PEG模拟干旱胁迫对白菜型春油菜芽期生长特性的影响

高 雪，尼玛扎西，刘国一，谭海运

（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/西藏自治区农牧科学院农业资源与环境研究所，西藏 拉萨 850000）

【研究意义】近年来，水资源供需失衡是世界范围内农业面临的最严重问题之一，供水不足严重制约农业生产。植物对干旱胁迫的响应机制一直是遗传育种领域的研究热点。我国油菜种植面积和产量居世界首位［1］，油菜种植区季节性干旱大面积频发，加之种植区内全年降水量分布不均，对油菜种植过程造成巨大影响。干旱导致油菜无法正常播种、出苗慢、出苗不齐，甚至种植面积减少。【前人研究进展】根系是固定植物及吸收水分、运输营养物质的重要器官。对根系的研究及调查工作费时费工，而且田间调查取样容易造成根系结构破坏，这些增加了根系调查的难度。在长期研究及实际工作中，研究者及育种家更多关注植物地上部分对干旱胁迫的应答反应，对根系干旱响应机制研究相对较少［2］。研究发现，干旱胁迫下玉米根重与产量呈正相关，并检测到与根系相关的16个QTLs位点与干旱胁迫响应有关［3］。不同耐旱性水稻在聚乙二醇6000（PEG6000）溶液处理后，对耐旱性强品种（系）根系特征方面的影响显著小于抗旱性弱的品种（系）［4］。陈检锋等［5］研究认为，玉米根系抗氧化能力的强弱可以区分抗旱级别。干旱胁迫对甘蓝型油菜幼苗期根鲜重和侧根数具有明显抑制作用，主根长、侧根数可作为甘蓝型油菜早期初步抗旱性鉴定的重要辅助指标［2］。不同生理期内，作物的生理反应机制可用于筛选抗旱性品种（系）［6］。相对水分含量、脯氨酸、胁迫指数可作为小麦抗旱性强弱的鉴定指标［7］。一定干旱胁迫程度下，甘蓝型油菜叶片中叶绿素、类胡萝卜素含量随干旱程度加剧而降低，渗透调节物质、丙二醛含量及抗氧化酶系统活性则随着干旱程度的加剧而升高［8］。萌发期采用10% PEG6000溶液胁迫处理，显示抗旱指数、发芽率、根长、苗高和根体积等指标可作为甘蓝型油菜早期初步筛选抗旱性材料的鉴定指标［9］。【本研究切入点】西藏地区春油菜播种期干旱少雨，选育、筛选出抗旱性白菜型春油菜品种（系）能很好解决播种期干旱少雨的情况［10］。采用PEG6000溶液模拟干旱胁迫研究白菜型春油菜抗旱性的方法，重复性好、周期短、实验条件易于控制，可快速筛选抗旱性白菜型春油菜品种（系）。【拟解决的关键问题】本研究采用不同浓度PEG6000溶液模拟干旱胁迫，探索白菜型春油菜幼苗对干旱胁迫的响应机制，筛选适宜的PEG6000浓度及抗旱性白菜型春油菜品种（系），为西藏白菜型春油菜抗旱性育种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

124220-1、藏油3号、104005、093431等4个品种（系）白菜型春油菜种子由西藏自治区农牧科学院资源与环境研究所提供。

1.2 试验方法

干旱胁迫参考米超等［11］方法进行，发芽试验参考GB/T3543.4-1995。为保证试验一致性，分别随机选取各品种（系）白菜型春油菜种子1 000粒，先用5% NaClO溶液消毒5 min，再用蒸馏水冲洗干净，以三层滤纸为芽床，置于25℃自然光下萌发，5 mL蒸馏水保湿。待种子露白，选取100粒正常发芽的种子转至PEG6000溶液为培养液（浓度分别为0%、5%、10%、15%、20%、25%）的培养皿（直径12 cm，芽床由五层吸水纸及一层滤纸构成）继续培养，进行模拟干旱胁迫处理，以培养液为蒸馏水为对照，每个培养皿为1个重复，共3个重复。培养箱设置条件：昼/夜温度25℃/18℃，时长14h/10 h，光照条件为4 000 lx，胁迫处理时间为7 d。胁迫处理结束后统计白菜型春油菜幼苗存活数，计算成苗率；随机选取20株测定幼苗苗高、主根长、单株鲜重等形态指标，并计算相对活力指数、伤害率：

