干旱脅迫條件下施用保水劑對棉花植株生理生化的影響

馬彥茹，吳湘琳，葛春輝，王新勇

(新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所,烏魯木齊　830091)

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干旱脅迫條件下施用保水劑對棉花植株生理生化的影響

馬彥茹，吳湘琳，葛春輝，王新勇

(新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所,烏魯木齊830091)

摘要：【目的】在干旱脅迫條件下研究保水劑處理對棉花植株生理生化指標變化的影響，為合理利用保水劑提供理論依據和實踐參考?！痉椒ā坎捎门柙缘姆椒?，設置四個處理，分別為空白基質(CK)、CK+15 kg/hm2保水劑、CK+30 kg/hm2保水劑、CK+60 kg/hm2保水劑；在干旱脅迫的條件下，檢測棉花葉片的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、過氧化物酶活性(POD)、超氧化物歧化酶活性(SOD)等指標，并進行指標的相關性分析?！窘Y果】丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、POD酶活性等指標隨干旱脅迫的進行而明顯增加(P<0.05)，可以較準確地反映棉花隨著缺水程度所發生的生理生化變化，而SOD酶活性表現為無規則變化?！窘Y論】從干旱脅迫生理生化指標綜合評定30 kg/hm2保水劑處理能明顯改善棉花植株的抗干旱能力。

關鍵詞：干旱脅迫;保水劑;棉株;生理生化

0引 言

【研究意義】棉花是新疆主要的經濟作物，2014年種植面積達242.13×104hm2，研究在干旱條件下保水劑在棉花上的施用效果，對于新疆棉花種植區抗干旱脅迫及水資源高效利用具有重要現實意義[1]?！厩叭搜芯窟M展】保水劑是一種具有較高吸水、保水能力的高分子聚合物[2]，能吸收自身質量百倍至千倍的水分，應用保水劑可以有效降低農作物因干旱脅迫而產生的損害[3-4]?！颈狙芯壳腥朦c】近年來，有關保水劑在農林業生產中的應用研究較多，保水劑能提高造林成活率，促進農作物的生長及種子的發芽[5-6]，提高土壤水分及養分利用率，改善土壤的物理特性，減緩土壤水分蒸發[7]。但保水劑對植株的干旱脅迫下生理生化影響的研究較少?！緮M解決的關鍵問題】研究不同保水劑處理對棉花植株生理生化指標的影響，明確施用保水劑影響植物生理生化而減低干旱脅迫的機理，為合理利用保水劑提供理論依據。

1材料與方法

1.1 　材 料

供試保水劑為九江禾口高分子科技有限公司生產的旱克星保水劑。

1.2 　方 法

試驗于2013年8~9月在新疆農業科學院土壤肥料與農業節水研究所實驗室進行。采用盆栽試驗，設置四個處理，分別為處理1：空白土壤(CK)、處理2：CK+15 kg/hm2保水劑、處理3：CK+30 kg/hm2保水劑、處理4：CK+60 kg/hm2保水劑。

將不同劑量的保水劑與基質土均勻混合后備用(1∶30)，每盆裝基質土5 kg，土壤保水劑與基質土均勻混合后備用，打穴，放入定量混合物，將棉花種子催芽，選擇生長勢相似的棉種(出芽)栽入，澆水澆透。棉苗生長第25 d澆水1次，生長到42 d時，開始取相同部位棉花葉片(分三次取樣，分別在9月4日、9月7日、9月10日)，鮮樣檢測丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、POD酶活性、SOD酶活性[8]。

1.3　數據分析

試驗數據采用Excel和SPSS統計軟件進行均值、顯著性及相關性分析。

2結果與分析

2.1　不同處理對棉葉丙二醛和脯氨酸含量的影響

隨著時間的延續，不同處理的葉片丙二醛含量均增加，這說明棉苗已經受到了干旱脅迫，使丙二醛含量有所積累。其中各處理葉片中丙二醛含量分別為0.424~0.518 μmol/g、 0.277~0.459 μmol/g、0.341~0.415 μmol/g、0.300~0.433 μmol/g，使用保水劑的處理丙二醛含量均低于對照(P<0.05)。圖1

圖1 丙二醛含量變化Fig 1.Change of MDA

隨著時間的延續，不同處理的葉片脯氨酸含量均增加(見圖2)，各處理脯氨酸含量分別為98.09~1 004.56 μg/g、116.28~969.88 μg/g、177.88~891.64 μg/g、107.93~964.90 μg/g，這說明棉苗已經受到了干旱脅迫。在9月6日測定的結果表明，對照的脯氨酸含量顯著高于保水劑處理(P<0.05),達到峰值為1 004.56 μg/g，其中處理3的脯氨酸含量最低，僅為891.64 μg/g，說明該處理所受脅迫較小，而處理3與處理4之間沒有顯著差別(P>0.05)；9月9日測定結果表明處理間沒有顯著差別(P>0.05)，這說明各處理棉苗干旱脅迫已十分嚴重。圖2

