芝麻不同抗旱基因型对花期干旱胁迫的生理响应机理

孙建，颜小文，乐美旺，饶月亮，颜廷献，叶艳英，周红英



芝麻不同抗旱基因型对花期干旱胁迫的生理响应机理

孙建，颜小文，乐美旺，饶月亮，颜廷献，叶艳英，周红英

（江西省农业科学院作物研究所/国家油料改良中心南昌分中心/江西省油料作物生物学重点实验室/农业农村部长江中下游作物生理生态与 耕作重点实验室，南昌 330200）

【目的】研究干旱胁迫对不同抗旱性芝麻品种叶片和根系生理生化特性的影响，分析不同基因型芝麻对花期干旱胁迫的生理响应差异，为芝麻抗旱性研究和改良提供理论参考。【方法】采用盆栽法，以抗旱品种金黄麻和干旱敏感品种竹山白为试验材料，在花期进行轻度（T1）、中度（T2）和重度（T3）干旱胁迫处理，以正常浇水为对照（CK），分别测定植株叶片和根系的丙二醛（MDA）、过氧化氢（H2O2）、脯氨酸（Pro）、可溶性糖（SS）、可溶性蛋白（SP）、游离氨基酸（AA）、还原型谷胱甘肽（GSH）、还原型抗坏血酸（AsA）等含量，超氧化歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）和苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性，分析干旱胁迫下2个基因型间生理响应机理的差异。【结果】干旱胁迫后，芝麻叶片中MDA、H2O2、Pro、SS、SP、GSH含量和SOD、POD、PAL酶活性以及根系中MDA、SS、SP、AA、GSH、AsA含量和CAT、PAL活性随着胁迫程度的不断加剧呈不断上升趋势，叶片中的AA、AsA含量和CAT活性以及根系中H2O2、Pro含量和SOD、POD活性随着胁迫程度的加剧呈先升后降趋势。相关分析结果显示，叶片中各项指标测定值与根系中指标值均呈正相关，品种抗旱性与膜脂过氧化伤害物质（MDA和H2O2）含量呈负相关，与部分渗透调节物质、防御系统物质含量和保护酶活性呈正相关。【结论】在花期干旱胁迫下，对2个不同基因型芝麻测定的12个生理生化指标均出现不同程度上升，响应差异较大，叶片大于根系。抗旱品种较干旱敏感品种表现为细胞膜脂过氧化伤害较轻，渗透调节物质积累量较多，保护酶（SOD和CAT）活性较强，抗氧化物质（GSH和AsA）含量较高。芝麻抗旱性生理机理表现为多方面的综合防御。

