PEG模拟干旱胁迫处理对青稞幼苗生长和生理特性的影响

王玉林，徐齐君，原红军，曾兴权，尼玛扎西*

（1.西藏自治区农牧科学院农业研究所，西藏拉萨850002；2.省部共建青稞和牦牛种质资源与遗传改良国家重点实验室，西藏拉萨850002）

干旱是造成干旱地区和半干旱地区农业生产减产的主要因素之一，对植物的生长发育、代谢以及植株的生长分布和存活均有重要影响[1]。全球每年因为干旱而造成粮食减产的损失是不可估量的。在农业生产中，除了发展节水灌溉和提高耕作技术外，选择或者培育具有抗旱性能强的农作物，是克服水资源稀缺而干旱减产的有效措施之一。目前，在作物抗旱性的研究上，对小麦、玉米、棉花和水稻等作物研究甚多，而关于青稞的研究则相对较少[2-3]。因此，筛选培育优良的抗旱青稞是扩大青稞种植面积，增加藏区经济收入和粮食产量的有效措施之一。

青稞（Hordeum vulgareL.var.nudumHook.f），属于禾本科大麦属大麦的一个变种，其籽粒成熟时外稃与颖果分离，籽粒裸露，故又称为裸大麦[4]。青稞通常生长在海拔4 200～4 500 m的高寒地区，主要分布在我国西藏、青海、甘肃以及云南等地，具有极强的高原环境耐受性[5]。青稞作为藏族人民主要的粮食作物，不仅营养丰富，而且具有深厚的文化底蕴，也是西藏四宝之首糌粑的主要原料[6-7]。青稞的生长环境独特，如高原缺氧、低温、高日照、降水少等，在种子萌发和生长初期极易受到干旱等因素的影响，导致作物产量的降低。此外，有研究表明，种子萌发阶段的抗旱性可以间接反映该植株的抗旱程度，也可以采用种子萌发和幼苗生长初期的生长情况来评价植物某生育时期的抗逆性[8-9]。在环境胁迫过程中，种子在吸水膨胀、发芽生根及长成植株的过程中，幼苗的根系以及株高在一定程度上也可以反映该植株对干旱的敏感性[10-11]，如Bouslama等（1983年）曾提出用种子的发芽势、发芽率以及萌发指数作为渗透胁迫下的种子萌发指标[12]。

本试验以819份青稞种质资源品种为试验对象，采用PEG模拟干旱胁迫环境，系统地观察和分析青稞对干旱的耐受性。在PEG 6000模拟干旱试验条件下，对青稞的株高变化量和地上生物量的鲜质量及干质量等形态指标进行测定和分析，以筛选出耐旱和敏感型的青稞品种，并对青稞在抗旱基础研究和遗传改良起到促进作用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

参试的819份青稞品种均来自西藏自治区农牧科学院农业研究所收集的青稞资源。

1.2 试验方法

种子预处理：选择大小一致、籽粒饱满的青稞种子，用0.15%高锰酸钾处理种子15 min，然后用蒸馏水漂洗干净，将洗净的种子均匀平铺在培养皿中，培养皿底部用滤纸铺垫保持水分，并设置对照组（H2O）和试验组（添加质量分数20%的PEG 6000溶液），在25℃的环境下培养24 h。

种子萌发：将预处理的种子取出，将每个处理的种子均匀铺洒在直径10 cm、铺有3层润湿的滤纸上，置于光照培养箱中培养 [25℃，2 000 μmol/（m2·s），光 14 h/暗 10 h]，每天给试验组和对照组培养皿分别添加质量分数为20%的PEG 6000溶液和H2O，并保持滤纸湿润。从种子置床之日起，每天观察种子出芽生根情况，以胚根、胚芽与种粒等长度作为标准，统计发芽生根标准。

以相对发芽率作为抗旱性评价标准，见表1。

幼苗培养方法：正式试验过程中，根据上述种子处理的方式，对材料进行催芽处理，选择发芽较为一致的种子播种到育苗盘（V细草炭∶V蛭石=1∶1）中，待大部分植株具有2～3片叶时（消耗自身胚乳的营养），将植株根部洗干净后，移植到质量分数为20%的PEG 6000的霍格兰培养液中进行干旱胁迫处理，处理48 h后统一收取植株叶片材料并进行生理指标测定。

表1 抗旱性评价标准

1.3 测定项目

1.3.1 植株高度。处理前和处理后，用卷尺分别测量株高(主茎的垂直高度)。

1.3.2 地上生物量的测定（鲜质量和干质量）。处理后，将地上生物量分别取样，先在120℃下杀青20 min，然后在80℃下烘干至恒质量[13]。

1.3.3 生理特性。选取在干旱胁迫过程中筛选的耐干旱材料和干旱敏感型材料各15份，分别随机取各处理组青稞叶片，3次重复，测定丙二醛（MDA）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）活性等生理指标。MDA、POD、CAT活性均采用试剂盒（购自南京建成生物工程研究所）并按相关说明进行测定。

