不同品种藜麦幼苗对干旱胁迫的生理响应及耐旱性评价

刘文瑜，杨发荣，谢志军，王旺田，黄 杰，魏玉明，杨 钊

(1.甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；3.甘肃省农业科学院，甘肃 兰州 730070)

干旱是影响作物生长和生产的关键环境胁迫因素之一[1]。干旱导致植物发生多种多样的生理生化以及分子响应，例如气孔关闭和抗氧化酶活性变化等[2]。甘肃地处我国西北部，地域辽阔，气候差异大[3]。其大部分地区为旱区或半干旱区，水资源短缺、降水量稀少、日照时数长、蒸发强度大等特点使当地农业发展受到限制。在干旱半干旱条件下如何发展农业、提高作物产量成为关键问题。因此，选择耐旱作物、通过节水灌溉提高作物水分利用效率对干旱半干旱地区农业发展以及农业产业结构调整具有重要意义。

藜麦(ChenopodiumquinoaWilld.)是藜科藜属一年生双子叶草本植物，原产于南美洲安第斯山脉的秘鲁、玻利维亚和厄瓜多尔，富含蛋白质、氨基酸、矿物质等营养物质，被联合国粮农组织(FAO)称为“唯一一种以单体即可满足人体基本营养需求的植物”[4]。藜麦具有耐寒、耐旱、耐盐碱、耐瘠薄等生物学特性[5]，非常适合我国西北干旱半干旱地区种植。近年来，有关藜麦研究大多集中于品种选育[6-8]、栽培技术[9-11]、产品加工[12-14]、分子生物学[15]等方面，非生物环境胁迫尤其是干旱胁迫对其影响的研究鲜见报道。因此，本试验以甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所自育陇藜系列藜麦品种为材料，设置不同水分胁迫处理，研究不同品种藜麦幼苗对干旱胁迫的生理响应，并对其进行耐旱性评价，以期揭示藜麦响应干旱胁迫的生理机制，并为后续耐旱分子机制研究奠定理论基础，为西北地区不同生态区藜麦种植提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料来自甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，分别为‘陇藜1号’(代号L-1)、‘陇藜2号’(代号L-2)、‘陇藜3号’(代号L-3)和‘陇藜4号’(代号L-4)，千粒重分别为2.49、2.72、2.97 g和2.85 g。

1.2 试验设计

本试验于2018年3—8月在甘肃省农业科学院温室及畜草与绿色农业研究所实验室进行。挑选无病虫害的L-1、L-2、L-3及L-4种子播种于装有2 kg沙壤土的花盆中，每盆播种30粒，覆盖0.1 cm厚蛭石，放置于温室中，正常浇水。待出苗后至6～8叶期时定苗，每盆留苗10株，并进行水分胁迫处理。本试验共设3个水分胁迫梯度，分别为轻度水分胁迫(LD，土壤相对含水量为田间持水量的60%～50%)、中度水分胁迫(MD，土壤相对含水量为田间持水量的40%～30%)和重度水分胁迫(SD，土壤含水量为田间持水量的20%～10%)，以正常浇水为对照(CK，土壤相对含水量为田间持水量的70%～80%)。每个处理重复3次，每24 h采用称重法补充各盆栽的水分。于水分胁迫处理后15 d取叶片进行生理生化指标测定。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 形态指标测定 干旱处理结束后，将供试植株连根取出，洗净根部泥土，用滤纸吸干根部和叶片表面水分，用直尺测量株高、根长，并称量其鲜重。每个指标重复测定5次。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2010整理数据并做图，应用SPSS 19.0 Duncan法对试验数据进行比较分析，试验数据均以“平均值±标准误”表示。

本试验运用隶属函数值法对供试材料进行耐旱性综合评价。如果某一指标与耐旱性呈正相关，则采用以下公式计算：

X(u1)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

如果某一指标与耐旱性呈负相关，则采用以下公式计算：

X(u2)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中，X(u1)和X(u2)分别为隶属函数值，X为不同程度干旱胁迫下各供试材料某一指标的测定值，Xmin和Xmax分别为所有供试材料某一指标的最小值和最大值。将所有供试材料的隶属函数值加起来，求其平均值后综合评价各供试材料的耐旱性强弱[22]。

2 结果分析

2.1 干旱胁迫对藜麦幼苗生物量的影响

由表1可知，随土壤水分含量降低，不同品种藜麦幼苗株高均呈逐渐降低的趋势。SD处理下，各品种幼苗株高较CK处理分别降低了30.64%、28.36%、32.76%和37.88%；CK、LD和SD处理下，供试品种L-1株高显著高于其他3个藜麦品种(P<0.05)，较株高最矮的L-4品种分别高8.50%、17.39%和18.05%。