芝麻；花期；干旱胁迫；生理生化指标；响应机理

0 引言

【研究意义】芝麻（L.）是我国传统的重要优质油料作物，其种子含油量高，不饱和脂肪酸（油酸和亚油酸）占85%左右，富含芝麻素（sesamin）、芝麻酚（sesamol）、维生素E等天然抗氧化类物质[1-3]，是重要的优质食用油源和营养保健食品[4-5]。芝麻属于浅根系作物，对干旱、渍涝等水分逆境极为敏感，干旱是芝麻生产的主要限制性因素之一，尤其在干旱与半干旱地区的非洲、南美洲芝麻产区表现更为严重[6-7]。过度干旱严重影响芝麻生长及产量形成，稳产性差，一直是芝麻生产与产业发展的主要限制性因素之一[4-5]。在我国，芝麻产区干旱时有发生，尤其是北方干旱半干旱地区和南方红壤丘陵地区芝麻旱害发生频繁，江淮主产区也时有季节性干旱发生[5, 8-9]。王林海等[10]对全国20个芝麻生产县（市或区）进行了连续3年的调查分析表明，芝麻旱害发生频率较高，可导致芝麻单产减少22.5%—36.3%。花期是芝麻对干旱胁迫的敏感时期[9]，对产量影响最大。因此，开展芝麻花期抗旱性研究，解析芝麻抗旱生理机理，对芝麻抗旱性改良和减灾增收具有重要意义。【前人研究进展】已有的研究表明，干旱胁迫对芝麻生长发育、产量形成、生理生态和基因表达调控[11-12]等方面均有较大影响。干旱胁迫影响芝麻种子萌发成苗，导致芝麻生长速率减缓，根系发育缓慢，叶片数量减少，叶片变小，开花和有效结蒴数减少，生物量降低，严重影响芝麻的生长发育[13-17]。继而对芝麻蒴果大小、每蒴粒数、千粒重、单株产量等性状影响显著[13-14, 18-19]。前人对干旱胁迫下的芝麻生物学形态、光合及生理等方面进行了相关的研究。Hassanzadeh等[20]比较研究了不同芝麻品种初花期干旱胁迫后的叶片相对含水量和叶绿素含量，发现胁迫后抗旱性品种相对含水量和叶绿素含量较高。Kim等[19]发现干旱胁迫导致芝麻叶片表皮蜡质含量增加，叶片表皮蜡质含量与种子产量显著负相关。Fazeli等[21]比较分析了2个芝麻品种在不同田间土壤含水量情况下，抗氧化酶活性SOD、POD、CAT和PPO的差异，发现抗旱性品种根和叶片的抗氧化酶活性较强。Kadkhodaied等[22]测定了田间土壤含水量不同情况下，不同基因型芝麻叶片Pro、SS、AsA的含量及CAT、POD的活性，品种间的差异显示渗透调节物质含量和抗氧化酶活性的增加与基因型对水分亏缺的忍耐度有关。王晓玲[23]对花期芝麻植株进行干旱胁迫处理后发现，叶片脯氨酸含量随胁迫时间的延长而不断增加。高桐梅等[24]以郑太芝1号为材料研究了苗期土壤不同含水量条件下，芝麻光合特性及几个生理生化指标的变化，表明土壤含水量较低导致净光合速率、胞间CO2浓度和气孔导度下降，促进MDA积累，SOD和CAT活性随着胁迫天数的增加而不断升高。同时，研究者也开展了脱落酸（ABA）、水杨酸（SA）和激动素（Kin）等外源激素处理对干旱胁迫下芝麻生理生化的作用研究[25-27]。【本研究切入点】前人在芝麻干旱胁迫下的生理生化研究主要集中在叶片少数几个渗透调节物质和保护酶活性上，尚未见不同抗旱基因型芝麻对花期干旱胁迫的生理响应差异的研究。【拟解决的关键问题】本研究选用强抗旱和干旱敏感的2个芝麻品种为材料，采用盆栽法在干旱敏感的花期进行不同程度的干旱胁迫处理，测定叶片和根系中的膜脂过氧化伤害物质（MDA、H2O2）含量、渗透调节物质（Pro、SS、SP、AA）含量和抗氧化防御物质（SOD、POD、CAT活性和GSH、AsA含量）以及PAL活性，分析抗旱性差异显著的2个基因型响应机理差异，为深入研究芝麻抗旱性和品种抗旱改良提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用课题组之前鉴定的强抗旱品种“金黄麻”和干旱敏感品种“竹山白”。种子由江西省农业科学院作物研究所芝麻创新团队提供。

