干旱胁迫对冬播马铃薯现蕾期生理生化指标的影响

韩德鹏，尹智宇，杨 蓓，翁大成，许从恩，肖关丽*

（1.云南农业大学，云南 昆明 650201；2.云南省永平县园艺工作站，云南 永平 652600）

马铃薯（Solanum tuberosum L.）营养丰富，丰产性好，适应性广，可兼做菜粮，是重要的工业原料，也是中国的重要出口物资[1]，至2009年，中国马铃薯的出口贸易地位在世界上已上升至第8位[2]。中国马铃薯种植总面积逾460万hm2，是世界上最大的马铃薯生产国[3]。中国马铃薯产业有着巨大的生产潜力与市场发展空间。全国马铃薯产区以种植春马铃薯为主，即3月播种，当年7～10月收获，故2月中旬至5月中旬马铃薯鲜薯上市量却很少，无法满足市场供应。而冬马铃薯于11月播种，翌年2～5月收获，可作为冬春蔬菜错季上市，在弥补市场空缺的同时还可增加农民收入。云南省具有马铃薯四季种植、周年收获的气候优势，非常适合冬马铃薯栽培[4]，近年来冬马铃薯种植发展迅速[5]。

马铃薯是典型的喜凉性温带气候性作物，对水分亏缺十分敏感。云南省属典型的季风气候，冬季降水量稀少，有着山原降水量小于蒸发量的特点，且海拔越高，湿度越低，空气越干燥，冬季云南省旱情频发，干旱胁迫成为严重影响马铃薯正常生长发育和后期产量形成的限制因素，甚至可造成减产50%以上，并引起一系列的不良反应，抑制马铃薯产业的良性发展[6-8]。现蕾期是马铃薯生长发育中需水量最多的时期，此时地上地下部分同时生长，匍匐茎顶端膨大，块茎开始形成，是丰产的重要时期，水分供应不足，将严重影响马铃薯植株的生长发育[1]。

干旱是全世界都面临的最大的自然灾害之一。1950～2000 年中国北方主要农业区干旱面积呈扩大趋势，特别是华北等地干旱面积扩大迅速，形势严峻，而且极端年份干旱面积显著扩大[9]。在云南省，受旱面积35.45 万hm2，其中成灾面积17.04 万hm2，全省平均每年因旱灾损失粮食30.64万t[10]。因此，人们在干旱胁迫方面做出了许多研究。焦志丽等[11]研究不同程度干旱胁迫对马铃薯植株幼苗的影响，认为土壤含水量在20%的田间最大持水量为重度干旱胁迫。左应梅等[12]在干旱胁迫下对4 种人参属植物的生理指标进行比较，认为植物抗旱的超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）和过氧化物酶（Peroxidase，POD）的活性较高，丙二醛（Malondialdehyde，MDA）的变幅较小。马雪梅和吴朝峰[13]在研究干旱胁迫对金银花生理指标与品质的影响时发现，随干旱胁迫程度加剧，金银花叶绿素总量呈下降趋势，脯氨酸（Proline，Pro）、MDA 和可溶性糖含量呈显著升高趋势，POD 活性呈先升后降趋势。于健等[14]发现过氧化氢酶（Catalase，CAT）活性广泛存在于植株体内，将活性氧转变为低活性物质，从而保护细胞膜系统不受损伤。杨华应等[15]认为，在干旱胁迫下，因为抗旱能力的不同，烤烟叶片叶绿素荧光参数、光合参数、脯氨酸含量、MDA 含量、抗氧化系统酶活性均出现不同程度的变化。张丽莉等[16]在研究块茎膨大期干旱胁迫对马铃薯生理指标及产量的影响中发现，干旱胁迫下，马铃薯叶片的MDA、脯氨酸含量均增加。迄今国内外有关马铃薯抗旱生理的研究已有很多卓有成效的工作，但针对冬马铃薯抗旱性研究少见相关报道。本研究立足云南马铃薯生产实际，研究干旱胁迫对冬播马铃薯的影响，可为冬马铃薯生产发展提供理论依据。

本试验通过比较4个马铃薯品种在现蕾期干旱胁迫下各生理生化指标的变化，并对各生理生化指标变化进行综合模糊隶属函数分析，研究不同马铃薯品种在冬播时对干旱胁迫的响应，并评价马铃薯的抗旱性，该研究可为冬马铃薯的抗旱栽培及优良种质的鉴定与筛选奠定理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试品种：以云南省主栽的4 个马铃薯品种‘合作88’、‘丽薯6号’、‘宣薯2号’和‘会-2’为材料，均由云南省曲靖市农业科学院提供。

