干旱胁迫对甘蔗光合生理特性的影响

刘 硕，樊 仙，全怡吉，杨绍林，李如丹，邓 军，张跃彬

(1.云南大学资源植物研究院，昆明 650000；2.云南省农业科学院甘蔗研究所，云南 开远 661699)

【研究意义】甘蔗是中国种植面积最大的糖料作物，以甘蔗为原料的糖产量占我国食糖供应总量85%以上[1]。随着全球气候的变化，干旱成为影响甘蔗生长最严重的非生物胁迫之一。在中国，甘蔗主要种植在旱坡地，蔗区旱地面积达到70%以上[2]。夏秋季是甘蔗生长的关键时期—伸长期，随着秋旱发生的日益频发，甘蔗产量和糖分受到严重影响。因此，研究甘蔗伸长期的抗旱特性，了解土壤水分胁迫对甘蔗光合及生理生化指标的影响，对抗旱甘蔗品种选择、提高产量具有指导意义。干旱胁迫下，由于植物体内水分状态发生改变，导致植物生理脱水，造成植物呼吸作用紊乱、膜伤害、代谢失调等一系列损害，最终使得植物生长抑制、萎蔫、局部坏死或全株死亡[3]。【前人研究进展】大量对甘蔗的研究表明，干旱胁迫导致甘蔗株高变矮、单茎重、叶片含水量下降[4-6]，叶片枯萎程度加重，光合作用面积减小并减弱光合作用，使甘蔗株高生长变慢，产量降低[7]；甘蔗脯氨酸、丙二醛、可溶性糖含量上升[8-9]；可溶性蛋白在干旱初期含量上升，后期随着干旱增强降低[10]；超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶、谷胱甘肽还原酶等酶活性升高[11-13]；干旱胁迫引起甘蔗光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶绿素含量降低，胞间二氧化碳浓度上升[14]；光系统II(PSII)活性Fv/Fo、光系统II光化学最大效率Fv/Fm随水分胁迫强度增强而下降[15-16]。在甘蔗抗旱性鉴定的指标选取方面，有研究认为叶绿素值SPAD[17]、叶绿素荧光参数[18-19]、渗透物质[20]、抗氧化酶活性[21]等可以作为评价甘蔗抗旱性的主要指标。【本研究切入点】粤甘52号、云蔗11-1074、云瑞12-263是中国第十四轮区试的新品种，ROC22是中国主栽品种，通过对新品种和老品种之间的比较，探究品种间对干旱胁迫的表现。【拟解决的关键问题】本研究对4个不同基因型甘蔗在人工气候温室内采用干旱胁迫—复水法，通过探究甘蔗在伸长期不同水分胁迫下相关生理生化指标及光合作用的变化趋势和规律，并对试验品种进行抗旱性评价，对甘蔗抗旱品种的鉴定、选育提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

所选品种为粤甘52号、云蔗11-1074、云瑞12-263和ROC22，由云南省农业科学院甘蔗研究所提供。

1.2 试验设计

试验地位于云南省开远市云南省农业科学院甘蔗研究所第一科研基地。将粤甘52号、云蔗11-1074、云瑞12-263和对照ROC22号用桶进行栽植(桶规格为直径40 cm×高度35 cm)，每桶分别种植4个单芽，出苗后选取健康蔗苗定苗3株进行常规管理。于2020年9月甘蔗伸长期时对长势一致的甘蔗开始进行干旱胁迫，设置自然干旱3、6、10 d及复水10 d 4个处理。每个处理15株，均设置正常浇水作为对照。

1.3 试验方法

分别在各处理日上午9:00—11:00测定植株的光合参数并取样。甘蔗叶片的光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)和胞间二氧化碳浓度(Ci)由LI-6400便携式光合仪测定。叶绿素含量采用手持SPAD-502测定+1叶SPAD值。使用Handy Pea进行叶绿素荧光参数的测定。叶片含水率用称重法测定，超氧化物歧化酶(SOD)活性用WAT-8法测定[22]，过氧化物酶(POD)活性用微量法测定[23]，过氧化氢酶(CAT)用钼酸铵比色法测定[24]，丙二醛(MDA)用硫代巴比妥酸法测定[25]，脯氨酸(Pro)用磺基水杨酸法测定[26]，可溶性糖(SS)用蒽酮比色法测定[27]，可溶性蛋白(SP)用BCA法测定[28]，谷胱甘肽还原酶(GR)活性采用试剂盒进行测定。在各处理取样前测量株高并记录绿叶数和总叶数，计算绿叶率。

1.4 数据统计分析

根据以下公式计算各品种所有指标的隶属函数值，以各品种平均隶属函数值作为抗旱性评价的依据[29]。

(1)

