干旱胁迫条件下施用保水剂对棉花植株生理生化的影响

马彦茹，吴湘琳，葛春辉，王新勇

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐　830091)



干旱胁迫条件下施用保水剂对棉花植株生理生化的影响

马彦茹，吴湘琳，葛春辉，王新勇

(新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所,乌鲁木齐830091)

摘要：【目的】在干旱胁迫条件下研究保水剂处理对棉花植株生理生化指标变化的影响，为合理利用保水剂提供理论依据和实践参考。【方法】采用盆栽的方法，设置四个处理，分别为空白基质(CK)、CK+15 kg/hm2保水剂、CK+30 kg/hm2保水剂、CK+60 kg/hm2保水剂；在干旱胁迫的条件下，检测棉花叶片的丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、过氧化物酶活性(POD)、超氧化物歧化酶活性(SOD)等指标，并进行指标的相关性分析。【结果】丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、POD酶活性等指标随干旱胁迫的进行而明显增加(P<0.05)，可以较准确地反映棉花随着缺水程度所发生的生理生化变化，而SOD酶活性表现为无规则变化。【结论】从干旱胁迫生理生化指标综合评定30 kg/hm2保水剂处理能明显改善棉花植株的抗干旱能力。

关键词：干旱胁迫;保水剂;棉株;生理生化

0引 言

【研究意义】棉花是新疆主要的经济作物，2014年种植面积达242.13×104hm2，研究在干旱条件下保水剂在棉花上的施用效果，对于新疆棉花种植区抗干旱胁迫及水资源高效利用具有重要现实意义[1]。【前人研究进展】保水剂是一种具有较高吸水、保水能力的高分子聚合物[2]，能吸收自身质量百倍至千倍的水分，应用保水剂可以有效降低农作物因干旱胁迫而产生的损害[3-4]。【本研究切入点】近年来，有关保水剂在农林业生产中的应用研究较多，保水剂能提高造林成活率，促进农作物的生长及种子的发芽[5-6]，提高土壤水分及养分利用率，改善土壤的物理特性，减缓土壤水分蒸发[7]。但保水剂对植株的干旱胁迫下生理生化影响的研究较少。【拟解决的关键问题】研究不同保水剂处理对棉花植株生理生化指标的影响，明确施用保水剂影响植物生理生化而减低干旱胁迫的机理，为合理利用保水剂提供理论依据。

1材料与方法

1.1 　材 料

供试保水剂为九江禾口高分子科技有限公司生产的旱克星保水剂。

1.2 　方 法

试验于2013年8~9月在新疆农业科学院土壤肥料与农业节水研究所实验室进行。采用盆栽试验，设置四个处理，分别为处理1：空白土壤(CK)、处理2：CK+15 kg/hm2保水剂、处理3：CK+30 kg/hm2保水剂、处理4：CK+60 kg/hm2保水剂。

将不同剂量的保水剂与基质土均匀混合后备用(1∶30)，每盆装基质土5 kg，土壤保水剂与基质土均匀混合后备用，打穴，放入定量混合物，将棉花种子催芽，选择生长势相似的棉种(出芽)栽入，浇水浇透。棉苗生长第25 d浇水1次，生长到42 d时，开始取相同部位棉花叶片(分三次取样，分别在9月4日、9月7日、9月10日)，鲜样检测丙二醛、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白、POD酶活性、SOD酶活性[8]。

1.3　数据分析

试验数据采用Excel和SPSS统计软件进行均值、显著性及相关性分析。

2结果与分析

2.1　不同处理对棉叶丙二醛和脯氨酸含量的影响

随着时间的延续，不同处理的叶片丙二醛含量均增加，这说明棉苗已经受到了干旱胁迫，使丙二醛含量有所积累。其中各处理叶片中丙二醛含量分别为0.424~0.518 μmol/g、 0.277~0.459 μmol/g、0.341~0.415 μmol/g、0.300~0.433 μmol/g，使用保水剂的处理丙二醛含量均低于对照(P<0.05)。图1

图1 丙二醛含量变化Fig 1.Change of MDA

随着时间的延续，不同处理的叶片脯氨酸含量均增加(见图2)，各处理脯氨酸含量分别为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，这说明棉苗已经受到了干旱胁迫。在9月6日测定的结果表明，对照的脯氨酸含量显著高于保水剂处理(P<0.05),达到峰值为1 004.56 μg/g，其中处理3的脯氨酸含量最低，仅为891.64 μg/g，说明该处理所受胁迫较小，而处理3与处理4之间没有显著差别(P>0.05)；9月9日测定结果表明处理间没有显著差别(P>0.05)，这说明各处理棉苗干旱胁迫已十分严重。图2

图2脯氨酸含量变化Fig 2.Change of proline

2.2　不同处理对棉叶可溶性糖含量与可溶性蛋白含量的影响

随着干旱胁迫的延续，可溶性糖含量增加，其中各处理叶片中可溶性糖含量分别为0.786~1.115、0.886~1.098、0.869 ~1.268和0.865~1.093 mg/g,对照表现较为明显(P<0.05)；其他保水剂处理表现为第三次的样品中可溶性糖含量较第二次含量有所下降，尤其30 kg/hm2处理表现最为明显(P<0.05)。图3

