干旱胁迫对持绿性甘蔗细茎野生种叶片生理和生物量的影响

边芯，郎荣斌，桃联安，董立华，经艳芬，俞华先，安汝东，周清明，孙有芳

干旱胁迫对持绿性甘蔗细茎野生种叶片生理和生物量的影响

边芯，郎荣斌，桃联安，董立华，经艳芬*，俞华先，安汝东，周清明，孙有芳

（云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站，云南瑞丽678600）

以高持绿性甘蔗细茎野生种（云瑞08-254）和低持绿性甘蔗细茎野生种（云瑞09-525）为试验材料，在干旱胁迫和正常浇水两个条件下，研究干旱胁迫对甘蔗叶片生理活性和生物量的影响。结果表明：干旱胁迫下，云瑞08-254的叶片SOD、CAT和MDA含量都明显增加，而云瑞09-525叶片SOD、CAT、POD和MDA含量均明显降低；云瑞08-254的相对电导率增幅显著小于云瑞09-525，云瑞08-254的质膜受损程度相对较小；与云瑞09-525相比，云瑞08-254在干旱胁迫后脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高幅度较为明显，且本身即具有较高的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量。在干旱胁迫条件下，持绿性甘蔗细茎野生种能通过产生保护性物质降低对干旱的敏感性，通过调节SOD、CAT和POD活性以及MDA、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量以及持绿生物量的变化，从而减轻干旱的伤害，表现出更好的抗旱性。

甘蔗细茎野生种；干旱胁迫；持绿性；保护酶活性

甘蔗是我国主要的糖料作物，其面积占我国常年糖料面积的85%以上，产糖量占食糖总产的90%以上，我国已成为世界第三大产糖国。随着国家农业产业结构的调整，广西、云南等西部蔗区的甘蔗面积已占全国的79.9%。近年来，气候的变化以及水资源的短缺，导致旱灾不断；加之经济的发展和人口的膨胀，甘蔗种植向无灌溉条件的旱坡地迁移。广西丘陵、旱坡地种植甘蔗面积达全区种植甘蔗总面积的90%，云南旱坡地种植甘蔗面积占全省种植甘蔗面积的70%，这些蔗区多数抵御自然灾害能力不足，干旱成为甘蔗生产的主要制约因素。干旱最容易引起作物叶片褪色，加速作物的衰老死亡，但持绿性较强的作物能够在干旱条件下延缓叶片衰老的过程。持绿性是由多基因控制的数量遗传性状，既是植物生理成熟的表型反应，又是衡量作物抗旱性的指标。干旱胁迫下，作物叶片中超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）这三种酶活性降低快[1-4]。

甘蔗细茎野生种（Saccharum spontaneum L.），也称割手密，具有抗逆性强和适应性广的特点。对甘蔗细茎野生种的研究，齐永文等[5]、张革民等[6]、丁灿等[7]分别研究了不同省区甘蔗细茎野生种的农艺性状、糖分、抗寒性表现；王丽萍等[8]、吴才文等[9-10]、刘新龙等[11]、桃联安等[12]分别对甘蔗细茎野生种后代分离群体进行构建及其遗传分析等方面研究；经艳芬等[13]、边芯等[14]对云南野生甘蔗血缘后代的抗旱性进行鉴定研究。

本研究分析了干旱胁迫下持绿性高的甘蔗细茎野生种叶片生理反应和生物量变化，为持绿性状在甘蔗细茎野生种抗旱性的选择以及甘蔗细茎野生种上的进一步发掘利用提供科学依据，同时提高甘蔗抗逆育种效率。

1 材料与方法

1.1试验材料

选用持绿性甘蔗细茎野生种血缘云瑞08-254和持绿性表现较差的云瑞09-525，两个创新种质材料。云瑞材料为云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站自育的创新种质材料。

1.2试验设计

试验场地位于云南省农业科学院甘蔗研究所瑞丽育种站抗旱温室内，桶栽种植，其中桶高27cm，直径30cm。在土、有机肥与沙（质量比为2∶1∶1）的基质中培养催芽，当单芽种植的试验材料开始分蘖时，将培养的幼苗移入同样基质的桶中，每桶移栽5丛，每个材料两个处理，包括正常供水和干旱胁迫，每个处理设3重复，第Ⅰ重复为正常供水，第Ⅱ、Ⅲ重复进行干旱胁迫，测定3次重复试验材料相关指标。

1.3指标测定

1.3.1 生理指标测定参照李明媚[4]的方法测定SOD、CAT和POD活性；采用硫代巴比妥酸显色法测定丙二醛（MDA）含量；相对电导率参照张宪政[15]的方法测定；脯氨酸（Pro）含量采用酸性茚三酮法测定；可溶性糖含量采用蒽酮法测定；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定。

