張明飛 遲悅 王慧穎 相吉山 王韶婉 于龍君 田佳和 周明旭 朱天浩

摘 要：為了了解不同抗旱型谷子品種抗旱性差異的生理基礎(chǔ)，本研究以5個(gè)極抗旱和5個(gè)極弱抗谷子品種為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)其進(jìn)行PEG干旱脅迫和復(fù)水處理，分別測(cè)定超氧化物歧化酶（SOD）、過(guò)氧化物酶（POD）和丙二醛（MDA）含量變化。結(jié)果表明，干旱脅迫前，不同抗旱型谷子品種的SOD、POD酶活性差異不顯著；極弱抗型谷子的MDA含量略高于極抗旱谷子。干旱脅迫后，極抗旱型谷子的SOD酶活性顯著高于極弱抗型谷子，極弱抗型谷子的MDA含量顯著高于極抗旱型谷子，不同抗旱型谷子品種間POD酶活性差異不顯著。復(fù)水處理后，極抗旱型谷子的SOD酶活性仍大于極弱抗型谷子，不同抗旱型谷子的POD酶活性水平下降，但仍高于脅迫前，極弱抗型谷子的MDA含量顯著高于極抗旱型谷子。

關(guān)鍵詞：谷子；干旱脅迫；復(fù)水處理；生理指標(biāo)

中圖分類號(hào)：Q945；S515? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：1673-260X（2023）09-0039-04

谷子（Setaria italica L.）起源于我國(guó)黃河流域，屬于禾本科植物黍亞科（Panicoideae）黍族（Paniceae）狗尾草屬（Setaria）[1]，在我國(guó)有8700多年的栽培史。谷子是C4植物，具有生育期短、基因組小、營(yíng)養(yǎng)豐富、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，是禾本科研究的模式作物，是我國(guó)北方的主要雜糧作物之一，分布在北方的干旱、半干旱地區(qū)。

干旱是眾多非生物脅迫中嚴(yán)重影響農(nóng)作物生長(zhǎng)、代謝和產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一[2]。植物在遭受干旱脅迫時(shí)，細(xì)胞內(nèi)外滲透勢(shì)、葉面卷曲、萎蔫程度等均受影響，在植物形態(tài)上表現(xiàn)顯著并且激發(fā)包括超氧自由基（O2-）、過(guò)氧化氫等活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）的產(chǎn)生?；钚匝醯漠a(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致脂類、核酸以及糖類物質(zhì)的損傷[3]。為了使細(xì)胞免受活性氧的毒害，保證細(xì)胞正常生理功能，植物已經(jīng)進(jìn)化出復(fù)雜防御活性氧毒害的保護(hù)酶系統(tǒng)。超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SOD）是生物體內(nèi)普遍存在的參與氧代謝的一種含金屬酶，該酶是植物體內(nèi)重要的保護(hù)酶之一，與植物的衰老及抗逆性密切相關(guān)[4]。過(guò)氧化物酶（peroxisome，POD）在清除種子萌發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的自由基傷害上擔(dān)負(fù)重要的功能。研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫后，SOD活性會(huì)隨著干旱脅迫程度的增加而有顯著上升的趨勢(shì)，同時(shí)POD的變化呈先上升后下降的趨勢(shì)。李長(zhǎng)明等研究表明，干旱脅迫條件下，水稻抗旱性與其葉片中的SOD活性有關(guān)，品種的抗旱性強(qiáng)，其SOD活性隨著土壤水分的降低而升高[5]。朱永波等研究報(bào)道，POD活性在水分脅迫下與品種的抗旱性密切相關(guān)，抗旱性強(qiáng)的品種能維持較高的POD活性[6]。丙二醛（MDA）是植物細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的最終分解產(chǎn)物，對(duì)細(xì)胞具有毒害作用，逆境條件會(huì)加劇MDA的產(chǎn)生和積累[7]。MDA的含量和細(xì)胞膜脂的透性變化能夠反映植物在逆境脅迫中細(xì)胞膜脂遭受破壞的程度。

