调亏灌溉对棉花叶片和根系保护酶活性的影响

孙路，张世民，罗新宁*

(1塔里木大学植物科学学院，新疆 阿拉尔 843300)

(2新疆生产建设兵团种子管理总站，新疆 乌鲁木齐 830011)

由于气候变化，极端天气的频繁发生已经引起了科学家们的广泛关注[1]。降水量的减少使得干旱发生的频率不断上升，这限制了植物生长并降低世界范围内作物产量和生产能力[2-3]。干旱的环境条件极大影响了作物的生长和发育[4-5]，在正常条件下植物体内活性氧含量处于动态平衡，然而在各种胁迫条件下活性氧逐渐积累使脂膜过氧化，最终使细胞死亡。为了应对各种逆境，植物在长期的进化过程中，产生抗氧化酶系统[6]。抵御活性氧的氧化反应能力取决于细胞的抗氧化酶，其中主要的活性氧清除酶包括超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）[7-8]，它们能有效清除细胞内积累的活性氧，减缓对细胞膜造成的伤害，为植物生长发育创造稳定的内环境。丙二醛（MDA）是细胞膜脂过氧化的产物，研究者大多将其含量高低作为植物受逆境胁迫程度的指标[9]。许多科学家在玉米[10]、小麦[11]、水稻[12]等作物中发现抗氧化酶活和丙二醛含量与植物抗逆性密切相关。

棉花作为重要的纺织原料，在全球经济中占有重要地位[13]，在我国主要分布在长江流域、黄河流域和西北内陆。新疆作为我国的产棉大省，光照资源丰富，降雨量稀少，棉花在生育期极易遭受干旱[14]。调亏灌溉是利用棉花的抗旱机制对棉花进行水分管理，该方式可大幅度减少棉花灌水量，且保持产量不受影响，因此该技术越来越受到重视。棉花叶片是重要的光合器官，90%以上的干物质积累均来自于叶片，后期叶片早衰对棉花产量有明显的负面影响[15-16]。BAUER P J等[17]和 PENG S等[18]发现叶片衰老会抑制光合作用和棉花纤维发育。此外，根系不仅参与矿质营养和水分的吸收，还参与激素和氨基酸合成与植物固定[19]，而且它的生理特性与植物抗旱性密切相关，在干旱发生时反应最为敏感[20]。部分研究表明，棉花早衰也有可能是后期根系从表层土壤吸收养分能力较弱造成的。大量的研究发现并验证了棉花叶片的抗氧化酶系统在逆境中的作用，但当土壤干旱时，作物根系首先受到胁迫[21]。因此，只研究干旱对叶片抗氧化酶活性的影响并不能明确作物抗旱机制，需要同时研究叶片和根系两种器官的抗氧化酶活性对干旱的响应。本试验研究棉花叶片和根系保护酶在调亏灌溉条件下的变化趋势，以期揭示棉花的抗旱机制，为干旱和半干旱地区棉花抗旱研究提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2018年在中国农业科学院棉花研究所阿拉尔试验站（40°36'N，81°18'E）进行，属暖温带极端大陆性干旱荒漠气候，光照充足、热量丰富，年均气温10.7℃，≥10℃积温4 113℃，无霜期220 d，年日照2 900余小时，年均降水量为40.1～82.5 mm，年均蒸发量1 876.6～2 558.9 mm。

1.2 供试材料与试验设计

本试验采用两因素随机区组设计，供试材料为CCRI-60和CCRI-92两个品种。灌水处理为：CK(4 500 m³/hm²)、W1(3 000 m³/hm²)和 W2(1 500 m³/hm²)，其中W1和W2为调亏灌溉，6个处理，重复3次，共计18个小区，根据小区面积用流量计精确控制灌水量。4月16日播种，6月9日开始灌溉，每7 d左右灌一次水，7月6日打顶，10月1日收获。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 取样

叶片取样：生育期内每隔10～20 d左右采集各处理6株棉花倒4叶，放入冰盒带回实验室，液氮速冻而后放入冰箱保存，备用。

根系取样：根系取样参考龚江等[22]方法。以棉株为圆心在距棉株 5cm，将 0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm土壤分层取出。装入网兜用自来水冲洗干净，放入冰盒带回实验室，液氮速冻后放入冰箱保存，备用。

