胡根海，董 娜，晁毛妮，张志勇，王清连

（河南科技学院，现代生物育种河南省协同创新中心，河南新乡453003）

PEG模拟干旱胁迫对不同抗逆性棉花的生理特性的影响

胡根海，董 娜，晁毛妮，张志勇，王清连

（河南科技学院，现代生物育种河南省协同创新中心，河南新乡453003）

为了筛选培育棉花抗旱性的有用指标，利用聚乙二醇（PEG6000）模拟干旱，对不同类型棉花苗期干旱处理响应进行了评价。基质育苗后，采用5种不同浓度聚乙二醇胁迫棉花幼苗，7 d后测定叶片的叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸和丙二醛（MDA）含量的变化，比较过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性的差异，结果表明：棉花苗期在不同浓度PEG胁迫下，叶绿素含量在5%的PEG胁迫下，表现含量略升高，高于10%PEG浓度胁迫，叶绿素含量呈现下降的趋势；可溶性糖在10%～25%的PEG胁迫下表现高的含量；可溶性蛋白在5%PEG胁迫时，其含量开始增加并高于对照；游离脯氨酸含量表现为随着胁迫浓度的加大而升高，抗旱、抗盐品种增加的量高于敏感材料；丙二醛含量亦表现为随着胁迫浓度的加大而升高，在5%～15%的范围内，抗旱抗盐品种升高幅度低于敏感材料，在20%，25%的高浓度胁迫下，三种材料的差别很小；三种抗氧保护酶活性在不同材料不同胁迫浓度中表现出差异，POD酶活性在5%PEG干旱胁迫时即表现出上升趋势，在10%、15%胁迫浓度时达到最高值；SOD酶活性在5%的胁迫下高于对照，随着10%、15%、20%PEG浓度逐渐增高，SOD酶活性均表现稳定的高活性；CAT酶活性在5%、10%PEG胁迫时呈现增高趋势，在15%以上的PEG胁迫时活性迅速下降。由此认为，叶绿素、可溶性蛋白、脯氨酸和丙二醛含量可能是干旱胁迫下的植株被动响应的指标，可溶性糖合成可能是一种重要渗透调节方式；在不同干旱级别中不同抗氧保护酶在起主导作用，SOD酶可能是较好的抗旱性选择指标。

棉花；干旱处理；苗期；生理指标

近年来随着全球气候变暖，干旱对农业生产的影响更加严重，我国人多地少粮棉争地的矛盾也更加突出。随着中原粮食核心区建设步伐的加快，棉花种植面积逐年萎缩，为了稳定棉花种植面积，业内人士开始在新疆和内蒙开荒植棉。黄河流域属于大陆性季风气候，气候干燥，降雨量严重不足，不论是内蒙新开棉区，还是新疆、黄河流域棉区，在棉花苗期经常遇到干旱危害，干旱问题已成为严重制约棉花种植的关键问题。棉花苗期的核心任务是一播全苗，在干旱少雨的情况下，种植抗旱品种也是一条出路。前人对棉花干旱胁迫的生理响应方面已做过一些研究，费克伟等［1］研究表明抗旱性强的棉花品种的超氧化物歧化酶活性随着干旱处理时间延长而增加；在干旱胁迫下，耐旱型棉花品种可以通过增加根系渗透调节物质游离脯氨酸含量来提高其耐旱性［2］，不同铃重的棉花品种各部位果枝叶片中丙二醛含量与干旱相关［3］。已有试验只是对某类或单一品种做了研究［4－6］，比较在不同程度的干旱条件下，不同抗逆型品种的生理差异的研究尚未见报道，本试验以抗旱、抗盐、敏盐和敏旱的不同类型棉花品种为材料，设置PEG梯度干旱胁迫处理，探讨了在不同程度干旱条件下，棉花叶片叶绿素、可溶性糖、可溶性蛋白、游离脯氨酸、丙二醛含量和抗氧保护酶活性等生理指标的变化特征，以期为抗旱棉花品种选育和抗旱栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以3个不同抗逆类型的陆地棉品种作供试材料：中 S9612（敏旱、敏盐）、中 H117（抗旱）、中 9835（抗盐）（中国农科院棉花研究所叶武威课题组提供）。