1.2 试验处理

试验按秋播芝麻生长特点，于2016年8—9月在江西省农业科学院玻璃旱棚内（南昌县莲塘镇）进行。采用盆栽法，盆高30 cm，直径30 cm，盆栽土为大田栽培土，碎土后摊开晾晒2 d，并翻动数次，确保土壤含水量一致。拌入适量复合肥和多菌灵粉末灭菌后，每桶分装干土15.0 kg。试验设置4个处理，3次重复。为确保试验植株长势均一，每个处理多备份1盆以供选择，2个品种合计种植32盆，取样测定时选取长势一致的3次重复即可。播种前每盆加水3 000 ml，8月2日播种，出苗后视土壤墒情定量浇水，每次每盆等量浇水500或1 000 ml。每盆定苗5株。9月8日初花，除对照（CK）组正常浇水外，其余处理组盆栽停止浇水进行胁迫处理，9月11日处理组植株出现基部叶片萎蔫等轻度干旱胁迫表现，每个品种选取长势一致的各3盆，即3次重复，采集嫩叶和根系以测定生理生化指标，视为轻度干旱胁迫处理（T1）。同时，选取长势一致的CK植株各3盆采集嫩叶和根系，标注为CK。9月14日处理组植株基部和中上部叶片出现萎蔫等中度干旱胁迫表现，采集3个重复植株的嫩叶和根系备用，视为中度干旱胁迫处理（T2）。9月17日处理组植株全株叶片萎蔫，干旱敏感性品种竹山白植株茎顶部出现萎蔫下垂症状，采集3次重复植株的嫩叶和根系，视为重度干旱胁迫处理（T3）。

1.3 测定指标与方法

丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定；脯氨酸（Pro）含量采用磺基水杨酸提取，酸性茚三酮法测定；可溶性糖（SS）含量采用蒽酮比色法测定；游离氨基酸（AA）含量采用水合茚三酮法测定；超氧化歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑法测定；过氧化物酶（POD）活性采用愈创木酚法测定[28]。还原型谷胱甘肽（GSH）含量采用5,5-二硫代双-2-硝基苯甲酸显色法测定[29]；苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性通过测定反式肉桂酸升高速率计算[30]。过氧化氢（H2O2）含量采用分光光度法[31]、可溶性蛋白（SP）含量采用BCA法[32]、还原型抗坏血酸（AsA）含量采用酶标仪法[33]、过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法[31]测定，所用试剂和测定方法均购自苏州科铭生物技术公司的试剂盒。

1.4 数据分析

数据处理和作图分析利用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0软件完成。

2 结果

2.1 花期干旱胁迫对芝麻MDA和H2O2含量的影响

2.1.1 丙二醛（MDA）含量 2个供试芝麻叶片和根系中的MDA含量均随胁迫程度的加剧而不断增加，叶片MDA含量在轻度干旱胁迫时显著增加，随后增加幅度放缓，而根系MDA含量的增幅随胁迫程度的加剧而增大。在不同程度干旱胁迫下，抗旱性品种金黄麻叶片和根系MDA含量均要低于干旱敏感性品种竹山白，且金黄麻在干旱胁迫下的MDA增加幅度也低于竹山白（图1-A）。

2.1.2 过氧化氢（H2O2）含量 轻度干旱胁迫下，金黄麻叶片H2O2的含量较CK轻微增加，差异不显著，随后随着干旱胁迫程度的增加而显著增加。竹山白叶片H2O2含量则在轻度胁迫时表现为急剧增加，达显著水平，随后增加幅度放缓，保持高水平状态。根系H2O2含量测定结果显示，金黄麻根系中H2O2含量出现先升后降再升高的变化，而竹山白根系的含量则在轻度和中度胁迫下表现为不断升高，而重度胁迫下有所下降。总体上，胁迫后叶片H2O2含量及其增幅均大于根系，竹山白叶片中的H2O2含量及增幅也明显大于金黄麻（图1-B）。

2.2 花期干旱胁迫对芝麻渗透调节物质的影响

2.2.1 脯氨酸（Pro）含量 干旱胁迫后，芝麻叶片Pro含量的增长幅度比根系的增长幅度明显大，随着干旱胁迫程度的加剧，叶片中的Pro含量先是缓慢增加，后大幅急剧增加，与CK差异均达到显著水平（图2-A）。轻度和中度胁迫下，金黄麻叶片Pro含量较竹山白要高，而重度胁迫下竹山白叶片Pro含量高于金黄麻。金黄麻与竹山白根系Pro含量则差异不明显。