因此，超氧化物歧化酶、丙二醛和過(guò)氧化物酶等物質(zhì)的含量或活性可以反映植物抵抗逆境的能力。作物的抗旱性不僅體現(xiàn)在其對(duì)干旱脅迫的耐受程度上，而且還應(yīng)包括脅迫狀態(tài)解除后的恢復(fù)能力。因此，作物干旱后復(fù)水機(jī)理的研究對(duì)其抗旱性的改良具有重要意義。本研究利用水培試驗(yàn)對(duì)不同抗旱類型的谷子品種進(jìn)行干旱脅迫和復(fù)水處理，測(cè)定其SOD、POD和MDA等生理指標(biāo)，探索不同抗旱類型的谷子品種在受到干旱脅迫和復(fù)水處理后，其生理指標(biāo)的變化規(guī)律，為谷子抗旱性品種的選育和改良提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

供試材料為前期篩選出10個(gè)不同抗旱型的谷子品種，如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 適宜PEG脅迫濃度的篩選

隨機(jī)選取5個(gè)谷子品種作為發(fā)芽試驗(yàn)材料（敖谷8號(hào)、大同41、大同27號(hào)、隴谷14、長(zhǎng)生11），采用直徑12cm培養(yǎng)皿鋪濾紙進(jìn)行種子發(fā)芽實(shí)驗(yàn)，將種子均勻分布在濾紙上，PEG脅迫濃度設(shè)置5個(gè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)梯度分別為5%、10%、15%、20%、25%，以蒸餾水做對(duì)照。每天根據(jù)濾紙濕潤(rùn)程度補(bǔ)充相應(yīng)溶液或蒸餾水，室溫下發(fā)芽5天后，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)和未發(fā)芽數(shù)，計(jì)算發(fā)芽率。

1.2.2 谷子幼苗處理

將10個(gè)不同抗旱類型的谷子品種種植在穴盤中，以蛭石為基質(zhì)，定時(shí)澆水保持蛭石濕潤(rùn)。待谷子生長(zhǎng)至三葉期時(shí)，用清水輕輕沖洗掉谷子幼苗根部的蛭石后轉(zhuǎn)入1/4MS營(yíng)養(yǎng)液中，適應(yīng)培養(yǎng)24h后進(jìn)行第一次取樣；將適應(yīng)培養(yǎng)后的谷子幼苗轉(zhuǎn)入1/4 MS和適宜PEG脅迫濃度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%）的營(yíng)養(yǎng)液中脅迫24h后進(jìn)行第二次取樣；再將脅迫24h后的谷子幼苗轉(zhuǎn)入1/4MS營(yíng)養(yǎng)液中復(fù)水處理24h后進(jìn)行第三次取樣，每次取樣葉片數(shù)不少于50片。3次取樣樣品用液氮速凍后立即置于-80℃超低溫冰箱中保存待測(cè)。

1.2.3 生理指標(biāo)測(cè)定

采用合肥萊爾生物科技有限公司的試劑盒YX-W-A401測(cè)定MDA、試劑盒YX-W-A500測(cè)定SOD和試劑盒YX-C-A502測(cè)定POD酶活性，按照試劑盒說(shuō)明書進(jìn)行取樣、勻漿、離心、測(cè)定等實(shí)驗(yàn)操作。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)和作圖，利用SPSS 26.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 適宜PEG濃度篩選

發(fā)芽實(shí)驗(yàn)表明，5個(gè)谷子品種的發(fā)芽率隨PEG脅迫濃度的升高，發(fā)芽率整體呈下降趨勢(shì)，但是PEG脅迫濃度小于15%時(shí)，發(fā)芽率下降不明顯；當(dāng)PEG脅迫濃度達(dá)到20%時(shí)，5個(gè)谷子品種的發(fā)芽率差異較大；當(dāng)PEG脅迫濃度達(dá)到25%時(shí)，5個(gè)谷子品種的發(fā)芽率均為0，因此，后續(xù)實(shí)驗(yàn)選擇脅迫濃度20%的PEG脅迫處理谷子幼苗，如圖1所示。

