干旱胁迫下蛋白激发子AMEP对绿豆和红小豆生理代谢的影响

王思文刘权殷奎德

(1.黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江八一农垦大学生命科学技术学院，黑龙江 大庆 163319)

中国是食用豆的主要生产国和进出口国，主要种植有绿豆、红小豆、豌豆等[1]。干旱是影响食用豆产量与品质的主要自然灾害，不仅会损坏叶片的光合系统，还会降低抗氧化酶活性、产生氧化损伤，严重时会导致植株死亡。因此，在干旱过程中采取相应的调控技术和措施提高植株的抗旱性，对食用豆的实际生产具有重要意义。

蛋白激发子作为生物源激发子，能够通过信号识别和转导激活植物产生防卫反应，调节植物生长代谢，进而提高植物的抗逆能力，促进植物生长[2，3]。以往研究中，蛋白激发子诱导植物产生的抗性，不仅限于病虫害等生物胁迫，还包含干旱、盐碱、低温等非生物胁迫[4-8]。AMEP蛋白是本实验室从枯草芽孢杆菌中分离鉴定的新型蛋白激发子[9]。前期研究表明，AMEP蛋白能够引发植物的过敏反应，激发植物免疫系统，提高植物体内相关防卫基因的表达，进而提高植物对病害的抗性[10]。然而，关于该AMEP蛋白在植物抗旱性方面的研究还未见报道。

为了验证AMEP蛋白对植物抗旱性的提升作用，本试验以绿豆和红小豆为材料，研究干旱胁迫下AMEP蛋白处理对其植株生物量、光合参数、叶绿素荧光参数以及抗氧化酶活性的影响，以期为AMEP蛋白在提高食用豆抗旱性的理论和技术方面提供一定科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试绿豆、红小豆品种分别为中绿4号、冀红16号。蛋白激发子AMEP浓度为0.05 mg/mL。

1.2 试验设计与方法

分别选择饱满且大小均一的绿豆和红小豆种子，用5%次氯酸钠浸泡消毒20 min，再用蒸馏水冲洗3次。于2021年6月在黑龙江八一农垦大学杂粮中心室内采用土培盆栽方式进行试验。打孔塑料盆上口径9.0 cm，下口径5.5 cm，高17.5 cm。

试验采用水分控制法(参照马春业等[11]的方法)设置3个处理:正常水分处理(CK，土壤含水量的75%～80%)、干旱处理(DS，土壤含水量的40%～50%)及干旱＋蛋白处理(ADS)。每盆种植5株，每个处理重复3次。前期水分管理一致，幼苗期(两叶一心)开始控水处理并同时喷施AMEP，每天傍晚用土壤称重法[12]测定土壤含水量，并根据测定结果补充水分到试验设定水平。控水处理共进行5天，随之取样测定农艺性状。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 农艺性状 取出植株洗净后用卷尺测量绿豆、红小豆株高，用根系扫描仪(方科植物根系分析仪FK-G101)测定根长、根表面积。将植株分为地上部和地下部，采用直接测量法称其鲜重，重复3次，每个重复4株。

1.3.2 叶绿素相对含量 在取样前一天上午10时左右，采用Minolta SPAD 502便携式叶绿素仪测定倒三叶的叶绿素相对含量(SPAD值)。

1.3.3 叶绿素荧光参数 在取样前一天上午10时左右，采用便携式叶绿素荧光仪(FMS-2，Hansatech，England)测定倒三叶的叶绿素荧光参数(初始荧光Fo、最大荧光产量Fm)，取平均值。

1.3.4 光合参数 在取样前一天上午10时左右，采用Li-6400便携式光合作用测定仪(Li-6400，美国)测定第二片叶的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间二氧化碳浓度(Ci)。

1.3.5 抗氧化酶指标 取绿豆、红小豆倒三叶速冻于液氮中，随后转入-80℃超低温冰箱中保存。待样品全部收集完毕后，采用紫外吸收法[13]测定过氧化氢酶(catalase，CAT)活性，愈创木酚法[14]测定过氧化物酶(peroxidase，POD)活性，NBT光还原法[15]测定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2013整理数据，SPSS 22.0软件分析数据，Origin 9.0软件绘图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下AMEP蛋白对绿豆和红小豆植株生长特性的影响