2.2.2 可溶性糖（SS）含量 2个供试品种叶片和根系SS含量均随胁迫程度的加剧而不断增加（图2-B）。金黄麻叶片SS含量在轻度胁迫时大幅升高，中度胁迫时增幅放缓，重度胁迫时SS含量与中度胁迫时相当，根系SS含量在干旱胁迫下增加明显，但不同程度胁迫下根系SS含量差距不显著。竹山白叶片SS含量随干旱胁迫程度的加剧不断增加，不同处理之间的差异均达到显著水平，根系SS含量在中度和重度胁迫时差异不显著。品种比较而言，金黄麻叶片和根系SS含量普遍高于竹山白相关组织的SS含量。

不同小写字母表示同一品种同一组织不同干旱胁迫程度下的差异显著（P＜0.05）。下同

图2 花期干旱胁迫对芝麻叶片和根系渗透调节物质的影响

2.2.3 可溶性蛋白（SP）含量 图2-C显示，干旱胁迫后，金黄麻叶片SP含量大幅度增加，随着干旱程度的加剧，SP含量基本维持高水平稳定状态，而根系SP含量在轻度胁迫下增量不显著，在中度和重度胁迫下明显增高。竹山白叶片和根系SP含量随着干旱程度的加剧而不断增加，其中轻度和中度胁迫下叶片SP含量差异不显著。总体上，干旱胁迫下，叶片SP含量的变化幅度大于根系。

2.2.4 游离氨基酸（AA）含量 图2-D显示，随着干旱胁迫的加剧，2个品种叶片AA含量均成先上升后下降的趋势，在中度胁迫时AA含量达到最高值，随后急剧下降；根系则随胁迫程度的加剧而不断升高，竹山白的增长幅度要大于金黄麻。

2.3 花期干旱胁迫对芝麻抗氧化物质及PAL酶活的影响

2.3.1 超氧化歧化酶（SOD）活性 图3-A显示，金黄麻叶片和根系SOD活性随着胁迫程度的加剧呈先上升后下降的趋势，其中叶片SOD活性在轻度和中度胁迫时急剧上升，重度胁迫时略有降低，但与中度胁迫时的活性差异不明显；根系SOD活性在轻度胁迫时急剧增加，中度和重度胁迫时继续维持较高水平，相比轻度胁迫时有所降低，但差异不显著。竹山白叶片SOD活性随着胁迫程度的加剧不断上升，而根系SOD活性则表现为先升后降，在中度胁迫时达到最高水平，随后下降。

2.3.2 过氧化物酶（POD）活性 2个供试品种叶片POD活性在轻度胁迫时增加不明显，在中度和重度胁迫时显著增加，根系POD活性则呈现先升后降趋势（图3-B）。金黄麻叶片POD活性随着胁迫程度的加剧不断升高，增幅较均匀，而竹山白叶片POD活性在轻度胁迫时表现轻微上升，与CK差异不显著，但在中度和重度胁迫时活性急剧上升，较CK增幅十分明显。金黄麻根系POD活性在轻度胁迫时增幅较小，在中度胁迫时急剧上升至最高水平，重度胁迫时则有所降低，而竹山白根系POD活性也在中度胁迫时达到最高水平，随后下降，不同胁迫间的变化幅度较金黄麻表现更为均衡。

2.3.3 过氧化氢酶（CAT）活性 金黄麻叶片CAT活性变现为先升后降，在轻度胁迫时上升至最高水平，随后不断下降，根系CAT活性则变现为不断上升，其中在中度胁迫时表现为急剧上升，增幅十分明显。竹山白叶片和根系CAT活性均随胁迫程度的增加表现为不断上升，其中轻度胁迫时叶片CAT活性较CK略有增加，但差异不显著（图3-C）。

2.3.4 还原型谷胱甘肽（GSH）含量 供试的2个品种叶片和根系GSH含量均随干旱胁迫程度的不断加剧而增加（图3-D）。金黄麻叶片GSH含量在胁迫后大幅增加，轻度与中度胁迫时的含量相比差异不显著，中度与重度胁迫时的根系GSH含量相比差异不显著。竹山白叶片GSH含量在轻度胁迫时较CK有所增加，但差异不显著，随后急剧增加，根系GSH含量则在轻度胁迫后即表现为大幅增加，但轻度和中度胁迫时的含量相比差异不显著。

