楊 善, 方 欣, 張倩倩, 龔茂健, 周鴻凱, 莫俊杰

(廣東海洋大學(xué)濱海農(nóng)業(yè)學(xué)院,廣東湛江 524088)

甘蔗(SaccharumofficinarumL.)作為最主要的制糖類經(jīng)濟(jì)作物之一,支撐了糖料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。廣東湛江憑借其獨(dú)特的地理位置及水熱條件,成為我國三大糖蔗產(chǎn)地之一,但湛江地區(qū)降雨量年際間變化大,年內(nèi)季節(jié)分配不均,所以季節(jié)性干旱導(dǎo)致甘蔗的產(chǎn)量和品質(zhì)大幅下降,影響甘蔗產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展[1]。干旱是影響植物生長和發(fā)育的最主要因素之一,可使甘蔗平均產(chǎn)量減少31.7%[2]。在甘蔗生育期中,伸長期對(duì)水分的需求量最大,如果該時(shí)期遇到干旱,對(duì)甘蔗最終產(chǎn)量影響最大[3]。因此,研究干旱脅迫下甘蔗伸長期蔗糖代謝的變化特征,對(duì)今后培育抗旱甘蔗品種具有重要意義。

為應(yīng)對(duì)干旱脅迫,植物會(huì)產(chǎn)生一系列適應(yīng)性機(jī)制,如生長減緩、光合作用降低、氣孔關(guān)閉、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)合成積累增多、相關(guān)激素含量升高、抗逆基因上調(diào)表達(dá)等[4]。在干旱脅迫下,甘蔗正常生理代謝過程會(huì)遭到破壞,長時(shí)間干旱脅迫會(huì)導(dǎo)致甘蔗生長減緩、植株矮小,產(chǎn)量和品質(zhì)顯著下降[5]。有研究表明,干旱使得甘蔗葉片的細(xì)胞膜透性增大、丙二醛(MDA)含量增加、膜脂過氧化作用加劇、葉綠素含量下降、脯氨酸含量迅速增加,以提高甘蔗體內(nèi)滲透勢,利于根系從土壤中吸收水分[6-7]。吳凱朝等以甘蔗品種GT11為材料,研究認(rèn)為,甘蔗為響應(yīng)水分脅迫,除可溶性蛋白含量和ProDH活性外,葉片MDA、可溶性糖、超氧陰離子、脯氨酸、脫落酸(ABA)含量及過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)、谷胱甘肽還原酶(GSH-R)、Δ′-吡咯啉-5-羧酸合成酶(P5CS)和多胺氧化酶(PAO)活性均明顯高于對(duì)照處理[8]。由此表明,干旱脅迫下耐旱品種具有更強(qiáng)的調(diào)控能力,以提高甘蔗對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性。

蔗糖是植物中碳水化合物運(yùn)輸?shù)闹饕问?從葉片的葉綠素中合成磷酸丙糖,運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中參與蔗糖合成,也可用于氨基酸和脂肪酸的合成。在作物糖代謝生理過程中,蔗糖磷酸合成酶(SPS)、蔗糖合成酶(SS)、酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)、中性轉(zhuǎn)化酶(NI)起著重要的調(diào)節(jié)作用[9]。SPS以果糖(6-磷酸F6P)和尿苷二磷酸葡糖(UDPG)為底物催化合成蔗糖,是一種不可逆的酶[10]。SS既能催化果糖和UDPG合成蔗糖,又能催化蔗糖分解,是一種可逆酶[11]。轉(zhuǎn)化酶在蔗糖代謝中不可逆地催化蔗糖分解為果糖和葡萄糖,分為中性和酸性轉(zhuǎn)化酶[12]。在自然生長條件下,節(jié)間蔗糖含量與酸性轉(zhuǎn)化酶活性呈極顯著負(fù)相關(guān),與蔗糖磷酸合成酶活性呈顯著正相關(guān),表明酸性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖磷酸合成酶對(duì)甘蔗節(jié)間蔗糖含量有顯著性調(diào)節(jié)作用[13]。葉燕萍等研究認(rèn)為,干旱處理提高了甘蔗蔗糖糖分和蔗汁重力純度而降低了蔗汁還原糖分,因而提高了甘蔗品質(zhì)[14]。由此表明,甘蔗成熟期適當(dāng)?shù)母珊得{迫有助于提高蔗糖糖分,提高甘蔗品質(zhì)。

