干旱胁迫对不同抗旱性陆稻幼苗根系活力的影响

文/李志宇

云南农业大学 农业生物多样性与植物病害控制教育部重点实验室 云南 昆明 650201

水是人类赖以生存的基础，在全球的农业生产中占有重要的地位。据资料统计，世界干旱、半干旱区占地球面积的三分之一，我国占二分之一[1]。近几年，随着全球人口膨胀、气候变暖、工业化和城市化进程的加快，水质污染以及大面积旱灾的情况下，水资源短缺的危机将更加严重。正如Brown等所指一样，水资源正成为包括中国在内的部分国家制约农业发展的重要因素[2]。因此，培育高产、优质、抗干旱的农作物品种和发展节水农业己成为农业发展的必然选择[1,3-4]。

陆稻，又称旱稻，在植物分类学上属于禾本科（Poaceae）、稻属（Oryza）、亚洲栽培稻（Oryza sativa）的生态类型，是具有耐旱特性且适于旱地种植的水稻变异型[5-6]。一般生长于热带、亚热带的山区、半山区的坡地、台地或温带的少雨旱地[6-7]。陆稻具有抗旱性、抗逆性、耐瘠和丰产性这些优良的生物学特性，能够适应水资源贫乏或无灌溉设施的旱作地区栽培，故其有着广阔的应用前景[3-4]。许多研究表明作物的水分状况与植株的抗旱性相关。叶片相对含水量可以作为衡量植株水分状况的一个良好的指标[8-9]。植物根系具有固定支撑植株，吸收水分及养分，分泌与合成物质，进行呼吸与气体交换，感应周围的环境等生理功能[16-17]。研究指出根系活力的高低能直接反映出根系生理功能的强弱。根系活力泛指根系整个代谢的强弱，包括吸收、合成、氧化和还原能力等，因此根系活力是一种客观反映根系生命活动的特殊生理指标[18]。根系活力的下降，不仅直接影响了植物体对水分和矿质元素的吸收，而且对根系的合成代谢和地上部分的同化作用都会产生不利影响，因此水分胁迫下维持较高根系活力是植物抗旱能力强的一种体现[19]。

1 材料与方法

1.1 试验材料的培养和干旱胁迫处理

陆稻品种是从云南省各稻区采集并通过反复干旱法筛选而获得的抗旱能力不同的4个陆稻品种，它们分别为高抗品种‘白花山’，中抗品种‘紫糯谷’，低抗品种‘遥矛’，不抗品种‘旱谷’。每一品种挑选籽粒饱满、健康的种子300粒，分别使用10%次氯酸钠溶液浸泡消毒15min后用蒸馏水冲洗4～5次，再用50℃～55℃的温水浸种催芽24h，浸种后用清水洗涤2～3次。然后将不同抗旱性陆稻品种的种子分别均匀放置于垫有滤纸的培养皿内，加入少量的水，放入30℃的恒温箱内催芽。当种子萌发胚根长到2～4cm时，选取生长整齐、健壮的幼苗暂时移植一次，转入25℃左右光下培养，期间每天换一次水。当幼苗的根系长到5～7cm时，就可作为水培的定植材料，将各陆稻品种的幼苗均匀分栽入4盘悬浮育苗盘中，再将泡沫育苗盘放入4个装有0.5倍浓度的Hoagland’s培养液的培养盆内，先用0.5倍浓度的Hoagland’s营养液对陆稻水培材料培养一周，之后再用完全营养液进行培养，每天连续通气，并补加水分维持培养盆内的水位，每7天更换一次培养液，昼夜温度为25℃和20℃，光周期昼夜各为12h，将陆稻幼苗培养至3叶1心期。待陆稻幼苗移栽长至3叶1心期时，开始用溶有PEG （聚乙二醇6000）的Hoagland’s培养液人工模拟干旱处理 ，试验设3个处理组T1、T2、T3和1个对照组T0，随机选取3盆水培材料作为处理组，分别向这3盆培养液中加入不同量的PEG-6000，使培养液中PEG的浓度分别达到T1=5%(轻度干旱)、T2= 12.5%(中度干旱)、T3=20%(严重干旱)，将余下的一盆设为对照组T0，对照组的培养液中不加PEG-6000，其浓度为T0=0%(CK)。随机选取各陆稻品种幼苗进行测量，从处理当天开始每隔一天对陆稻幼苗的相对含水量、叶绿素含量和根系活力各项指标进行一次测量，共测量6次，分别在第0、2、4、6、8、10天测量，每项实验重复3次。

