杨艳君，冯志威，赵红梅，陈林晶

（1.晋中学院生物科学与技术学院，山西晋中030600；2.山西省农业科学院，山西太原030031）

谷子（Setaria）又称粟，是禾本科狗尾草属最古老的作物之一，营养丰富，具有极高的保健及药用价值[1-2]。相对常规谷[3-4]，杂交谷具有明显的高产优势[5-7]，但都存在除草难的问题。除草方法有多种，如化学除草，是以保护有益作物为目的、杀伤杂草的一项除草技术[8]。常用的除草剂品种为有机化合物类，其中，除草剂拿捕净，又称烯禾啶（sethoxydim），通常有20%拿捕净乳油和12.5%拿捕净机油乳剂2 种。但是，使用除草剂会对农作物产生胁迫，进而导致农作物体内发生复杂的生理生化变化[9-10]。脯氨酸（Pro）是植物蛋白质的组分之一，在高等植物中，常以游离状态存在。大量的研究资料表明，农作物在受到干旱、盐渍、低温等胁迫后其体内常常会有大量脯氨酸的快速积累，积累的脯氨酸可以起到保护细胞的作用[11]。现已证明，农作物体内的脯氨酸有2 种合成途径，根据其起始物质，可分为谷氨酸途径和鸟氨酸途径，其中，吡咯琳－5－羧酸合成酶为谷氨酸合成途径的关键酶[12]。赵贵林等[13]在研究干旱胁迫下水稻脯氨酸及代谢酶活性时得出，在受到胁迫后，水稻叶片中的脯氨酸快速积累，积累下的高含量脯氨酸可以使农作物在受胁迫时维持光合作用的正常进行。柯贞进等[14]研究表明，适当浓度的丙聚烯酰胺浸种可缓解干旱胁迫对谷子萌发和幼苗生长造成的伤害，增强谷子的抗旱性。李志华等[15]研究表明，除草剂对谷子安全，并可以起到有效控制谷田杂草的作用。目前，有关除草剂对杂交谷和常规谷脯氨酸含量及代谢酶活性影响的研究鲜见报道。

本研究通过2 因素4 水平试验，研究在除草剂拿捕净胁迫下，常规谷（晋谷21 号、晋谷59 号）和杂交谷（张杂谷5 号、张杂谷13 号）脯氨酸含量及代谢酶活性的变化，旨在为进一步研究除草剂对杂交种和常规种谷子脯氨酸含量及代谢酶活性的影响提供理论依据，为杂交谷的推广奠定理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试谷子品种为张杂谷5 号、张杂谷13 号、晋谷21 号和晋谷59 号。

1.2 试验方法

试验于2018 年5—9 月在山西省榆次区什贴镇山庄头村试验田进行，试验地前茬作物为马铃薯。试验采用2 因素4 水平完全随机设计，其中，2个因素分别为谷子品种（A）和拿捕净浓度（B），因素A设4 个水平：A1.张杂谷5 号，A2.张杂谷13 号，A3.晋谷21 号，A4.晋谷59 号；因素B 设4 个水平：B1.0 倍浓度，B2. 0.5 倍浓度（1.25 mL/L），B3. 1.0 倍浓度（2.5 mL/L），B4.2 倍浓度（5.0 mL/L），其中，1.0 倍浓度为推荐浓度。共16 个处理组合，随机安排小区，试验区周围设有保护行，每个处理重复3 次。播前统一灌水，统一旋耕。3～5 叶期时根据设计密度统一间苗、定苗。六七叶期时，谷子分别喷施4 种浓度的除草剂拿捕净（12.5%拿捕净机油乳剂）。7 d 后分别称取4 种谷子的叶片各3 g 备用。每个小区重复5 次。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 脯氨酸含量测定 脯氨酸含量测定参照张宪政等[16]与职明星等[17]的方法进行。称取叶片0.5 g，用3%磺基水杨酸5 mL 研磨，提取匀浆，移至离心管中，沸水浴提取10 min，冷却，3 000 r/min 离心10 min，取2 mL 上清液，加入2 mL 蒸馏水、2 mL 冰醋酸和4 mL 酸性茚三酮，混匀置沸水浴中显色1 h，冷却后加入4 mL 甲苯，振荡30 s，静置分层，吸取红色甲苯相，于波长520 nm 比色，记录OD 值，以二甲苯为对照。最后从标准曲线上查得样品测定液中脯氨酸的浓度。计算样品中脯氨酸含量。

