干旱脅迫對甜高粱幼苗光合色素、保護酶活性及活性氧代謝的影響

陳敏菊 孟彥 孟憲政

摘 ? ?要：為探究甜高粱幼苗對干旱脅迫的響應機制和對干旱脅迫的忍受范圍，通過盆栽試驗的方式，設置土壤相對含水量65%～70%（CK）、55%～60%（T1）、40%～45%（T2）、30%～35%（T3）和20%～25%（T4）5個水平，研究干旱脅迫對甜高粱葉片光合色素含量、保護酶活性及活性氧代謝的影響。結果表明，隨著干旱脅迫強度的增強，甜高粱幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素均表現出降低趨勢，但T1處理與對照差異均不顯著（P>0.05），且在T4處理下值最低，較對照分別降低54.31%，44.44%，52.65%，51.47%，與對照差異極顯著（P<0.01）。隨著干旱脅迫強度的增加，甜高粱幼苗葉片保護酶SOD、CAT、POD、APX活性呈先升高再降低的單峰變化趨勢，但SOD、POD、APX活性在T1處理下值最大，較對照分別增加7.45%，13.94%，24.63%，CAT在T2處理下值最大，較對照增加3.48%。甜高粱幼苗葉片超氧陰離子隨干旱脅迫強度的增加而升高，但在輕度脅迫下（T1）與對照差異不顯著（P<0.05）;4個處理的甜高粱幼苗葉片過氧化氫含量隨干旱脅迫強度的增加而升高，且與對照差異均顯著（P<0.05）?？梢?，當土壤相對含水量不低于55%～60%時，甜高粱幼苗保護酶活性高于對照，且光合色素、超氧陰離子含量與對照差異不顯著（P>0.05）。

關鍵詞：甜高粱;干旱脅迫;光合色素;保護酶;活性氧

中圖分類號：S514 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.09.001

Effects of Drought Stress on Photosynthetic Pigments， Protective Enzyme Activities and Active Oxygen Metabolism of Sweet Sorghum Seedlings

CHEN Minju， MENG Yan， MENG Xianzheng

（Shangqiu Academy of agriculture and Forestry Sciences， Shangqiu，Henan 476000， ?China）

Abstract： In order to explore the response mechanism and tolerance range of sweet sorghum seedlings to drought stress， the effects of drought stress on photosynthetic pigment content， protective enzyme activity and active oxygen metabolism of sweet sorghum leaves were studied by setting five levels of soil relative water content： 65%-70%（CK）， 55%-60%（T1）， 40%-45%（T2）， 30%-35（T3） and 20%-25%（T4）.The results showed that with the increase of drought stress intensity， chlorophyll a， chlorophyll b， chlorophyll a + b and carotenoid in sweet sorghum seedlings showed a decreasing trend， but the T1 treatment ?compared with control was not significant， and the value was the lowest under T4 treatment， which were decreased by 54.31%， 44.44%， 52.65% and 51.47% than that of control， respectively（P<0.01）.With the increase of drought stress intensity， the activities of SOD， cat， pod and APX in leaves of sweet sorghum seedlings increased first and then decreased. Among them， the activities of SOD， POD and APX were the largest under T1 treatment，and increased by 7.45%， 13.94% and 24.63% respectively compared with the control.The activity of CAT were the largest under T2 treatment， and increased by 3.48% compared with the control.The superoxide anion in leaves of sweet sorghum seedlings increased with the increasing of drought stress intensity， but there was no significant difference between mild stress（T1） and the control.With the increasing of drought stress intensity， the hydrogen peroxide content in the leaves of sweet sorghum seedlings increased， and there was significant difference between the four treatments and the control（P<0.05）. It can be seen that when the soil relative water content is not less than 55%-60%， the protective enzyme activity of sweet sorghum seedlings is higher than that of the control， and the contents of photosynthetic pigment and superoxide anion are not significantly different from the control （P>0.05）.

Key words： sweet sorghum; drought stress; photosynthetic pigment; protective enzyme; active oxygen

