张明飞 迟悦 王慧颖 相吉山 王韶婉 于龙君 田佳和 周明旭 朱天浩

摘 要：为了了解不同抗旱型谷子品种抗旱性差异的生理基础，本研究以5个极抗旱和5个极弱抗谷子品种为实验材料，对其进行PEG干旱胁迫和复水处理，分别测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和丙二醛（MDA）含量变化。结果表明，干旱胁迫前，不同抗旱型谷子品种的SOD、POD酶活性差异不显著；极弱抗型谷子的MDA含量略高于极抗旱谷子。干旱胁迫后，极抗旱型谷子的SOD酶活性显著高于极弱抗型谷子，极弱抗型谷子的MDA含量显著高于极抗旱型谷子，不同抗旱型谷子品种间POD酶活性差异不显著。复水处理后，极抗旱型谷子的SOD酶活性仍大于极弱抗型谷子，不同抗旱型谷子的POD酶活性水平下降，但仍高于胁迫前，极弱抗型谷子的MDA含量显著高于极抗旱型谷子。

关键词：谷子；干旱胁迫；复水处理；生理指标

中图分类号：Q945；S515  文献标識码：A  文章编号：1673-260X（2023）09-0039-04

谷子（Setaria italica L.）起源于我国黄河流域，属于禾本科植物黍亚科（Panicoideae）黍族（Paniceae）狗尾草属（Setaria）[1]，在我国有8700多年的栽培史。谷子是C4植物，具有生育期短、基因组小、营养丰富、适应性广等特点，是禾本科研究的模式作物，是我国北方的主要杂粮作物之一，分布在北方的干旱、半干旱地区。

干旱是众多非生物胁迫中严重影响农作物生长、代谢和产量的关键因素之一[2]。植物在遭受干旱胁迫时，细胞内外渗透势、叶面卷曲、萎蔫程度等均受影响，在植物形态上表现显著并且激发包括超氧自由基（O2-）、过氧化氢等活性氧（reactiveoxygenspecies，ROS）的产生。活性氧的产生会导致脂类、核酸以及糖类物质的损伤[3]。为了使细胞免受活性氧的毒害，保证细胞正常生理功能，植物已经进化出复杂防御活性氧毒害的保护酶系统。超氧化物歧化酶（superoxidedismutase，SOD）是生物体内普遍存在的参与氧代谢的一种含金属酶，该酶是植物体内重要的保护酶之一，与植物的衰老及抗逆性密切相关[4]。过氧化物酶（peroxisome，POD）在清除种子萌发过程中产生的自由基伤害上担负重要的功能。研究发现，干旱胁迫后，SOD活性会随着干旱胁迫程度的增加而有显著上升的趋势，同时POD的变化呈先上升后下降的趋势。李长明等研究表明，干旱胁迫条件下，水稻抗旱性与其叶片中的SOD活性有关，品种的抗旱性强，其SOD活性随着土壤水分的降低而升高[5]。朱永波等研究报道，POD活性在水分胁迫下与品种的抗旱性密切相关，抗旱性强的品种能维持较高的POD活性[6]。丙二醛（MDA）是植物细胞膜脂过氧化作用的最终分解产物，对细胞具有毒害作用，逆境条件会加剧MDA的产生和积累[7]。MDA的含量和细胞膜脂的透性变化能够反映植物在逆境胁迫中细胞膜脂遭受破坏的程度。

因此，超氧化物歧化酶、丙二醛和过氧化物酶等物质的含量或活性可以反映植物抵抗逆境的能力。作物的抗旱性不仅体现在其对干旱胁迫的耐受程度上，而且还应包括胁迫状态解除后的恢复能力。因此，作物干旱后复水机理的研究对其抗旱性的改良具有重要意义。本研究利用水培试验对不同抗旱类型的谷子品种进行干旱胁迫和复水处理，测定其SOD、POD和MDA等生理指标，探索不同抗旱类型的谷子品种在受到干旱胁迫和复水处理后，其生理指标的变化规律，为谷子抗旱性品种的选育和改良提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料为前期筛选出10个不同抗旱型的谷子品种，如表1所示。

1.2 试验方法

1.2.1 适宜PEG胁迫浓度的筛选

随机选取5个谷子品种作为发芽试验材料（敖谷8号、大同41、大同27号、陇谷14、长生11），采用直径12cm培养皿铺滤纸进行种子发芽实验，将种子均匀分布在滤纸上，PEG胁迫浓度设置5个质量分数梯度分别为5%、10%、15%、20%、25%，以蒸馏水做对照。每天根据滤纸湿润程度补充相应溶液或蒸馏水，室温下发芽5天后，统计发芽数和未发芽数，计算发芽率。