1.2 设计与处理

材料于2015年4月20日播种于装有无土育苗基质的培养箱中，定期喷水使基质保持湿润，待棉花长出3片真叶时开始起苗并轻轻用自来水冲掉基质，置于MS＋PEG营养液中进行胁迫处理，每个处理10株，3次重复，PEG的浓度分别为 5%、10%、15%、20%、25%，以蒸馏水为对照，胁迫处理后7 d对棉花苗取样，每次每个处理取样3～5片叶，用蒸馏水冲洗干净后，吸水纸吸干，剪碎，称取棉花叶片，每份0.3 g左右，编号包装，用液氮速冻后，置于－20℃冰箱中保存备用。

1.3 测定指标与方法

取处理样品测定各生理指标（鲜重），用丙酮浸提法测定叶片的叶绿素含量（mg·g－1），考马斯亮蓝G－250染色法测定可溶性蛋白含量（μg·g－1），蒽酮法测定可溶性糖含量（mg·g－1），用茚三酮比色法测定脯氨酸含量；用硫代巴比妥比色法测定丙二醛含量；愈创木酚氧化法测定过氧化物酶（POD）酶活性（1个酶活力单位U定义为每克鲜重组织每分钟所引起的0.01OD470nm的变化），邻苯三酚自氧化法测定超氧化物歧化酶（SOD）酶活性（1个酶活力单位U定义为：在25℃恒温条件下，每毫升反应液中，每分钟抑制邻苯三酚自氧化率达50%的酶量），过氧化氢酶测定采用紫外吸收法（以1 min内A240减少0.1的酶量为1个酶活力单位）［7］。

1.4 数据统计与分析

所测数据均为3次重复的平均值，在Excel 2003软件中进行整理分析。

2 结果与分析

2.1 梯度干旱胁迫对叶片叶绿素含量的影响

干旱胁迫下叶绿素含量的变化，在一定程度上可以反映植物抵抗干旱胁迫能力的强弱。从图1可看出，干旱胁迫对棉花叶片叶绿素含量产生了显著影响，在5%的PEG浓度胁迫处理下，三个材料的叶绿素含量均升高；在10%以上 PEG浓度时，随着PEG浓度的加大，各处理叶绿素总量均呈现逐渐降低的趋势，且下降幅度随胁迫浓度增加而增大。各处理内均表现为抗旱品种中H177和抗盐品种中9835比敏旱盐品种中S9612的叶绿素含量略高。

图1 PEG梯度浓度处理7 d叶片内叶绿素含量Fig.1 The variation of leaf chlorophyll content under PEG concentration gradient processing within 7 days

2.2 梯度干旱胁迫对叶片可溶性糖含量的影响

渗透调节是植物在干旱环境胁迫发生时的重要生理调节适应机制之一，在干旱条件下，植物细胞可以通过增加可溶性糖的含量来保持渗透势的平衡。如图2所示，不同强度的干旱胁迫条件下3个不同抗逆性棉花品种叶片中可溶性糖的变化表现出差异，随着干旱胁迫的加重，在相同处理时间内可溶性糖含量均呈上升趋势。与对照相比，5%的浓度胁迫处理后可溶性糖含量没有显著性增加。在10%、15%PEG胁迫下，处理后可溶性糖含量中H177和中9835与对照比分别增加 41.4%、40.8%和 40.8%、39.4%，但敏旱盐品种中S9612只增加了0.08%，表明可溶性糖具有重要的生理调节功能，可缓解、抵抗干旱对植物造成的伤害，不同抗逆性品种增加可溶性糖的渗透调节能力有差别，抗旱、抗盐品种在10%PEG干旱胁迫下可溶性糖有较高数量的增加。

2.3 梯度干旱胁迫对叶片可溶性蛋白含量的影响

植物在逆境条件下通过提高可溶性蛋白的合成速率，增加其含量来直接参与适应逆境胁迫，高含量的可溶性蛋白可使细胞维持较低的渗透势，抵抗水分胁迫带来的伤害。从图3可以推知，3个不同抗逆类型棉花品种在同等的干旱胁迫下表现出类似的响应，但响应存在差异。在低浓度5%胁迫下，各品种可溶性蛋白质的合成均迅速增加，中 H177、中9835和中 S9612增加的倍数分别为 1.76、2.00和1.65；在 10%胁迫下增加倍数为 2.71、3.00、2.20，这显示在低浓度的PEG胁迫下，棉花可溶性蛋白会迅速增加，但抗旱、抗盐品种增加倍数仅略高于敏感材料。在15%PEG浓度胁迫下，中H177和中9835仍然有较高的可溶性蛋白含量，但敏感品种已经低于对照，在20%、25%高浓度的PEG胁迫下，3个品种的可溶性蛋白含量均低于对照。

