干旱胁迫对转PtWOX11/12a基因河北杨生长及生理特性的影响

常宇璇，闫 盟，张 骐，李佳琪，燕 兴，淑 芳，王亚萍，白玉娥

(1. 内蒙古农业大学 林学院，内蒙古 呼和浩特 010019； 2. 通辽市林业和草原科学研究所，内蒙古 通辽 028000)

干旱问题已经引起社会高度重视，随着经济发展、人口膨胀、水资源短缺等原因，导致植被减少、河流断流、干旱地区面积扩大、生物多样性下降、干旱程度加重[1-2]，生态环境安全和发展受到严重影响[3]。水资源匮乏制约了我国北方地区生态环境改善和发展[4]，未来生态建设应把选育抗旱物种作为育种工作的中心任务[1]。

杨树是杨柳科(Salicaceae)杨属(PopulusL.)树种的统称，杨属包括5个派：白杨派、青杨派、黑杨派、胡杨派和大叶杨派，在我国南北方部分地区均有分布。目前，我国杨树人工林栽培面积世界第一，超过700万hm2[5]。杨树作为我国重要的造林树种，被广泛引种栽培，在经济、生态等方面发挥着重要的作用[6-8]。杨树有较为完善的遗传图谱，是基因工程研究的模式植物，具有基因组小、易操作的特点，可利用农杆菌介导法进行遗传转化[9-12]。1986年，Parsons等[11]证实了杨树可以进行遗传转化和表达目的基因，自此，利用基因工程进行杨树育种迅速发展起来，国内外学者在抗虫、抗病、抗除草剂、抗逆等方面均获得了不同程度的研究进展[13]。

本文以转PtWOX11/12a基因河北杨(Populushopeiensis)为试验材料，通过不同程度的干旱胁迫，研究转PtWOX11/12a基因河北杨表型及各项生理指标的变化，为后期转基因杨树品种的选育及抗旱育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择长势良好的野生型(非转基因河北杨)(CK)及转PtWOX11/12a基因河北杨(转基因植株)无菌苗，移栽至草炭土∶蛭石∶珍珠岩=6∶3∶1的基质中，每4 d浇一次水，定植30 d后进行干旱胁迫试验。试验材料由内蒙古农业大学林学院林木遗传育种实验室提供。

1.2 试验方法

将转基因植株及CK移栽至大小相同、不透水盆中，盆中放置相同重量的干燥土壤。土壤相对含水量一般是指土壤含水量占田间持水量的百分数，土壤相对含水量 80% 以上为正常水平，50%～70% 为轻度干旱，30%～50% 为中度干旱，低于 30% 为重度干旱[14-17]。本试验设置4个梯度，土壤相对含水量分别为：90%(充足水分，T1)、55%(轻度干旱胁迫，T2)、45%(中度干旱胁迫，T3)、30%(重度干旱胁迫，T4)。根据土壤重量计算出所需水的重量，浇入土壤中。每天称重，补充散失的水分至相应的土壤相对含水量，每组3个重复。

干旱胁迫20 d后，分别测量转基因植株及CK的株高、地径生长量，取叶片测量叶绿素、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、丙二醛(MDA)。叶绿素采用比色法，SOD采用氮蓝四唑法，POD采用愈创木酚法，MDA采用硫代巴比妥酸法[18]。

1.3 数据分析

采用SPSS统计分析软件进行数据处理，Excel 2010进行绘图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对株高生长量的影响

由图1可知，转基因植株及CK的株高生长量随干旱程度的增加，均呈降低-升高-降低的趋势。同等干旱程度下，转基因植株株高生长量明显高于CK。充足水分条件下(T1)，转基因植株和CK的株高生长量均达到最大值，分别为 4.27 cm和 1.27 cm。随着干旱程度的增加，转基因植株及CK的株高生长量均受到不同程度的抑制。T2处理与T1相比，转基因植株及CK的株高生长量分别下降 46.14% 和 37.01%。T3处理与T2处理相比，转基因植株及CK的株高生长量分别上升 37.83% 和 8.75%，此时株高生长量分别为 3.17 cm和 0.87 cm。T4处理与T3处理相比，转基因植株及CK的株高生长量分别下降 65.30% 和 80.46%，并达到最小值 1.10 cm和 0.17 cm。

图1 干旱胁迫下各株系株高生长量Fig.1 Plant height growth of each strain under drought stress

2.2 干旱胁迫对地径生长量的影响

由图2可知，转基因植株及CK的地径生长量随干旱程度的增加，均呈降低-升高-降低的趋势。同等干旱程度下，转基因植株地径生长量明显高于CK。充足水分条件下(T1)，转基因植株及CK的地径生长量均达到最大值，分别为 0.37 mm和 0.23 mm。T2处理与T1处理相比，转基因植株及CK的地径生长均受到抑制，地径生长量分别下降 32.43% 和 21.74%。T3处理与T2处理相比，转基因植株及CK的地径生长量分别升高 28.00% 和 11.11%。T4处理与T3处理相比，转基因植株及CK的地径生长量分别下降 53.13% 和 40.00%，并达到最小值 0.15 mm和 0.12 mm。

