干旱脅迫對甘蔗新品種桂熱2號生理指標的影響

譚秦亮 程 琴 潘成列 朱鵬錦 李佳慧 宋奇琦農澤梅 周全光 龐新華 呂 平

（1廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所，530001，廣西南寧；2廣西田園生化股份有限公司，530001，廣西南寧）

中國是世界上主要的甘蔗種植國，種植面積僅次于巴西和印度，目前甘蔗主要種植在廣西、云南、廣東和海南等熱帶或亞熱帶地區(qū)，其中廣西和云南種植面積最大，占據全國總面積的90%以上[1]。此外，甘蔗作為生產乙醇等生物能源的理想原料，是今后研究的熱門對象。確保甘蔗產業(yè)的健康發(fā)展，不僅可以滿足我國食糖安全，更是未來生物能源產業(yè)發(fā)展的必然選擇。在作物面臨的所有非生物脅迫中，干旱是發(fā)生頻率最高、危害面積最廣、造成損失最大的一個自然因素。甘蔗是一種高產的C4作物，具有較高的水分利用效率和較強的耐旱性能，但是廣西蔗區(qū)90%以上的甘蔗種植于旱坡地[2]，灌溉設施和土壤持水性能較差，季節(jié)性干旱發(fā)生較為嚴重，因此，選育抗旱性強的品種、改良其抗旱性等是今后廣西甘蔗產業(yè)發(fā)展方向的關鍵。

脫落酸（abscisic acid，ABA）作為一種植物激素，通常被稱為信號激素或逆境激素，是啟動植物體內抗逆基因表達的“第一信使”[3-4]，不僅能促進植物葉片的衰老和脫落，而且能感知和傳遞逆境信號，參與調控植物生長發(fā)育和逆境響應。李長寧[5]研究發(fā)現，水分脅迫下外施ABA可提高甘蔗內源ABA含量，增強抗氧化酶活性，促進可溶性糖（soluble sugar，SS）的積累。當水分脅迫作用玉米時，外源ABA可促進幼苗根系脯氨酸和SS積累[6]。小麥外施ABA可顯著提高植株旗葉光合速率、滲透調節(jié)物質含量以及抗氧化酶活性，降低丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量[7]。噴施ABA能明顯提高大豆葉綠素含量和光合速率，有效緩解干旱脅迫對其的影響，維持大豆的正常生理代謝活動[8]。植物正常生長時會形成一套有效清除自由基的抗氧化防護系統，以避免或減輕活性氧對細胞造成的傷害，組成酶促防護系統的酶主要有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、過氧化物酶（peroxidase，POD）、抗壞血酸過氧化物酶（aseorbate peroxidase，APX）、過氧化氫酶（catalase，CAT）和多胺氧化酶（polyamine oxidase，PAO）等[9-10]。SOD可以催化O2-.發(fā)生歧化反應生成O2和H2O2，其活性被認為是植物抗逆境的重要指標；POD和APX是葉綠體中清除H2O2的關鍵酶，APX被認為是抗氧化系統中與H2O2親和力最強的氧化酶；CAT主要負責清除過氧化物體的H2O2[11]。當受到干旱脅迫時，植物葉片中的SOD、POD和APX等活性快速升高，可有效緩解干旱脅迫對植物膜系統的損傷[12-13]。在干旱脅迫時甘蔗會產生一系列生理變化來減輕干旱傷害，研究[14-15]表明，甘蔗葉片可溶性蛋白（soluble protein，SP）、SS、MDA及脯氨酸（proline，Pro）含量等可作為甘蔗抗旱性鑒定和評價的重要指標。當甘蔗受到干旱脅迫時會出現膜脂過氧化反應，從而對膜系統造成傷害，研究[16-19]發(fā)現質膜透性變化與MDA含量呈正相關，因此，質膜透性和MDA含量變化是甘蔗抗旱評價的關鍵指標。