图2 PEG梯度浓度处理7 d叶片内可溶性糖含量Fig.2 The variation of leaf soluble sugar content under PEG concentration gradient processing within 7 days

图3 PEG梯度浓度处理7 d叶片内可溶性蛋白含量Fig.3 The variation of leaf soluble protein content under PEG concentration gradient processing within 7 days

2.4 梯度干旱胁迫对叶片内游离脯氨酸的影响

在植物遇到干旱时，植物体内会积累大量的游离脯氨酸，细胞内脯氨酸含量的增加降低了水势，从而使细胞在干旱环境下继续吸水。图4结果表明，随着PEG胁迫浓度的增加，三个品种的棉花叶片中游离脯氨酸的含量也逐渐增加，但不同品种与对照比较增加的幅度不同，在 5%、10%、15%、20%和25%PEG胁迫下，抗旱品种中 H177分别增加53.3%、70.2%、86.7%、160.0%和 162.0%；抗盐品种中 9835分别增加 45.3%、51.6%、75.4%、132.0%和147.3%；敏旱敏盐品种中 S9612分别增加 12.4%、50.3%、73.6%、122.0%和 122.4%。在同一胁迫浓度下，一般是抗旱品种中H177增加最高，敏旱敏盐的材料中S9612增加最少。

图4 PEG梯度浓度处理7 d叶片内游离脯氨酸含量Fig.4 The variation of leaf proline content under PEG concentration gradient processingwithin 7 days

2.5 梯度干旱胁迫对叶片内MDA含量的影响

丙二醛（MDA）是反映植物干旱胁迫下细胞膜脂过氧化作用的重要指标，其积累是活性氧毒害作用的直接表现。从图5可以推知，在没有PEG胁迫的对照中，三个材料的丙二醛含量没有显著的差异。在5%PEG胁迫下丙二醛浓度有所上升，在PEG胁迫浓度为10%、15%的处理中丙二醛含量继续上升，在5%、10%和15%的胁迫处理中抗旱、抗盐材料和敏旱敏盐材料之间含量差异达到显著性差异水平（P≤0.05），在5%～15%范围内，三个材料比较，抗旱中H177，抗盐中9835的丙二醛含量均低于敏旱敏盐材料。但在20%、25%的高浓度 PEG胁迫下，三个材料差别很小。

2.6 梯度干旱胁迫对叶片内POD活性的影响

POD能清除植物体内过多的H2O2等过氧化物，防止H2O2对细胞膜造成伤害，是细胞内防御酶系统中重要的清除酶之一，从图6中可以看出在模拟干旱处理后，3个不同抗逆类型品种表现出了不同的响应。在5%、10%的轻度干旱胁迫下，三个品种的POD活性均升高，胁迫越强升高越多；在15%中度胁迫时，中H177和中9835继续表现出POD活性升高，而敏感品种中S9612则表现为酶活性下降。在20%PEG浓度胁迫下所有材料均表现POD活性下降，但下降幅度不同，中H177和中9835仍然高于对照，敏感品种中S9612则低于对照。

图5 PEG梯度浓度处理7 d叶片内丙二醛含量Fig.5 The variation of leafMDA contentunder PEG concentration gradient processing within 7 days

图6 PEG梯度浓度处理7 d叶片过氧化物酶活性的变化Fig.6 The variation of leaf POD under PEG concentration gradient processing within 7 days

2.7 梯度干旱胁迫对叶片内SOD活性的影响

SOD是植物组织防御系统中的重要保护酶，在逆境条件下能清除过氧化氢、活性氧等物质，从而保护细胞。从图7可推知，在不同PEG浓度处理下，SOD的反应存在差别，5%～20%的胁迫可以诱导组织SOD活性升高，中H177和中9835随着干旱梯度增加SOD活性升高的幅度也在增加，在15%PEG梯度水平最高，中S9612表现在5%PEG浓度处理开始升高，在10%PEG浓度处理下达到酶活性最高值，但在高于15%PEG浓度时表现下降，在25%重度干旱胁迫下，其SOD活性已降至对照以下。

图7 PEG梯度浓度处理7 d叶片超氧化物歧化酶活性的变化Fig.7 The variation of leaf SOD under PEG concentration gradient processing within 7 days