相对活力指数=处理成苗率×处理幼苗苗高；

取整株材料测定丙二醛（MDA）、脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SPr）含量及超氧化物酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性，测定方法参照文献［12］，3次重复。

试验数据采用Excel 2016进行统计分析，采用 SPSS 19.0软件进行差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 白菜型春油菜芽期幼苗形态指标对PEG胁迫的响应

不同浓度PEG6000溶液模拟干旱胁迫后各品种（系）白菜型春油菜的成苗率见表1。由表1可知，124220-1成苗率由96.02%下降至32.37%，伤害率由10.82%增加至66.29%；藏油3号成苗率由93.33%下降至32.33%，伤害率由7.56%增加至65.36%；104005成苗率由92.67%下降至32.37%，伤害率由7.92%增加至61.88%；093431成苗率由95.33%下降至25.58%，伤害率由16.33%增加至73.16%。随干旱胁迫加剧，白菜型春油菜成苗率呈下降趋势，伤害率呈增长趋势，其中124220-1在每个处理梯度的伤害率均略大于其他品种，而104005均略低于其他3个品种。

从表1、表2可以看出，不同浓度PEG6000溶液胁迫后，各品种（系）白菜型春油菜平均苗高124220-1由45.33%降至14.98%，其中，藏油3号由29.43%降至10.11%，104005由31.39%降至9.02%，093431由27.57%降至11.26%；主根长124220-1由23.98%降至8.67%，藏油3号由25.3%降至11.23%，104005由19.33%降至10.62%，093431由24.33%降至12.58%；单株鲜重124220-1由60.25%降至25.25%，藏油3号由50.41%降至28.81%，104005由43.89%降至23.84%，093431由51.18%降至34.89%；相对活力指数124220-1由0.70降至0.11，藏油3号由0.70降至0.12，104005由0.73降至0.13，093431由0.69降至0.10。平均苗高、单株鲜重、主根长、相对活力指数均随PEG6000溶液浓度增加而下降，幼苗各指标（平均苗高、单株鲜重、主根长）伤害率亦同时增加。4个品种（系）白菜型春油菜各生长特性指标伤害率大小不同，其中，124220-1各指标略大于其他3个品种（系），为104005＞093431＞藏油3号＞124220-1，抗旱性相对强弱排序亦如此。

以相对活力指数作为作物抗旱性鉴定指标已用于实际工作［11-12］，在15% PEG6000溶液浓度时，各品种（系）白菜型春油菜相对活力指数在50%～60%之间，成苗率分别为69.67%、68.67%、66.33%、59.67%，20%浓度成苗率分别为32.37%、32.33%、35.33%、25.58%。可将15%～20%浓度范围作为白菜型春油菜模拟干旱胁迫的适宜浓度，对应渗透压约为-0.4MPa［13］。

2.2 白菜型春油菜芽期幼苗抗氧化酶活性对PEG胁迫的响应

从图1可以看出，随PEG6000溶液浓度升高，在5%～15%浓度范围内，4种白菜型春油菜SOD、POD、CAT活性均呈升高趋势。各溶液浓度胁迫下的白菜型春油菜SOD活性均大于对照，差异显著。溶液浓度为15%～20%时，SOD活性不再升高，达到最大；浓度高于20%时，SOD活性呈下降趋势，差异达到显著性水平（图1A）。104005在各溶液浓度胁迫下的SOD活性均高于其他3个品种（系），可见104005的抗旱性较强于其他3个品种（系）。不同PEG6000溶液浓度处理对白菜型春油菜的POD、CAT活性变化较大，均达到显著性水平（图1B、C），变化趋势与SOD变化趋势相似，且在一定溶液浓度范围内，白菜型春油菜抗氧化系统酶活性变化与浓度呈正相关关系，可以区别不同品种（系）抗旱性强弱。

