水分胁迫条件下复水对糜子叶片衰老与活性氧代谢的影响

　　糜子(Panicum miliaceum L.)是中国北方旱作农区重要的粮食作物和经济作物[1],年播种面积约70~80万hm²,主要分布在陕西、山西、甘肃、宁夏和内蒙古等长城沿线风沙区,干旱是影响其产量的主要因素之一.因此,研究糜子抗旱的生态生理机制,提高糜子产量和品质,增加产区农民收入,维护国家粮食区域平衡具有重要的战略意义[2].大量研究表明,水分胁迫在减少水分消耗的同时,必然对作物生育造成影响和伤害[3-4],但复水对适度水分胁迫下作物的生长发育、生理生化性状有一定的调节效应[5-7].山仑等[8]研究发现,作物对水分胁迫的响应有一个从"伤害"到"适应"的过程,一定范围的水分胁迫后复水,往往会产生生长、生理和产量上的补偿.在细胞水平上,长时期干旱逆境会使植物细胞结构和功能受到破坏,植物体内自由基的大量积累会引发膜脂过氧化作用,最终分解的产物丙二醛(Malonaldehyde,MDA)含量也会增加,破坏细胞膜,加大膜脂透性[9].作物在受到水分胁迫后复水,可通过多种途径产生活性氧,同时细胞内也存在清除这些活性氧的多种途径[10-11],其中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase,SOD)、过氧化物酶(Peroxidase,POD)等是活性氧清除系统的重要保护性酶[12-13],它们能有效地阻止高浓度氧积累,防止膜脂过氧化,延缓植物衰老,使植物维持正常的生长和发育[14].目前关于糜子的研究多集中在糜子种质资源、营养价值、高产栽培模式等方面[15],有关复水对糜子叶片衰老与活性氧代谢的系统研究鲜见报道.本研究采取盆栽试验方法,研究水分胁迫条件下复水对糜子叶片衰老与活性氧代谢的影响,旨在为建立糜子抗旱节水 栽 培技术 体 系 提 供 理 论依据.

　　1材料与方法

　　1.1试验材料及设计

　　糜子盆栽试验于2013年6-9月在西北农林科技大学干旱棚进行(北纬34°16′,东经108°4′).盆土采用耕层0~20cm土壤,土壤类型为垆土,养分含量为有机质10.4g/kg、全氮0.12g/kg、碱解氮39.2mg/kg、速效磷0.45mg/kg、速效钾6.8mg/kg,风干土土壤含水量为2.8%,田间最大持水量为26.20%.试验用高35cm、内径30cm的聚乙烯塑料桶,先于盆底装入2.50kg的石子,再铺2.00kg的细砂作为过滤层,斜插入1根直径2.0cm、长40cm的PVC管用于灌水和通气,管的下方位于盆的中心,上方靠在盆沿.土壤经风干、打碎、过筛后,与基肥混合充分后每盆装干土12kg.基肥用量为每千克干土施P2O50.2g、N素0.25g的标准,每盆施尿素6.0g,磷酸二氢钾4g.供试品种为榆糜2号,每 盆 播 种30粒,三 叶 一 心 期 间 定 苗,每 盆12株.

　　播种到三叶一心期前保持充分供水,三叶一心期开始进行水分胁迫,使各处理土壤相对含水量分别达到设定指标上限,胁迫历时到拔节期、开花期后,当日即复水至充分供水(即对照)水平.共设置7个处理(表1),每个处理重复15盆,共105盆.各盆随机摆放,每10d随机调换一次位置,排除边际效应.每天早晨用感量2g的TCS-A1-30型计重台秤称质量,低于控水下限补水.

　　1.2测定项目及方法

　　选择生长基本一致,无病虫害的糜子主茎挂牌标记,从抽穗期开始直至成熟,每隔6d取样一次.

　　取样以糜子旗叶、倒二叶和倒三叶作为测定对象,所取样品及时放于冰壶中带回实验室,洗净叶片表面的尘土和污物并用吸水纸擦干,去除叶脉,混匀后进行各项指标的测定,重复3次.

　　1.2.1叶绿素含量

　　准确称取0.08g旗叶、倒二叶和倒三叶剪碎的样品,分别置20mL具塞刻度试管中,加入80%丙酮浸 提 叶 绿 素[16].用Inskeep[17]法 计 算 叶 绿 素含量.

　　1.2.2酶液制取及保护酶活性测定

　　糜子叶片,去除中脉 后剪碎,分别 取0.50g旗叶、倒二叶和倒三叶的剪碎的 样品,置 于预 冷的研钵中,加入8mL冷磷酸缓冲液(pH 7.8)及少量石 英 砂,在 冰 浴 中 研 磨 提 取,匀 浆 于2 ℃,20 000r/min冷冻离心20min,上清液即为酶提取液,于4 ℃冰箱中保存备用.参照Giannopolitis等[18]和王爱国等[19]改进法测定超氧化物歧化酶(SOD)活 性;过 氧 化 物 酶 (POD)活 性 测 定 采 用Sigma法[20].

