干旱胁迫对马铃薯生理特性及解剖结构的影响

郑植尹，王 芳,2,3,4,5

（1青海大学，西宁810016；2青海省农林科学院，西宁810016；3青海大学省部共建三江源生态与高原农牧业国家重点实验室，西宁810016；4青藏高原生物技术教育部重点实验室，西宁810016；5青海省马铃薯育种重点实验室，西宁810016）

0 引言

马铃薯(Solanum tuberosumL.)为茄科(Solanaceae)茄属(Solanum)的多年生双子叶草本植物[1]。马铃薯是继小麦、水稻、玉米之后第四大粮食作物，目前也是最大的非谷类食品[2]。马铃薯对保障中国粮食安全、促进农业增效、农民增收、振兴农业经济方面具有重要意义[3]。目前，干旱是制约马铃薯生产的主要问题之一，研究干旱胁迫下马铃薯的抗旱反应很有必要，以便为马铃薯的抗旱栽培和育种提供理论依据。水是作物生长发育过程中不可缺少的重要因素，是农业生产中重要的非生物胁迫，干旱会导致农业产量下降，持续的干旱胁迫会使农业生产颗粒无收[4]。干旱胁迫对作物产量、表型性状、生理指标、显微结构均有严重影响[5-9]。中国马铃薯大多种植在干旱、半干旱地区，干旱是限制马铃薯产量的重要逆境因素之一，干旱胁迫严重影响着马铃薯的正常生长，马铃薯受到干旱胁迫时，会抑制其出苗或不出苗，影响马铃薯的根部生长，缩短马铃薯的无性生长期，进而会影响茎的数量；茎叶的生长受到抑制、根系伸展受到阻碍，结薯时间会明显延迟，块茎形成期缩短，从而影响产量，结薯期发生干旱胁迫会导致单株块茎数降低[10]。马铃薯对干旱胁迫的响应是一个非常复杂的过程，包括渗透调节作用、抗氧化作用和植物激素调节作用等生理生化反应等[11-13]，进而影响其植物学性状；叶片显微结构的变化是植物应对干旱胁迫的重要特征，植物能够根据水分的亏缺程度及时调整叶片的显微结构以维持其生存与生长。本文通过研究不同土壤含水量下2个马铃薯品种的植物学性状、生理指标和显微结构等，初步探讨马铃薯在干旱胁迫下的抗旱反应和抗旱的生理机制。了解马铃薯的干旱适应机理与抗旱反应，了解干旱胁迫下的响应机制，以期为马铃薯的抗旱栽培和育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料2个：‘青薯9号’和‘闽薯1号’。2个品种均由青海省农林科学院生物技术研究所提供。

1.2 试验设计

试验材料均种植于直径35 cm、高27 cm的花盆中。试验采用Hsiao T C[14]提出的关于中生植物水分梯度划分设计，2个品种各设置5个水平的持续性水分胁迫处理：（1）T0：土壤相对含水量（即盆栽土壤含水量占最大持水量的百分数）为70%～75%为对照、（2）T1：土壤相对含水量为55%～60%、（3）T2：土壤相对含水量为40%～45%、（4）T3：土壤相对含水量为25%～30%、（5）T4：出苗后不浇水。记录每一盆出苗时间（取样时取相同出苗时间的处理），每个处理3次重复。

各处理在播种前将土壤相对含水量保持在70%～75%。出苗后，采用TDR350土壤水分测量仪对土壤含水量进行测定，并按照T1～T4的土壤相对含水量控制，每天上午9:00通过测量并且维持相应的土壤含水量。在出苗后的第 20、35、50、65、80天进行取样分析。试验在2020年5—10月期间，青海省马铃薯育种重点实验室进行。

1.3 指标测定

每次取样时，各品种的各处理取3盆（3次重复）进行农艺性状测量，包括：株高、茎粗、叶面积、地上部分鲜重和干重、根的鲜重和干重、含水量、匍匐茎数量和长度、薯块数量和重量等。收获时根据薯块产量，计算抗旱系数和抗旱指数。计算公式如式(1)～(2)所示。

