不同基因型谷子叶片衰老及活性氧代谢研究

刘凤琴，冯强强，妙佳源，苏 旺，王 孟，董孔军，冯佰利

(1 西北农林科技大学 旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2 榆林市农业科学研究院，陕西 榆林 719000；3 甘肃省农业科学院作物研究所，甘肃 兰州 730070)

不同基因型谷子叶片衰老及活性氧代谢研究

刘凤琴1，冯强强1，妙佳源1，苏 旺1，王 孟2，董孔军3，冯佰利1

(1 西北农林科技大学 旱区作物逆境生物学国家重点实验室，陕西 杨凌 712100；2 榆林市农业科学研究院，陕西 榆林 719000；3 甘肃省农业科学院作物研究所，甘肃 兰州 730070)

谷子；叶片衰老；活性氧代谢

谷子(Setariaitalica(L.) Beauv) 是世界上古老农作物之一，它生长于中国、印度及北非和美洲的干旱半干旱地区，因其耐旱性而广泛种植[1]，是干旱半干旱地区的重要粮食作物。同时，谷子是C4植物，与柳枝稷、珍珠粟等生物燃料作物一样，耐受性极强，可作为一种替代物种参与未来生物燃料的研究[2]。因此，筛选抗旱谷子品种，探索谷子抗旱生理特性，对于提高谷子的产量和品质，实现产区农民增收具有重要的现实意义。

活性氧是植物细胞正常新陈代谢的产物，过度产生会钝化保护酶的活性，破坏细胞的稳定性[3]，对细胞组分、结构及新陈代谢造成氧化伤害[4]。作物在生长过程中，可通过多种途径产生活性氧，而为了保护自身免受伤害，作物细胞内也存在清除这些活性氧的多种途径[5-6]，其中超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，SOD)、过氧化物酶(Peroxidase，POD)、过氧化氢酶(Catalase，CAT)等是活性氧清除系统的重要保护性酶[7]。这些保护性酶能有效地阻止高浓度活性氧积累，防止膜脂过氧化，延缓植物衰老，使植物维持正常的生长和发育[4]。目前，关于谷子的研究多集中在谷子种质资源[8]、营养价值[9]、高产栽培模式[10]等方面，关于叶片衰老与活性氧代谢方面的研究则以小麦[11]、玉米[12]、水稻[13]等大宗作物居多。在植物衰老过程中，活性氧的积累对植物产生伤害的一个重要机制是直接或间接启动膜脂的过氧化作用，导致膜的损伤和破坏，引起膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)的增加，叶绿素的降解和光合酶活性下降，使植物光合能力下降，进而影响籽粒产量的形成。但目前有关不同基因型谷子在生长发育过程中叶片衰老以及活性氧代谢的研究尚未见报道。本研究以不同基因型谷子为材料，分析不同类型谷子开花期至成熟期叶片衰老过程中叶绿素含量，SOD、POD、CAT活性及MDA含量的变化，探讨谷子叶片衰老的生理机制，为谷子生产与栽培技术研究提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试谷子材料为大同32、太选1号和白谷9号，经甘肃省农业科学院敦煌试验站田间鉴定，参试品种抗旱指数分别为2.13，1.39和0.09，品种间抗旱性差异明显。

1.2 试验设计

试验于2013年在陕西省榆林市现代农业科技示范区进行。该示范区位于黄土高原北部半干旱易旱区(109.77° E，38.36° N)，海拔1 050 m，年平均降水量为420 mm，其中60%集中在7-9月，为中温带干旱半干旱大陆性季风气候。小区面积15 m2(2 m×7.5 m)，6行区，行距33.3 cm，种植密度30万株/hm2。05-08整地，05-09施入磷酸二胺300 kg/hm2，尿素150 kg/hm2，05-10开沟条播，6月上旬定苗。试验为单因素(品种)随机区组排列，设3次重复。田间管理按照国家谷子品种区域试验要求进行。

1.3 田间取样

自谷子开花期(08-09)起，选择生长基本一致且无病虫害的植株，挂牌标记，每隔7 d于上午10:00取样，剪下旗叶、倒二叶、倒三叶及时放入冰壶并带回实验室，置于-40 ℃超低温冰箱保存待测。

1.4 测定项目及方法

(1) 叶绿素含量。 采用丙酮浸提法[14]：用UV-2012分光光度计进行比色测定，按Inskeep法计算其含量。

(2) 可溶性蛋白含量。 采用考马斯亮蓝-250蛋白染色法[14]测定。

(4) SOD、CAT、POD活性。 分别取叶片0.500 g 剪碎，置于预冷研钵内，取8 mL预冷的提取介质(0.05 mol/L pH 7.8的Na2HPO4-NaH2PO4缓冲液)及少量石英砂，在冰浴中研磨，匀浆后于2 ℃、20 000×g冷冻离心30 min，上清液即为酶提取液。用此酶液并参照王爱国等[15]和刘道宏[16]的改进法测定SOD活性，用姜春明等[17]的方法测定POD和CAT活性。

