外源亚精胺对干旱胁迫下甜高粱幼苗生长及生理生化指标的影响

邹芳， 杨秀柳， 黄思麒， 王志恒， 魏玉清

(北方民族大学生物科学与工程学院，银川 750021)

土壤干旱是农业发展的重要限制因子，严重威胁着作物产量和农村经济发展[1-2]。据统计，全球45%的耕地受到干旱缺水威胁，而且随着全球工业化加快和不合理的耕作方式，受威胁的耕地面积在逐年增大[3]。我国是世界上人均淡水储量较少的国家之一，旱地面积占到全国总土地面积的52.5%，干旱缺水是长期限制我国农业发展重要因素之一[4]。甜高粱 [Sorghumbicolor(L.) Moench]属禾本科高粱属一年生草本植物，具有适应性广、生长速度快、生物产量高等特点，可作为饲料、能源和糖料用原料。在干旱、半干旱地区的大力发展甜高粱种植，对于调整农村产业结构，增加农民收入具有重要的意义[5]。

亚精胺(spermidine，Spd)又称精脒，是一种具有强生物活性的低分子脂肪族含氮碱，分子式为H2N(CH2)3NH(CH2)4NH2，是多胺的一种。多胺常见于生物体细胞内，主要包括腐胺、精胺和Spd[6]。多胺能参与植物多种基本生理过程，因其在非生物胁迫下清除自由基、渗透调节及阴阳离子平衡中发挥重要作用而与提高植物抗逆性密切相关[7]。Spd作为多胺的一种，多以质子化形式存在，能直接参与生物体的许多生理活动，与生物体的生长发育密切相关[8]。Spd能够保护非生物胁迫条件下植物光合器官结构和功能的完整性，来保持较高的光合效率[9-10]。Zhang等[11]研究表明，施用外源Spd 可有效减缓干旱胁迫下番茄叶片气孔的关闭，提高植株的光合能力，同时减少干旱胁迫下幼苗体内活性氧的产生和提高植株体抗氧化能力，从而缓解干旱胁迫对番茄幼苗的伤害作用；李丽杰等[12]研究表明，外源Spd能促进玉米幼苗对光能的捕获与转换，增强光合作用，能够通过减少玉米幼苗体内活性氧的产生，增加渗透调节物质的积累以稳定细胞膜系统，提高根系活力，从而增强玉米幼苗对干旱逆境的适应性。关于外源Spd对干旱胁迫下苗期甜高梁生长及生理生化影响的研究未见报道。

本研究以甜高粱杂交品种辽甜1号幼苗为试验材料，采用含有15%的PEG-6000的营养液模拟干旱胁迫条件，研究了不同浓度Spd喷施干旱胁迫下甜高粱幼苗，测定了幼苗生长过程中叶绿素含量、光合参数、渗透调节物质和丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量及抗氧化酶活性，研究了外源Spd对干旱胁迫下甜高梁幼苗生理生化和生长的影响，探讨了外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗缓解效应，以期为提高甜高粱耐旱性机理提供理论依据，促进干旱、半干旱地区甜高粱的产业化发展。

1 材料与方法

1.1 试验材料

甜高粱品种为辽甜1号，由辽宁省农业科学院创新中心提供。

1.2 试验方法

试验在北方民族大学植物生理生态实验室进行，采用盆栽试验方法。选取大小均匀、健康饱满的种子，用蒸馏水反复冲洗后用10%次氯酸钠消毒15 min，常温下用灭菌水冲洗后，摆放在铺有2层滤纸的培养皿中，置于27 ℃恒温生化培养箱内催芽24 h。将催芽后的种子移至装有等量石英砂(直径约为0.3 cm)的塑料花盆中，每盆9粒种子，后置于28 ℃、光照周期为12 h光照/12 h黑暗的光照培养箱内进行光照培养，培养过程中每周更换1次Hoagland营养液。待苗高为3叶1心时，每盆定苗6株，进行试验。试验设5个处理：①对照组(CK)，正常施加营养液，喷施蒸馏水；②干旱处理(D)，浓度为15%的PEG-6000的营养液，喷施蒸馏水；③T1处理，浓度为15%的PEG-6000的营养液，喷施0.6 mmol·L-1的Spd；④T2处理，浓度为15%的PEG-6000的营养液，喷施1.2 mmol·L-1的Spd；⑤T3处理，浓度为15%的PEG-6000的营养液，喷施1.8 mmol·L-1的Spd。从干旱胁迫当天开始，每天8:00和18:00，叶片表面均匀喷施蒸馏水或Spd溶液，以叶片表面产生水膜为止。每个处理重复3次。分别在处理的第7 d、第15 d采样，测定叶片的光合参数、抗氧化物酶活性及可溶性蛋白、可溶性糖、脯氨酸(proline，Pro)、丙二醛(malondialdehyde，MDA)、叶绿素含量；第15 d测定生长指标。

