引进甘蔗品种对干旱胁迫的生理响应及耐旱性分析

1 前言

1.1 研究背景

近年来，全球的气候正在变暖，引起的极端温度事件也越来越多。农业是我国国民经济的基础（孙苗苗，2016）。而甘蔗是重要的糖料作物，蔗糖占我国食糖总量的90%以上，同时甘蔗也是理想的可再生能源作物（王继华等，2010）。所以对甘蔗品种的研究也越来越重要。

冬春旱及秋旱，对甘蔗的下种、萌芽分孽、生长均有不利的影响，直接导致甘蔗长势差，单产和含糖量减少，严重制约着甘蔗产业的发展（王继华等，2010）。

目前，我国甘蔗生产的土地条件差，旱地甘蔗面积占全国植蔗总种植面积的 85%以上，干旱对农作物造成的损失在所有的非生物胁迫中占首位,仅次于生物胁迫病虫害造成的损失（毕黎明等，2006）。因此，培育丰产优质抗旱的甘蔗新品种，提高甘蔗的水分利用率是提高我国甘蔗产业国际竞争力的核心技术（王继华等，2010）。

1．2 干旱胁迫对渗透调节物质的影响

植物通过积累一些可溶性物质来进行渗透调节从而适应水分胁迫。而且抗旱能力越强,可溶性物质的积累量越大,但严重干旱时则可能会下降（蔡昆争等，2008）。渗透调节物质的积累是植物对干旱等逆境胁迫的一个重要的生理响应，可溶性物质的积累有助于保护细胞膜的完整性与稳定性，植株渗透势的大小与细胞内的可溶性物质（可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸等）有直接的关系（孙苗苗，2016）。李春香等在对小麦抗旱性研究表明抗旱性强的品种的渗透调节能力高于抗旱性弱的品种（李春香等，2001）。

可溶性糖是一种抗旱保护物质已被大家所公认，且在多种抗旱植物中也证实了可溶性糖含量的高低可作为衡量抗旱性的一个生理生化指标（孙苗苗，2016）。

干旱胁迫后叶片中可溶性糖含量迅速增加，且胁迫程度越重，含量越高。这是甘蔗幼苗对干旱胁迫适应性的反应，从而提高了植株自身抵御外界干旱影响的能力。可溶性糖含量的不同能反应出几个品种的抗旱性的强弱（孙苗苗，2016）。可溶性糖是干旱胁迫诱导的小分子溶质之一,其种类主要包括葡萄糖、蔗糖、棉子糖等。苗木遭受水分胁迫后,其体内的这些物质的含量均会发生明显变化,以适应不利环境条件（胡晓健，2009）。  

在干旱等逆境胁迫条件下，植株各器官中的可溶性蛋白含量整体呈现的是一个大量积累的过程，说明干旱逆境能诱导产生新的蛋白，来抵御干旱对植株的影响。不同抗旱品种，随着干旱胁迫程度的加深，叶鞘内的可溶性蛋白含量变化表现出差异性，严重的干旱胁迫可以破坏抗旱性较弱的品种内的代谢平衡，影响了细胞的正常生理功能。而抗旱性较强的品种内的可溶性蛋白含量始终保持在较高的水平并且变化平稳（孙苗苗，2016）。李洁等的研究表明，在短时间干旱胁迫下，旱地紫青稞等一些作物叶片可溶性蛋白含量都会随着胁迫程度的增强呈先降低后升高的趋势（李洁，2015）。高含量的可溶性蛋白质可使细胞维持较低的渗透势,抵抗水分胁迫（袁有波等，2008）。

脯氨酸也是干旱逆境条件下细胞质中渗透调节的另一重要有机物质，它作为一种少见的亲和力溶质的有机化合物，其在胞质中的浓度可达到很高但是并不干扰细胞活动，是逆境条件下植物抗逆形成的重要物质基础。脯氨酸等含量的不同，在一定程度上也能反应品种抗旱能力的强弱，所以，检测这些物质的含量也可以快速方便的为鉴别不同甘蔗品种的抗旱能力提供依据（孙苗苗，2016）。干旱胁迫时植物通过体内积累有机物质和无机物质,来提高细胞液浓度,降低其渗透势,以适应水分胁迫。脯氨酸是有效的有机渗透调节物质。干旱胁迫会造成脯氨酸的大量积累,它也是植物受伤害程度的指标（袁有波等，2008）