1.2 根系活力的测定

根系活力的测定：采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法[20]。称取陆稻幼苗根尖0.5g，迅速投入加有5mL0.4%氯化三本基四氮唑（TTC）和5mLPH7.5磷酸缓冲液的具塞试管中，使根完全浸入反应液中，将试管塞塞紧，在37℃水浴中黑暗下进行反应2h，向试管中加入2mL1molcmL的浓硫酸，以终止反应。在此同时做一空白试验，先加硫酸，再加根样品，其他操作与上面相同。终止反应后，取出根，用滤纸吸干试剂后加入研钵中，向研钵中5mL丙酮和少许石英砂，将根尖研磨成匀浆以提取还原型的氯化三苯基四氮唑（TTC），即TTF。将红色提取液转移至25mL容量瓶中，残渣再用丙酮抽取2～3次至无色为止。合并提取液，再用丙酮定容，以先加硫酸再加根样品的试管溶液为空白对照管调零。用1cm光径比色皿，于485nm波长下测定吸光度，标准曲线制作方法同上。根据测得的吸光度值从标准曲线上查出TTF的含量。根据公式1计算出陆稻品种幼苗中的根系活力：

式中：TTF为TTC还原量（µg·mL-1）；Vt为样品提取液总体积（mL）；h为反应时间（h）；FW为植物组织鲜重（g）。

1.3 数据分析

采用Microsoft Excel 2003软件制作图表和SPSS 13.0统计软件进行数据方差分析，差异显著性用Duncan检验法进行多重比较。

2 结果与分析

植物的根系是活跃的吸收器官和合成器官。根系活力是指根系的吸收、合成以及代谢能力，它直接影响地上部分的生长发育和营养状况及产量，因而根系活力可作为植物生长的一项重要生长指标[21]。植物的根系中的脱氢酶等把氯化硝基四氮唑（TTC）还原成不溶于水的红色稳定物质三苯基甲腙（TTF），所以，TTF的含量能作为根系活力的指标[22]。由表3可以看出，不同抗旱性陆稻品种在相同PEG浓度胁迫下，高抗品种‘白花山’的TTF含量在所有浓度下均显著高于其它3个品种；中抗品种‘紫糯谷’在所有浓度下其TTF含量均显著高于低抗品种‘遥矛’和不抗品种‘旱谷’，低抗品种‘遥矛’在所有浓度下其TTF含量均显著高于不抗品种‘旱谷’。不同浓度的PEG干旱胁迫对4个不同抗旱性陆稻品种的TTF含量影响不同，白花山’、‘紫糯谷’、‘遥矛’、‘旱谷’的TTF含量在轻度干旱胁迫条件下比对照下降了38.59%、39.49%、40.93%和41.41%；中度干旱胁迫下其含量比对照下降了43.13%、46.73%、48.12%和49.72%；重度干旱胁迫下其含量比对照下降了48.14%、54.28%、56.71%和59.21%；比较这4个陆稻品种，各品种间TTF含量的下降幅度表现为高抗品种‘白花山’＜中抗品种‘紫糯谷’＜低抗品种‘遥矛’＜不抗品种‘旱谷’。表明干旱胁迫下高抗品种‘白花山’的TTF含量下降幅度最小，干旱胁迫对其影响也较小。这也表明了根系活力的高低影响陆稻的抗旱性。

