干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦苗期光合能力与抗氧化系统的影响

毛浩田，陈梦莹，吴 楠，刘海悦，刘玉林，张怀渝，陈洋尔

(四川农业大学生命科学学院，四川雅安 625014)

小麦是世界上干旱半干旱地区的主要作物，而水是限制干旱和半干旱地区农业的重要因子[1]。干旱在小麦生长周期中极为常见，也是造成小麦减产的最具威胁性的逆境之一[2-3]。早期幼苗生长阶段是决定植物种群在干旱环境下进行正常生长发育的最为关键时期[4]。现代栽培的普通小麦(Triticumaestivum，AABBDD)是由栽培二粒小麦(Triticumdicoccum，AABB)和节节麦(Aegilopstauschii，DD)杂交而成的异源六倍体[5]，而八倍体小黑麦(AABBDDRR)是由普通小麦和黑麦(RR)杂交制得的人工种，结合了普通小麦的优质和黑麦良好的抗性等特点[6]。不同遗传背景下小麦光合能力和水分利用效率存在差异[7-8]。因此，研究苗期不同倍性小麦和八倍体小黑麦在干旱胁迫下的生理响应差异，有助于揭示倍性水平对小麦抗逆能力的影响，为指导小麦育种工作提供理论参考。

干旱胁迫下，不同基因型小麦在种子萌发、形态、生理、生化特性等方面表现出不同的适应机制[9-11]。 研究表明，水分胁迫下四倍体小麦光合参数下降最显著[12]。在水分亏缺下，不同倍性小麦灌浆期旗叶光合速率和水分利用效率显著下降[13]。干旱胁迫下，栽培二粒小麦和普通小麦单叶水分利用效率明显增加[14]。干旱胁迫导致小黑麦和春小麦的叶绿素荧光参数降低，其中小黑麦降幅低于春小麦，表现出了更强的抗旱能力[15]。吴 强等[16]研究发现，干旱胁迫下抗旱小麦体内活性氧含量明显低于干旱敏感型小麦，而SOD、CAT和POD三种抗氧化酶活性明显高于干旱敏感型小麦。综上所述，干旱胁迫可使小麦的光合作用受到抑制，降低产量[12-13]，并引起植物相关生理生化代谢的改变[16]，但不同基因型小麦应对干旱胁迫的能力存在明显差异。

目前，关于小麦在干旱胁迫下的生理响应已有较多研究[3，15-16]，但大多集中在普通小麦上。而干旱胁迫下不同倍性小麦的研究也多集中在水分利用效率与光合产量的差异上[12-14]。针对于苗期不同倍性小麦和八倍体小黑麦对干旱胁迫的响应报道较少。因此，本研究通过对干旱胁迫下不同倍性小麦和八倍体小黑麦光合能力与抗氧化系统进行比较，深入剖析了不同倍性小麦和八倍体小黑麦在干旱胁迫下的响应机制差异，以期阐明小麦进化过程中不同基因组和染色体倍数对小麦抗旱能力的影响，为指导优良作物育种栽培工作奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料与处理

试验选用栽培一粒小麦、栽培二粒小麦和普用小麦(品种川麦19)和八倍体小黑麦(自选品系ZX31)为材料(四川农业大学提供)。挑选饱满一致的种子，用1%的NaClO溶液表面消毒10 min，自来水冲洗数次后再用蒸馏水冲洗一次，之后将种子均匀放在铺有两层滤纸的培养皿中，室温下暗处萌发48 h。待其萌发后移植于石英砂中，置于人工气候室(光照250 μmol·m-2·s-1，光暗周期为16 h/8 h，温度为22 ± 1 ℃，相对湿度为70%)，用1/2 Hoagland培养液培养至三叶期。将生长一致的三叶期小麦及小黑麦幼苗从石英砂中拔出，用20%的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，分别处理0、1、3 d，胁迫处理依照Chen等[17]的方法进行，每个处理设置3个重复，每个重复20株，胁迫处理后取植株第二叶进行生理生化指标的测定。