(2)

式中，Xi是某指标测定值；Ximin和Ximax分别为4个甘蔗品种中某一指标内的最小值和最大值。当所测指标与抗旱性为正相关时，用(1)式计算，反之使用(2)式计算。平均隶属函数值越高的品种抗旱性越强，反之抗旱性越弱。

数据采用软件SPSS 25.0进行统计和分析，Origin 2019进行作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对甘蔗形态特征的影响

从表1可以看出，4个甘蔗品种绿叶率的变化，正常供水下绿叶率均达到70%以上。干旱胁迫下4个品种的绿叶率均随着干旱时间的增长显著降低，在复水后显著提升。云瑞12-263在正常供水时绿叶率为4个品种中最低，为74.49%，但在干旱胁迫10 d时绿叶率为45.18%，显著高于其它3个品种。粤甘52号在干旱3 d时绿叶率显著高于其它品种，在干旱10 d时绿叶率为4个品种中最低，仅为13.39%。复水后，ROC22和云瑞12-263的绿叶率恢复，与干旱6 d时无显著差异，说明复水情况较好，云蔗11-1074与粤甘52号的绿叶率虽然显著高于干旱10 d，但低于干旱6 d，恢复能力较弱。

甘蔗是一种高光效C4植物，本研究中，正常供水下叶片含水率达80%以上。从表2可以看出，干旱胁迫后期会对甘蔗叶片含水率影响显著。干旱3 d时4个品种叶片含水率无显著差异，在干旱10 d时叶片含水率均显著低于其它处理，其中粤甘52号的叶片含水率显著低于其它3个品种。复水后，4个品种的叶片含水率均显著提升。

从表3可以看出，受干旱胁迫影响4个品种的株高生长速率均低于对照。干旱胁迫下ROC22和云瑞12-263的株高生长速率高于云蔗11-1074和粤甘52号。干旱10 d时，粤甘52号生长速率最低，仅为0.13，ROC22最高，为0.71。复水后，云瑞12-263株高生长速率最高为0.93，云蔗11-1074最低为0.38。

表1 干旱胁迫对甘蔗绿叶率的影响

表2 干旱胁迫对甘蔗叶片含水率的影响

表3 干旱胁迫对株高生长速率的影响

2.2 干旱胁迫对甘蔗光合作用的影响

由图1可以看出，在干旱胁迫下4个甘蔗品种的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均低于正常浇水对照。干旱胁迫下，4个品种的净光合速、气孔导度和蒸腾速率均随着干旱加剧后复水而呈现出先降低后增加的趋势。其中粤甘52号的净光合速率和气孔导度在干旱3、6、10 d 3个处理中是4个品种中最低的，复水后其净光合速率和气孔导度恢复至4个品种中的最高值，分别达到了9.18 μmol/(m2·s)和0.076 mol/(m2·s)。云瑞12-263的净光合速率和气孔导度在干旱3、6、10 d 3个处理中均为最高。云蔗11-1074在正常和干旱期间的净光合速率、气孔导度和蒸腾速率均处于较低水平。ROC22作为对照品种，在干旱10 d时净光合速率、气孔导度、蒸腾速率和胞间CO2浓度分别为0.66 μmol/(m2·s)、0.006 mol/(m2·s)、 0.151 mmol/(m2·s)和292.75 μmol/mol。随着干旱胁迫气孔关闭，4个品种的胞间CO2浓度随着干旱加剧而不断上升，其中粤甘52号上升最高在干旱10 d时为459.00 μmol/mol，云蔗11-1074最低为290.75 μmol/mol。复水后，4个品种的胞间CO2浓度均有所降低。

由图2可以看出，各参试品种在不同干旱胁迫时期下的叶绿素荧光Fv/Fm和Fv/Fo的变化情况。正常浇水时，4个品种的Fv/Fm和Fv/Fo无较大变化。在干旱6 d至干旱10 d时4个品种Fv/Fm降低，ROC22、云蔗11-1074、云瑞12-263和粤甘52号的降幅分别为26.84%、39.31%、9.96%、55.62%，其中粤甘52号降幅最大，云瑞12-263降幅最小。Fv/Fo在干旱胁迫下也受到影响，在干旱6 d至干旱10 d时ROC22、云蔗11-1074、云瑞12-263和粤甘52号的降幅分别为58.10%、71.77%、25.20%、75.06%，其中云瑞12-263降幅最小。复水后，4个品种Fv/Fm和Fv/Fo均有所回升。