1.3.2 生物量指标测定每处理每重复实称15丛甘蔗的地上部分总生物量、地上部分持绿和失绿生物量，

记录每丛株数，计算单株持绿和失绿生物量以及地上部分持绿生物量占地上总生物量的比值。

1.4数据处理

使用Excel 2003软件进行数据整理和作图，DPS v13.5软件进行统计分析，用LSD法进行差异显著性分析（α=0.05）。

表1 干旱胁迫对甘蔗细茎野生种生理话性的影响

2 结果与分析

2.1干旱胁迫对甘蔗叶片生理活性的影响

由表1可见，与对照相比，干旱胁迫使云瑞08-254的SOD活性、CAT活性和MDA含量分别提高了31.7%、72.0%和43.9%，而同样干旱胁迫条件下云瑞09-525的SOD活性、CAT活性、POD活性和MDA含量分别降低了3.4%、24.1%、33.7%和10.3%。同时云瑞08-254的POD活性也降低18.8%。正常供水的条件下，持绿性较差的云瑞09-525的CAT活性值、POD活性值和MDA含量值均大于持绿性较好的云瑞08-254的相应值；而在干旱胁迫下，持绿性较好的云瑞08-254仅有CAT活性值小于持绿性较差的云瑞09-525的CAT活性值，其余SOD活性、POD活性和MDA含量值均大于云瑞09-525的相应值。

2.2干旱胁迫对甘蔗叶片相对电导率、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响

相对电导率的变化可以反映作物质膜受干旱等逆境伤害的程度[16]。如图1A所示，在干旱胁迫下，云瑞08-254和云瑞09-525的相对电导率均有不同程度的增加，其中云瑞08-254的相对电导率增加了16.9%，云瑞09-525的相对电导率增加了20.9%。云瑞08-254的相对电导率增幅明显小于云瑞09-525，说明云瑞08-254的质膜受损程度相对较小。

脯氨酸属植物在水分胁迫下的渗透调节物质，干旱条件下细胞内游离脯氨酸含量增加，抗旱性越强，游离脯氨酸含量积累越多[17]。从图1B可见，正常条件下云瑞08-254的脯氨酸含量略高于云瑞09-525的。在干旱胁迫下两者叶片中的脯氨酸含量均大量增加。云瑞08-254的脯氨酸含量较对照增加了287.8%，而云瑞09-525则增加73.4%。云瑞08-254叶片脯氨酸含量增幅明显大于云瑞09-525，同时相对含量也高于云瑞09-525。试验结果表明，在干旱胁迫下，云瑞08-254能够通过大量脯氨酸含量积累来提高自身的抗旱性。

在正常条件下，云瑞08-254叶片中可溶性糖含量比云瑞09-525高7.2%；干旱胁迫下，两材料与对照相比，云瑞08-254叶片可溶性糖含量增加40.6%，而云瑞09-525则增加32.9%，云瑞08-254可溶性糖含量增幅大于云瑞09-525。依可溶性糖含量的变化可反映出，云瑞08-254本身具有相对较高的可溶性糖含量，在干旱胁迫后其调节能力仍然高于云瑞09-525（图1C）。

图1 干旱胁迫对参试材料叶片相对电导率、脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白的影晌

干旱胁迫下，云瑞08-254和云瑞09-525叶片可溶性蛋白含量与对照相比分别增加了17.6%和22.2%；但是，无论在正常条件还是干旱胁迫条件下，云瑞08-254叶片可溶性蛋白含量值均大于云瑞09-525的叶片可溶性蛋白含量（图1D）。

2.3干旱胁迫对不同持绿性甘蔗细茎野生种地上生物量的影响

由表2可知，干旱胁迫后两个甘蔗试验材料的地上部分生物量和持绿生物量以及单株持绿生物量都明显下降，同时地上部分失绿生物量和单株失绿生物量都明显增加。与云瑞08-254相比较而言，云瑞09-525地上部分持绿生物量与地上总生物量的比值较低，经过干旱胁迫后持绿生物量下降较为明显。

表2 干旱胁迫对甘蔗细茎野生种地上生物量指标的影响

3 讨论

在干旱胁迫条件下，作物能通过产生保护性物质降低对干旱的敏感性，或产生一系列生理生化变化，从而减轻干旱的伤害，表现出抗逆性。有研究表明，干旱胁迫下作物酶活性上升或未见变化[18-19]；但也有研究表明，干旱胁迫下作物叶片SOD、CAT和POD活性下降，并使叶片MDA含量降低[20-21]。丙二醛是质膜过氧化产物[22]，叶片内其含量的变化可作为抗旱性强弱的评价指标。本研究中持绿性甘蔗细茎野生种的叶片SOD、CAT和MDA含量都明显增加，而非持绿性甘蔗细茎野生种叶片SOD、CAT、POD和MDA含量均明显降低，说明持绿性甘蔗细茎野生种减轻了干旱胁迫下质膜过氧化程度。