从图1可以看出，喷施AMEP蛋白后两种食用豆的萎蔫程度相对减轻，干旱产生的胁迫也明显缓解。与正常供水(CK)相比，干旱胁迫下两种食用豆的株高、地上地下部生物量均有所降低。

图1 干旱胁迫下AMEP蛋白对绿豆(A)和红小豆(B)植株形态的影响

由表1可以看出，干旱胁迫下喷施AMEP蛋白处理(ADS)绿豆和红小豆株高均显著低于CK，分别降低18.72%和19.20%，但较DS株高增长60.70%和43.32%。ADS处理两种食用豆的单株地上部生物量较DS分别增加21.35%和84.58%，单株地下部生物量较DS分别增加212.36%和89.36%，均达到显著水平。说明干旱胁迫下喷施AMEP蛋白会显著提高两种食用豆幼苗的株高、地上地下部生物量。

表1 干旱胁迫下AMEP蛋白对植株生长的影响

干旱胁迫下绿豆幼苗根长和根表面积比CK分别降低25.39%、27.49%，红小豆比CK分别降低16.13%、26.62%；ADS处理绿豆和红小豆根长比DS分别增加61.89%、51.03%(P＜0.05)，根表面积比DS分别增加70.21%、72.87%(P＜0.05)。说明干旱胁迫显著抑制两种食用豆幼苗根系生长，干旱条件下喷施AMEP蛋白可显著促进两种食用豆根系生长，有效缓解干旱胁迫造成的抑制作用。

2.2 干旱胁迫下AMEP蛋白对绿豆和红小豆叶片叶绿素相对含量及荧光参数的影响

图2显示，干旱胁迫下喷施AMEP蛋白处理(ADS)绿豆和红小豆幼苗期叶片SPAD值分别较DS提高17.53%和37.31%。方差分析可知，AMEP蛋白对红小豆叶绿素含量影响显著，且对红小豆的调控效果优于绿豆，ADS与DS处理间差异均达显著水平。

图2 干旱胁迫下AMEP蛋白对叶片叶绿素相对含量的影响

由表2可以看出，干旱胁迫使绿豆和红小豆光系统Ⅱ(PSⅡ)潜在活性(Fv/Fo)下降，绿豆降幅最大，较CK下降47.29%，红小豆较CK下降29.78%；ADS与DS处理相比绿豆和红小豆幼苗的Fv/Fo增加显著，分别增62.95%和23.42%。干旱胁迫下，绿豆和红小豆幼苗叶片最大光化学效率(Fv/Fm)也呈下降趋势(P＜0.05)，其中红小豆降幅最大，比CK下降43.04%，绿豆降幅较小，下降25.27%；干旱胁迫下喷施AMEP蛋白后绿豆和红小豆幼苗的Fv/Fm分别较DS处理提高19.72%和33.34%。这表明喷施AMEP蛋白后绿豆和红小豆幼苗在干旱胁迫下仍具有较高的光合电子传递活性，说明光合器官把所捕获的光能可以有效地转化为生物化学能。

表2 干旱胁迫下AMEP蛋白对叶片叶绿素荧光参数的影响

综上可知，干旱胁迫下喷施AMEP蛋白能显著促进两种食用豆叶片叶绿素含量和光合电子传递活性。

2.3 干旱胁迫下AMEP蛋白对绿豆和红小豆光合作用的影响

由图3可知，与DS处理相比，干旱胁迫下喷施AMEP蛋白(ADS)显著提高两种食用豆幼苗叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)，且对红小豆Pn和Tr的作用效果均优于绿豆，红小豆Pn和Tr较DS处理分别提高37.67%和32.89%，绿豆Pn和Tr较DS处理分别提高21.71%和20.85%。绿豆和红小豆ADS处理的胞间CO2浓度(Ci)均高于DS，且均达显著水平。说明AMEP蛋白可有效调控两种食用豆的光合参数、促进光合作用，从而提高抗旱性。