式中，A 为样品中脯氨酸含量（μg/g）；C 为从标准曲线上查得的脯氨酸质量浓度（μg/mL）；V 为样品稀释体积（mL）；W 为样品质量（g）。

1.3.2 吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性测定 吡咯琳-5- 羧酸合成酶（P5CS）活性测定参照KAVI 等[18]与韩晓玲等[19]的方法进行。

1.3.2.1 酶液提取 称取叶片0.5 g，加入抽提液（100 mmol/L Tris-HCl pH 值7.2，20 mmol/L MgCl2、1 mmol/L DTT、1 mmol/L PMSF）5 mL，冰浴研磨，匀浆4 ℃冰冻7 000 r/min 离心20 min，吸取上清液，于4 ℃保存备用。

1.3.2.2 酶活性测定 取上述酶提取液1 mL，加入反应缓冲液1.6 mL（100 mmol/L Tris-HCl pH 值7.2，20 mmol/L MgCl2、5 mmol/L ATP、75 mmol/L 谷氨酸钠），加入0.4 mmol/L NADPH 0.2 mL 启动反应，30 ℃反应20 min，吸取上清液于535 nm 波长下比色，记录OD 值，以未加ATP 的反应管作为空白对照。

1.4 统计分析

采用SAS 软件对数据进行统计分析。对不同浓度除草剂之间、不同品种之间以及不同浓度拿捕草不同品种互作之间谷子的脯氨酸及代谢酶活性数据进行方差分析，对有差异者进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同品种对谷子叶片中脯氨酸含量及代谢酶活性的影响

将试验数据进行基本描述性统计（表1），可以得出，在受拿捕净胁迫后A1处理的脯氨酸含量及吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性最高，其后依次为A2、A3、A4处理。方差分析表明，不同品种谷子叶片中的脯氨酸及代谢酶活性均存在极显著差异（P＜0.01）。多重比较结果表明（表1），A1、A2处理脯氨酸含量及吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性极显著高于A3、A4处理，A1处理与A2处理脯氨酸含量及吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性无显著差异，A3处理脯氨酸含量及吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性极显著高于A4处理。

表1 不同谷子品种之间叶片脯氨酸含量和代谢酶活性的差异性比较

2.2 不同浓度拿捕净对谷子叶片中脯氨酸含量及代谢酶活性的影响

从表2 可以看出，拿捕净4 个浓度胁迫下谷子叶片中脯氨酸含量及吡咯琳-5-羧酸合成酶活性均随着其浓度的升高依次增加。通过方差分析可以得出，不同浓度拿捕净处理后谷子叶片中的脯氨酸含量及代谢酶活性均存在极显著差异（P＜0.01）。多重比较结果表明（表2），B4（2 倍浓度）处理谷子脯氨酸含量及吡咯琳-5-羧酸合成酶活性极显著高于其他浓度处理，B3（1 倍浓度）处理谷子脯氨酸含量及吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性极显著高于B2（0.5倍浓度）和B1（0 倍浓度）处理，B2（0.5 倍浓度）处理谷子脯氨酸含量及吡咯琳-5-羧酸合成酶活性极显著高于B1（0 倍浓度）处理。

表2 不同浓度拿捕净处理对谷子叶片脯氨酸含量及代谢酶活性的影响

2.3 不同谷子品种在不同浓度拿捕净处理下对谷子叶片中脯氨酸含量及代谢酶活性的影响

通过方差分析可以得出，不同品种在不同浓度拿捕净处理下谷子叶片中脯氨酸含量存在极显著差异（P＜0.01）。多重比较结果表明（表3），在2 倍浓度拿捕净处理下A1B4、A2B4处理脯氨酸含量较高；在0 倍浓度拿捕净处理下A4B1脯氨酸含量最低；在1 倍浓度拿捕净处理下，A1B3、A2B3处理的脯氨酸含量极显著高于A3B3、A4B3处理，A1B3、A2B3处理的脯氨酸含量无显著差异，A3B3处理的脯氨酸含量极显著高于A4B3处理；在0.5 倍浓度拿捕净处理下，A1B2、A2B2处理的脯氨酸含量极显著高于A4B2处理，但A1B2处理与A2B2处理间及A3B2处理与A4B2处理间的脯氨酸含量无显著差异。