图3 可溶性糖含量变化
Fig3.Change of Soluble sugar

可溶性蛋白含量表现为随干旱胁迫的延续而增加，其含量分别为0.46~1.27、0.83~1.24、0.84~1.86和0.38~1.59 mg/g，其中第三次样品中处理3的可溶性蛋白含量明显高于处理1、处理2(P<0.05)，但与处理4比较无显著性差异(P<0.05)。图4

图4 可溶性蛋白含量变化
Fig4.Change of Soluble protein

2.3　不同处理对棉叶POD酶活性与SOD酶活性的影响

干旱胁迫对各处理棉株的POD酶活性具有一定的影响，其酶活性分别为：633.3~1 264.4、731.1~1137.7、702.2~1 045.5和576.67~970.0 μ/(g.min)，其中对照的POD酶活表现为先上升后下降的趋势，第三次取样的POD酶活明显低于前者(P<0.05)，这说明棉株已超出自身抵御干旱胁迫的能力，生理活力有所降低；保水剂处理表现为随干旱胁迫的延续，酶活性明显增加(P<0.05),未出现明显下降趋势(P<0.05)。而对照的SOD酶活与POD酶活变化趋势类似，9月9日样品中处理3的SOD酶活明显高于其他处理(P<0.05)，酶活达到48.53 μ/(g.min)，而处理4的SOD酶活相对于其他保水剂处理明显降低(P<0.05)。图5

图5 POD酶活变化Fig5.Change of POD

图6SOD酶活变化Fig6.Change of SOD

2.4　主要生化指标的相关性

各生化指标的关联特征表明，干旱胁迫的棉叶的丙二醛含量和脯氨酸含量、POD酶活之间的相关系数最高，相关系数分别为0.733、0.718、0.797，显示具有极显著正相关性关系(P<0.01)；脯氨酸含量与可溶性蛋白含量、POD酶活之间具有显著正相关性关系(P<0.05)，相关系数分别为0.683、0.654；可溶性糖含量与POD酶活之间具有显著正相关性关系(P<0.05)，相关系数为0.627；SOD酶活与其他指标的相关性指数变化为-0.053-0.212，无显著相关性(P>0.05)。表1

表1相关性分析

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讨 论

3.1丙二醛(MDA)是膜系统伤害的重要标志之一[9]，主要是因为干早胁迫造成细胞内氧自由基产生与清除的不平衡，从而导致膜脂过氧化而形成丙二醛(MDA)，使植物受到伤害[10][11]。试验中，随着干旱胁迫时间的延长MDA含量呈上升趋势，表明干旱胁迫造成了叶片的膜损伤。而使用保水剂处理的丙二醛含量均明显低于对照(P<0.05)，这说明保水剂处理棉株所受到干旱胁迫程度低于对照。

3.2渗透调节是植物适应干旱胁迫的一种重要生理机制[12]，一般认为脯氨酸、可溶性糖与可溶性蛋白作为植物细胞渗透性的主要调节物质，在干旱胁迫下脯氨酸、可溶性糖与可溶性蛋白的升高有利于植物应对干旱胁迫[13]。研究中，随着干旱时间的延续，棉叶的脯氨酸、可溶性糖与可溶性蛋白含量明显增加(P<0.05)，说明棉株的抗旱能力与三种物质的积累有一定关系。

3.3在干旱胁迫下，植物体内会发生氧化胁迫，植物会通过提高抗氧化酶的活性来适应干旱逆境[14]。超氧化物酶(SOD)和过氧化物酶(POD)是植物体内膜系统的重要保护酶，能有效清除超氧自由基和活性氧，降低不良环境对膜脂的伤害程度，可以减轻干旱胁迫中膜脂过氧化对细胞膜的损伤[15]。研究结果表明。干旱胁迫下，POD随胁迫时间延长活性增加，说明棉株通过增加保护酶活性以减少干旱的伤害。但随干旱胁迫的延长，对照的POD活性呈先上升后下降的趋势，说明在一定干旱胁迫范围内，保护酶能有效清除活性氧；而随着干旱时间的延长，胁迫超出了棉株耐受限度，酶的活性有所降低。而保水剂处理随胁迫延长，POD活性而增加，后未出现明显下降(P>0.05)，这说明保水剂处理的棉株所受到的干旱胁迫低于对照。

4结 论

棉花植株在干旱胁迫下，会通过调整组织内部的某些生理生化过程，来规避或减轻干旱的伤害。6个表征棉花叶片耐旱性的生化指标分析表明，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个指标可以较准确地反映棉花随着缺水程度所发生的生理生化变化，SOD酶活在棉花水分亏缺条件下表现为无规则变化。综合评定保水剂30kg/ha处理能明显改善棉花植株的抗干旱能力。

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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

通讯作者:葛春辉(1979-)，男，浙江绍兴人，副研究员，研究方向为垃圾资源化及土壤培肥，(E-mail)gch-1998@163.com

作者简介:马彦茹(1962-)，女，农艺师，研究方向为植物营养

基金项目:新疆维吾尔自治区科技援疆项目“土壤复合保水颗粒关键技术引进与应用”(2013911079)

收稿日期：2015-10-20

中图分类号：S562

文献标识码：A

文章编号：1001-4330(2016)02-0277-06

doi:10.6048/j.issn.1001-4330.2016.02.012