(5) MDA含量的测定。 采用硫代巴比妥酸(TBA)法[12]测定。

(6) 产量及其构成因素。谷子成熟时随机取样20株进行考种，分别测定株高、穗长、穗码数、穗粗、穗粒数、千粒质量，按照小区实收计产。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2007和SAS V7.0统计软件进行试验数据处理和统计分析，用Duncan新复极差法进行样本间的多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同基因型谷子叶片叶绿素含量的变化

由表1可知，随着生育进程的推进，谷子叶片叶绿素含量逐渐增大，花后7 d(08-16)达最大值，之后随叶片衰老呈明显的下降趋势，不同叶位叶片叶绿素含量依次为旗叶>倒二叶>倒三叶，不同基因型品种差异显著，同一叶位叶绿素含量大小依次为大同32>太选1号>白谷9号。与干旱敏感品种白谷9号相比，抗旱品种大同32各功能叶片的叶绿素衰减过程较为缓慢。

注：同叶位同时期栏中不同小写字母表示差异在0.05水平上显著。表2～7同。

Note:Different small letters in each column for same leaf position indicate significant difference at 0.05 level.The same table 2-7.

2.2 不同基因型谷子叶片可溶性蛋白含量的变化

植株叶片可溶性蛋白含量的高低，不仅反映植株氮代谢水平，而且常被作为叶片衰老程度的重要指标[18]。由表2可知，谷子开花至成熟期叶片可溶性蛋白含量逐渐降低，不同叶位可溶性蛋白含量表现为旗叶>倒二叶>倒三叶，不同基因型谷子各叶位可溶性蛋白含量在开花初期差异不显著，随植株的衰老差异增大至显著水平，且相同叶位可溶性蛋白含量表现为大同32>太选1号>白谷9号。

2.4 不同基因型谷子叶片SOD、POD和CAT活性的变化

SOD、POD和CAT作为细胞内的重要保护酶，对防止超氧自由基对生物膜系统的氧化，以及细胞的抗氧化、衰老具有重要意义，其活性的高低标志着植物细胞自身抗衰老能力的强弱[20]。由表4～6可知，谷子开花至成熟阶段叶片SOD、POD和CAT活性均在花后7 d达到最大值，之后随叶片衰老呈下降趋势，表现为旗叶>倒二叶>倒三叶。不同基因型品种差异显著，同一叶位SOD、POD及CAT活性大小依次为大同32>太选1号>白谷9号。

2.5 不同基因型谷子叶片MDA含量的变化

表7表明，谷子开花至成熟阶段，随叶片衰老MDA积累量持续上升，且表现为倒三叶>倒二叶>旗叶，不同基因型品种之间有显著差异，同一测定时期各叶位MDA积累量表现为白谷9号>太选1号>大同32。

2.6 不同基因型谷子产量性状的比较

由表8可知，大同32株高较低，而谷子产量构成因素的穗长、穗码数、穗粗、穗粒数及千粒质量显著高于太选1号和白谷9号。3种不同基因型谷子产量差异显著(P<0.05)，表现为大同32>太选1号>白谷9号。

注：同列不同小写字母表示差异在0.05水平上显著。

Note:Different small letters in each column indicate significant difference at 0.05 level.

3 讨 论

叶绿素含量是影响光合作用的物质基础。在一定范围内，叶绿素含量与光合作用呈正相关关系，叶绿素含量越高，光合作用也就越强。在实际生长发育过程中，随着玉米[12]、糜子[21]、小豆[22]等生育期的推进，其叶绿素含量呈下降趋势，同时伴随着一系列生理生化的变化，如叶片内可溶性蛋白含量的降低、活性氧含量的增加、清除活性氧自由基的保护酶(POD、SOD、CAT)活性的降低以及丙二醛(MDA)积累量的增加。本研究结果表明，开花至成熟期谷子功能叶片的叶绿素含量呈现出先增后减的趋势，其中抗旱高产品种大同32叶片叶绿素含量降低速度最慢，衰老延缓。

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Leaf senescence and reactive oxygen metabolism of foxtail millet with different genotypes

LIU Feng-qin1,FENG Qiang-qiang1,MIAO Jia-yuan1,SU Wang1, WANG Meng2,DONG Kong-jun3,FENG Bai-li1

(1StateKeyLaboratoryofCropBiologyAdversityandAridRegions,NorthwestA&FUniversity,Yangling,Shaanxi712100,China;2YulinResearchInstituteofAgriculturalScience,Yulin,Shaanxi719000,China; 3GansuResearchInstituteofAgriculturalScience,Lanzhou,Gansu730070,China)

foxtail millet;leaf senescence;antioxidant metabolism

2014-04-24

国家自然科学基金项目(31371529)；国家谷子糜子产业技术体系项目(CARS-07-12.5-A9)；农业部公益性行业(农业)科研专项(200903007)；陕西省攻关项目

刘凤琴(1987-)，女，河南项城人，硕士，主要从事作物优质高产生态生理技术研究。E-mail:zkfengqin@gmail.com

冯佰利(1966-)，男，陕西耀县人，教授，博士生导师，主要从事作物高产生态生理技术及小杂粮栽培、育种研究。 E-mail:7012766@163.com

时间:2015-06-10 08:40

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.07.005

S515.01

A

1671-9387(2015)07-0095-06

网络出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150610.0840.005.html