水分胁迫下叶绿体膨胀，排列紊乱，基质片层模糊，基粒间连接松弛，类囊体层肿胀或解体，叶绿素含量下降[30]。由图3可以看出，正常浇水情况下，4个时期内各品种的SPAD均无显著差异。干旱胁迫时，除云瑞12-263在4个时期SPAD无显著差异外，其它3个品种在干旱10 d时均显著低于干旱3和6 d。在干旱10 d时，4个品种的叶绿素均达到最低值，分别为28.89、27.20、32.87和17.44。SPAD排序为云瑞12-263>ROC22>云蔗11-1074>粤甘52号。

2.3 干旱胁迫对甘蔗抗氧化酶活性的影响

由图4可以看出，干旱胁迫下甘蔗抗氧化酶活性的变化规律。干旱胁迫导致4个品种的SOD活性不断提高，并在干旱10 d时达到最高值，显著高于干旱3和 6 d，复水后显著降低。云瑞12-263的SOD活性在干旱胁迫3、6、10 d和复水10 d 4个处理中均显著高于ROC22、云蔗11-1074和粤甘52号。ROC22和云瑞12-263在干旱6、10 d时POD活性均没有显著差异，粤甘52号在干旱6、10 d和复水10 d的POD活性分别为814.25、984.47、650.02 U/g，均显著高于其它3个品种，在干旱胁迫6、10 d时3个品种并无显著差异。干旱胁迫下4个品种的CAT活性在干旱10 d时显著高于其它处理。云瑞12-263在4个处理的CAT活性为77.64、79.03、81.76和80.88 U/g，均显著高于其它3个品种，云蔗11-1074在干旱3、6 d时CAT活性最低，到干旱10 d时增幅达到204.73%。GR活性在干旱10 d时显著高于其它处理。ROC22在干旱10 d时GR活性显著高于其它品种，为522.75 nmol/(min·g)。

2.4 干旱胁迫对甘蔗渗透物质的影响

由图5可以看出，干旱胁迫下4个甘蔗品种的脯氨酸含量随胁迫时间显著升高，在干旱10 d时显著高于其它处理。粤甘52号的脯氨酸含量在干旱10 d时为139.70 μg/g，显著高于其它品种。ROC22的脯氨酸含量在干旱胁迫4个处理中均为最低。复水后，脯氨酸含量均显著下降。4个品种的丙二醛含量都在干旱10 d时显著高于其它处理，其中云蔗11-1036显著高于其它品种。4个品种的MDA含量均在复水后显著降低。云瑞12-263在干旱6、10 d和复水10 d处理中MDA含量最低，分别为29.00、34.38和21.96 nmol/g。ROC22、云蔗11-1036和云瑞12-263的可溶性糖含量在干旱10 d时显著高于其它处理，粤甘52号在干旱6 d时显著高于其它处理。干旱10 d时，云瑞12-263的可溶性糖含量为24.59 mg/g，显著高于其它品种。各品种可溶性蛋白含量在干旱6 d时达到最高，其中粤甘52号最高，为34.89 mg/g。在干旱10 d时，ROC22、云蔗11-1074和云瑞12-263可溶性蛋白含量为4个处理中的最低值，复水后则有所回升。

2.5 干旱胁迫下四个品种抗旱性综合评价

由表4可以看出，各品种在干旱胁迫下的各项抗旱指标隶属函数值各不相同，通过平均隶属函数计算后得出各品种的抗旱性排序，结果为云瑞12-263>ROC22>云蔗11-1074>粤甘52号。

表4 不同甘蔗品种伸长期抗旱性评价

续表4 Continued table 4

3 讨 论

3.1 干旱胁迫对甘蔗农艺性状的影响

干旱胁迫下甘蔗的正常生长会受到抑制，形态上主要表现为绿叶数大幅度减少导致甘蔗生长变慢，茎径变小。蔗株在干旱胁迫下保持较多的绿叶数，则该品种抗旱性越强[7]。本研究表明，粤甘52号叶片形态受影响最为严重，绿叶率受损较高，云瑞12-263受影响较小。叶片相对含水率表现了叶片的水分情况，本研究发现4个品种甘蔗叶片含水率在遭受干旱胁迫初期不会有较大的改变，经历严重干旱后粤甘52号的叶片含水率降低较大。叶片中细胞在经历胁迫时能够有效保持水分，然而当细胞因干旱而受到破坏时，抗旱性较差的品种由于细胞膜结构的损害，所以不能及时吸水造成叶片水分含量降低。株高作为甘蔗产量形成的关键因素之一，干旱胁迫对植株生长速率造成影响,使甘蔗节间伸长受阻，造成甘蔗减产[31]。本研究中，干旱胁迫下株高生长速率减慢，云瑞12-263和ROC22受影响较小，其降低幅度较低，粤甘52号和云蔗11-1074受影响较大。