目前，已有不少關于甘蔗抗旱性的研究報道，主要包括形態(tài)結構特征、生理特性、抗旱性指標評價和抗旱性品種選育等，有關甘蔗抗旱生理生化的研究主要集中在質膜透性、滲透調節(jié)和抗氧化物保護酶系統清除自由基能力等方面，但目前關于干旱脅迫下噴施外源ABA提高甘蔗幼苗抗旱性方面鮮有報道。本試驗通過與甘蔗品種ROC22對比，對廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所新育成的甘蔗品種桂熱2號（GR2）進行干旱脅迫及外源ABA脅迫試驗處理，測定甘蔗苗期葉片內源激素（ABA、GA和IAA）含量、抗氧化物酶（SOD、POD和APX）活性和滲透調節(jié)物質（MDA、SP和SS）含量。旨在探討干旱脅迫對GR2幼苗的傷害與影響，比較該品種與ROC22的差異，對其進行抗旱性鑒定，以便為今后的大面積推廣提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試材料為廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所新育成甘蔗品種桂熱2號（GR2）與抗旱品種ROC22（CK）。GR2由農業(yè)農村部于2020年7月24日審定，審定編號為GPD甘蔗（2020）450040。

1.2 試驗設計

試驗于2020年在廣西壯族自治區(qū)亞熱帶作物研究所甘蔗種質資源圃智能溫室大棚內進行。采用桶栽土培方式，桶的規(guī)格為22cm×35cm（直徑×高），每桶裝土壤13kg（大田土:河沙:有機肥=5:4:1）。2020年1月15日將甘蔗以單芽蔗莖的方式種植于泥沙混合基質中催芽育種。45d后選擇長勢一致的甘蔗幼苗移栽至桶中，每個桶種2株苗后移入智能溫室大棚，按照常規(guī)生長進行管理，2個月后開始對2個甘蔗品種進行試驗處理。把材料分成2組，第1組進行干旱處理，第2組在干旱處理的基礎上葉面噴施ABA（50mmol/L），分別為干旱及ABA處理，分別于斷水后的0、3、5、7、9、12d進行采樣測定。

1.3 測定項目與方法

采用酶聯免疫試劑盒測定[20]內源激素ABA、赤霉素（GA）及植物生長素（IAA）含量。采用氮藍四唑光化還原法測定SOD活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定POD活性，采用過氧化氫還原法測定APX活性[21-22]。采用試劑盒法測定滲透調節(jié)物質MDA含量，采用考馬斯亮藍G-250比色法測定SP含量，采用蒽酮法測定SS含量[22-23]。

1.4 數據處理

采用SPSS 22.0軟件進行統計分析試驗數據，用單因素（one-way ANOVA）和Duncan法進行方差分析和多重比較（P=0.05），使用Origin 2019軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理對甘蔗內源激素的影響

2.1.1 對ABA含量的影響 由圖1可知，各處理的ABA含量隨著干旱脅迫時間而變化，CK和GR2均呈先上升后下降再上升的變化趨勢，CK在5d時達到第1次峰值，在12d時達到第2次峰值，GR2在3d時達到第1次峰值，在9d時達到第2次峰值。干旱加ABA脅迫處理后，CK+ABA處理在5d時達到第1次高峰值且高于CK，9d時達到第2次高峰值且與CK存在顯著差異；GR2+ABA處理在5d時高于GR2，但差異不顯著，7d時達到最高值。說明干旱脅迫時，GR2中內源ABA含量增加更快，外源ABA處理能更明顯地提高GR2內源ABA的含量。

圖1 不同處理甘蔗內源ABA的含量Fig.1 The contents of the sugarcane endogenous ABA under different treatments

