重度干旱胁迫下燕麦叶片活性氧清除系统对喷施腐植酸水溶肥的响应

李英浩，刘景辉*，米俊珍，吕 品，潘 越，赵宝平，Allen Xue

(1 内蒙古农业大学 农学院，呼和浩特 010019; 2 加拿大农业与农产品部渥太华研发中心，加拿大 渥太华 KIA0C6)

干旱作为一种频发的农业气象灾害，长期困扰着世界各国的农业生产[1]。近50年在全球变暖和北方干旱化的背景下，中国受旱面积和受旱成灾面积呈上升趋势，全国有近77.0%的省区旱灾风险增加[2-3]。燕麦(AvenasativaL.)为禾本科一年生粮饲兼用作物，在世界各地广泛种植，具有耐寒、抗旱、耐土壤瘠薄等特点。中国燕麦集中种植在内蒙古、河北、山西、青海、甘肃等省区[4-6]，这些地区多为干旱半干旱地区，生育期间的干旱是限制燕麦增产的主要因素[7]。因此，燕麦被认为是治理土地荒漠化的先锋作物。

腐植酸水溶肥是动植物遗骸经过微生物分解和转化等一系列过程形成的一类有机物质[8]。研究表明，腐植酸水溶肥可通过控制植物体内活性氧类物质的含量来协助植物抵御逆境胁迫[9]。适宜浓度的腐植酸水溶肥可提高玉米细胞保护酶活性，降低丙二醛含量和膜脂过氧化程度，增加膜的稳定性，提高植物抗旱性[10]。关于腐植酸缓解燕麦干旱胁迫的研究表明，干旱胁迫条件下喷施腐植酸可改善燕麦叶片的光合性能，促进干物质积累和增加产量，且在重度干旱胁迫条件下效果最明显[11]。因此，研究腐植酸对重度干旱胁迫下燕麦叶片活性氧清除系统的影响、探索提高燕麦抗旱的途径具有重要意义。但关于腐植酸水溶肥能否调控燕麦叶片活性氧代谢、缓解重度干旱胁迫带来的氧化损伤，目前尚不明确。

本研究以‘燕科2号’燕麦品种为材料，采用盆栽模拟重度干旱胁迫，探讨喷施腐植酸水溶肥对燕麦叶片活性氧含量、抗氧化酶活性及抗氧化物质含量等的影响，旨在为腐植酸水溶肥缓解干旱胁迫对植物的伤害提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2019年5-9月在内蒙古农业大学燕麦产业研究中心温室进行。供试燕麦品种为‘燕科2号’，种子由内蒙古农牧业科学研究院提供；腐植酸水溶肥(HA)由内蒙古自治区永业农丰生物技术有限责任公司提供，其水溶腐植酸含量≥50 g/L，氮磷钾含量(N+P+K)≥200 g/L，微量元素含量(锰、硼、钼、锌等)≥10 g/L，喷施时稀释500倍[11]。

1.2 材料培养与处理

试验采用盆栽方法进行，供试土壤为蛭石与泥炭土按质量比1∶1混合而成，田间持水量为28%。泥炭土中N+P2O5+K2O≥2.5%，有机质含量>50 g·kg-1，pH值为5.5～6.5。塑料盆高25 cm，直径20 cm，每盆装混合土2.5 kg，利用称重法保持土壤含水量，每天15:00进行称重补充水分。播种前每盆底施磷酸二铵(N18%，P2O546%)2 g。5月1日播种，每盆播30粒，在三叶期(5月20日)定苗，每盆20株。

设置正常供水(75%田间持水量，CK)、正常供水喷施HA(CKH)、重度干旱胁迫(45%田间持水量，SS)、重度干旱胁迫下喷施HA (SSH)共4个处理，每个处理重复3次，每重复种植5盆。水分胁迫在5月12日(苗期)开始，6月1日(拔节期)喷施HA；6月5日，选取燕麦植株新鲜、长势均匀一致的叶片，立即液氮速冻并保存，每个处理重复取样5次，共25片叶，用于生理生化指标的测定；6月30日(抽穗期)选取各处理下的代表性植株进行拍照，8月10日(成熟期)测定籽粒产量和生物量。