1.2.2 谷子幼苗处理

将10个不同抗旱类型的谷子品种种植在穴盘中，以蛭石为基质，定时浇水保持蛭石湿润。待谷子生长至三叶期时，用清水轻轻冲洗掉谷子幼苗根部的蛭石后转入1/4MS营养液中，适应培养24h后进行第一次取样；将适应培养后的谷子幼苗转入1/4 MS和适宜PEG胁迫浓度（质量分数20%）的营养液中胁迫24h后进行第二次取样；再将胁迫24h后的谷子幼苗转入1/4MS营养液中复水处理24h后进行第三次取样，每次取样叶片数不少于50片。3次取样样品用液氮速冻后立即置于-80℃超低温冰箱中保存待测。

1.2.3 生理指标测定

采用合肥莱尔生物科技有限公司的试剂盒YX-W-A401测定MDA、试剂盒YX-W-A500测定SOD和试剂盒YX-C-A502测定POD酶活性，按照试剂盒说明书进行取样、匀浆、离心、测定等实验操作。

1.3 数据处理

采用Excel 2016对试验数据进行整理统计和作图，利用SPSS 26.0对数据进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 适宜PEG浓度筛选

发芽实验表明，5个谷子品种的发芽率随PEG胁迫浓度的升高，发芽率整体呈下降趋势，但是PEG胁迫浓度小于15%时，发芽率下降不明显；当PEG胁迫浓度达到20%时，5个谷子品种的发芽率差异较大；当PEG胁迫浓度达到25%时，5个谷子品种的发芽率均为0，因此，后续实验选择胁迫浓度20%的PEG胁迫处理谷子幼苗，如图1所示。

2.2 干旱胁迫和复水处理对不同抗旱类型谷子SOD酶活性的影响

在干旱胁迫和复水处理对谷子SOD酶活性的影响中，如图2所示。胁迫前10个谷子品种SOD酶活性差异不大，变幅为50.44-79.91U/g，其中天粟7号SOD酶活性最高，大黄谷SOD酶活性最低。天粟7号SOD酶活性显著大于14H758、陇谷14、17H1148、大糟皮、大黄谷和长生11。胁迫后，10个谷子品种SOD酶活性均大于胁迫前，变幅为83.72-143.65U/g，其中大黄谷SOD酶活性最大，吉9806-1最小。极抗旱型谷子SOD酶活性增加幅度较大，且显著大于极弱抗谷子。在极抗旱谷子品种中，大黄谷SOD酶活性显著大于17H1148；极弱抗谷子SOD酶活性虽有提高，但增加幅度不大且差异不显著。复水后，10个谷子品种SOD酶活性均比胁迫后有所降低，变幅为71.08-121.82U/g，其中陇谷14最大，长农44号最小。复水后与胁迫处理后相比，SOD酶活性略有降低，但仍比胁迫前SOD酶活性高，极抗旱谷子品种SOD酶活性显著高于极弱抗谷子品种。

2.3 干旱胁迫和复水处理对不同抗旱类型谷子POD酶活性的影响

在干旱胁迫和复水处理对谷子POD酶活性的影响中，如图3所示。胁迫前，10个谷子品种POD活性差异不显著，变幅为118.88-166.44U/g，其中17H1148的POD活性最高，天粟7号POD活性最低。胁迫后，10个谷子品种POD酶活性均增加，变幅在166.44-213.99U/g，其中陇谷14 POD酶活性最大，天粟7号最小。复水后，10个谷子品种POD酶活性与胁迫处理后相比略有降低，但仍比胁迫前高，POD酶活性变幅为142.66-190.21U/g，其中17H1148最大，天粟7号最小。

2.4 干旱胁迫和复水处理对不同抗旱类型谷子MDA含量的影响

在干旱胁迫和复水处理对谷子MDA含量的影响中，如图4所示。胁迫前，10个谷子品种的MDA含量整体趋势呈现极抗旱谷子低于极弱抗谷子，且不同谷子间差异显著，MDA含量变幅为98.065-276.989nmol/g，其中天粟7号MDA含量最高，陇谷14最低。胁迫后，10个谷子品种MDA含量与胁迫前相比均有不同程度的增加，MDA含量变幅为110.108-434.065nmol/g，其中吉9806-1 MDA含量最大，大黄谷最小。极弱抗谷子MDA含量显著高于极抗旱谷子品种，极弱抗型谷子MDA含量增加幅度较大，极抗旱谷子品种MDA含量增加幅度较小。在极抗旱谷子品种中，大糟皮MDA含量显著高于14H758、陇谷14、17H1148、大黄谷。在极弱抗旱谷子品种中，吉9806-1的MDA含量显著高于天粟7号，天粟7号MDA含量显著高于朝438、长农44号和长生11。复水后，10个谷子品种MDA含量与胁迫后相比MDA含量水平略有下降，但复水后MDA含量水平仍比胁迫前高。MDA含量变幅为106.667-378.495nmol/g，其中吉9806-1最大，大黄谷最小。极弱抗谷子品种MDA含量整体显著高于极抗旱谷子品种，在极弱抗谷子品种中，吉9806-1的MDA含量显著高于天粟7号，天粟7号MDA含量显著高于朝438和長生11，朝438和长生11的MDA含量显著高于长农44号。在极抗旱谷子品种中，大糟皮的MDA含量显著高于14H758和17H1148，14H758和17H1148的MDA含量显著高于大黄谷和陇谷14。