图2 干旱胁迫下各株系地径生长量Fig.2 Ground diameter growth of each strain under drought stress

2.3 干旱胁迫对叶片叶绿素含量的影响

由图3和图4可知，随着干旱程度的增加，转基因植株叶绿素a含量和叶绿素b含量均呈先升高再降低的趋势，CK的叶绿素a含量和叶绿素b含量均呈升高-降低-升高的趋势。同等干旱程度下，转基因植株的叶绿素a含量和叶绿素b含量均明显高于CK。充足水分条件下(T1)，转基因植株及CK的叶绿素a含量分别为 1.92 mg·L-1和 1.55 mg·L-1，叶绿素b含量分别为 0.81 mg·L-1和 0.68 mg·L-1。T2处理与T1处理相比，转基因植株的叶绿素a含量和叶绿素b含量分别上升 26.57% 和 27.16%。T3处理与T2处理相比，转基因植株的叶绿素a含量和叶绿素b含量均达到最大值，分别为 2.49 mg·L-1和 1.10 mg·L-1，CK的叶绿素a含量和叶绿素b含量分别下降 59.63% 和 56.52%，达到最小值 0.65 mg·L-1和 0.30 mg·L-1。T4处理与T3处理相比，转基因植株的叶绿素a含量和叶绿素b含量分别下降 42.57% 和 41.82%，达到最小值 1.43 mg·L-1和 0.64 mg·L-1，CK的叶绿素a含量和叶绿素b含量均升高，分别达到 1.20 mg·L-1和 0.62 mg·L-1。

图3 干旱胁迫下各株系叶绿素a含量Fig.3 Chlorophyll a content of each strain under drought stress

图4 干旱胁迫下各株系叶绿素b含量Fig.4 Chlorophyll b content of each strain under drought stress

2.4 干旱胁迫对叶片SOD活性的影响

由图5可知，随着干旱程度的增加，转基因植株的SOD活性呈先升高再降低的趋势，CK的SOD活性呈先降低再升高的趋势。同等干旱程度下，转基因植株的SOD活性明显高于CK。充足水分条件下(T1)，转基因植株及CK的SOD活性分别为 372.26 U·mg-1和 147.19 U·mg-1。T2处理与T1处理相比，转基因植株的SOD活性升高 62.70%，达到最大值 605.67 U·mg-1，CK的SOD活性下降 35.34%，达到最小值 95.17 U·mg-1。T3处理与T2处理相比，转基因植株SOD活性下降 56.47%，CK的SOD活性上升 28.63%。T4处理与T3处理相比，转基因植株SOD活性下降 40.53%，达到最小值 156.78 U·mg-1，CK的SOD活性上升 11.17%，达到 136.09 U·mg-1。

图5 干旱胁迫下各株系SOD活性Fig.5 SOD activity of each strain under drought stress

2.5 干旱胁迫对叶片POD活性的影响

由图6可知，随着干旱程度的增加，转基因植株POD活性呈降低-升高-降低的趋势，CK的POD活性呈先下降再升高的趋势。同等干旱程度下，转基因植株POD活性明显高于CK。充足水分条件下(T1)，转基因植株及CK的POD活性分别为 170.00 U·g-1·min-1和 101.67 U·g-1·min-1。T2处理与T1处理相比，POD活性分别下降 40.69% 和 3.29%，达到最小值 100.83 U·g-1·min-1和 98.33 U·g-1·min-1。T3处理与T2处理相比，转基因植株及CK的POD活性分别升高 75.30% 和 11.87%，此时转基因植株POD活性达到最大值 176.76 U·g-1·min-1。T4处理与T3处理相比，转基因植株POD活性下降了 6.65%，CK的POD活性升高了 22.73%，达到最大值 135.00 U·g-1·min-1。

图6 干旱胁迫下各株系POD活性Fig.6 POD activity of each strain under drought stress

2.6 干旱胁迫对叶片MDA含量的影响

由图7可知，随着干旱程度的增加，转基因植株及CK的MDA含量均呈先降低再升高的趋势。同等干旱程度下，转基因植株MDA含量明显低于CK。充足水分条件下(T1)，转基因植株及CK的MDA含量分别为 0.006 μmol·L-1和 0.009 μmol·L-1。T2处理与T1处理相比，转基因植株及CK的MDA含量分别下降 5.00% 和 3.33%。T3处理与T2处理相比，转基因植株MDA含量下降 12.28%，达到最小值 0.005 μmol·L-1，CK的MDA含量上升 6.90%。T4处理与T3处理相比，转基因植株及CK的MDA含量分别上升 26.00% 和 7.53%，此时，CK的MDA含量达到最大值 0.010 μmol·L-1。

图7 干旱胁迫下各株系MDA含量Fig.7 MDA content of each strain under drought stress

3 结论与讨论

根据不同程度干旱胁迫下转基因植株及CK的株高生长量、地径生长量、叶绿素含量、SOD活性、POD活性、MDA含量等指标的综合分析得出，转PtWOX11/12a基因河北杨在干旱胁迫下，表现出良好的抗旱性和适应性。

虽然干旱胁迫会影响转基因植株的发育，但是一定程度的干旱胁迫能促进转基因植株株高、地径的生长，使其在逆境中表现出更好的适应性。干旱胁迫会影响植物生长发育，植物可通过调节自身体内酶活性等生理指标，对胁迫作出反应。叶绿素是光合作用中最重要的色素，随着干旱程度的增加，叶绿素a的稳定性遭到破坏，SOD和POD是植物体内膜系统的重要抗氧化酶，能够清除植物体内的自由基，MDA可作为植物受胁迫损伤程度的评价指标[19]。本试验中，转基因植株叶绿素含量、SOD活性呈先升高后降低的趋势，POD活性呈升高-降低-升高的趋势，MDA含量呈先降低再升高的趋势，以上试验结果与潘昕等[14]对尾巨桉和竹柳的研究、张雕等[20]对‘菊花桃’幼苗叶绿素a含量、叶绿素b含量、SOD活性、POD活性、MDA含量等指标的研究结果相似。干旱胁迫使转PtWOX11/12a基因河北杨通过调节自身生理特性适应干旱环境，表现出了良好的抗旱性，同时为日后转基因杨树抗旱育种提供参考。