圖2脯氨酸含量變化Fig 2.Change of proline

2.2　不同處理對棉葉可溶性糖含量與可溶性蛋白含量的影響

隨著干旱脅迫的延續，可溶性糖含量增加，其中各處理葉片中可溶性糖含量分別為0.786~1.115、0.886~1.098、0.869 ~1.268和0.865~1.093 mg/g,對照表現較為明顯(P<0.05)；其他保水劑處理表現為第三次的樣品中可溶性糖含量較第二次含量有所下降，尤其30 kg/hm2處理表現最為明顯(P<0.05)。圖3

圖3 可溶性糖含量變化
Fig3.Change of Soluble sugar

可溶性蛋白含量表現為隨干旱脅迫的延續而增加，其含量分別為0.46~1.27、0.83~1.24、0.84~1.86和0.38~1.59 mg/g，其中第三次樣品中處理3的可溶性蛋白含量明顯高于處理1、處理2(P<0.05)，但與處理4比較無顯著性差異(P<0.05)。圖4

圖4 可溶性蛋白含量變化
Fig4.Change of Soluble protein

2.3　不同處理對棉葉POD酶活性與SOD酶活性的影響

干旱脅迫對各處理棉株的POD酶活性具有一定的影響，其酶活性分別為：633.3~1 264.4、731.1~1137.7、702.2~1 045.5和576.67~970.0 μ/(g.min)，其中對照的POD酶活表現為先上升后下降的趨勢，第三次取樣的POD酶活明顯低于前者(P<0.05)，這說明棉株已超出自身抵御干旱脅迫的能力，生理活力有所降低；保水劑處理表現為隨干旱脅迫的延續，酶活性明顯增加(P<0.05),未出現明顯下降趨勢(P<0.05)。而對照的SOD酶活與POD酶活變化趨勢類似，9月9日樣品中處理3的SOD酶活明顯高于其他處理(P<0.05)，酶活達到48.53 μ/(g.min)，而處理4的SOD酶活相對于其他保水劑處理明顯降低(P<0.05)。圖5

圖5 POD酶活變化Fig5.Change of POD

圖6SOD酶活變化Fig6.Change of SOD

2.4　主要生化指標的相關性

各生化指標的關聯特征表明，干旱脅迫的棉葉的丙二醛含量和脯氨酸含量、POD酶活之間的相關系數最高，相關系數分別為0.733、0.718、0.797，顯示具有極顯著正相關性關系(P<0.01)；脯氨酸含量與可溶性蛋白含量、POD酶活之間具有顯著正相關性關系(P<0.05)，相關系數分別為0.683、0.654；可溶性糖含量與POD酶活之間具有顯著正相關性關系(P<0.05)，相關系數為0.627；SOD酶活與其他指標的相關性指數變化為-0.053-0.212，無顯著相關性(P>0.05)。表1

表1相關性分析

Table 1 Correlation analysis

丙二醛MDA脯氨酸Prolinecontent可溶性糖Solublesugarcontent可溶性蛋白SolubleproteincontentPOD酶活PODenzymeactivitySOD酶活SODenzymeactivity丙二醛MDA1.0000.733**0.5090.4770.718**-0.012脯氨酸Prolinecontent0.733**1.0000.797**0.683*0.654*0.136可溶性糖Solublesugarcontent0.5090.797**1.0000.2470.627*-0.053可溶性蛋白Solubleproteincontent0.4770.6830.2471.0000.3830.055POD酶活PODenzymeactivity0.718**0.654*0.627*0.3831.0000.212SOD酶活SODenzymeactivity-0.0120.136-0.0530.0550.2121.000

**P<0.01;*P<0.05

3討 論

3.1丙二醛(MDA)是膜系統傷害的重要標志之一[9]，主要是因為干早脅迫造成細胞內氧自由基產生與清除的不平衡，從而導致膜脂過氧化而形成丙二醛(MDA)，使植物受到傷害[10][11]。試驗中，隨著干旱脅迫時間的延長MDA含量呈上升趨勢，表明干旱脅迫造成了葉片的膜損傷。而使用保水劑處理的丙二醛含量均明顯低于對照(P<0.05)，這說明保水劑處理棉株所受到干旱脅迫程度低于對照。