2.8 梯度干旱胁迫对叶片内CAT活性的影响

CAT作为过氧化物的重要清除剂，在植物的抗逆性上起着重要的作用，从图8可推知，在不同PEG浓度处理下，CAT的反应存在不同，在5%、10%的胁迫下，可以诱导组织使CAT活性升高，并显著高于对照，三个材料的CAT活性均随着干旱梯度增加而升高，中S9612在5%低干旱梯度水平即达到最高，中9835和中H177在10%PEG胁迫浓度时达到最高，但中H177酶活性略低于中9835，在15%PEG浓度处理时酶活性均开始下降，在20%、25%更高PEG浓度中，CAT活性已降至对照以下。

图8 PEG梯度浓度处理7 d叶片过氧化氢酶活性的变化Fig.8 The variation of leaf CAT under PEG concentration gradient processing within 7 days

3 讨论与结论

作物在受到干旱胁迫以后，植物体会启动相应的防御机制，以降低环境变化对植物体的损害。与作物干旱胁迫有关的指标有多个，这些指标在不同等级干旱胁迫下是否都发挥作用，或所起作用的大小是否有别还未见探讨。

本文首次对不同等级干旱胁迫下，棉花的几个生理指标的干旱响应做了探讨。已有观点认为不同PEG胁迫时间会导致不同干旱胁迫响应指标达到峰值的时间不同［8］，试验选取处理7 d后叶片对各指标进行测定评价，结果显示叶绿素含量在5%的PEG胁迫下，表现含量略升高，高于10%PEG浓度胁迫下，表现为叶绿素含量的下降；该结论与玉米干旱处理下叶绿素含量变化一致［9］，进一步分析显示抗旱抗盐材料叶绿素含量下降的幅度低于敏感材料。可溶性糖的分析显示，可溶性糖含量在10%～25%的PEG胁迫下表现高的含量，在10%以上PEG胁迫下抗旱、抗盐的材料均有可溶性糖含量的渗透调节，抗性材料有较高幅度的可溶性糖增加，而敏旱敏盐材料仅有较少的增加。就可溶性蛋白而言，在5%～10%浓度的PEG胁迫下，棉花可溶性蛋白均会迅速增加，但抗旱、抗盐品种增加倍数高于敏感材料，在15%浓度下敏旱敏盐和抗旱和抗盐品种有显著差异；这说明或许在15%中度干旱胁迫下，抗旱、抗盐的可溶性蛋白稳定性更强，而敏盐敏旱品种此时可溶性蛋白可能已经因干旱胁迫而分解。叶片中游离脯氨酸含量表现为随着胁迫浓度的加大而升高，但抗旱抗盐品种升高数量高于敏感材料；叶片中丙二醛含量表现为随着胁迫浓度的加大而升高，在5%～15%的范围内，抗旱抗盐品种升高幅度低于敏感材料，在20%、25%的高浓度胁迫下，三种材料的差别很小；干旱可以使棉花幼苗叶片脯氨酸和丙二醛含量升高的结论与干旱胁迫下马铃薯幼苗的生理反应特性相一致［10］，但本试验进一步揭示了抗旱抗盐材料的增加幅度小于敏感材料的新观点。