图3 干旱胁迫下AMEP蛋白对叶片光合参数的影响

2.4 干旱胁迫下AMEP蛋白对绿豆和红小豆抗氧化酶活性的影响

作为植物抗旱性的重要保护酶，SOD、POD和CAT可清除植物体内具有潜在危害的O2·-和H2O2，对于防御植物体内ROS伤害、清除活性氧、最大限度地减少-OH·的形成有着重要作用[16，17]。由图4可知，干旱胁迫下两种食用豆叶片SOD、POD和CAT活性均显著降低。相比DS处理，干旱胁迫下喷施AMEP蛋白(ADS)绿豆和红小豆幼苗叶片SOD活性均显著增强，绿豆增幅达44.40%；POD活性也显著增强，分别增加56.49%和46.08%；红小豆CAT活性增幅最大，为DS处理的1.75倍。说明干旱胁迫使绿豆和红小豆幼苗抗氧化酶活性降低，喷施AMEP蛋白可使两种食用豆幼苗抗氧化酶活性升高，从而缓解叶片细胞受干旱损伤的程度。

图4 干旱胁迫下AMEP蛋白对叶片SOD、POD及CAT活性的影响

3 讨论

在干旱胁迫下，植物生长变慢，其形态指标发生显著变化，变化的程度与植物的抗旱能力密切相关[18]。随着土壤含水量的减少，干旱胁迫下光合产物优先分配给根系，使得根系生长加快，地上部受到抑制[19]。本研究结果表明，干旱胁迫降低绿豆和红小豆的株高，而喷施AMEP蛋白显著促进根系生长，利于根系下扎寻求水源而吸收更多水分，从而增强植株的抗旱能力。

光合作用是植物进行有机物合成积累的过程[20]，而叶绿素是反映叶片生理活性变化的重要指标之一[21]。干旱胁迫下喷施AMEP蛋白可提高绿豆和红小豆幼苗期叶片的Pn、Gs、Tr和Ci，说明AMEP蛋白可通过关闭气孔来降低叶片蒸腾，还促进两种食用豆叶绿素含量积累。由此可知，AMEP蛋白能通过调控叶片各光合指标，进而增强两种食用豆的光合能力。

叶绿素荧光可快速检测植株在干旱胁迫下的实际光合作用情况，其变化可以反映环境对植物的影响[22]。Fv/Fm和Fv/Fo分别反映PSⅡ的最大光化学效率和潜在活性，该参数不受物种和生长条件的影响，在非胁迫条件下变化极小，而胁迫条件下明显下降[23]。本研究中，干旱胁迫下绿豆和红小豆的Fv/Fm和Fv/Fo值均出现不同程度的降低，表明干旱胁迫影响PSⅡ捕获激发能的效率和光合作用的原初反应，造成PSⅡ反应中心的部分失活和功能丧失，且随着胁迫程度的增大下降趋势更加明显。干旱胁迫下AMEP蛋白处理(ADS)绿豆和红小豆的Fv/Fm和Fv/Fo达到最大值，显著高于干旱处理(DS)。这说明干旱胁迫下喷施AMEP蛋白可提高绿豆和红小豆叶片PSⅡ反应中心的光化学活性，减少干旱胁迫对PSⅡ的损伤程度，以维持光合作用的正常进行。

干旱在减少作物体内水分、阻碍正常代谢的同时，还会引起氧化胁迫，包括超氧阴离子(O2·-)、过氧化氢(H2O2)、过氧化自由基(ROO·)和(-OH·)等在内的活性氧(ROS)物质的产生，使其引起脂质过氧化反应[24]。抗氧化酶系统是植物最重要的活性氧清除系统，其中SOD将O2·-转化为H2O2，H2O2在POD、CAT的催化下转化为水和分子氧[25]。本研究结果表明，干旱胁迫下AMEP蛋白处理(ADS)两种食用豆的SOD、POD和CAT活性均高于干旱处理(DS)，说明喷施AMEP蛋白能及时有效地清除绿豆和红小豆幼苗体内过多的超氧阴离子及其歧化产物，从而减轻植株受损程度，提高植株抗旱性。

4 结论

本研究中，与干旱处理(DS)相比，干旱胁迫下喷施AMEP蛋白(ADS处理)可提高绿豆和红小豆幼苗期植株的株高、根长、根表面积和生物量，提高两种食用豆叶片的最大光化学效率(Fv/Fm)和PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)，增加两种食用豆叶片的净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)和胞间CO2浓度(Ci)，促进两种食用豆叶片叶绿素含量积累，进而增强两种食用豆的光合作用能力。喷施AMEP蛋白还可提高干旱胁迫下两种食用豆叶片的抗氧化酶活性，降低膜脂过氧化作用。综之，喷施AMEP蛋白可以提高干旱胁迫下绿豆和红小豆幼苗的抗旱性，具备进一步开发应用的潜力。