2.1.2 對GA含量的影響 由圖2可知，CK在7d時降到最低值，9d時達到最高值；GR2在5d時出現第1次高峰值，在9d時降到最低值，12d時達到最高峰值，7、9和12d時均與CK存在顯著差異，說明GR2響應干旱脅迫的速度比CK快。干旱加ABA處理后，CK+ABA處理5d時出現第1次高峰值，3和7d時均出現較低值，且3d時與CK存在顯著差異，12d時出現最高峰值；GR2+ABA處理在7d時達到最高值，隨后緩慢下降，9和12d時均與GR2存在顯著差異。說明干旱脅迫時GR2的GA含量在0～7d一直保持較高水平，外源ABA處理能在后期加快CK和GR2內源GA的積累。

圖2 不同處理下甘蔗內源GA的含量Fig.2 The content of the sugarcane endogenous GAunder different treatments

2.1.3 對IAA含量的影響 由圖3可知，隨著處理時間的延長，當干旱脅迫下CK在3d時達到第1次高峰值，之后迅速下降后緩慢上升，到9d時達到第2次高峰值；GR2在脅迫3d后一直處于較高值，到7d時達到最高值，其中5d時顯著高于CK。干旱加ABA處理后，CK+ABA處理3d時出現最低值，與CK存在顯著差異，隨后緩慢上升，7d時達到最高值；GR2+ABA處理在5d時達到第1次高峰值，7d時降到最低值，隨后再次上升，9d時達到最高峰值，7d和9d時均與GR2有顯著差異。說明干旱脅迫能促進GR2內源激素IAA的積累，外源ABA處理后GR2內源IAA含量一直維持在較穩(wěn)定的水平。

圖3 不同處理下甘蔗內源IAA的含量Fig.3 The content of the sugarcane endogenous IAAunder different treatments

2.2 不同處理對甘蔗抗氧化酶活性的影響

2.2.1 對SOD活性的影響 圖4表明，隨著干旱脅迫的持續(xù)，CK和GR2的SOD活性均呈先下降后上升的趨勢，在干旱脅迫5d時下降到最低值，9d時達到最高值。干旱加ABA處理后，CK+ABA處理5d時快速升高達到最高值，且處理間差異顯著，與0d時相比上升幅度為23.87%；GR2+ABA處理在干旱脅迫3d時達到最低值，5d時顯著高于GR2，隨后逐漸增加，9d時達到最高值。說明干旱脅迫下CK和GR2變化趨勢基本一致，外源ABA處理能迅速提高CK和GR2的SOD活性，但是GR2比CK提高的幅度要低。

圖4 不同處理下甘蔗SOD的活性Fig.4 The activity of the sugarcane SOD under different treatments

2.2.2 對POD活性的影響 圖5表明，POD活性隨著脅迫時間的延長在不斷變化，CK在脅迫7d時下降到最低值，9d時達到最高值；GR2在5d時出現第1次高峰值，12d時達到最高值。干旱加ABA處理后，CK+ABA處理在脅迫5d時上升到第1次峰值，且與CK差異顯著，12d時達到第2次峰值，與CK差異顯著；GR2+ABA處理在脅迫7d時達到最高值，與其他處理有顯著差異，9d時下降到最低值，與其他處理也存在顯著差異。說明受到干旱脅迫后CK和GR2的POD活性均在前期下降后期上升，外源ABA處理可以明顯提高2個品種中POD的活性。

圖5 不同處理下甘蔗POD的活性Fig.5 The activity of the sugarcane POD under different treatments

2.2.3 對APX活性的影響 圖6表明，APX活性隨著干旱脅迫的加劇在不斷變化，CK在干旱脅迫5d時上升到最高值，9d時達到最低值；GR2在干旱脅迫0、3及5d時均維持在較高水平，7d時略有下降，隨后一直上升，在0、3、9及12d時均與CK有顯著差異。干旱加ABA處理后，CK+ABA處理5d時上升到第1次峰值，但與CK差異不顯著，9d時達到第2次峰值，9和12d時與CK差異顯著；GR2+ABA處理在7d時略有下降后迅速上升，9d時顯著高于GR2，9、12d時與CK差異顯著。說明受到干旱脅迫和外源ABA脅迫后CK中APX活性會迅速增加，GR2的APX活性一直處于較高水平，尤其是脅迫后期依然保持在較高水平。