2.3.5 还原型抗坏血酸（AsA）含量 随着胁迫程度的不断加剧，2个品种的叶片AsA含量均呈先升后降的趋势，根系AsA含量则均表现为不断增加趋势（图3-E）。金黄麻叶片AsA含量在中度胁迫时大幅增加，达到最高值，随后增幅有所降低，根系AsA含量在轻度胁迫时较CK有所增加，但差异不显著。竹山白叶片AsA含量也在中度胁迫时达到最高值，根系AsA含量在轻度胁迫时即大幅增加，中度和重度胁迫时的含量相比不显著。

2.3.6 苯丙氨酸解氨酶（PAL）活性 干旱胁迫后，2个供试品种叶片和根系PAL活性均随胁迫程度的加剧而不断升高（图3-F）。金黄麻叶片和根系PAL活性变化趋势一致，叶片PAL活性明显较根系的活性强。竹山白叶片和根系PAL活性在轻度和中度胁迫时差异不显著，叶片PAL活性比根系的活性高。

2.4 测定指标间的相关分析

2.4.1不同生理生化指标的相关分析 对12个测定的生理生化指标进行相关分析，结果显示（表1），除POD外，11个指标之间均成正相关，相关系数0.283—0.936，AA和GSH相关系数最小（r=0.283），相关性不显著，其余相关系数均达到显著或极显著水平，SP和SS相关系数最大（r=0.936）。POD与AA、AsA成负相关，相关系数较小，分别为0.011和0.048，未达到显著相关；POD与其余的9个指标呈正相关，其中与MDA、CAT、GSH的相关性达极显著水平。可见，花期干旱胁迫对所测定的12个芝麻生理生化指标的影响基本一致。

图3 花期干旱胁迫对芝麻叶片和根系抗氧化物质和PAL酶的影响

2.4.2 叶片和根系间测定指标的相关分析 对叶片和根系测定的生理生化指标进行相关分析，结果显示（表2），12个测定指标的叶片和根系测定值均成正相关，相关系数在0.274—0.938，平均0.698，除Pro叶片和根系之间的相关性（r=0.274）未达到显著外，其余11个指标叶片和根系的相关性均达极显著水平。叶片AsA和根系H2O2、叶片H2O2和根系SOD之间成负相关，但相关系数较小，分别为0.003和0.079，均不显著。除此之外，其余叶片生理生化指标和根系生理生化指标之间均为正相关，且大部分指标之间相关性达到显著或极显著水平。可见，花期干旱胁迫对芝麻叶片和根系生理生化指标的影响趋势基本一致。

2.4.3 不同生理生化指标与抗旱性的相关分析 将不同组织的生理生化指标与供试品种的抗旱性进行相关性分析（表3），其中品种抗旱性与生理生化指标的测定值进行相关分析得到相关系数1，品种抗旱性与所测指标在干旱胁迫后较CK的增减百分比进行相关分析得到相关系数2。在相关系数1中，品种抗旱性与叶片MDA、H2O2、POD、GSH、PAL及根系MDA、H2O2、POD、GSH成负相关，其中与叶片MDA、H2O2、PAL及根系H2O2为显著或极显著负相关；品种抗性与其余生理生化指标成正相关，与叶片SOD及根系SOD、CAT、AsA成显著或极显著正相关。在相关系数2中，品种抗旱性与叶片MDA、H2O2、Pro、AA、SOD、POD、CAT及根系MDA、H2O2、SS、SP、GSH、AsA较CK的增减百分比成负相关，其中与叶片MDA、H2O2、POD及根系H2O2、SP、GSH、AsA较CK增减百分比的相关系数达到显著或极显著水平；品种抗旱性与叶片SS、SP、GSH、AsA、PAL及根系Pro、AA、SOD、POD、CAT、PAL较CK的增减百分比成正相关，其中与叶片SS、SP、GSH、AsA及根系Pro、SOD较CK增减百分比的相关系数达显著或极显著水平。可见，芝麻品种抗旱性与膜脂过氧化伤害物质（MDA和H2O2）含量成负相关，与部分渗透调节物质、防御系统物质含量和活性成正相关，不同抗性品种在叶片和根系的指标上存在一定差异。