前人研究側(cè)重于在干旱脅迫下研究甘蔗生理生化變化特性,或利用干旱脅迫的生理指標(biāo)對(duì)甘蔗材料進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)[15-17]。伸長期甘蔗的蔗糖積累及其代謝相關(guān)酶活性應(yīng)答干旱脅迫的生理機(jī)理尚不清楚。本研究通過在甘蔗伸長初期,連續(xù)干旱脅迫0、2、4、6、8、10 d,分別測定甘蔗及近緣植物割手密、斑茅體內(nèi)蔗糖代謝相關(guān)酶活性變化,以及可溶性糖、蔗糖含量變化,并對(duì)各測定指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析,探究不同甘蔗品種及近緣植物應(yīng)對(duì)干旱脅迫蔗糖代謝的響應(yīng)特性,為今后深入研究干旱脅迫下甘蔗糖代謝、培育抗旱高糖甘蔗品種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用2個(gè)甘蔗栽培品種,分別是Badila(干旱敏感品種)、ROC22(耐旱,推廣面積最大主栽品種),甘蔗近緣植物為湛江地區(qū)的10倍體割手密(x=8,2n=80,Saccharumspontaneum)和6倍體斑茅(x=10,2n=60,Erianthusarundinaceus),以上材料均由廣東省科學(xué)院南繁種業(yè)研究所湛江研究中心提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用桶栽(膠桶高50 cm、口徑40 cm,桶底均勻開4個(gè)排水小孔)方式進(jìn)行種植,所用土壤為磚紅壤土,每桶裝土25 kg,與20 g復(fù)合肥(N、P2O5、K2O含量均為17%)混合均勻后裝桶,每桶種植雙芽苗4段,每桶出苗分蘗后定植6株。每個(gè)品種種植3桶,共12桶。

試驗(yàn)地點(diǎn)在廣東海洋大學(xué)農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所。2020年6月7日將種苗種植入土,入土深度為10 cm,澆水使土壤保持濕潤。2020年6月20日出苗,出苗后每2 d澆500 mL水1次。干旱脅迫前,在研究所大院空地培育,所有材料種植管理水平一致。出苗60 d后,甘蔗處于伸長期初期(11～13張真葉),將全部桶搬至通風(fēng)透氣良好的玻璃溫室內(nèi),進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn),不再進(jìn)行澆水。搬至玻璃溫室后,次日上午8時(shí)至9時(shí)取樣,每次每桶剪取1株甘蔗的+1葉,迅速放入液氮中速凍,帶回實(shí)驗(yàn)室放入-80 ℃冰箱凍存,用于相關(guān)指標(biāo)測試分析。之后,每2 d(48 h)取樣1次,共取樣6次,分別為干旱脅迫后0、2、4、6、8、10 d。

1.2.2 測定項(xiàng)目及方法 用烘干法測定土壤含水量[18]。細(xì)胞膜透性的測定采用電導(dǎo)法,可溶性糖含量的測定采用蒽酮比色法,蔗糖含量以及蔗糖磷酸合成酶、蔗糖合成酶、酸性轉(zhuǎn)化酶、中性轉(zhuǎn)化酶活性測定均參照高俊鳳的方法[19]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 19.0分析試驗(yàn)數(shù)據(jù),用Duncan’s新復(fù)極差法分析同一品種不同干旱脅迫時(shí)間點(diǎn)測定指標(biāo)的差異顯著性(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量

由圖1知,隨著干旱處理天數(shù)的增加,各個(gè)品種的土壤含水量均成一定梯度且顯著性地下降,表明本研究的干旱脅迫梯度設(shè)計(jì)具有典型性和可靠性,可以在此干旱脅迫水平下進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)的測定和研究。

