水分胁迫对不同发育时期藜麦生理的影响

田计均， 唐 媛， 董 雨， 余海萍， 孙雁霞,

(1. 成都大学 药学与生物工程学院， 成都 610106； 2. 成都大学 农业农村部杂粮加工重点实验室， 成都 610106)

藜麦(Chenopodiumquinoawilld)，是一种苋科藜属的一年生草本经济植物，也称为藜谷、南美藜等[1]，原产于南美洲安第斯山脉高原地区，高海拔的生长环境使得藜麦对多种非生物条件具有较好的耐受性[2]。藜麦营养物质含量高，易于被人体吸收[3]。联合国粮农组织认为藜麦是唯一一种可满足人体基本营养需求的单体植物,正式推荐藜麦为最适宜人类的全营养食品[4]，并将2013年定为国际藜麦年，以促进藜麦在全世界的推广[5]。因此，藜麦具有很大的研究价值，并且在全世界开始大量种植。

作物在生长过程中会受到干旱、洪涝等因素的影响[6]。随着藜麦在世界各地的大量种植，人们发现虽然其抗逆性很强，但也会与其他作物一样受到干旱和水涝的影响。干旱会严重限制作物的正常生长并导致作物减产[7]，干旱导致的作物减产超过其他环境胁迫导致减产的总和[8]。因此，研究作物的抗旱机制、提高作物的抗旱能力、培育干旱耐受性的作物新品种已经成为当前农业生产中的迫切问题[9]。水涝胁迫也会显著抑制作物生长发育[10]。在全球范围内，有大约13%的土地和10%的农业用地受到水涝的影响，导致作物减产15%～80%[11]。

丙二醛(MDA)是由自由基作用于脂质发生过氧化反应的最终产物，具有细胞毒性，在正常情况下可通过自身抗氧化酶和渗透物质降低对细胞的毒害，如果植物处于胁迫环境中，MDA含量便会增加，不能及时清除将会导致植物损伤。许多对植物水分胁迫的研究报道[12-15]都表明了抗性强的植物受到水分胁迫时抗氧化酶和渗透物质会显著增加，但不同植物的酶和渗透物质表现出不同的变化。目前对藜麦胁迫的研究多集中于干旱胁迫对藜麦幼苗的影响，水分胁迫对不同发育时期藜麦生理的影响还鲜见报道。本文通过使用30%质量分数PEG6000溶液模拟干旱环境，用双套盆法模拟水涝环境，研究藜麦4个生育时期(幼苗期、现蕾期、花期和灌浆期)在水分胁迫下生理的变化，以期为藜麦的栽培种植提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料及处理

本实验选用藜麦(Chenopodiumquinoawilld)LL-3号作为实验材料，种子由农业农村部杂粮加工重点实验室、国家杂粮加工技术研发分中心引种。土壤使用1∶1的营养土和自然土的混合土。选取较为饱满且形态大小相一致的藜麦种子均匀播撒于直径为20 cm的塑料花盆中，浇适量的水，再用1～2 cm厚的营养土覆盖。在藜麦幼苗长出第4片真叶后进行间苗，留下长势相同的幼苗且保持合适的株间距[16]。待苗长至第8片真叶时，再进行一次间苗[17]，每盆定苗4株。

对藜麦幼苗期、现蕾期、花期以及灌浆期长势一致的盆栽植株进行水分胁迫处理。对照组使用300 mL的去离子水进行浇灌；干旱胁迫处理组参考吕亚慈等[18]的方法略微改动，使用30%质量分数的PEG6000溶液300 mL进行浇灌；水涝胁迫处理组使用双套盆法，将盆栽直接浸置水盆中浇灌置水浸没花盆。水分胁迫处理48 h后取样，干旱和水涝胁迫分别处理6盆作为实验重复。幼苗期由于植株叶片较小，选取整个地上部分作为实验材料，其他3个时期选取从顶芽往下数的第3个节间的叶片作为实验材料。采集的材料迅速用液氮冷冻保存并用于后续渗透物质和生理指标的测定。

1.2 WSS和可溶性蛋白(SP)含量的测定

SP含量的测定参考杨正坤等[19]的方法，采用考马斯亮蓝染色法测定；WSS含量检测采用植物可溶性糖检测试剂盒。数据测量均重复3次。

1.3 生理指标的测定

T-AOC、POD活性以及MDA含量的测定分别采用相应试剂盒。数据测量均为3次重复。

1.4 数据处理

数据统计采用Excel进行，制图采用Origin，用SPSS(Statistical Product and Service Solutions)进行组间的显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫对藜麦幼苗期的影响

幼苗期藜麦在水分胁迫下各指标变化如表1所示。与CK相比，在干旱和水涝胁迫条件下，SP含量差异均不显著，WSS含量差异显著，分别降低了13%和14%；T-AOC差异均不显著；POD活性差异显著，分别增加了52%和15%；干旱条件下MDA含量降低了50%，在水涝条件下MDA含量无明显变化。结果显示：水分胁迫使得藜麦幼苗期的POD酶活性显著增加，使得MDA与正常组基本无变化甚至降低，表明幼苗期在受到水分胁迫时，POD酶活性的显著增加，增强了藜麦的耐受性，使得水分胁迫对藜麦影响较小。

2.2 水分胁迫对藜麦现蕾期的影响

现蕾期藜麦在水分胁迫下各指标变化如表2所示。与CK相比，在干旱和水涝胁迫条件下，SP含量差异均不显著，WSS含量差异显著，分别增加了20%和10%；T-AOC差异显著，分别降低了11%和14%；POD活性差异显著，分别增加了50%和62%；MDA含量差异显著，分别增加了52%和17%。结果表明：现蕾期藜麦在受到干旱和水涝胁迫时WSS含量和POD酶活性显著增加，但是并没有控制MDA的增长，因此推测该时期藜麦对干旱和水涝反应极其敏感，产生了大量的MDA，酶和渗透物质的调节不足以清除，使得MDA积累。