3.2 干旱胁迫对甘蔗光合作用的影响

光合作用在干旱胁迫时降低的原因分为气孔限制和非气孔限制。若CO2进入叶片受阻是由气孔导度降低引起光合速率降低的，属于气孔限制。胞间CO2浓度升高，气孔导度降低，则说明光合速率的下降是因为光合色素量减少，叶绿体结构被破坏等非气孔原因引起的，属于非气孔限制。本试验中，随着干旱胁迫时间的增加，4个甘蔗品种的叶片气孔导度、蒸腾速率明显降低，随着胞间CO2的升高，气孔导度随之降低，说明造成光合作用降低的原因是非气孔限制，叶片进行光合作用的部位受到了破坏。在干旱胁迫初期，叶片蒸腾速率快速降低，是由于甘蔗感受到干旱胁迫，限制了气孔开度，减少水分流失。ROC22和云瑞12-263在干旱前期气孔导度快速降低，限制了蒸腾作用，对干旱胁迫有着较快的响应。干旱严重时蒸腾速率的下降已经不明显，则说明气孔应对干旱的调节已经起不到重要作用。有研究表明，耐旱性较强的品种在干旱胁迫中期叶绿素含量降低速度更小[15]。本研究中云瑞12-263降低速度最小，粤甘52号降低速度最大。ROC22在正常浇水和干旱胁迫下均能保持较高的光合能力；云瑞12-263正常浇水时光合能力较差，但干旱胁迫时光合能力最强；粤甘52号在正常浇水时光合能力最高，但干旱胁迫下其光合作用下降最严重。有研究发现甘蔗在苗期受旱后叶绿素荧光参数下降显著[32]。本研究分析了伸长期干旱胁迫下4个甘蔗品种叶片光合机构对干旱胁迫的响应。本试验结果表明，随着水分胁迫时间的延长，4个品种的Fv/Fm和Fv/Fo均显著下降，ROC22和云瑞12-263的降幅小于云蔗11-1074和粤甘52号。ROC22水分胁迫下蔗叶Fv/Fm和Fv/Fo的动态变化因品种抗旱性能不同而有不同的模式，这与前人的研究[19]相一致。

3.3 干旱胁迫对甘蔗生理变化的影响

干旱胁迫会引起植物叶绿体、线粒体和过氧化物酶体中的ROS浓度升高到损害水平[33]。ROS是有氧代谢不可避免的副产物，损害植物细胞的正常功能，ROS的合成非常普遍，胞内和胞外都有产生部位[34]。本研究结果表明，随着干旱胁迫的持续，4个品种的抗氧化酶活性均不断升高。ROC22和云瑞12-263的抗氧化酶活性高于云蔗11-1074和粤甘52号，较高的抗氧化酶活性有助于减轻干旱带来的伤害。MDA反映了细胞膜遭受破坏的程度，云蔗11-1074的MDA含量较高，说明其细胞膜遭破坏程度较为严重。干旱胁迫导致各品种渗透物质含量提升，如脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白。研究发现干旱条件下植物通过自身糖类的代谢以增强细胞的保水能力，使植物能够在逆境中更好生存[7]。云瑞12-263在遭受严重胁迫时，其可溶性糖含量在4个品种中含量最高，有利于植物抗旱。植物在失水时会产生可溶性蛋白进行保护，本研究发现，随着干旱胁迫的进行，在干旱6 d时4个品种的可溶性蛋白达到最高，在干旱10 d时除粤甘52号外其它3个品种可溶性蛋白含量为最低值，其中粤甘52号下降幅度最大而云瑞12-263下降幅度最小，说明胁迫导致蛋白酶活性迅速提高，加速了蛋白质的水解。

4 结 论

4个甘蔗品种的抗旱性排序为云瑞12-263>ROC22>云蔗11-1074>粤甘52号。ROC22作为主栽品种，其光合作用能力、应对干旱的反应速度以及受干旱胁迫后的恢复能力均表现较好。较ROC22而言，云瑞12-263具有最强的抗旱能力，在干旱胁迫下光合作用能力强，具有较高的抗氧化酶活性，但是在正常供水条件下绿叶率以及光合作用较差。粤甘52号属于高光效甘蔗品种，绿叶率高、光合作用强且生长速度快，在干旱条件下却易受到很大影响，严重损失光合及生长能力；云蔗11-1074在正常及干旱胁迫下，光合作用和生长能力均未有较好表现。因此，在进行抗旱育种时，干旱胁迫下甘蔗的光合能力应值得重点研究。