甜菜碱对甘蔗抗旱生理的调控效应

李健 农艳丰 陆艾缨

(百色学院，广西 百色 533000)

引言

甘蔗主要种植于热带及亚热带地区，对水分的需求量较大。广西是我国甘蔗的主产区，但由于广西地处石山地区，耕地资源有限，多数甘蔗种植在水源缺乏的丘陵地带，干旱缺水大大影响了甘蔗的正常生长和产量的提高，从而制约了我国蔗糖业的健康发展。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，可溶性糖就是一种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弥补植物内源物质调节机制的缺陷，从而提高植物的耐胁迫能力[1]。一般而言，在干旱胁迫下，抗旱性较强的甘蔗品种或甘蔗植株，其叶片的抗氧化酶系统的酶含量的提高速度均显著高于抗旱性弱的品种或植株，同时MDA含量也增长较为缓慢[2]。

甜菜碱是一种无毒且在水中很容易溶解的植物抗旱剂，在一定浓度范围内合理施用能减缓干旱胁迫对植物造成伤害。甜菜碱之所以能够减缓干旱胁迫对作物的伤害，是因为其能降低处于干旱胁迫下植物叶片的丙二醛(MDA)含量，调节作物的渗透压以及相关酶的活性[3]。以天南星科植物半夏为例，在干旱胁迫下通过对半夏施用甜菜碱能提高半夏氮代谢相关酶的活性从而加快无机氮的同化，促进代谢次生物质的积累从而缓解了干旱对半夏的伤害[4]。甜菜碱具有渗透调节、清除活性氧、维持生物膜的稳定性、保护光合机构等功能，从根本上来说，甜菜碱就是通过对上述生理指标的调节来达到减缓干旱胁迫对植物造成伤害的目的。近年来,有大量学者探究施用外源甜菜碱与作物抵抗环境胁迫能力之间的关系，发现在逆境条件下，如高温或者干旱喷施甜菜碱可以提高植物的抗旱生理效应[5-7]。黄承石[8]认为，在干旱处理的条件下喷施甜菜碱可以调节湘南的酶活性，提高抗旱能力；甜菜碱在农业上的应用越来越多被人们关注和研究。

甜菜碱的抗旱功效已经在许多植物上得到验证，但是对于其在甘蔗上的施用研究还鲜有报道。本研究以黑皮果蔗为材料，设置不同干旱胁迫处理，对甘蔗幼苗喷施外源甜菜碱溶液进行处理，研究其对甘蔗苗期叶片抗氧化系统酶活性和渗透调节物质含量的影响，探讨外施甜菜碱是否能增强甘蔗的抗旱性，为甘蔗抗旱栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以黑皮果蔗幼苗为试验材料，试验于2020年10月—2021年1月在百色学院校内试验地进行，盆栽使用的泥土为天然优质泥土并添加营养基质混匀。

1.2 试验方法

将生长良好的甘蔗苗(5～6片真叶)移栽于塑料盆中，每盆1株，20d后挑选30盆长势较好且大小一致的植株，将其分成3组(1组10盆)。1组作为正常浇水对照(CK)；1组正常干旱处理(喷施蒸馏水作为对照，为处理1)，每天用小喷壶对叶片喷洒1次(以覆盖全部叶片为准)；1组在叶面喷100mg·L-1甜菜碱溶液后干旱处理，为处理2。对2个处理下的甘蔗苗进行干旱胁迫，试验分别于干旱1d、3d、6d后对各组处理进行采样(取甘蔗+1叶)，测量其叶绿素含量、叶片相对含水量、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、丙二醛(MDA)含量等相关生理指标。

1.3 生理指标测定

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[9]，叶片相对含水量的测定参考杜成忠的方法[10]，SOD活性的测定参考冯晓敏和张永清[11]的方法，可溶性糖和MDA含量的测定参考林艳等的方法[12]。每个处理3次重复。

2 结果与分析

2.1 甜菜碱对甘蔗叶片叶绿素含量的影响

由图1可知，正常情况下，苗期甘蔗叶片的叶绿素含量保持在3mg·g-1左右，干旱胁迫后，叶片叶绿素受到不同程度的破坏，干旱1d时，各组处理的叶绿素含量相差不大，对叶绿素的损伤较小。随着干旱胁迫天数的增加，处理组叶绿素含量急剧下降，到第6天时，处理1的叶绿素含量已少于正常值的1/2，且处理1叶片叶绿素含量下降的幅度显著大于处理2。

图1 甜菜碱对甘蔗叶片叶绿素含量的影响

2.2 甜菜碱对甘蔗叶片含水量的影响

环境干旱，供水不足，甘蔗自身吸收不到足够的水分时，其组织的含水量也会受影响，由图2可知，正常生长时，甘蔗叶片的相对含水量超过80%，随着干旱胁迫的加剧，其叶片相对含水量逐渐降低。处理1的甘蔗叶片相对含水量下降的幅度显著高于处理2，即甜菜碱的喷施显著提高了干旱胁迫下甘蔗叶片的相对含水量。

图2 甜菜碱对甘蔗叶片含水量的影响

2.3 甜菜碱对甘蔗叶片丙二醛酶(MDA)活性的影响

干旱胁迫会扰乱植物体正常的新陈代谢，其体内自由基产生与消除之间的相对平衡也会被打破。由图3可知，干旱导致丙二醛大量积累在甘蔗叶片内得不到有效的清除，同期条件下，处理1累积的量要显著多于处理2，到干旱处理的第6天时，处理1的甘蔗叶片丙二醛含量已超过正常值的3倍，而处理2的仅为2倍左右。

