叶面喷施过氧化氢对桑树抗旱生理的影响

李健 陈英 李琲 农艳丰

摘 要 干旱胁迫是造成经济作物减产的主要非生物胁迫之一。桑树是养蚕的直接原料来源，在其生命周期中经常会遭受到干旱胁迫的影响而造成桑叶产量和品质的下降。为了研究外源过氧化氢（H2O2）对桑树抗旱生理的影响，对桑树进行不同的干旱胁迫处理（2 d，4 d，6 d），并叶面喷施不同浓度的H2O2（1 mmol·L-1，2 mmol·L-1），测定抗旱相关生理生化指标及生长指标变化。结果表明：叶面喷施H2O2可有效维持干旱胁迫下桑树植株的正常生长，促进叶绿素的稳定性，有效提高过氧化物酶（POD）的活性，叶片累积更多的可溶性糖和更少的丙二醛（MDA）;1 mmol·L-1的H2O2是有效调控桑树抗旱生理的叶面喷施较适宜浓度。

关键词 过氧化氢（H2O2）;叶面喷施;桑树;干旱胁迫;生理变化

中图分类号：S888.2 文献标志码：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2021.34.017

桑树在中国资源丰富，种植广泛，是养蚕的直接原料来源，种桑养蚕的农业生产方式在中国具有悠久的历史[1-2]。作为一种重要的经济作物，桑树除具有清肺祛热、明目抗菌的药用价值外，还具有十分高的经济价值[3-4]。广西是全国最大的桑树种植基地，近年来种桑养蚕已经成为广西百色市贫困户增收致富的重要产业，但百色桑蚕业因地理环境的特殊性，桑树主要种植于没有灌溉条件的山地及旱坡地上，干旱严重影响了桑树的正常生长和发育，严重制约了桑蚕业的稳定发展。因此，研发桑树的抗旱栽培技术是保证百色桑蚕产业可持续发展的重要举措。

干旱胁迫是造成全球作物产量损失的主要原因，降低了大多数主要作物的平均产量。与其他环境胁迫一样，干旱胁迫的常见影响是氧化损伤。在干旱胁迫下，植物会生成并累积大量渗透调节物质来提高其体内的渗透压以减少水分流失，维持体内水分代谢，减少干旱给植物带来的伤害。可溶性糖、可溶性蛋白等是植物体内重要的渗透调节物质。植物在受到干旱胁迫时，其体内的生理生化特性会发生一系列的变化来抵御干旱环境对自身造成的伤害，而外源调节物质能在一定程度上去弥补植物内源物质调节机制的缺陷，从而提高植物的耐脅迫能力。干旱会导致植物体内活性氧（ROS）的产生失去平衡，例如超氧化物（O2）、过氧化氢（H2O2）、羟基自由基（OH）和单线态氧（O2）与其清除潜力[5]。ROS过量产生是植物在生物和非生物胁迫条件下的普遍现象，可引起大分子和细胞结构的氧化损伤，导致植物生长发育受到抑制，甚至死亡。在所有ROS中，H2O2作为应激信号转导通路的核心参与者与对非生物和生物胁迫的耐受性相关，还能够作为信号分子在植物对逆境的适应过程中发挥作用[6]。Guler和Pehlivan[7]以盆栽大豆为材料，在施加干旱胁迫后，将1 mmol·L-1 H2O2或蒸馏水喷洒到每株植物的叶子上，发现干旱胁迫降低了叶水势、相对水分含量和光合色素含量，但增强了脂质过氧化和内源性H2O2浓度。相比之下，外源性H2O2改善了干旱胁迫下的水分状况、色素含量和脂质过氧化。与单独的干旱处理相比，外源性H2O2降低了内源性H2O2浓度。在干旱期间，H2O2预处理诱导了所有抗氧化酶活性，其程度大于对照的叶片，表明低剂量H2O2预处理通过诱导抗氧化系统来减轻水分损失和H2O2含量并提高干旱胁迫耐受性。Terzi等发现外源H2O2预处理通过增加玉米幼苗中的可溶性糖、脯氨酸和多胺水平来诱导渗透胁迫耐受[8]。而干旱条件下喷施H2O2，可使萱草保持更高的叶片相对含水量和气孔密度以及更低的叶片相对电导率和气孔开度，使部分品种萱草的抗旱性得到了显著提高[9]。此外，H2O2直接调节参与植物防御和相关途径的众多基因的表达，如抗氧化酶、防御蛋白和转录因子[10]。