1.3 测定指标与方法

1.3.2 叶片抗氧化酶活性及抗氧化物质含量超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)和过氧化物酶(POD)活性均按李合生等[17]的方法测定，抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱甘肽还原酶(GR)和谷胱甘肽过氧化物酶(GPX)活性均按Tan等[12]的方法测定，酶活性均以每克鲜重材料的活力单位数表示。谷胱甘肽(GSH)和抗坏血酸(ASA)含量分别采用Ellman[18]和Arakawa[19]等的方法测定，结果以每克干重材料含量表示。

1.3.3 叶片总抗氧化能力总抗氧化能力(toal antioxidant capacity, T-AOC)的测定按南京建成试剂盒(A015)的方法测定。

1.3.4 籽粒产量与生物产量取成熟期的盆内植株进行脱粒，称量获得每盆籽粒产量(鲜重)。然后将脱粒后的植株连同籽粒置于烘箱105 ℃杀青30 min，80 ℃烘干至恒重，称量得出生物产量(干重)。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Excel 2016进行处理及作图，采用SAS 9.4进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 喷施HA对重度干旱胁迫下燕麦生长的影响

从图1中明显看出，与正常供水(CK)相比，重度干旱胁迫(SS)下燕麦植株高度明显降低，叶片数目减少且颜色失绿发黄，小穗数目明显减少。正常供水条件下喷施HA(CKH)与CK相比植株形态无明显变化，而重度干旱胁迫下喷施HA (SSH)处理比SS处理叶片数目增多，且绿色加深，小穗数也明显增多。

2.2 喷施HA对重度干旱胁迫下燕麦叶片活性氧及丙二醛含量的影响

2.3 喷施HA对重度干旱胁迫下燕麦叶片抗氧化酶活性的影响

燕麦叶片各类抗氧化酶活性在不同处理下的变化有所不同(图3)。其中，与CK相比，SS处理下燕麦叶片超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性分别显著提升31.84%和74.15%，而其过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)、谷胱氨肽还原酶(GR)和谷胱氨肽过氧化物酶(GPX)活性却分别显著降低了30.79%、44.55%、62.50%和66.67%(P<0.05)；CKH处理下叶片各类抗氧化酶活性与CK相比均未出现显著变化；与SS处理相比，SSH处理下叶片SOD和POD活性分别显著降低38.94%和22.97%，但仍显著高于对照，CAT、APX、GR和GPX活性分别显著提高21.71%、43.63%、100.00%和44.44%，但仍显著低于对照(P<0.05)。以上结果说明重度干旱胁迫导致燕麦叶片中活性氧的大量积累，诱导其抗氧化酶活性发生显著变化，叶片喷施HA通过进一步调控抗氧化酶的活性分解清除叶片内过量的活性氧，从而缓解干旱胁迫引起的过氧化损伤。

2.4 喷施HA对重度干旱胁迫下燕麦叶片抗氧化剂含量的影响

燕麦叶片中抗氧化剂抗坏血酸(ASA)和谷胱氨肽(GSH)含量在不同处理下表现出相似的变化趋势(图4)。其中，与CK相比，燕麦叶片ASA和GSH含量在 SS处理下分别显著降低28.93%和58.18%(P<0.05)，在CKH处理下未出现显著变化；与SS处理相比，SSH处理下叶片ASA和GSH含量分别显著提高23.89%和56.52% (P<0.05)。说明重度干旱胁迫导致燕麦叶片中抗氧化剂含量的显著降低，喷施HA显著提高干旱胁迫下叶片抗氧化剂的含量，从而增强燕麦适应干旱胁迫的能力。