1.3 干旱胁迫对抗氧化酶类及膜脂特性的影响

在没有干旱胁迫的情况下，植株体内的活性氧自由基不断产生与被消除达到稳定状态，但是在干旱等逆境胁迫条件下，植株体内的活性氧自由基会变多，氧代谢平衡失调，这严重影响细胞正常的生理活动。植株会开启自身的活性氧的防御系统，以减轻活性氧对植物体的毒害作用。超氧化物歧化酶 SOD（Superoxide Dismutase） 是植物抗氧化防御系统的第一道防线，它可以使常积累的活性氧自由基氧化为 H2O2，然后通过过氧化物酶 POD（Peroxidase） 和过氧化氢酶 CAT（Catalase） 等的氧化作用将H2O2转化为 H2O 和 O2，三者的协同作用使植物体内的氧自由基保持在一个较低水平，可减缓干旱胁迫对细胞的毒害作用（孙苗苗，2016）。植物在受到干旱胁迫时，细胞体内会产生大量的活性氧和膜脂过氧化物，导致膜脂过氧化水平提高，膜脂成分改变和膜的透性增加。SOD、POD、CAT是植物体内重要的活性氧的酶促清除系统成员，可以防御和减少活性氧对植物体的毒害（闻志彬和张明理，2015）。

丙二醛 （MDA） 是膜脂过氧化的产物，其可以使膜的稳定性降低，膜透性加大，促进膜的渗漏和伤害细胞器膜的结构，致使功能紊乱，含量的高低是衡量细胞膜受伤害程度的重要指标之一（孙苗苗，2016）。

SOD 是植物细胞防御系统中的一个重要的保护酶，干旱处理之后 SOD活性可以作为品种抗旱性评价的指标（孙苗苗，2016）。SOD主要负责清除体内的超氧阴离子自由基，从而减轻超氧阴离子对植物体的伤害作用（闻志彬和张明理，2015）。SOD能以O2-为基质进行歧化反应（梁新华和史大刚，2006）。

在保护酶系统中，过氧化物酶 POD 能够酶促降解过氧化氢，是干旱胁迫下非常重要的一个生理修复指标，使细胞内的活性氧与防御系统之间保持着平衡（孙苗苗，2016）。POD是清除植物细胞内H2O2的重要氧化酶类。POD活性随着干旱胁迫的加强先显著增加后降低。POD 对干旱胁迫反应敏感，能够防御氧化损伤，具有显著的保护作用（闻志彬和张明理，2015）。POD也可以清除细胞内有害自由基还能催化有毒物质。,POD能催化H2O2氧化其他底物后产生H2O（梁新华和史大刚，2006）。

CAT是清除植物细胞内H2O2的重要氧化酶类（闻志彬和张明理，2015），。CAT也是生物体内非常重要的保护酶,它能清除细胞内过多的H2O2,使其维持在低水平上,保护膜的结构。梁新华等研究关于干旱胁迫处理光果甘草幼苗时得知CAT比POD在干旱胁迫下有更强的防御能力,可以在干旱胁迫加重时过度表达,使细胞的防卫能力增强。这两种保护酶相互配合,能够很快地的清除H2O2,确保较低的膜脂过氧化水平,以维持甘草幼苗根系细胞膜的完整性,降低膜的伤害率,表现出很强的抗旱适应性（梁新华和史大刚，2006）。

MDA是膜脂过氧化的产物,是膜系统受伤害的重要标志之一。其含量可以表示膜脂过氧化作用的程度。一般情况下,植物细胞内自由基的产生与清除，处于一种动态的平衡,一旦这种平衡遭到破坏,自由基就会积累,在膜内脂双分子层中含有的不饱和脂肪酸就很容易氧化分解而使膜遭到破坏。体内活性氧增多能使膜脂过氧化和膜脂脱脂化作用增强。这种动态平衡被破坏就会使丙二醛(MDA)含量增加。梁新华等研究关于干旱胁迫处理光果甘草幼苗时,其根系中MDA的含量伴随着干旱胁迫程度的加剧而升高。因为MDA是膜脂过氧化作用的产物,其含量的高低代表膜脂过氧化的程度,即MDA含量越高,膜脂过氧化程度越严重,膜透性越大（梁新华和史大刚，2006）。

