PEG模拟干旱胁迫对不同烤烟品种生理特性的影响

李晓青，荆月婷，冯全福，杨爱国，刘　旦，程立锐，陈　果，耿锐梅，任　民，王绍美*

（1.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.青岛农业大学，青岛 266109）

PEG模拟干旱胁迫对不同烤烟品种生理特性的影响

李晓青1，荆月婷2，冯全福1，杨爱国1，刘旦1，程立锐1，陈果1，耿锐梅1，任民1，王绍美1*

（1.中国农业科学院烟草研究所，青岛 266101；2.青岛农业大学，青岛 266109）

以抗旱性不同的烤烟品种中烟14和中烟100为材料，采用不同浓度的聚乙二醇（PEG-6000）模拟不同程度的干旱胁迫，研究不同干旱胁迫程度下不同品种烟叶内丙二醛和脯氨酸含量变化以及对烟叶内保护性酶活性的影响，探究烟草对干旱胁迫的响应机理，为烟草的抗旱筛选提供一定依据。研究结果表明，随着胁迫时间的延长，丙二醛呈现增加的趋势，且相同胁迫时间内，PEG浓度15%处理，叶片中丙二醛含量最高；脯氨酸含量随着胁迫时间的延长不断增加，在相同胁迫时间内，PEG浓度15%处理叶片中脯氨酸含量最高；随着胁迫时间的延长，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）均呈现先升高后降低的趋势，且在处理1 d时达到最大值，PEG浓度15%处理酶活性最高。通过检测数据证实中烟14的抗旱性较强，各项检测指标用于烟草抗旱性研究具有可靠性。

烤烟；PEG胁迫；丙二醛；脯氨酸；保护性酶

随着工业化的发展，人类活动对环境的干预，极端恶劣的天气时常发生，气候环境变化已成为阻碍农作物生产的重要限制因素，频发的干旱灾害对农作物生产的影响尤甚[1-2]。干旱胁迫对植物的影响在细胞水平表现为导致植物膜质过氧化，破坏细胞膜系统[3]。丙二醛（MDA）作为膜脂过氧化作用的中间产物，在一定程度上可以用来作为细胞膜受伤害程度的标志物[4-6]；同时，在干旱胁迫条件下，超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）等，会通过协调作用有效清除•O2-、•OH、H2O2等自由基，防御膜脂过氧化，这成为植物体对抗干旱胁迫生长环境的重要手段[7-11]。脯氨酸（Pro）作为植物体内主要的有机渗透调节物质，具有较强的水合能力；在受到干旱等逆境胁迫时，脯氨酸可以通过累积而提高细胞液的浓度，从而降低细胞原生质的渗透势，保持一定的压力势，促使细胞从外界吸收水分，防止细胞脱水，以适应水分胁迫环境[12-16]。

烟草作为一种主要的经济作物，在整个生育期内对水分的需求量高，而我国大部分烟区受地理位置和气候环境影响，处于水资源短缺状态，导致烟株因受水分胁迫无法正常生长，烟叶的产量和品质大幅下降[17-19]。水分胁迫已成为限制我国烟区烟叶产量和品质进一步提高的重要因素[20]。对烤烟抗旱性生理特征开展比较，筛选抗旱性强、可以在生产上推广的品种的研究结果已报导若干[21-22]。本研究选择在生产实践中已界定为抗旱性强、长势旺盛的丰产型烤烟品种中烟14[23]，及喜肥水、品质、抗性、产量、适应性等综合性状较能兼顾的烤烟品种中烟100[24-25]作为研究对象，通过PEG-6000模拟干旱胁迫条件，检测两个烤烟品种烟叶中MDA、脯氨酸含量和保护性酶活性的变化规律，揭示烟草对水分胁迫的生理响应规律，进一步验证这些检测指标在烟草抗旱性研究中应用的可靠性。

1　材料与方法

1.1供试材料

供试品种为栽培烤烟品种中烟14和中烟100，由中国烟草遗传育种研究（北方）中心提供种子。

1.2试验设计

将烟草种子播种于盘中，大十字期假植，长至5～8片真叶成苗，分别取长势均等的成苗期中烟14和中烟100烟苗各80棵，将根部清洗干净，并用蒸馏水清洗3次以上，每品种烟苗分成4组，每20棵一组，分别放在装有PEG-6000溶液浓度为0%（蒸馏水对照）、10%、15%、20%的1000 mL烧杯中，于6 h、12 h、1 d、2 d、3 d五个时间段取样。每个处理随机取叶片5 g左右，重复3次，用电子天平（0.0001）称重并记录重量，液氮速冻保存于-80℃冰箱中备用。每份样品分别测定MDA、Pro含量以及SOD、POD、CAT活性。