叶面积使用Image J软件测量、组织含水量采用鲜重减干重方法获得、显微指标采用徒手切片在OLYMPUS BX51型号生物显微镜下观察并使用Image J软件测量获得。

脯氨酸(Pro)测试盒(A107-1-1)、过氧化物酶(POD)测试盒(A084-3-1)、超氧化物歧化酶(SOD)测试盒(A001-1)、丙二醛(MDA)测试盒(A003-1)均购自南京建成。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2016进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同土壤含水量对‘青薯9号’和‘闽薯1号’植物学性状的影响

2.1.1 第一次取样（出苗20天）形态学指标的测定 从表1可看出，‘青薯9号’和‘闽薯1号’的茎粗、叶面积、植株鲜重、干重和组织含水量均随土壤含水量降低而下降；‘青薯9号’在T2处理下株高最大；‘青薯9号’在干旱胁迫下(T1～T4)的分枝数与正常对照(T0)相比极显著增加。‘闽薯1号’在T1处理下株高值最大；‘闽薯1号’的分枝数在5个处理下均无差异。2品种在株高、茎粗、叶面积、植株干重等性状上差异显著，‘青薯9号’的株高、叶面积显著低于‘闽薯1号’，但植株干重、植株含水量等性状显著高于‘闽薯1号’。

表1 20天时不同土壤含水量下马铃薯的植物学性状

2.1.2 第二次取样（出苗35天）形态学指标的差异 35天后第二次取样，从表2和表3中可以看出，‘青薯9号’和‘闽薯1号’的株高、分枝数、植株鲜重和干重、组织含水量各处理均与对照T0相比，明显降低，差异极显著；其他指标如茎粗、叶面积与T0呈差异显著；2个品种的植株干重在T1和T2处理下也呈极显著差异，T2处理下降低明显；随着干旱胁迫强度增加，‘闽薯1号’的干重下降幅度比‘青薯9号’大，说明干旱胁迫对‘闽薯1号’的影响更大。‘闽薯1号’在各处理下均有薯块形成，‘青薯9号’只在T0处理下有薯块形成。2品种在株高、叶面积、分地上部分鲜重和干重、植株含水量、匍匐茎长度、根长、根鲜重和干重等性状上差异显著，‘青薯9号’的叶面积显著低于‘闽薯1号’，但株高、地上部分鲜重和干重、植株含水量、匍匐茎长度、根长、根鲜重和干重等性状显著高于‘闽薯1号’，两品种在匍匐茎数量上没显著差异。

表2 35天时不同土壤含水量下马铃薯地上部分的植物学性状

表3 35天时不同土壤含水量下马铃薯地下部分的植物学性状

2.1.3 第三次取样（出苗50天）形态学指标的差异 50天时，‘青薯9号’的地上部植株干重比35天时增加了73.69%。‘闽薯1号’的地上部植株干重比35天时增加了61.28%。‘闽薯1号’结薯的数量与35天时相比没有明显增加，但各处理下单株薯重均明显增加，说明‘闽薯1号’已进入薯块膨大期。2品种在株高、茎粗、分枝数、叶面积、地上部分鲜重和干重、植株含水量、匍匐茎长度、根长、根鲜重和干重等性状上差异显著，‘青薯9号’的叶面积还是显著低于‘闽薯1号’，但株高、茎粗、分枝数、地上部分鲜重和干重、植株含水量、匍匐茎长度、根长、根鲜重和干重等性状显著高于‘闽薯1号’。

2.1.4 第4次取样（出苗65天）形态学指标的差异 2个品种在65天时地上部分干重与50天时的干重相比，增加缓慢。65天时，‘青薯9号’的匍匐茎的数量在T0～T2处理下高于‘闽薯1号’，匍匐茎长度在各处理下均高于‘闽薯1号’，并开始有少量结薯。‘闽薯1号’薯块在T0处理下比50天时显著增加，T1～T3处理增加缓慢，T4处理没有增加，而且与对照T0相比，单株薯重随着土壤含水量的下降而下降，且达到极显著差异，可见，这一时期是‘闽薯1号’薯块膨大期，水份胁迫对马铃薯的生长产生了较大影响。2品种相比，‘青薯9号’的叶面积、单株薯重和数量显著低于‘闽薯1号’，其他性状上差异仍然显著且都是‘青薯9号’高于‘闽薯1号’，特别是根系的鲜重和干重极显著高于‘闽薯1号’。

