刘敏轩，张 婷，师志刚，张喜瑞 ，杨伟红，李 琳，高 翔，董 立 ，程汝宏，杨振立，王根平*

（1.河北省农林科学院谷子研究所，国家谷子改良中心，河北省杂粮研究实验室，河北 石家庄 050035；2.中国农业科学院作物科学研究所，国家农作物基因资源与基因改良重大科学工程，北京 100081；3.河北省农林科学院，河北 石家庄 050035）

干旱胁迫是各种环境胁迫中比较常见的逆境因子之一，植物对干旱胁迫的响应是极为复杂的生理生化反应，并形成了受遗传控制的适应机制[1-4]。干旱胁迫会导致植物细胞代谢紊乱，如活性氧自由基代谢失衡、细胞渗透势改变等[5]。活性氧自由基能引起膜脂过氧化，对细胞膜造成损伤，影响细胞的正常代谢。植物体内存在抗氧化物酶如超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）等，在干旱条件下能加快植物体内活性氧的清除，保护植物细胞免受伤害[6]。另外，植物受到干旱胁迫后，体内的渗透调节物质如脯氨酸、可溶性糖等进行积累，一方面可促进植物体内活性氧的清除，另一方面可降低细胞渗透势以维持叶片水分含量，进而维持细胞正常的生理代谢[7-9]。研究表明，逆境胁迫下植物体内抗氧化物酶活性以及渗透调节物质和膜脂过氧化产物丙二醛（MDA）含量的高低与植物抗旱性的强弱存在密切关系[10-12]。

谷子（Setaria italicL.）起源于我国，是传统的抗旱作物，但不同品种间抗旱性存在较大差异。以优质、抗旱谷子品种冀谷34[13-15]为试材，豫谷18[16]为对照，研究二者在不同干旱胁迫条件下幼苗叶片保护酶活性、渗透调节物质和MDA含量的变化，旨为揭示冀谷34的抗旱生理，并为谷子品种抗旱性鉴定和抗旱品种筛选提供依据。

1 材料与方法

参试谷子品种为优质抗旱、兼抗拿捕净和阿特拉津除草剂品种冀谷34（河北省农林科学院谷子研究所选育）；对照品种为全国谷子品种区域适应性联合鉴定对照品种豫谷18。

试验于2017年10月在河北省农林科学院谷子研究所实验室进行，采用含有不同浓度PEG-6000的Hoagland营养液模拟不同程度的干旱胁迫。选取饱满、无病虫的谷种，用20% 次氯酸钠消毒20 min，播于事先装入营养土（草炭、田间土、蛭石按体积比1.5颐1颐1配制而成） 的花盆 （直径 33 cm、高 30 cm）中，在正常条件下培养。待谷子幼苗长至4-5片叶时，选取长势一致的幼苗移至室内Hoagland营养液（pH值5.8）中培养。2 d后将幼苗分别移至含有不同浓度PEG-6000的Hoagland营养液中进行干旱胁迫处理，试验PEG-6000浓度设0（CK）、6% （轻度胁迫）、18% （中度胁迫）和30% （重度胁迫）4个处理，每重复8株，每处理均3次重复。

干旱胁迫处理3 d后，取样测定相关指标。其中，SOD、CAT和POD活性测定按照苏州科铭生物试剂有限公司试剂盒说明书进行；MAD含量测定采用硫代巴比妥酸（TBA）法[17]；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[17]；可溶性蛋白质含量测定采用BCA法[17]；游离脯氨酸含量测定参照李合生等[18]方法进行：称取叶片0.5 g放入具塞试管中，加3% 黄基水杨酸5 mL，在沸水浴中提取10 min，离心，取上清液2 mL，再加入冰醋酸2 mL和酸性茚三酮2 mL，沸水浴显色30 min，在波长520 nm处比色测定。

利用Microsoft Excel和SPSS 16.0软件进行数据分析。采用最小显著差异法进行显著性检验，P约0.05表示差异显著。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