1.3指标测定方法

1.3.1丙二醛含量测定烟叶中MDA含量的测定，采用硫代巴比妥酸法[26-27]。

1.3.2脯氨酸含量测定烟叶中Pro含量的测定，

采用酸性茚三酮法[26]。

1.3.3保护性酶活性的测定SOD活性的测定采用NBT还原法，以每单位时间内光化还原50% NBT为1个酶活性单位[26]；POD活性的测定采用愈创木酚法[26]；CAT活性的测定采用紫外吸收法[26]。

1.3.4数据处理数据采用excel 2007作图，SPSS 8.0软件进行处理方差分析，检验数据差异显著性。

2　结果

2.1PEG-6000胁迫对不同烟草品种丙二醛含量的影响

由图1、2可知，随着胁迫时间延长，对照处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶中MDA含量逐渐减少，变幅较小，趋于稳定；同一PEG浓度处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶中MDA含量都不断增加，但中烟100比中烟14烟苗烟叶中MDA含量变幅较大。

在4个PEG浓度处理中，6 h时，对照处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶中的MDA含量最高；而PEG浓度10%处理的烟苗烟叶中MDA含量最低。从6 h到1 d，PEG浓度10%、15%、20%处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶内MDA含量增加与处理浓度间具有相关性。从1 d到2 d，PEG浓度15%处理超过PEG浓度20%处理烟苗烟叶中MDA的含量，曲线产生交叉，交叉点出现的时间中烟14比中烟100早。从2 d到3 d，PEG浓度10%、15%、20%处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶中MDA的含量都急剧增加，PEG浓度15%处理的曲线增幅更显著。

图1　PEG-6000胁迫对中烟14丙二醛含量的影响Fig.1　Effects of PEG-6000 stress on the content of MDA in Zhongyan14

图2　PEG-6000胁迫对中烟100丙二醛含量的影响Fig.2　Effects of PEG-6000 stress on the content of MDA in Zhongyan100

2.2PEG-6000胁迫对不同烟草品种脯氨酸含量的影响

由图3、4可知，随着胁迫时间延长，对照处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶中脯氨酸的含量逐渐增加，但变幅较小，且始终低于其他浓度处理。在不同浓度PEG处理下，中烟14和中烟100烟苗烟叶中脯氨酸的含量具有相似的变化趋势，含量逐渐升高，但前者比后者积累量相对多，且含量变化相对平稳，后者含量变化相对较大。

在4个PEG浓度处理中，从6 h到12 h，PEG浓度15%、20%处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶中脯氨酸含量稍有下降，变幅极小，而PEG浓度10%处理的中烟14烟苗烟叶中的脯氨酸含量明显上升，中烟100烟苗烟叶中的脯氨酸含量稍有下降，但变幅极小；从12 h到1 d，各浓度处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶中脯氨酸含量增幅较大；从1 d 到3 d，脯氨酸含量趋于稳定。PEG浓度15%处理的中烟14和中烟100烟苗烟叶中脯氨酸含量基本一直处于最高。

图3　PEG-6000胁迫对中烟14脯氨酸含量的影响Fig.3　Effects of PEG-6000 stress on the content of proline in Zhongyan 14

图4　PEG-6000胁迫对中烟100脯氨酸含量的影响Fig.4　Effects of PEG-6000 stress on the content of proline in Zhongyan 100

2.3PEG-6000胁迫对不同烟草品种保护性酶活性的影响

2.3.1PEG-6000胁迫对不同烟草品种SOD活性影响由表1、2可知，随着胁迫时间延长，不同PEG浓度处理下，中烟14和中烟100烟苗烟叶中SOD活性均呈现先升高后降低的趋势。

在4个PEG浓度处理中，中烟14和中烟100烟苗烟叶中SOD的活性：胁迫6 h，对照处理最低，PEG浓度15%处理与对照处理差异最大，分别为对照处理的3.09倍和2.47倍；胁迫12 h，PEG浓度10%、15%、20%处理均与对照处理具有极显著差异（P<0.01）；胁迫1d时，SOD活性均达到最大值，且PEG浓度15%处理仍与对照处理间差异最大分别为对照处理的1.28和1.61倍；胁迫从1 d到3 d，各处理的SOD活性持续降低，先后低于对照处理，PEG浓度15%处理降幅最大，胁迫2 d时，与对照组相比分别降低64.11%和52.04%，差异极显著（P<0.01）。

表1　PEG-6000胁迫对中烟14 SOD活性影响Table 1　Effects of drought stress simulated by PEG-6000 on SOD activities in Zhongyan 14

表2　PEG-6000胁迫对中烟100 SOD活性影响Table 2　Effects of drought stress simulated by PEG-6000 on SOD activities in Zhongyan 100

2.3.2PEG-6000胁迫对不同烟草品种POD活性影响由表3、4可知，随着胁迫时间延长，不同PEG浓度处理下，中烟14和中烟100烟苗烟叶中POD活性均呈现先升高后下降的趋势。

