干旱脅迫下鄭麥7698的抗旱性能及光合特性分析

秦　娜，許為鋼，齊學(xué)禮，趙明忠，張　磊(.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，河南 鄭州 45000； .河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 小麥研究所，河南 鄭州 45000； 3.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 科研管理處，河南 鄭州 45000)

小麥耐旱性是受其遺傳物質(zhì)、生理生化和生長發(fā)育等多方面調(diào)控的復(fù)雜數(shù)量性狀，光合過程的變化、滲透調(diào)節(jié)等代謝產(chǎn)物含量的變化、抗氧化物質(zhì)的合成、根系形態(tài)的建成等均會影響小麥的抗旱特性[1]。植物的光合作用是感受干旱脅迫最為敏感的生理過程之一，干旱脅迫下氣孔導(dǎo)度的降低是植物光合效率下降的主要原因[2]，干旱脅迫也可通過改變光合作用中某些關(guān)鍵酶活性間接影響植物光合性能[3]。大量研究證明，光合作用的暗反應(yīng)過程受1，5-二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性與數(shù)量的調(diào)控[4]，植物在干旱脅迫下Rubisco活性顯著降低[5]，1，5-二磷酸核酮糖(RuBP)的合成速率降低，這對光合作用碳同化效率和利用能量造成較大影響[6]。滲透調(diào)節(jié)物主要包括氨基酸(如脯氨酸、天冬氨酸和谷氨酸)、甲基化的胺類物質(zhì)(如甜菜堿)、可溶性糖(果糖和蔗糖等)以及環(huán)醇類物質(zhì)(如甘露醇)等[7]。植物響應(yīng)干旱脅迫的另一個重要生理生化過程是抗氧化物質(zhì)的合成，植物細(xì)胞內(nèi)形成的清除活性氧類有害物質(zhì)的保護(hù)體系被稱為保護(hù)酶系統(tǒng)。其中，超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)、過氧化氫酶(CAT)可清除超氧陰離子和過氧化氫等有害物質(zhì)，從而減輕活性氧自由基對植物的傷害。干旱脅迫顯著影響小麥根系的發(fā)育，在水分含量很低的生長條件下，根長、根體積、根干質(zhì)量、根鮮質(zhì)量、根活力等都與小麥抗旱性密切相關(guān)[8]。

小麥?zhǔn)俏覈闹饕Z食作物，在黃淮麥區(qū)北片、北部冬麥區(qū)、西北春麥區(qū)等小麥生產(chǎn)地區(qū)，其生長往往遭受高溫、干旱、高光強等非生物逆境脅迫，導(dǎo)致小麥產(chǎn)量降低，因此,小麥的抗旱抗逆機制研究成為科研工作者的關(guān)注點之一。本試驗以周麥18為對照材料，研究鄭麥7698的抗旱及光合生理特性，旨在揭示其耐干旱脅迫的機制，為選育耐干旱脅迫小麥品種提供理論依據(jù)。

1　材料和方法

1.1　材料與處理

試驗材料為河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所選育的鄭麥7698與黃淮南部區(qū)域試驗對照品種周麥18。試驗在河南省原陽縣河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究開發(fā)基地小麥研究所防雨干旱棚內(nèi)進(jìn)行，于2013年10月10日播種。試驗共設(shè)2個處理：正常灌水組，土壤含水量全生育期控制在田間持水量的80%～85%；干旱脅迫組，孕穗期(開花前15 d)前土壤含水量同正常灌水組，孕穗期后開始降低，5月1日(開花前7 d)含水量降至40%～45%，并保持該含水量至成熟。2個處理中，每個材料均種植9盆(盆缽內(nèi)徑30 cm、高40 cm)，每3盆為一次試驗重復(fù)，每盆5穴，每穴1苗。采用全自動土壤水分測定儀測定土壤相對含水量，并于開花期和成熟期取樣，測定相關(guān)指標(biāo)。

1.2　抗旱特性測定

1.2.1葉片相對含水量測定葉片相對含水量(RWC)測定參照Barrs等[9]的方法進(jìn)行。剪取小麥旗葉葉片，稱鮮質(zhì)量(FW)，然后將其漂浮于盛有蒸餾水的三角瓶中，于4 ℃冰箱放置24 h后取出，用濾紙吸去葉片表面的水，立即稱取葉片的吸脹質(zhì)量(TW)，將葉片放入鋪濾紙的培養(yǎng)皿中，置于70 ℃的烘箱24 h，稱取干質(zhì)量(DW)。RWC=(FW- DW)/(TW- DW)×100%。