1.3 测定项目及方法

1.3.1幼苗生理生化指标测定 可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250法[13]；可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法[14]；Pro与MDA含量测定采用南京建成生物工程研究所的测试盒；超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性测定采用氮蓝四唑光还原法[15]；过氧化物酶(peroxidase，POD)活性测定采用愈创木酚显色法[13]；过氧化氢酶(patalase，CAT)活性测定采用紫外吸收比色法[16]；抗坏血酸过氧化物酶(ascorbate peroxidase，APX)活性测定参考孙云[17]的方法。

叶绿素测定采用混合液提取法[18]。光合参数及响应曲线的测定，选择生长健康、完全展开的甜高粱幼苗叶片，于09:00—11:00采用LI-6400XT便携式光合作用测定系统(美国LI-COR公司)进行测定，每处理取3次重复。在控制条件下测定光合参数：净光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、气孔导度(stomatal conductance，Gs)、胞间CO2浓度(intercellular CO2concentration，Ci)、蒸腾速率(transpiration rate，Tr)，设定光强为1 000 μmol·m-2·s-1，固定红蓝光源，Flow为500 μmol·s-1，CO2R为400 μmol·mol-1，Temp为25 ℃，等待数据稳定后开始记录数据。

1.3.2幼苗生长指标的测定 将甜高粱幼苗从花盆中移除，选取各处理幼苗6株，用直尺量取幼苗长度即株高(cm)；用蒸馏水将幼苗冲洗多次，再用吸水纸吸干其表面水分，电子天平称取鲜重(g)；测干重前先105 ℃烘2 h杀青，后80 ℃烘24 h至恒重，进行称重；叶面积测量方法参考赵文赛等[19]的方法。

1.4 数据处理

采用 Microsoft Excel 2003和GraphPad Prism 5.0进行数据处理和统计分析。

2 结果与分析

2.1 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗生长的影响

由表1可知，干旱胁迫显著抑制了甜高粱幼苗的生长(P<0.05)。与CK相比，D处理下幼苗株高、鲜重、干重、叶面积分别下降38.07%、61.74%、57.77%、35.31%。D处理下，外源喷施一定浓度的Spd能够促进甜高粱幼苗的生长，总体呈现先升后降趋势。喷施1.2 mmol·L-1的Spd时，幼苗株高、鲜重、干重、叶面积的促进作用最强，与D处理相比，分别增加31.62%、58.29%、49.53%、30.96%。结果表明，PEG-6000处理对甜高粱幼苗产生胁迫效应，而外源Spd可以缓解这种胁迫，尤其是1.2 mmol·L-1的Spd处理对干旱胁迫的缓解效果更明显。

表1 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗生长的影响Table 1 Effect of exogenous Spd on the growth of sweet sorghum seedlings under drought stress

2.2 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗叶绿素含量和光合参数的影响

2.2.1对甜高粱幼苗叶绿素含量的影响 由图1可知，干旱胁迫下甜高粱幼苗叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量均显著低于CK处理(P<0.05)。D处理7 d后，甜高粱幼苗叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量较CK处理分别下降了43.07%、50.38%、39.42%；处理15 d后，较CK处理分别下降了55.07%、68.39%、47.12%。干旱胁迫下，甜高粱幼苗叶绿素a/b均高于CK处理，处理7 d后，较CK处理升高15.15%；处理15 d后，较CK处理升高41.45%，说明干旱胁迫能够抑制甜高粱幼苗光合色素的积累。D处理下喷施不同浓度Spd时，叶绿素a、叶绿素b及叶绿素a+b含量随Spd浓度的增加呈先升后降的趋势。T2处理对干旱胁迫下甜高粱幼苗的缓解作用最强，与D处理相比，T2处理7 d后，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量分别提高了37.50%、53.96%、31.66%，叶绿素a/b降低了10.03%；处理15 d后，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b含量分别提高了80.04%、154.84%、65.36%，叶绿素a/b降低了28.53%。这说明，喷施Spd可以显著的缓解干旱胁迫下甜高粱幼苗光合色素的合成或降解受阻，从而有效地改善甜高粱幼苗的光合作用。

注：相同处理时间下不同字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different letters under same treatment time indicate significant difference at P<0.05 level.图1 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗叶绿素含量的影响Fig.1 Effect of exogenous Spd on chlorophyll content of sweet sorghum seedlings under drought stress

