聚乙二醇处理不同甘蔗品种/品系组培苗的生理响应研究

张继+吕平+檀小辉+韦丽君+黄秋伟+黄显雅+金刚

摘 要：利用聚乙二醇（PEG-6000）作为渗透剂进行模拟水分胁迫处理4个甘蔗品种/品系的组培苗，分析测试甘蔗组培苗在不同浓度PEG-6000的水分胁迫下的叶绿素含量、丙二醛含量和脯氨酸含量等生理响应。结果表明：随着PEG-6000的处理浓度增高，胁迫强度增大，甘蔗组培苗叶片叶绿素、脯氨酸和丙二醛的含量发生了不同变化。不同甘蔗品种/品系的抗旱性不同，对水分胁迫的敏感程度也不同，水分胁迫后叶绿素含量均低于对照，脯氨酸含量随着处理强度的增大显著增加，且以30 %的PEG-6000浓度处理增加较为明显，抗旱性强的甘蔗品系脯氨酸增幅更大； 丙二醛含量随着胁迫强度的增大急剧增加，抗旱性差的甘蔗品种/品系增幅更大。聚乙二醇模拟水分胁迫组培苗结果表明，4个甘蔗品种/品系中02-6甘蔗品系抗旱性最强，其次为新台糖22号，最差的为新台糖16号。通過组培在实验室模拟甘蔗抗旱胁迫，为进一步田间干旱胁迫提供初选材料及参考价值，有利于加速甘蔗抗旱新品种的选育进程。

关键词：甘蔗 组培苗 水分胁迫 抗旱性 聚乙二醇

甘蔗（Saccharum officinarum L.）作为我国重要的糖料和能源作物，食糖是关系到国计民生的主要农产品，中国的主产蔗区主要分布在广西、云南、海南和广东等省（区），约有2/3以上的甘蔗分布在旱地上，而广西90 %以上种植在无灌溉条件的丘陵地带，旱害已严重阻碍广西乃至全国甘蔗产业的发展[1-5]。因此，甘蔗抗旱新品种的选育和利用，对进一步提高甘蔗产量、种植者的经济效益和促进甘蔗的产业化具有重要的意义。研究表明作物抗旱性评价主要以产量为基础，同时可结合一些形态指标和生理指标与分子生物学等进行综合评价[6-7]。聚乙二醇（PEG-6000）是一种较好的渗透剂，科研工作者常用他作为植物耐旱性或水分胁迫剂，国内外研究报道认为用PEG-6000模拟植物干旱环境是可行的，PEG-6000模拟胁迫与土壤自然干旱胁迫有相似的效果[8-10]。试验以4个抗旱性不同的甘蔗品种/品系为参试材料，以MS为基本培养基，研究不同浓度PEG-6000胁迫甘蔗组培生根苗后甘蔗叶片的光合能力、渗透调节物质含量等生理变化规律，为离体条件下快速筛选甘蔗抗旱品种/品系提供研究方法和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用的甘蔗材料为03-75品系（03-75）、02-6品系（02-6）、新台糖22号品种（ROC22）和 新台糖16号品种（ROC16），其中02-6、03-75品系为本所选育，正在进行品种审定阶段。各参试品种/品系采集于广西亚热带作物研究所/广西农垦甘蔗研究所甘蔗种质资源圃，在广西亚热带热作物研究所栽培性状表现为：02-6品系抗旱性强、ROC22抗旱性较强、03-75品系抗旱性较强、ROC16抗旱性较差。

1.2 方法

1.2.1 甘蔗组培

从甘蔗种质资源圃取回各参试品种/品系的蔗茎，流水洗净并砍成双芽茎段，种植在智能温室大棚，待蔗芽长至10～20 cm时，取无病害、生长健壮的茎梢，剥去外围叶片后在超净工作台上用70 %的酒精表面消毒，用解剖刀逐层剥叶，留下0～2 cm长的生长点，切成1～2 mm厚圆片，接入诱导培养基（MS+2，4-D 2.0 mg/L，pH5.8～6.0）暗培养。待愈伤组织诱导出后转接到分化培养基（MS+6-BA1.0 mg/L+NAA 0.1 mg/L，pH5.8～6.0）、芽增殖培养基（MS+6-BA 1.0～2.0 mg/L+NAA 0.1 mg/L，pH5.8～6.0）和苗生根培养基（液体MS +NAA 4.0 mg/L，pH5.8～6.0）中进行光照培养（光培养时光照10 h/d，光强1000～1500lx，暗培养遮光，培养温度25～28 ℃）。

1.2.2 甘蔗生根苗水分胁迫处理

取长势一致的甘蔗组培生根苗（在生根培养基培养30 d），在超净工作台上，将生根苗接入到含0（CK对照）、10 %、20 %和30 %的PEG-6000的MS液体培养基（每瓶30 mL）进行干旱胁迫处理，3次重复，处理14 d取叶片测定，期间观察各品种/品系的生长情况。