细胞质膜是一种选择透过性膜，干旱胁迫可促使作物细胞内产生大量自由基，使细胞膜的通透性增强，导致可溶性物质大量外渗。伤害愈大，外渗的可溶性物质越多，电导率值增加的也越大，从而对作物细胞造成伤害。一般情况下，作物在干旱胁迫下细胞通透性越好，其抗旱性越弱;通透性越弱，其抗旱性越强[23]。本研究中，干旱胁迫下非持绿性甘蔗细茎野生种相对电导率的增加程度高于持绿性甘蔗细茎野生种，说明非持绿性的甘蔗细茎野生种创新种质细胞膜被破坏的程度大于持绿性创新种质；相比较而言，持绿性甘蔗细茎野生种创新种质的质膜受损程度相对较小。

干旱胁迫下，作物通过渗透调节增加细胞溶质含量，脯氨酸作为植物重要的渗透调节物质，逆境胁迫下，作物体内游离脯氨酸大量积累。作物体内脯氨酸含量越高，渗透调节的能力就越强，也就越能抵御干旱和其它的逆境胁迫[24]。但也有人认为脯氨酸的积累量与作物的抗旱能力呈负相关，不适合作为筛选抗旱品种的指标[25]。可溶性糖是植物进行正常生理代谢的重要物质之一。在干旱条件下，作物可以通过自身糖的代谢，增强细胞的保水能力，产生其他保护性物质和能源，促进其能够在逆境中更好生存[26]。植物体内可溶性糖含量的变化，在一定程度上能反应出对干旱胁迫的适应能力，通过渗透调节可增加可溶性糖的含量来缓解压力[27]。干旱胁迫下，抗旱性强的种质会产生更多的可溶性蛋白来增强机体内的渗透调节[28-29]。但也有学者研究发现，干旱胁迫会降低可溶性蛋白的含量，抗旱性弱的材料降低幅度更大[30]。本研究表明，与非持绿甘蔗细茎野生种相比，持绿性甘蔗细茎野生种创新种质在干旱胁迫后，其叶片内的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高幅度较为明显，且本身即具有较高的脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量。

干旱胁迫下，持绿生物量较对照有所减少，而失绿生物量则相应增加。持绿性细茎野生种与非持绿性细茎野生种相比，在干旱胁迫后地上部分持绿生物量的比重较大，单株失绿生物量较小。

综上，在干旱胁迫条件下，持绿性甘蔗细茎野生种能通过产生保护性物质降低对干旱的敏感性，通过SOD、CAT和POD活性以及MDA、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白含量和持绿性生物量的变化，来减轻干旱的伤害，表现出更好的抗旱性。

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Impacts of Drought Stress on Leaf Physiology and Biomass of Stay-green S.spontaneum L.

BIAN Xin,LANG Rong-bin,TAO Lian-an,DONG Li-hua,JING Yan-fen*, YU Hua-xian,AN Ru-dong,ZHOU Qing-ming,SUN You-fan
(Ruili Breeding Station,Sugarcane Research Institute,Yunnan Academy of Agricultural Sciences,Ruili,Yunnan 678600,China)

Taking sugarcane S.spontaneum L.of stay-green(YR08-254)and non stay-green(YR09-525)as test materials,effect of drought stress on leaf physiological activity and biomass of the S.spontaneum L.was analyzed in comparison with normal watering condition.The results showed that drought stress caused increment of SOD,CAT and MDA content of YR08-254 leaf,meanwhile reduction in SOD,CAT,POD and MDA content of YR09-525 leaf.The increment of electrical conductivity and damaged degree of the YR08-254 were obviously lower than that of the YR09-525.The leaf proline content,soluble sugar content and soluble protein content of the YR08-254 increased more obviously than that of the YR09-525,and its content of proline,soluble sugar and soluble protein was also higher under non drought stress.Under the drought stress condition,the stay-green S. spontaneum L decreased the sensitivity to drought by producing and regulating protective substance,which included activities of SOD,CAT and MDA,proline content,soluble sugar content,soluble protein content and stay-green biomass to enhance drought resistance and relieve damage of drought.

S.spontaneum L.;drought stress;stay-green;protective enzyme activity

S566.101

：A

：1007－2624（2017）03－0005－04

10.13570/j.cnki.scc.2017.03.002

2017-01-19

国家自然科学基金项目（31360358）；云南省甘蔗遗传改良重点实验室开放基金（2015DG015-05、2015DG015-09）；云南省科技惠民计划（农业）（2014RA059）；高产高糖强宿根甘蔗新品种选育及产业化开发（2012BB014）资助。

边芯（1989-），女，云南大理人，学士，研究实习员，主要从事甘蔗遗传育种研究。E-mail：rlbianxin@163.com

经艳芬（1965-），女，云南丽江人，学士，研究员，主要从事甘蔗遗传育种研究。E-mail：rljyf@126.com

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