水是植物生長必不可少的重要影響因子之一，當土壤中的含水量不能達到植株生長所需水分時，就會對植株造成干旱脅迫。在干旱脅迫條件下，植物通過細胞感知和傳到干旱信號，從而引起植株從形態到生理等多方面的變化，如地上部干鮮質量減小，葉面積顯著降低[1]，膜脂過氧化程度加重[2]，細胞膜受到損傷，植物葉片光合能力減弱，PSⅡ反應中心的活性降低等[3]。當前，有關干旱脅迫在油菜、棉花、玉米、燕麥、大豆等[4-8]作物上的研究已有眾多報道。有關高粱的研究，主要集中于高粱田的農藥殘留、高粱田的除草劑篩選、種植技術、釀酒品種選育等[9-12]方面，而有關甜高粱在幼苗期遭受干旱逆境脅迫時在光合色素、保護酶及活性氧代謝等方面的研究尚未見報道。為此，本試驗通過設置5個水平的干旱脅迫處理，研究不同水平的干旱脅迫強度對甜高粱幼苗光合色素、保護酶活性及活性氧代謝的影響，以探究甜高粱幼苗所能忍受的干旱脅迫程度，闡明不同干旱脅迫強度下甜高粱幼苗的生理變化情況，為甜高粱的耐旱栽培及耐旱品種選育提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試高粱品種為‘紅糯米9號。

1.2 試驗設計

試驗于2019年5月3日在商丘市農林科學院雙八試驗基地進行盆栽種植試驗。試驗共設置5個土壤相對含水量水平，以土壤相對含水量為65%～70%作對照（CK），土壤相對含水量為55%～60%、40%～45%、30%～35%、20%～25%作4個處理，分別記為T1、T2、T3、T4。將高粱種子播種于試驗盆中，盆高15cm、直徑15cm，盆內填充草炭、蛭石、珍珠巖配比為3∶1∶1的基質，共播種80盆。待高粱幼苗3～4片葉時，選取長勢一致的高粱幼苗60盆進行干旱脅迫試驗，每處理進行3次重復，每4盆作物1個重復。每天早晨7：00用ML2x型土壤水分儀測量各盆土壤相對含水量，并根據含水量高低進行補水處理，干旱脅迫12 d后對相關生理指標進行測定。

1.3 測定項目及方法

選取植株頂部第三張功能葉片。采用丙酮比色法[13]測定甜高粱倒3葉片葉綠素含量。SOD活性采用NBT還原法測定，CAT活性采用高錳酸鉀滴定法測定，POD活性采用愈創木酚法測定[14];APX的活性檢測參照Nakano和Asada的方法[15]。參照李忠光和龔明[16]的方法測定超氧陰離子（O2 - ·）;參照Prochazkova D等[17]的方法測定過氧化氧（H2O2）含量。

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2007進行數據處理和作圖，利用DPS7.02軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對甜高粱幼苗葉片光合色素含量的影響

由表1可知，隨著干旱脅迫強度的增強，甜高粱幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b、葉綠素a+b和類胡蘿卜素均表現出降低趨勢，這說明脅迫強度的增加使光合素色的合成受阻，葉綠素含量降低。在T4處理下值最低，較對照分別降低54.31%，44.44%，52.65%，51.47%，與對照差異極顯著（P<0.01）;而在T1處理下，上述指標與對照差異均不顯著（P>0.05）。在T2處理下，葉綠素a、葉綠素a+b和類胡蘿卜素與對照差異均達到顯著差異水平，而葉綠素b與對照差異不顯著，這說明葉綠素b對干旱逆境的抵御能力相對較強。

2.2 干旱脅迫對甜高粱幼苗葉片保護酶活性的影響

由表2可知，不同強度的干旱脅迫對甜高粱幼苗葉片保護酶活性的影響存在差異。隨著干旱脅迫強度的增加，SOD活性呈現出先升高再降低的單峰變化規律，且在T1處理下值最大，這說明輕度的干旱脅迫能夠刺激高粱幼苗葉片保護酶活性的增加，機體啟動防御機制清除體內多余的活性氧。T1、T2處理下，CAT活性雖高于對照，但與對照差異不顯著;T3處理低于對照，但與對照差異亦不顯著，T4處理低于對照，且與對照差異顯著。POD、APX活性的變化規律與SOD一致，隨干旱脅迫強度的增加呈現先升高再降低的變化趨勢，但在T1處理下的POD、APX活性與對照差異顯著（P<0.05），較對照分別增加13.94%，24.63%。

2.3 干旱脅迫對甜高粱幼苗超氧陰離子和過氧化氫含量的影響

由圖1可以看出，不同強度的干旱脅迫對甜高粱幼苗葉片超氧陰離子和過氧化氫含量的影響存在差異。隨著干旱脅迫強度的增加，超氧陰離子含量呈逐漸升高的趨勢，其中T1處理雖高于對照，但與對照差異不顯著（P>0.05），這說明輕度干旱脅迫下，植物機體可通過提高保護酶活性清除多余的超氧陰離子。T4處理下，甜高粱幼苗葉片超氧陰離子含量最大，較對照增加87.59%，與對照差異顯著。T1、T2、T3、T4處理下，過氧化氫含量均高于對照，且與對照差異均顯著（P<0.05），較對照分別增加12.20%，74.31%，124.21%，154.37%。

