干旱、高温及共胁迫下不同小麦品种的生理生化响应差异

2014-12-23郭启芳吴耀领王玮

山东农业科学 2014年11期

郭启芳+吴耀领+王玮

摘要：以潍麦8号（WM8，丰产型）和山农16（SN16，抗旱型）两个小麦品种为材料，研究干旱、高温单一胁迫以及干旱高温共胁迫条件下不同类型小麦品种的生理响应差异，分析小麦抗逆的生理机制。结果显示：与SN16相比，胁迫条件下，WM8的叶绿素含量低，光合能力弱，合成的渗透调节物质少，渗透调节能力弱。胁迫条件下，SN16叶片的质膜H+ -ATPase酶活性高，膜脂过氧化程度低，抗氧化酶活性高，抗氧化能力强；内源激素ABA水平高，有助于其在逆境胁迫下迅速做出应激反应，保持正常的代谢活动。

关键词：小麦；干旱；高温；胁迫；生理生化；抗逆性

中图分类号：S512.101 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2014）11-0032-07

小麦是我国重要的粮食作物，夏季干旱与高温并举，严重影响我国北方地区小麦的产量和品质[1]。为了减轻不利气候对小麦生产的影响，有必要深入研究小麦抗逆的生理生化机制，为抗逆新品种的培育提供理论依据。近年来，小麦对单一逆境（如干旱、高温、低温等）适应性研究进展较大，但对于多重逆境（如干旱和高温共胁迫、干旱与低温共胁迫等）研究较少。实际生产中多重逆境对植物的伤害往往是致命的[2， 3]。研究发现，植物对干旱和高温共胁迫的反应与单一逆境相比，无论转录还是代谢模式都明显不同[4， 5]。烟草中的有些基因在干旱、高温单一逆境下转录上调，但在共胁迫条件下降低，而另外有些基因在共胁迫下转录水平升高[6]。专家提出：“未来有关作物对自然环境的适应性研究，应该更加注重植物对多重逆境的耐性，尤其是田间自然环境的模拟”[7]。因此，关于作物对多重逆境胁迫的研究越来越受到研究人员的关注。

本试验以丰产型小麦品种潍麦8号（WM8）和抗旱型品种山农16（SN16）为材料，研究不同类型小麦品种幼苗对干旱、高温及两者共胁迫的生理响应，分析小麦抗逆的生理机制，为下一步在高产水平上培育综合适应性强的小麦品种提供理论依据和技术参考。

1 材料与方法

1.1 材料培养与试验设计

将WM8和SN16的健籽播于装有石英砂的花盆中，用Hoagland全元素营养液培养至幼苗第3片叶子充分展开。然后放置于光照培养箱中进行高温、干旱单一胁迫及其共胁迫处理，用20%的PEG-6000进行干旱处理（D），在42℃/35℃（昼/夜）的条件下进行高温处理（T），用20%的PEG-6000和42℃/35℃（昼/夜）的温度同时对两个品种进行高温干旱共胁迫处理（D+T），处理时间均为24 h；对照（CK）保持常规培养条件。取第3片全展叶为试材，每个处理重复3次。

1.2 指标测定

1.2.1 光合速率等气体交换参数的测定处理后的小麦植株放置于室温及800 μmol·m-2·s-1光强下适应30 min后，参照Wang等[8]的方法用便携式光合仪（CIRAS-2，PPSystems，英国）进行气体交换参数的测定。

1.2.2 叶绿素含量测定参照Porra等[9]的方法用日本岛津公司生产的UV-2550紫外可见分光光度计测定。

1.2.3 叶片水分参数测定叶片相对含水量（RWC）按照Bajji等[10]的方法测定，叶片渗透势（ψs）和饱和渗透势（ψ100s）用蒸汽压渗透压计（WescorInC，Logan，UT，USA）测定。测定饱和渗透势前，先将叶片浸于蒸馏水中吸水达饱和状态，取出后用吸水纸擦干表面水分，放入超低温冰箱中冷冻，充分破坏其细胞质膜。测定前取出融冰，剪碎，榨取汁液，用蒸汽压渗透压计测定渗透势。渗透调节能力（OA）为对照饱和渗透势与处理饱和渗透势之差，按下式计算：

OA =ψ100s（对照）-ψ100s（处理）

1.2.4 游离脯氨酸和可溶性糖测定参照赵世杰等[11]的方法，游离脯氨酸采用酸性茚三酮法、可溶性糖含量采用蒽酮法测定。

1.2.5 电解质外渗量和丙二醛（MDA）含量测定参照赵世杰等[11]的方法测定。电解质外渗量用来表示膜透性，丙二醛（MDA）含量表示膜脂过氧化程度。

1.2.6 超氧阴离子（O-·2）的测定按照王爱国等[13]的方法测定O-·2。

1.2.7 质膜H+ -ATPase活性的测定质膜分离与纯化及H+ -ATPase水解活力的测定参照Zhao等[14]的方法。

1.2.8 抗氧化酶活性测定称取试验材料1 g，加入预冷的提取液（10 mL）：磷酸缓冲液（pH 7.8）、乙二胺四乙酸（EDTA，0.1 mmol/L）、Polyvinyl lpyrrolidone（PVP，1%），冰浴中充分研磨后，12 000×g离心力下低温（4℃）离心20 min，其上清液为酶提取液。

