during tuber expansion period

2.5 烯效唑?qū)K莖膨大期干旱脅迫下馬鈴薯葉片抗壞血酸(AsA)和脫氫抗壞血酸(DHA)含量的影響

如圖4 所示,兩個(gè)馬鈴薯品種葉片中AsA 和DHA 含量隨干旱時(shí)間延長(zhǎng)呈逐漸升高趨勢(shì),在干旱處理后15 d 達(dá)最大值,此時(shí)‘克新1 號(hào)’和‘大西洋’各處理葉片的AsA 和DHA 含量均表現(xiàn)為D+S>D>CK,且差異達(dá)到顯著水平。與CK 和D 處理相比,D+S處理顯著提高了兩個(gè)馬鈴薯品種葉片AsA 和DHA含量。在干旱處理后5 d 和10 d,‘大西洋’各處理葉片的AsA/DHA 均表現(xiàn)為D+S>CK>D,但在干旱處理后15 d,兩品種各處理葉片的AsA/DHA 均表現(xiàn)為D+S>D>CK,說明施用烯效唑有效提高了兩個(gè)馬鈴薯品種葉片中AsA/DHA,并維持在較高水平,利于ROS 的清除。

圖4 烯效唑?qū)Σ煌瑫r(shí)間干旱脅迫下不同品種馬鈴薯塊莖膨大期葉片抗壞血酸(AsA)和脫氫抗壞血酸(DHA)含量的影響Fig.4 Effects of uniconazole on ascorbic acid (AsA) and dehydroascorbic acid (DHA) contents in leaves of different potato cultivars under different durations of drought stress during tuber expansion period

2.6 烯效唑?qū)K莖膨大期干旱脅迫下馬鈴薯葉片谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量的影響

如圖5 所示,在干旱脅迫后5～15 d,‘克新1 號(hào)’和‘大西洋’各處理葉片的GSH 和GSSG 含量均表現(xiàn)為D+S>D>CK,在干旱處理15 d 達(dá)最大值,此時(shí)D處理的‘克新1 號(hào)’和‘大西洋’葉片GSH、GSSG 含量分別較CK 顯著提高35.3%、59.1%和55.6%、95.2%。與D 處理相比,D+S 處理可進(jìn)一步促進(jìn)兩個(gè)品種葉片GSH 和GSSG 含量的增加。在整個(gè)干旱期,D 處理的兩個(gè)品種GSH/GSSG 均低于CK,‘克新1 號(hào)’各處理葉片的GSH/GSSG 表現(xiàn)均為CK>D+S>D,在干旱處理5 d 和15 d,‘大西洋’各處理葉片的GSH/GSSG 含表現(xiàn)為D+S>CK>D,在干旱處理10 d 為CK>D+S>D,這表明干旱會(huì)通過影響兩個(gè)馬鈴薯品種葉片GSH 和GSSG 含量,而降低GSH/GSSG,進(jìn)而影響AsA-GSH 循環(huán)的正常運(yùn)行,而外源烯效唑具有延緩GSH/GSSG 降低的作用。

圖5 烯效唑?qū)Σ煌瑫r(shí)間干旱脅迫下不同品種馬鈴薯塊莖膨大期葉片谷胱甘肽(GSH)和氧化型谷胱甘肽(GSSG)含量的影響Fig.5 Effects of uniconazole on glutathione (GSH) and oxidized glutathione (GSSG) contents in leaves of different potato cultivars under different durations of drought stress during tuber expansion period