表1 花期干旱胁迫下芝麻生理生化指标的相关分析

*和**表示相关系数分别达到显著（0.05）和极显著（0.01）水平。下同

*, ** represent significantly different at 0.05 and 0.01 levels, respectively. The same as below

表2 花期干旱胁迫下芝麻叶片与根系生理生化指标的相关分析

表3 花期干旱胁迫下芝麻生理生化指标与品种抗旱性的相关分析

相关系数1为品种抗旱性与生理生化指标测定值的相关性，相关系数2为品种抗旱性与生理生化指标较CK增减百分比的相关性

Coefficient 1 is the correlation between drought resistance of varieties and measured values of physiological and biochemical indexes. Coefficient 2 is the correlation between drought resistance of varieties and the increase or decrease percentage than CK of physiological and biochemical indexes

3 讨论

3.1 花期干旱胁迫对芝麻的生理伤害

活性氧是植物代谢过程中，叶绿体、线粒体和质膜上的电子传递都可能产生的代谢物质，主要包括超氧自由基（）、羟自由基（OH·）、单线态氧（O21）和过氧化氢（H2O2）[34-35]。在正常生长条件下，植物体内活性氧的产生和消除保持着动态平衡，而在受到干旱等逆境胁迫后，活性氧大量产生，超出了体内清除系统的能力，引起活性氧大量累积，使植物细胞遭受过氧化伤害[36-37]，导致细胞膜脂过氧化或膜脂脱脂化，最终形成植物细胞膜脂过氧化最终产物——丙二醛（MDA），因此，MDA是植物干旱胁迫下细胞膜系统伤害的重要标志之一[38]。本研究中，供试的2个品种在干旱胁迫下，MDA和H2O2含量均随胁迫程度的加剧而不断增加，这与他人的研究结果基本一致[24-25]。可见，干旱胁迫对芝麻的生理伤害表现为，干旱促使芝麻体内活性氧增加，导致活性氧产生与清除失去平衡，引起细胞膜脂过氧化或膜脂脱脂化，造成MDA积累伤害植株。

3.2 花期干旱胁迫下芝麻生理生化响应差异

干旱胁迫后，渗透调节是植物抵抗胁迫最直接的响应方式之一。植物通过主动积累Na+、K+、Ca2+等无机离子和脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白等有机物质来调节自身渗透能力，降低渗透势，降低水势，维持细胞膨压，减少干旱胁迫带来的伤害[34,39]。本研究测定了不同程度干旱胁迫下芝麻Pro、SS、SP和AA等渗透调节物质的含量变化，结果显示，随着胁迫程度的加剧，叶片Pro、SS、SP含量和根系Pro、SS、SP、AA含量均不断上升，但不同指标间增加幅度存在一定差异。这与干旱胁迫下芝麻[23-24]、大豆[40]等作物的生理响应研究结果相一致。但是，也有研究显示，随着干旱胁迫的不断加剧，植物渗透性调节物质的含量呈先升后降的趋势[41-42]，这可能与作物种类、胁迫处理的方法与时间有关。