表3 品种和浓度互作对脯氨酸含量和吡咯琳-5-羧酸合成酶活性的影响

通过方差分析可以得出，不同品种在不同浓度拿捕净谷子叶片中的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性存在极显著差异（P＜0.01）。多重比较结果表明（表3），在2 倍浓度拿捕净处理下A1B4处理吡咯琳-5-羧酸合成酶活性最强；在0 倍浓度拿捕净处理下A4B1处理吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性最低，A1B1、A2B1处理的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性极显著高于A3B1、A4B1处理，但A1B1、A2B1处理之间及A3B1、A4B1处理之间无显著差异；在1 倍浓度拿捕净处理下，A4B3处理的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性极显著高于A1B3、A2B3、A3B3处理，但A1B3、A2B3、A3B3处理的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性无显著差异；在0.5 倍浓度拿捕净处理下，A1B2、A2B2处理的吡咯琳-5-羧酸合成酶活性显著高于A4B2处理，但A1B2、A2B2处理之间及A3B2、A4B2处理之间的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性无显著差异。

从图1 可以看出，在不同浓度拿捕净胁迫下，4 种谷子叶片中的脯氨酸含量均呈现上升趋势，且杂交谷整体上略高于常规谷。在0 倍浓度时，A1处理脯氨酸含量最高，然后依次为A2、A4、A3处理；在0.5 倍浓度时，A1处理脯氨酸含量最高，然后依次为A2、A4、A3处理，且4 种谷子的脯氨酸含量有小幅增长；在1 倍浓度时，A2处理脯氨酸含量最高，然后依次为A1、A4、A3处理，且4 种谷子的脯氨酸含量均有大幅度提高；在2 倍浓度时，A1处理脯氨酸含量最高，然后依次为A2、A3、A4处理，且4 种谷子的脯氨酸含量增长减缓。

从图2 可以看出，在不同浓度拿捕净胁迫下，4 种谷子叶片中的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性均呈现上升趋势，且杂交谷整体上略高于常规谷。在0 倍浓度时，A1处理吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性最高，然后依次为A2、A4、A3处理；在0.5 倍浓度时，A1处理吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性最高，然后依次别为A2、A4、A3处理，且4 种谷子的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性有小幅增长；在1 倍浓度时，A2处理吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性最高，然后依次为A1、A4、A3处理，且4 种谷子的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性均显著提高；在2 倍浓度时，A1处理吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性最高，然后依次为A2、A4、A3处理，且4 种谷子的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性增长减缓。

3 讨论

本试验结果显示，在不同浓度拿捕净胁迫下谷子的脯氨酸含量会发生改变，拿捕净浓度越高，胁迫越强，脯氨酸含量越高；在不同品种之间谷子的脯氨酸含量不同，杂交谷的脯氨酸含量高于常规谷；在不同浓度拿捕净胁迫下不同品种之间谷子的脯氨酸含量会发生改变，同一品种下，拿捕净浓度越高，脯氨酸含量越高，抗逆性越强。秦岭等[20]研究表明，植物体在受到干旱胁迫后体内常常会有大量脯氨酸的快速积累，积累的脯氨酸可以起到稳定生物大分子结构、降低细胞酸性及保护细胞结构等作用，这与本试验与其结果一致。

在不同浓度拿捕净胁迫下谷子的吡咯琳-5-羧酸合成酶活性会发生改变，拿捕净浓度越高，胁迫越强，吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性越强；在不同品种之间谷子的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性不同，杂交谷的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性强于常规谷，且张杂谷5 号高于张杂谷13 号；在不同浓度拿捕净胁迫下不同品种之间谷子的吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性会发生改变，同一品种下，拿捕净浓度越高，吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性越强，抗逆性越强。脯氨酸含量的增多与吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性呈正相关，这与赵贵林等[13]的研究结果相似。

综上所述，杂交谷脯氨酸含量及吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性高于常规谷；在一定范围内谷子脯氨酸含量随拿捕净浓度增加而逐渐升高，脯氨酸含量越高，抗逆性越强；吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性随着拿捕净浓度升高而逐渐增强，其与脯氨酸含量呈正相关。其中，张杂谷5 号在2 倍浓度除草剂胁迫下，脯氨酸含量及吡咯琳-5- 羧酸合成酶活性最高，表现出较强的抗逆性。