1.4 数据处理

所有数据采用Microsoft Excel 2010软件进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 不同浓度梯度PEG模拟干旱胁迫对青稞种子发芽率的影响

大量研究表明，随着PEG质量分数的增加，种子的萌发率、活力指数等指标呈现逐渐下降的趋势，且与植物种子对干旱敏感性有一定的相关性[14-15]。根据相关文献报道及实际种植经验，选取具有抗旱性的材料喜拉10号、藏青320及对干旱敏感的材料WDM03681和WDM02185，共4个青稞品种，在质量分数分别为 0、5%、10%、15%、20%、25%、30%的PEG 6000浓度梯度下，模拟干旱胁迫环境对预选材料种子发芽率的影响，结果见表2。结果表明，当PEG浓度达到20%时，对干旱具有抗性的材料种子的发芽率开始显著降低，而敏感型材料的发芽率则降低80%以上；当PEG浓度达到25%时，抗性材料的发芽率影响也达到50%以上；而当浓度达到30%时，应试材料几乎都不会发芽。根据本结果，选取质量分数为20%的PEG溶液进行后续青稞种质资源抗旱性的筛选。

表2 不同质量分数PEG 6000处理的青稞种子发芽率 %

2.2 青稞种质材料的抗旱性筛选

2.2.1 干旱胁迫对青稞生长生物量的影响。对819份材料的发芽生根情况，按表1的标准进行评估，并初步筛选得到180份耐干旱材料和44份干旱敏感型材料。

从筛选得到的224份青稞材料中，选择其中具有代表性的41份材料作具体分析，见表3。其中，喜拉 16、ZDM4372、ZDM4412、WDM01467、ZDM4568、ZDM4572、ZDM4267、ZDM4530 的试验组和对照组在地上、地下部鲜干质量以及生长量上的差值均为正值，表明这些品种在干旱胁迫处理过程中，其苗期的植株生长势稳定增加，间接说明这些品种对干旱具有较强的耐受性。相反，WDM04621、ZDM4509、ZDM4493、ZDM4536、加拿大 369、ZDM4576、WDM 00787、ZDM4595、藏 0976、ZDM4583、2010 区 04、ZDM4440、ZDM4504、WDM04080、ZDM4401、迪庆黑元桂、藏 1312、ZDM4381、ZDM4397、ZDM4409、ZDM4445的试验组和对照组在地上、地下部鲜干质量以及生长量上的差值均为负值，表明这些品种在干旱胁迫过程中，植株的生长受到了一定程度的抑制，表现为负增长，间接说明这些品种对干旱胁迫较敏感。2.2.2 干旱胁迫对青稞MDA、POD和CAT等生物酶酶活性的影响。结果表明（图1），抗旱材料的MDA含量，在试验组和对照组中的差异并不是很显著，但是在旱敏感材料中，试验组的MDA含量明显要高于对照组，说明MDA在敏感材料的细胞内有大量积累。相比MDA变化情况，POD在试验组材料的细胞内含量始终要高于对照组，而CAT的含量在抗旱材料和敏感材料中呈现截然相反的趋势，在抗旱材料中相对对照组材料具有较高的积累，而在敏感材料中CAT含量有大幅下降。

综上所述，本研究通过PEG模拟干旱胁迫环境的方式，根据PEG胁迫下植株生长和部分生理指标的测定结果，筛选得到对干旱具有不同响应的青稞材料。其中具有强抗旱性的材料有喜拉16、ZDM4372、ZDM4581、ZDM4312、ZDM4412、ZDM4521、ZDM4516、喜拉3号、ZDM4456、WDM01467、ZDM4568、ZDM4572、ZDM4267、ZDM4530、藏 0559；对干旱敏感的材料有ZDM4279、ZDM4505、WDM04080、ZDM4401、迪庆黑元桂、藏 1312、ZDM4367、ZDM4381、ZDM4397、ZDM4409、ZDM4445、北青 1 号、WDM00787、藏 0976、2010区04。

3 结论与讨论

气候的变化直接影响到人类生存和经济社会的发展，尤其是对农业生产有着重要影响。在近10年，西藏的主要农产区生产力变化不显著，其中半干旱和干旱地区的农作物生产力变化不明显，但是在半湿润地区的青稞、小麦等农作物的产量逐年下降[16]。本研究基于此背景下，着力于青稞在抗旱机制中的基础研究，为培育耐旱品种作铺垫性工作。

生物都具有趋利避害的共性，而植物相对其他生物来说需要承受更多的外界影响。植物在面对外界逆境环境，如病虫害、干旱、低温等环境影响时，自身会产生一定的免疫力来抵御外界的影响。不同植物在响应外界环境的同时，其自身的遗传差异也会在其生长过程中得到体现[17]。在一定的干旱胁迫影响范围内，植物体内与抗旱相关基因的表达，导致植株在生理和形态结构上发生显著变化。大量研究表明，植物的地上部生长量、地下部生长量、地上部的鲜干质量、地下部的鲜干质量是衡量植物生产性能和抗性的重要生长指标[18]。本试验筛选得到的

