水分胁迫对马铃薯出苗期根系生理特性及内源激素IAA、ABA含量的影响

王晓娇，蒙美莲，曹春梅，许 飞，陈有军

(1.内蒙古农业大学农学院，内蒙古 呼和浩特 010019； 2.内蒙古农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031)

马铃薯具有产量高、适应性强、营养丰富、粮菜兼用及综合加工用途广泛等特性；彩色马铃薯富含花青素，具有抗氧化、抗病毒、护肝、抗癌等多种保健功能，因而备受关注.马铃薯已成为世界上仅次于水稻、小麦、玉米的第四大粮食作物[1-2].2013年我国已提出马铃薯主粮化战略，预计到2020年，我国50%以上的马铃薯将作为主粮消费.目前我国马铃薯种植面积稳定在530多万hm2，但主产区大部分分布于水资源有限、降水少且季节性变率较大的干旱、半干旱地区，而马铃薯对水分比较敏感，水分亏缺直接影响马铃薯的正常生长发育和后期产量的形成，造成单产水平降低，这已成为马铃薯产业发展的限制因素.

植物内源激素在应对非生物胁迫、增强植株忍耐性方面具有重要作用.生长素(IAA)参与调控植株的胚胎发育、形成，根系形成，叶发育、花发育，结实等过程，以及调控植株对外部环境的反应.脱落酸(ABA)在植物生长、果实发育、种子休眠和萌芽过程中发挥着重要作用[3-5]，还参与植物干旱胁迫的调节[6].在外部环境胁迫下，植物体内的激素水平会发生显著变化，多种内源激素参与多个生理过程的调节，内源激素与生理过程之间的关系既密切又复杂[7].因此，内源激素如何调控植物的抗逆性备受关注.

前人的研究多集中在干旱胁迫条件下，对马铃薯苗期、块茎形成期、块茎膨大期及淀粉形成期各生理特性的影响等方面.而水分胁迫对马铃薯出苗期的影响非常重要，在马铃薯主产区多有十年九春旱的现象，严重影响马铃薯的出苗和生长，造成产量下降或绝产.研究水分胁迫对马铃薯出苗期根系生理特性和内源激素的影响及其调控机制至关重要，为此本文通过盆栽试验，自播种开始实施了不同程度的水分胁迫，探索了持续水分胁迫对马铃薯出苗期根系渗透调节物质、保护酶系统和内源激素的影响，以阐明生理特性与内源激素含量变化间的关系，深入认识植株抗逆机理，为马铃薯抗性鉴定和水分科学管理提供理论依据.

1 材料和方法

1.1 试验设计

试验在内蒙古农牧业科学院温室大棚中进行.采用盆栽种植，于2015年5月22日播种，供试品种为马铃薯克新1号.栽种盆选用上口径26 cm、下口径18 cm、高17 cm的塑胶盆，每盆装土6 kg.土壤有机质含量为11.15 g/kg，全氮含量为1.52 g/kg，田间最大持水量为24.18%.试验设4个水分处理梯度：中度水分亏缺(T1)、重度水分亏缺(T2)、正常供水(CK)和水涝胁迫(T3)，其土壤含水量分别为土壤田间最大持水量的25%，50%，85%和105%.每盆播种5粒种子，播深8～10 cm.每个处理设50个重复，不同处理间随机排布.为调节土壤通气状况和模拟田间上层较干、下层较湿的实际土壤水分状况，播种后在每个盆中插入一个直径约1.5 cm的PVC管，每次补水均通过此管把水直接灌入盆的底部.每天17：00采用称重法补充失去的水分，控制不同处理间土壤水分使各处理保持设定的土壤含水量.

1.2 测定指标及方法

各处理于播种后第20，25，30，35和40天分别进行植株根系取样.每处理取样均4次重复，每重复取样10株.

1.2.1 根系活力的测定

将部分根系迅速冲洗干净，采用TTC(氯化三苯基四唑)还原法[8]测定根系活力.

1.2.2 生理指标的测定

将根系样品迅速冲洗干净，用液氮速冻后放置于超低温冰箱中，用于生理指标的测定.

丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法[9]进行测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝染色法[9]进行测定；脯氨酸(Pro)含量采用磺基水杨酸法[9]进行测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化还原法[10]进行测定；过氧化物酶(POD)活性采用愈创木酚比色法[11]进行测定；过氧化氢酶(CAT)活性采用H202紫外吸收法[10]进行测定.

1.2.3 内源激素IAA和ABA测定

CK：正常供水；T1：中度水分亏缺；T2：重度水分亏缺；T3：水涝胁迫.下同.图1 不同水分条件下马铃薯出苗期的根系活力

将部分根系样品迅速冲洗干净，用液氮速冻后研磨放置冷冻干燥机中，冻成干粉后采用Agilent 7890c(气象)、Agilent7000B(三重四级杆质谱)对IAA、ABA进行含量测定.

1.3 数据处理

利用Excel进行数据整理并作图，利用DPS v7.05软件进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 不同水分胁迫下马铃薯出苗期根系活力的变化

由图1可见，根系活力随着水分亏缺程度的加剧而升高，随着水分亏缺时间的延长表现出下降的趋势，但根系活力一直显著高于正常供水处理(P<0.05).在播种后的第20天，重度水分亏缺、中度水分亏缺处理组根系活力分别显著高于正常供水组478.77%和291.20%；第35天，重度水分亏缺、中度水分亏缺处理组根系活力分别显著高于正常供水处理组的700.20%和348.72%，均达到最大值；在水涝胁迫处理下，根系活力呈平稳上升的趋势，但一直低于正常供水.上述结果表明，干旱胁迫使马铃薯出苗期的根系活力提高，在播种后35 d达到最大值，水涝胁迫使马铃薯根系活力降低，且一直低于正常供水.

2.2 不同水分胁迫下马铃薯出苗期根系中丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白含量的变化

丙二醛(MDA)是膜脂过氧化作用的产物，其含量大小能够反映细胞膜受伤害的程度.由图2可见，马铃薯出苗期根系中MDA含量随着水分亏缺程度的加剧而升高，随着亏缺时间的延长表现出先升高后降低再升高的趋势.其中，在播种后第35天，重度水分亏缺处理组根系MDA含量显著高于正常供水处理81.83%(P<0.05)，达到最大值；第40天，高于正常对照46.90%.播种后第40天，水涝胁迫处理组根系MDA含量显著高于正常供水处理组146.37%(P<0.05)，达到最大值；在第35天，高于正常供水145.20%.中度水分亏缺处理组在播种后第20—40天，根系MDA含量均与正常供水处理组无显著差异.上述结果表明，在马铃薯出苗期中度水分亏缺对根系MDA含量无显著影响，可能的原因是：自播种开始进行胁迫处理，马铃薯薯块根系已具有了一定抵御和适应水分亏缺的能力，重度水分亏缺和水涝胁迫后，随着胁迫时间的延长根系中MDA的含量显著提高，在根系中间断性地积累.

图2 不同水分条件下马铃薯出苗期根系丙二醛含量变化

由图3可见，马铃薯出苗期根系中脯氨酸含量随着水分亏缺程度的加剧而升高，随着亏缺时间的延长表现出先升高后降低的趋势，但脯氨酸含量一直高于正常供水处理.其中，在播种后第30天，重度水分亏缺、中度水分亏缺处理组根系脯氨酸含量分别显著高于正常供水处理组587.43%和639.26%(P<0.05)，均达到最大值；水涝胁迫处理下，在不同时间测得的脯氨酸含量变化趋势与正常供水处理一致，但含量一直低于正常供水，说明水涝处理下马铃薯出苗期根系不积累脯氨酸.上述结果表明，干旱胁迫使马铃薯出苗期的根系脯氨酸含量提高，根系容易积累脯氨酸，对水分亏缺响应敏感；水涝胁迫使马铃薯根系脯氨酸含量降低，但响应不敏感.

