干旱胁迫下苎麻生理指标和抗逆相关基因表达的变化

张奥深 徐敏 陈炼 熊伟 程长松 汪红武

收稿日期：2023-11-13

基金项目：国家现代农业产业技术体系资助项目（CARS-16-S10）

作者简介：张奥深（1997-），男，河南驻马店人，研究实习员，硕士，主要从事苎麻栽培育种及抗逆机制方向研究，（电话）19071356857（电子信箱）1771271307@qq.com；通信作者，汪红武（1984-），男，湖北咸宁人，副研究员，硕士，主要从事苎麻栽培育种及多用途应用方向研究，（电子信箱）15272710171@163.com。

张奥深，徐 敏，陈 炼，等. 干旱胁迫下苎麻生理指标和抗逆相关基因表达的变化［J］. 湖北农业科学，2024，63（5）：6-11．

摘要：为研究干旱胁迫对苎麻（Boehmeria nivea L.）生理特性和抗逆相关基因的影响，以苎麻品种华苎4号为试验材料，采用自然干旱胁迫，测定其生理指标、抗逆相关基因表达量和相关农艺性状的变化。结果表明，与对照相比，干旱胁迫处理苎麻叶片叶绿素SPAD降低，茎尖和叶片的相对电导率、游离脯氨酸含量、丙二醛含量和可溶性糖含量均显著增加（P<0.05），超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）的活性均升高，抗逆相关基因BnP5CS1、BnWRKY1、BnACO1、Bn-α-amylase、BnAPX1、BnbZIP1、BnDREB19和BnGR1的相对表达量均提高，其中BnP5CS1和BnWRKY1在叶片中的相对表达量分别提高了5.1倍和5.3倍；与对照相比，干旱胁迫处理苎麻株高、茎粗、皮厚、地上部鲜重和单株原麻重均显著下降（P<0.05），茎粗和皮厚分别降低0.13 cm和0.14 mm，地上部鲜重和单株原麻重分别降低了52.05%和39.53%。

关键词：苎麻（Boehmeria nivea L.）；干旱胁迫；生理指标；抗逆基因；相对表达量

中图分类号：S563.1         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2024）05-0006-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2024.05.002            开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Changes of physiological indexes and expression of stress resistance related genes in ramie under drought stress

ZHANG Ao-shen1， XU Min1， CHEN Lian1， XIONG Wei1， CHENG Chang-song1， WANG Hong-wu1，2

（1.Xianning Academy of Agricultural Sciences/Hubei Ramie Engineering Technology Center， Xianning  437100， Hubei， China；

2.Xianning Xiangcheng Characteristic Agricultural Technology Research Institute Co.， Ltd.， Xianning  437100， Hubei， China）

Abstract： To study the effects of drought stress on physiological characteristics and stress resistance related genes of ramie （Boehmeria nivea L.）， the physiological indexes， stress resistance related gene expression and agronomic traits of Huazhu No. 4 were measured by natural drought stress. The results showed that， compared with the control， the chlorophyll SPAD of ramie leaves decreased under drought stress， the relative conductivity， free proline content， malondialdehyde content and soluble sugar content of stem tip and leaves increased significantly （P<0.05）， the activities of superoxide dismutase （SOD）， catalase （CAT） and peroxidase （POD） increased， and the relative expression levels of stress-related genes BnP5CS1， BnWRKY1， BnACO1， Bn-α-amylase， BnAPX1， BnbZIP1， BnDREB19 and BnGR1 were increased. The relative expressions of BnP5CS1 and BnWRKY1 in leaves were increased 5.1 and 5.3 times compared with control. Compared with the control， the plant height， stem diameter， skin thickness， fresh aboveground weight and raw hemp weight per plant under drought stress were significantly decreased （P<0.05）， the stem diameter and skin thickness were decreased by 0.13 cm and 0.14 mm， respectively， and the fresh aboveground weight and raw hemp weight per plant were decreased by 52.05% and 39.53%， respectively.

Key words： ramie（Boehmeria nivea L.）； drought stress； physiological indexes； stress resistance gene； relative expression

苎麻（Boehmeria nivea L.）是荨麻科苎麻属一种多年生的韧皮纤维作物。苎麻原产于中国，种植历史悠久，一年可收获3～4季、纤维产量高，是中国重要的天然纤维作物。中国苎麻种植区域集中在长江流域，其种植面积和纤维产量占全球总量的90%以上［1］。苎麻纤维具有透气防菌等特性，因此多用于纺织；苎麻生物产量大、嫩茎叶具有较高的饲用价值，可作为饲料来源；苎麻在修复重金属污染的土壤、水土保持、作为栽培基质等领域都发挥一定作用。

干旱是影响植物生长发育过程的最重要的非生物胁迫，随着全球气温升高和温室效应的加剧，水资源的短缺和分配不均，导致干旱极大影响了植物的生长发育［2］。长江流域受季风气候影响，导致降水量分配不均，与往年相比，2022年长江流域降水量降低40%以上，多地超过30 d无有效降雨，导致地下水位降低，对苎麻生长发育影响严重［3］。Gaut等［4］的研究表明，与对照相比，干旱胁迫显著降低了苎麻的株高、茎粗和皮厚等产量构成因素，最终导致纤维产量显著降低。李林林等［5］的研究发现，干旱胁迫导致叶片叶绿素SPAD和根系活力下降、苎麻生长速率降低。但对苎麻的抗旱研究多是在栽培措施和生理生态方面，很少从基因层面解析苎麻的抗旱机理。