圖6 不同處理下甘蔗APX的活性Fig.6 The activity of the sugarcane APX under different treatments

2.3 不同處理對甘蔗滲透調節(jié)物質的影響

2.3.1 對MDA含量的影響 由圖7可知，CK的MDA含量在脅迫5和12d時均達到較高值，3d時出現最低值；GR2呈緩慢上升的趨勢，3d時出現第1次高峰值，9d時達到最高值，均與CK有顯著差異。干旱加ABA處理后，CK+ABA處理在脅迫3d時上升到第1次峰值，與CK差異顯著，12d時達到第2次峰值，與CK無顯著差異；GR2+ABA處理在脅迫3d時顯著高于GR2，5d時達到第1次高峰值，均與CK和GR2存在顯著差異，9d時下降到最低值，與CK和GR2也存在顯著差異，12d時達到第2次高峰值，與CK有顯著差異，但與GR2差異不顯著。結果說明受到干旱脅迫后CK和GR2中MDA含量均增加且CK增幅更大，外源ABA可以在前期有效緩解CK中MDA的積累，在后期有效緩解GR2中MDA的積累。

2.3.2 對SP含量的影響 由圖8可知，CK的SP含量整體呈先上升再下降的趨勢，在脅迫5d時上升到最高值，與其他處理存在顯著差異。GR2呈先上升后下降再上升的變化趨勢，在脅迫3d時達到第1次高峰值，5d時降到最低值，12d時達到第2次高峰值，3、5及7d時與CK存在顯著差異。干旱加ABA處理后，CK+ABA處理在脅迫3d時降到最低值，隨后逐漸增加，9d時達到最高值，3、5、7及9d時均與CK存在顯著差異；GR2+ABA處理在脅迫3d時明顯低于GR2且達到顯著水平，9d時達到最高值，5、7、9及12d時均與CK存在顯著差異，3、5和9d時與GR2存在顯著差異。說明受到干旱脅迫后CK和GR2中SP含量均增加，且前期CK增幅更大，后期GR2增幅更大，外源ABA在前期可以有效緩解CK和GR2中SP的積累。

2.3.3 對SS含量的影響 由圖9可知，CK處理的SS含量呈一直上升的趨勢，在脅迫12d時達到最高值；GR2呈先上升后略微下降的趨勢，5d時達到最高峰值，0～9d均與CK存在顯著差異。干旱加ABA處理后，CK+ABA和GR2+ABA處理均呈先上升后下降再上升的變化趨勢，CK+ABA在5d時上升到較高峰值，7d時降到最低值，12d時達到最高峰值，3、7、9及12d時與CK存在顯著差異；GR2+ABA處理在3d時上升到較高峰值，5d時降到最低值，12d時達到最高峰值，0、3及7d時與CK差異顯著，0、3、5、7及12d時與GR2存在顯著差異。說明受到干旱脅迫后CK和GR2中SS含量均大幅度增加且GR2增幅更大、更穩(wěn)定，外源ABA可以有效緩解CK和GR2中SS的積累。

圖9 不同處理下甘蔗SS的含量Fig.9 The content of the sugarcane SS under different treatments

3 討論

甘蔗的抗旱性是一個較為復雜的綜合性狀表現，當甘蔗受到干旱脅迫時會出現一系列形態(tài)及生理特性變化，而且不同品種對干旱脅迫的響應也存在顯著差異。在形態(tài)水平上，由于細胞缺水等因素造成甘蔗葉片失綠、生長發(fā)育緩慢或停滯；在生理水平上，干旱脅迫會引起活性氧大量產生、細胞膜過氧化、細胞內外物質失衡及植物內源激素失衡等生理變化。作為植物生長發(fā)育的關鍵調控因子，植物內源激素參與多個代謝過程，尤其是在響應植物逆境脅迫時發(fā)揮重要作用。有研究證實在甘蔗[24]、玉米[25]和小麥[26]等作物中，干旱脅迫時植物體內ABA含量會明顯增加，GA含量明顯下降，外施ABA能有效促進內源ABA的合成，提高植物激素的代謝活動。本研究發(fā)現，受到干旱脅迫時2個品種內源ABA及IAA含量均明顯增加，而GA含量受到抑制，外施ABA可有效提高內源激素ABA的含量，但不能顯著提高IAA含量，內源激素的變化基本與前人在不同作物上的研究一致。