1.2.3 测试方法

脯氨酸含量（Pro）采用磺基水杨酸法，丙二醛含量（MDA）采用硫代巴比妥酸法，叶绿素含量采用分光光度法。

2 结果与分析

2.1 不同浓度PEG-6000对甘蔗叶片叶绿素含量的影响

叶绿素是光合作用合成有机物的基础，具有吸收、转化、传递光能的作用，影响光合作用的速率和产物的合成，叶绿素含量对作物的产量有一定影响，干旱胁迫将导致植物叶绿体色素合成的减弱或破坏，分解加快。由图1可以看出，各参试的甘蔗品种/品系经水分胁迫处理后，叶绿素的含量均比对照低，并且随着PEG-6000胁迫浓度的升高其叶绿素含量下降更多，表明水分胁迫严重的影响各甘蔗品种/品系的组培苗叶片叶绿素的生物合成，且不同甘蔗品种/品系间的叶绿素含量存在差异。PEG-6000的处理浓度在10 %时，4个甘蔗品种/品系（03-75、02-6、ROC22和ROC16）与各自的CK对照相比，分别下降了10.4、7.3、8.6和18.7个百分点；处理浓度为20 %时，4个甘蔗品种/品系下降更多，分别下降了17.4、14.4、10.2和27.7个百分点；当处理浓度为30 %时，对组培苗观察可以看出叶片有些淡绿，长势偏差，特别是ROC16的叶片明显萎蔫，4个甘蔗品种/品系的叶绿素含量分别下降了31.1、15.8、18.7和33.9个百分点。抗旱性强的02-6和ROC22的叶绿素下降的相对小一些，而抗旱性较差的ROC16下降最多。说明抗旱性强的甘蔗品种/品系的叶片抗蒸腾能力和输水能力较强，这与何平[11]等人的研究结果基本一致。

2.2 不同浓度PEG-6000对甘蔗叶片丙二醛含量的影响

丙二醛（MDA ）是质膜过氧化产物， 其含量高低反映植物受伤害的程度，可作为植物抗旱强弱的指标。植物受到干旱胁迫后丙二醛含量大量累积，一般来说积累越多抗旱性越弱，丙二醛增幅与作物抗旱性有一定的关联[11]。从图2可以看出，不同浓度PEG-6000处理下，各甘蔗品种/品系的MDA含量与对照比均相应的增加。同一甘蔗品种/品系在不同浓度处理下MDA的含量有差异，在相同的PEG-6000的浓度下，抗旱较强的甘蔗品种/品系比抗旱性差的甘蔗品种/品系其MDA的含量增幅相对小。4个甘蔗品种/品系在10 %的PEG-6000浓度下与CK（对照）相比，分别提高了26.7、15.4、20.0和30.8个百分点，在20 %的PEG-6000浓度下分别提高了53.3、30.8、40.0和76.9个百分点，在30 %的PEG-6000浓度下分别增幅了43.3、38.5、48.6和115.4个百分点。从图2还可以看出，03-75品种在30 %PEG处理反而比20 %处理浓度时丙二醛含量还低，可能与该甘蔗品系细胞忍耐力有关，水分严重胁迫后细胞达到了超过其上限忍耐力导致下降。试验结果表明随着水分胁迫的加剧引起膜脂过氧化加剧，抗旱性强的甘蔗品种/品系膜系统受害程度稍低，耐受力较高。

2.3 不同浓度PEG-6000对甘蔗叶片脯氨酸含量的影响

脯氨酸是细胞中一类渗透调节物质，作物在受到自然干旱或胁迫干旱后脯氨酸含量增加，抗旱性越强的品种在同等条件下脯氨酸含量累积更多。对甘蔗组培苗进行干旱胁迫后，从图3中可以看出，在不同浓度的PEG-6000处理中，4个不同的甘蔗品种/品系的脯氨酸含量与对照（CK）相比，脯氨酸的含量均增加，抗旱性不同的甘蔗品种/品系之间有较大的差异。PEG-6000的浓度为10 %时，4个甘蔗品种/品系的脯氨酸含量分别比对照增加了11.5、14.9、12.1和11.5个百分点。处理浓度为20 %时分别增加了24.1、37.4、22.8和20.2个百分点，处理浓度为30 %时分别增加了36.4、87.9、76.1和18.3个百分点。从试验的结果看，甘蔗02-6品系的脯氨酸增幅最大，是比较抗旱的品系，ROC22也是比较抗旱的品种。在30 %PEG-6000胁迫处理下ROC16品种增幅反而比20 %PEG-6000胁迫处理的脯氨酸增幅低，可能是该甘蔗品种/品系超过其忍受极限从而出现下降，有待更进一步深入研究。