可溶性蛋白是植物体内一种有效的渗透调节物质.由图4可见，在重度水分亏缺处理下，根系可溶性蛋白含量随胁迫时间的延长，出现不断上升的趋势，在播种后第40天出现最大值，显著高于正常供水处理599.71%(P<0.05)；在水涝胁迫处理下，根系可溶性蛋白含量随胁迫时间的延长，出现先升高后降低的趋势，在播种后第30天，根系可溶性蛋白含量显著高于正常供水处理135.03%(P<0.05)；各处理其余各时期根系中可溶性蛋白含量及变化趋势和正常供水处理较一致.上述结果说明，马铃薯出苗期对于中度水分亏缺并不敏感，当水分亏缺加剧时，根系开始积累可溶性蛋白以应对水分亏缺，对重度水分亏缺表现出敏感；水涝胁迫条件下，马铃薯出苗期并不依赖提高可溶性蛋白的含量来应对胁迫.

2.3 水分胁迫下马铃薯出苗期根系中SOD、CAT和POD活性的变化

由图5可见，在重度水分亏缺下，根系SOD活性随胁迫时间的延长，出现不断上升的趋势，在播种后第40天出现最大值，显著高于正常供水141.35%(P<0.05)；水涝胁迫下，播种后第20天根系SOD活性低于正常供水；各处理其余各时期根系中SOD的活性及变化趋势和正常供水较一致.上述结果说明：马铃薯出苗期对于中度水分亏缺并不敏感，当胁迫加剧、时间延长到30 d后，根系中SOD活性开始升高以应对水分亏缺，对重度水分亏缺表现出敏感，而对水涝胁迫不敏感.

图4 不同水分条件下马铃薯出苗期根系可溶性蛋白含量变化

CAT能够将过氧化氢分解成为水和氧，以减轻过氧化氢对植物体的毒害[12].由图6可见，马铃薯出苗期根系CAT活性随着水分亏缺程度的加剧而升高，随着亏缺时间的延长表现出先升高后降低的趋势.其中，在播种后第30天，重度水分亏缺处理组根系CAT活性显著高于正常供水处理组150.98%(P<0.05)，达到最大值；在第40天，水涝胁迫处理组根系CAT活性显著高于正常对照64.60%(P<0.05)，达到最大值；中度水分亏缺处理在播种后各时期CAT活性均高于同时期正常供水处理.上述结果表明，在马铃薯出苗期中度水分亏缺对根系中CAT活性具有一定影响，但不是很显著；重度水分亏缺和水涝胁迫，随着胁迫时间的延长，根系中CAT活性明显提高，说明马铃薯出苗期根系中CAT活性对重度水分亏缺和水涝胁迫较敏感.

图6 不同水分条件下马铃薯出苗期根系CAT活性

由图7可见，马铃薯出苗期根系中POD活性随水分亏缺程度的加剧而升高，随亏缺时间的延长表现出先升高后降低的趋势.其中，在重度水分亏缺处理下，根系中POD活性不断提高，在播种后第35天，显著高于正常供水处理78.93%(P<0.05)，达到最大值；其余各时期POD活性也均显著高于同时期的正常供水处理.中度水分亏缺处理各时期POD活性也均高于同时期正常供水处理，但不显著；在水涝胁迫处理下，除第30天和第35天，根系POD活性高于正常供水处理，其余各时期POD活性均低于同时期正常供水处理，但差异不显著.上述结果表明，在马铃薯出苗期中度水分亏缺对根系中POD活性具有一定影响，但不显著；重度水分亏缺条件下，随着胁迫时间的延长，根系中POD活性显著提高；在水涝胁迫下，根系并没有依赖提高POD活性来应对胁迫.

2.4 不同水分胁迫下马铃薯出苗期根系内源激素IAA 、ABA含量及IAA/ABA比值的变化

高浓度的植物生长素对侧根和不定根的发生具有重要的促进作用.由表1可见，重度水分亏缺条件下，播种后20 d根系中IAA含量高于正常供水处理20.51%；随着胁迫时间的延长，IAA含量迅速降低，在25 d和30 d分别低于正常供水处理38.28%和33.81%.中度水分亏缺条件下，各时期根系中IAA含量均高于同时期的正常供水处理.水涝胁迫下，各时期根系中IAA含量均低于同时期的正常供水处理，在播种后第20天、第25天和第30天分别低42.19%，32.41%和41.64%(P<0.05).上述结果表明，在马铃薯出苗期根系中IAA含量对重度水分亏缺、水涝胁迫较敏感，受胁迫后含量迅速降低，进而影响根系发育.

