董寶

（安徽省化工研究院，安徽 合肥230041）

干旱脅迫是農(nóng)業(yè)作物在發(fā)芽和生長(zhǎng)發(fā)育過程中的常見問題，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有很大危害，農(nóng)作物常因根系土壤養(yǎng)分的吸收受阻，而導(dǎo)致植物的發(fā)芽率降低[1-3]，同時(shí)由于體內(nèi)的清除自由基相關(guān)酶活性和自由基清除劑含量明顯下降，導(dǎo)致膜脂過氧化程度和自由基水平上升[4-6]，葉綠素含量減少[7-8]。此外，由于蛋白質(zhì)的分解加強(qiáng)，其合成卻受到抑制，從而蛋白質(zhì)含量減少，可溶性糖含量顯著增加[9-10]，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育緩慢、停滯甚至死亡。

抗旱性包衣劑又稱保水劑，是解決干旱脅迫的有效方法。其作用機(jī)理是在種子周圍形成“蓄水球囊”[11-15]，為種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)發(fā)育提供水源。因此，保水劑的制備方法和其保水能力等物理化學(xué)性質(zhì)一直是研究的熱點(diǎn)[14-16]，但是其對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育的作用機(jī)理仍需進(jìn)一步研究[16]?？紤]到合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院的甘薯淀粉高吸水樹脂（淀粉接枝共聚樹脂）是一種保水性能優(yōu)良的保水劑[17]，本文采用該單位制備的甘薯淀粉高吸水樹脂作為種子包衣劑，在干旱脅迫下研究其對(duì)小麥種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響規(guī)律，為甘薯淀粉高吸水樹脂在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

小麥種子：淮麥20（Triticum aestivum L,huaimai 20），采購(gòu)于安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院（純度≥99.0%，發(fā)芽率≥85%）。甘薯淀粉高吸水樹脂（包衣劑）：合肥工業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院制備[17]，吸水率約為1∶900（w:v）。

1.2 種子的包衣制備

本文選擇了包衣劑與種子的質(zhì)量比分別為1∶30，1∶40，1∶50，1∶60，1∶70 五個(gè)不同的包衣比。包衣步驟：首先每種包衣比取約5g種子加適量水濕潤(rùn)，按比例稱量甘薯淀粉高吸水樹脂粉末，加適量水分后充分?jǐn)嚢枋蛊湮蛎?。最后將預(yù)先濕潤(rùn)的種子加入，充分混合均勻后，將種子平攤在搪瓷盤中風(fēng)干。

1.3 干旱脅迫和種子萌發(fā)生長(zhǎng)管理

干旱脅迫和種子萌發(fā)生長(zhǎng)管理參照已報(bào)道的文獻(xiàn)[5,8,18]。土壤采用肥沃大田表土，干旱脅迫條件為土重的9%（質(zhì)量百分比）。初期保持土壤30%的持水量（質(zhì)量百分比）5h左右，以促使種子萌發(fā)與包衣劑的吸水，之后將土壤持水量降為9%，維持生長(zhǎng)溫度25℃±1℃和10h光照時(shí)間。每個(gè)包衣比和對(duì)照組下有5個(gè)重復(fù)。

1.4 生理生化指標(biāo)測(cè)試

光照培養(yǎng)7天后，進(jìn)行生理生化指標(biāo)測(cè)試：H2O2含量測(cè)定參照文獻(xiàn)[19]；丙二醛（MDA）含量參照文獻(xiàn)[20]；采用NBT光化還原法測(cè)試超氧化物歧化酶（SOD）活性，愈創(chuàng)木酚法測(cè)試過氧化物酶（POD）活性，過氧化氫酶（CAT）活性測(cè)定參照文獻(xiàn) [21]；抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性測(cè)定參照文獻(xiàn) [22]；谷胱甘肽過氧化物酶（GPX）測(cè)定參照試劑盒（南京建成生物技術(shù)公司）；葉綠素、谷胱甘肽（GSH）和抗壞血酸（ASA）測(cè)定參照文獻(xiàn)[23]。

