干旱胁迫对甜高粱幼苗光合色素、保护酶活性及活性氧代谢的影响

陈敏菊 孟彦 孟宪政

摘    要：為探究甜高粱幼苗对干旱胁迫的响应机制和对干旱胁迫的忍受范围，通过盆栽试验的方式，设置土壤相对含水量65%～70%（CK）、55%～60%（T1）、40%～45%（T2）、30%～35%（T3）和20%～25%（T4）5个水平，研究干旱胁迫对甜高粱叶片光合色素含量、保护酶活性及活性氧代谢的影响。结果表明，随着干旱胁迫强度的增强，甜高粱幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素均表现出降低趋势，但T1处理与对照差异均不显著（P>0.05），且在T4处理下值最低，较对照分别降低54.31%，44.44%，52.65%，51.47%，与对照差异极显著（P<0.01）。随着干旱胁迫强度的增加，甜高粱幼苗叶片保护酶SOD、CAT、POD、APX活性呈先升高再降低的单峰变化趋势，但SOD、POD、APX活性在T1处理下值最大，较对照分别增加7.45%，13.94%，24.63%，CAT在T2处理下值最大，较对照增加3.48%。甜高粱幼苗叶片超氧阴离子随干旱胁迫强度的增加而升高，但在轻度胁迫下（T1）与对照差异不显著（P<0.05）;4个处理的甜高粱幼苗叶片过氧化氢含量随干旱胁迫强度的增加而升高，且与对照差异均显著（P<0.05）。可见，当土壤相对含水量不低于55%～60%时，甜高粱幼苗保护酶活性高于对照，且光合色素、超氧阴离子含量与对照差异不显著（P>0.05）。

关键词：甜高粱;干旱胁迫;光合色素;保护酶;活性氧

中图分类号：S514        文献标识码：A      DOI 编码：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

水是植物生长必不可少的重要影响因子之一，当土壤中的含水量不能达到植株生长所需水分时，就会对植株造成干旱胁迫。在干旱胁迫条件下，植物通过细胞感知和传到干旱信号，从而引起植株从形态到生理等多方面的变化，如地上部干鲜质量减小，叶面积显著降低[1]，膜脂过氧化程度加重[2]，细胞膜受到损伤，植物叶片光合能力减弱，PSⅡ反应中心的活性降低等[3]。当前，有关干旱胁迫在油菜、棉花、玉米、燕麦、大豆等[4-8]作物上的研究已有众多报道。有关高粱的研究，主要集中于高粱田的农药残留、高粱田的除草剂筛选、种植技术、酿酒品种选育等[9-12]方面，而有关甜高粱在幼苗期遭受干旱逆境胁迫时在光合色素、保护酶及活性氧代谢等方面的研究尚未见报道。为此，本试验通过设置5个水平的干旱胁迫处理，研究不同水平的干旱胁迫强度对甜高粱幼苗光合色素、保护酶活性及活性氧代谢的影响，以探究甜高粱幼苗所能忍受的干旱胁迫程度，阐明不同干旱胁迫强度下甜高粱幼苗的生理变化情况，为甜高粱的耐旱栽培及耐旱品种选育提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试高粱品种为‘红糯米9号。

1.2 试验设计

试验于2019年5月3日在商丘市农林科学院双八试验基地进行盆栽种植试验。试验共设置5个土壤相对含水量水平，以土壤相对含水量为65%～70%作对照（CK），土壤相对含水量为55%～60%、40%～45%、30%～35%、20%～25%作4个处理，分别记为T1、T2、T3、T4。将高粱种子播种于试验盆中，盆高15cm、直径15cm，盆内填充草炭、蛭石、珍珠岩配比为3∶1∶1的基质，共播种80盆。待高粱幼苗3～4片叶时，选取长势一致的高粱幼苗60盆进行干旱胁迫试验，每处理进行3次重复，每4盆作物1个重复。每天早晨7：00用ML2x型土壤水分仪测量各盆土壤相对含水量，并根据含水量高低进行补水处理，干旱胁迫12 d后对相关生理指标进行测定。

1.3 测定项目及方法

选取植株顶部第三张功能叶片。采用丙酮比色法[13]测定甜高粱倒3叶片叶绿素含量。SOD活性采用NBT还原法测定，CAT活性采用高锰酸钾滴定法测定，POD活性采用愈创木酚法测定[14];APX的活性检测参照Nakano和Asada的方法[15]。参照李忠光和龚明[16]的方法测定超氧阴离子（O2 - ·）;参照Prochazkova D等[17]的方法测定过氧化氧（H2O2）含量。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007进行数据处理和作图，利用DPS7.02软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对甜高粱幼苗叶片光合色素含量的影响