抗氧化酶保護系統是植物防御活性氧傷害的有效途徑，其中SOD、APX、POD和CAT等保護酶在消除H2O2方面有關鍵的調控作用。本研究結果顯示，GR2與CK均在中度（5～7d）干旱脅迫時SOD和APX活性顯著提高，重度（9～12d）干旱脅迫時POD活性顯著提高，這與梁潘霞等[27]研究基本一致。Do等[28]研究發(fā)現，抗旱性強的甘蔗品種SOD活性會顯著提高且在中重度脅迫時SOD活性的提高更顯著，POD活性在抗旱性強的品種中表現更為敏感，該結論與本研究基本相似。GR2在干旱脅迫中后期時SOD和APX活性高于CK，POD活性隨干旱脅迫時間的延長呈先降低后上升的趨勢，與前人在甘蔗[29]和棉花[30]上的研究結果一致。本研究發(fā)現，外源ABA處理能有效提高2個品種抗氧化保護酶的活性，增強甘蔗的活性氧清除能力，這與前人對玉米[31-32]和小麥[33]的研究結果一致。

MDA是植物在逆境脅迫下細胞膜脂過氧化作用的主要產物，可改變膜脂分子結構使蛋白質合成受到抑制，其含量的高低可以反映植物受到逆境脅迫的傷害程度，含量積累越多表明組織的保護能力越差[34-35]。本研究中隨著干旱脅迫時間的延長，2個甘蔗品種的MDA含量均逐漸增加，其中CK含量明顯高于GR2，推測GR2的膜脂損傷比CK輕，植株受干旱脅迫的傷害較小，具有較好的耐旱性。SS和SP作為植物體內重要的滲透調節(jié)物質，干旱脅迫時可以保持細胞內環(huán)境的相對穩(wěn)定，其含量的增加可有效緩解逆境脅迫對植物造成的傷害[36]，外施ABA能調節(jié)植物體內滲透調節(jié)物質的平衡，進而提高植物對干旱脅迫的抵抗能力[37-38]。本研究中SS和SP含量均隨著干旱脅迫時間的延長而增加，尤其是GR2的SS含量增幅顯著，外源ABA處理后SP含量在中后期增幅明顯，說明干旱脅迫后GR2的滲透調節(jié)物質的變化更為敏感，能及時調節(jié)植物體內細胞環(huán)境的平衡，減輕對植物的傷害，這與前人對甘蔗[39]和玉米[40]的研究結論基本一致。

4 結論

以抗旱性較好的甘蔗品種ROC22作為對照（CK），甘蔗新品種GR2在干旱脅迫條件下，內源激素ABA、GA及IAA含量顯著增加，同時提高了抗氧化酶SOD、APX及POD的活性，MDA、SP及SS含量均迅速增加。與CK相比，GR2在脅迫前期（0～5d）SP及SS含量增幅相對較大，MDA含量相對比較穩(wěn)定，脅迫中期（7～9d）ABA、SOD和APX活性增幅相對較大。外源ABA處理可增強GR2內源激素的積累，提高其抗氧化酶SOD、APX及POD活性，有效緩解滲透調節(jié)物質的積累，使其含量處于較低水平。綜上所述，甘蔗新品種桂熱2號是一個抗旱性較好的品種，外源ABA可以有效緩解干旱脅迫對其造成的損害，該品種可以作為抗旱性強的優(yōu)質品種進行下一步的示范與推廣。