3 討論

3.1 塊莖膨大期干旱脅迫及外源烯效唑?qū)︸R鈴薯葉片光合作用的影響

光合作用是植物響應(yīng)環(huán)境脅迫最敏感的代謝系統(tǒng)之一。葉綠素直接參與光合作用中光能吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化進(jìn)程,與葉片的凈光合速率有直接聯(lián)系,其含量的高低與葉片固定光能產(chǎn)生光合同化物的潛能密切相關(guān)[37-38]。而干旱脅迫加重會(huì)破壞葉片的葉綠體結(jié)構(gòu)和光合酶活性,引發(fā)植株光合生產(chǎn)力不足,導(dǎo)致葉片的光合作用下降[39]。也有研究表明,干旱脅迫會(huì)抑制植物CO2交換率、H2O 交換率、光合作用能力、葉綠素?zé)晒庀到y(tǒng)及葉片水分等相關(guān)生理活動(dòng)[40]。本研究結(jié)果表明,馬鈴薯塊莖膨大期干旱顯著降低了兩品種的葉綠素和類胡蘿卜素含量,且隨著干旱時(shí)間延長(zhǎng),呈逐漸降低趨勢(shì),說明過度干旱破壞了葉片葉綠體結(jié)構(gòu),導(dǎo)致光合器官受損,加速了葉綠素的降解;此外,干旱脅迫下‘克新1 號(hào)’和‘大西洋’的Pn、Tr、Gs、Ci有不同程度的下降,這與Cao等[32]研究結(jié)果相似,且干旱敏感品種‘大西洋’降幅大于耐旱品種‘克新1 號(hào)’,說明干旱會(huì)導(dǎo)致葉片氣孔關(guān)閉,從而減少水分蒸發(fā),因此光合作用的下降可以歸因于葉綠素含量和Gs的下降,馬鈴薯葉片的Pn、Gs和葉綠素含量同時(shí)下降也證明了這一點(diǎn),且干旱敏感品種‘大西洋’的光合作用受干旱影響較大。有研究表明,外源烯效唑處理會(huì)通過提高葉綠素含量和光合能力,調(diào)節(jié)碳氮代謝相關(guān)酶的活性,改變內(nèi)源激素水平,提高植物對(duì)干旱脅迫的耐受性[41]。劉麗琴等[27]研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下,烯效唑浸種可提高紅小豆(Vigna angularis)葉片葉綠素含量、PSⅡ最大光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)和PSⅡ量子效率(Fv/F0),促進(jìn)干物質(zhì)積累。本研究發(fā)現(xiàn),干旱脅迫下,外源烯效唑顯著提高了馬鈴薯葉片Pn、Tr、Gs、Ci,增加了葉綠類a、b 和類胡蘿卜素的含量,說明烯效唑?qū)Ω珊得{迫下馬鈴薯葉片的氣孔因素和非氣孔因素均具有促進(jìn)作用,從而保護(hù)馬鈴薯的光合系統(tǒng),以減輕干旱對(duì)馬鈴薯生長(zhǎng)發(fā)育造成的不良影響。

3.2 塊莖膨大期干旱脅迫及外源烯效唑?qū)︸R鈴薯膜脂過氧化程度的影響

逆境脅迫下會(huì)加重植物膜質(zhì)過氧化作用導(dǎo)致的MDA 含量劇增,而MDA 通過與膜上酶和蛋白質(zhì)等物質(zhì)相互結(jié)合,造成細(xì)胞膜損傷,抑制植株的生理生化進(jìn)程[42]。有研究表明,干旱脅迫導(dǎo)致了植株細(xì)胞膜透性增加,葉片脯氨酸和MDA 含量升高[43]。李鵬程等[44]研究指出,過度的干旱脅迫會(huì)造成葉片MDA 逐漸增加。本研究也得到相似的結(jié)果,耐旱品種‘克新1 號(hào)’和干旱敏感品種‘大西洋’均在干旱15 d 時(shí)MDA 含量達(dá)到最高,且此時(shí)‘大西洋’MDA 含量漲幅大于‘克新1 號(hào)’,說明‘克新1 號(hào)’比‘大西洋’更能適應(yīng)干旱。外源烯效唑后,可顯著抑制兩個(gè)品種葉片MDA 含量的升高,這可能是由于干旱導(dǎo)致植物體內(nèi)產(chǎn)生過多自由基,作用于膜脂過氧化合成,產(chǎn)生大量MDA,而烯效唑通過抑制自由基的合成,減少M(fèi)DA的生成,這說明烯效唑可以緩解干旱脅迫下膜脂過氧化程度對(duì)馬鈴薯葉片造成的損傷,起到保護(hù)馬鈴薯細(xì)胞膜的作用。

3.3 塊莖膨大期干旱脅迫及外源烯效唑?qū)︸R鈴薯葉片ROS 代謝的影響

烯效唑提高作物抗逆性的作用之一就是通過降低細(xì)胞質(zhì)膜損傷途徑來提高植株對(duì)逆境脅迫的抗性[45]。在本研究中,干旱脅迫提高了兩個(gè)馬鈴薯品種葉片內(nèi)O2?產(chǎn)生速率和H2O2含量,且隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸增加的趨勢(shì),這與張翠梅等[10]研究結(jié)果相似。研究表明,烯效唑可減輕植物因ROS 過度積累所導(dǎo)致的細(xì)胞膜損傷,增強(qiáng)植物抗逆性[46]。通過本研究發(fā)現(xiàn),烯效唑能夠減少干旱脅迫下兩個(gè)馬鈴薯品種葉片內(nèi)O2?產(chǎn)生速率和H2O2含量,說明烯效唑可通過影響ROS 代謝平衡,增強(qiáng)馬鈴薯對(duì)干旱脅迫的耐受性。