3 結論與討論

葉綠素是植物進行光合作用的重要物質，其含量高低與植物光合能力的強弱、抗逆性的高低直接相關[18]，最終對作物的產量和品質產生影響[19]。孟玥[20]等研究指出，在重度脅迫下，短果茴芹葉綠素含量對輕中度干旱脅迫不敏感，對重度干旱脅迫較為敏感。董斌[21]等研究得出，油茶‘桂無4號葉片葉綠素a、葉綠素b含量在干旱脅迫下降低顯著，而‘岑軟2號葉片葉綠素a、葉綠素b在干旱脅迫下相對穩定。本試驗條件下，甜高粱葉片光合色素各指標在干旱脅迫下均表現出降低趨勢，可見不同物種對干旱脅迫的響應結果并不完全相同，這可能與自身的生理特性及試驗設計的干旱脅迫強度等因素有關。甜高粱葉片光合色素在干旱脅迫下降低的原因，可能是逆境脅迫下光合色素分解大于合成，致使葉綠素含量降低。

正常生理條件下，植物體內活性氧的產生和清除存在一個動態平衡，活性氧含量保持在一個相對較低的水平[22]。但當植物遭受干旱、高溫等逆境脅迫時，這種動態平衡則會被破壞，活性氧在細胞內大量產量，細胞膜系統受到損傷，進而影響機體正常的生理代謝活動[23]。植物細胞中的活性氧主要通過SOD、POD、CAT、APX等保護酶進行清除，其中SOD是清除植物機體內活性氧的第一道放線，是清除細胞內超氧自由基的主要酶類;CAT對清除機體內的H2O2有重要作用;POD和APX可有效清除超氧陰離子和羥基自由基等。權伍榮等[24]研究得出，在重度脅迫下（土壤相對含水量的30%），文冠果苗木的SOD、POD活性均低于對照。井大煒等[25]研究認為，隨著干旱脅迫強度（田間持水量的75%-35%）的增加，楊樹幼苗葉片SOD、POD、CAT活性均呈現先升高再降低的變化規律。本試驗結果表明，隨著干旱脅迫強度的增強，甜高粱幼苗葉片SOD、CAT、POD和APX活性均呈現先升高再降低的單峰變化規律，試驗結果與前人研究結論一致，這應該是因為在輕度的干旱脅迫環境下，植物感受到逆境脅迫信號后刺激機體內的保護酶清除系統活性的提高，通過提高保護酶活性來清除多余的活性氧，而當外界干旱脅迫程度較大時，超出保護酶清除活性氧的閾值范圍，便會產生較多的自由基，使植物細胞膜系統受損，進而使保護酶受到破壞而活性降低[26]。

植物在遭受逆境脅迫時，機體會產生大量的超氧陰離子O2 -? 和過氧化氫H2O2等活性氧，這些活性氧如果不能被及時清除，就會使植物細胞膜發生膜脂過氧化作用，進而破壞膜結構，影響植物的正常生長代謝活動[27]。阮凌暄等[28]研究得出，干旱脅迫能夠增加鐵皮石斛葉片超氧陰離子和過氧化氫含量，且超氧陰離子和過氧化氫含量隨干旱脅迫強度的增加和脅迫時間的延長而增大。方正武等[29]研究認為，隨著干旱程度的增加，甜蕎幼苗葉片超氧陰離子產生速率和過氧化氫含量總體呈上升趨勢。本試驗結果表明，干旱脅迫能夠刺激甜高粱幼苗葉片超氧陰離子和過氧化氫含量的增加，且其二者含量與脅迫強度正相關，試驗結果與前人研究一致。在重度干旱脅迫下，甜高粱幼苗葉片超氧陰離子和過氧化氫含量顯著高于對照，這是因為植物處于深度脅迫時，機體內的活性氧（ROS）清除機制功能異常，多種來源的ROS過度積累，致使活性氧防御系統崩潰，進一步引起ROS的爆發[30]。同時，葉片內的超氧陰離子通過歧化反應生產過氧化氫，使細胞內過氧化氫含量大幅上升，膜脂過氧化程度加劇，植物受到損傷[31]。

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收稿日期：2021-07-15

基金項目：河南省四優四化項目（20190411）

作者簡介：陳敏菊（1981—），女，河南商丘人，助理研究員，主要從事高粱育種與生理栽培方面研究。

通訊作者簡介：孟彥（1978—），男，河南商丘人，副研究員，主要從事高粱育種與生理栽培方面研究。