由表1可知，随着干旱胁迫强度的增强，甜高粱幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b和类胡萝卜素均表现出降低趋势，这说明胁迫强度的增加使光合素色的合成受阻，叶绿素含量降低。在T4处理下值最低，较对照分别降低54.31%，44.44%，52.65%，51.47%，与对照差异极显著（P<0.01）;而在T1处理下，上述指标与对照差异均不显著（P>0.05）。在T2处理下，叶绿素a、叶绿素a+b和类胡萝卜素与对照差异均达到显著差异水平，而叶绿素b与对照差异不显著，这说明叶绿素b对干旱逆境的抵御能力相对较强。

2.2 干旱胁迫对甜高粱幼苗叶片保护酶活性的影响

由表2可知，不同强度的干旱胁迫对甜高粱幼苗叶片保护酶活性的影响存在差异。随着干旱胁迫强度的增加，SOD活性呈现出先升高再降低的单峰变化规律，且在T1处理下值最大，这说明轻度的干旱胁迫能够刺激高粱幼苗叶片保护酶活性的增加，机体启動防御机制清除体内多余的活性氧。T1、T2处理下，CAT活性虽高于对照，但与对照差异不显著;T3处理低于对照，但与对照差异亦不显著，T4处理低于对照，且与对照差异显著。POD、APX活性的变化规律与SOD一致，随干旱胁迫强度的增加呈现先升高再降低的变化趋势，但在T1处理下的POD、APX活性与对照差异显著（P<0.05），较对照分别增加13.94%，24.63%。

2.3 干旱胁迫对甜高粱幼苗超氧阴离子和过氧化氢含量的影响

由图1可以看出，不同强度的干旱胁迫对甜高粱幼苗叶片超氧阴离子和过氧化氢含量的影响存在差异。随着干旱胁迫强度的增加，超氧阴离子含量呈逐渐升高的趋势，其中T1处理虽高于对照，但与对照差异不显著（P>0.05），这说明轻度干旱胁迫下，植物机体可通过提高保护酶活性清除多余的超氧阴离子。T4处理下，甜高粱幼苗叶片超氧阴离子含量最大，较对照增加87.59%，与对照差异显著。T1、T2、T3、T4处理下，过氧化氢含量均高于对照，且与对照差异均显著（P<0.05），较对照分别增加12.20%，74.31%，124.21%，154.37%。

3 结论与讨论

叶绿素是植物进行光合作用的重要物质，其含量高低与植物光合能力的强弱、抗逆性的高低直接相关[18]，最终对作物的产量和品质产生影响[19]。孟玥[20]等研究指出，在重度胁迫下，短果茴芹叶绿素含量对轻中度干旱胁迫不敏感，对重度干旱胁迫较为敏感。董斌[21]等研究得出，油茶‘桂无4号叶片叶绿素a、叶绿素b含量在干旱胁迫下降低显著，而‘岑软2号叶片叶绿素a、叶绿素b在干旱胁迫下相对稳定。本试验条件下，甜高粱叶片光合色素各指标在干旱胁迫下均表现出降低趋势，可见不同物种对干旱胁迫的响应结果并不完全相同，这可能与自身的生理特性及试验设计的干旱胁迫强度等因素有关。甜高粱叶片光合色素在干旱胁迫下降低的原因，可能是逆境胁迫下光合色素分解大于合成，致使叶绿素含量降低。