3 讨论

PEG6000是一种高分子量的非渗透调节剂，对水分表现出强烈的亲和性。利用PEG作为干旱逆境耐性的选择剂，可以增加溶液的水势而造成逆境，对植物细胞无毒害。符明联等人利用PEG-6000模拟干旱胁迫筛选获得耐旱油菜材料[12]，王文国等人利用PEG胁迫下对金发草的愈伤组织进行抗旱突变体筛选[13]，邓珍等人利用PEG模拟干旱胁迫对11个马铃薯品种的组培苗进行抗旱性筛选，并筛选获得了2份抗旱性强的马铃薯品种[14]。但到目前尚未有通过PEG胁迫甘蔗组培苗这方面的研究，抗艳红等人利用PEG在处理马铃薯脱毒试管苗进行过研究，认为PEG模拟干旱与室外旱池的抗旱有较好的一致关系[7]。本试验研究结果表明：不同的甘蔗品种/品系的抗旱性表现出较大的差异，从植株农艺性状上看其叶片的颜色偏淡、苗的长势受到一定程度的抑制；从植物生理指标来評价甘蔗抗旱性，主要涉及到叶绿素、丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白和抗氧化保护酶等，本试验的4个不同甘蔗品种/品系通过PEG干旱胁迫后在叶绿素含量、丙二醛含量和脯氨酸含量等存在差异，02-6、ROC22的叶绿素含量、丙二醛的含量下降的相对小而脯氨酸含量增幅明显大，有研究表明脯氨酸积累越多越有利于植物抗旱、丙二醛积累越多受害越严重，叶绿素下降越少越有利于植物抗旱[11]。说明02-6在4个甘蔗品种/品系中抗旱性最强，其次是ROC22，而最差的是ROC22。本试验的抗旱结果与大田表现基本一致（另文发表），表明用PEG-6000模拟干旱胁迫与田间自然干旱胁迫的结果具有较好的一致性，这为今后早期在实验室筛选抗旱的甘蔗新品种/品系具有一定的理论依据和参考价值。

参考文献

[1] 李如丹，张跃彬，刘少春，等.国内外甘蔗生产技术现状和展望[J]. 中国糖料，2009（3）：54- 56，64.

[2] 潘雪红，黄诚华，辛德育.甘蔗螟虫主要优势天敌及其生物防治意义[J]. 广西农业科学，2009，40（1）：49-52.

[3] Li Y R. China：An emerging sugar super power[J]. Sugar Tech，2004，6（4）：213-227.

[4] 李杨瑞，杨丽涛. 20世纪90年代以来我国甘蔗产业和科技的新发展[J]. 西南农业学报，2009，22（5）：1469-1476.

[5] 李杨瑞，毛昌祥，唐其展，等.“2008-2009亚洲国家蔗糖产量降低的原因及应对措施”国际学术研讨会综述[J].广西农业科学，2010，41（1）：80-84.

[6] 赵海超，抗艳红，龚学臣，等.干旱胁迫对不同品种马铃薯生长指标的影响[J]. 安徽农业科学， 2008，36（28）： 12102-12104.

[7] 抗艳红，赵海超，龚学臣，等.马铃薯对干旱胁迫的生物化学反应[M] / /董金皋，王冬梅. 植物生理与分子生物学研究.北京： 科学出版社，2009： 52-54.

[8] 刘宇，王萍娟，李天昊，等. 聚乙二醇渗透处理对膜荚黄芪种子发芽及幼苗抗冷害的影响[J]. 吉林农业大学学报，2007，29（1）：61-64.

[9] 钟鹏，朱占林，李志刚，等. PEG处理对大豆幼苗活力及膜系统修复的影响[J]. 中国农学通报，2004，20（4）：260-263.

[10] 蔡小东，崔航. PEG6000模拟干旱胁迫对柑橘愈伤组织抗氧化酶活性的影响[J]. 长江大学学报（自然科学版），2013，10（23）：14-17.

[11] 何平，程志远，李 穆，等.甘蔗苗期对干旱胁迫的生理响应研究[J].中国农学通报，2014，30（31）：132-135.

[12] 符明联，李根泽，杨清辉，等. PEG6000模拟干旱胁迫处理在筛选油菜抗（耐）旱材料中的应用初析[J]. 中国农业科技导报，2009，11（S2）：60-62.

[13] 王文国，赵小光，王胜华， 等. PEG胁迫对不同培养方式下金发草愈伤组织再生能力的影响[J]. 生物工程学报，2007，23（2）：337-342.

[14] 邓 珍，徐建飞，段绍光，等.PEG-8000 模拟干旱胁迫对11 个马铃薯品种的组培苗生长指标的影响[J]. 华北农学报，2014，29（5）： 99-106.