表1 干旱胁迫对不同品种藜麦幼苗生物量的影响

随干旱胁迫程度加剧，供试各品种幼苗根长呈逐渐增加的趋势。SD处理下，各供试品种幼苗根长较CK处理增加了37.54%、81.46%、43.33%和74.85%。在CK和干旱处理下，藜麦品种L-1根长显著高于其他3个品种(P<0.05)，较根长最短的L-4分别高41.51%、31.26%、35.64%和26.48%。

随干旱胁迫程度加剧，供试藜麦品种幼苗根冠比呈先升高后下降的趋势。LD处理下，4个品种幼苗根冠比达到最大，较CK处理分别升高了42.86%、33.33%、40.00%和40.00%；SD处理下，4个品种幼苗根冠比最低，较CK处理降低了14.29%、33.33%、40.00%和20.00%。藜麦品种L-1幼苗根冠比高于其他3个供试品种(P<0.05)。

综上所知，不同程度的干旱胁迫均能促进藜麦幼根的生长，而轻度抑制幼苗地上部分生长。4个供试品种中，L-1适应性最优。

2.2 干旱胁迫对藜麦幼苗叶片叶绿素含量的影响

由表2可知，随土壤水分含量降低，供试4个品种藜麦幼苗叶片叶绿素含量呈先升高后下降的趋势。MD处理下，各品种藜麦幼苗叶片叶绿素含量达到最大值，较CK处理分别升高了84.36%、31.81%、7.43%和17.07%；SD处理下，除L-1较CK处理升高了29.40%外，其余3个品种幼苗叶片叶绿素含量均低于CK处理，分别降低了33.22%、36.20%和15.99%。在MD和SD处理下，藜麦品种L-1幼苗叶片叶绿素含量均显著高于其他供试品种(P<0.05)。在LD处理下，L-1较叶绿素含量最低的藜麦品种L-4高29.10%；MD处理下，L-1较叶绿素含量最低的藜麦品种L-3高34.55%；SD处理下，L-1较叶绿素含量最低的藜麦品种L-2高81.62%。说明藜麦品种L-1对干旱胁迫的适应能力强于其他品种。

表2 不同干旱胁迫程度下藜麦幼苗叶片叶绿素含量变化

2.3 干旱胁迫对藜麦幼苗叶片可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量的影响

如图1A所示，随干旱程度加剧，供试品种藜麦幼苗叶片可溶性蛋白含量呈先下降后升高的趋势，且不同处理下各品种间差异显著(P<0.05)。LD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片可溶性蛋白含量较CK处理分别降低了31.30%、46.69%、5.39%和35.54%；MD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片可溶性蛋白含量较CK处理分别降低了29.52%、25.70%、12.93%和21.52%；SD处理下，藜麦品种L-1和L-2幼苗叶片可溶性蛋白含量较CK处理分别降低了11.45%和10.07%，而品种L-3和L-4幼苗叶片可溶性蛋白含量较CK处理分别升高了9.74%和3.94%。

由图1B所示，随干旱胁迫程度的加剧，供试品种藜麦幼苗叶片可溶性糖含量呈逐渐升高的趋势，除CK处理外，其余各处理下各品种间均存在差异。LD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片可溶性糖含量较CK处理分别升高了0.03%、0.61%、0.89%和0.67%；MD处理下，各供试品种幼苗叶片可溶性糖含量较CK处理分别升高了0.39%、1.64%、1.12%和1.73%；SD处理下，各供试品种幼苗叶片可溶性糖含量较CK处理分别升高了0.51%、1.67%、1.19%和2.07%。

由图1C可知，随着干旱胁迫程度的加剧，各供试品种藜麦幼苗叶片脯氨酸含量呈逐渐升高的趋势，在SD处理下达到最大值，同一处理下各供试品种间脯氨酸含量存在差异。LD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片脯氨酸含量较CK分别升高了77.57%、120.46%、308.33%和59.32%；MD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片脯氨酸含量较CK分别升高了79.53%、182.90%、681.71%和97.35%；SD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片脯氨酸含量较CK分别升高了116.84%、268.07%、798.01%和208.70%。

2.4 干旱胁迫对藜麦幼苗MDA和产生速率的影响

由图2A可知，随干旱胁迫程度的加剧，各供试品种藜麦幼苗叶片MDA含量呈逐渐升高的趋势，在SD处理下达到最大值，且同一处理下各供试品种间MDA含量存在差异。LD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片MDA含量较CK处理分别升高了78.93%、67.00%、66.90%和108.28%；MD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片MDA含量较CK处理分别升高了103.80%、75.59%、95.79%和137.98%；SD处理下，各供试品种藜麦幼苗叶片MDA含量较CK处理分别升高了130.67%、98.93%、248.59%和312.48%。不同水分处理下，品种L-3幼苗叶片MDA含量显著高于其他各供试品种(P<0.05)。