2.2 甘蔗植株細(xì)胞膜透性分析

由圖2可知,干旱脅迫下,與0 d相比,4種材料細(xì)胞膜透性增加的最大倍數(shù)分別為9.19倍、9.47倍、3.75倍、13.76倍,表明土壤水分含量是影響各材料細(xì)胞膜透性增加的主要因素。隨著干旱處理天數(shù)的增加,ROC22、斑茅的細(xì)胞膜透性呈一定梯度增加,且斑茅的各梯度間有顯著性差異,ROC22除30 d和2 d之間無顯著性差異,其他處理梯度間均有顯著性差異。Badila和割手密的細(xì)胞膜透性在干旱脅迫后8 d達(dá)到最大,之后開始減少,其他材料則一直增加。說明不同品種的耐旱能力不盡相同。

2.3 干旱脅迫下甘蔗植株糖代謝的生理效應(yīng)分析

2.3.1 蔗糖磷酸合成酶活性 由圖3可知,干旱脅迫下,各材料的SPS活性變化趨勢一致,先增后減,在脅迫6 d時(shí)達(dá)到最大值,然后顯著下降,可能是干旱脅迫8 d達(dá)到了各材料SPS調(diào)控的極限,從而表現(xiàn)出下降的趨勢。然而,干旱脅迫下,抗旱品種ROC22的平均SPS活性低于其他材料的SPS活性。

2.3.2 蔗糖合成酶活性 由圖4可知,6次測定值中,各供試材料SS活性均呈現(xiàn)先增后減的趨勢,ROC22在干旱脅迫6 d時(shí)SS活性達(dá)到最大值,其余3個(gè)材料均在干旱脅迫4 d時(shí)SS活性達(dá)到最大值。另外,Badila與斑茅的SS活性變化非常相似,均比其他材料小,說明Badila與斑茅的SS活性對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)沒有ROC22和割手密積極。

2.3.3 酸性轉(zhuǎn)化酶活性 由圖5可知,干旱脅迫下,各供試材料的AI活性在脅迫2 d后開始顯著下降,Badila和割手密的AI活性在脅迫4 d時(shí)達(dá)到最低水平。ROC22和斑茅的AI活性在脅迫10 d時(shí)達(dá)到最低水平。脅迫6 d后Badila和ROC22的AI活性趨于穩(wěn)定,沒有顯著性差異,而割手密在脅迫10 d后AI活性顯著增加。在脅迫10 d時(shí)AI活性顯著下降。值得注意的是,在干旱脅迫0 d和2 d時(shí),斑茅的AI活性顯著高于其他材料。

2.3.4 中性轉(zhuǎn)化酶活性 從圖6可知,干旱脅迫下,各個(gè)供試材料NI活性基本都呈現(xiàn)不斷減小的趨勢,但Badila脅迫4 d時(shí)先顯著性增加,爾后減小,說明干旱脅迫會(huì)使得供試材料NI活性減小,以影響其體內(nèi)蔗糖代謝的生理生化反應(yīng)。6次測定值中,斑茅的平均NI活性最高,Badila次之,并且干旱脅迫下Badila的NI活性變化較其他材料穩(wěn)定。

2.3.5 可溶性糖含量 由圖7可知,除ROC22在脅迫6、8 d時(shí)可溶性糖含量下降,斑茅在脅迫6 d后可溶性糖含量基本不變外,干旱脅迫下各材料可溶性糖含量從脅迫2 d開始呈不斷增長趨勢,且有顯著性差異。由此說明,供試材料可依靠大量積累可溶性糖來緩解水分脅迫,增加細(xì)胞內(nèi)滲透勢,以便根系從土壤中吸收水分。從整體觀察各材料的可溶性糖含量變化,同樣發(fā)現(xiàn)Badila、ROC22與割手密的變化趨勢基本一致。然而,斑茅與其他材料不同,雖然也是上升趨勢,但是干旱脅迫下斑茅的可溶性糖含量增加幅度并不大,其應(yīng)對(duì)干旱脅迫的生理機(jī)制可能與甘蔗材料存在較大差異。