按Dhindsa等[15]的方法测定超氧化物歧化酶（SOD）活性，按Teranishi等[16]的方法测定过氧化氢酶（CAT）活性，按Nakano等[17]的方法测定抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性，参考愈创木酚法[18]测定过氧化物酶（POD）活性。

1.2.9 ABA含量的测定参照Ciha等[19]的方法并略有改进[14]。

1.3 统计分析

用DPS软件（浙江大学）进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱、高温单一胁迫及共胁迫对小麦叶片光合特性的影响

如图1A所示，与正常情况相比，干旱、高温及共胁迫条件下净光合速率显著下降，干旱及共胁迫下SN16的净光合速率显著大于WM8。干旱及共胁迫下蒸腾速率和气孔导度下降显著，WM8的下降幅度大于SN16；共胁迫条件下SN16的蒸腾速率和气孔导度显著高于WM8（图1B、C）。高温引起蒸腾速率的显著升高（图1B）。小麦叶片中胞间CO2浓度干旱胁迫下降低显著，然而高温及共胁迫下升高，且共胁迫条件下WM8胞间CO2浓度显著高于SN16（图1D）。

如图1E所示，正常条件下SN16和WM8叶片中叶绿素含量基本一致，无显著性差异；无论干旱、高温及共胁迫均会导致叶绿素含量明显下降，但共胁迫较单一胁迫下叶绿素含量下降更加严重。与丰产型品种WM8比较，胁迫条件下SN16的叶绿素含量显著高于WM8。

2.2 干旱、高温单一胁迫及共胁迫对小麦叶片水分代谢的影响

2.2.1 对小麦叶片相对含水量（RWC）的影响图2表明，正常情况下，两个品种叶片RWC基本一致；干旱及共胁迫条件下SN16和WM8叶片RWC显著下降，SN16的RWC显著高于WM8。高温对小麦叶片RWC没有明显影响。

2.2.2 对小麦叶片渗透调节能力的影响与对照相比，干旱及共胁迫下SN16和WM8叶片均表现出较高的渗透调节能力（OA，图3D），SN16的OA显著高于WM8。如图3B所示，胁迫条件下，小麦叶片渗透势明显降低，WM8的渗透势显著高于SN16。

植物细胞的渗透调节能力与其渗透调节物质含量有关，两小麦品种叶片中可溶性糖（图3C）和脯氨酸含量（图3A）在正常处理条件下基本一致，干旱、高温导致可溶性糖和脯氨酸含量明显升高，共胁迫下增幅更大。三种逆境条件下，SN16中的可溶性糖和脯氨酸含量的增幅均大于WM8。

2.3 干旱、高温单一胁迫及共胁迫对小麦叶片抗氧化能力影响

2.3.1 对小麦叶片电解质外渗量、MDA含量、O-·2产生速率及质膜H+ -ATPase活性的影响正常处理条件下，两个品种叶片电解质外渗量（图4A）和MDA含量（图4B）基本没有差别；干旱、高温及共胁迫均导致两个品种中电解质外渗量和MDA含量增加，尤其是在共胁迫下增幅更明显；三种胁迫条件下，WM8的电解质外渗量和MDA含量均大于SN16。

从图4C可见，正常情况下，两个品种O-·2产生速率差别不大。干旱、高温及其共胁迫下，两个品种中O-·2产生速率增加，特别是在共胁迫下O-·2产生速率大幅度提高，显著高于对照。三种逆境条件下，SN16细胞内O-·2产生速率显著低于WM8。

H+ -ATPase作为细胞质膜关键酶，对于维持正常的代谢活动具有重要意义，逆境胁迫导致H+ -ATPase活性降低[20]。如图4D所示，正常情况下，两个品种H+ -ATPase酶活性差别不大。三种逆境胁迫下细胞质膜H+ -ATPase活性显著下降，共胁迫下降幅最大。三种逆境条件下，WM8中质膜H+ -ATPase活性均显著低于SN16。

2.3.2 对小麦叶片抗氧化酶活性的影响通过测定小麦叶片中几种主要的抗氧化酶活性，可以发现：正常情况下两个品种的抗氧化酶活性差别不大（图5A～5D）；三种逆境胁迫下，两个品种抗氧化酶活性出现不同的变化趋势，干旱、高温及共胁迫条件下两品种中SOD（图5A）、CAT（图5B）、APX（图5C）的活性升高，但是POD（图5D）在高温及共胁迫条件下活性降低。三种逆境条件下，SN16的抗氧化酶活性高于WM8。其中干旱条件下，SN16中的四种抗氧化酶活性均显著高于WM8；高温条件下，POD活性显著高于WM8；共胁迫条件下，SN16的CAT和POD活性显著高于WM8。