在4个PEG浓度处理中，中烟14和中烟100烟苗烟叶中POD的活性：胁迫6 h，PEG浓度10%处理高于对照处理，其他处理低于对照处理；胁迫从6 h到1 d，4个浓度处理的POD活性逐渐升高，到12 h，PEG浓度10%、15%、20%处理已经高于对照处理，并与对照处理具有极显著差异（P<0.01）；胁迫1 d，4个浓度处理的POD活性均达到最大值，PEG浓度15%处理的POD活性最高，与对照差异最大，分别为对照处理的2.07和2.20倍；胁迫时间从1 d到3 d，4个浓度处理的POD活性逐渐降低，胁迫达到3 d时，各PEG浓度处理的POD活性均低于对照，PEG浓度15%处理的POD活性最低，分别比对照降低62.04%和49.03%，呈极显著差异（P<0.01）。

表3　PEG-6000胁迫对中烟14 POD活性影响Table 3　Effects of drought stress simulated by PEG-6000 on POD activities in Zhongyan 14

表4　PEG-6000胁迫对中烟100 POD活性影响Table 4　Effects of drought stress simulated by PEG-6000 on POD activities in Zhongyan 100

2.3.3PEG-6000胁迫对不同烟草品种CAT活性影响由表5、6可知，随着胁迫时间延长，不同PEG浓度处理下，中烟14和中烟100烟苗烟叶中CAT活性均呈现先升高后下降的趋势。

在4个PEG浓度处理中，中烟14和中烟100烟苗烟叶中CAT的活性变化为：胁迫6 h，PEG浓度15%、20%处理的CAT活性高于对照处理和PEG浓度10%处理，同时PEG浓度15%处理的CAT活性最高，分别相当于对照处理的1.98倍和1.71倍；从6 h到1 d，4个浓度处理的CAT活性总体呈上升趋势，到1 d达到最高点，此时PEG浓度15%处理的烟叶中CAT活性仍比其他浓度处理高，且与对照处理差异最大，为对照处理的2.68和3.46倍；从1 d到3 d，CAT活性开始逐渐降低，PEG浓度15%处理的CAT活性急剧下降，2 d时已经低于其他各处理，并保持最低，至胁迫3 d，PEG浓度15%处理的CAT活性比对照处理降低79.61%和56.38%，差异极显著（P<0.01）。

3　讨论

3.1PEG-6000胁迫对不同烟草品种丙二醛和脯氨酸含量的影响

干旱胁迫使植物体内活性氧自由基累积，导致膜脂过氧化作用，其中间产物MDA可作为膜脂过氧化程度的指标物[28]。Guy[29]研究指出：在正常情况下，植物体内氧自由基的产生和清除存在动态平衡，干旱胁迫造成植物体内的氧化胁迫，通过对膜系统的损伤而伤害植物。本研究发现，随着从6 h 到1 d延长，PEG浓度10%、15%、20%处理中烟14和中烟100烟苗叶片中的MDA含量从低于对照处理转为超过并高于对照处理，说明胁迫过程中出现了细胞膜的膜脂过氧化，细胞膜受到伤害，MDA产生量逐渐增加。随着胁迫时间延长，同一PEG浓度处理，中烟14比中烟100烟苗烟叶内MDA含量少，且MDA含量变化相对较稳定。这表明中烟14的细胞膜过氧化程度比较小，受伤害的程度较轻，中烟100烟叶内MDA迅速积累，其所受伤害比较大，耐干旱胁迫能力较差。这在一定程度上用试验数据证明了生产实践的结论，中烟14抗旱性强，中烟100喜肥水。

表5　PEG-6000对中烟14 CAT活性影响Table 5　Effects of drought stress simulated by PEG-6000 on CAT activities in Zhongyan 14

表6　PEG-6000对中烟100 CAT活性影响Table 6　Effects of drought stress simulated by PEG-6000 on CAT activities in Zhongyan 100

在一定程度上，植物体内脯氨酸含量可以反映植物的抗逆性，抗旱性强的品种脯氨酸积累较多[30]，脯氨酸含量测定用作抗旱育种的生理指标。研究结果显示，PEG浓度10%、15%、20%处理时，中烟14比中烟100烟苗烟叶内脯氨酸含量积累多，且前者含量稳定上升，后者含量变幅大，同时间和同一PEG浓度处理的烟叶内脯氨酸含量低于中烟14，因此中烟100的抗旱性差于中烟14。