1.3.2 测定

丙二醛采用硫代巴比妥法（TBA）测定；过氧化物歧化酶采用试剂盒法测定（南京建成生物工程研究所）；过氧化物酶采用愈创木酚法测定[23]；过氧化氢酶采用紫外吸收法测定[24]。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003软件对数据进行处理和绘图，采用DPS 9.50统计分析软件对数据进行差异显著性检验（LSD，α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 调亏灌溉叶片及根系丙二醛含量的影响

由图1可知，随着干旱时间的延长，MDA含量逐渐增加，说明干旱造成脂膜过氧化。两品种比较发现，CCRI-92的CK、W2处理叶片MDA含量明显高于CCRI-60叶片，而CCRI-92和CCRI-60的W1处理没有明显差异。CCRI-60叶片W1处理比CK高，W2处理虽然在生育前期增加较慢，但在生育后期MDA含量增加较为明显，这可能是叶片衰老加速造成。CCRI-92的CK和W1处理全生育期MDA含量相差较小，而W2的MDA含量随着干旱时间的延长呈先增加而后下降又增加的趋势。

图1 生育期叶片丙二醛含量变化

由图2可知，在0～20 cm和40～60 cm分层取出的土壤中，CCRI-60的根系MDA含量呈现先降低后增加的趋势；20～40 cm呈缓慢下降趋势；CCRI-92的根系MDA含量在0～20 cm CK处理随播种天数的增加呈下降趋势，W1处理变化不大，W2处理呈不断增加趋势；CCRI-92的根系MDA含量在20～40 cm CK处理变化不大，W1处理呈下降趋势，W2处理呈增加趋势；40～60 cm各处理均呈增加趋势。

图2 生育期根系丙二醛含量变化

2.2 调亏灌溉对叶片及根系过氧化物歧化酶活性的影响

由图3可知，生育期CCRI-60叶片SOD酶活性整体上低于CCRI-92叶片SOD酶活性。CCRI-60各处理均呈现生育前期缓慢增加中期下降后期增加的趋势；W1处理、W2处理后期均呈现下降趋势，CK后期有所上升。CCRI-92 CK处理呈生育前期下降中期增加后期下降趋势，W1处理呈先下降后增加的趋势，W2处理呈持续下降趋势。

图3 生育期叶片过氧化物歧化酶活性变化

由图4可知，根系SOD酶活性变化：CCRI-60 0～20 cm CK、W1处理呈先增加后降低的趋势，W2处理呈逐渐增加的趋势；20～40 cm CK、W1处理先增加而后下降趋势，W2处理呈先增加后下降的趋势；40～60 cm CK处理呈先增加后下降再增加的趋势，W1、W2处理先增加后下降的趋势。CCRI-92 0～20 cm CK、W1处理呈先增加后下降的趋势，W2处理呈先下降后增加再下降的趋势；20～40 cm CK处理呈先增加后下降再增加的趋势，W1、W2处理呈先增加后下降的趋势；40～60 cm CK处理呈先增加后下降的趋势，W1处理呈先下降后增加再下降趋势，W2处理呈先增加后下降而后增加再下降的趋势。

图4 生育期根系过氧化物歧化酶活性变化

2.3 调亏灌溉对叶片及根系过氧化物酶活性的影响

由图5可知，整体上CCRI-60叶片POD酶活性在棉花生长后期明显低于CCRI-92叶片。CCRI-60的CK、W1的叶片POD酶活性在全生育期呈先增加后下降再增加趋势。W2处理呈先下降后增加再持续增加趋势。CCRI-92各处理均呈现前期缓慢增加中期下降后期增加的趋势。CCRI-60与CCRI-92两品种生育期叶片POD酶活性各处理均呈现后期明显高于前期和中期。

图5 生育期叶片过氧化物酶活性变化

由图6可知，根系POD酶活性变化：CCRI-60 0～20 cm CK、W2处理呈先增加后降低后增加最后降低的趋势，W1处理呈逐渐增加的趋势；20～40 cm CK、W1处理先增加而后降低再上升的趋势，W2处理呈先增加后下降的趋势；40～60 cm CK处理呈先增加后下降再增加的趋势，W1、W2处理先增加后下降的趋势。CCRI-92 0～20 cm CK处理呈先增加后下降的趋势，W1、W2处理呈先上升后下降再增加的趋势；20～40 cm各处理呈逐渐下降的趋势；40～60 cm CK、W1处理呈先增加后下降再增加的趋势，W2处理呈先增加后下降而后增加再下降的趋势。