1.2.2滲透調(diào)節(jié)物含量測定取開花期旗葉葉片1 g，測定可溶性糖、可溶性蛋白與脯氨酸含量。可溶性糖含量采用蒽酮法測定[10]，可溶性蛋白含量利用考馬斯亮藍(lán)G-250溶液測定，脯氨酸含量的測定采用磺基水楊酸提取法[11]。

1.2.3抗氧化酶活性測定酶液提取時，將0.5 g旗葉葉片置于預(yù)冷研缽中，加入2 mL 0.05 mol/L預(yù)冷的PBS緩沖液(5 mmol/L EDTA、2 mmol/L抗壞血酸、2%聚乙烯吡咯烷酮，pH值7.8)，冰浴研磨成勻漿，4 ℃條件下，12 000 g離心20 min，上清液用于SOD、POD、CAT活性測定。蛋白質(zhì)定量采用Bradford方法，BSA用作標(biāo)準(zhǔn)蛋白[12]。

SOD活性釆用氮藍(lán)四唑光化還原法測定[13]，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[14]，CAT活性測定參照J(rèn)iang等[15]的方法進(jìn)行。

1.2.4根系特性測定采取盆栽沖洗法取根，根系活力和根系體積測定分別采用改良TTC法和排水法，將根在80 ℃條件下烘干至恒質(zhì)量(24 h)，而后用千分之一天平稱質(zhì)量，即為根系干質(zhì)量。

1.3　光合特性測定

1.3.1光合酶相關(guān)基因?qū)崟r熒光定量PCR分析取開花期鄭麥7698和周麥18植株的旗葉各0.1 g，利用植物總RNA提取試劑盒(Bioteke，Beijing)提取RNA，根據(jù)PrimeScriptTMRT Reagent Kit with gDNA Eraser試劑盒(Takara，Japan)的操作流程進(jìn)行第一鏈cDNA的合成。參照已有的編碼Rubisco大、小亞基的2個基因(rbcl和rbcs)序列，用Primer 3.0軟件設(shè)計引物(表1)，采用Toyobo公司SYBR Green RT-PCR試劑盒在Bio-Rad CFX96實時熒光定量PCR儀上進(jìn)行表達(dá)量分析?；蛳鄬Ρ磉_(dá)量參照Livak等[16]的2-ΔΔCt法進(jìn)行計算。

表1　光合酶相關(guān)基因?qū)崟r熒光定量PCR分析所用引物

1.3.2光合酶活性測定取開花期鄭麥7698和周麥18植株旗葉葉片0.5 g，參照Ku等[17]的方法提取酶液，并利用BCA精確定量試劑盒(CWBIO，Beijing)對蛋白質(zhì)進(jìn)行定量。Rubisco活性測定參照翁曉燕等[18]的方法進(jìn)行。

1.3.3光合作用參數(shù)測定在小麥開花期，選擇晴朗無云天氣，于9:00—11:00采用CIRAS-3便攜式光合儀(UK)，測定旗葉的光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)與氣孔導(dǎo)度(Gs)。測定條件為：大氣CO2濃度(360±5)μmol/mol，相對濕度(60±5)%，溫度25 ℃，使用儀器自帶的 LED 光源控制光強，光量子通量密度(PPFD)為1 500 μmol/(m2·s)。

1.4　產(chǎn)量性狀測定

成熟期，盆栽單株收獲后在掛藏室陰干，各處理分別隨機選取15株，測定農(nóng)藝性狀，包括單株生物量、單株穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量等。采用DPS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1　鄭麥7698抗旱特性分析

2.1.1葉片相對含水量正常灌水條件下，鄭麥7698與周麥18葉片相對含水量分別為90.0%和87.7%，二者無顯著性差異。干旱脅迫條件下，鄭麥7698葉片相對含水量為69.5%，較周麥18高12.3%，差異顯著(表2)。上述結(jié)果表明，干旱脅迫下鄭麥7698葉片持水能力較強，耐旱性較強。

2.1.2滲透調(diào)節(jié)物含量正常灌水條件下，鄭麥7698、周麥18的脯氨酸含量分別為0.65、0.56 mg/g,可溶性糖含量分別為0.22、0.21 mg/g,可溶性蛋白含量分別為10.55、10.22 mg/g，鄭麥7698、周麥18無顯著性差異。干旱脅迫條件下，鄭麥7698脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量分別為3.17、0.33、25.00 mg/g，分別較周麥18提高了32.1%、10.0%、16.3%，差異顯著(表2)。結(jié)果表明，干旱脅迫下鄭麥7698滲透調(diào)節(jié)物的合成與積累速度較快，耐干旱脅迫能力較強。