2.3.6 蔗糖含量 由圖8可知,隨干旱脅迫天數(shù)增加,Badila和割手密的蔗糖含量整體呈不斷上升趨勢,均在干旱脅迫10 d時(shí)蔗糖含量最高,ROC22和斑茅的蔗糖含量則呈先上升后下降的趨勢,分別在脅迫后6、4 d達(dá)到最高。由此說明,在干旱脅迫下,大量積累蔗糖是各材料啟動(dòng)干旱脅迫的響應(yīng)機(jī)制之一。從整體上觀察,甘蔗栽培種的變化趨勢與割手密的趨勢基本一致,而不同于斑茅。

2.4 干旱脅迫下甘蔗及其近緣植物生理指標(biāo)間的偏相關(guān)分析

由表1可知,通過偏相關(guān)分析,土壤含水量除了與Badila和割手密的可溶性糖含量、與斑茅的細(xì)胞膜透性和NI活性沒有顯著性相關(guān)外,與各生理指標(biāo)均顯著或極顯著相關(guān)。細(xì)胞膜透性,在Badila中與SPS活性、NI活性、蔗糖含量存在極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;在ROC22中只與可溶性糖含量不存在顯著性相關(guān);在割手密中與SS活性、蔗糖含量存在顯著或極顯著性正相關(guān);在斑茅中只與NI活性存在極顯著性正相關(guān)。由此表明,干旱脅迫下甘蔗及其近緣植物的細(xì)胞膜透性與蔗糖含量、蔗糖代謝相關(guān)酶活性存在顯著性相關(guān),但不同材料間存在一定差異。干旱脅迫下,在Badila、ROC22、割手密中蔗糖含量與SPS、SS、AI活性存在極顯著性正相關(guān),在Badila中與NI活性呈顯著正相關(guān),在ROC22、割手密中與AI活性、NI活性呈顯著負(fù)相關(guān),而在斑茅中蔗糖含量與SS活性、AI活性分別存在極顯著性正相關(guān)、負(fù)相關(guān)?？扇苄蕴呛?在Badila中只與AI活性存在極顯著性相關(guān),在ROC22中只與SPS活性、NI活性分別存在顯著性正相關(guān)、負(fù)相關(guān)關(guān)系,在割手密、斑茅中分別只與SS活性、NI活性不存顯著性相關(guān)。在4種材料中,只有在割手密中可溶性糖含量與蔗糖含量存在極顯著性相關(guān),說明干旱脅迫下,甘蔗的可溶性糖含量與蔗糖含量并不存在密切相關(guān)。

表1 不同材料生理指標(biāo)間的偏相關(guān)分析

3 討論與結(jié)論

水分短缺和季節(jié)性干旱嚴(yán)重影響作物的生長、品質(zhì)和產(chǎn)量,因此,干旱脅迫已成為嚴(yán)重阻礙農(nóng)作物可持續(xù)發(fā)展的重要因素之一[20]。對(duì)干旱脅迫,作物會(huì)產(chǎn)生感知、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、滲透調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控、蛋白質(zhì)修飾和代謝物質(zhì)調(diào)控等應(yīng)答反應(yīng)[21-22]。為緩解干旱脅迫帶來的不利影響,甘蔗體內(nèi)會(huì)合成大量脯氨酸、甜菜堿、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[23-24]。本研究中,隨著干旱天數(shù)的增加,各個(gè)材料體內(nèi)可溶性糖含量、蔗糖含量整體呈一定梯度顯著性增加,以提高滲透壓,這與前人的研究結(jié)果[25-26]一致。在4個(gè)材料中,干旱脅迫下,雖然斑茅可溶性糖含量、蔗糖含量整體為升高趨勢,但其整體含量較其他2個(gè)甘蔗品種和割手密的低。究其原因,可能是由于斑茅與其他材料不在同一個(gè)屬,遺傳背景相差較大[27]。從偏相關(guān)分析可知,4個(gè)材料的土壤含水量與蔗糖含量均達(dá)到了極顯著性負(fù)相關(guān)。然而,只在斑茅中土壤含水量與可溶性糖含量的關(guān)系為極顯著負(fù)相關(guān),在ROC22中為顯著性負(fù)相關(guān),由此說明,在甘蔗中蔗糖積極應(yīng)答干旱脅迫,為主要的滲透調(diào)節(jié)糖類。同時(shí),也進(jìn)一步證明了干旱處理可提高甘蔗蔗糖糖分和蔗汁重力純度,從而提高甘蔗品質(zhì)[14]。所以,在大田生產(chǎn)中,可以對(duì)甘蔗進(jìn)行適當(dāng)?shù)母珊堤幚?以便提高甘蔗蔗糖糖分。