表1 水分胁迫下马铃薯出苗期根系内源激素IAA和ABA的动态平衡

注：同列数据后不同字母代表处理间差异显著(P<0.05).

由表1可见，根系中ABA含量随着水分胁迫程度的加剧和时间的延长而不断升高.其中，重度水分亏缺条件下，各时期根系中ABA含量均显著高于同时期的正常供水处理，在播种后第20天、第25天和第30天分别高618.97%，483.54%和625.00%(P<0.05)；中度水分亏缺条件下，各时期根系中ABA含量也均显著高于同时期的正常供水处理，在播种后第20天、第25天和第30天分别高215.52%，40.85%和204.41%(P<0.05)；水涝胁迫条件下，在播种后第20天、第25天和第30天根系中ABA含量分别显著高于正常供水处理453.45%，328.05%和466.18%(P<0.05).上述结果表明，在马铃薯出苗期根系中ABA含量对水分胁迫非常敏感，中度水分亏缺、重度水分亏缺和水涝胁迫都会导致ABA含量迅速升高.

植物受到外界胁迫时，其体内的激素之间存在着对抗、协同等特性，IAA与ABA在多个生理过程中存在相互作用.在侧根发育过程中，植物通过生长素和脱落酸的平衡来控制侧根的发育，生长素诱导侧根的起始和延伸，而脱落酸则在一定程度上抑制侧根发育[13].从表1可以看出，干旱胁迫下根系中IAA/ABA比值发生了变化，随着水分胁迫程度的加剧和胁迫时间的延长，IAA/ABA比值表现出不断降低的趋势，影响根系的正常发育.

2.5 内源激素与生理特性参数的关系

由表2可见，IAA含量与可溶性蛋白表现为极显著负相关，与其他生理特性参数差异不显著.ABA含量与可溶性蛋白含量显著正相关，与CAT呈极显著正相关.IAA/ABA比值与可溶性蛋白含量呈显著负相关.由此可见，ABA在增强植株根系对水分胁迫的耐性过程中具有重要的调节作用.

表2 马铃薯出苗期水分胁迫根系激素含量与生理特性参数的相关性

注：*相关显著，**相关极显著.

3 讨论

根系活力是根系生理特性的重要指标，根系活力高说明根系吸收水分和养分的能力就强.刘素军、秦军红等[14-15]的研究表明，在马铃薯块茎形成期，随着水分胁迫时间的延长，根系活力降低.在本试验中发现，随着水分亏缺程度加剧和胁迫时间的延长，根系活力呈现先升高后降低的趋势.根系活力升高可能与樊民夫等[16]研究认为的“克新1号”品种具有较强抗旱性这一结果相关，在水分亏缺条件下，根系活力增强，提高根系吸收水分和养分的能力以抵抗胁迫.在水涝胁迫条件下，根系活力降低，说明马铃薯出苗期水涝可对其造成严重伤害，影响正常出苗.

丙二醛(MDA)是植物在逆境条件下遭受伤害脂膜过氧化的最重要产物之一.李倩等[17]的研究表明，水分胁迫下马铃薯各时期叶片中MDA含量随水分胁迫程度的加剧而增加.本试验的研究发现，马铃薯在出苗期根系中MDA含量随着水分胁迫程度的加剧和时间的延长而不断升高，中度水分亏缺对根系中MDA含量无显著影响，这可能是由于自播种开始进行水分胁迫，根系通过增加脯氨酸含量来降低中度水分亏缺造成的脂膜过氧化伤害，增强自身对水分亏缺的适应性；重度水分亏缺和水涝胁迫条件下，随着胁迫时间的延长，根系中MDA的含量显著提高，说明细胞膜受到了严重伤害，MDA在根系中不断积累.