2.5 喷施HA对重度干旱胁迫下燕麦叶片总抗氧化能力的影响

图5显示，燕麦叶片总抗氧化能力(T-AOC)在SS处理下比CK显著提升55.14%(P<0.05)，在CKH处理下与CK相比无显著变化；与SS处理相比，SSH处理下叶片T-AOC显著提升34.62%。说明重度干旱胁迫导致燕麦叶片总抗氧化能力显著提高，喷施HA通过进一步提高叶片总抗氧化能力来增强燕麦的抗旱性。

2.6 喷施HA对重度干旱胁迫下燕麦产量的影响

如图6所示，每盆燕麦籽粒产量和生物产量在SS处理下分别比CK显著降低30.62%和55.65%(P<0.05)，而在CKH处理下与CK相比均未出现明显变化；与SS处理相比，SSH处理下燕麦籽粒产量和生物产量分别显著提高13.63%和20.58%，但仍显著低于CK(P<0.05)。可见，重度干旱胁迫导致燕麦干物质积累显著受阻，籽粒产量大幅度降低，而叶面喷施HA可一定程度上弥补燕麦在重度干旱胁迫下的产量损失。

3 讨 论

AsA-GSH循环系统作为植物体内抗氧化系统的重要机制，也是清除ROS的重要途径。APX、GR和GPX是AsA-GSH循环系统的关键酶，对循环系统中抗氧化物质AsA和GSH的再生及循环的有效运转具有重要作用[27]。本研究中，与CK相比，重度干旱胁迫下燕麦叶片APX、GR和GPX活性显著降低，说明过度的干旱会造成AsA-GSH循环系统紊乱，而前人研究结果显示中度干旱导致植物叶片APX、GR和GPX活性提升，说明在适度的干旱下APX、GR和GPX会协助植物缓解膜脂氧化损伤，帮助植物适应干旱胁迫环境[28]。

已有研究结果表明，HA可促进干旱胁迫下玉米[10]和甘蔗[29]活性氧的积累，并有效激活保护酶APX、GR和GPX的活性，促进ASA和GSH的合成。本试验结果显示，HA提高了重度干旱胁迫下燕麦叶片APX、GR和GPX活性及ASA和GSH的含量。表明适宜浓度的HA处理可提高燕麦叶片AsA-GSH循环系统相关酶活性，从而促进重度干旱胁迫下燕麦AsA-GSH循环的有效运转，缓解重度干旱胁迫对燕麦的伤害。孙海燕等的研究指出，由于HA浸种对低温胁迫下活性氧产生速率影响很小，而调控H2O2的积累是加强玉米幼苗抵御低温膜质过氧化的主要途径；虽然HA浸种同步提高了CAT和AsA-GSH循环活性，但H2O2清除主要依靠AsA-GSH循环[30]。由此推测，干旱胁迫下喷施HA加强了燕麦叶片AsA和GSH再生，提高了AsA-GSH循环活性，从而增加H2O2清除能力，且以促进AsA合成为核心。另外，孙海燕等的研究表明，高浓度的HA浸种有利于低温胁迫下玉米幼苗对活性氧的清除和系统抗性的增强，但AsA-GSH循环主要物质和系统抗氧化酶的合成是以牺牲生长为代价[30]。植物往往以消耗更多的代谢资源用于防御系统的激活以“权衡生长与防御”，但快速生长也是植物耐受逆境的一种重要方式[31]，这也合理地解释了重度干旱胁迫导致燕麦产量大幅下跌的原因。

4 结 论

HA可提高重度干旱胁迫下燕麦叶片APX、GR、GPX和CAT活性，促进抗氧化物质ASA和GSH再生，显著增强叶片的总抗氧化能力，从而有效清除重度干旱胁迫引起的ROS积累，降低干旱胁迫对植物细胞膜的氧化损伤，最终缓解重度干旱胁迫对燕麦造成的伤害，一定程度上弥补燕麦产量损失。