植物抗氧化酶活性的高低可以反映品种抗旱性的强弱。参试品种干旱胁迫处理的叶片SOD、CAT和POD活性均跃其CK，且指标值均随胁迫程度的加重呈先升高后降低的变化趋势，其中，SOD活性均在轻度胁迫下达到最高，CAT和POD活性均在中度胁迫下达到最高；但不同胁迫程度下，2个品种的3种抗氧化酶活性均存在差异，其中，冀谷34增幅较大，豫谷18变化相对比较平稳（图1-3）。

在轻度、中度、重度干旱胁迫下，冀谷34的SOD活性分别较其CK提高了107.8% 、53.9% 和53.8% ，且差异均达到了显著水平；豫谷18的SOD活性分别较其CK提高了16.3% 、12.8% 和3.3% ，增幅均显著约冀谷34。3种干旱胁迫程度下，冀谷34的SOD活性均显著跃豫谷18，增幅分别为39.9% （轻度胁迫）、6.9% （中度胁迫）和16.6% （重度胁迫）。

在轻度、中度、重度干旱胁迫下，冀谷34的CAT活性分别较其CK提高了1.04倍、2.41倍和1.56倍，且差异均达到了显著水平；豫谷18的CAT活性分别较其CK提高了0.21倍、0.30倍和0.18倍，增幅均显著约冀谷34。3种干旱胁迫程度下，冀谷34的CAT活性均显著跃豫谷18，增幅分别为8.5% （轻度胁迫）、68.9% （中度胁迫）和38.8% （重度胁迫）。

在轻度、中度、重度干旱胁迫下，冀谷34的POD活性分别较其CK提高了0.35倍、1.18倍和0.62倍，且差异均达到了显著水平；豫谷18的POD活性分别较其CK提高了0.33倍、0.63倍和0.37倍，增幅均约冀谷34。3种干旱胁迫程度下，冀谷34的POD活性均显著跃豫谷18，增幅分别为10.4% （轻度胁迫）、45.7% （中度胁迫）和28.2% （重度胁迫）。

图1 不同程度干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片SOD活性的影响Fig.1 Effects of different drought stress on SOD activity in Jigu 34 leaf

图2 不同程度干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片CAT活性的影响Fig.2 Effects of different drought stress on CAT activity in Jigu 34 leaf

图3 不同程度干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片POD活性的影响Fig.3 Effects of different drought stress on POD activity in Jigu 34 leaf

综上分析可以看出，在干旱胁迫下，参试谷子品种均可通过迅速提高体内抗氧化酶活性来达到清除活性氧的目的，保护细胞免受损伤。但是，不同的干旱胁迫条件下，冀谷34的3种抗氧化酶活性均显著高于豫谷18。表明苗期冀谷34抵御活性氧的能力较强，其抗旱调节能力较强。

2.2 干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片渗透调节物质含量的影响

干旱胁迫使植物细胞渗透势增加，造成植物失水。细胞内渗透调节物质含量的增加，可以降低细胞渗透势，维持植物叶片水分的平衡。因此，在干旱胁迫下，细胞内渗透调节物质积累的多少可以反映植物抗旱性的强弱。

参试品种干旱胁迫处理的叶片脯氨酸含量均跃其CK，且指标值均随胁迫程度的加重呈逐渐升高趋势，在重度胁迫下达到最高；但不同胁迫程度下，2个品种的脯氨酸含量存在差异，其中，冀谷34增幅较大，豫谷18变化相对比较平稳（图4）。在轻度、中度、重度干旱胁迫下，冀谷34的脯氨酸含量分别较其CK提高了6.2倍、7.6倍和8.0倍，差异均达到了显著水平；豫谷18的脯氨酸含量分别较其CK提高了1.3倍、1.5倍和1.8倍，增幅均显著约冀谷34。3种干旱胁迫程度下，冀谷34的脯氨酸含量均显著跃豫谷18，增幅分别为1.8倍（轻度胁迫）、2.1倍（中度胁迫）和1.9倍（重度胁迫）。