　　1.2.3丙二醛(MDA)及可溶性蛋白质含量测定

　　采用Heath等[21]的硫代巴比妥酸法测定丙二醛;考马斯亮蓝G-250蛋白染色法测定可溶性蛋白质含量[16].

　　1.2.4产量及其构成因素

　　成熟期随机取5株分析籽粒产量构成因素,收获期按照常规方法进行考种.

　　1.2.5数据处理

　　采用Microsoft Excel2003,DPS统计软件进行相 关 数 据 的 处 理 和 分 析. 根 据Maschinski和Belsky的 方 法[22-23],将 复 水 补 偿 作 用 分 为5类(表2),以此对各项指标的复水效应进行判定.

　　2结果与分析

　　2.1叶片叶绿素含量

　　由表3可见,水分胁迫条件下,随着生育期的推进,糜子抽穗后各功能叶片叶绿素含量呈下降趋势,不同叶位表现为旗叶>倒二叶>倒三叶.水分胁迫降低了糜子叶片叶绿素含量,且降低幅度随水分胁迫程度的加剧和胁迫时间的延长而增大.但复水后,糜子叶片叶绿素含量发生了变化.与对照相比,中度水分胁迫条件下,拔节期复水其顶三叶叶绿素含量增加7.65%,产生了超补偿效应;开花期复水差异不显着(P>0.01),产生了等量补偿效应.重度水分胁迫条件下,拔节期复水后顶三叶叶绿素含量比对照小0.57%,差异不显着,产生了等量补偿效应;开花期复水后,叶绿素含量下降幅度虽有一定程度的减缓,但补偿效果不明显.

　　2.2叶片超氧化物歧化酶(SOD)活性

　　表4可以看出,水分胁迫条件下,糜子各功能叶片SOD活性呈现出先增后减趋势,同一时期不同叶位SOD的变化表现为:旗叶>倒二叶>倒三叶.与对照相比,中度、重度水分胁迫下,糜子叶片顶三叶SOD含量分别降低了15.34%、30.15%,差异显着(P<0.01).中度水分胁迫条件下,拔节期复水顶三叶SOD活性开花期后比对照高4.20%,产生了超补偿效应;开花期复水无显着差异,产生了等量补偿效应.重度水分胁迫条件下,拔节期复水后顶三叶SOD活性与对照差异明显缩小,产生了部分补偿效应;开花期复水补偿效果不明显.

　　2.3叶片过氧化物酶(POD)活性

　　水分胁迫下,糜子各功能叶片POD活性表现为先升高后降低(表5),不同叶位POD活性表现为:旗叶>倒二叶>倒三叶.中度水分胁迫条件下,糜子顶三叶POD活性比对照降低了2.14%;但拔节期复水后顶三叶POD活性比对照显着提高5.30%,产生了超补偿效应;开花期复水则与对照差异不显着,产生了等量补偿效应.重度水分胁迫条件下,糜子叶片POD活性极显着小于对照(P<0.01),比对照低16.70%,产生了伤害补偿效应;拔节期复水后顶三叶POD活性增加,逐渐缩小与对照的差异,产生了部分补偿效应;开花期复水补偿效果不明显.

　　2.4叶片丙二醛(MDA)含量

　　由表6可知,水分胁迫导致糜子各功能叶片MDA含量增加,增幅随水分胁迫程度加剧而增大、胁迫历时延长而减少,不同叶位表现为:倒三叶>倒二叶>旗叶.中度、重度水分胁迫顶三叶MDA含量分别 比 对 照 显 着 增 加11.24%、16.35%(P<0.01).中度水分胁迫条件下,拔节期复水糜子叶片顶三叶MDA含量比对照显着降低11.11%,产生了超补偿效应;开花期复水则与对照无显着差异,产生了等量补偿效应.重度水分胁迫条件下,拔节期复水 糜 子 叶 片 顶 三 叶MDA含 量 较 对 照 下 降 了1.76%,差异不显着,产生了等量补偿效应;开花期复水后,叶片MDA含量虽有一定程度的减小,但仍比对照高2.0%,产生了伤害补偿效应.

　　2.5叶片可溶性蛋白质含量

　　水分胁迫过程中,糜子各功能叶片可溶性蛋白质含量呈先增后减趋势(表7),不同叶位表现为:旗叶>倒二叶>倒三叶.与对照相比,中度、重度水分胁迫糜子叶片顶三叶可溶性蛋白质含量分别下降了11.63%、23.20%;但复水后,中度水分胁迫拔节期复水 顶 三 叶 可 溶 性 蛋 白 质 含 量 比 对 照 增 加 了3.52%,产生了超补偿效应;中度水分胁迫开花期和重度水分胁迫拔节期复水后,可溶性蛋白质含量与对照均无显着差异,产生了等量补偿效应;重度水分胁迫开花期 复水可溶 性蛋白质质 含 量 比 对 照 小17.00%,补偿效果不明显.（表3-7略）

　　2.6复水对糜子产量的补偿效应

　　水分胁迫不仅影响糜子的穗粒数,而且影响千粒重,最终导致产量降低(表8).与对照相比,中度、重度水分胁迫使糜子产量分别降低44.59%和53.54%,但中度水分胁迫条件下拔节期复水糜子产量增加17.68%,产生了超补偿效应,中度水分胁迫开花期复水和重度水分胁迫拔节期复水处理糜子的穗粒数和千粒重增加,产生了部分补偿作用.