3 讨论

PEG胁迫浓度的筛选，王振华等[8]在对15个谷子品种萌芽期对干旱胁迫生理响应研究中发现，质量浓度为20%的PEG胁迫条件下，不同品种谷子的发芽率差异明显，确定筛选适宜谷子抗旱鉴定的PEG质量浓度为20%。该结论与本研究一致，但裴帅帅等[9]在对不同品种谷子种子萌发期对干旱胁迫的生理响应及其抗旱性评价研究中认为质量浓度为18%的PEG适合作为谷子抗旱胁迫的筛选条件，这可能是由于裴帅帅采取发芽势作为评价指标，而本研究和王振华均采取发芽率作为评价指标有关。

SOD能清除活性氧自由基等物质，具有保护细胞免受活性氧毒害，维持细胞正常生命活动的功能[9]。邵怡若等[10]研究发现，植物体内SOD活性与抗旱性呈正相关，且在干旱胁迫下植物体内SOD酶活性会提高。本研究中也得到了相同的结论，PEG胁迫后10个谷子品种的SOD酶活性均有提升，且极抗旱型谷子的SOD酶活性升高幅度比极弱抗型谷子的升高幅度大，这说明鉴定谷子抗旱性可以选用SOD酶含量作为重要的评价指标。

POD是一种植物细胞内防御酶系统能清除过多的H2O2等过氧化物的重要的清除酶。朱永波等[6]在对玉米抗旱性鉴定研究中发现，POD酶的活性与农作物本身的抗旱能力密切相关，一般来说，抗旱性强的农作物品种的POD酶的活性能维持相对较高水平。朱学海等[11]和刘佳等[12]人研究均发现，在干旱条件下，植物的POD活性呈现出先上升后下降的变化趋势，该结论与许冰霞等[13]得出的在干旱条件下谷子POD活性呈下降趋势的研究结果不一致。综上，不同的作物在干旱胁迫下其抗氧化保护性物质表现不一致。本研究结果表明，在干旱胁迫下不同抗旱类型谷子品种的POD活性均有升高，但各处理品种间POD酶活性差异不显著，且POD活性变化幅度与谷子抗旱类型没有表现出明显相关性，可能是由于试验材料、处理及测定方式等差异导致。

MDA是植物受到逆境胁迫时体内脂膜过氧化产物之一，对细胞有严重的毒害作用，会严重损伤生物膜[14]。因此，通过测定丙二醛含量来判断膜脂过氧化程度及膜系统的受损程度，可间接评价不同品种的抗逆性[15]。在干旱胁迫下，植物体内MDA含量越高，细胞膜受损程度越高，抗旱性越弱；反之，抗旱性越强[16]。本研究中，10个谷子品种在PEG胁迫后，叶片的MDA含量均呈升高趋势，极弱抗型谷子品种整体比极抗旱谷子品种MDA含量上升幅度大。复水后10个谷子品种的叶片MDA含量开始下降，但仍高于胁迫前水平，原因可能是PEG干旱胁迫造成细胞内膜氧化强烈，短时间内无法完全清除MDA，这一结果与朱学海等[11]和秦岭[2]等研究结果一致。

4 结论

干旱胁迫前，极抗旱型和极弱抗型谷子品种的SOD、POD酶活性差异不显著；极弱抗型谷子品种的MDA含量略高于极抗旱型谷子品种。干旱胁迫后，极抗旱型谷子品种的SOD酶活性增加幅度较大，且显著大于极弱抗型谷子品种。不同抗旱型谷子品种间POD酶活性差异不显著，没有明显规律。极弱抗型谷子品种的MDA含量显著高于极抗旱型谷子品种。复水后，极抗旱型谷子品种的SOD酶活性短时间内仍维持较高水平，而极弱抗型谷子品种的SOD酶活性则与胁迫前水平相近。极抗旱型和极弱抗型谷子品种的POD酶活性水平均下降，但高于胁迫前。极弱抗型谷子品种的MDA含量维持较高水平，显著高于极抗旱型谷子品种，极抗旱型谷子品种的MDA含量则下降至与胁迫前相近水平。综上所述，极抗旱型谷子品种具有较强的抗逆和修复能力。

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