植物在干旱胁迫后产生大量的活性氧，从而伤害细胞和组织。为抵抗胁迫造成的伤害，植物自身具备一些清除活性氧的酶类和抗氧化物质，即抗氧化系统。如SOD可以催化超氧自由基（）发生歧化反应形成O2和H2O2，而对细胞仍然具有毒害作用的H2O2接着被POD和CAT清除[34,39]。除此之外，植物体内还存在一些非酶促的抗氧化物质，如抗坏血酸（AsA）、谷胱甘肽（GSH）、维生素E和类胡萝卜素等，能够有效还原超氧自由基（），清除羟自由基（OH·），淬灭单线态氧（O21）和歧化过氧化氢（H2O2），从而使体内的活性氧维持在一定范围，减少对细胞的伤害[43-44]。大量的研究表明，干旱胁迫后，植物体内抗氧化酶活性和抗氧化物质含量均会不同程度的上升，且与抗旱能力成正相关[34-35,39,42]。本研究中，芝麻叶片和根系SOD、POD、CAT活性以及GSH、AsA含量在干旱胁迫下均出现不同程度的上升，部分指标在重度胁迫下升高后又出现一定程度的下降。说明干旱胁迫下，芝麻叶片和根系的抗氧化保护系统启动，使得保护酶活性升高，抗氧化物质积累，但干旱胁迫时间过长后，有害物质积累较多，超过了保护系统的清除能力，故而有下降的趋势。这与前人在芝麻以及其他作物的研究结果[24,35,40-42]基本一致。

苯丙氨酸解氨酶（PAL）是苯丙烷类代谢的关键酶，不仅参与植物色素形成、细胞分化和木质化过程，而且对植物抗病、抗虫及抗逆境胁迫等方面也有重要意义[30,45]。金丽萍等[30]研究表明，在遭受干旱胁迫时，蒙古扁桃叶片内的PAL活性随着胁迫程度的增加而增强，与抗旱性成正相关。本研究测定结果显示，芝麻在干旱胁迫后，叶片中的PAL活性随着胁迫程度的加剧呈先升后降趋势，较对照植株的PAL活性均有大幅增加，根系PAL活性则随着胁迫程度的加剧不断增强，但整体活性水平要低于叶片。可见，干旱胁迫会影响PAL活性的变化，但与抗旱性的关联性则需要进一步研究。

3.3 芝麻抗旱性的生理生化机理

抗旱性表现为植物在遭受干旱胁迫时通过多种多样的途径和方式减少胁迫对自身伤害的复杂过程。大量的研究表明[34,39-42]，干旱胁迫发生后，抗旱性品种通过气孔调节、渗透调节、抗氧化防御系统以及旱诱蛋白表达等多种方式来降低干旱胁迫对自身的伤害，而干旱敏感性品种的这种调控能力则表现得较弱。本研究比较了抗旱性和干旱敏感性的2个芝麻品种在不同程度干旱胁迫下的12个生理生化指标的变化，结果显示，相较于干旱敏感性品种，抗旱性品种对干旱胁迫的生理响应表现为：一方面干旱胁迫对抗旱性品种的伤害较轻，胁迫后其叶片和根系MDA和H2O2积累量较敏感性品种少。另一方面抗旱性品种较敏感性品种细胞能在胁迫发生后积累更多的Pro、SS、SP和AA等渗透调节物质，以稳定体内渗压平衡，增强细胞保水能力，维护和调节体内的生理生化活动，降低干旱胁迫对自身的伤害。再一方面，干旱胁迫后，抗旱性品种的抗氧化防御系统的响应水平高于干旱敏感性品种，抗旱性品种的保护酶SOD和CAT活性较敏感性品种有明显增强，抗氧化物质GSH和AsA在抗旱性品种体内的含量积累明显高于敏感性品种。保护酶活性的增强和抗氧化物质的积累都是为了消除活性氧，减轻或消除干旱胁迫造成的膜脂过氧化伤害。本研究结果对芝麻抗旱性生理生化机理研究具有重要的参考价值。