目前关于H2O2在桑树抗旱调控上的应用还未见报道，因此，本研究根据前人在其他植物上的相关研究基础，对桑树在苗期喷洒一定浓度的H2O2并进行干旱胁迫处理，测定抗旱相关的生理生化指标，旨在通过研究施用不同浓度的H2O2溶液对提高桑树抗旱生理生化及生长特性的影响效应，为进一步提高桑树的抗旱栽培技术、培育抗旱品种提供技术支持和理论依据。

1  材料与方法

1.1  试验材料

以桂桑优12号实生苗（根部直径0.5 cm，株高25 cm）为材料，所用过氧化氢为西陇化工产品（30%H2O2），试验地点为百色学院校内试验地。

1.2  试验方法

将生长良好的桑苗移栽于盆中（每盆3株），30 d后（此时桑苗高约60 cm，每株约12片完全叶），挑选20盆长势较好且大小一致的植株，将其分成10组（1组2盆）。一组用作正常浇水对照（CK）;剩下的材料分成三个处理（一个处理3组），其中两个处理分别用两种浓度的H2O2（用蒸馏水配置成1、2 mmol·L-1，分别为处理2、处理3）对桑苗叶片进行喷洒处理，另一个处理为正常干旱处理（喷施蒸馏水作为对照，为处理1），每天用小喷壶对叶片喷洒一次（以覆盖全部叶片为准）。对三个处理下的桑苗进行2、4、6 d的干旱胁迫。试验分别于干旱2、4、6 d后对各组处理进行采样（取中上部完全叶片混合），测量其株高、叶绿素含量、可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、过氧化物酶（POD）活性、丙二醛（MDA）含量等相关生长生理指标。最后一次取样后恢复正常供水，7 d后测量复水后桑树的株高。

1.3  生长及生理指标测定

1.3.1  株高增长率的测定

桑苗种植30 d后，每处理随机挑选3株苗，测量其株高，取平均值。复水7 d后测量其株高，取平均值，计算株高增长率。

1.3.2  生理指标的测定

叶片叶绿素含量的测定用丙酮乙醇（2∶1）浸提新鲜叶片的方法[11]，POD活性的测定参考李小芳和张志良的方法[12]，可溶性糖和MDA含量的测定参考林艳等的方法[13]。每个处理3次重复。

2  结果与分析

2.1  喷施H2O2对桑苗株高的影响

由表1可见，干旱明显抑制桑苗的正常生长，喷施H2O2有效缓解了干旱胁迫对桑树植株生长的抑制作用，其中以1 mmol·L-1 H2O2喷洒处理为最佳，复水7 d后的株高相比干旱前增加了19.48%，2 mmol·L-1 H2O2处理的株高增长率也达到18.99%。不喷施H2O2时，株高增长率仅有13.68%，显著低于喷施H2O2的两个处理。由此可见，喷洒1、2 mmol·L-1 H2O2溶液均有效缓解了干旱对桑树造成的伤害，从一定程度上有利于植株的正常生长。

2.2  喷施H2O2对干旱胁迫下桑树叶片叶绿素含量的影响

叶绿素是植物进行光合作用的最重要物质，可以将光能转化为化学能然后将其储存入植物体内的有机物中，为植物体的生长发育提供物质基础。由图1可见，与CK相比，干旱胁迫极大破坏了桑树叶片的叶绿素，随着干旱程度的加剧，桑树叶片叶绿素含量也急剧减少。在干旱2 d时，三个处理的叶绿素含量没有显著差异，但随着干旱时间的延长，喷施H2O2的两个处理的叶绿素含量显著高于处理1（清水对照），其中以1 mmol·L-1 H2O2的处理效果最佳，有效缓解了干旱对桑树叶片叶绿素含量的影响，对于保持桑树叶片的正常光合作用有较大的促进作用。

2.3  喷施H2O2对干旱胁迫下桑树叶片POD活性的影响

从图2可见，干旱胁迫下，桑树叶片的POD活性显著升高，喷洒H2O2高于处理1（清水对照），在干旱2、4、6 d时都是1 mmol·L-1 H2O2处理下的桑树叶片的POD活性最高，且显著高于喷施2 mmol·L-1 H2O2的处理，三个处理都是在干旱胁迫4 d时达到最高，到6 d时又开始回落。

2.4  喷施H2O2对干旱胁迫下桑树叶片可溶性糖和MDA含量的影响

由图3可见，干旱胁迫促进了桑树叶片可溶性糖的积累，在干旱4 d时，三个处理叶片的可溶性糖含量达到最高，在干旱6 d时又缓慢回落。H2O2的喷施显著提高了干旱胁迫下桑树叶片可溶性糖的累积，其中以2 mmol·L-1 H2O2處理效果最佳，干旱2、4、6 d时都是2 mmol·L-1 H2O2处理下的桑树叶片的可溶性糖含量最高，且显著高于喷施1 mmol·L-1 H2O2的处理。