1.2 试验地点及试验设计

试验在云南农业大学后山标本园大棚中进行，地理位置N 25°18′，E 102°35′，海拔1 930 m。于2015年11月～2016年4月，进行冬播马铃薯的试验测定。试验用盆高27 cm，上径39 cm，下径20 cm。试验用土为山地红壤土，土壤pH 5.7，每盆装土10 kg，施有机肥（N+P2O5+K2O ≥5%，有机质≥60%，腐殖质≥25%，pH 5.5～8）50 g，复合肥（N∶P∶K = 30∶10∶10）10 g，作为基肥与土壤混匀后装盆，每品种每处理各3盆，现蕾期（2016年1月）进行控水，每天9：00 测定土壤相对含水量[17]。对照处理的土壤相对含水量在70%～85%，干旱胁迫处理的土壤相对含水量在15%～30%，马铃薯叶片出现萎蔫状态时（控水第8 d），进行相关生理生化指标的测定。

1.3 取样及测定

于早上8：00 取马铃薯倒4 顶小叶，置于冰盒中，在实验室内测定脯氨酸含量、可溶性蛋白含 量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性和MDA 含量。脯氨酸含量的测定采用磺基水杨酸法[18]，可溶性蛋白含量、SOD 活性、POD 活性、CAT 活性及MDA 含量的测定均使用南京建成生物工程研究所提供的试剂盒。3 次重复，结果取平均值。

1.4 数据处理

测定后计算各指标变幅：变幅=[（处理值-对照值）/对照值] × 100%（变幅＞0 时，为升幅；变幅＜0时，为降幅）。

试验数据先用Excel 2003进行整理，再用SPSS 17.0 对各项生理生化指标变幅进行单因素（One-way ANOVA）和最小显著差异法（LSD）分析，最后使用模糊隶属函数法[19]对4个马铃薯品种的各生理生化指标变幅进行综合分析。

隶属函数值的计算：

其中X 为各材料的某一指标测定值，Xmax、Xmin分别表示各参试材料中某一指标测定值内的最大值和最小值。如果指标与抗旱性成正相关，用公式（1）计算，呈负相关，用公式（2）计算。MDA用公式（2）计算，其余用公式（1）计算。然后累加各材料各个性状的具体函数值，并求出平均隶属函数值。

2 结果与分析

2.1 土壤相对含水量的测定与分析

干旱处理下4 个马铃薯品种的土壤相对含水量在21.93%～23.60%，CK 处理（正常浇水）的4个马铃薯品种的土壤相对含水量在80.64%～81.95%（表1）。分别将干旱处理与CK 处理的4个马铃薯品种的土壤相对含水量进行方差分析，干旱处理与对照处理的4 个马铃薯品种间的土壤相对含水量值差异均不显著，说明4 个马铃薯品种分别在干旱处理与CK 处理的土壤相对含水量基本一致。

表1 4个冬播马铃薯品种土壤相对含水量比较Table 1 Comparison on soil relative water content of four winter sowing potato varieties

2.2 干旱条件下冬马铃薯现蕾期脯氨酸与可溶性蛋白含量分析

在干旱胁迫下，4 个马铃薯品种的叶内脯氨酸含量均较CK 增加（表2）。将4 个马铃薯品种的脯氨酸含量变幅进行方差分析，差异不显著。

干旱胁迫下各马铃薯品种的可溶性蛋白含量均较CK 增加（表2），说明在水分亏缺条件下，马铃薯叶内积累大量的可溶性蛋白以降低渗透势，使植株适应干旱环境或提高自身的抗旱能力。将各马铃薯品种的可溶性蛋白含量变幅进行方差分析，‘会-2’的可溶性蛋白含量变幅显著高于‘合作88’与‘丽薯6 号’，‘宣薯2 号’的可溶性蛋白含量变幅显著高于‘丽薯6号’，说明在干旱胁迫下，‘会-2’叶内能够维持较高的可溶性蛋白水平，‘宣薯2号’次之，‘合作88’再次，‘丽薯6号’叶内维持较低的可溶性蛋白水平。

2.3 干旱条件下冬马铃薯现蕾期SOD、POD 和CAT活性分析

干旱胁迫下4 个马铃薯品种的SOD 活性含量均较CK 增加（表3）。将各马铃薯品种SOD 活性变幅进行方差分析，‘合作88’、‘丽薯6号’、‘宣薯2 号’及‘会-2’的SOD 活性增幅分别是：86.69%、302.48%、143.00%和128.19%，品种间SOD 活性差异不显著。