2.2 干旱脅迫和復(fù)水處理對(duì)不同抗旱類型谷子SOD酶活性的影響

在干旱脅迫和復(fù)水處理對(duì)谷子SOD酶活性的影響中，如圖2所示。脅迫前10個(gè)谷子品種SOD酶活性差異不大，變幅為50.44-79.91U/g，其中天粟7號(hào)SOD酶活性最高，大黃谷SOD酶活性最低。天粟7號(hào)SOD酶活性顯著大于14H758、隴谷14、17H1148、大糟皮、大黃谷和長(zhǎng)生11。脅迫后，10個(gè)谷子品種SOD酶活性均大于脅迫前，變幅為83.72-143.65U/g，其中大黃谷SOD酶活性最大，吉9806-1最小。極抗旱型谷子SOD酶活性增加幅度較大，且顯著大于極弱抗谷子。在極抗旱谷子品種中，大黃谷SOD酶活性顯著大于17H1148；極弱抗谷子SOD酶活性雖有提高，但增加幅度不大且差異不顯著。復(fù)水后，10個(gè)谷子品種SOD酶活性均比脅迫后有所降低，變幅為71.08-121.82U/g，其中隴谷14最大，長(zhǎng)農(nóng)44號(hào)最小。復(fù)水后與脅迫處理后相比，SOD酶活性略有降低，但仍比脅迫前SOD酶活性高，極抗旱谷子品種SOD酶活性顯著高于極弱抗谷子品種。

2.3 干旱脅迫和復(fù)水處理對(duì)不同抗旱類型谷子POD酶活性的影響

在干旱脅迫和復(fù)水處理對(duì)谷子POD酶活性的影響中，如圖3所示。脅迫前，10個(gè)谷子品種POD活性差異不顯著，變幅為118.88-166.44U/g，其中17H1148的POD活性最高，天粟7號(hào)POD活性最低。脅迫后，10個(gè)谷子品種POD酶活性均增加，變幅在166.44-213.99U/g，其中隴谷14 POD酶活性最大，天粟7號(hào)最小。復(fù)水后，10個(gè)谷子品種POD酶活性與脅迫處理后相比略有降低，但仍比脅迫前高，POD酶活性變幅為142.66-190.21U/g，其中17H1148最大，天粟7號(hào)最小。

2.4 干旱脅迫和復(fù)水處理對(duì)不同抗旱類型谷子MDA含量的影響

在干旱脅迫和復(fù)水處理對(duì)谷子MDA含量的影響中，如圖4所示。脅迫前，10個(gè)谷子品種的MDA含量整體趨勢(shì)呈現(xiàn)極抗旱谷子低于極弱抗谷子，且不同谷子間差異顯著，MDA含量變幅為98.065-276.989nmol/g，其中天粟7號(hào)MDA含量最高，隴谷14最低。脅迫后，10個(gè)谷子品種MDA含量與脅迫前相比均有不同程度的增加，MDA含量變幅為110.108-434.065nmol/g，其中吉9806-1 MDA含量最大，大黃谷最小。極弱抗谷子MDA含量顯著高于極抗旱谷子品種，極弱抗型谷子MDA含量增加幅度較大，極抗旱谷子品種MDA含量增加幅度較小。在極抗旱谷子品種中，大糟皮MDA含量顯著高于14H758、隴谷14、17H1148、大黃谷。在極弱抗旱谷子品種中，吉9806-1的MDA含量顯著高于天粟7號(hào)，天粟7號(hào)MDA含量顯著高于朝438、長(zhǎng)農(nóng)44號(hào)和長(zhǎng)生11。復(fù)水后，10個(gè)谷子品種MDA含量與脅迫后相比MDA含量水平略有下降，但復(fù)水后MDA含量水平仍比脅迫前高。MDA含量變幅為106.667-378.495nmol/g，其中吉9806-1最大，大黃谷最小。極弱抗谷子品種MDA含量整體顯著高于極抗旱谷子品種，在極弱抗谷子品種中，吉9806-1的MDA含量顯著高于天粟7號(hào)，天粟7號(hào)MDA含量顯著高于朝438和長(zhǎng)生11，朝438和長(zhǎng)生11的MDA含量顯著高于長(zhǎng)農(nóng)44號(hào)。在極抗旱谷子品種中，大糟皮的MDA含量顯著高于14H758和17H1148，14H758和17H1148的MDA含量顯著高于大黃谷和隴谷14。