2.5 干旱胁迫对藜麦幼苗SOD、POD、CAT和APX活性的影响

由图3A可知，随干旱胁迫程度加剧，各供试品种藜麦幼苗叶片SOD活性呈先升高后降低的趋势，在不同处理下各品种间差异不显著(P>0.05)。LD处理下，各供试品种幼苗叶片SOD活性较CK处理分别升高了10.91%、7.87%、25.90%和9.04%；MD处理下，供试品种L-1和L-4幼苗叶片SOD活性较CK处理分别降低了5.04%和2.10%，而品种L-2和L-3升高了6.46%和23.79%；SD处理下，品种L-3幼苗叶片SOD活性较CK处理升高了6.67%，其余供试品种分别下降了23.98%、3.39%和4.20%。

由图3B可知，随干旱胁迫程度的加剧，各供试品种幼苗叶片POD活性呈逐渐升高的趋势。LD处理下，各供试品种幼苗叶片POD活性较正常处理分别升高了1.02%、35.84%、30.69%和88.65%，且品种L-1与其余3个品种间差异显著(P<0.05)；MD处理下，各供试品种幼苗叶片POD活性较正常处理下分别升高了68.53%、52.65%、44.55%和108.51%，但各品种间差异不显著(P>0.05)；SD处理下，各供试品种幼苗叶片POD活性较正常处理分别升高了163.96%、62.83%、73.27%和169.50%，品种L-1与其余3个品种间差异显著(P<0.05)。

由图3C可知，随干旱胁迫程度的加剧，各供试品种幼苗叶片CAT活性呈先升高后下降的趋势，但整体高于CK处理，各品种间差异不显著(P>0.05)。LD处理下，各供试品种幼苗叶片CAT活性较CK分别升高了8.79%、6.94%、10.56%和0.41%；MD处理下，各供试品种幼苗叶片CAT活性达到最高，较CK处理分别升高了23.26%、32.04%、20.89%和17.20%，较LD处理分别升高了13.29%、23.47%、9.34%和16.72%；SD处理下，各供试品种幼苗叶片CAT活性较CK处理分别升高了16.87%、11.44%、10.79%和4.30%，较MD处理有不同程度降低，分别下降了5.19%、15.60%、8.35%和11.10%。

由图3D可知，随干旱胁迫程度的加剧，各供试品种幼苗叶片APX活性呈先升高后下降的趋势，但整体高于CK处理，且各品种间存在差异。LD处理下，各供试品种幼苗叶片APX含量较CK处理分别升高了118.57%、35.00%、28.17%和53.19%；MD处理下，各供试品种幼苗叶片APX活性最强，较CK处理分别升高了158.57%、125.00%、111.27%和165.96%，较LD处理分别升高了18.30%、66.67%、64.84%和73.61%；SD处理下，所有供试品种较CK处理分别升高了92.86%、342.50%、54.93%和165.95%，除品种L-2外，其余各供试品种幼苗叶片APX活性较MD处理有不同程度下降，分别下降了25.41%、26.67%和50.40%。

2.6 不同品种藜麦抗旱性评价

2.6.1 不同指标间相关性分析 干旱胁迫下13个测定指标间相关系数如表3所示，干旱胁迫下脯氨酸含量和与根冠比呈极显著负相关，SOD活性与可溶性糖含量呈显著负相关，POD活性与与根冠比和脯氨酸含量呈极显著负相关，APX活性与脯氨酸含量和POD活性呈显著负相关。

表3 试验测定指标相关系数矩阵

2.6.2 各测定指标的主成分分析 利用SPSS 19.0对干旱胁迫下13个测定指标做主成分分析，结果如表4所示。在干旱胁迫下，前3个主成分的累积贡献率达到了100%，说明干旱胁迫处理中，前3个主成分可以代表13个单项指标的绝大多数信息，可以分别用这3个主成分对4个供试品种抗旱性做概括分析。以y1、y2、y3分别代表第一、二、三主成分，x1～x13分别代表13个形态和生理生化指标，即因子。以特征向量为系数，组成3个主成分方程，分别如下：