2.3 白菜型春油菜膜渗透性及膜损伤对PEG胁迫的响应

2.3.1 渗透调节物质对PEG胁迫的响应 随着PEG6000溶液浓度升高，4个品种（系）白菜型春油菜SPr含量变化均较大（图2A），差异显著。在0%～15%浓度范围内，SPr含量随浓度升高而增加，油菜细胞通过SPr含量升高调整渗透势促进吸水，维持细胞正常状态。在20%浓度时SPr含量达到峰值，超过20%时，含量下降，差异达到显著性水平，此时已超过白菜型春油菜细胞抵御干旱的耐受程度。其中，104005变化程度明显高于其他3个品种（系），最大变化值为60 mg/g；124220-1变化相对最小、最大变化值为50 mg/g。

表1 PEG6000溶液处理对白菜型春油菜幼苗成苗率、苗高及相对活力指数的影响Table 1 Effects of PEG6000 solution treatments on seedling survival rate, seedling height and relative vigor index of spring rapeseed（B. campestris L.）

不同PEG6000溶液浓度（0%～20%）下，4个品种（系）白菜型春油菜Pro含量明显升高（图2B），达到显著性水平。20%浓度时4个品种白菜型春油菜Pro含量变化最明显，变化值最大，达到峰值；当溶液浓度高于25%时，Pro含量下降明显，达到显著性水平，该干旱胁迫程度超过白菜型春油菜幼苗承受能力，使细胞内环境稳态破坏。其中，104005在各浓度处理中上升幅度最明显，最大变化值达到50 μg/g。

随着PEG6000溶液浓度升高，4个品种（系）白菜型春油菜SS含量呈上升趋势，与浓度呈正相关关系，变化达到显著性水平（图2C）。同时细胞内渗透势调节物质含量增加并积累，其中，104005在各浓度处理上变化最大，SS含量呈上升趋势，最大变化值达到45 µg/g；124220-1变化趋势与104005变化趋势相似，变化值相对最小，最大变化值为36 µg/g。20%浓度处理时，不同品种（系）白菜型春油菜SS含量差异显著，此浓度可作为白菜型春油菜抗旱性研究适宜的浓度水平，应用于实际工作。

表2 PEG6000溶液处理对白菜型春油菜幼苗主根长及单株鲜重的影响Table 2 Effects of PEG6000 solution treatments on seedling main root length and fresh weight per plant of spring rapeseed（B. campestris L.）

图1 PEG6000溶液处理对白菜型春油菜抗氧化酶活性的影响Fig. 1 Effects of PEG6000 solution treatments on antioxidant enzyme activity of spring rapeseed（B. campestris L.）

2.3.2 MDA对PEG胁迫的响应 MDA是细胞质膜过氧化产物，植物细胞遭受逆境胁迫时，其含量可反映膜系统过氧化损伤的程度。4个品种（系）白菜型春油菜MDA含量均随PEG6000溶液浓度上升呈上升趋势（图2D），呈正相关关系，达到显著性水平。124220-1在各浓度处理上变化最大，相较其他3个品种（系）对PEG6000溶液更敏感，而104005相对较迟钝，变化值小于其他3个品种（系）。

3 讨论

遭受干旱胁迫时，作物根系首先作出响应，进而影响作物的生长发育及形态建成［13］，产量亦受到影响。根系是作物吸收水分、运输养分及物质合成、同化、转化的主要器官［4］，研究作物根系与抗旱性的关系具有重要意义。作物遗传育种领域以种子早期萌发指标筛选抗旱材料的方法已得到广泛应用［14-18］，根系的深度、根粗、根长、侧根数等指标与植物抗旱性强弱具有相关性，根系越发达，植物抗旱性越强。本研究以PEG6000溶液模拟干旱胁迫，研究4个品种（系）白菜型春油菜芽期幼苗形态特征及生理生化的变化，结果表明，苗高、主根长、单株鲜重、相对活力指数等早期指标随PEG胁迫程度增强而加剧，其中强抗旱性品种（系）各指标下降程度均小于抗旱性弱品种（系）。相对活力指数、苗高等指标可作为衡量抗旱性强弱的重要指标，其他指标可作为抗旱性筛选的辅助指标［19］，筛选出品系104005抗旱性强于其他3个品种（系）。