2.4 干旱、高温单一胁迫及共胁迫对小麦叶片ABA含量的影响

植物在干旱胁迫及多种逆境胁迫下都引起体内ABA的积累[21]。如图6所示，干旱、高温条件下ABA含量增加，高温条件下显著增加，共胁迫条件下增加更显著。干旱、高温单一逆境胁迫条件下SN16中ABA含量稍高于WM8，共胁迫条件下显著高于WM8。

3 讨论与结论

以抗旱型小麦品种SN16和丰产型小麦品种WM8为材料，研究不同类型小麦品种幼苗对干旱、高温及其共胁迫的响应。结果显示，干旱高温两种胁迫共存比单一逆境对植物的伤害更加严重；SN16的逆境适应性比WM8强。

3.1 逆境胁迫下SN16能够维持较高的光合作用

光合作用是植物对逆境胁迫最敏感的生理过程之一，是生物产量的决定因素[8]。水分胁迫对植物光合作用的影响包括气孔限制和非气孔限制[22]，而高温对光合作用的影响一般是对植物细胞大分子结构或生化过程的直接作用[23]。干旱条件下，气孔导度下降（图1C）引起胞间CO2浓度的降低（图1D），由此所致的光合速率下降可能主要由气孔限制所致；另外WM8中CO2含量显著高于SN16，这可能是由于WM8叶片光合系统出现了更为严重的损害而导致CO2同化速率降低所致（即非气孔限制）。逆境条件下SN16的光合速率高于WM8，可能是SN16具有较高生物产量的重要原因。

3.2 通过渗透调节作用维持较好的水分状况是SN16抗逆性强的原因之一

干旱、高温等逆境胁迫导致植物含水量降低，植物通常会累积渗透调节物质（如可溶性糖、脯氨酸等）提高自身抗逆性[8]。与WM8相比，逆境胁迫下SN16能够较好地维持细胞水分状况（图2），这对获得较高的气孔导度、稳定光合速率和维持正常的代谢功能具有积极的作用。水分状况的维持可能与SN16在逆境条件下积累较多的渗透调节物质（图3A、C）有很大关系，因为渗透调节物质可迅速降低渗透势，提高渗透调节能力，防止水分的过分流失，进而使细胞保持较高的水分含量[8]。

3.3 逆境条件下SN16能够保持较高的抗氧化能力

逆境条件下活性氧（如O-·2）的过量积累是导致世界范围内粮食产量下降的一个重要原因[25]，活性氧的积累会导致蛋白质、膜脂、DNA及其它细胞组分的严重损伤，高浓度的活性氧还会氧化叶绿素等光合色素，并通过抑制叶绿素生物合成酶的活性阻碍叶绿素生物合成，进而影响光合作用[26，27]。干旱、高温及共胁迫条件下，O-·2产量速率增加（图4C），导致叶绿素含量降低（图1E）。植物细胞可以通过合成抗氧化物质（如脯氨酸等）及增加抗氧化酶（如SOD、POD、CAT和APX等）活性消除ROS[27]。因此，逆境条件下，SN16中较高的脯氨酸含量（图3A）及抗氧化酶活性（图5）可能与其较高的叶绿素含量（图1E）和光合能力（图1A）有关。

3.4 干旱、高温单一胁迫及其共胁迫对小麦生理生化反应的不同影响

植物对干旱高温共胁迫的响应不同于干旱或高温单一胁迫，其转录模式和代谢模式具有明显的区别[4～6]。研究表明，小麦光合作用参数对干旱、高温单一胁迫以及干旱高温共胁迫的生理响应不同，尤其是蒸腾速率和气孔导度（图1B、C）。干旱导致蒸腾速率降低，高温引起蒸腾速率升高，干旱高温共胁迫下蒸腾速率介于干旱和高温之间。干旱引起气孔关闭，高温会导致气孔张开，干旱高温共胁迫下气孔关闭。这与Rizhsky等[6]和Wang等[8]的结果一致。分析认为不同胁迫下，叶片气孔的不同行为可能与水分代谢以及抗氧化系统有关[6，21]。

干旱高温共胁迫比单一逆境对植物的伤害更加严重[8]。干旱高温共胁迫下SN16和WM8的电解质外渗量和MDA含量显著增加（图4A、B），O-·2产量速率（图4C）明显升高，H+ -ATPase活性显著下降，导致共胁迫下两小麦品种的光合速率均低于单一胁迫下的光合速率（图1A）。但无论是单一逆境还是共胁迫，SN16受伤害程度都比WM8轻。共胁迫条件下，抗旱小麦品种SN16的ABA含量有非常显著的增加（图6），其增加量远远大于WM8。ABA是一种非常重要的信号传导物质，诱导植物细胞做出一系列抗性反应，进而提高植物抗逆性[12]，这可能是SN16具有较强抗逆性的另一重要原因。

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