本研究以苎麻品种华苎4号为试验材料，研究干旱胁迫下苎麻生理水平和抗逆相关基因表达的变化以及对农艺性状的影响，分析在干旱胁迫下苎麻的抗逆机制，为苎麻抗旱栽培、抗旱品种选育及抗逆分子机理研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

供试材料为苎麻主栽品种华苎4号4龄麻，种植于咸宁市农业科学院向阳湖基地，由华中农业大学麻类研究室提供。2022年受高温干旱天气的影响，苎麻试验田的三季麻受旱情影响严重，但是由于试验田一侧池塘的存在，导致试验田两边土壤含水量不同，靠近池塘的苎麻受自然干旱胁迫的影响较小，株高为1.20 m，土壤含水量为78%，故设为对照（CK）；远离池塘的苎麻长势差，受干旱胁迫严重，株高为0.63 m，土壤含水量为34%，设为干旱胁迫处理（DS）。剪取2个不同处理的茎尖和叶片，用于测定相关指标，每个处理重复3次。

1.2 生理指标测定

利用SPAD-502叶绿素仪测定苎麻倒四叶的叶绿素SPAD，每个处理测定5株取均值；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸（ TBA）显色法测定；游离脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定；相对电导率采用电导率仪测定；可溶性糖含量采用蒽酮比色法测定；超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮蓝四唑（NBT）光化还原法测定；过氧化物歧化酶（POD）活性采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶（CAT）活性采用紫外吸收法测定。

1.3 基因表达分析

取样品0.1 g左右，利用总RNA提取试剂RNApure（庄盟）提取总RNA，利用Vazyme公司生产的HiScript II 1st Strand cDNA Synthesis Kit（+gDNA wiper）逆转录试剂盒进行逆转录反应，合成cDNA第一链。以苎麻肌动蛋白基因作为内参基因，通过NCBI（https：//www.ncbi.nlm.nih.gov）搜索苎麻抗逆相关基因的序列信息，用软件Primer Premier 5.0设计引物（表1），抗逆基因的相对表达量利用2-ΔΔCt法计算。

1.4 农艺性状测定

株高为植株生长基部至叶顶端的距离；茎粗为植株中间避开叶节处的茎杆直径；皮厚为鲜麻皮中部的厚度；地上部鲜重为苎麻植株地上部的质量；原麻质量为利用刮麻器刮制且晒干后的麻皮；每个性状测定10株取平均值。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 22软件进行数据统计分析，利用Origin 9.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对叶绿素SPAD和抗氧化酶活性的影响

叶片叶绿素SPAD可以反映植物叶片中叶绿素相对含量；抗氧化酶活性的高低能反映细胞清除活性氧（Reactive oxygen species，ROS）能力的大小。干旱胁迫处理的叶绿素SPAD显著低于对照（P<0.05）；各处理叶片中的抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性均显著高于茎尖；与对照相比，干旱胁迫处理苎麻的抗氧化酶活性均升高，其中茎尖和叶片的SOD、POD的活性均显著高于对照，叶片的CAT活性也显著高于对照（P<0.05，图1）。

2.2 干旱胁迫对苎麻生理指标的影响

相对电导率可以反映细胞膜受损伤的程度；丙二醛含量与细胞膜的损伤程度成正比［6］；可溶性糖和脯氨酸是植株体内重要的渗透调节物质。由图2可知，对照叶片的相对电导率、丙二醛含量和可溶性糖含量均高于茎尖，叶片的脯氨酸含量低于茎尖；与对照相比，干旱胁迫处理的相对电导率、丙二醛含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量均显著增加（P<0.05），且叶片的相对电导率、丙二醛含量、可溶性糖含量和脯氨酸含量均显著高于茎尖（P<0.05）。

2.3 干旱胁迫对苎麻抗逆相关基因表达量的影响

由图3可知，对照抗逆基因表达量除BnP5CS1和BnWRKY1在叶片中的相对表达量低于茎尖外，其余6个抗逆基因在叶片的相对表达量均显著高于茎尖（P<0.05）；与对照相比，干旱胁迫处理除Bn-α-amylase外，其余7个抗逆基因的相对表达量均显著上升（P<0.05），其中BnP5CS1和BnWRKY1在叶片中的表达量提高了5.1倍和5.3倍，Bn-α-amylase在茎尖的表达量显著低于对照（P<0.05）；在干旱胁迫下，BnACO1在茎尖的相对表达量显著高于叶片（P<0.05），BnbZIP1在叶片中的相对表达量高于茎尖，但差异不显著，其余6个抗逆基因在叶片的表达量均显著高于茎尖（P<0.05）。