表4 50天时不同土壤含水量下马铃薯地上部分的植物学性状

表5 50天时不同土壤含水量下马铃薯地下部分的植物学性状

表6 65天时不同土壤含水量下马铃薯地上部分的植物学性状

表7 65天时不同土壤含水量下马铃薯地下部分的植物学性状

2.1.5 第4次取样（出苗80天）形态学指标的差异 由于T4处理为出苗后不再浇水，2个品种在80天时T4处理因干旱致死，所以没有调查数据。80天时2品种的地上部分鲜重、地上部分干重没有增加，‘青薯9号’的各处理下地上部干重还略有降低，植株含水量各处理均略有降低；2品种根的重量增加趋势不明显，只有薯块的数量和重量增加显著，2品种的结薯数在4个处理下差异不显著，为6～8个；‘青薯9号’的薯块重量增加明显，尤其在T0处理下，每株薯块平均重量为93.70 g，2个品种在干旱胁迫的T1～T3处理下，每薯块平均重量均极显著低于对照T0。2品种相比，‘青薯9号’的叶面积还是显著低于‘闽薯1号’，2品种在株高、植株鲜重和干重、根长、根鲜重和干重、含水量性状上差异仍然显著且都是‘青薯9号’高于‘闽薯1号’。

2.1.6 收获期2品种的产量调查‘闽薯1号’是早熟品种，‘青薯9号’属于晚熟品种，因此这2个品种分别在出苗后90天和135天全部收获。在T0、T1、T2处理下，‘青薯9号’总薯重均高于‘闽薯1号’，2品种的抗旱系数和抗旱指数在T1、T2处理下，‘青薯9号’均高于‘闽薯1号’。

2.2 不同土壤含水量对马铃薯生理指标的影响

由图1～4可以看出，干旱胁迫对叶片中脯氨酸含量有极显著影响(P＜0.01)，在T0～T4处理下，脯氨酸含量有随着土壤含水量的降低而增加的趋势，且随干旱胁迫时间的延长，各处理均有降低趋势，平均含量在20天时达到最大，50天时最小。丙二醛在20天时含量随着土壤含水量的降低而降低，且达到了显著差异，在35天和50天时，丙二醛的含量却随着土壤含水量的降低而升高，在50天T4时达到最大‘，青薯9号’为1.619 mg port/mL，‘闽薯1号’为1.833 mg port/mL，并且在50天时均达到了极显著差异。2个品种叶片中过氧化物酶的含量在20天时从T0～T4均为下降趋势，在T2与T4时达到了极显著差异；在35天时2品种的过氧化物酶含量最低且在5个处理间差异不大；在50天时2品种叶片中的过氧化物酶含量却随着土壤含水量的降低而升高，且两个品种在50天T4时达到最大，‘青薯9号’和‘闽薯1号’分别为5.44 U/mg port和7.63 U/mg port，差异显著。‘青薯9号’在20天与35天时叶片中超氧化物歧化酶的含量均有随着土壤含水量的降低有降低的趋势，且均与对照达到极显著差异；但‘闽薯1号’在20天时T2处理最高，35天时含量随着土壤含水量的降低而降低，50天时含量随着土壤含水量的降低而升高。

图1 20、35、50天时不同土壤含水量超氧化物歧化酶(SOD)的含量图

表8 80天时不同土壤含水量下马铃薯地上部分的植物学性状

表9 80天时不同土壤含水量下马铃薯地下部分的植物学性状

表10 收获期马铃薯产量及抗旱性

图2 20、35、50天时不同土壤含水量丙二醛(MDA)的含量图

图3 20、35、50天时不同土壤含水量马铃薯脯氨酸(Pro)的含量

图4 20、35、50天时不同土壤含水量过氧化物酶(POD)的含量

2品种相比，脯氨酸(Pro)含量在20天时，两品种间差异显著，‘青薯9号’显著高于‘闽薯1号’；但在35天和50天时，‘青薯9号’的脯氨酸含量仍然高于‘闽薯1号’，但差异不显著。2品种叶片中的丙二醛(MDA)含量在20天和50天时，闽薯1号均高于‘青薯9号’；两品种超氧化物歧化酶(SOD)无显著差异，过氧化物酶(POD)的含量在20天和50天时的T1处理下‘青薯9号’显著高于‘闽薯1号’，其余处理差异不显著。