如图3所示，比较相同品种的TTF含量在不同PEG胁迫浓度下的变化规律，发现四个抗旱性不同的陆稻品种其幼苗叶片的TTF含量的变化趋势相似。高抗品种‘白花山’、中抗品种‘紫糯谷’、低抗品种‘遥矛’及不抗品种‘旱谷’在T0下，其幼苗根系TTF含量随胁迫时间的延长基本上没有变化；而这4个不同抗旱性的陆稻品种在T1下，其TTF含量在胁迫初期均有少量的降低，并随着胁迫时间的加长呈逐渐下降趋势；在T2下，其整个胁迫时期TTF含量均比T1低，且随着胁迫时间的延长剧烈的下降；在T3下，其TTF含量在胁迫初期就剧烈的下降，且其变化趋势与T1、T2相同，但其含量下降速度明显高于其它两个浓度。总的来看，我们发现4个抗旱性不同的陆稻品种的TTF含量变化趋势在T1、T2和T3下较相似，随着胁迫时间的延长而呈持续下降的趋势。

表3 各陆稻品种幼苗根系活力的多重比较Table 3 Multiple comparisons of various antioxidant contents different of upland rice seedling leaves

图3 PEG模拟干旱对陆稻幼苗根系活力的影响Fig.3Effect of drought stress simulated with PEG on root energy in upland rice seedling

3 讨论

根系活力是反映根系吸收功能的一项综合指标，它在一定程度上能够影响根系的发育、代谢状况及对矿质营养和水分的吸收利用，从而对植物的生长起着决定性的作用。本试验的研究结果表明，抗旱性强的陆稻品种幼苗根系活力要显著高于抗性弱的品种；随着PEG干旱胁迫处理强度的增加和胁迫时间的延

4 结论

通过采用水培栽培、利用PEG-6000进行人工模拟干旱胁迫处理并结合SPSS13.0软件进行数据统计分析，对不同PEG浓度干旱胁迫处理下4个抗旱性不同的陆稻品种的形态指标进行测定和分析，可以得出，4个不同抗旱性陆稻根系活力随着PEG浓度的增强和胁迫时间的延长，都呈逐渐下降趋势，且这4个不同抗旱性陆稻品种的根系活力指标的下降幅度表现为高抗品种‘白花山’＜中抗品种‘紫糯谷’＜低抗品种‘遥矛’＜不抗品种‘旱谷’。抗旱性强的陆稻品种的根系活力指标数值均要显著高于抗性弱的品种。长，4种不同抗旱性陆稻品种（高抗旱性陆稻品种‘白花山’、中抗旱性陆稻品种‘紫糯谷’、低抗旱性陆稻品种‘遥矛’和不抗旱性陆稻品种‘旱谷’）幼苗根系活力均表现一致，都呈逐渐下降的趋势，根系活力降低可能是由于干旱胁迫影响了根系的发育、代谢活动以及对矿物营养和水分的吸收能力，且各胁迫浓度对这三个指标的影响表现均为T3＞T2＞T1；在相同PEG浓度和不同PEG浓度的模拟干旱胁迫下，这4个不同抗旱性陆稻品种的根系活力指标的下降幅度，表现为高抗品种‘白花山’＜中抗品种‘紫糯谷’＜低抗品种‘遥矛’＜不抗品种‘旱谷’；在干旱胁迫下，抗旱性越强的陆稻品种，指标下降的幅度越小，干旱对它的影响也越小。

[1] 张岁岐，周小平，慕自新等.不同灌溉制度对玉米根系生长及水分利用效率的影响[J]. 农业工程学报，2009，10：1-6.

[2] 万里强，石永红，李向林等.高温干旱胁迫下三个多年生黑麦草品种叶绿体和线粒体超微结构的变化[J].草业学报，2009，01：25-31.

[3] 杨慎骄，徐炳成，方燕等.干旱条件下两个大豆品种非水力根信号特征及稳产性比较[J]. 中国农业科学，2010，03：480-488.

[4] 李文娆，张岁岐，丁圣彦，山仑.干旱胁迫下紫花苜蓿根系形态变化及与水分利用的关系[J].生态学报，2010，19：5140-5150.

[5] 宗学凤，王三根.植物生理研究技术[M].重庆：西南师范大学出版社，2011.

[6] 潘兴.PEG预处理对盐胁迫下水稻幼苗生理特性的影响[D].辽宁：沈阳师范大学，2012.