干旱胁迫对甘蔗新品种桂热2号生理指标的影响

谭秦亮 程 琴 潘成列 朱鹏锦 李佳慧 宋奇琦农泽梅 周全光 庞新华 吕 平

（1广西壮族自治区亚热带作物研究所，530001，广西南宁；2广西田园生化股份有限公司，530001，广西南宁）

中国是世界上主要的甘蔗种植国，种植面积仅次于巴西和印度，目前甘蔗主要种植在广西、云南、广东和海南等热带或亚热带地区，其中广西和云南种植面积最大，占据全国总面积的90%以上[1]。此外，甘蔗作为生产乙醇等生物能源的理想原料，是今后研究的热门对象。确保甘蔗产业的健康发展，不仅可以满足我国食糖安全，更是未来生物能源产业发展的必然选择。在作物面临的所有非生物胁迫中，干旱是发生频率最高、危害面积最广、造成损失最大的一个自然因素。甘蔗是一种高产的C4作物，具有较高的水分利用效率和较强的耐旱性能，但是广西蔗区90%以上的甘蔗种植于旱坡地[2]，灌溉设施和土壤持水性能较差，季节性干旱发生较为严重，因此，选育抗旱性强的品种、改良其抗旱性等是今后广西甘蔗产业发展方向的关键。

脱落酸（abscisic acid，ABA）作为一种植物激素，通常被称为信号激素或逆境激素，是启动植物体内抗逆基因表达的“第一信使”[3-4]，不仅能促进植物叶片的衰老和脱落，而且能感知和传递逆境信号，参与调控植物生长发育和逆境响应。李长宁[5]研究发现，水分胁迫下外施ABA可提高甘蔗内源ABA含量，增强抗氧化酶活性，促进可溶性糖（soluble sugar，SS）的积累。当水分胁迫作用玉米时，外源ABA可促进幼苗根系脯氨酸和SS积累[6]。小麦外施ABA可显著提高植株旗叶光合速率、渗透调节物质含量以及抗氧化酶活性，降低丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量[7]。喷施ABA能明显提高大豆叶绿素含量和光合速率，有效缓解干旱胁迫对其的影响，维持大豆的正常生理代谢活动[8]。植物正常生长时会形成一套有效清除自由基的抗氧化防护系统，以避免或减轻活性氧对细胞造成的伤害，组成酶促防护系统的酶主要有超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）、抗坏血酸过氧化物酶（aseorbate peroxidase，APX）、过氧化氢酶（catalase，CAT）和多胺氧化酶（polyamine oxidase，PAO）等[9-10]。SOD可以催化O2-.发生歧化反应生成O2和H2O2，其活性被认为是植物抗逆境的重要指标；POD和APX是叶绿体中清除H2O2的关键酶，APX被认为是抗氧化系统中与H2O2亲和力最强的氧化酶；CAT主要负责清除过氧化物体的H2O2[11]。当受到干旱胁迫时，植物叶片中的SOD、POD和APX等活性快速升高，可有效缓解干旱胁迫对植物膜系统的损伤[12-13]。在干旱胁迫时甘蔗会产生一系列生理变化来减轻干旱伤害，研究[14-15]表明，甘蔗叶片可溶性蛋白（soluble protein，SP）、SS、MDA及脯氨酸（proline，Pro）含量等可作为甘蔗抗旱性鉴定和评价的重要指标。当甘蔗受到干旱胁迫时会出现膜脂过氧化反应，从而对膜系统造成伤害，研究[16-19]发现质膜透性变化与MDA含量呈正相关，因此，质膜透性和MDA含量变化是甘蔗抗旱评价的关键指标。

目前，已有不少关于甘蔗抗旱性的研究报道，主要包括形态结构特征、生理特性、抗旱性指标评价和抗旱性品种选育等，有关甘蔗抗旱生理生化的研究主要集中在质膜透性、渗透调节和抗氧化物保护酶系统清除自由基能力等方面，但目前关于干旱胁迫下喷施外源ABA提高甘蔗幼苗抗旱性方面鲜有报道。本试验通过与甘蔗品种ROC22对比，对广西壮族自治区亚热带作物研究所新育成的甘蔗品种桂热2号（GR2）进行干旱胁迫及外源ABA胁迫试验处理，测定甘蔗苗期叶片内源激素（ABA、GA和IAA）含量、抗氧化物酶（SOD、POD和APX）活性和渗透调节物质（MDA、SP和SS）含量。旨在探讨干旱胁迫对GR2幼苗的伤害与影响，比较该品种与ROC22的差异，对其进行抗旱性鉴定，以便为今后的大面积推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试材料为广西壮族自治区亚热带作物研究所新育成甘蔗品种桂热2号（GR2）与抗旱品种ROC22（CK）。GR2由农业农村部于2020年7月24日审定，审定编号为GPD甘蔗（2020）450040。