2.2.2对甜高粱幼苗光合参数的影响 由图2可知，干旱胁迫显著抑制甜高粱幼苗光合参数(P<0.05)。D处理7 d后，甜高粱幼苗Pn、Gs、Tr较CK分别降低了49.19%、44.98%、46.95%，Ci升高74.31%；D处理15 d，甜高粱叶片Pn、Gs、Tr较CK分别降低67.39%、66.67%、67.58%，Ci升高125.35%。D处理下喷施不同浓度Spd时，Pn、Gs、Tr随Spd浓度的增加呈先升后降的趋势，而Ci则呈现先降后升的趋势。T2处理对干旱胁迫下甜高粱幼苗光合参数的缓解作用最强，与D处理相比，T2处理7 d后，Pn、Gs、Tr分别提高了58.15%、52.26%、63.48%，Ci降低了36.21%；T2处理15 d后，Pn、Gs、Tr分别提高了135.40%、138.60%、158.54%，Ci降低了30.47%。由此可见，干旱胁迫抑制了甜高粱幼苗的光合作用，喷施Spd可以有效缓解干旱胁迫对甜高粱幼苗光合作用的抑制，其中，T2处理效果较好。

注：相同处理时间下不同字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different letters under same treatment times indicate significant difference at P<0.05 level.图2 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗光合参数的影响Fig.2 Effect of exogenous Spd on photosynthetic parameter of sweet sorghum seedlings under drought stress

2.3 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗渗透调节物质和MDA含量的影响

渗透调节物质在植物体内的含量在一定程度上反映植物的抗逆性。由图3可知，干旱胁迫显著提高了甜高粱幼苗渗透调节物质含量(P<0.05)。D处理7 d后，甜高粱幼苗可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量较CK分别升高37.97%、60.87%、78.86%；D处理15 d后，可溶性蛋白含量降低42.95%，可溶性糖、Pro含量分别升高38.09%、59.57%。D处理下喷施不同浓度Spd时，可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量随Spd浓度的增加而呈先上升后下降的趋势，均在T2处理时达到最大。与D处理相比，T2处理7 d后，可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量分别提高了18.57%、57.39%和48.28%；T2处理15 d后，可溶性蛋白、可溶性糖、Pro含量分别提高了123.91%、53.69%和71.16%。逆境胁迫会导致植物叶片活性氧的积累及膜脂过氧化程度加剧，植株叶片细胞内MDA含量可以反映其细胞氧化损伤程度的高低。由图3可知，干旱胁迫显著提高了甜高粱幼苗叶片MDA含量(P<0.05)。D处理7 d、15 d后，甜高粱叶片MDA含量较CK分别升高146.97%、260.80%。D处理下喷施不同浓度Spd时，MDA含量随Spd浓度的增加而呈先下降后上升的趋势，其中T2处理下MDA的含量最低。T2处理7 d、15 d后，甜高粱叶片MDA含量较D处理分别降低47.00%、53.17%。

注：相同处理时间下不同字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different letters under same treatment time indicate significant difference at P<0.05 level.图3 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗渗透调节物质和丙二醛含量的影响Fig.3 Effect of exogenous Spd on osmotic adjustment substance and MDA content of sweet sorghum seedlings under drought stress

2.4 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗抗氧化物酶活性的影响

SOD、POD、CAT和APX是与植物抗逆相关的抗氧化关键酶，植物通过调节这些抗氧化关键酶活性，保持活性氧代谢平衡，以减缓细胞内活性氧自由基积累和膜脂过氧化伤害。由图4可知，与CK相比，D处理7 d后，甜高粱叶片SOD、POD和APX活性分别升高了82.33%、17.73%、43.97%，CAT活性降低了42.48%；D处理15 d后，甜高粱叶片SOD、POD和APX活性分别升高了86.29%、17.49%、88.38%，CAT活性降低了46.97%。D处理下喷施不同浓度Spd时，SOD、POD、CAT和APX活性随Spd浓度的增加而呈先上升后下降的趋势，在T2处理下，SOD、POD、CAT和APX活性达到最高。T2处理7 d后，SOD、POD、CAT、APX活性分别是D处理的56.59%、62.73%、60.33%、39.31%；T2处理15 d后，SOD、POD、CAT、APX活性分别是D处理的39.69%、155.32%、74.61%、70.23%。结果表明，干旱胁迫下外源喷施Spd可以提高甜高粱幼苗叶片的抗氧化物酶活性，从而清除活性氧减轻细胞损害。