3.4 塊莖膨大期干旱脅迫及外源烯效唑?qū)︸R鈴薯葉片抗氧化防御系統(tǒng)的影響

植物在遭受干旱后會(huì)通過自身保護(hù)系統(tǒng)之間相互有機(jī)協(xié)調(diào),最大程度降低干旱損傷。植物應(yīng)對(duì)水分脅迫時(shí),為了調(diào)節(jié)自身穩(wěn)定,通過體內(nèi)的抗氧化酶系統(tǒng)和非酶抗氧化劑來清除過多的ROS,從而減少逆境對(duì)植株造成的傷害。SOD 可催化2O2?+2H+→H2O2+O2促使逆境產(chǎn)生的O2?轉(zhuǎn)化為H2O2[47],CAT 和APX 是具有清除作用的協(xié)同酶,具有清除逆境脅迫產(chǎn)生的H2O2的作用[48],而POD 以H2O2作為電子受體,催化底物氧化[49]。本研究得出,干旱脅迫提高了兩個(gè)馬鈴薯品種葉片中SOD、POD、CAT 和APX的活性,并隨脅迫時(shí)間延長(zhǎng)而升高,這說明植物在應(yīng)對(duì)干旱時(shí),體內(nèi)潛在的抗氧化酶系統(tǒng)被激活以應(yīng)對(duì)應(yīng)激環(huán)境,但這一反應(yīng)過程可能被長(zhǎng)期持續(xù)的應(yīng)激所淹沒,導(dǎo)致嚴(yán)重的氧化損傷。此外,干旱處理15 d,‘克新1 號(hào)’葉片的POD 和APX 活性漲幅均大于‘大西洋’,而葉片的SOD 和CAT 活性漲幅均小于‘大西洋’,說明耐旱品種‘克新1 號(hào)’主要通過提高POD、APX 活性來清除干旱脅迫后產(chǎn)生的大量自由基。外源烯效唑具有調(diào)控植物抗逆生理的功能,其作用主要是增強(qiáng)抗氧化酶活性,增加非酶抗氧化劑含量,提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量,進(jìn)而減輕逆境脅迫對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的損壞以維持正常生理代謝[50]。有研究表明,干旱時(shí)施用烯效唑可促進(jìn)小麥體內(nèi)抗氧化防御系統(tǒng)及時(shí)清除過量的ROS,有效緩解干旱損傷[24]。本研究結(jié)果表明,在干旱條件下,外源烯效唑進(jìn)一步提高了‘克新1 號(hào)’和‘大西洋’的SOD、POD、CAT 和APX活性,表明外源烯效唑處理的馬鈴薯具有更好的O2?和H2O2清除能力,進(jìn)而保護(hù)生物分子免受氧化損傷。