1.2 试验设计

试验于2020年在广西壮族自治区亚热带作物研究所甘蔗种质资源圃智能温室大棚内进行。采用桶栽土培方式，桶的规格为22cm×35cm（直径×高），每桶装土壤13kg（大田土:河沙:有机肥=5:4:1）。2020年1月15日将甘蔗以单芽蔗茎的方式种植于泥沙混合基质中催芽育种。45d后选择长势一致的甘蔗幼苗移栽至桶中，每个桶种2株苗后移入智能温室大棚，按照常规生长进行管理，2个月后开始对2个甘蔗品种进行试验处理。把材料分成2组，第1组进行干旱处理，第2组在干旱处理的基础上叶面喷施ABA（50mmol/L），分别为干旱及ABA处理，分别于断水后的0、3、5、7、9、12d进行采样测定。

1.3 测定项目与方法

采用酶联免疫试剂盒测定[20]内源激素ABA、赤霉素（GA）及植物生长素（IAA）含量。采用氮蓝四唑光化还原法测定SOD活性，采用愈创木酚法测定POD活性，采用过氧化氢还原法测定APX活性[21-22]。采用试剂盒法测定渗透调节物质MDA含量，采用考马斯亮蓝G-250比色法测定SP含量，采用蒽酮法测定SS含量[22-23]。

1.4 数据处理

采用SPSS 22.0软件进行统计分析试验数据，用单因素（one-way ANOVA）和Duncan法进行方差分析和多重比较（P=0.05），使用Origin 2019软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理对甘蔗内源激素的影响

2.1.1 对ABA含量的影响 由图1可知，各处理的ABA含量随着干旱胁迫时间而变化，CK和GR2均呈先上升后下降再上升的变化趋势，CK在5d时达到第1次峰值，在12d时达到第2次峰值，GR2在3d时达到第1次峰值，在9d时达到第2次峰值。干旱加ABA胁迫处理后，CK+ABA处理在5d时达到第1次高峰值且高于CK，9d时达到第2次高峰值且与CK存在显著差异；GR2+ABA处理在5d时高于GR2，但差异不显著，7d时达到最高值。说明干旱胁迫时，GR2中内源ABA含量增加更快，外源ABA处理能更明显地提高GR2内源ABA的含量。

图1 不同处理甘蔗内源ABA的含量Fig.1 The contents of the sugarcane endogenous ABA under different treatments

2.1.2 对GA含量的影响 由图2可知，CK在7d时降到最低值，9d时达到最高值；GR2在5d时出现第1次高峰值，在9d时降到最低值，12d时达到最高峰值，7、9和12d时均与CK存在显著差异，说明GR2响应干旱胁迫的速度比CK快。干旱加ABA处理后，CK+ABA处理5d时出现第1次高峰值，3和7d时均出现较低值，且3d时与CK存在显著差异，12d时出现最高峰值；GR2+ABA处理在7d时达到最高值，随后缓慢下降，9和12d时均与GR2存在显著差异。说明干旱胁迫时GR2的GA含量在0～7d一直保持较高水平，外源ABA处理能在后期加快CK和GR2内源GA的积累。

图2 不同处理下甘蔗内源GA的含量Fig.2 The content of the sugarcane endogenous GAunder different treatments

2.1.3 对IAA含量的影响 由图3可知，随着处理时间的延长，当干旱胁迫下CK在3d时达到第1次高峰值，之后迅速下降后缓慢上升，到9d时达到第2次高峰值；GR2在胁迫3d后一直处于较高值，到7d时达到最高值，其中5d时显著高于CK。干旱加ABA处理后，CK+ABA处理3d时出现最低值，与CK存在显著差异，随后缓慢上升，7d时达到最高值；GR2+ABA处理在5d时达到第1次高峰值，7d时降到最低值，随后再次上升，9d时达到最高峰值，7d和9d时均与GR2有显著差异。说明干旱胁迫能促进GR2内源激素IAA的积累，外源ABA处理后GR2内源IAA含量一直维持在较稳定的水平。

图3 不同处理下甘蔗内源IAA的含量Fig.3 The content of the sugarcane endogenous IAAunder different treatments

2.2 不同处理对甘蔗抗氧化酶活性的影响

2.2.1 对SOD活性的影响 图4表明，随着干旱胁迫的持续，CK和GR2的SOD活性均呈先下降后上升的趋势，在干旱胁迫5d时下降到最低值，9d时达到最高值。干旱加ABA处理后，CK+ABA处理5d时快速升高达到最高值，且处理间差异显著，与0d时相比上升幅度为23.87%；GR2+ABA处理在干旱胁迫3d时达到最低值，5d时显著高于GR2，随后逐渐增加，9d时达到最高值。说明干旱胁迫下CK和GR2变化趋势基本一致，外源ABA处理能迅速提高CK和GR2的SOD活性，但是GR2比CK提高的幅度要低。