2.3 水分胁迫对藜麦花期的影响

花期藜麦在水分胁迫下各指标变化如表3所示。与CK相比，在干旱和水涝胁迫条件下，SP含量差异均不显著，WSS含量差异显著，分别增加了307%和114%；T-AOC差异显著，分别增加了51%和20%；POD活性差异显著，分别增加了26%和17%；在干旱条件下MDA含量差异显著，增加了89%，而水涝条件下差异不显著。结果表明：花期在受到水分胁迫时，WSS含量、T-AOC和POD活性显著增加，MDA含量与CK差异不显著，说明水涝对花期藜麦影响较小；而干旱条件下的MDA含量显著增加了89%，说明干旱对花期藜麦影响较大，虽然通过酶和渗透物质的调节，但MDA还是有积累，可能对植物体造成损伤。

表1 水分胁迫对藜麦(幼苗期)各项生理指标的影响

表2 水分胁迫对藜麦(现蕾期)各生理指标的影响

表3 水分胁迫对藜麦(花期)各生理指标的影响

2.4 水分胁迫对藜麦灌浆期的影响

灌浆期藜麦在水分胁迫下各指标变化如表4所示。与CK相比，在干旱和水涝胁迫条件下，SP含量差异均不显著，WSS含量差异显著，分别增加了38%和61%；T-AOC差异显著，分别增加了22%和36%；干旱条件下POD活性差异不显著，在水涝条件下差异显著，增加了10%；MDA含量均无显著差异。结果表明，灌浆期藜麦在受到干旱和水涝胁迫后，WSS含量、总抗氧化能力和POD酶活性显著增加，MDA均无明显变化，说明水分胁迫对灌浆期藜麦影响较小。

2.5 在水分胁迫下不同发育时期藜麦生理指标对比分析

干旱和水涝处理藜麦各时期生理指标如图1所示。结合各时期生理指标与CK的比较，笔者认为现蕾期对干旱和水涝较敏感，受到干旱和水涝胁迫时，机体不能抑制MDA的增长，使得MDA含量达到较高水平，可能会导致藜麦细胞损伤严重。花期在受到干旱胁迫时，虽然POD活性、T-AOC和WSS含量增加，MDA仍显著增加到一个较高的水平，表明花期对干旱的耐受性同样较差。

图1 水分胁迫影响藜麦生理指标的对比分析

表4 水分胁迫对藜麦(灌浆期)各生理指标的影响

2.6 在水分胁迫下不同发育时期藜麦的可溶性糖和蛋白质含量的比较分析

干旱和水涝处理不同发育时期藜麦渗透物质含量对比如图2所示，可以看出，无论干旱还是水涝处理，现蕾期藜麦WSS和SP含量较低，而幼苗期和灌浆期均处于较高水平，这可能是现蕾期藜麦对干旱和水涝耐受性差的原因之一。

3 讨论与结论

对4个发育期藜麦分别在干旱和水涝胁迫下的渗透物质和生理指标测定(表1至表4)发现，4个发育时期藜麦在受到水分胁迫后的响应趋势基本一致，都表现为WSS含量或POD活性的显著升高，以抑制MDA含量的增长。但每个时期MDA含量变化情况不一样(图1)。现蕾期藜麦在干旱和水涝胁迫下，MDA含量显著升高到较高水平；花期藜麦在干旱胁迫下，MDA含量同样显著升高到较高水平；而幼苗期和灌浆期的MDA变化不显著。MDA含量的变化情况反映了植物细胞膜脂过氧化程度和植物对逆境条件的反应强弱[20]，说明干旱和水涝胁迫对现蕾期及干旱对花期藜麦的影响较大。

图2 水分胁迫影响藜麦WSS和蛋白质含量的对比

SP和WSS含量能够在一定程度上调节植物细胞的渗透压，保持原生质与环境的渗透平衡，维持植物正常的代谢水平，从而抵抗水分胁迫带来的伤害[21]。通过对水分胁迫下不同发育时期藜麦的WSS和SP含量比较(图2)分析发现，无论干旱还是水涝处理，现蕾期藜麦WSS和SP含量较低，而幼苗期和灌浆期均处于较高水平，说明渗透调节可能是现蕾期藜麦对干旱和水涝的耐受性差的原因之一，这与李巧娟等[13]的研究结果相似。在水分胁迫下4个时期藜麦的SP含量始终不变，而WSS含量却显著变化，说明WSS对藜麦抗性具有较大影响，这与王林红等[14]的研究结果相似。

POD酶能够清除植物体内过量的活性氧，维持活性氧的代谢平衡，保护膜结构, 从而使植物能在一定程度上减缓或抵抗逆境胁迫[22]。研究表明，在水分胁迫下，为防止活性氧积累，抗性强的植物会维持POD等酶较高的活性，减轻水分胁迫所带来的伤害[13]。本实验发现，无论在干旱还是水涝条件下，每个发育时期藜麦的POD活性始终显著升高，维持较高的活性，说明POD调节机制作用于藜麦整个发育时期，其调节能力强，但由于干旱和水涝胁迫对现蕾期及干旱对花期藜麦的影响较大，POD酶活性的升高不足以清除过量的MDA。

研究结果显示，藜麦可通过提高WSS含量和POD酶活性降低水分胁迫的影响，也揭示了藜麦具有较强抗性的特征，同时还发现藜麦在现蕾期和花期易受到水分胁迫的影响。这些结果可为高抗性藜麦的选种以及藜麦的栽培育种提供一定的理论基础。