表4 主成分特征向量及贡献率

y1=0.104x1+0.129x2+0.126x3+0.059x4-

0.12x5+0.074x6-0.128x7-0.041x8-0.031x9+

0.117x10-0.13x11-0.001x12+0.131x13

y2=0.065x1-0.1x2+0.034x3+0.179x4-

0.144x5+0.226x6-0.029x7+0.246x8+0.305x9-

0.139x10-0.037x11+0.201x12+0.059x13

y3=0.24x1+0.102x2-0.123x3+0.291x4+

0.026x5-0.191x6+0.108x7-0.24x8-0.118x9-

0.095x10+0.083x11+0.321x12+0.002x13

2.6.3 不同品种抗旱性评价 根据耐旱指标相关性分析和主成分分析结果，对筛选出的耐旱指标运用隶属函数值法求其平均值，对4个供试藜麦品种作抗旱性评价。根据各项指标隶属函数值计算出4个供试品种综合评价值和排序，结果如表5所示，4个供试品种抗旱性由强到弱依次为L-1、L-3、L-2、L-4。

表5 13个测定指标的隶属函数值及品种抗旱性评价

3 讨 论

3.1 干旱胁迫对藜麦幼苗形态指标和叶绿素含量的调控

植株形态结构变化与作物吸收和散失水分关系密切，干旱胁迫下，植株细胞的结构和生理代谢会发生适应性改变，最终表现在形态上，故部分形态指标可用于植物抗旱性鉴定[23]。张静鸽等[24]研究发现，干旱胁迫下牧草单叶面积、地上部分干重均表现为明显的下降趋势，地下部分干重则呈明显上升趋势，根冠比上升比较显著。贾双杰等[25]研究发现，干旱胁迫下2个玉米自交系的株高均在下降，各器官干物质量也在不断下降。本试验研究结果表明，随干旱胁迫程度的加重，供试4个品种藜麦幼苗株高整体呈下降趋势，根长呈升高趋势，根冠比呈先升高后降低的趋势。

叶绿素是光合作用的基础，而光合作用是作物干物质积累和产量形成的基础[26]。干旱胁迫影响植物代谢和生理过程，导致植物叶绿素含量降低，并影响植物叶绿素荧光参数，造成植物光合能力下降[27]。樊良新等[28]研究表明干旱胁迫在一定程度上降低了紫花苜蓿Chl a、Chl b含量和叶绿素总含量。研究发现干旱胁迫降低了野生小麦叶绿素含量[29]。本试验研究发现，供试4个品种藜麦幼苗叶片叶绿素含量随干旱胁迫程度的加重呈先升高后下降的趋势，在中度干旱胁迫下达到最大值。说明藜麦能适应轻度和中度干旱条件，在重度干旱胁迫条件下藜麦幼苗叶片叶绿素合成受到抑制，干物质的积累受到影响，而生物量优先分配给地下部分，从而表现为株高降低、根长增加、根冠比比例增大。

3.2 干旱胁迫对藜麦幼苗生理特性的调控

植物忍耐和抵御非生物逆境的重要生理机制之一是渗透调节[30]。植物渗透调节能力的大小与逆境条件下渗透调节物质含量的高低息息相关[30-31]。研究表明，干旱胁迫下植株叶片内脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量升高[32-33]。本试验研究结果表明，随干旱胁迫程度的加重，供试4个品种藜麦幼苗叶片可溶性蛋白含量呈先下降后升高的趋势，可溶性糖和脯氨酸含量呈逐渐升高的趋势。说明藜麦在轻度和中度干旱胁迫下，细胞通过积累溶质来降低渗透势，发挥主动调节作用，当干旱胁迫程度加重至重度干旱时，渗透调节作用减弱甚至消失，因此藜麦耐旱是有一定阈值的。

3.3 藜麦幼苗抗旱性评价

植物的抗旱性受到许多内外因素控制的综合遗传性状的影响，例如形态、组织切片和生理生化等特性，均会对植物抗旱性产生影响，且这些特性是相互联系、相互制约的[3]。近年来，国内外学者们普遍认为多指标多方法相结合的抗旱性评价可以更加真实、可靠地反映植物的抗旱性，同时研究和提出了包括抗旱系数、主成分分析、聚类分析、隶属函数法等多种分析方法相结合的作物抗旱性鉴定评价方法[39]。上述方法在亚麻[40]、小豆[41]、大麦[42]、小麦[43]、高粱[44]等多种作物上已得到应用，且筛选出相应的作物耐旱种质资源。本研究采用相关性分析法和主成分分析法对13个测定指标进行分析，明确了各指标间的相互关系及其与干旱胁迫的关系；同时利用隶属函数法对4个陇藜系列藜麦品种进行抗旱性评价，其中供试材料抗旱性‘陇藜1号’与‘陇藜3号’相同，强于‘陇藜2号’，‘陇藜4号’抗旱性最弱。这些方法的综合使用不仅客观地评价了藜麦的抗旱性，也为以后的耐旱分子机制研究奠定了理论基础。

4 结 论

2)通过隶属函数法分析可知，供试材料抗旱性‘陇藜1号’=‘陇藜3号’>‘陇藜2号’>‘陇藜4号’。