在正常生长条件下，植物体内活性氧自由基的产生与保护酶系统SOD、POD及CAT等有效的清除共同维持氧化还原的动态平衡，从而不会引起氧化伤害；邓茳明等［11］研究认为棉花花药保护酶活性随生育进程推进而逐渐改变酶活性，耐高温棉花花药SOD和POD活性在花粉粒成熟期显著高于敏感类型，而CAT活性在整个发育时期均分别显著高于敏感类型材料。李伶俐等［12］在研究不同熟性的棉花叶片的抗氧保护酶活性时也发现扩展期叶片的SOD活性高，而POD活性较平稳；中期叶片的SOD、POD活性均不断提高；后期叶片SOD表现分2类：一类持续升高，该类表现强抗旱性，另一类开始下降，该类表现不抗旱。本试验发现三叶期的棉花在不同PEG胁迫下，三种抗氧保护酶活性在不同材料之间也表现了活性差异。三种抗氧保护酶响应与PEG胁迫的强度存在某些关联，POD活性在5%轻度PEG干旱胁迫即表现了酶活性上升，在10%、15%时达到 POD的最高酶活性，在20%、25%高强度PEG干旱胁迫下表现酶活性下降。SOD酶活性在5%的轻度胁迫下升高超越对照，在10%、15%、20%逐渐增加PEG干旱胁迫下均表现稳定的高活性，在25%的干旱胁迫下，抗旱抗盐材料的SOD酶活性仍高于对照。CAT酶活性表现低浓度PEG胁迫时导致活性增高，15%以上的PEG胁迫呈现活性迅速下降，在20%、25%胁迫下其酶活性均低于对照水平。酶活性的可诱导性与王燕芳的结果一致［13］。实验结果认为在不同PEG干旱模拟胁迫下，三种酶活性可能存在差异，在5%～10%的轻度PEG胁迫下棉花主要是CAT在起主导作用，在10%～15%的中度胁迫下主要是POD酶在起主导作用，在10%～20%的中高度胁迫下，SOD酶起主导作用，抗旱抗盐与敏旱敏盐材料比较均表现为抗性材料同期干旱胁迫下酶活性一般高于敏感材料，这说明依据抗氧保护酶活性之间的差异选择抗性材料有其理论基础，在研究不同材料玉米幼苗的抗氧保护酶的差别时也得到了一致的结果［14］，不同干旱强度胁迫下，起主导作用的抗氧保护酶也有差别，本试验结果显示中高强度的干旱胁迫下SOD起主导作用，这提示我们棉花苗期的叶片在受干旱胁迫时的抗性保护中SOD可能是最重要的保护酶，在抗干旱材料的选育中，可以在中高强度干旱胁迫下，依据SOD酶活性的高低进行材料的选择。试验结论反映了在不同干旱级别不同酶在起主导作用，这也为抗旱材料选择提供理论基础。

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Effects of drought stress simulated by PEG6000 on physiological characteristics of different upland cotton

HU Gen-hai，DONG Na，CHAOMao-ni，ZHANG Zhi-yong，WANG Qing-lian
（Henɑn Institute of Scienceɑnd Technology，Collɑborɑtive Innovɑtion Center of Modern Biologicɑl Breeding He’nɑn Province，Xinxiɑng，He’nɑn 453003，Chinɑ）

In order to find useful indexes of the drought resistance cotton，treatment response of different cotton types seedlingswas evaluated by using PEG6000 simulated drought.First，usingmatrix seedlings，and then the cotton seedlings were stressed by five different concentration of PEG.After the stress lasted for seven days，the content changes of chlorophyll，soluble sugar，soluble protein，proline and malondialdehyde of seedling leaves weremeasured，and the differences of peroxidase，superoxide dismutase and catalase activity were compared.The results showed that the cotton seedling presented different physiological characteristics under the stress of different concentration PEG stress，Chlorophyll content increased slightly under 5%PEG stress than the control，and chlorophyll contentwas lower than control in the 10%PEG stress；soluble sugar content showed higher levels under 10%～25%PEG stress；Soluble protein content increasedmore than control under5%PEG stress；Proline content in leaves increased with the increase of stress concentration，But proline content of drought resistant and salt resistant varietieswere higher than sensitivematerials；malondialdehyde content in leaves had similar trends as proline，but in the range of 5%～15%，the drought resistant and salt resistant varietieswere lower than the sensitivematerials，under20%，25%PEG stress，the difference of three kinds ofmaterialwas very small.Three kinds of antioxidant protection enzymes showed different change patterns of activity under differentmaterial treatments.The enzyme activity of peroxidase increased from 5%PEG stress，and the highest enzyme activity of peroxidasewere displayed in 10%，15%stress concentration.The enzyme activity of SOD in 5%PEG stress was higher than that of the control，and alongwith the increased PEG stress（10%，15%，20%），SOD enzyme activities were stable and keeping higher levels.The enzyme activity of CAT increased in low concentration PEG stress（5%，10%），and it decreased rapidly in more than 15%PEG stress.In conclusion，chlorophyll content，soluble protein，proline and malondialdehydemay be indexes of passive response of plants under drought stress.The soluble sugar is a kind of important osmotic regulation substance.In different levels of drought，different antioxidant protection enzymes play leading role，SOD enzymemay be a better drought resistance selection index.

cotton；drought treatment；seedling stage；physiological indexes

S562.034

A

1000-7601（2017）05-0223-06

10.7606／j.issn.1000-7601.2017.05.33

2016-07-04

2016-09-20

河南省教育厅科学技术研究重点项目（16A210023）

胡根海（1966—），男，河北邢台人，博士，副教授，主要从事棉花逆境生理方面的研究。E-mail：hgh1013＠126.com。