4 结论

花期干旱胁迫下，芝麻叶片和根系的12个生理生化指标测定值均出现不同程度的上升，叶片和根系对干旱的生理响应基本一致，但叶片中相关生理生化物质的活性和含量均高于根系，且不同品种、不同组织、不同指标之间的变化趋势存在一定的差异。抗旱芝麻品种较干旱敏感品种在细胞膜脂过氧化伤害上表现较轻，渗透调节物质积累量较敏感性品种多，保护酶（SOD和CAT）活性比敏感品种强，抗氧化物质（GSH和AsA）含量较敏感性品种要高。芝麻抗旱性在生理生化指标上表现为多方面的综合防御。

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Physiological Response Mechanism of Drought Stress in Different Drought-Tolerance Genotypes of Sesame During Flowering Period

SUN Jian, YAN XiaoWen, LE MeiWang, RAO YueLiang, YAN TingXian, YE YanYing, ZHOU HongYing

(Institute of Crops, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences/Nanchang Branch of National Center of Oilcrops Improvement/Jiangxi Province Key Laboratory of Oilcrops Biology/Key Laboratory of Crop Ecophysiology and Farming System for the Middle and Lower Reaches of the Yangtze River, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Nanchang 330200)

【Objective】The aims of this study were to study the effects of drought stress on the physiological and biochemical characteristics of leaves and roots of different drought-tolerant sesame varieties, to analyze the physiological responses of sesame different genotypes under drought stress during flowering period, thus providing a theoretical reference for the studies of sesame drought-tolerant and its improvement. 【Method】This experiment adopted the method of potted to drought-tolerant varieties “Jinhuangma” and drought-sensitive varieties “Zhushanbai” as the experimental materials, and treatment with mild (T1), moderate (T2) and severe (T3) drought stress at the flowering period, with normal irrigation as the control (CK). The contents of malondialdehyde (MDA), H2O2, proline (Pro), soluble sugar (SS), soluble protein (SP), free amino acids (AA), reduced ascobate (AsA), and reduced glutathione (GSH), as well as activities of superoxide dismutase(SOD), peroxidase (POD), catalase (CAT), phenylalanine ammonialyase (PAL) in plant leaves and roots were determined, respectively. And then the differences of physiological response mechanism between two genotypes under drought stress were analyzed. 【Result】After drought stress, the contents of MDA, H2O2, Pro, SS, SP, and GSH with the activities of SOD, POD and PAL in sesame leaves, as well as contents of MDA, SS, SP, AA, GSH, AsA and CAT and PAL activity in roots showed an increasing trend with the aggravation of stress degree, and AA, AsA content and CAT activity in leaves and contents of H2O2, Pro and SOD, POD activity in roots showed a trend of first rising and then falling with the aggravation of stress degree. The results of correlation analysis showed that the measured value of physiological and biochemical indexes in leaves were all positively correlated with them in roots, and the drought-tolerance of varieties was negatively correlated with the content of membrane lipid peroxidation damage substances (MDA and H2O2), and positively correlated with partial osmotic regulatory substances, defense system substances and protective enzyme activities. 【Conclusion】Under drought stress during the flowering period of sesame, 12 physiological and biochemical indexes of two different genotypes of sesame all showed different degree of increase, with great difference in response, and the effect on the leaves was greater than that of the roots. Drought-tolerant varieties showed less cell membrane lipid peroxidation damage, more accumulation of osmotic regulatory substances, stronger activity of protective enzymes (SOD and CAT) and higher content of antioxidant substances (GSH and AsA) than that in drought-sensitive varieties. Drought-tolerance of sesame showed comprehensive defense in many factors on physiological and biochemical indexes.

sesame (L.); flowering period; drought stress; physiological and biochemical characteristics; physiological response mechanism

10.3864/j.issn.0578-1752.2019.07.009

2018-11-01；

2019-02-18

国家自然科学基金（31560400）、国家特色油料产业技术体系建设（CARS-14）、江西省重点研发计划（20171BBF60034）、江西省农业科学院科技创新团队建设基金（2013CJJ004）

孙建，E-mail：whsunjian@aliyun.com。通信作者乐美旺，E-mail：mwyuecarl@163.com

（责任编辑 杨鑫浩）