脯氨酸、可溶性蛋白是植物体内重要的渗透调节物质[18-19].在本试验中，根系脯氨酸、可溶性蛋白含量随水分亏缺程度和胁迫时间表现出的变化趋势，说明马铃薯出苗期根系脯氨酸、可溶性蛋白对水分亏缺较敏感.短时间胁迫，根系通过提高游离脯氨酸、可溶性蛋白含量来维持细胞膨压，维持原有的生理活动；当胁迫时间达到一定长度，植株也已达到生理调节极限，脯氨酸、可溶性蛋白含量开始降低，胁迫最长时间为30 d.

作物为保护自身免受氧化伤害体内形成了一套相应的抗氧化保护酶系统(如SOD、CAT和POD等)，以保护植物体内细胞膜免受活性氧的伤害[20].李倩等[17]的研究表明，在水分胁迫下，马铃薯各时期叶片中SOD、CAT、POD活性随水分胁迫时间的延长出现先升高后降低的趋势.本文的研究发现，马铃薯出苗期对中度水分亏缺并不敏感，也说明“克新1号”具有一定抗旱性.随着水分亏缺程度的加剧和胁迫时间的延长，根系中SOD活性不断升高，CAT、POD活性先升高后降低，POD与CAT活性变化趋势一致，这与李倩等的研究结果一致，但POD活性迅速升高的时间比CAT早，POD和CAT共同作用增强根系清除过氧化物的能力，防止有毒物质的积累.根系通过SOD、CAT、POD活性的升高来降低氧化伤害，应对水分亏缺.对于水涝胁迫，马铃薯出苗期并不依赖于提高SOD、CAT、POD活性来应对胁迫，再次说明马铃薯不具抗涝性.

水分胁迫可诱导植物内源激素含量发生变化，并调控植株的抗逆性.Himanen等[13]研究认为，植物通过生长素和脱落酸的平衡来控制侧根的发育，生长素诱导侧根的起始和延伸，而脱落酸则在一定程度上抑制侧根发育.本研究发现，马铃薯出苗期根系中IAA、ABA含量对水分胁迫较敏感，胁迫后IAA含量降低、ABA含量升高.从IAA与ABA的变化关系来看，在马铃薯出苗期，水分胁迫将抑制根系发育，影响根系吸收水分和养分，使植株出苗晚或不出苗.但Yamagachi-Shinozaki等[21]研究发现，ABA将激活抗氧化防护酶SOD、CAT、APX和GR的基因表达和其活性以增强植株的抗逆性.本试验的结果表明，ABA含量与可溶性蛋白含量呈显著正相关，与CAT活性呈极显著正相关，这与前人的研究结果一致，说明马铃薯“克新1号”在出苗期受到水分胁迫后，根系内源激素ABA参与调控生理特性指标的变化以抵抗胁迫.

4 结论

水分胁迫下，马铃薯出苗期根系的生理特性及内源激素发生了复杂变化.在水分亏缺下，随亏缺程度的加剧、时间的延长，根系活力不断提高，丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白含量，SOD、CAT和POD活性均升高，说明马铃薯出苗期对水分亏缺具有一定的抗性，通过渗透调节物质的增加降低渗透势、维持膨压，通过提高保护酶的活性有效清除活性氧，防止其对细胞的毒害，维持正常的生理活动；但水分亏缺严重，IAA含量降低、ABA含量升高，将影响根系的正常生长，进而影响出苗.在水涝胁迫下，根系活力降低，丙二醛含量升高，除可溶性蛋白含量和CAT活性高于正常供水处理外，脯氨酸含量、SOD活性和POD活性都低于正常供水处理，IAA含量降低、ABA含量升高，说明马铃薯在出苗期不抗水涝，水涝对马铃薯出苗可造成严重伤害.所以在马铃薯出苗期要适当供水，土壤含水量应在50%～85%，这将为实际生产中的科学用水提供理论依据.

[参 考 文 献]

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