图4 不同处理下甘蔗SOD的活性Fig.4 The activity of the sugarcane SOD under different treatments

2.2.2 对POD活性的影响 图5表明，POD活性随着胁迫时间的延长在不断变化，CK在胁迫7d时下降到最低值，9d时达到最高值；GR2在5d时出现第1次高峰值，12d时达到最高值。干旱加ABA处理后，CK+ABA处理在胁迫5d时上升到第1次峰值，且与CK差异显著，12d时达到第2次峰值，与CK差异显著；GR2+ABA处理在胁迫7d时达到最高值，与其他处理有显著差异，9d时下降到最低值，与其他处理也存在显著差异。说明受到干旱胁迫后CK和GR2的POD活性均在前期下降后期上升，外源ABA处理可以明显提高2个品种中POD的活性。

图5 不同处理下甘蔗POD的活性Fig.5 The activity of the sugarcane POD under different treatments

2.2.3 对APX活性的影响 图6表明，APX活性随着干旱胁迫的加剧在不断变化，CK在干旱胁迫5d时上升到最高值，9d时达到最低值；GR2在干旱胁迫0、3及5d时均维持在较高水平，7d时略有下降，随后一直上升，在0、3、9及12d时均与CK有显著差异。干旱加ABA处理后，CK+ABA处理5d时上升到第1次峰值，但与CK差异不显著，9d时达到第2次峰值，9和12d时与CK差异显著；GR2+ABA处理在7d时略有下降后迅速上升，9d时显著高于GR2，9、12d时与CK差异显著。说明受到干旱胁迫和外源ABA胁迫后CK中APX活性会迅速增加，GR2的APX活性一直处于较高水平，尤其是胁迫后期依然保持在较高水平。

图6 不同处理下甘蔗APX的活性Fig.6 The activity of the sugarcane APX under different treatments

2.3 不同处理对甘蔗渗透调节物质的影响

2.3.1 对MDA含量的影响 由图7可知，CK的MDA含量在胁迫5和12d时均达到较高值，3d时出现最低值；GR2呈缓慢上升的趋势，3d时出现第1次高峰值，9d时达到最高值，均与CK有显著差异。干旱加ABA处理后，CK+ABA处理在胁迫3d时上升到第1次峰值，与CK差异显著，12d时达到第2次峰值，与CK无显著差异；GR2+ABA处理在胁迫3d时显著高于GR2，5d时达到第1次高峰值，均与CK和GR2存在显著差异，9d时下降到最低值，与CK和GR2也存在显著差异，12d时达到第2次高峰值，与CK有显著差异，但与GR2差异不显著。结果说明受到干旱胁迫后CK和GR2中MDA含量均增加且CK增幅更大，外源ABA可以在前期有效缓解CK中MDA的积累，在后期有效缓解GR2中MDA的积累。

2.3.2 对SP含量的影响 由图8可知，CK的SP含量整体呈先上升再下降的趋势，在胁迫5d时上升到最高值，与其他处理存在显著差异。GR2呈先上升后下降再上升的变化趋势，在胁迫3d时达到第1次高峰值，5d时降到最低值，12d时达到第2次高峰值，3、5及7d时与CK存在显著差异。干旱加ABA处理后，CK+ABA处理在胁迫3d时降到最低值，随后逐渐增加，9d时达到最高值，3、5、7及9d时均与CK存在显著差异；GR2+ABA处理在胁迫3d时明显低于GR2且达到显著水平，9d时达到最高值，5、7、9及12d时均与CK存在显著差异，3、5和9d时与GR2存在显著差异。说明受到干旱胁迫后CK和GR2中SP含量均增加，且前期CK增幅更大，后期GR2增幅更大，外源ABA在前期可以有效缓解CK和GR2中SP的积累。

2.3.3 对SS含量的影响 由图9可知，CK处理的SS含量呈一直上升的趋势，在胁迫12d时达到最高值；GR2呈先上升后略微下降的趋势，5d时达到最高峰值，0～9d均与CK存在显著差异。干旱加ABA处理后，CK+ABA和GR2+ABA处理均呈先上升后下降再上升的变化趋势，CK+ABA在5d时上升到较高峰值，7d时降到最低值，12d时达到最高峰值，3、7、9及12d时与CK存在显著差异；GR2+ABA处理在3d时上升到较高峰值，5d时降到最低值，12d时达到最高峰值，0、3及7d时与CK差异显著，0、3、5、7及12d时与GR2存在显著差异。说明受到干旱胁迫后CK和GR2中SS含量均大幅度增加且GR2增幅更大、更稳定，外源ABA可以有效缓解CK和GR2中SS的积累。