3.2滲透調節是植物適應干旱脅迫的一種重要生理機制[12]，一般認為脯氨酸、可溶性糖與可溶性蛋白作為植物細胞滲透性的主要調節物質，在干旱脅迫下脯氨酸、可溶性糖與可溶性蛋白的升高有利于植物應對干旱脅迫[13]。研究中，隨著干旱時間的延續，棉葉的脯氨酸、可溶性糖與可溶性蛋白含量明顯增加(P<0.05)，說明棉株的抗旱能力與三種物質的積累有一定關系。

3.3在干旱脅迫下，植物體內會發生氧化脅迫，植物會通過提高抗氧化酶的活性來適應干旱逆境[14]。超氧化物酶(SOD)和過氧化物酶(POD)是植物體內膜系統的重要保護酶，能有效清除超氧自由基和活性氧，降低不良環境對膜脂的傷害程度，可以減輕干旱脅迫中膜脂過氧化對細胞膜的損傷[15]。研究結果表明。干旱脅迫下，POD隨脅迫時間延長活性增加，說明棉株通過增加保護酶活性以減少干旱的傷害。但隨干旱脅迫的延長，對照的POD活性呈先上升后下降的趨勢，說明在一定干旱脅迫范圍內，保護酶能有效清除活性氧；而隨著干旱時間的延長，脅迫超出了棉株耐受限度，酶的活性有所降低。而保水劑處理隨脅迫延長，POD活性而增加，后未出現明顯下降(P>0.05)，這說明保水劑處理的棉株所受到的干旱脅迫低于對照。

4結 論

棉花植株在干旱脅迫下，會通過調整組織內部的某些生理生化過程，來規避或減輕干旱的傷害。6個表征棉花葉片耐旱性的生化指標分析表明，其中丙二醛、脯氨酸含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、POD酶活等5個指標可以較準確地反映棉花隨著缺水程度所發生的生理生化變化，SOD酶活在棉花水分虧缺條件下表現為無規則變化。綜合評定保水劑30kg/ha處理能明顯改善棉花植株的抗干旱能力。

參考文獻(References)

[1]王淑虹.試論新疆發展節水灌溉的作用與途徑[J].水資源與水工程學報,2006,17(2):68-71.

WANG Shu-hong. (2006). Discussion on the function and route of water saving irrigation in Xinjiang [J].JournalofWaterResources&WaterEngineering, 17(2): 68-71. (in Chinese)

[2]陳海麗,吳震,劉明池.不同保水劑的吸水保水特性[J].西北農業學報. 2010,19(1):201-206.

CHEN Hai-li, WU Xia, LIU Ming-chi. (2010). Analysis of water absorptivity and retention properties of different water retaining agents [J].ActaAgriculturaeBoreali-OccidentalisSinica, 19(1):201-206. (in Chinese)

[3]吳湘琳,王新勇,葛春輝,等.在干旱條件下保水劑保水效果及其對棉花產量的影響[J].中國農學通報,2014,30(27):198-201.

WU Xiang-lin, WANG Xin-yong, GE Chun-hui, et al. (2014). Effect of soil water Retention Agentand Influence on Cotton Production under Drought Condition [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin, 30(27):198-201. (in Chinese)

[4]林文杰,馬煥成,周蛟,等.干旱脅迫下保水劑對苗木生長及生理的影響[J].干旱區研究,2012,12(4):353-357.

LIN Wen-jie, MA Huan-cheng, ZHOU Jian, et al. (2012). Effects of Hydrogel on the Growth of Seedlings and Their Physiological Properties under Drought Stress [J].AridZoneResearch, 12(4): 353-357. (in Chinese)

[5] Lu, S., Su, W., Li, H., & Guo, Z. (2009). Abscisic acid improves drought tolerance of triploid bermudagrass and involves H2O2-and NO-induced antioxidant enzyme activities.PlantPhysiologyandBiochemistry, 47(2), 132-138.

[6]彭麗娜. 保水劑對華北駝絨藜生長生理和建植力的影響[D].呼和浩特：內蒙古農業大學碩士論文,2007.

PENG Li-na. (2007).EffectofSuper-absorbentpolymersonphysiologyandEstablishementofphysiologyayborescens[D]. Master Dissertation. Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot. (in Chinese)

[7]李磐,馮耀祖,鐘新才.施用抗旱保水劑對棉花產量與水分利用效率的影響[J].新疆農業科學，2011,48(6):1 125-1 129.