耐旱材料（15份）和旱敏感材料（15份）在抗旱胁迫处理过程中，在生物形态上表现出显著的差异，具有耐旱性的材料的生长量要显著高于旱敏感材料，如耐旱材料喜拉16号的所有指标均表现为正值，而旱敏感材料如迪庆黑元桂则均表现为负值。

表3 PEG模拟干旱胁迫对植物生长量指标的影响

续表3

图1 干旱胁迫处理下的青稞叶片MDA含量与POD、CAT酶活性

植物的生长发育是由遗传物质和环境因素共同决定的，基因的表达、营养物质的供应、植物激素的合成等因素共同调节细胞的生长和代谢[19-20]。当植物受到逆境环境的胁迫影响时，植物为保证其代谢机能的正常运作，会对自身产生的活性氧（ROS）伤害具有适应和调节作用，其主要特征是降低和破坏抗氧化酶活性或抗氧化物含量，使活性氧代谢失衡。在正常情况下，植物体内的ROS的生成和清除处于一个动态平衡的状态，且维持在一个很低的浓度水平上，但是对植物施以逆境胁迫处理，其体内的这种活性氧平衡会被打乱，植物抗氧化系统清除ROS的能力下降，造成植物细胞内大量积累ROS，从而对植物造成伤害[21-22]。这种伤害一方面促使活性氧的产生，另一方面也破坏了机体内以SOD为主的抗氧化系统，导致ROS的进一步积累。植物针对这种现象，会应激地产生有效的抗氧化酶和抗氧化物质[23]。植物在逆境条件下，细胞膜的主要组成成分不饱和脂肪酸发生氧化反应，其中主要的产物丙二醛（MDA）的生成和积累会对生物的细胞膜造成严重伤害，MDA含量的高低可以反映出植物受到逆境伤害的程度[24]。同时，植物细胞内的保护酶SOD和CAT等，也在植物的抗逆过程中发挥重要的作用[25]。因此，植物在逆境环境下清除ROS能力的强弱，可以通过检测植物体内抗氧化酶的含量和活性来间接评价植物对逆境环境的耐受性。本试验结果表明，干旱敏感型材料的MDA含量显著要高于对照组；相对于对照组而言，与植物抗氧化系统直接相关的POD和CAT含量在植物抗性材料和敏感材料中表现出明显的差异。这些现象也与前人在干旱胁迫研究中相应生物酶活性变化趋势结果一致；同时对比测定的形态指标数据，也进一步证实我们筛选得到的对旱胁迫响应表型具有显著差异材料的准确性，如其中抗旱性较好的喜拉16、ZDM4312、ZDM4412、ZDM4572以及旱敏感材料迪庆黑元桂、藏 1312、ZDM4445、藏 0976 等。

在前人的研究中，干旱导致的膜脂过氧化是造成植物细胞膜受损害的关键因素，从而导致植物组织受损，植株衰老[22]。为了抵御活性氧分子对细胞的伤害，植物在长期进化过程中形成了一套精密的抗氧化酶保护系统，如SOD、CAT、POD等，以维持植物体内活性氧代谢的平衡。研究表明，当植物受到逆境环境的胁迫影响后，植物体内的POD活性和含量会升高，从而对植株起到保护生物膜的作用[26-27]。同样，CAT也是植物体内重要的抗氧化保护酶，在植物失水胁迫下，会诱导植物产生CAT，加速体内H2O2的分解，进而避免因体内活性氧自由基的积累而对植株造成伤害。MDA是细胞膜脂过氧化作用的主要产物之一，在植物受到胁迫后，产生的氧化自由基会加剧植物细胞膜的过氧化，并产生MDA。已有大量研究表明，干旱诱导的膜脂过氧化是造成植物细胞膜受到损伤的关键因素[22,28]。MDA的含量会随着干旱胁迫时间的增加，在植物体内也会逐渐增大。在抗旱过程中，植物体内的MDA含量越高，表明该物种的抗旱性越弱[29]。对比几种生物酶在植物受PEG干旱胁迫处理和空白对照组植株体内的含量情况，本试验测定结果与前人所研究的结果具有一致性；同时，这些植株在形态表现上的差异性也具有一定的相关性。

干旱对农作物的生产造成的影响仅次于病虫害。随着全球淡水资源的日渐匮乏，我们所面临的干旱造成的影响也越来越严重。因此，深入了解干旱胁迫对植物造成伤害的机理，以及植物在面临干旱胁迫环境下的应答机制，将有助于我们对耐干旱作物的选育和研究。随着下一代测序技术的发展，植物在抗旱生理层面上的研究有望取得较大成果[30]。许多与抗旱相关的基因以及调控因子的发现并被克隆分离，也将有助于人们对植物抗旱机理的认识。基于本次试验筛选得到的材料，可为后续青稞在干旱分子调控机制方面的研究提供良好基础。

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