在干旱胁迫下，4 个马铃薯品种的POD 活性均较CK 增加（表3）。将各马铃薯品种的POD 活性变幅进行方差分析，‘会-2’与‘合作88’的POD 活性变幅显著高于‘丽薯6 号’，‘宣薯2 号’的POD活性变幅高于‘丽薯6 号’，但不显著。说明在干旱胁迫下，‘会-2’与‘合作88’叶内能够维持较高的POD 活性，去除活性氧自由基，保护叶内细胞不受伤害，‘丽薯6 号’能力最弱。

在干旱胁迫下，4 个马铃薯品种的CAT 活性均较CK 增加（表3），说明干旱胁迫使植株体内活性氧清除剂CAT 活性增加，以维持活性氧的代谢动态平衡，使膜结构免受或少受活性氧的伤害，一定程度上增强了植物在忍受、抵抗干旱胁迫的能力，但不同品种的CAT 活性增幅不同。将4 个马铃薯品种CAT 活性变幅进行方差分析，‘会-2’的CAT 活性增幅最大，显著高于‘丽薯6 号’，‘宣薯2 号’、‘合作88’的CAT 活性增幅高于‘丽薯6号’，但不显著。说明在干旱胁迫下，‘会-2’的叶片细胞膜结构受损程度最小，能更好的抵御干旱，‘宣薯2 号’与‘合作88’次之，‘丽薯6 号’叶内细胞膜膜保护结构受损较严重。

表2 4个马铃薯品种脯氨酸与可溶性蛋白含量比较Table 2 Comparison on proline and soluble protein contents of four potato varieties

2.4 干旱胁迫对4个马铃薯品种MDA含量的影响

在干旱胁迫下，4个马铃薯品种的MDA含量均较CK增加（表4），说明干旱胁迫使植株叶内的膜系统受损，但不同品种受伤程度不同。在干旱胁迫下，‘合作88’、‘丽薯6号’、‘宣薯2号’和‘会-2’的MDA 增幅分别是191.11%、226.67%、66.67%和58.33%。经方差分析，4个马铃薯品种间MDA含量增幅存在差异，其中，‘合作88’和‘丽薯6 号’的MDA含量变幅显著高于‘宣薯2号’和‘会-2’，说明在干旱胁迫下，‘会-2’与‘宣薯2号’的叶片膜系统受损程度较小，‘合作88’与‘丽薯6号’叶内膜系统受伤较严重。

表3 4个马铃薯品种SOD、POD、CAT活性比较Table 3 Comparison on SOD, POD and CAT activityies of four potato varieties

表4 4个马铃薯品种MDA含量比较Table 4 Comparison on MDA content of four potato varieties

2.5 模糊隶属函数法对4个马铃薯品种的抗旱性综合评价

马铃薯品种的抗旱性是一种复杂的遗传、生理、代谢反应，单一指标去鉴定马铃薯品种的抗旱性较局限，因此利用模糊隶属函数法对各马铃薯品种进行综合、客观的评价。结合各生理生化指标变幅对马铃薯品种进行抗旱性评价，模糊隶属函数值越高，品种的抗旱性越强。由表5 可知，4 个马铃薯品种各项生理生化指标的隶属函数平均值从大到小顺序依次排列为：‘会-2’＞‘宣薯2 号’＞‘合作88’＞‘丽薯6 号’。

3 讨 论

渗透调节物质的积累是植物御旱的一种重要方式。但现今对干旱胁迫下，脯氨酸含量、可溶性蛋白含量的研究依然存在矛盾。贾琼[20]研究认为干旱胁迫下，脯氨酸含量积累是一种生理现象，仅能将该指标作为胁迫伤害指标，但据田丰等[21]研究报道认为，脯氨酸含量积累可作为鉴定品种抗旱性的指标，且变幅越大，品种抗旱性越强。李波等[22]研究干旱胁迫对苜蓿脯氨酸累积的影响时发现，干旱胁迫时间长短是影响脯氨酸积累的重要因素。本研究认为，干旱胁迫下冬播马铃薯叶内脯氨酸含量较CK 增加，干旱胁迫对马铃薯叶片的脯氨酸积累有影响；而对相同处理的不同品种间脯氨酸变幅进行比较，差异不显著，故认为脯氨酸积累的量与4 个马铃薯品种抗旱性的相关性不显著；脯氨酸含量变幅在一定程度上反映了马铃薯植株叶片对干旱胁迫的忍耐和适应能力，与李波等[22]研究结论一致。据刘玲玲等[23]研究发现，干旱胁迫下可溶性蛋白含量占对照（正常浇水）可溶性蛋白含量的百分率与品种抗旱性呈极显著相关关系，但贾琼[20]认为，可溶性蛋白含量变化与品种抗旱性的相关性不显著。本试验研究表明，在干旱胁迫下，其品种抗旱性越强，马铃薯可溶性蛋白含量增幅越大，马铃薯植株叶内的可溶性蛋白含量的增加，对其适应干旱环境有积极作用，与李建武[24]的观点一致。