2.3 不同土壤含水量对马铃薯显微指标的影响

图5为5次取样叶片的解剖结构，表11为2个品种叶片的显微结构调查结果。可看出，2品种的上下表皮厚度在20天时较薄，35天时明显增加，随后不再显著增加。在不同的土壤含水量处理下‘，青薯9号’的上表皮厚度在20、35、65天时5个处理间无显著差异，50天和80天时差异显著但没有规律。下表皮厚度在20天与35天时有随土壤含水量减少而减小的趋势，且20天时达到显著差异，最高值为T0处理下的2.97µm，最低值为T3处理下的2.14µm；35天到65天时各处理的下表皮厚度无显著差异，在80天时下表皮厚度差异达到显著水平(P＜0.05)，但无明显规律，最大值为T3处理的6.04µm，最小值为T2处理的3.85µm。‘闽薯1号’的上表皮厚度与下表皮厚度在20天到80天时间内均有着先增加后减小的趋势，且在20、35、50天和65天差异达到显著水平(P＜0.05)，但随土壤水分胁迫加重变化规律不明显。

图5 5次叶片取样（20～80天）解剖结构

续表11

2个品种海绵组织厚度在20天时随土壤水分胁迫增加均有先减小后增加的趋势，在35～65天期间均有先增加后减小的趋势，且均达到显著水平(P＜0.05)；2个品种的栅栏组织厚度变化规律不明显，但2品种相比，20～35天期间，‘青薯9号’的栅栏组织厚度显著高于‘闽薯1号’，在50天以后两者差异不显著。在20天时，2个品种的栅海比均有着随着土壤含水量的减少而减小的趋势，且均与对照达到极显著差异，在35～80天的处理中，随着土壤含水量的减少栅海比有先增加后减小的趋势，且在50天和65天时达到显著水平(P＜0.05)。

把叶片的上表皮、下表皮、栅栏组织、海绵组织厚度相加，得到叶片的厚度。可以看出，在20～50天期间，‘青薯9号’的叶片厚度显著高于‘闽薯1号’，65～80天期间，2品种差异不显著，这期间叶片的厚度随着土壤水分胁迫加重呈增加趋势，处理间达极显著差异。

3 结论

水分胁迫对2个马铃薯品种表型性状（鲜重、茎粗、地上部分鲜重、地上部分干重、叶面积、根的鲜重、根的干重和根长、匍匐茎数量与长度）均有显著影响，且随着土壤含水量的降低而降低。‘青薯9号’的叶面积始终小于‘闽薯1号’，但‘青薯9号’的叶片厚度、分枝数、植株鲜重、干重、匍匐茎长度等性状均大于‘闽薯1号’，特别是‘青薯9号’的根长、根重与‘闽薯1号’有显著差异，这些性状使‘青薯9号’有较好的抵抗干旱胁迫能力‘；青薯9号’的产量高于‘闽薯1号’，其抗旱系数和抗旱指数均高，也说明‘青薯9号’抗旱性好。