1.2 测定方法

1.2.1 叶绿素含量和相对含水量测定

依照Porra等[18]的方法，取各处理的植物叶片0.5 g，用80%丙酮浸提，通过分光光度法测定叶绿素含量。根据Tambussi等[19]的方法，测各处理植物叶片鲜重(FW)、叶片干重(DW)、叶片饱水重(TW)后，按“相对含水量=(FW-DW)/(TW-DW)×100%”计算相对含水量。

1.2.2 丙二醛(MDA)含量、相对电导率和活性氧含量测定

1.2.3 可溶性糖含量、脯氨酸含量和抗氧化酶活性测定

依照李合生[24]的蒽酮比色法，用分光光度计测定OD620值，根据葡萄糖标准溶液的标准曲线计算样品中可溶性糖含量。依照朱广廉等[25]的方法，用分光光度计测定OD520值，并根据公式计算脯氨酸含量。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性依照Tan等[26]的方法测定，APX活性依照Nakano等[27]的方法测定。

1.2.4 气体交换参数和叶绿素荧光参数测定

采用GFS-3000便携式光合仪测定叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)。测定温度和光照采用GFS-3000的温度控制系统和人工光源，光照强度为1 500 μmol·m-2·s-1，CO2浓度为360 μmol·mol-1。将各处理的植株叶片暗适应30 min后，于暗室中使用Imaging PAM荧光成像系统测定小麦和小黑麦第二叶叶片的最大光化学效率(Fv/Fm)、光系统II的实际量子产量(ΦPSII)和非光化学淬灭(NPQ)。

1.3 数据处理

运用SPSS软件分析试验数据，采用Duncan多因素分析检查数据间差异的显著性，并用Microsoft Excel 2010软件完成数据处理与绘图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同倍性小麦及八倍体小黑麦相对含水量和渗透调节物质的影响

与对照(无干旱胁迫)相比，干旱胁迫1 d后，二倍体和四倍体小麦相对含水量分别降低了36.5%和17.0%，而六倍体小麦与八倍体小黑麦下降不显著；胁迫3 d后，二倍体、四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦相对含水量分别下降了74.5%、61.7%、55.5%、60.1%(图1)。这表明四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦相对于二倍体小麦具有较强的抗旱能力。

干旱胁迫下，不同倍性小麦和八倍体小黑麦的脯氨酸和可溶性糖含量增加程度显著不同(图1)。干旱胁迫1 d后，二倍体、四倍体、六倍体小麦以及八倍体小黑麦的脯氨酸含量分别增加了39.6%、96.0%、125.5%、126.9%，可溶性糖含量分别增加了178.4%、276.7%、189.3%、237.8%；胁迫3 d后，脯氨酸含量分别增加了158.9%、286.6%、334.6%、326.9%；可溶性糖含量分别增加了420.1%、910.5%、560.1%、754.4%。由此可见，四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦相对于二倍体小麦具有较强的渗透调节能力。

图柱上不同小写字母表示小麦和小黑麦在不同处理下存在显著差异(P<0.05)。Z16：一粒小麦；H89：二粒小麦；CN19：普通小麦；XZ31：小黑麦。图2～图7同。

Different small letters above the columns indicate significant differences among the treatments at 0.05 level. Z16:Triticummonococcum; H89:Triticumdicoccum; CN19:Triticumaestivum; XZ31:Triticale.The same in figure 2-7.

图1干旱胁迫对不同倍性小麦及八倍体小黑麦相对含水量、脯氨酸和可溶性糖含量的影响

Fig.1Effectsofdroughtstressonrelativewatercontent，proline，andsolublesugarcontent

inwheatwithdifferentploidylevelsandoctoploidTriticale

2.2 干旱胁迫对不同倍性小麦及八倍体小黑麦叶片光合特性的影响

2.2.1 干旱胁迫对叶绿素含量及叶绿素a/b的影响

与对照相比，干旱胁迫导致不同倍性小麦和八倍体小黑麦叶绿素总含量显著下降(图2)，而叶绿素a/b值随干旱胁迫时间的延长呈现不同程度的上升。干旱胁迫1 d后，二倍体、四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦叶绿素总含量分别下降了25.0%、11.0%、8.8%、10.2%；二倍体小麦叶绿素a/b值上升了16.4%，而四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦叶绿素a/b值无显著变化。干旱胁迫3 d后，二倍体、四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦叶绿素总含量分别下降了41.4%、30.7%、21.8%、23.0%；而叶绿素a/b值分别上升了17.2%、13.9%、25.4%、17.9%。这些结果表明，干旱胁迫加速了叶绿素的降解，且叶绿素b降解速度快于叶绿素a。