图9 不同处理下甘蔗SS的含量Fig.9 The content of the sugarcane SS under different treatments

3 讨论

甘蔗的抗旱性是一个较为复杂的综合性状表现，当甘蔗受到干旱胁迫时会出现一系列形态及生理特性变化，而且不同品种对干旱胁迫的响应也存在显著差异。在形态水平上，由于细胞缺水等因素造成甘蔗叶片失绿、生长发育缓慢或停滞；在生理水平上，干旱胁迫会引起活性氧大量产生、细胞膜过氧化、细胞内外物质失衡及植物内源激素失衡等生理变化。作为植物生长发育的关键调控因子，植物内源激素参与多个代谢过程，尤其是在响应植物逆境胁迫时发挥重要作用。有研究证实在甘蔗[24]、玉米[25]和小麦[26]等作物中，干旱胁迫时植物体内ABA含量会明显增加，GA含量明显下降，外施ABA能有效促进内源ABA的合成，提高植物激素的代谢活动。本研究发现，受到干旱胁迫时2个品种内源ABA及IAA含量均明显增加，而GA含量受到抑制，外施ABA可有效提高内源激素ABA的含量，但不能显著提高IAA含量，内源激素的变化基本与前人在不同作物上的研究一致。

抗氧化酶保护系统是植物防御活性氧伤害的有效途径，其中SOD、APX、POD和CAT等保护酶在消除H2O2方面有关键的调控作用。本研究结果显示，GR2与CK均在中度（5～7d）干旱胁迫时SOD和APX活性显著提高，重度（9～12d）干旱胁迫时POD活性显著提高，这与梁潘霞等[27]研究基本一致。Do等[28]研究发现，抗旱性强的甘蔗品种SOD活性会显著提高且在中重度胁迫时SOD活性的提高更显著，POD活性在抗旱性强的品种中表现更为敏感，该结论与本研究基本相似。GR2在干旱胁迫中后期时SOD和APX活性高于CK，POD活性随干旱胁迫时间的延长呈先降低后上升的趋势，与前人在甘蔗[29]和棉花[30]上的研究结果一致。本研究发现，外源ABA处理能有效提高2个品种抗氧化保护酶的活性，增强甘蔗的活性氧清除能力，这与前人对玉米[31-32]和小麦[33]的研究结果一致。

MDA是植物在逆境胁迫下细胞膜脂过氧化作用的主要产物，可改变膜脂分子结构使蛋白质合成受到抑制，其含量的高低可以反映植物受到逆境胁迫的伤害程度，含量积累越多表明组织的保护能力越差[34-35]。本研究中随着干旱胁迫时间的延长，2个甘蔗品种的MDA含量均逐渐增加，其中CK含量明显高于GR2，推测GR2的膜脂损伤比CK轻，植株受干旱胁迫的伤害较小，具有较好的耐旱性。SS和SP作为植物体内重要的渗透调节物质，干旱胁迫时可以保持细胞内环境的相对稳定，其含量的增加可有效缓解逆境胁迫对植物造成的伤害[36]，外施ABA能调节植物体内渗透调节物质的平衡，进而提高植物对干旱胁迫的抵抗能力[37-38]。本研究中SS和SP含量均随着干旱胁迫时间的延长而增加，尤其是GR2的SS含量增幅显著，外源ABA处理后SP含量在中后期增幅明显，说明干旱胁迫后GR2的渗透调节物质的变化更为敏感，能及时调节植物体内细胞环境的平衡，减轻对植物的伤害，这与前人对甘蔗[39]和玉米[40]的研究结论基本一致。

4 结论

以抗旱性较好的甘蔗品种ROC22作为对照（CK），甘蔗新品种GR2在干旱胁迫条件下，内源激素ABA、GA及IAA含量显著增加，同时提高了抗氧化酶SOD、APX及POD的活性，MDA、SP及SS含量均迅速增加。与CK相比，GR2在胁迫前期（0～5d）SP及SS含量增幅相对较大，MDA含量相对比较稳定，胁迫中期（7～9d）ABA、SOD和APX活性增幅相对较大。外源ABA处理可增强GR2内源激素的积累，提高其抗氧化酶SOD、APX及POD活性，有效缓解渗透调节物质的积累，使其含量处于较低水平。综上所述，甘蔗新品种桂热2号是一个抗旱性较好的品种，外源ABA可以有效缓解干旱胁迫对其造成的损害，该品种可以作为抗旱性强的优质品种进行下一步的示范与推广。