正常生理条件下，植物体内活性氧的产生和清除存在一个动态平衡，活性氧含量保持在一个相对较低的水平[22]。但当植物遭受干旱、高温等逆境胁迫时，这种动态平衡则会被破坏，活性氧在细胞内大量产量，细胞膜系统受到损伤，进而影响机体正常的生理代谢活动[23]。植物细胞中的活性氧主要通过SOD、POD、CAT、APX等保护酶进行清除，其中SOD是清除植物机体内活性氧的第一道放线，是清除细胞内超氧自由基的主要酶类;CAT对清除机体内的H2O2有重要作用;POD和APX可有效清除超氧阴离子和羟基自由基等。权伍荣等[24]研究得出，在重度胁迫下（土壤相对含水量的30%），文冠果苗木的SOD、POD活性均低于对照。井大炜等[25]研究认为，随着干旱胁迫强度（田间持水量的75%-35%）的增加，杨树幼苗叶片SOD、POD、CAT活性均呈现先升高再降低的变化规律。本试验结果表明，随着干旱胁迫强度的增强，甜高粱幼苗叶片SOD、CAT、POD和APX活性均呈现先升高再降低的单峰变化规律，试验结果与前人研究结论一致，这应该是因为在轻度的干旱胁迫环境下，植物感受到逆境胁迫信号后刺激机体内的保护酶清除系统活性的提高，通过提高保护酶活性来清除多余的活性氧，而当外界干旱胁迫程度较大时，超出保护酶清除活性氧的阈值范围，便会产生较多的自由基，使植物细胞膜系统受损，进而使保护酶受到破坏而活性降低[26]。

植物在遭受逆境胁迫时，机体会产生大量的超氧阴离子O2 -  和过氧化氢H2O2等活性氧，这些活性氧如果不能被及时清除，就会使植物细胞膜发生膜脂过氧化作用，进而破坏膜结构，影响植物的正常生长代谢活动[27]。阮凌暄等[28]研究得出，干旱胁迫能够增加铁皮石斛叶片超氧阴离子和过氧化氢含量，且超氧阴离子和过氧化氢含量随干旱胁迫强度的增加和胁迫时间的延长而增大。方正武等[29]研究认为，随着干旱程度的增加，甜荞幼苗叶片超氧阴离子产生速率和过氧化氢含量总体呈上升趋势。本试验结果表明，干旱胁迫能够刺激甜高粱幼苗叶片超氧阴离子和过氧化氢含量的增加，且其二者含量与胁迫强度正相关，试验结果与前人研究一致。在重度干旱胁迫下，甜高粱幼苗叶片超氧阴离子和过氧化氢含量显著高于对照，这是因为植物处于深度胁迫时，机体内的活性氧（ROS）清除机制功能异常，多种来源的ROS过度积累，致使活性氧防御系统崩溃，进一步引起ROS的爆发[30]。同时，叶片内的超氧阴离子通过歧化反应生产过氧化氢，使细胞内过氧化氢含量大幅上升，膜脂过氧化程度加剧，植物受到损伤[31]。

参考文献：

[1] 岳凯， 魏小红， 刘文瑜， 等. PEG胁迫下不同品系藜麦抗旱性评价[J]. 干旱地区农业研究， 2009， 37（3）： 52-59.

[2] 温日宇， 刘建霞， 张珍华， 等. 干旱胁迫对不同黎麦种子萌发及生理特性的影响[J]. 作物杂志， 2019（1）： 121-126.

[3] 王可玢， 许春辉， 赵福洪， 等. 水分胁迫对小麦旗叶某些体内叶绿素a荧光参数的影响[J]. 生物物理学报， 1997， 13（2）： 273-278.

[4] 何晓莹. 初花期干旱对油菜农艺性状的影响[J]. 山西农业科学， 2016， 44（9）： 1291-1293.

[5] 李静， 张换样， 朱永红， 等. 转基因棉花品系3H-52的抗旱性分析[J]. 山西农业科学， 2020， 48（1）： 52-54.

[6] 邹原东， 韩振芹，李志强. PEG模拟水分胁迫对玉米苗期生理指标的影响[J]. 山西农业科学， 2019， 47（12）： 2094-2097.

[7] 张俊峰， 段娜， 刘兵兵， 等. 灌浆期干旱胁迫对燕麦籽粒-β葡聚糖含量的影响[J]. 山西农业科学， 2020， 48（6）： 884-888.

[8] 张靓， 刘添祎， 冀采凤， 等. 大豆E3连接酶基因GmPLR-2的克隆及抗旱功能鉴定[J]. 中国油料作物学报， 2020， 42（5）： 835-842.

[9] 陳顺琴， 杨晖， 王爱民， 等. 超声提取-气相色谱法测定高粱中晴菌唑与烯唑醇农药残留量[J]. 湖北农业科学， 2019， 58（10）： 146-149.

[10] 柳金良， 郑琪， 孙志强， 等. 高粱田除草剂种类及施药方法筛选试验初报[J]. 植物保护， 2020， 46（5）： 259-264.