3 討論

PEG脅迫濃度的篩選，王振華等[8]在對(duì)15個(gè)谷子品種萌芽期對(duì)干旱脅迫生理響應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量濃度為20%的PEG脅迫條件下，不同品種谷子的發(fā)芽率差異明顯，確定篩選適宜谷子抗旱鑒定的PEG質(zhì)量濃度為20%。該結(jié)論與本研究一致，但裴帥帥等[9]在對(duì)不同品種谷子種子萌發(fā)期對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)及其抗旱性評(píng)價(jià)研究中認(rèn)為質(zhì)量濃度為18%的PEG適合作為谷子抗旱脅迫的篩選條件，這可能是由于裴帥帥采取發(fā)芽勢(shì)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，而本研究和王振華均采取發(fā)芽率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)有關(guān)。

SOD能清除活性氧自由基等物質(zhì)，具有保護(hù)細(xì)胞免受活性氧毒害，維持細(xì)胞正常生命活動(dòng)的功能[9]。邵怡若等[10]研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)SOD活性與抗旱性呈正相關(guān)，且在干旱脅迫下植物體內(nèi)SOD酶活性會(huì)提高。本研究中也得到了相同的結(jié)論，PEG脅迫后10個(gè)谷子品種的SOD酶活性均有提升，且極抗旱型谷子的SOD酶活性升高幅度比極弱抗型谷子的升高幅度大，這說(shuō)明鑒定谷子抗旱性可以選用SOD酶含量作為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

POD是一種植物細(xì)胞內(nèi)防御酶系統(tǒng)能清除過(guò)多的H2O2等過(guò)氧化物的重要的清除酶。朱永波等[6]在對(duì)玉米抗旱性鑒定研究中發(fā)現(xiàn)，POD酶的活性與農(nóng)作物本身的抗旱能力密切相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，抗旱性強(qiáng)的農(nóng)作物品種的POD酶的活性能維持相對(duì)較高水平。朱學(xué)海等[11]和劉佳等[12]人研究均發(fā)現(xiàn)，在干旱條件下，植物的POD活性呈現(xiàn)出先上升后下降的變化趨勢(shì)，該結(jié)論與許冰霞等[13]得出的在干旱條件下谷子POD活性呈下降趨勢(shì)的研究結(jié)果不一致。綜上，不同的作物在干旱脅迫下其抗氧化保護(hù)性物質(zhì)表現(xiàn)不一致。本研究結(jié)果表明，在干旱脅迫下不同抗旱類型谷子品種的POD活性均有升高，但各處理品種間POD酶活性差異不顯著，且POD活性變化幅度與谷子抗旱類型沒(méi)有表現(xiàn)出明顯相關(guān)性，可能是由于試驗(yàn)材料、處理及測(cè)定方式等差異導(dǎo)致。

MDA是植物受到逆境脅迫時(shí)體內(nèi)脂膜過(guò)氧化產(chǎn)物之一，對(duì)細(xì)胞有嚴(yán)重的毒害作用，會(huì)嚴(yán)重?fù)p傷生物膜[14]。因此，通過(guò)測(cè)定丙二醛含量來(lái)判斷膜脂過(guò)氧化程度及膜系統(tǒng)的受損程度，可間接評(píng)價(jià)不同品種的抗逆性[15]。在干旱脅迫下，植物體內(nèi)MDA含量越高，細(xì)胞膜受損程度越高，抗旱性越弱；反之，抗旱性越強(qiáng)[16]。本研究中，10個(gè)谷子品種在PEG脅迫后，葉片的MDA含量均呈升高趨勢(shì)，極弱抗型谷子品種整體比極抗旱谷子品種MDA含量上升幅度大。復(fù)水后10個(gè)谷子品種的葉片MDA含量開始下降，但仍高于脅迫前水平，原因可能是PEG干旱脅迫造成細(xì)胞內(nèi)膜氧化強(qiáng)烈，短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完全清除MDA，這一結(jié)果與朱學(xué)海等[11]和秦嶺[2]等研究結(jié)果一致。