1.4干旱胁迫对根系活力的影响

根系活力是反映根系吸收功能的一项重要的综合的指标，它能够影响到根系的发育和代谢情况还有对矿物质营养和水分的吸收利用（李志宇，2014）。当土壤干旱时,作物根系首先感受到胁迫,并迅速发出信号,使整个植株对干旱做出反应。因此,根系是研究作物抗旱性的一个重要的一部分（左文博等，2010）。

董守坤等在研究干旱胁迫对大豆根系活力的影响时发现，随着干旱胁迫程度的加强，根系活力下降。相同干旱条件下，抗旱性弱的品种的根系活力明显低于抗旱性高的品种。根系是植物的吸收器官，在植物对干旱胁迫的响应过程中有着关键的作用，当根系受到干旱胁迫后根据水分状况,做出适应性的反应。在干旱胁迫下，较高的根系活力是作物抗旱性强的表现。受到干旱胁迫时不同品种间根系活力差异较大。（董守坤等，2011）。

1.5 甘蔗耐旱性的评价方法

甘蔗的耐旱性与自身的遗传因素和生理特征有着密切的关系，并且是在外界环境作用的结果，是一个非常复杂的生物学性状。所以，提高耐旱性选择方法以及探究甘蔗耐旱性鉴定指标的准确性，对于筛选耐旱的甘蔗品种，稳定糖料生产有着重要的意义。

干旱胁迫对作物的光合作用、呼吸作用以及营养和水分的吸收运输等各种生理生化过程都有重要的影响。目前,有很多学者对作物抗旱性鉴定的生理生化指标方法做了大量的研究。现在比较多的观点认为干旱条件下的叶绿素相对含量、叶片相对含水量、活性、活性、丙二醛含量、外渗电导率、叶片水势、光合速率、含量、蒸腾速率、离体叶片的抗脱水能力等,都可作为作物抗旱性鉴定的评价指标（檀小辉，2011）。另外，渗透调节物质的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸含量和抗氧化酶及膜脂的特性超氧化物歧化酶 SOD 活性、过氧化物酶 POD 活性、过氧化氢酶 CAT 活性、丙二醛 MDA 的含量也都可以作为作物抗旱性鉴定的评价指标（孙苗苗，2016）。

1.6 目的与意义

我国大部分地区甘蔗种植受到干旱的影响，甘蔗生长期很长,直接导致了甘蔗在整个生育期中经常会遇到季节性干旱。甘蔗在苗期更需要水分,此期若水分供应不够充足,甘蔗产量会受到严重影响甚至绝产。

综上所述，甘蔗的干旱是影响安全生产的自然灾害之一，能够影响甘蔗的生长发育，病引起生理活动障碍。因此，明确干旱处理条件下生理指标代谢差异，探究甘蔗耐旱性的评价指标，同时研究干旱胁迫对不同甘蔗品种生长情况的影响，阐述不同品种间的响应差异，对于准确筛选耐旱的高产优质甘蔗品种具有重要的指导意义。

2 材料与方法

2.1 试验材料和设计

试验材料为引进的16个甘蔗品种：1.ROC22；2.ROC5；3.ROC16；4.ROC20；5.ROC25；6.台优；7.台糖89-1626；8.CP65-357；9.CP93-1382；10.LCP85-384；11.HoCP95-988；12.HoTH409；13.F177；14.引8；15.巴西618；16.Q179，其中ROC22（对照）为当前国内主栽甘蔗品种。

2.1.2.1材料种植

试验于2016年4~6月在华南农业大学甘蔗育种基地进行。所用容器为高、上径、下径分别为32.0cm、33.5cm、28.0cm的塑料桶，每个桶的桶底都钻3~5个直径为0.4cm的圆孔，用于排去土壤中多余水分。所用栽培土为大田土，装桶时每桶装2/3高。蔗种砍成单芽，每个品种种2桶，每桶种4~5个芽，下种后覆土3~5cm，成苗后每桶保留长势相近的蔗苗3株，进行三次重复。

2.1.2.2材料处理

甘蔗生长到拔节初期，把每个品种分成2组，充分淋水直至土壤水分饱和，桶底有水流出。以后一组正常供水，作为对照；另一组停止供水，进行干旱胁迫，作为处理。干旱胁迫开始时在每天上9点钟观察甘蔗生长情况，当大多数甘蔗品种的正3叶以下全部枯黄，且正3叶全部萎蔫时，认为已经达到严重萎蔫。

