干旱脅迫下腐植酸對燕麥光合特性和內源激素的影響

朱珊珊，米俊珍，趙寶平，武俊英，王 瑩，劉景輝

(內蒙古農業大學 農學院，內蒙古 呼和浩特 010019)

燕麥是我國北方重要的糧飼兼用作物，具有豐富的營養價值和食用價值，消費市場需求量較大，且呈現逐年增加趨勢[1-3]。我國燕麥主要分布在干旱半干旱地區，這些地區自然條件惡劣，在燕麥生育期間干旱少雨，導致燕麥產量低下，生產力遠不能滿足消費需求[4]。干旱脅迫會導致植物正常生理代謝過程受到抑制，引起植物葉片氣孔導度和蒸騰速率降低，導致植物減少蒸騰，以改善自身水分狀態[5]。內源激素作為調控作物生長發育的物質在干旱條件下起著非常重要的作用[6]。植物受到干旱脅迫時，體內的生長素(IAA)、赤霉素(GA)和 細胞分裂素(CTK)含量會降低，而脫落酸(ABA)含量會升高，從而調控生理生化過程，以適應干旱[7]。

腐植酸(HA)是一類從泥碳、褐煤和風化煤中提取的能促進植物生長、增強作物抗逆性的有機物質，在農業生產中具有較大的開發和應用前景[8]。有研究指出，干旱脅迫下HA能改善作物葉片光合性能、控制其激素水平、增強其抗旱能力，從而提高作物產量[9-10]。在干旱條件下，HA能夠抑制作物葉片氣孔開度、增加氣體交換速率、降低蒸騰速率,從而改善作物光合能力，增強抗旱性[11-12]。重度干旱脅迫下，噴施HA可調控燕麥葉片內源激素含量，緩解干旱脅迫傷害[13]。Yang等[14]研究顯示，在水分虧缺條件下，施用黃腐酸可增加玉米葉片脫落酸含量，降低葉片蒸騰速率，從而提高瞬時水分利用效率，增強植株抗旱性。盡管腐植酸在燕麥抗旱性方面已經有一些研究，但是關于腐植酸對干旱脅迫下燕麥內源激素水平及其與光合特性關系的研究還比較少見。因此，本試驗研究了干旱脅迫下腐植酸對燕麥生長指標、葉片光合參數和內源激素含量的影響，并探究了光合參數與內源激素含量間的關系，以期進一步明確腐植酸提高燕麥抗旱性的作用機制，為腐植酸的應用及燕麥的抗旱種植提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為‘燕科2號’，由內蒙古農牧業科學院提供。腐植酸，購于內蒙古永業農豐生物技術有限責任公司。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2019年4月至8月在內蒙古農業大學燕麥產業研究中心溫室進行。試驗選用54個直徑為25 cm、高18 cm的塑料盆，內裝混合土5 kg(河沙和泥炭土體積比1∶1)，混合土中N+P+K>10 g/kg，有機質含量>50 g/kg，pH值為5.5～8.5，含水量為9%，播種前施入磷酸二銨(N 18%，P2O546%)2 g/盆。塑料盆采用隨機區組排列，設置3個水分條件：正常供水(田間持水量的75%，M1)、中度干旱脅迫(田間持水量的45%，M2)、重度干旱脅迫(田間持水量的30%，M3)；2個噴施處理：噴施腐植酸500倍稀釋液(HA)和等量清水(CK)。每個處理種植3盆，每盆30株，重復3次，三葉期定植為20株。2019年4月14日播種，8月21日收獲。從拔節期(5月18日)開始至成熟期，采用稱重差值法進行控水處理，在拔節期、抽穗期、灌漿期的上午09:00-11:00噴施腐植酸500倍稀釋液和清水，植株葉片均勻噴施至葉面濕透但不滴水為止，各時期噴施7 d后取燕麥旗葉，投入液氮速凍后，放入-80 ℃冰箱冷藏，用于內源激素含量的測定。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 生長指標測定 在拔節期、抽穗期、灌漿期，固定10株燕麥，用卷尺測量株高及每片葉的葉長、葉寬。采用長寬系數法[15]計算每片葉的面積(葉面積=葉長×葉寬×0.73)，然后計算單株葉面積。

1.3.2 光合參數的測定 在拔節期、抽穗期、灌漿期，用便攜式光合儀(CIRAS-3)在晴朗無風的上午09:00-11:30，測定旗葉氣體交換參數，包括凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導度(Gs)。每個處理測定3株，結果取平均值。

1.3.3 內源激素含量的測定 燕麥旗葉ABA、玉米素核苷(ZR)、IAA、GA含量由中國農業大學作物化學控制研究中心采用酶聯免疫吸附法(ELISA)測定。每個處理3次重復，結果取平均值。

1.4 數據統計分析

試驗數據采用Microsoft Excel 2010進行處理，用SPSS 22.0軟件進行顯著性和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 腐植酸對干旱脅迫下燕麥生長的影響