生理指标分析表明，水分胁迫下，马铃薯的脯氨酸含量、丙二醛和超氧化物歧化酶与对照相比有极显著差异(P＜0.01)。2个品种的脯氨酸含量都会随着土壤含水量的降低而升高‘，青薯9号’的脯氨酸含量显著高于‘闽薯1号’，增加了细胞和组织的保水能力，提高其抗旱性能。在出苗20天时2个品种丙二醛含量随着土壤含水量的降低而降低，在35天和50天时2个品种的丙二醛含量随着土壤含水量的下降而升高，说明持续的干旱胁迫对马铃薯苗已造成伤害；2品种叶片中的丙二醛(MDA)含量在20天和50天时‘，闽薯1号’均高于‘青薯9号’。超氧化物歧化酶则是在出苗20天和35天时随着土壤含水量的下降而下降，在50天时随着土壤含水量的下降而升高。水分胁迫对马铃薯和过氧化物酶的含量影响显著(P＜0.05)，2品种过氧化物酶含量在出苗20天时随着土壤含水量的下降而下降，但是在35天和50天时2个品种的过氧化物酶含量会随着土壤含水量的下降而升高。

2个马铃薯品种随着土壤含水量的降低叶片细胞排列变得混乱，但可看出：在20～50天期间‘，青薯9号’的叶片厚度显著高于‘闽薯1号’，65～80天期间，2品种差异不显著，这期间叶片的厚度随着土壤水分胁迫加重呈增加趋势，说明马铃薯在受到水分胁迫后，通过改变栅栏组织和海绵组织的厚度来适应水分胁迫的影响。

4 讨论

目前干旱问题日趋严重，已经对马铃薯的生产造成了显著影响，限制了马铃薯产量的进一步提高。本研究认为，随着土壤水分胁迫的加重，致使‘青薯9号’和‘闽薯1号’的株高、茎粗、叶面积、植株鲜重、植株干重和组织含水量明显降低。脯氨酸(PRO)是重要的渗透调节物质，正常生长时植物中的游离脯氨酸微乎其微，当植物受到干旱胁迫时，脯氨酸会大量增加，且耐旱性越强脯氨酸含量越高[16]。本研究表明，‘青薯9号’和‘闽薯1号’的脯氨酸随着干旱梯度的增加而急剧上升，与白建芳[17]在玉米和张清海[18]在小麦中的结果一致。丁玉梅等[19]对马铃薯进行干旱处理后，其脯氨酸含量比正常灌溉时明显升高，并且干旱时脯氨酸相对含量越高，品种产量的抗旱系数越大，抗旱性越强。刘学师等[20]的研究表明，在干旱胁迫下，脯氨酸是植物体内理想的渗透调节物质，使植物适应干旱逆境，防止细胞和组织脱水；另外，脯氨酸能增强生物聚合体的亲水性，在可利用水减少的情况下，大量的脯氨酸积累能提高原生质胶体的稳定性，是稳定植物体内物质代谢的决定因素。

有研究表明[21]，马铃薯的产量与分枝数呈正相关，本研究中，在干旱胁迫下，‘青薯9号’的分枝数增长数比‘闽薯1号’多，说明在干旱胁迫下，‘青薯9号’比‘闽薯1号’的产量潜力高，抗旱性好。

植物抗旱性与植物形态解剖结构有一定的相关性，叶片在植物的各器官中对于干旱胁迫较为敏感，其解剖结构通常用来反映植物的抗旱性。扁桃叶片在干旱胁迫下叶片结构会朝着减少叶片蒸腾、增强叶片细胞储水能力的方向改变，以适应干旱胁迫逆境条件[22]。本文通过切片试验结果显示，在干旱胁迫下，‘青薯9号’的栅栏组织厚度有着随着土壤含水量的降低先减少后增加的趋势，可能是由于马铃薯栅栏组织在刚受到胁迫时，干旱会导致栅栏组织厚度有短时间的下降，之后马铃薯通过增加叶片栅栏组织的厚度的方式提高光合作用来缓解干旱导致的叶片光合速率下降。栅海比值变化规律不明显，这与白刺花[23]和抗旱性强的花生品种[19]在干旱胁迫下栅栏组织和海绵组织的变化规律相同，但与艾纳香[24]幼苗的研究结果相反，艾纳香生长可承受的最大范围为中度胁迫，艾纳香幼苗长时间受到重度干旱胁迫后，栅栏组织减少，海绵组织增加，栅海比明显降低[25]。马铃薯的栅海比值变化呈显著差异，可能说明马铃薯与白刺花和花生一样，具有较强的干旱耐受性，而艾纳香对干旱的耐受性为中等有关。