注：相同处理时间下不同字母表示差异在P<0.05水平具有统计学意义。Note: Different letters under same treatment time indicate significant difference at P<0.05 level.图4 外源Spd对干旱胁迫下甜高粱幼苗抗氧化物酶活性的影响Fig.4 Effect of exogenous Spd on antioxidant enzyme activity of sweet sorghum seedlings under drought stress

3 讨论

植物在逆境条件下生长变化是其最明显的适应特征之一，反映了逆境胁迫对植物伤害的大小[12]。在本研究中，在干旱胁迫下甜高粱幼苗的株高、鲜重、干重、叶面积均显著下降，说明缺水使甜高粱幼苗的生长受到抑制，而外源Spd则可以缓解干旱胁迫的抑制作用。其中，1.2 mmol·L-1的Spd的缓解效应最显著，与干旱胁迫处理相比，幼苗株高、鲜重、干重、叶面积分别提高了31.62%、58.29%、49.53%、30.96%。当Spd浓度为1.8 mmol·L-1时，缓解效应下降。李丽杰等[12]在玉米、吴旭红等[20]在燕麦中得到过相似的结果，证明了特定浓度(1.2 mmol·L-1)的外源Spd有利于缓解植物的干旱胁迫。

光合作用是植物对胁迫最为敏感的生理过程之一，非生物胁迫下的光合作用往往会受到不同程度的抑制[21]，叶绿素含量的高低能够反映植物光合作用的强弱[22]。本研究结果显示，干旱胁迫下甜高粱幼苗叶绿素a、叶绿素b及叶绿素a+b含量均显著下降，而外源施用Spd则可以提高干旱胁迫下甜高粱幼苗的叶绿素含量。有研究表明，若Gs减少，Ci增加或没有变化，则Pn的减少主要是由于非气孔因素，若Gs和Ci均减少，则Pn的减少主要是由于非气孔因素叶片气孔的限制[23]。本研究中，干旱胁迫下甜高粱幼苗的Pn、Gs、Tr显著降低，Ci显著升高，这可能是由于干旱胁迫使水势升高，从而导致植物吸水困难，植物体内的水分平衡被打破，使甜高粱幼苗叶片的气孔开度降低，减少幼苗体内水分的散失。喷施1.2 mmol·L-1Spd 15 d后的甜高粱幼苗Pn、Gs、Tr分别提高了135.40%、138.60%、158.54%。这可能是由于施用外源Spd能够提高甜高粱幼苗体内渗透调节物质的含量，从而使植物水势升高，增强植株对水分吸收和利用的能力，这样有利于改善气孔开度的变化，从而减轻由于气孔限制导致的光合效率下降[12]。Zhou等[24]研究表明，外源Spd可以通过调节与叶绿素合成或分解相关酶活性来维持高温胁迫下黄瓜叶片的叶绿素含量；李丽杰等[12]研究表明，Spd能够保护叶绿体、调控光合色素的降解，从而保护光系统的结构与功能，进而提高玉米的光合效率，增强玉米抗性。本研究结果显示，外源Spd能够提高干旱胁迫下甜高粱幼苗的叶绿素含量，从而提高光合效率，这与王显瑞等[25]在谷子上的研究结果一致。

非生物胁迫下，SOD、POD、CAT和APX等植物细胞内清除活性氧的主要保护酶系统防御能力的变化取决于这几种酶的彼此协调的综合结果[26]。逆境下植物体内可溶性蛋白、可溶性糖与Pro含量增加使植物维持更低的渗透势，从而增强抗逆性[27]，而叶片MDA含量则反映其细胞氧化损伤程度。本研究结果表明，干旱胁迫下，甜高粱幼苗的可溶性蛋白、可溶性糖与Pro含量均显著升高，外源Spd能显著提高甜高粱幼苗可溶性糖与Pro含量。干旱胁迫显著增加了甜高粱幼苗叶片MDA含量，而外源Spd处理能够减少干旱胁迫下甜高粱幼苗叶片的MDA含量(降低53.17%)。与CK相比，干旱胁迫下，甜高粱幼苗叶片的SOD、POD和APX活性明显升高，CAT活性显著降低；外源Spd处理能够提高甜高粱幼苗SOD、POD、CAT和APX活性，特别是喷施1.2 mmol·L-1Spd 15 d后的甜高粱幼苗SOD、POD、CAT和APX活性分别较干旱胁迫下提高了39.69%、155.32%、74.61%、70.23%。这说明，Spd具有修复干旱胁迫下甜高粱幼苗叶片的细胞膜结构的作用，维持细胞内环境的稳定，减轻胁迫造成的氧化伤害，从而增强甜高粱的耐旱性。