由圖1可見，隨著生育期的推移，燕麥的株高和單株葉面積呈上升趨勢，而干旱脅迫導致燕麥株高、單株葉面積均顯著降低。與CK相比，M1水分條件下，噴施腐植酸后燕麥的株高和單株葉面積均有所增加，但差異未達到顯著水平；M2水分條件下，噴施腐植酸后燕麥株高在抽穗期和灌漿期差異達到顯著水平，分別增加了8.40%和7.15%，單株葉面積在拔節期、抽穗期和灌漿期均顯著提高，增幅分別為12.78%，6.96%和6.67%；M3水分條件下，噴施腐植酸后燕麥拔節期、抽穗期、灌漿期的株高分別顯著增加了9.39%，9.49%和10.27%；單株葉面積分別顯著增加了13.05%，8.79%和8.28%。以上結果表明，干旱會抑制燕麥的生長發育，噴施腐植酸可有效緩解干旱脅迫對燕麥生長發育的影響，尤其在M3水分條件下效果更佳。

圖柱上標不同小寫字母表示同一生育時期的不同處理間差異顯著(P<0.05)

2.2 腐植酸對干旱脅迫下燕麥旗葉光合特性的影響

由表1可以看出，燕麥旗葉Pn、Ci、Gs和Tr均隨著生育期的推進呈先升高后降低的趨勢。干旱脅迫導致燕麥旗葉Pn、Gs、Tr顯著降低，Ci顯著升高。M1水分條件下，噴施腐植酸后燕麥旗葉光合參數與CK處理相比無顯著差異；M2水分條件下，噴施腐植酸后3個生育時期燕麥旗葉Pn、Gs和Tr平均較CK分別增加了14.15%，17.65%和13.73%，而Ci平均較CK降低8.19%，其中Pn在拔節期、灌漿期差異達到顯著水平，Gs在3個生育時期差異均達到顯著水平，Tr在灌漿期差異達到顯著水平，Ci在拔節期、抽穗期差異達顯著水平；M3水分條件下，腐植酸處理Pn、Gs和Tr平均較CK分別增加了19.15%，20.75%和19.69%，而Ci平均較CK降低了10.89%，其中Pn、Gs和Ci在3個生育時期差異均達顯著水平，Tr在灌漿期差異達顯著水平。以上結果表明，干旱脅迫給燕麥葉片光合作用帶來了不利的影響，噴施腐植酸可有效緩解干旱脅迫對燕麥光合和蒸騰作用的抑制效應，尤其在M3水分條件下效果更明顯。

表1 干旱脅迫下腐植酸對燕麥葉片光合參數的影響

2.3 腐植酸對干旱脅迫下燕麥葉片內源激素含量的影響

由表2可見，從拔節期到灌漿期，燕麥旗葉IAA、ZR、GA含量均先升高后降低，而ABA含量則呈上升趨勢。干旱脅迫導致燕麥旗葉IAA、ZR、GA含量顯著降低，ABA含量顯著升高。M1水分條件下，噴施腐植酸后燕麥葉片中僅ZR含量在拔節期較CK顯著降低，其他激素含量無顯著變化。M2水分條件下，噴施腐植酸后3個生育時期燕麥旗葉ABA含量平均較CK降低了6.59%，而GA、ZR和IAA含量平均較CK分別增加了7.27%，11.68%和10.03%，GA含量在不同生育時期達到顯著水平，ABA含量在抽穗期達到顯著水平，IAA含量在拔節、灌漿期達到顯著水平，ZR含量在抽穗、灌漿期達到顯著水平。M3水分條件下，腐植酸處理ABA含量平均較CK顯著降低了10.72%，而GA、ZR和IAA含量分別顯著增加了11.10%，17.26%和14.99%。結果表明，噴施腐植酸可改變干旱脅迫對燕麥葉片中內源激素含量的影響，有利于燕麥植株維持較高的代謝活力，尤其在M3水分條件下效果更佳。

表2 干旱脅迫下腐植酸對燕麥葉片內源激素含量的影響

表2(續) Continued table 2 ng/g

2.4 內源激素與光合作用及生長指標的相關性

由表3可以看出，Pn、Tr與ZR、IAA和GA含量均極顯著正相關，與ABA含量極顯著負相關。Ci與IAA含量極顯著負相關。Gs與ZR和GA含量極顯著正相關，與IAA含量顯著正相關，與ABA含量極顯著負相關。株高與Pn和IAA含量極顯著正相關，與ABA含量、Ci極顯著負相關。單株葉面積與Pn、Tr、Gs和IAA含量極顯著正相關，與ABA含量、Ci極顯著負相關。