LI Pan, FENG Yao-zu, LI Xin-cai. (2011). Effects of Drought-resistant Agents (DRA) and Super Absorbent Polymers (SAP) on the Yield and Water Use Efficiency of Cotton [J].XinjiangAgriculturalSciences, 48(6):1,125-1,129. (in Chinese)

[8] 鄒琦.植物生理學[M].北京:高等教育出版社,2000．

ZOU Qi. (2000).Plantphysiology[M]. Beijing: Higher Education Press．(in Chinese)

[9]孫彩霞,沈秀英,劉志剛.作物抗旱性理生化機制的研究現狀和進展[J]．雜糧作物,2002,22(5):285-288．

SUN Cai-xia, SHEN Xiu-ying, LIU Zhi-gang. (2002). Status and Advances in Studies on the Physiology and Biochemistry Mechanism of Crop Drought Resistance [J]．RainFedCrops, 22(5):285-288．(in Chinese)

[10]陳敏,侯新村,范希峰,等.細葉芒苗期耐旱性分析[J].草業學報,2013,22(3):184-189.

CHEN Min, HOU Xin-cun, FAN Xi-fen, et al. (2013). Drought tolerance analysis of Miscanthus sinensis'Gracillimu'seedlings [J].ActaPrataculturaeSinica, 22(3):184-189. (in Chinese)

[11]王艷慧,王贊,孫桂枝,等.干旱脅迫下膠質苜蓿苗期生理生化特性的研究[J].華北農學報·2008，23(增刊)：65-69.

WANG Yan-hui, WANG Zan，SUN Gui-zhi, et al. (2008). Physiological and Biochemical Study on Medicago glutinosa at Seedling Stage under Drought Stress [J]ActaAgriculturaeBoreali-Sinica, 23(Supp)：65-69. (in Chinese)

[13]吉增寶,王進鑫.干旱脅迫對側柏幼樹某些生理特性的影響[J].西北林學院學報.2009，24(6):6-9．

JI Zeng-bao, WANG Jin-xin. (2009). The Effect of Drought Stress on Some Physiological Characters of Platycladus orientalis [J].JournalofNorthwestForestryUniversity，24(6):6-9．(in Chinese)

[14]吳芹,牟淑梅,李雪蕾,等.沙棘耐干旱脅迫的生理生化響應研究[J].山東建筑大學學報,2015,30(3):231-235.

WU Qin, MOU Shu-mei, LI Xue-lei, et al. (2015). Physiological and biochemical responses to different soil drought stress in Hippophae rhamnoides Linn [J].JournalofShandongInstituteofArchitectureandEngineering, 30(3): 231-235. (in Chinese)

[15]胡小京,丁圣果,吳小波.干旱脅迫下不同基質對佛甲草生理生化的影響[J].中國農學通報 2012,28(34):234-237

Fund project:Fund project：Supported by science and technology Xinjiang supporting project "Introduction and application of the key technology of soil composite water retaining particles"(2013911079)

HU Xiao-jing, DING Sheng-guo, WU Xiao-bo. (2012). Effect of Different Substrates on Physiological and Biochemical Indexes of Sedum lineare Thunb under Drought Stress [J].ChineseAgriculturalScienceBulletin, 28(34): 234-237. (in Chinese)

Influence of Water Retention Agent Applied on Physiological and

Biochemical Index of Cotton Plant under Drought Condition

MA Yan-ru, WU Xiang-lin, GE Chun-hui,WANG Xin-yong

(ResearchInstituteofSoil,FertilizerandAgriculturalWaterConservation,XinjiangAcademyofAgriculturalSciences,Urumqi830091,China)

Abstract：【Objective】 The effect of water retention agent (WRA) applied on physiological and biochemical index of cotton plant under drought condition was studied in order to provide a reasonable basics of WRA applied.【Method】Pot experiments with four treatment were set, they were control, control + 15 kg/hWRA, control + 30 kg/hWRA, and control + 60 kg/hWRA, respectively. Pot experiment was conducted to investigate malondialdehyde (MDA), proline, and Soluble sugar, and Soluble protein，and peroxidase，and superoxide dismutase (SOD), and to analyze correlation indexes.【Result】MDA, proline content, soluble sugar content, soluble protein content and POD activity were significantly increased with drought stress (P<0.05), which reflected the physiological and biochemical changes of cotton with the degree of water shortage, but the activity of SOD showed no change. 【Conclusion】 The treatment of 30 kg/hm2WRA could greatly improve the drought resistance of cotton plants in terms of the physiological and biochemical indexes of drought stress.

Key words:cotton plant; wate retention agent (WRA); drought stress; physiological and biochemical index

通訊作者:葛春輝(1979-)，男，浙江紹興人，副研究員，研究方向為垃圾資源化及土壤培肥，(E-mail)gch-1998@163.com

作者簡介:馬彥茹(1962-)，女，農藝師，研究方向為植物營養

基金項目:新疆維吾爾自治區科技援疆項目“土壤復合保水顆粒關鍵技術引進與應用”(2013911079)

收稿日期：2015-10-20

中圖分類號：S562

文獻標識碼：A

文章編號：1001-4330(2016)02-0277-06

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.02.012