2.4 干旱胁迫对苎麻农艺性状的影响

由表2可知，对照苎麻株高显著高于干旱胁迫处理（P<0.05）；干旱胁迫处理的茎粗和皮厚分别比对照低0.13 cm和0.14 mm，差异均达显著水平（P<0.05）；干旱胁迫处理地上部鲜重比对照低52.05%，差异显著（P<0.05）；干旱胁迫处理单株原麻重比对照低39.53%，差异显著（P<0.05）。

3 讨论

叶片叶绿素SPAD可以反映植物叶片中叶绿素的相对含量。抗氧化酶活性与植物的抗逆能力密切相关［7］。在干旱胁迫下杂交苎麻的抗氧化酶SOD、POD和CAT的活性均显著提高［8］。马渊博［9］的研究表明，干旱胁迫降低了苎麻的生长速率，叶片叶绿素SPAD减少，根系过氧化物酶活性升高。本试验结果也表明，在干旱胁迫下苎麻叶片叶绿素SPAD显著降低，茎尖和叶片抗氧化酶活性有所升高，其中茎尖和叶片的SOD、POD活性均显著高于对照，叶片的CAT活性也显著高于对照，表明干旱胁迫下苎麻会提高植株的抗氧化酶活性，增强抵御活性氧对细胞伤害的能力。

植物在逆境胁迫下会产生大量的活性氧破坏细胞膜结构，丙二醛是膜脂过氧化作用的产物，相对电导率可以反映细胞膜受损伤的程度，通过测定丙二醛含量和相对电导率可以间接反映细胞膜的损伤程度［10］。研究表明，不同时期对纤用苎麻和饲用苎麻进行干旱胁迫，植株体内的可溶性糖和游离脯氨酸含量会显著增加［11］，从而缓解逆境对植物的危害［12］。本研究结果表明，干旱胁迫下苎麻茎尖和叶片相对电导率和丙二醛含量均显著高于对照，主要渗透调节物质可溶性糖和脯氨酸的含量均显著增加。

随着分子生物学技术的不断发展，植物抗逆机制的研究重点逐渐从生理水平转向分子水平，许多抗逆基因的功能逐渐被解析。本研究分析了8个抗逆相关基因在干旱胁迫下表达量的变化。P5CS（α1-pyrroline-5-carboxylate synthetase）即吡咯琳-5-羧酸合成酶是合成脯氨酸过程中的关键酶，研究表明，过表达P5CS基因能显著提高脯氨酸含量，从而提高植物的抗旱性［13，14］。WRKY基因受多种非生物胁迫的诱导表达，响应植物多种逆境胁迫，其抗旱功能已在多种作物中被验证［15，16］。ACC氧化酶（ACC oxidase，ACO）是乙烯合成途径中的关键酶，能催化ACC形成乙烯，ACO基因参与调控植物的多种逆境胁迫［17，18］。α-amylase是一种淀粉水解酶，α-amylase基因不仅参与植物糖代谢，还与植物抗逆功能相关［19］。抗坏血酸过氧化物酶（Ascorbate peroxidase，APX）是清除植物体内H2O2的关键酶，参与植物多种逆境胁迫的调控［20，21］。碱性亮氨酸拉链（Basic leucine zipper，bZIP）广泛参与植物体内多种生物学过程［22］。脱水应答元件结合因子（Dehydration responsive element binding protein，DREB）参与植物逆境胁迫的信号传递过程［23］。谷胱甘肽还原酶（Glutathione reductase，GR）作为一种抗氧化酶，可响应植物多种非生物胁迫，研究表明在非生物胁迫下植物体内GR活性显著提高［24］。本试验结果表明，干旱胁迫下除Bn-α-amylase外，其余7个抗逆基因的相对表达量均显著上升，其中BnP5CS1和BnWRKY1在叶片中的相对表达量分别提高了5.1倍和5.3倍，Bn-α-amylase在叶片中的相对表达量显著高于对照，表明这8个抗逆相关基因对干旱胁迫均有所响应，其中BnP5CS1和BnWRKY1响应较为强烈。

干旱胁迫会严重影响植株的生长发育和产量。杨瑞芳等［25］的研究表明，在干旱胁迫下，24种不同基因型的苎麻地上部鲜重、株高和根冠比均显著减小。本研究发现，与对照相比，干旱胁迫显著降低了苎麻的株高、茎粗、皮厚、地上部鲜重和单株原麻重。

干旱胁迫降低了苎麻叶片叶绿素含量，促进渗透调节物质可溶性糖和脯氨酸含量的积累，导致相对电导率和丙二醛含量的增加，增强了抗氧化物酶SOD、POD、CAT的活性，同时提高抗逆相关基因BnP5CS1、BnWRKY1、BnACO1、Bn-α-amylase、BnAPX1、BnbZIP1、BnDREB19和BnGR1的相对表达量，降低了株高、茎粗、皮厚、地上部鲜重和单株原麻重。本研究从生理生化、分子机制和农艺性状等方面分析苎麻响应干旱胁迫的机制，初步总结出干旱胁迫下苎麻生理指标、抗逆相关基因表达量和基本农艺性状的变化，为苎麻抗逆栽培、抗旱品种选育及抗逆分子机理研究提供理论依据。

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