跨代干旱鍛煉對甘蔗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性和內(nèi)源激素含量的影響

李海碧 祝開 桂意云 韋金菊 羅晟昇 唐利球 周會 張榮華 楊榮仲 劉昔輝

摘 要：探究跨代干旱鍛煉對甘蔗滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)、抗氧化酶活性和內(nèi)源激素含量的影響，為甘蔗抗旱性研究提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。以臺糖172和桂糖31號為試驗(yàn)材料，采用桶栽試驗(yàn)，進(jìn)行連續(xù)3代干旱鍛煉，以正常澆水的相同甘蔗品種為對照，測定對照組及干旱鍛煉組第3代甘蔗的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、抗氧化酶活性和內(nèi)源激素含量。結(jié)果表明：滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)方面，與對照組相比，經(jīng)跨代干旱鍛煉后，臺糖172的丙二醛（MDA）含量顯著增加22.0%（P<0.05，下同），桂糖31號的MDA含量略有升高但無顯著差異（P>0.05，下同）；臺糖172和桂糖31號的脯氨酸含量顯著增加，增幅分別達(dá)83.6%和149.6%，二者可溶性蛋白含量無顯著差異?？寡趸富钚苑矫?，經(jīng)跨代干旱鍛煉后，2個甘蔗品種的超氧化物歧化酶（SOD）和過氧化物酶（POD）活性與對照組相比均無顯著差異；臺糖172的過氧化氫酶（CAT）活性顯著增加66.7%，桂糖31號顯著降低50.18%。內(nèi)源激素方面，經(jīng)跨代干旱鍛煉后，臺糖172和桂糖31號的吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA3）含量顯著降低；檢測的6種細(xì)胞分裂素中，臺糖172的6-芐氨基腺嘌呤（6-BA）含量顯著降低，其他5種細(xì)胞分裂素?zé)o顯著差異；桂糖31號的反式玉米素核苷（TZR）、N6-異戊烯基腺苷（IPA）和6-BA含量與對照組相比顯著增加，異戊烯基腺嘌呤（IP）、反式玉米素（TZ）和激動素（KT）含量無顯著差異；2個甘蔗品種的脫落酸（ABA）和1-氨基-環(huán)丙烷羧酸（ACC）含量顯著增加?？梢?，經(jīng)跨代干旱鍛煉的甘蔗再次受到干旱脅迫時能產(chǎn)生相應(yīng)的生理反應(yīng)來提高自身的耐旱能力。

關(guān)鍵詞：甘蔗；跨代干旱鍛煉；滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)；抗氧化酶活性；內(nèi)源激素含量

中圖分類號：S566.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-820X（2023）02-0006-04

0 引言

甘蔗是我國重要的糖料作物。廣西甘蔗種植面積占全國的60%以上，超過90%的甘蔗種植在干旱、貧瘠的旱坡地［1］，加上降水分配不均，季節(jié)性干旱嚴(yán)重，旱害已成為限制甘蔗生產(chǎn)的主要環(huán)境因子。為減輕干旱帶來的傷害，干旱條件下甘蔗自身會產(chǎn)生保護(hù)性物質(zhì)和一系列生理生化變化，主要包括滲透調(diào)節(jié)、抗氧化調(diào)節(jié)、內(nèi)源激素調(diào)節(jié)等［2］。此外，為減輕干旱對甘蔗生長和產(chǎn)量的影響，生產(chǎn)中也可通過各種途徑提高甘蔗的抗旱能力。研究表明，經(jīng)過干旱鍛煉的植物，再次經(jīng)歷干旱脅迫時會表現(xiàn)出較經(jīng)歷第一次脅迫更強(qiáng)的抗旱能力。關(guān)于甘蔗的此類研究大多集中在一次干旱脅迫［3］、一次干旱脅迫后復(fù)水［4，5］和當(dāng)代多次干旱脅迫處理［6，7］對甘蔗生理特性和抗旱能力的影響，而跨代干旱鍛煉對甘蔗影響的研究尚未見報道。因此，本研究擬通過對甘蔗進(jìn)行連續(xù)3代干旱鍛煉，探究跨代干旱鍛煉對甘蔗抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和內(nèi)源激素含量的影響，為甘蔗抗旱性研究提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用甘蔗品種為臺糖172和桂糖31號。臺糖172由臺灣糖業(yè)科學(xué)研究所育成，其親本為臺糖153×臺糖152，于1982年引入廣西種植，該品種表現(xiàn)中小莖、中熟、豐產(chǎn)、高糖，57號毛群發(fā)達(dá)，抗旱、耐瘠瘦，宿根性好［8］，常作為抗旱性強(qiáng)材料用于甘蔗抗旱機(jī)理研究。桂糖31號由廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所選育，其親本為粵糖85-177×CP81-1254，該品種表現(xiàn)豐產(chǎn)性能優(yōu)良、穩(wěn)產(chǎn)性好、宿根性強(qiáng)、適應(yīng)性廣、中熟高糖［9，10］，其抗旱性表現(xiàn)為中抗。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所玻璃溫室中進(jìn)行。將臺糖172和桂糖31號進(jìn)行單芽種莖桶栽種植，每桶種植2株，每個材料種植10桶，共20桶。甘蔗生長期間保持土壤含水量17%～20%。在甘蔗伸長期（約種植5～6個月）進(jìn)行干旱處理，設(shè)對照組和干旱鍛煉組，每組5桶。對照組保持土壤含水量17%～20%；干旱鍛煉組停止供水后，用塑料薄膜覆蓋桶表面土壤減少水分蒸發(fā)，以延長桶栽干旱時間。干旱處理期間每天監(jiān)測土壤含水量，甘蔗材料干旱程度以土壤含水量為準(zhǔn)。當(dāng)干旱鍛煉組土壤含水量降到7.5%時停止干旱脅迫。將經(jīng)受一代干旱鍛煉后的甘蔗標(biāo)記為干旱馴化一代（T1），用T1代甘蔗種莖以同樣的方式連續(xù)干旱鍛煉并種植3代獲得T3代甘蔗，當(dāng)T3代甘蔗處理組達(dá)重度干旱時分別在干旱鍛煉組和對照組采集甘蔗+1葉片（最高可見肥厚帶部位），各設(shè)3次生物學(xué)重復(fù)。取樣后立即進(jìn)行液氮處理，-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 測定指標(biāo)及方法