图6 生育期根系过氧化物酶活性变化

2.4 调亏灌溉对叶片及根系过氧化氢酶活性的影响

由图7可知，整体上CCRI-60叶片的CAT酶活性高于CCRI-92（CK处理除外）。CCRI-60处理下，CAT酶活性随灌水量的减少呈逐渐增加趋势；CCRI-92随灌水量的增加呈缓慢下降趋势。CCRI-60 CK处理呈先下降后增加的趋势，W1处理呈先下降后增加最后下降的趋势，W2处理呈先下降后增加再下降最后增加的趋势；CCRI-92 CK处理呈先增加后下降而后增加再下降的趋势，W1处理呈先下降后增加又下降再增加的趋势，W2处理呈先下降后增加的趋势。

图7 生育期叶片过氧化氢酶活性变化

由图8知，根系CAT酶活性变化：CCRI-60 0～20 cm CK、W2处理呈先下降后增加最后降低的趋势，W1处理呈先下降后增加的趋势；20～40 cm CK处理呈先下降后增加最后下降的趋势，W1处理呈先增加而后降低的趋势，W2处理呈先增加后下降而后增加最后下降的趋势；40～60 cm CK处理呈先下降最后增加的趋势，W1处理呈先下降后增加最后降低的趋势，W2处理呈先增加后下降而后增加再下降的趋势。CCRI-92 0～20 cm CK、W1处理呈先增加而后降低的趋势，W2处理呈先下降后增加而后下降再增加的趋势；20～40 cm各处理均呈先增加后下降最后增加的趋势；40～60 cm CK处理呈先下降最后增加的趋势，W1、W2处理呈先下降后增加最后降低的趋势。

图8 生育期根系过氧化氢酶活性变化

3 讨论

试验研究结果表明，CCRI-60叶片中MDA含量随着生育期的延长逐渐增加，而CCRI-92变化不大，但一直维持较高水平，可认为其脂膜过氧化水平较为严重，由此表明CCRI-60与CCRI-92相比更为耐旱。WANG W B等[25]对于苗期苜蓿在干旱条件下抗氧化酶的研究也得到了相似的结果。SOD作为主要的抗氧化酶，能将超氧阴离子自由基歧化生成H2O2，H2O2能被CAT和POD降解为H2O和O2[26]。对于小麦的调亏灌溉研究认为，小麦抗旱性与SOD酶活性一致[27]，本试验结果显示随着生育进程的推进两个棉花品种的叶片SOD酶活性持续降低，而根系SOD酶活性先增加后降低，可能是由于后期根系衰老造成了酶活性的降低。叶片POD酶活性随着生育期的推移持续增加，且灌溉亏缺程度较为严重的W2处理酶活性最高，可能是由于棉花叶片本身保护机制造成的。根系POD酶活性不同层次均表现为生育前期酶活性增加而中后期酶活性降低，且40～60cm根系酶活性最高。CCRI-60随着灌溉亏缺程度的加重叶片CAT酶活性逐渐增加，而CCRI-92则逐渐降低，不同层次差异较大，这可能是品种间的差异造成。

4 结论

棉花被认为是耐旱作物，但产量和品质受干旱影响较大。在西北内陆棉区棉花生产中，灌溉是必不可少的。本试验结果认为CCRI-60和CCRI-92两个棉花品种在干旱条件下都会产生过氧化危害。MDA含量随着生育期的延长和调亏程度的加重而增加，可以作为衡量棉花叶片膜脂过氧化程度的指标。适度的调亏处理会使POD酶活性增加而严重的调亏灌溉处理会使POD酶活性降低。SOD酶两品种间表现不同，发育中后期CCRI-60 CK处理与CCRI-92 CK处理差异明显，在生育末期CCRI-60 SOD酶活性达到最低值，CCRI-92 CK仍然维持较高的SOD酶活性，说明SOD酶活性受品种影响较大。CAT酶两品种根系差异明显，CCRI-60 CAT酶随调亏程度的加重而增加，CCRI-92相反，说明CAT酶受品种影响较大。不同品种MDA含量和SOD、POD、CAT酶活性差异较大，因此需根据品种特性来制定合适的灌量。