表3 燕麥葉片內源激素含量與光合特性及生長指標的相關性

3 討 論

本研究結果表明，干旱脅迫下燕麥葉片的Pn、Gs、Tr降低，而Ci升高。這可能是由于在干旱條件下，燕麥葉片通過部分或全部關閉氣孔降低蒸騰速率，減少水分散失，導致凈光合速率下降[16]。此外，Pn的降低伴隨著Gs顯著降低和Ci增加，表明干旱處理誘導Pn下降的主要原因是干旱條件下燕麥葉片葉綠體結構被破壞，導致葉片光合器官受損，光合活性降低[17]。王琦等[18]研究表明，在低灌水量下噴施腐植酸能顯著提高燕麥的Pn、Gs、Tr。本研究中，噴施腐植酸使干旱脅迫下燕麥葉片的Pn、Gs、Tr顯著增加，說明腐植酸可能對光合系統有保護作用。周海濤等[19]研究發現，干旱條件下黃腐酸能提高皮燕麥Ci，而本研究結果表明干旱脅迫下噴施腐植酸使燕麥葉片Ci顯著降低，這可能是試驗所用燕麥品種及光合參數測定時間與方法不同引起的。

本研究中，干旱脅迫下燕麥葉片的IAA、GA和ZR含量均顯著降低，而ABA含量顯著上升，這表明干旱脅迫會打破燕麥葉片內源激素平衡，降低細胞代謝強度，減少葉片含水量，促進脫落與休眠，從而抑制植物生長[20-21]。張志芬等[13]研究表明，干旱脅迫下噴施腐植酸處理燕麥葉片ABA含量較CK顯著降低，但在正常供水條件下差異不顯著，本研究結果與此相似，說明腐植酸可通過降低ABA含量來抵御干旱脅迫，延緩植株衰老。Yang等[14]研究表明，在干旱條件下施用黃腐酸能增加葉片ABA含量，提高玉米植株抗逆性，這與本研究結果不同，其原因可能是2種作物受到干旱脅迫時ABA應答基因的調控因子和信號傳遞途徑存在差異，也可能是不同種類作物ABA蛋白在植物細胞的失水耐受過程中所起的作用不同[22]。本試驗結果顯示，干旱脅迫下噴施腐植酸可以顯著提高燕麥葉片IAA、GA和ZR含量，這可能是由于腐植酸中含有吲哚乙酸類小分子生物活性激素分子，這些物質能促進內源IAA、GA和ZR的合成，導致其含量增加[23-24]。

本研究結果表明，干旱脅迫下噴施腐植酸能夠顯著提高燕麥株高和葉面積，這與申潔[25]在谷子上的研究結果相似。楊建昌等[26]研究認為，Gs與葉片中ABA含量呈極顯著負相關，與本研究結果一致，說明在干旱條件下ABA調節了氣孔開閉狀態。本研究發現，燕麥葉片ABA含量，與Pn、Gs和Tr極顯著負相關，這可能是ABA增加導致氣孔關閉，Gs和Tr降低,最終使Pn下降。噴施腐植酸減輕了燕麥葉片的損害程度，降低了ABA含量，調控了氣孔開閉狀態，使蒸騰速率增加，葉片凈光合速率提高[27]。前人研究表明，細胞分裂素能促進Rubisco小亞基編碼基因表達[28]。本研究結果顯示，干旱脅迫下噴施腐植酸能增加ZR含量，且ZR含量與Pn顯著正相關，推測干旱脅迫下腐植酸增加了ZR含量，進而提高了Rubisco酶活性，促進了Pn。Cornic等[29]研究認為，IAA可減弱ABA引起的氣孔關閉，增加氣孔開度，其含量下降有利于氣孔關閉。此外，Wang等[30]研究發現，葉片氣孔的關閉和蒸騰的減弱是ABA含量增加和ZR含量下降共同作用的結果。本研究中，ZR、IAA、GA含量與Gs存在正相關關系，ABA含量與Gs極顯著負相關，高濃度的ZR和IAA可以維持氣孔的開張，GA能夠促進作物胚軸表皮細胞分裂，促進氣孔的形成，調節氣孔密度[20,31]。據此，干旱條件下噴施腐植酸對燕麥葉片Gs的影響應該是4種激素共同作用的結果。本研究發現，IAA含量與Pn、Gs、Tr顯著正相關，與Ci顯著負相關，推測這可能與腐植酸中的吲哚乙酸類小分子生物活性激素分子促進IAA的產生，調控氣孔開閉有關[32]。干旱脅迫下GA含量與IAA含量呈顯著正相關的關系[6]，因此可認為IAA和GA有關，與光合途徑相關，但關于GA和光合途徑之間的關系還有待進一步研究。

4 結 論

干旱脅迫通過改變葉片的光合作用與內源激素含量影響作物的生長發育。葉面噴施腐植酸可調節植物內源激素的代謝水平，調控燕麥葉片氣孔開閉狀態，并影響其他光合生理過程，維持燕麥正常的生理代謝活動，促進其生長發育，增強其抗旱能力，當土壤水分為田間持水量的30%時噴施腐植酸的效果最優。