蔗糖合成代謝過程主要受SPS、SS以及轉(zhuǎn)化酶的影響[13]。本研究偏相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),Badila、ROC22、割手密中蔗糖含量與SPS、SS活性均為極顯著正相關(guān),與AI、NI活性為極顯著負(fù)相關(guān),但Badila中蔗糖含量與NI活性為極顯著正相關(guān)。由此表明,甘蔗蔗糖含量與SPS、SS、AI、NI的活性密切相關(guān),蔗糖合成代謝受4種酶的共同調(diào)控。前人研究表明,蔗糖磷酸合成酶可能是蔗糖合成途徑中的一個(gè)重要控制點(diǎn),它的活性反映蔗糖生物合成途徑的能力,SPS活性越高,蔗糖積累得越多[28]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著干旱天數(shù)增加,4個(gè)材料的SPS活性響應(yīng)迅速,其活性在6 d達(dá)到最高值,之后呈一定梯度下降,并且在偏相關(guān)性分析中,SPS活性與蔗糖含量均呈極顯著正相關(guān),由此表明,甘蔗中SPS活性顯著性地調(diào)控蔗糖合成。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),在植物生長過程中,SS既可催化蔗糖合成又可催化蔗糖分解,但主要起分解作用[11]。趙麗宏等通過在甘蔗自然生長條件下,對(duì)蔗糖合成分解代謝進(jìn)行研究認(rèn)為,SS活性與蔗糖積累呈負(fù)相關(guān)[29]。這與本研究結(jié)果存在差異,隨著干旱天數(shù)增加,SS活性顯著增加,并在脅迫后4 d或6 d時(shí)活性達(dá)到最強(qiáng),之后SS活性下降,并且在偏相關(guān)性分析中,各供試材料SS活性與蔗糖含量均呈極顯著正相關(guān)。由此認(rèn)為,干旱脅迫下,SS在甘蔗中主要起催化蔗糖合成的作用。轉(zhuǎn)化酶分為AI和NI,在植物中主要催化蔗糖分解成果糖和葡萄糖,為植株的生長和發(fā)育提供碳源和能量,以保證植株的正常生理代謝活動(dòng)[30-31]。本研究結(jié)果表明,隨干旱天數(shù)增加,AI、NI活性呈一定梯度顯著性下降,而蔗糖積累量則呈一定梯度顯著升高,與蔗糖含量為顯著負(fù)相關(guān);而且,NI平均活性比AI平均活性低。有研究認(rèn)為,在甘蔗生長過程中AI活性對(duì)蔗糖積累調(diào)控作用非常重要,此外,逆境條件下,AI活性對(duì)維持細(xì)胞的正常功能也起一定的作用[9]。由此說明,在甘蔗干旱脅迫中AI的調(diào)控作用更強(qiáng)。以上分析發(fā)現(xiàn),SPS和SS活性受干旱脅迫激活,而轉(zhuǎn)化酶活性受抑制。由此表明,干旱脅迫對(duì)甘蔗的蔗糖分解代謝活動(dòng)產(chǎn)生了抑制作用,為了抵御干旱帶來的滲透脅迫,甘蔗減少蔗糖分解以積累更多的蔗糖含量調(diào)節(jié)細(xì)胞滲透壓。

干旱脅迫使得甘蔗及其近緣植物的細(xì)胞膜透性增大,可溶性糖和蔗糖含量上升,SPS和SS活性先升后降,AI和NI活性下降。偏相關(guān)分析表明,蔗糖含量與SPS、SS活性呈極顯著正相關(guān),與AI、NI活性呈極顯著負(fù)相關(guān)。由此表明,甘蔗及其近緣植物蔗糖代謝積極響應(yīng)干旱脅迫,主要以蔗糖合成為主,蔗糖分解為輔,緩解滲透脅迫。