　　2.7叶片生育后期各生理指标与产量的相关分析

　　由表9可知,糜子生育后期,各功能叶片的叶绿素、可溶性蛋白质含量,SOD活性与产量呈极显着正相关(P<0.01);POD活性与产量呈显着正相关(P<0.05);MDA积累量与产量 呈 显 着 负 相 关(P<0.05).

    3讨论

    1)SOD、POD等作为防御活性氧自由基对细胞膜系统伤害的酶系统,在抗逆生理中的作用越来越受到人们的重视[24].研究表明,干旱、养分亏缺等逆境条件下,其缓解措施能诱导植物叶片保护酶系统活性提高,减轻膜脂过氧化程度[25].同时可溶性蛋白质含量的增加可起到脱水保护剂的作用,给细胞内的束缚水提供一个结合衬质以增加植物组织束缚水含量,从而使细胞结构在脱水时不致遭受更大的破坏[26].本研究结果表明,水分胁迫降低了糜子叶片叶绿素含量、可溶性蛋白质含量、SOD和POD活性,且降低幅度随水分胁迫程度的加剧和胁迫时间的延长而增大,不利于活性氧的有效清除,加速糜子叶片衰老.但中度水分胁迫条件下,拔节期复水对糜子叶片叶绿素含量、可溶性蛋白质含量、SOD和POD活性有明显的提高,产生了超补偿效应,开花期复水产生等量补偿效应;重度水分胁迫条件下,拔节期复水产生部分补偿效应,开花期复水则补偿效果不明显.可见在糜子生长过程中,适当的胁迫能诱导体内保护酶活性和可溶性蛋白质含量提高,有效地清除活性氧和维持细胞具有较强的渗透能力;但长时间水分胁迫或开花后复水时,植物体内保护酶系统的活力和平衡受到破坏,SOD、POD清除氧自由基来抵抗膜脂过氧化的能力减弱,使活性氧积累,启动并加剧膜脂过氧化而造成整体膜的损伤,即使后期复水对其补偿作用也不明显.

　　2)植物生长的过程中,随着水分胁迫的加剧,MDA含量增多,MDA含量高低是反映细胞膜脂过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标[27].本试验中,拔节期复水对中度水分胁迫下糜子叶片MDA含量产生了超补偿效应,对重度水分胁迫产生了等量补偿效应;开花期中度水分胁迫复水后,糜子叶片MDA含量与对照无显着差异,产生了等量补偿效应,而重度水分胁迫只产生了部分补偿效应.

　　可见,在中度水分胁迫条件下,拔节期复水糜子叶片形成了一定的耐旱机制,保护酶系统活性维持在较高水平,避免了活性氧自由基的大量积累,控制了细胞膜脂的过氧化变化,使活性氧代谢处于一定的平衡状态,从而降低了质膜的过氧化破坏程度;而长期重度水分胁迫下叶片膜脂过氧化伤害程度重,抗逆性差,衰老快,不利于产量的形成.

　　3)作物生长发育和最终产量的形成过程,实际是作物与环境间的物质能量转化,以及受环境影响的根、冠间物质分配、积累平衡的过程[28].产量依赖于叶片的光合作用,保持较高的叶绿素含量水平有利于产量的提高.本研究中,各功能叶片的叶绿素含量、SOD和POD活性与产量呈正相关,MDA与产量呈显着负相关.水分胁迫复水后,可溶性蛋白质含量、SOD和POD活性增加,MDA含量的减少,从而使叶片膜脂过氧化程度低,防止细胞结构在脱水时受到伤害,促进叶片叶绿素含量的提高,有利于延缓叶片的衰老,保持长时间较高的光合作用,促进籽粒灌浆,提高产量.

　　4结论

　　复水对水分胁迫条件下糜子生长的补偿效应明显,尤以三叶一心期中度胁迫拔节期复水补偿效应最佳.有利于延缓糜子叶片衰老,提高叶片叶绿素含量和可溶性蛋白质含量,增加保护酶SOD、POD的活性,减少与膜脂过氧化作用相关的MDA含量,质膜氧化减弱,光合、蒸腾等生理代谢增强有利于产量提高.因此,糜子生产过程中,三叶一心期适当的水分胁迫后复水可作为节水高产的技术措施.

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