[11] 王帝沣. 北方地区高粱高产种植技术[J]. 安徽农学通报， 2020， 26（18）： 36-37.

[12] 赵术伟. 辽西地区酿造高粱品种产量与主要性状的灰色关联度分析[J]. 江苏农业科学， 2020， 48（18）： 102-106.

[13] 李合生. 植物生理生化实验原理和技术[M]. 北京： 高等教育出版社， 2000： 134-137.

[14] 赵世杰. 植物生理学实验指导[M]. 北京： 中国农业科学技术出版社， 2002： .

[15] NAKANO Y， ASADA K. Hydrogen peroxide is scavenged by ascorbate-specific peroxidase in spinach chloroplasts[J]. Plant & Cell Physiology， 1981， 22（5）： 867-880.

[16] 李忠光， 龚明. 植物中超氧阴离子自由基测定方法的改进[J]. 云南植物研究， 2005， 27（2）： 211-216.

[17] PROCHAZKOVA D， SAIRAM R K， SRIVASTAVE U C， et al. Oxidative stress and antioxidant activity as the basis of senescence in maize leaves[J]. Plant Science， 2001， 161（4）： 765-771.

[18] 孙小玲， 许岳飞， 马鲁沂， 等. 植株叶片的光合色素构成对遮阴的响应[J]. 植物生态学报， 2010， 34（8）： 989-999.

[19] 尹启琳， 郭丁预， 姜倩倩， 等. 干旱胁迫对不同小麦品种苗期抗旱生理指标的影响[J]. 烟台大学学报（自然科学与工程版）， 2020， 33（3）： 289-297.

[20] 孟玥， 邹吉祥. 干旱胁迫对短果茴芹叶绿素含量的影响[J]. 广东蚕业， 2020， 54（3）： 17-18.

[21] 董斌， 蓝来娇， 黄永芳， 等. 干旱胁迫对油茶叶片叶绿素含量和叶绿素荧光参数的影响[J]. 经济林研究， 2020， 38（3）： 16-25.

[22] 王娟， 李德全. 逆境条件下植物体内渗透调节物质的积累与活性氧代谢[J]. 植物学通报， 2001， 18（4）： 459-465.

[23] 汪宗立， 刘晓忠， 李建坤. 玉米的涝溃伤害与膜脂过氧化作用和保护酶活性的关系[J]. 江苏农业学报， 1988， 4（3）： 1-8.

[24] 權伍荣. 干旱胁迫下不同文冠果品种抗氧化酶活性及叶绿素含量变化[J]. 延边大学农学学报， 2020， 42（1）： 15-21.

[25] 井大炜， 邢尚军， 杜振宇， 等. 干旱胁迫对杨树幼苗生长、光合特性及活性氧代谢的影响[J]. 应用生态学报， 2013， 24（7）： 1809-1816.

[26] 赵方媛， 田新会， 杜文华. PEG-6000模拟干旱胁迫对15个小黑麦品系苗期生理特性的影响[J]. 干旱地区农业研究， 2019， 37（5）： 106-113.

[27] 蒋明义， 杨文英. 渗透胁迫诱导水稻幼苗的氧化伤害[J]. 作物学报， 1994（6）： 733.

[28] 阮凌暄， 马晓勇， 林秀莲， 等. 干旱胁迫对铁皮石斛叶片活性氧清除系统与叶绿素荧光特性的影响[J]. 西部林业科学， 2017， 46（6）： 103-107.

[29] 方正武， 卢奕霏， 丁富功， 等. 干旱胁迫对甜荞幼苗生理特性的影响[J]. 长江大学学报（自科版）， 2021， 18（1）： 107-114.

[30] YU L J， LUO Y F， LIAO B， et al. Comparative transcriptome analysis of transporters， phytohormone and lipid metabolism pathways in response to Arsenic stress in rice （Oryza sativa）[J]. The New Phytologist， 2012， 195（1）： 97-112.

[31] M?LLER I M， JENSEN P E， HANSSON A. Oxidative modifications to cellular components in plants[J]. Annual Review of Plant Biology， 2007， 58： 459-481.

收稿日期：2021-07-15

基金项目：河南省四优四化项目（20190411）

作者简介：陈敏菊（1981—），女，河南商丘人，助理研究员，主要从事高粱育种与生理栽培方面研究。

通讯作者简介：孟彦（1978—），男，河南商丘人，副研究员，主要从事高粱育种与生理栽培方面研究。