2.1.3抗氧化酶活性正常灌水條件下，鄭麥7698、周麥18的SOD活性分別為288、269 U/g， POD活性分別為7 283、6 907 U/g，CAT活性分別為3 713、3 544 U/g，鄭麥7698與周麥18無顯著性差異。干旱脅迫條件下，鄭麥7698的SOD、POD、CAT活性分別為486、13 120、9 115 U/g，分別較周麥18高11.5%、13.8%、6.8%，其中SOD和POD差異達(dá)到了顯著水平(表2)。這表明，干旱脅迫條件下鄭麥7698中SOD和POD的合成與積累速率較快，對植株內(nèi)活性氧與過氧化物的清除能力較強，干旱脅迫對細(xì)胞的氧化傷害明顯減輕。

2.1.4根系生理指標(biāo)正常灌水條件下，鄭麥7698、周麥18根系活力分別為0.10、0.09 mg/(g·h)，根系體積分別為4.75、4.27 cm3/株，根系干質(zhì)量分別為1.04、0.96 g/株，鄭麥7698與周麥18無顯著性差異。干旱脅迫條件下，鄭麥7698根系活力、根系體積、根系干質(zhì)量分別為0.08 mg/(g·h)、4.33 cm3/株、0.85 g/株，分別較周麥18高14.3%、20.3%、9.0%，差異顯著(表2)。這一結(jié)果表明，干旱脅迫條件下鄭麥7698根系發(fā)育受抑制程度較弱，耐旱適應(yīng)能力較強。

表2　正常灌水與干旱脅迫條件下鄭麥7698與周麥18的抗旱特性指標(biāo)

注：*表示鄭麥7698與周麥18之間差異顯著(P<0.05)，下同。

2.2　鄭麥7698光合特性分析

2.2.1光合酶相關(guān)基因的表達(dá)量正常灌水條件下，鄭麥7698、周麥18rbcl的相對表達(dá)量分別為1.10、1.00，rbcs的相對表達(dá)量分別為1.20、1.10，鄭麥7698與周麥18無顯著性差異。干旱脅迫條件下，鄭麥7698rbcl、rbcs的相對表達(dá)量分別為0.84、0.89，分別較周麥18高出29.2%、27.1%，差異顯著(表3)。可以看出，干旱脅迫下鄭麥7698維持了相對較高的rbcl和rbcs表達(dá)量，這對減輕干旱脅迫造成的 C3循環(huán)抑制作用有重要意義。

2.2.2光合酶活性正常灌水條件下，鄭麥7698、周麥18的Rubisco活性分別為79.2、74.1 μmol/(mg·h)，二者無顯著性差異。干旱脅迫條件下，鄭麥7698的Rubisco活性為60.7 μmol/(mg·h)，較周麥18高出33.4%，差異極顯著(表3)。這表明，干旱脅迫下鄭麥7698仍保持了較高的光合酶活性，對抑制光合效率的降低發(fā)揮了重要作用。

2.2.3光合作用參數(shù)正常灌水條件下，鄭麥7698、周麥18的光合速率分別為21.3、20.2 μmol/(m2·s)，蒸騰速率分別為7.9、6.8 g/(m2·h)，氣孔導(dǎo)度分別為190、176 mmol/(m2·s)，鄭麥7698與周麥18無顯著性差異。干旱脅迫條件下，鄭麥7698光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度分別為7.8 μmol/(m2·s)、4.6 g/(m2·h)、88 mmol/(m2·s)，較周麥18分別高出20.0%、53.3%、25.7%，差異顯著或極顯著(表3)?？梢姡诟珊得{迫下，鄭麥7698能保持較高的光合速率、蒸騰速率及氣孔導(dǎo)度，從而表現(xiàn)出較強的耐旱能力。

表3　正常灌水與干旱脅迫條件下鄭麥7698與周麥18光合酶相關(guān)基因的表達(dá)量及旗葉光合效率

注：**表示鄭麥7698與周麥18之間差異極顯著(P<0.01)。

2.3　鄭麥7698產(chǎn)量性狀分析

正常灌水條件下，鄭麥7698單株生物量、單株穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量分別為50.8 g、11.5穗、41.8粒和52.4 g，周麥18分別為49.7 g、11.2穗、41.4粒和51.7 g，鄭麥7698和周麥18無顯著性差異。干旱脅迫條件下，鄭麥7698單株生物量、單株穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量分別為27.3 g、7.1穗、39.1粒和44.1 g，較周麥18分別高了8.3%、2.9%、5.4%和7.0%，其中單株穗數(shù)差異未達(dá)到顯著水平，單株生物量、穗粒數(shù)和千粒質(zhì)量差異均達(dá)到了顯著水平(表4)。結(jié)果表明，鄭麥7698在干旱脅迫下具有較高的產(chǎn)量，主要表現(xiàn)為單株生物量、穗粒數(shù)及千粒質(zhì)量較高。