图4 不同程度干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片脯氨酸含量的影响Fig.4 Effects of different drought stress on the content of proline in Jigu 34 leaf

参试品种干旱胁迫处理的叶片可溶性糖含量均跃其CK，但二者指标值随胁迫程度加重而表现出的变化趋势不同，其中，冀谷34呈先升高后降低趋势，在中度胁迫下达到最高；而豫谷18呈先升高后降低再升高的趋势，在重度胁迫下达到最高（图5）。参试品种干旱胁迫处理的叶片可溶性蛋白质含量均跃其CK，且指标值均随胁迫程度的加重呈先升高后降低的变化趋势，在中度干旱胁迫下达到最高（图6）。但不同胁迫程度下，2个品种的可溶性糖和可溶性蛋白含量存在差异，其中，冀谷34增幅较大，豫谷18变化相对比较平稳。在轻度、中度、重度干旱胁迫下，冀谷34的可溶性糖含量分别较其CK提高了2.2倍、4.2倍和2.1倍，可溶性蛋白质含量分别较其CK提高了0.7倍、1.0倍和0.3倍，差异均达到了显著水平；豫谷18的可溶性糖含量分别较其CK提高了1.0倍、0.7倍和1.0倍，可溶性蛋白含量别较其CK提高了0.1倍、0.3倍和0.1倍，增幅均约冀谷34。3种干旱胁迫程度下，冀谷34的可溶性糖和可溶性蛋白质含量均显著跃豫谷18，其中，可溶性糖含量增幅分别为48.4% （轻度胁迫）、182.9% （中度胁迫）和43.8% （重度胁迫），可溶性蛋白质含量增幅分别为60.1% （轻度胁迫）、52.9% （中度胁迫）和14.4% （重度胁迫）。

图5 不同程度干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片可溶性糖含量的影响Fig.5 Effects of different drought stress on the content of soluble sugar in Jigu 34 leaf

图6 不同程度干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片可溶性蛋白质含量的影响Fig.6 Effects of different drought stress on the content of soluble protein in Jigu 34 leaf

综上分析可以看出，在干旱胁迫下，参试谷子品种均可通过增加胞内渗透物质的含量来提高其抗旱性。但是，不同的干旱胁迫条件下，冀谷34的3种胞内渗透物质含量均显著高于豫谷18。表明苗期冀谷34的抗旱调节能力较强。

2.3 干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片膜脂过氧化作用的影响

丙二醛（MDA）是膜脂过氧化作用的产物，反映了膜脂受损的程度。参试品种干旱胁迫处理的叶片MDA含量均显著跃其CK，且指标值均随胁迫程度的加重呈先升高后降低的变化趋势，在中度干旱胁迫下达到最高；但不同胁迫程度下，2个品种的MDA含量存在差异，其中，豫谷18变化较大，冀谷34变化相对平稳（图7）。

图7 不同程度干旱胁迫对冀谷34幼苗叶片丙二醛含量的影响Fig.7 Effects of different drought stress on MDA content in Jigu 34 leaf

在轻度、中度干旱胁迫下，冀谷34的MDA含量分别较其CK提高了12.90% 和70.84% ；豫谷18的MDA含量分别较其CK提高了37.35% 和105.88% ，增幅均跃冀谷34；最终，冀谷34的MDA含量均约豫谷18。说明冀谷34的膜系统受损程度轻于豫谷18，抗旱性相对较强。在重度干旱胁迫下，2个品种的MDA含量均约其中度胁迫下的MDA含量，但冀谷34的MDA含量跃豫谷18。推测原因可能是严重干旱胁迫时保护酶活性降低，膜脂受损伤程度加重，细胞内物质渗漏导致MDA含量降低，而冀谷34的膜脂受损伤程度较豫谷18轻，使得冀谷34中的MDA含量跃豫谷18。