2 結(jié)果與討論

2.1 甘薯淀粉高吸水樹脂對(duì)小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

如圖1所示，甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑能有效提高干旱脅迫下小麥種子的萌發(fā)率，且促進(jìn)其幼苗生長(zhǎng)。此外，不同包衣比的小麥種子萌發(fā)和生長(zhǎng)差異也較大，其中1∶50和1∶60包衣質(zhì)量比時(shí)，種子萌發(fā)率和苗高最高（圖1）。結(jié)果表明，甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑對(duì)干旱下萌發(fā)的小麥種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)作用是顯著的。

圖1 不同包衣比對(duì)小麥種子發(fā)芽率和苗高的影響Fig.1 Influence of different coat proportion on germination rate and length of stem in wheat

2.2 甘薯淀粉高吸水樹脂對(duì)小麥幼苗膜脂過氧化的影響

本文檢測(cè)了不同包衣質(zhì)量比的小麥幼苗H2O2、MDA和葉綠素的含量，結(jié)果如表1所示，對(duì)照組的H2O2、MDA含量均高于包衣組，而葉綠素的含量卻低于包衣組，說明甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑能夠降低干旱脅迫下小麥幼苗的膜脂過氧化程度。此外，和種子萌發(fā)率的結(jié)果一致，不同包衣質(zhì)量比對(duì)幼苗膜脂過氧化減輕的程度也不盡相同。其中1∶50和1∶60包衣質(zhì)量比的葉綠素的含量高于其他包衣比，同時(shí)MDA和H2O2含量則顯著低于其他包衣比。1∶50包衣質(zhì)量比下的葉綠素的含量最高，且MDA和H2O2含量最低。結(jié)果表明，1∶50包衣比時(shí)小麥幼苗的抗膜脂過氧化的效果最好。

表1 不同包衣質(zhì)量比對(duì)小麥幼苗H2O2、MDA和葉綠素含量的影響Tab.1 Influence of different coat proportion on H2O2,MDA and chlorophyl in wheat seedlings

2.3 甘薯淀粉高吸水樹脂對(duì)小麥幼苗自由基清除相關(guān)酶活的影響

干旱脅迫下，農(nóng)作物體內(nèi)的自由基清除相關(guān)酶活性與其抗旱能力相關(guān)。因此，為了深入了解甘薯淀粉高吸水樹脂處理下小麥幼苗的抗旱機(jī)理，本文重點(diǎn)考查了小麥幼苗的酶促活性氧清除系統(tǒng)的變化，自由基清除相關(guān)酶SOD、CAT、POD、GPX和APX的活性如表2所示。研究結(jié)果表明：1∶50和1∶60包衣比條件下SOD的活性最高，比對(duì)照組高了2.4倍；除1∶50包衣比外，其他衣比對(duì)幼苗POD活性影響不大，均與對(duì)照相當(dāng)；同時(shí)在1∶50包衣比時(shí)，其CAT、APX及GPX活性分別是對(duì)照組的2.0倍、3.3倍及4.9倍，且明顯高于其他包衣比。因此，對(duì)于提高自由基清除水平，1∶50包衣比無疑是最佳的比例。

表2 不同包衣比對(duì)小麥幼苗自由基清除相關(guān)酶活性的影響Tab.2 Influence of different coat proportion on enzymes related to cleaningup free radicals in wheat seedlings

2.4 甘薯淀粉高吸水樹脂對(duì)小麥幼苗GSH和ASA含量的影響

作為Halliwell-Asa-da循環(huán)的底物和活性氧的清除劑，ASA和GSH是植物體內(nèi)兩種主要且重要的非酶促抗氧化物質(zhì),并在植物體內(nèi)和酶促系統(tǒng)一起維持自由基平衡[6]。如圖2所示，包衣劑明顯提高小麥幼苗中ASA和GSH的含量，且1∶50包衣質(zhì)量比是最佳比例。