植物也會(huì)通過AsA-GSH 循環(huán)代謝途徑來緩解干旱脅迫造成的損傷。逆境條件下,植物體內(nèi)過高的抗氧化劑含量(AsA 和GSH)和氧化還原力(DHA 和GSSG)可消除植物細(xì)胞因脅迫損傷而產(chǎn)生的過量ROS,并保護(hù)細(xì)胞膜脂質(zhì)免受自由基的過氧化作用[51]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),干旱脅迫增加了兩個(gè)品種葉片AsA 和DHA 的含量,施用烯效唑的變化趨勢(shì)與干旱脅迫處理相同,但與D 處理相比,烯效唑處理顯著改善了上述指標(biāo)。這說明烯效唑是通過增加抗氧化劑和氧化還原劑來提高馬鈴薯耐旱性。GSH 是一種主要的細(xì)胞內(nèi)水溶性抗氧化劑,逆境條件會(huì)誘導(dǎo)植物體內(nèi)GSH 水平的升高[52]。植物體內(nèi)GSH 含量水平也被作為衡量植株抗氧化狀態(tài)的重要指標(biāo)[53]。本研究可得,干旱脅迫顯著增加了兩個(gè)品種葉片中GSH 和GSSG 含量,隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸升高趨勢(shì)。烯效唑處理可進(jìn)一步促進(jìn)上述指標(biāo)含量的提高。AsA/DHA 和GSH/GSSG 是反映細(xì)胞氧化狀態(tài)的重要指標(biāo)。研究表明,AsA/DHA 和GSH/GSSG 的比值越大,抗氧化能力越強(qiáng)[54]。在本研究中,干旱脅迫降低了GSH/GSSG 的比值,而AsA/DHA 的比值高于CK,這可能是由于干旱脅迫抑制了兩個(gè)馬鈴薯品種葉片中DHA 含量,但維持了較高的AsA 含量,從而提高了AsA/DHA,影響了AsA-GSH 循環(huán)的正常運(yùn)行。而葉面噴施烯效唑提高了干旱脅迫下兩個(gè)馬鈴薯品種葉片中AsA/DHA 和GSH/GSSG 的比值,說明烯效唑可以提高馬鈴薯葉片內(nèi)部還原力水平和抗氧化能力,從而減輕活性氧對(duì)細(xì)胞膜造成的損害,提高耐旱性。

3.5 塊莖膨大期干旱脅迫對(duì)馬鈴薯葉片光合作用和抗氧化防御的損傷及烯效唑的緩解效應(yīng)

圖6 為干旱脅迫對(duì)馬鈴薯植株的損害及烯效唑緩解機(jī)制的模型圖。干旱脅迫導(dǎo)致馬鈴薯葉片葉綠素含量降低,光合作用下降,表現(xiàn)為葉綠素含量和胡蘿卜素含量下降,以及Pn、Tr、Gs、Ci的降低。干旱脅迫導(dǎo)致ROS 代謝紊亂,并增加O2?產(chǎn)生速率,隨著干旱時(shí)間的延長(zhǎng),SOD 將過多的自由基催化為H2O2。和H2O2的過度積累會(huì)改變細(xì)胞膜透性,產(chǎn)生MDA 等物質(zhì),加劇膜脂過氧化程度?？寡趸负虯sA-GSH 循環(huán)具有清除ROS 的作用,POD 和CAT可協(xié)同APX 清除H2O2,使其分解為H2O 和O2,AsA可在APX 催化下分解H2O2,GSH 具有清除O2?的作用,可被氧化生成GSSG,同時(shí)又能催化DHA 轉(zhuǎn)化為AsA。干旱脅迫提高了抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT 和APX)和非酶抗氧化劑含量(AsA、DHA、GSH 和GSSG),從而減輕干旱造成的損傷。外源烯效唑減緩了葉綠素含量和光合參數(shù)的降低,并進(jìn)一步提高了上述指標(biāo)的含量和活性,降低了O2?、H2O2和MDA 含量,進(jìn)而提高馬鈴薯耐旱性。

圖6 干旱脅迫對(duì)馬鈴薯塊莖膨大期光合作用和抗氧化防御系統(tǒng)的損傷及烯效唑(S3307)的緩解效應(yīng)Fig.6 Damage of drought stress on photosynthesis and antioxidant defense of potato during tuber expansion period and mitigation effect of uniconazole (S3307)

4 結(jié)論

在馬鈴薯塊莖膨大期,干旱脅迫導(dǎo)致葉片總?cè)~綠素含量和類胡蘿卜素含量降低,并進(jìn)一步限制了葉片的氣孔導(dǎo)度和蒸騰速率,從而降低了葉片的凈光合速率,干旱脅迫還導(dǎo)致了馬鈴薯葉片內(nèi)活性氧過量積累,膜脂過氧化程度提高。外源烯效唑有助于緩解干旱脅迫對(duì)葉片光合作用造成的損傷,表現(xiàn)為葉綠素含量的增加和光合參數(shù)的提高;此外,外源烯效唑可使抗氧化酶活性(SOD、POD、CAT、APX)和非酶抗氧化劑(ASA、DHA、GHG、SSG)含量增加,有效地清除干旱脅迫產(chǎn)生的ROS 和MDA,維持ASA-GSH 循環(huán)的正常運(yùn)行,進(jìn)而提高馬鈴薯的耐旱性。干旱敏感品種‘大西洋’受干旱脅迫造成的傷害程度高于耐旱品種‘克新1 號(hào)’。