图2 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦叶绿素总含量及叶绿素a/b的影响Fig.2 Effects of drought stress on chlorophyll content and chlorophyll a/b in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

2.2.2 干旱胁迫对气体交换参数的影响

由图3可知，干旱胁迫导致不同倍性小麦和八倍体小黑麦的Pn、Tr、Gs不同程度下降以及Ci不同程度上升。与对照相比，干旱胁迫1 d后，二倍体、四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦的叶片Pn分别下降了55.8%、42.4%、35.3%、42.3%；Tr分别下降了55.8%、36.2%、42.3%、51.4%；Gs分别下降了49.6%、36.2%、42.3%、47.1%；而Ci分别上升了71.7%、53.0%、45.7%、48.4%。干旱胁迫3 d后，二倍体、四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦的叶片Pn分别下降了81.2%、72.1%、67.8%、70.2%；Tr分别下降了81.2%、67.8%、70.2%、75.8%；Gs分别下降了78.6%、67.8%、70.2%、73.7%；而Ci分别上升了294.2%、246.2%、226.1%、230.0%。以上结果表明，干旱胁迫下二倍体小麦光合速率降低最显著。

2.2.3 干旱胁迫对叶绿素荧光参数的影响

干旱胁迫导致不同倍性小麦和八倍体小黑麦的Fv/Fm和ΦPSII不同程度下降(图4)，其中二倍体小麦下降最显著。干旱胁迫1 d和3 d后，二倍体小麦的Fv/Fm分别下降了20.4%和42.0%；ΦPSII分别下降了37.5%和75.1%；而六倍体小麦下降程度较小，其Fv/Fm分别下降了8.6%和19.5%，ΦPSII分别下降了11.8%和62.9%。然而NPQ呈现相反的趋势。干旱胁迫下，不同倍性小麦和八倍体小黑麦NPQ不同程度上升。其中，二倍体小麦上升最显著，干旱胁迫1 d和3 d后，其NPQ分别上升了86.0%和193.7%；而六倍体小麦NPQ增加程度较小，分别上升了36.2%和100.6%。这表明二倍体小麦以热形式耗散的光能较多。

2.3 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦活性氧(ROS)水平的影响

图3 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦气体交换参数的影响Fig.3 Effects of drought stress on gas exchange parameters in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

图4 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦叶绿素荧光参数的影响Fig.4 Effects of drought stress on chlorophyll fluorescence parameters in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

2.4 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦MDA含量和相对电导率的影响

干旱胁迫后不同倍性小麦和八倍体小黑麦MDA含量和相对电导率不同程度增加，且干旱胁迫3 d比1 d后增加更显著(图6)。与对照相比，干旱胁迫后二倍体小麦MDA含量增加最明显，干旱胁迫1 d和3 d后分别增加了191.1%和410.8%，而六倍体小麦分别增加了176.4%和307.3%。干旱胁迫1 d和3 d后，二倍体小麦相对电导率分别增加了192.0%和417.0%，而六倍体小麦分别增加了50.1%和209.2%。这说明二倍体小麦在干旱胁迫下膜损伤程度较重。

图5 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦活性氧水平积累的影响Fig.5 Effects of drought stress on level of ROS in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

图6 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦MDA含量和相对电导率的影响Fig.6 Effects of drought stress on MDA content and electrolyte leakagein wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