表4　正常灌水與干旱脅迫條件下鄭麥7698與周麥18的產(chǎn)量性狀

3　結(jié)論與討論

3.1　干旱脅迫條件下小麥的抗旱性能

植物水分代謝是指吸收水分、利用水分以及葉片蒸騰作用等生物學(xué)過程的總和，可用葉片含水量、水分利用效率、細(xì)胞水勢等反映水分盈缺和利用狀況[19]。葉片相對含水量反映了植物體內(nèi)水分虧缺程度與維持水分含量的能力[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，正常灌水條件下，鄭麥7698葉片相對含水量與周麥18無顯著差異，而干旱脅迫下鄭麥7698葉片相對含水量顯著高于周麥18，表明干旱脅迫下鄭麥7698仍可以保持相對較好的水分利用狀況，水分代謝過程受影響較小，為其在干旱脅迫下保持相對較高的光合效率奠定了基礎(chǔ)。此外，作物為應(yīng)對干旱脅迫，進(jìn)化出了一整套完善的機制，如積累較多的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，以此調(diào)節(jié)胞內(nèi)滲透勢，從而緩解其細(xì)胞受逆境傷害程度[1,21]。本研究中，干旱脅迫下鄭麥7698維持了較高的葉片含水量，部分上是脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白濃度升高的結(jié)果。SOD、POD、CAT是抗氧化酶系統(tǒng)中的關(guān)鍵酶，當(dāng)植物遭遇干旱等逆境脅迫時，植物的適應(yīng)能力和抗性與抗氧化酶的活性密切相關(guān)，抗氧化酶具有保護(hù)植物細(xì)胞的作用，能清除逆境下植物體內(nèi)積累的自由基和活性氧，減輕逆境對植物細(xì)胞造成的傷害[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下鄭麥7698抗氧化酶活性明顯高于周麥18，即鄭麥7698在逆境脅迫中分解有害產(chǎn)物的能力高于周麥18。

根系是作物直接感受土壤水分信號并吸收土壤中水分的器官，當(dāng)作物遭受干旱脅迫時，其根系能首先感受到并迅速向整個植株發(fā)出信號，使整個植株對干旱做出反應(yīng)，因此，根系是研究作物抗旱性的一個重要組成部分[23]。梅雪英等[24]研究表明，作物的根長、根粗、根系活力、根干質(zhì)量等根系相關(guān)性狀與抗旱性顯著相關(guān)。本研究結(jié)果顯示，干旱脅迫抑制了鄭麥7698與周麥18根系的生長，但干旱脅迫條件下鄭麥7698根系活力、根系體積與根系干質(zhì)量顯著高于周麥18，表明鄭麥7698根系發(fā)育抑制作用較周麥18有所減緩，這可能與鄭麥7698葉片抗氧化酶合成較多有關(guān)，因此抑制了鄭麥7698旗葉與根系衰老的速度，保持了較好的根系發(fā)育特征。

3.2　干旱脅迫條件下小麥的光合性能

光合作用是小麥生長的基礎(chǔ)，干旱脅迫后，小麥各個生理過程都受到不同程度的影響，其中光合作用是受影響最明顯的過程之一[25]。本研究表明，干旱脅迫處理后，開花期小麥C3光合途徑的Rubisco及其調(diào)控基因的表達(dá)均受到顯著抑制，但鄭麥7698受抑制程度顯著低于周麥18。凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度均大幅度降低，但鄭麥7698的降低幅度小于周麥18。鄭麥7698由于在干旱脅迫條件下具有較好的光合特性，所以表現(xiàn)出了較好的同化物生產(chǎn)特性和產(chǎn)量特性，降低了干旱脅迫的不利影響。

綜上所述，干旱脅迫下鄭麥7698的抗旱性能、光合特性及產(chǎn)量性狀顯著優(yōu)于周麥18，表明鄭麥7698具有較強的抗旱能力與光合性能，這對選育耐干旱小麥新品種、保證干旱脅迫下小麥的正常生產(chǎn)具有重要的意義。

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