采用蘇州科銘生物技術(shù)有限公司試劑盒（微量法）測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性及丙二醛（MDA）、脯氨酸和可溶性蛋白含量；采用液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀LC-MS/MS（SCIEX API4000）測定甘蔗葉片內(nèi)源激素脫落酸（ABA）、赤霉素（GA3）、異戊烯基腺嘌呤（IP）、吲哚乙酸（IAA）、反式玉米素（TZ）、激動素（KT）、反式玉米素核苷（TZR）、N6-異戊烯基腺苷（IPA）、6-芐氨基腺嘌呤（6-BA）和1-氨基-環(huán)丙烷羧酸（ACC）含量。

1.4 統(tǒng)計分析

用Excel 2003和SPSS 20.0進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與統(tǒng)計分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 跨代干旱鍛煉對甘蔗葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

從表1可知，與未經(jīng)干旱鍛煉的對照組相比，經(jīng)跨代干旱鍛煉后臺糖172的MDA含量顯著增加（P<0.05，下同），增幅為22.0%，桂糖31號的MDA含量略有升高但無顯著差異（P>0.05，下同）；2個甘蔗品種相比，經(jīng)跨代干旱鍛煉的臺糖172 MDA含量顯著高于桂糖31號。對照組臺糖172和桂糖31號的脯氨酸含量分別為14.76和16.11 μg/g，經(jīng)跨代干旱鍛煉后，二者脯氨酸含量顯著增加，與對照組相比增幅分別達(dá)83.6%和149.6%。與對照組相比，經(jīng)跨代干旱鍛煉的甘蔗可溶性蛋白含量無顯著差異；但2個品種間比較，干旱鍛煉組臺糖172的可溶性蛋白含量顯著高于桂糖31號。

2.2 跨代干旱鍛煉對甘蔗葉片抗氧化酶活性的影響

植物受到干旱脅迫時體內(nèi)活性氧增加，會對細(xì)胞膜造成不可逆的損傷，但植物體內(nèi)的活性氧清除系統(tǒng)可在一定范圍內(nèi)抑制或減緩過氧化反應(yīng)的發(fā)生，降低氧化作用對細(xì)胞免疫的傷害。由表2可知，經(jīng)跨代干旱鍛煉后臺糖172的CAT活性與對照組相比顯著升高66.7%，而桂糖31號的CAT活性顯著降低50.2%；2個甘蔗品種的SOD和POD活性與對照組相比均無顯著差異。