本研究在大部分甘蔗品种表现出严重萎蔫时测定相关指标并取样。为了减少甘蔗植株不同部位各生理指标含量各不相同带来的误差，本研究所有样片在取样时都取正1叶。

2.2 测定项目与方法

甘蔗叶片受旱程度的调查参照夏红明等《甘蔗优异材料的抗旱性研究》2005，的受旱蔗叶分级标准（表1）（夏红明等，2015）。

表1 受旱蔗叶的分级标准

甘蔗的株高为从土壤表面开始到蔗株最高可见肥厚带的距离；用公式（1）求出株高伤害率：

株高伤害率=（正常株高-干旱株高）/正常株高×100%      （1）

取甘蔗地上部和地下部植株，在105℃下杀青20min，并于80℃下烘干，称重。

根系活力的测定采用TTC法（参考张志勇等《冠菌素对不同钾水平下TTC法测定的棉花根系活力的影响》）(张志勇等，2015)。

可溶性糖含量的测定时采用蒽酮比色法；可溶性蛋白含量的测定时采用考马斯亮蓝 G-250比色法；脯氨酸含量的测定时采用酸性茚三酮显色法测定；SOD 活性采用氮蓝四唑NBT光化还原法测定；POD活性采用愈创木酚法测定； MDA 含量的测定采用硫代巴比妥酸法测定（孙苗苗，2016）。

2.3 统计方法

用公式（2）求出耐旱系数：

耐旱系数=处理测定值/对照测定值×100%            （2）

用公式（3）求得每一甘蔗品种各综合指标的隶属函数值：

U（Xj）=（Xj-Xmin）/（Xmax-Xmin）        j=1,2,…, n     （3）

式中，Xj表示第j个综合指标；Xmin表示第j个综合指标的最小值；Xmax表示第j个综合指标的最大值。

用公式（4）可求出个综合指标的权重：

          j=1,2,…, n   （4）     

式中Wj表示第j个综合指标在所在综合指标中的重要程度即权重；Pj为各甘蔗品种第j个综合指标的贡献率。

用公式（5）计算各甘蔗品种的综合耐旱能力的大小：

        j=1,2,…, n  （5）      

式中，D值为各甘蔗品种在干旱胁迫条件下耐旱性的综合评价值。

采用Microsoft Excel 2013进行数据处理和作图，使用IBM SPSS 21.0软件进行方差分析和聚类分析，聚类采用欧式距离作为相似性尺度。

3 结果与分析

3.1 干旱胁迫对不同甘蔗品种蔗叶及株高的影响

在遭受干旱胁迫后，不同甘蔗品种蔗叶受旱程度不同（表2）。其中，CP65-357的蔗叶受旱程度最轻，级别为2级，表现为较多叶片萎蔫，少量叶片枯黄；CP93-1382的蔗叶受旱程度最严重，级别为5级，表现为大量叶片萎蔫，且大量叶片枯黄。在遭受干旱胁迫后，不同甘蔗品种的株高均出现了不同程度的降低（表2）。其中，株高伤害率最大的品种是台优，株高伤害率为18.7%；株高伤害率最小的品种是Q179，株高伤害率为7.3%。

表2 干旱胁迫对不同甘蔗品种蔗叶及株高的影响

3.2 干旱胁迫对不同甘蔗品种干物质重的影响

在遭受干旱胁迫后，不同甘蔗品种的地上部及地下部干物质重均出现了不同程度的降低（表3）。其中，地上部干物质重降低幅度最大的品种是ROC5，降幅为14.96%；降低幅度最小的品种是巴西618，降幅为8.98%。地下部干物质重降低幅度最大的品种是台糖89-1626，降幅为10.46%；降低幅度最小的品种是ROC25，降幅为6.76%。地上部干物质重平均降幅为12.89%，地下部干物质重平均降幅为8.84%，地上部干物质重平均降幅高于地下部。

表3 干旱胁迫对不同甘蔗品种干物质重的影响

3.3 干旱胁迫对不同甘蔗品种根系活力的影响

由图1可以看出，在遭受干旱胁迫后，不同甘蔗品种根系活力均呈现出了降低的趋势，并且不同品种间的降低幅度不同。干旱处理后，根系活力降幅最大的品种是ROC16，降幅为58.57 %；降幅最小的品种是ROC5，降幅为34.27%。

图1 干旱胁迫对不同甘蔗品种根系活力的影响

3.4 干旱胁迫对不同甘蔗品种蔗叶生理指标的影响及其耐旱性评价