当PEG浓度15%时，随胁迫时间延长，MDA和脯氨酸含量持续上升，超过其他PEG浓度处理，说明PEG浓度15%对烟苗的胁迫更加严重。

3.2PEG-6000胁迫对不同烟草品种保护性酶活性的影响

有关研究表明，在受到干旱胁迫时，抗旱性较强品种细胞内SOD、POD、CAT活性维持较高水平，但随时间延长、活性氧自由基的不断积累以及MDA含量的积累对细胞的损伤，导致酶活性下降，但抗旱性品种酶活性下降速度明显低于不抗旱性品种[31-32]。SOD作为植物体内抗氧化的第一道防线[33]，其活性常用作检测植物抗逆能力的一个指标。覃鹏等[34]研究表明，抗旱性较强品系的SOD活性表现为先升高后降低的趋势，其他品系在处理期间SOD活性一直处于上升趋势，可能为了适应干旱胁迫，更快地清除体内活性氧。当作物受到干旱胁迫时，POD可以有效的帮助清除植物体内积累的H2O2。CAT同POD作用相似，与SOD共同组成细胞的防御系统[35-36]。

同一PEG浓度胁迫处理下，在同一时间，中烟14比中烟100烟苗烟叶中的SOD、POD、CAT活性都高，当细胞达到对活性氧的清除阈值（1 d）时，保护性酶的活性开始降低，中烟14的降低速度低于中烟100，说明中烟100的抗旱性比较差。这与前人对糜子幼苗[37]、甘草[31]、狗牙根[38]、小麦[39]的研究结果相似。

不同浓度PEG胁迫中烟14和中烟100烟苗时，SOD、POD和CAT活性呈现基本一致的先升高后降低趋势，与袁有波[40]的研究结果相似。短时间（1 d）内SOD、POD和CAT活性均迅速升高，这有利于消除因干旱胁迫烟苗烟叶中产生的活性氧自由基，共同抵御逆境，降低膜脂过氧化作用，减少膜相对透性；随着胁迫时间延长，细胞内产生的活性氧自由基的增加，破坏和消除了活性氧清除酶的结构和活性，导致SOD、POD和CAT活性降低，脂质过氧化作用加强，导致膜透性增大，与孙彩霞等[41]的研究结果相似。当PEG浓度15%时，随胁迫时间的延长，3种保护性酶都呈现出急剧升高，急剧降低变幅剧烈的现象，说明PEG浓度15%对烟苗的胁迫更加严重，造成保护防御系统破坏，保护性酶下降[42]。

4　结论

本研究通过PEG模拟干旱胁迫测定烟叶中MDA、脯氨酸的含量和保护性酶活性，比较分析检测指标变化规律。结果表明，中烟14的抗性强于中烟100。研究同时揭示了烟草对水分胁迫的生理响应规律，并进一步验证了这些检测指标在烟草抗旱性研究中应用的可靠性。

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Effects of Drought Stress Simulated by PEG on Physiological Characteristics in Different Flue-cured Tobacco Cultivars

LI Xiaoqing1,JING Yueting2,FENG Quanfu1,YANGAiguo1,LIU Dan1,CHENG Lirui1, CHEN Guo1,GENG Ruimei1,REN Min1,WANG Shaomei1*
(1.Tobacco Research Institute,ChineseAcademy ofAgricultural Sciences,Qingdao,266101 China;2.QingdaoAgriculture University,Qingdao 266109,China)

in order to explore the mechanism of tobacco response to drought stress and to provide a basis for drought resistance screening in tobacco,an experiment was carried out to study the changes of MDA and proline contents and protective enzyme activities in leaves of flue-cured tobacco varieties Zhongyan 100 and Zhongyan under different PEG-6000 concentrations.The results showed that,MDA showed on a trend of increase with the time of stress treatment and at the same treating time,MDA content was the highest under the 15%concentration of PEG.Proline increased with the time of treatment and at the same treating time,proline content was the highest under the 15%concentration of PEG.The activities of superoxide dismutase(SOD),peroxdase(POD)and catalase(CAT)increased firstly and decreased subsequently with stress time,reaching the maximum activities after 1 day,with the highest activities under the 15%concentration of PEG.Zhongyan 14 was confirmed to have higher drought resistance,suggesting that the detection indexes in this study can be used in drought resistance evaluation of tobacco.

flue-cured tobacco;PEG stress;MDA;proline;protective enzymes

S4572.01

1007-5119（2016）03-0015-07

10.13496/j.issn.1007-5119.2016.03.003

中央级公益性科研院所基本科研业务费专项“干旱胁迫下烟草蛋白质组分的差异分析研究”（0032010037）；国家烟草专卖局创新平台项目“靶向蛋白反向基因克隆与基于iTRAQ技术的烟草定量蛋白质组学研究”（023201302）；国家烟草专卖局烟草基因组计划重大专项“烟草重要性状基因发掘及功能标记开发”[110201301008（JY-08）]

李晓青（1988-），女，硕士，主要从事烟草遗传机理研究。E-mail：lxq82365393@163.com。*通信作者，E-mail：wangshaomei@caas.cn

2015-11-23

2016-05-06