2.3 跨代干旱鍛煉對甘蔗葉片內(nèi)源激素含量的影響

IAA、GA3、細(xì)胞分裂素（IP、TZ、KT、TZR、IPA和6-BA）是植物生長促進(jìn)激素，干旱脅迫可使其含量降低，減緩植株生長速率，以緩解水分不足對植株正常生理活動的壓力。由表3可知，與對照組相比，經(jīng)跨代干旱鍛煉后臺糖172和桂糖31號的IAA和GA3含量顯著降低，IAA含量降幅分別為34.1%和25.7%，GA3降幅分別為68.3%和75.4%。檢測的6種細(xì)胞分裂素中，臺糖172經(jīng)跨代干旱鍛煉后6-BA含量與對照組相比顯著降低，其他5種細(xì)胞分裂素與對照組均無顯著差異；桂糖31號經(jīng)跨代干旱鍛煉后TZR、IPA和6-BA含量與對照組相比均顯著增加，IP、TZ和KT含量無顯著差異。

ABA和乙烯是抑制生長的激素，干旱脅迫可使其含量增加，其中乙烯氣體難以檢測，常通過檢測乙烯前體ACC含量來指示植物體內(nèi)乙烯的含量。由表3可知，與對照組相比，經(jīng)跨代干旱鍛煉后，臺糖172和桂糖31號的ABA和ACC含量均顯著增加，其中ABA含量增幅分別為355.6%和565.2%，ACC含量增幅分別為41.7%和167.9%。

3 討論與結(jié)論

當(dāng)植物遭受干旱脅迫時，體內(nèi)發(fā)生一系列的生理生化反應(yīng)來緩解干旱脅迫帶來的傷害，其中滲透調(diào)節(jié)和抗氧化系統(tǒng)是抵御干旱的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其變化也是研究作物抗旱性的重要指標(biāo)。植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)如MDA、脯氨酸和可溶性蛋白與調(diào)節(jié)植物細(xì)胞的滲透勢有關(guān)，干旱脅迫時植物會提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量使植物細(xì)胞能維持較低的滲透勢［11］。本研究中，跨代干旱鍛煉后，臺糖172的MDA含量較對照組顯著增加22.0%，桂糖31號的MDA含量略有升高但無顯著差異；臺糖172號和桂糖31號的脯氨酸含量分別顯著增加83.6%和149.6%，說明經(jīng)跨代干旱鍛煉后甘蔗能通過調(diào)節(jié)MDA和脯氨酸含量來抵御干旱脅迫，但不同甘蔗品種的調(diào)節(jié)方式可能存在差異。有研究表明，甘蔗在輕度和中度干旱脅迫時可溶性蛋白含量逐漸增加，重度干旱脅迫時反而下降［12］。本研究中，經(jīng)跨代干旱鍛煉后2個甘蔗品種的可溶性蛋白含量與對照組相比無顯著差異，可能是由于重度干旱時甘蔗體內(nèi)水解增加，水解了部分蛋白質(zhì)，因此干旱組與對照組相比無顯著差異。植物體內(nèi)參與抗氧化保護(hù)反應(yīng)的酶類主要有SOD、CAT、POD等，這些酶共同作用可將超氧陰離子自由基及H2O2轉(zhuǎn)化為H2O和O2，緩解活性氧導(dǎo)致的氧化脅迫，從而減輕干旱脅迫對植物造成的傷害［13］。本研究結(jié)果表明，經(jīng)跨代干旱鍛煉后，2個甘蔗品種的SOD和POD活性與對照組相比均無顯著差異；臺糖172的CAT活性顯著增加66.7%，桂糖31號反而顯著降低50.18%。其原因可能是輕度和中度干旱有利于激發(fā)CAT、SOD和POD活性，而高強(qiáng)度干旱脅迫會破壞植物的自身抵御能力，導(dǎo)致總抗氧化力及羥自由基清除能力下降。

植物內(nèi)源激素是植物在特定環(huán)境信號下誘導(dǎo)產(chǎn)生的，在極低濃度下即可發(fā)揮明顯的生理效應(yīng)，可單個或相互協(xié)調(diào)調(diào)控植物的生長、發(fā)育與體內(nèi)代謝［14］。IAA、GA3、細(xì)胞分裂素（IP、TZ、KT、TZR、IPA和6-BA）是生長促進(jìn)激素，一般來說干旱脅迫可使其含量降低，延緩植株的生長速率，以緩解水分不足對植株正常生理活動的壓力。ABA和ACC為抑制性激素，可使植物的新陳代謝減緩，是植物響應(yīng)干旱的重要調(diào)控信號分子［15］，以適應(yīng)干旱條件下的不利環(huán)境。本研究中，經(jīng)跨代干旱鍛煉后，甘蔗的生長促進(jìn)激素IAA、GA3和6-BA與對照組相比均顯著下降，抑制生長的激素ABA和ACC均顯著增加，說明經(jīng)跨代干旱鍛煉的甘蔗能通過調(diào)節(jié)內(nèi)源激素的含量來抵御干旱。

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