干旱胁迫时，细胞内抗氧化酶系统最先反应，清除细胞内由于干旱产生的大量过氧化自由基。植物体内的活性氧自由基具有双重性作用［20］。植物遭受外界干旱、寒冷等逆境胁迫时，细胞抗氧化酶系统最先反应，能清除细胞内由于外界胁迫产生的活性氧自由基，保护细胞免受活性氧自由基的氧化损伤，细胞内产生的活性氧自由基同时也是信号转导的信号物质，同时在胁迫信号传递过程中发挥重要作用，使植物对逆境胁迫做出响应。逆境胁迫下，在植物细胞耐受范围内，细胞内产生的活性氧自由基可被抗氧化酶系统清除，超出这一范围即细胞内氧自由基积累到一定程度，抗氧化酶系统不能完全清除细胞内过量的自由基，即会造成细胞氧化损伤，此时过量活性氧自由基亦可作为信号传导物质诱发植物体内产生与抗旱相关蛋白质及相关基因表达，以抵御干旱逆境［21-23］。SPr、SS、Pro是植物体内适应干旱、寒冷、高温、盐渍等逆境胁迫过程中重要的渗透调节物质，通过增加和积累含量提高细胞保水能力，对细胞的生命物质及生物膜起保护作用，使其能在外界处于干旱逆境中继续吸水，以维持植物体细胞的正常形态及正常生长发育，增加植物干旱耐受力。细胞质膜系统稳定性是植物细胞正常生长发育的基础，逆境胁迫中植物细胞膜系统稳定性（通透性及流动性）是植物抵御逆境能力的体现。干旱、低温等逆境胁迫破坏细胞质膜的分子结构及功能，使植物细胞内外物质交换发生改变，其中细胞内物质外渗、胞外物质自由进出细胞是细胞膜系统破坏的表现，植物生长发育受到逆境影响。植物细胞内产生的氧自由基主要攻击膜系统，膜系统损伤的主要产物是MDA。研究发现，可以通过测定细胞MDA含量评价植物抵御逆境的能力［24］。本研究结果表明，随着PEG胁迫浓度提高，MDA含量升高，细胞质膜过氧化增强，其中104005升高的程度最低，抗逆性强于其他3个品种（系）。

图2 PEG6000溶液处理对白菜型春油菜渗透调节物质及MDA含量变化Fig. 2 Effects of PEG6000 solution treatments on seedling osmoregulation and MDA content of spring rapeseed（B. campestris L.）

4 结论

本研究以不同浓度PEG6000溶液模拟干旱胁迫，研究其对4个品种（系）白菜型春油菜芽期根系特征的影响，发现成苗率、主根长、苗高、单株鲜重随溶液浓度升高逐渐下降，相对活力指数亦下降，其中，苗高及相对活力指数变异最大，各品种（系）变异系数均大于31%。抗氧化酶活性随溶液浓度呈先升高后降低趋势，在15%浓度时活性最高，高于此浓度活性下降；SS、MDA含量随PEG6000溶液浓度升高而增加，渗透调节物质（SPr、Pro）呈先升后降趋势。综合相对活力指数及生理生化指标可知，15%～20% PEG6000溶液浓度时，各品种（系）白菜型春油菜相对活力指数在50%～60%之间，也是抗氧化酶活性及渗透调节物质含量变化的转折点，可作为模拟水分胁迫抗旱性研究的最适浓度，并筛选到抗旱性白菜型春油菜品系104005。