图3 甜菜碱对甘蔗叶片丙二醛酶(MDA)活性的影响

2.4 甜菜碱对甘蔗叶片可溶性糖含量的影响

由图4可知，干旱促进了甘蔗叶片可溶性糖的积累，在干旱胁迫下，2组处理甘蔗叶片中的可溶性糖含量呈现先上升后下降的趋势，干旱3d时，2个处理叶片的可溶性糖含量达到最高，在干旱6d时又缓慢回落。同等干旱条件下，处理2的累积量更大，即甜菜碱的喷施显著提高了干旱胁迫下甘蔗叶片可溶性糖的累积。

图4 甜菜碱对甘蔗叶片可溶性糖含量的影响

2.5 甜菜碱对甘蔗叶片SOD活性的影响

由图5可知，2组处理甘蔗叶片的SOD活性随着干旱处理天数的增加而不断上升。干旱1d时，2组处理叶片的SOD活性已显著高于对照，同等干旱条件下，处理2甘蔗叶片的SOD活性显著高于处理1，即甜菜碱的喷施显著提高了干旱胁迫下甘蔗叶片的SOD活性。

图5 甜菜碱对甘蔗叶片超氧化物歧化酶活性的影响

3 讨论

叶绿素是植物体内一种重要物质，在其他条件适宜的情况下，作物叶绿素含量通常与光合强度成正比。叶片一旦失水到一定程度，气孔关闭，蒸腾作用随之减弱。气孔关闭影响二氧化碳的吸收，光合作用会减弱，细胞质遭到破坏，叶绿素进行降解，含量下降。植物体内许多有机物都是在光合作用下产生的，而叶绿素又是植物进行光合作用的物质，所以叶绿素含量越多，表明植物的耐干旱胁迫能力就越强。本试验中，2组处理随着干旱处理天数的增加呈下降趋势，同等干旱条件下，处理2中甘蔗叶片的叶绿素含量显著高于处理1。说明喷施甜菜碱可以加强甘蔗叶片细胞活性，增强光合作用，100mg·L-1的甜菜碱有助于维持干旱胁迫下甘蔗叶片叶绿素的合成或减缓其受损害的程度。

水是植物细胞的重要成分之一。水分使细胞原生质呈溶胶状态，保证了植物新陈代谢顺利进行。如果含水量减少，植物的原生质会由溶胶状态变成凝胶状态，就可能引起原生质破坏而招致细胞死亡，生命活动就大大减弱。在呼吸作用、光合作用、有机物的合成和分解的过程中，都需要水的参与。只有溶解在水中的固态无机物和有机物才能被植物吸收，植物不能直接吸收固态的无机物和有机物。水在植物体内是不可或缺的一部分。而干旱可打破植物体内的水分平衡，影响植物的生理功能，含水量的高低是植物能否正常生长的重要指标，因此，植物含水量可以作为植物在干旱胁迫下受损程度的重要指标，从试验结果可以看出，在干旱胁迫下，甘蔗叶片相对含水量在不断下降，处理1的甘蔗叶片相对含水量下降的幅度显著高于处理2，甜菜碱的施用有效缓解了甘蔗叶片的水分流失，在甘蔗叶片脱水过程中能够起到一定保水作用。

植物器官在逆境条件下，如高温、盐碱、干旱以及强光等，自由基会代谢失调，往往发生膜脂过氧化作用，丙二醛(MDA)是膜脂过氧化的产物，丙二醛可以损伤生物膜结构，主要是细胞质膜，MDA的积累可能对膜和细胞造成一定的伤害，MDA含量的多少可作为脂质过氧化的指标，用于表示细胞膜过氧化程度和植物对干旱胁迫下反应的强弱。试验结果表明，喷施了甜菜碱的甘蔗叶片，其MDA的积累量显著低于未喷施的处理，说明甜菜碱有利于减缓MDA在甘蔗体内的积累，降低了其对甘蔗植株的伤害。植物体内的可溶性糖作为一种渗透调节物质，其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，2组处理甘蔗叶片中的可溶性糖含量呈现先上升后下降的趋势，但是同等干旱条件下，处理2的累积量更大，即甜菜碱的喷施显著有利于甘蔗叶片可溶性糖含量的提高，更能抵御干旱的风险。

过氧化物歧化酶(SOD)是植物抗氧化系统的关键酶，其可以消除过多的活性物质并防止植物中自由基的形成，还可以通过合理调节抗氧化系统来提高植物抗逆性，SOD是水-水循环的关键酶之一，在干旱胁迫和其他方面发挥重要作用。在干旱胁迫的情况下，植物呼吸作用和光合作用受到严重影响的原因是植物正常水分调节平衡被打破。随着干旱时间的延长，干旱胁迫程度的加深，植物细胞膜的结构功能遭破坏。SOD活性增高可以缓解ROS对植物造成的危害。从试验结果可看出，干旱胁迫下，喷施甜菜碱后，甘蔗叶片超氧化物歧化酶活性显著高于未喷施的处理，有利于甘蔗消除体内过多的活性氧物质，更能抵御干旱环境的胁迫。

4 小结

在缺水的条件下，甘蔗的生长发育会受到严重影响，体内的一些生理机制发生改变，本试验以100mg·L-1甜菜碱作为外源物质，研究其对干旱胁迫下甘蔗相关生理生化特性的影响。试验结果表明，干旱胁迫对甘蔗叶片的正常生长和生理生化代谢都造成了不利影响，外源甜菜碱的施用使甘蔗叶片的叶绿素含量、叶片相对含水量、可溶性糖含量及SOD活性都显著高于未喷施的处理，同时积累了更少的MDA，表明100mg·L-1的甜菜碱能有效启动甘蔗的防御系统，能在一定程度上增强甘蔗的抗旱生理，缓解干旱胁迫对甘蔗造成的伤害。