2.5 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦抗氧化酶活性的影响

干旱胁迫后不同倍性小麦和八倍体小黑麦SOD、CAT、POD和APX活性呈现不同程度的变化(图7)。与对照相比，在干旱胁迫后，二倍体小麦的APX活性无明显变化，而四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦APX活性显著上升，其中六倍体小麦增加最明显，干旱胁迫1 d和3 d后分别增加了67.5%和106.0%。干旱胁迫1 d后，二倍体、四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦SOD、POD活性显著上升，而CAT活性呈下降趋势。其中二倍体小麦SOD、POD和CAT活性明显低于四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦。干旱胁迫3 d后，二倍体、四倍体、六倍体小麦和八倍体小黑麦SOD、POD、CAT活性较干旱胁迫1 d后显著下降，且CAT活性明显低于对照。

3 讨 论

前人研究表明，不同基因型小麦在水分亏缺条件下，其形态、生理生化特性均有所差异[9]。植物组织相对含水量可反映植物水分状况。大量研究表明叶片相对含水量可以较好地反映作物的抗旱性[28-29]。在逆境条件下，植物可通过渗透物质的积累维持水分平衡。脯氨酸和可溶性糖是两类重要的渗透调节物质[30]。许多研究表明，干旱胁迫下植物体内游离脯氨酸水平显著上升，且脯氨酸积累能力与物种抗旱性呈正相关[31-32]。在本研究中，干旱胁迫后，小麦和小黑麦叶片相对水含量显著下降，脯氨酸、可溶性糖等渗透调节物质显著上升，其中六倍体小麦脯氨酸和可溶性糖含量明显高于八倍体小黑麦、四倍体小麦和二倍体小麦，表明六倍体小麦具有较强的渗透调节能力，这也与前人的研究结果基本一致[33]。

图7 干旱胁迫对不同倍性小麦和八倍体小黑麦抗氧化酶的影响Fig.7 Effects of drought stress on the activities of antioxidant enzymes in wheat with different ploidy levels and octoploid Triticale

光合色素是植物进行光合作用的重要成分，环境胁迫可导致色素含量的降低[34]。在本研究中，干旱胁迫导致不同倍性小麦和八倍体小黑麦色素含量显著下降，且二倍体小麦下降最为迅速，这可能是引起二倍体小麦光合作用效率下降的原因之一[35]。逆境胁迫下植物光合作用效率的下降受气孔因素和非气孔因素的共同作用[36]。植物可通过关闭气孔，降低蒸腾速率来减少植株体内水分散失，从而应对干旱胁迫[14]。Gs下降会导致CO2进入叶片的阻力增加，Ci浓度降低，进而导致Pn降低。在本研究中，干旱胁迫导致不同倍性小麦和八倍体小黑麦Gs、Tr下降，而Ci上升，表明干旱条件下植物光合作用的降低是非气孔因素引起的[36]。水分缺失导致了植物光合结构的受损，CO2无法进入叶肉细胞并积累，Ci上升，进而导致了光合速率的降低。在本研究中，六倍体小麦在干旱胁迫后显示出更高的Pn，表明六倍体小麦具有更强抵抗干旱胁迫的能力，这也与前人的研究结果基本一致[33,37]。张林刚[38]的研究结果显示，干旱胁迫下含有不同染色体组的二倍体小麦叶片Pn的大小顺序为DD>BB>AA>RR，表明D染色体组可能含有控制高光合能力的基因。此外，叶绿素荧光参数是研究光合作用的有效探针。史磊等[12]研究表明，水分胁迫下不同倍性小麦Fv/Fm下降，NPQ上升，这也与本研究的结果一致。本研究结果显示，六倍体小麦Fv/Fm和ΦPSII下降幅度和NPQ增加幅度显著低于八倍体小黑麦、四倍体小麦和二倍体小麦，表明干旱胁迫下六倍体小麦将捕获的光能用于光合作用的能力较强。

综上所述，干旱胁迫抑制了小麦光合能力。不同倍性小麦和八倍体小黑麦可通过调节渗透物质含量、相对含水量、气孔导度等方式应对水分缺失，同时增强有关抗氧化酶活性，减少干旱造成的氧化损伤，其中六倍体小麦适应干旱的能力更强，这可能与小麦进化过程中染色体数目增加，进而导致遗传信息总量增加有关。有关于不同倍性小麦和小黑麦抗旱性机理有待从蛋白和基因水平来深入研究。