圖2 不同包衣質(zhì)量比對(duì)小麥幼苗ASA和GSH含量的影響Fig.2 Influence of different coat proportion on ASA and GSH content in wheat seedlings

3 討論

種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)必須有充分的水分供應(yīng)，否則萌發(fā)率低下，且幼苗生長(zhǎng)緩慢。干旱脅迫下，抗旱包衣劑通過在種子周圍形成“蓄水球囊”，使得土壤中的水分緩慢釋放，保障種子萌發(fā)的水源供應(yīng)[13,24,25]。但是包衣層過厚則往往使種子吸水和氣體交換受阻，而包衣層過薄則不能形成有效“蓄水球囊”，且一定程度上阻礙了種子對(duì)水和氧氣等物質(zhì)的吸收，從而引起發(fā)芽率低和幼苗弱勢(shì)生長(zhǎng)[25-26]。本文以甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑，與對(duì)照組相比，在干旱脅迫下顯著提高了小麥種子的發(fā)芽率和幼苗生長(zhǎng)，其中1∶50和1∶60包衣質(zhì)量比的發(fā)芽率高于70%。

干旱條件下植物細(xì)胞內(nèi)的活性氧自由基的平衡受到破壞，嚴(yán)重影響植物生長(zhǎng)。H2O2和MDA是過氧化物的主要產(chǎn)物，因此是反映過氧化程度的重要指標(biāo)[6,27]。本文研究結(jié)果表明，甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑，顯著降低了小麥體內(nèi)H2O2和MDA含量，且提高了葉綠素的水平，有效降低干旱條件下小麥幼苗的膜脂過氧化程度。

干旱脅迫往往導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧自由基含量增加，膜脂過氧化,細(xì)胞膜受損破壞。SOD、CAT、POD、APX、GPX等是植物體內(nèi)清除活性氧自由基的主要酶促系統(tǒng)，而非酶促主要包含ASA與GSH。為更好地理解甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑對(duì)小麥種子萌發(fā)的作用機(jī)理，本文重點(diǎn)研究了小麥幼苗酶促系統(tǒng)的酶活性和非酶促物質(zhì)ASA、GSH的含量變化，結(jié)果表明，甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑同時(shí)提高了清除活性氧自由基的酶促系統(tǒng)和非酶促系統(tǒng)的水平，從而保障了小麥種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn)，甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑可有效緩解小麥的干旱脅迫作用，且其最佳包衣質(zhì)量比為1∶50。此外，本文深入研究了小麥種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)過程中，甘薯淀粉高吸水樹脂作為包衣劑對(duì)膜脂過氧化水平和活性氧自由基清除能力的影響，為包衣劑的抗旱機(jī)理研究提供了數(shù)據(jù)支撐和理論依據(jù)。

[1]徐拾佳，郭玉潔，吳桐，等.干旱脅迫下鈣離子對(duì)矮牽牛種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響[J].河北林果研究，2017,32:284-288.

[2]De Villalobos A E.，PelaH D V.Influences of Temperature and Water Stress on Germination and Establishment of Prosopis CaldeniaBurk [J].Journal of Arid Environments,.2001,49:321-328.

[3]Vijaya Singh，Charles K,Pallaghy,Dhananjay Singh.Phosphorus Nutrition and Tolerance of Cotton to Water Stress II.Water Relations,Free and Bound Water and Leaf Expansion Rate[J].Field Crops Research,2006,96:199-206.

[4]Fridovich I.Superoxidedismutase[J].Ann.Rev.Biochem.,1975,44:147-159.

[5]章崇玲，曾國(guó)平，陳建勛.干旱脅迫對(duì)菜苔葉片保護(hù)酶活性和膜脂過氧化的影響[J].植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào)，2000（9）:23-26.