表5 各马铃薯品种的隶属函数值Table 5 Subordinate function values of four potato varieties

SOD、POD 和CAT 是保护细胞以抵御干旱胁迫的重要保护酶，SOD、POD 共同作用是减轻或消除因干旱引起的活性氧与自由基等对植物生长发育的不良影响，以增强马铃薯植株自身的抗旱能力，适应逆境[7,25]。姜慧芳和任小平[25]对干旱胁迫下花生叶片SOD 和POD 活性的研究认为，在干旱胁迫下，植物叶内SOD、POD 活性较CK 增加，且抗旱性越强，其增幅越大。贾琼[20]研究认为，在干旱胁迫下，SOD 活性较CK 增加，但SOD活性变幅与品种抗旱性无明显规律；而李建武等[26]研究认为，在重度干旱胁迫下，SOD 活性较CK降低。宋志荣[27]研究认为，干旱胁迫使马铃薯植株叶内SOD 活性增加，且增幅越大，品种的抗旱性越强，与本试验研究结果相一致，与李建武[24]、贾琼[20]的研究结果不一致。覃鹏等[28]通过不同方式干旱胁迫试验，认为试管苗干旱胁迫下，POD活性较CK 增加，但盆栽试验中，POD 活性较CK降低。本研究认为，在干旱胁迫下，POD 活性较CK 增加，但不同品种增幅不同，增幅越大，品种抗旱性越强，这与宋志荣[27]研究结果相一致，但与李建武[24]以及李建武等[26]研究结果不一致。在干旱胁迫下，CAT 活性清除过氧化氢，将有毒物质分解为水和氧气，避免过氧化氢与氧自由基在铁螯合物作用下反应生成非常有害的羟自由基[29]，因此，在逆境下的植物叶片内的MDA 的含量变化可作为抗旱指标之一。本试验中干旱胁迫下的CAT 活性较CK 增加，且增幅越大，抗旱性越强，该结论与张武[30]研究结果相一致。由干旱胁迫引起的膜脂过氧化产物MDA，是具有细胞毒性的物质，赵海超等[31]、穆怀彬等[32]通过研究认为，在干旱胁迫下，抗旱性强的品种MDA 含量增幅较少，反之亦然，这与本试验中研究结果相一致。

综上所述，‘会-2’在可溶性蛋白及CAT 活性指标中，表现出较好的渗透调节能力与抗氧化能力，干旱胁迫所引起的膜脂过氧化产物MDA 含量也相对较少。‘宣薯2 号’在可溶性蛋白含量增幅高于‘合作88’，MDA 含量显著低于‘合作88’。‘丽薯6 号’的可溶性蛋白含量和POD 活性及CAT活性增幅低于其他3 个品种。本研究中为避免对马铃薯各品种单一指标抗旱性分析比对的片面性，结合模糊隶属函数评价鉴定，全面揭示各品种对干旱适应的综合能力。研究发现，不同品种对干旱的响应不同，抗旱性强的品种不具备全部的生理生化指标都体现出该品种的抗旱特性，如‘会-2’的大多指标维持较高水平，但个别指标低于‘宣薯2 号’、‘合作88’及‘丽薯6 号’，综合各指标及模糊隶属函数评价结果更真实可靠。4 个马铃薯品种抗旱性由强到弱依次是：‘会-2’＞‘宣薯2 号’＞‘合作88’＞‘丽薯6 号’。

通过对干旱胁迫下马铃薯现蕾期各生理生化指标的分析，发现4 个马铃薯品种抗旱性由强到弱依次是：‘会-2’＞‘宣薯2 号’＞‘合作88’＞‘丽薯6 号’。在重度干旱胁迫下，马铃薯生理生化水平的变化与品种的抗旱性密切相关。