干旱胁迫会扰乱植物体内自由基产生与消除之间的相对平衡，且倾向于自由基的累积，从而引起细胞膜过氧化，脂质过氧化物进一步被分解为MDA[14]。由图4可见，干旱胁迫下，桑树叶片大量积累MDA，显著高于CK（正常浇水植株），三个处理叶片的MDA含量都随着干旱时间的延长而升高，在干旱6 d时达到最高，其中以处理1（清水对照）累积量最大，H2O2的喷施显著减少了干旱胁迫下桑树叶片MDA的累积，且两个喷施H2O2的处理效果均比较明显，其中以1 mmol·L-1 H2O2处理效果最佳。

3  讨论

干旱胁迫下，植物的生长会受到不同程度的影响。干旱胁迫可造成桑树植株供水不足，会严重影响到叶片和植株的生长。本试验中，三个处理的桑树在经历了6 d的干旱胁迫后，尽管恢复了正常供水，但是干旱胁迫造成的损伤依旧存在，其生长在短期内仍然受到较大影响，因此，复水后干旱处理的株高增长率显著低于正常浇水的对照。但H2O2的施用可减少干旱造成的这种伤害，有利于维持干旱胁迫下桑树植株的正常生长。从结果上来看，叶面喷施1 mmol·L-1和2 mmol·L-1 H2O2的应用效果相当。

桑树叶片较大，属于喜光植物，叶片作为其光合作用的最主要器官，叶片内的叶绿素对增加光合反应能力起着重要作用。叶绿素是植物基本的色素之一，干旱胁迫会促使植物叶片的叶绿素浓度降低，导致叶片枯萎发黄，降低植物的生长速度并影响产量[15]。干旱胁迫下，植物叶片中的叶绿素含量高低可以反映出其光合作用能力的强弱，较高的叶绿素含量可以防止叶肉细胞过度脱水，保护细胞膜系统，以维持细胞内膜结构的稳定性[16-17]。从本研究的结果可以看出，喷洒H2O2两个处理叶片的叶绿素含量均显著高于喷洒清水，其中较低浓度的H2O2（1 mmol·L-1）处理效果最佳，能调节干旱胁迫下其叶片细胞的渗透压，有效缓解干旱对桑树叶片叶绿素的破坏作用，对于提高桑树的抗旱性，保持桑树叶片的正常光合作用有较大的促进作用。

POD是植物细胞防御系统的关键酶，在本研究中，桑树叶片在干旱胁迫下POD酶活性显著升高，喷洒H2O2高于喷洒清水，其中以较低浓度的H2O2（1 mmol·L-1）处理下桑树叶片的POD活性最高。作为渗透调节物质，植物体内的可溶性糖含量会随着渗透胁迫的加剧而不断积累，以缓解渗透胁迫对植株的伤害。本研究中，在干旱4 d时，三个处理叶片的可溶性糖含量达到最高，在干旱6 d时又缓慢回落，但是H2O2的喷施显著提高了干旱胁迫下桑树叶片可溶性糖的累积，其中较高浓度的H2O2（2 mmol·L-1）处理效果最为显著。MDA在植物组织中的积累也是ROS毒性作用影响的表现，并且可用于评估ROS介导的植物损伤[18]。干旱胁迫下，三个处理叶片的MDA含量都随着干旱时间的延长而逐渐升高，表明桑树叶片的细胞膜受到了较大的损害，但是 H2O2的喷施显著减少了干旱胁迫下桑树叶片MDA的累积，且两个喷施H2O2的处理效果均比较明显，但是更低浓度的H2O2（1 mmol·L-1）处理效果最佳。

4  小结

本试验以H2O2作为外源物质，研究其对干旱胁迫下桑树生长及生理生化的影响。试验结果表明，干旱胁迫对桑苗的正常生长和生理生化代谢都造成了不利影响，外源H2O2的施用使桑树叶片的叶绿素含量、可溶性糖及POD酶活性都显著高于喷洒清水的对照，并积累了更少的MDA，表明外源H2O2能有效地启动桑树的防御系统，从而减小干旱对其造成的伤害程度。综合分析表明， 1 mmol·L-1的H2O2是能在一定程度上增强桑树的抗旱生理，缓解干旱胁迫对桑树造成伤害的叶面喷施较适浓度。

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（責任编辑：丁志祥）

收稿日期：2021-08-10

基金项目：百色学院校级科研项目“外源调节物质对桑树抗旱能力的调控效应研究”（2018KN04）。

作者简介：李健（1986—），男，广西德保人，博士，讲师，主要从事植物生长发育与分子生物学研究。E-mail：337375159@qq.com。