[6]李明，王根軒.干旱脅迫對(duì)甘草幼苗保護(hù)酶活性及脂質(zhì)過氧化作用的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào)，2002，22:503-507.

[7]阮凌暄，馬驍勇，林秀蓮，等.干旱脅迫對(duì)鐵皮石斛葉片活性氧清除系統(tǒng)與葉綠素?zé)晒馓匦缘挠绊?[J].西部林業(yè)科學(xué)，2017,46:103-107.

[8]Flenet F,Bouniols A,Saraiva C.Sunflower Response to A Range of Soil Water Contents[J].European Journal of Agronomy，1996（5）:161-167.

[9]Munns R C J,Bracely E W.Solute Accumulation in the Apex and Leaves ofWheat DuringWater Stress[J].J plant physiol,1979（6）:379-389.

[10]Fulai Liu,Christian R,Jensen,et al.Drought Stress Effect on Carbohydrate Concentration in Soybean Leaves and Pods During Early Reproductive Development:Its Implication in Altering Pod Set[J].Field Crops Research,2004，86:1-13.

[11]穆俊祥，劉拴成，曹興明.馬鈴薯生產(chǎn)中保水劑不同用法的效果比較[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2016,44:130-132.

[12]李蔓，陶格斯.淺談保水劑在造林綠化中的有效應(yīng)用[J].農(nóng)技服務(wù)，2015，32：167.

[13]山侖.旱地農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展趨向 [J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2002，35：848-855.

[14]王志玉,劉作新.高吸水樹脂的性能及其在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用[J].土壤通報(bào),2004,35:352-356.

[15]王小彬，蔡典雄，張銳.幾種高分子材料固土性能比較與評(píng)價(jià)研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2005，38：1608-1615.

[16]韓玉國(guó)，楊培嶺，徐磊，等.高分子吸水樹脂對(duì)果樹增產(chǎn)保墑的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2005，38：2486-2491.

[17]姜紹通,周建芹,趙妍嫣,等.甘薯淀粉接枝共聚高吸水樹脂的合成及在種子包衣上的應(yīng)用研究 [J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004,20:207-210.

[18]閻成仕,李德全,張建華.冬小麥旗葉旱促衰老過程中氧化傷害與抗氧化系統(tǒng)的響應(yīng)[J].西北植物學(xué)報(bào)，2000，20：568-576.

[19]林植芳，李雙順，林桂珠,等.衰老葉片和葉綠體中H2O2的累積與膜脂過氧化的關(guān)系[J].植物生理學(xué)報(bào)，1988，14：16-22.

[20]趙世杰,許長(zhǎng)成.植物組織中丙二醛測(cè)定方法的改進(jìn)[J].植物生理通訊,1994,30:207-210.

[21]Van Rensburg L.Evaluation of Components of Oxidative Stress Metabolism for Use in Selection of Drought Tolerant Cultivars of Nicotiana TabacumL[J].J Plant Physiol,1994,143:730-737.

[22]Arrigoni O,De Gara L,Tommasi F,et al.Change in the Ascorbate System During Seed Development ofVicia faba L[J].Plant physiol,1992,99:235-239，8.

[23]張志良.植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) [M].北京：高等教育出版社,1990.

[24]李景生，黃韻珠.土壤保水劑的吸水保水性能研究動(dòng)態(tài)[J].中國(guó)沙漠,1996,16:86-91.

[25]李青豐，徐軍，董天明.對(duì)吸水劑抗旱作用機(jī)理一些問題的探討[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2001,15:85-88.

[26]Parichehrhemyari,Nofiiger D L，Sape Siurper.Effects on Crast Strenth Water Retention,and Water Infiltration of Soils[J].SOILSCI SOC.AM.,1981,45:799-801.

[27]Bowler C,Van Montagu M.Superoxide Dismutase and Stress Tolerance[J].Annu Rev Plant Physiol Plant Mol Biol,1992,43:83-116.