3 结论与讨论

干旱胁迫后植物体内的抗氧化酶活性和渗透调节物质含量与植物的抗旱性密切相关，可作为衡量植物抗旱性强弱的指标；而丙二醛是膜脂过氧化的最终产物，其含量可以反映植物遭受逆境伤害的程度[6，19，20]。本研究结果显示，在干旱胁迫下，与豫谷18相比，冀谷34具有较强的抗氧化酶（SOD、POD、CAT）活性和渗透调节物质（脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白质）积累能力，以及低的丙二醛含量。说明冀谷34具有较强的耐旱性，其耐旱性强于豫谷18。

干旱是植物较为常见的逆境胁迫，影响作物的生理生化和生长发育。逆境胁迫下植物体内产生的活性氧能够过氧化膜脂，破坏细胞膜的结构和功能，造成细胞膜损伤，严重时导致细胞死亡。植物体内能够清除活性氧自由基的抗氧化酶，在保护细胞膜脂过氧化、维护细胞膜结构与功能、防止细胞免受损伤中起重要作用。不同作物、不同品种类型对逆境胁迫的敏感性不同。抗旱性强的品种，在逆境条件下，细胞中的SOD、POD和CAT能维持较高的活性水平，利于对活性氧自由基的清除，从而降低膜脂过氧化水平，减轻膜的伤害程度[4，21，22]。本试验结果显示，干旱胁迫下，冀谷34的叶片SOD、POD和CAT活性均显著高于未胁迫的对照；且同一干旱胁迫条件下，其3种酶的活性均显著高于豫谷18，轻度和中度胁迫下膜脂过氧化产物MDA含量也低于豫谷18。说明在逆境胁迫下，与对照品种豫谷18相比，冀谷34能够维持较高的抗氧化物酶活性水平，减轻活性氧对细胞膜的损伤，具有更强的抗旱性。与中度胁迫相比，重度胁迫条件下2个品种的3种抗氧化酶活性均出现降低，说明在严重干旱时膜脂受损伤程度加重，这与植物的生长表型一致。另外，在重度胁迫下冀谷34中的MDA含量高于豫谷18，推测原因可能是严重干旱胁迫下保护酶活性降低，膜脂遭受的损伤加重，细胞内物质出现渗漏，但冀谷34的膜脂受损伤程度较豫谷18轻，使得冀谷34的MDA含量高于豫谷18。

渗透调节也是植物应对逆境胁迫、自我保护的一种重要方式[20]。在逆境胁迫下，植物体内会积累大量渗透调节物质，维持细胞渗透势，保证正常的生理代谢活动；但细胞内累积的渗透调节物质种类与含量会因作物种类和品种类型的不同而存在差异[9]。抗旱性强的品种，逆境条件下渗透调节物质含量较高。本研究结果显示，随着干旱胁迫程度的加重，2个谷子品种叶片中的脯氨酸含量均逐渐升高，轻度、中度、重度干旱胁迫时冀谷34的脯氨酸含量较其未胁迫的对照分别提高了6.2倍、7.6倍和8.0倍，豫谷18较其未胁迫的对照分别提高了1.3倍、1.5倍和1.8倍。3种干旱胁迫条件下，冀谷34的脯氨酸含量分别较豫谷18提高了1.8倍（轻度胁迫）、2.1倍（中度胁迫）和1.9倍（重度胁迫），进一步说明冀谷34的抗旱性高于豫谷18。3种胁迫条件下，冀谷34叶片的可溶性糖和可溶性蛋白质含量均高于未胁迫的对照，2个指标值均随胁迫程度的加重呈先升高后降低的变化趋势，但变幅小于脯氨酸的变幅。脯氨酸作为冀谷34的重要调节物质，参与冀谷34的抗旱生理反应。