4 結(jié)論

干旱脅迫前，極抗旱型和極弱抗型谷子品種的SOD、POD酶活性差異不顯著；極弱抗型谷子品種的MDA含量略高于極抗旱型谷子品種。干旱脅迫后，極抗旱型谷子品種的SOD酶活性增加幅度較大，且顯著大于極弱抗型谷子品種。不同抗旱型谷子品種間POD酶活性差異不顯著，沒(méi)有明顯規(guī)律。極弱抗型谷子品種的MDA含量顯著高于極抗旱型谷子品種。復(fù)水后，極抗旱型谷子品種的SOD酶活性短時(shí)間內(nèi)仍維持較高水平，而極弱抗型谷子品種的SOD酶活性則與脅迫前水平相近。極抗旱型和極弱抗型谷子品種的POD酶活性水平均下降，但高于脅迫前。極弱抗型谷子品種的MDA含量維持較高水平，顯著高于極抗旱型谷子品種，極抗旱型谷子品種的MDA含量則下降至與脅迫前相近水平。綜上所述，極抗旱型谷子品種具有較強(qiáng)的抗逆和修復(fù)能力。

——————————

參考文獻(xiàn)：

〔1〕肖繼兵，劉志，辛宗緒，等.基于GGE雙標(biāo)圖的谷子種質(zhì)資源耐旱性鑒定[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2022，37（05）：87-96.

〔2〕Osakabe Y， Osakabe K， Shinozaki K， et al. Response of plants to water stress[J]. Frontiers in plant science， 2014， 5：86.

〔3〕Vellosillo T， Vicente J， Kulasekaran S， et al. Emerging complexity in reactive oxygen species production and signaling during the response of plants to pathogens[J]. Plant physiology， 2010， 154（02）：444-448.

〔4〕秦嶺，陳二影，楊延兵，等.干旱和復(fù)水對(duì)不同耐旱型谷子品種苗期生理指標(biāo)的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2019，21（03）：146-151.

〔5〕李長(zhǎng)明，劉保國(guó)，任昌福，等.水稻抗旱機(jī)理研究[J].西南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，18（05）：410-413.

〔6〕朱永波，張仁和，卜令鐸，等.玉米苗期抗旱性鑒定指標(biāo)的研究[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2008，17（03）：143-146.

〔7〕裴帥帥.干旱脅迫對(duì)谷子生理特性的影響及赤霉素代謝關(guān)鍵酶基因表達(dá)分析[D].晉中：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

〔8〕王振華，劉鑫，余愛(ài)麗，等.不同谷子品種萌發(fā)期對(duì)干旱脅迫生理響應(yīng)的變化及抗旱指標(biāo)篩選[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2020，22（12）：39-49.

〔9〕裴帥帥，尹美強(qiáng)，溫銀元，等.不同品種谷子種子萌發(fā)期對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)及其抗旱性評(píng)價(jià)[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)，2014，28（10）：1897-1904.

〔10〕邵怡若，許建新，薛立，等.5種綠化樹種幼苗對(duì)干旱脅迫和復(fù)水的生理響應(yīng)[J].生態(tài)科學(xué)，2013， 32（04）：420-428.

〔11〕朱學(xué)海，宋燕春，趙治海，等.用滲透劑脅迫鑒定谷子芽期耐旱性的方法研究[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2008，27（01）：62-67.

〔12〕劉佳，郁繼華，徐秉良，等.干旱氣候條件下水分脅迫對(duì)辣椒葉片生理特性的影響[J].核農(nóng)學(xué)報(bào)，2012，26（08）：1197-1203.

〔13〕許冰霞，尹美強(qiáng)，溫銀元，等.谷子萌發(fā)期響應(yīng)干旱脅迫的基因表達(dá)譜分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，51（08）：1431-1486.

〔14〕于國(guó)紅，劉朋程，郝洪波，等.不同基因型谷子對(duì)干旱脅迫的調(diào)控機(jī)制[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào)，2022，28（01）：157-167.

〔15〕田敬園.復(fù)配抗旱劑對(duì)干旱脅迫下谷子種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的生理特性的影響[D].晉中：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.

〔16〕萬(wàn)里強(qiáng)，李向林，石永紅，等.PEG脅迫下4個(gè)黑麥草品種生理生化指標(biāo)響應(yīng)與比較研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào)，2010，19（01）：83-88.