跨代干旱锻炼对甘蔗渗透调节物质、抗氧化酶活性和内源激素含量的影响

李海碧 祝开 桂意云 韦金菊 罗晟昇 唐利球 周会 张荣华 杨荣仲 刘昔辉

摘 要：探究跨代干旱锻炼对甘蔗渗透调节物质、抗氧化酶活性和内源激素含量的影响，为甘蔗抗旱性研究提供理论基础和科学依据。以台糖172和桂糖31号为试验材料，采用桶栽试验，进行连续3代干旱锻炼，以正常浇水的相同甘蔗品种为对照，测定对照组及干旱锻炼组第3代甘蔗的渗透调节物质含量、抗氧化酶活性和内源激素含量。结果表明：渗透调节物质方面，与对照组相比，经跨代干旱锻炼后，台糖172的丙二醛（MDA）含量显著增加22.0%（P<0.05，下同），桂糖31号的MDA含量略有升高但无显著差异（P>0.05，下同）；台糖172和桂糖31号的脯氨酸含量显著增加，增幅分别达83.6%和149.6%，二者可溶性蛋白含量无显著差异。抗氧化酶活性方面，经跨代干旱锻炼后，2个甘蔗品种的超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化物酶（POD）活性与对照组相比均无显著差异；台糖172的过氧化氢酶（CAT）活性显著增加66.7%，桂糖31号显著降低50.18%。内源激素方面，经跨代干旱锻炼后，台糖172和桂糖31号的吲哚乙酸（IAA）和赤霉素（GA3）含量显著降低；检测的6种细胞分裂素中，台糖172的6-苄氨基腺嘌呤（6-BA）含量显著降低，其他5种细胞分裂素无显著差异；桂糖31号的反式玉米素核苷（TZR）、N6-异戊烯基腺苷（IPA）和6-BA含量与对照组相比显著增加，异戊烯基腺嘌呤（IP）、反式玉米素（TZ）和激动素（KT）含量无显著差异；2个甘蔗品种的脱落酸（ABA）和1-氨基-环丙烷羧酸（ACC）含量显著增加。可见，经跨代干旱锻炼的甘蔗再次受到干旱胁迫时能产生相应的生理反应来提高自身的耐旱能力。

关键词：甘蔗；跨代干旱锻炼；渗透调节物质；抗氧化酶活性；内源激素含量

中图分类号：S566.1                              文献标识码：A 文章编号：2095-820X（2023）02-0006-04

0 引言

甘蔗是我国重要的糖料作物。广西甘蔗种植面积占全国的60%以上，超过90%的甘蔗种植在干旱、贫瘠的旱坡地［1］，加上降水分配不均，季节性干旱严重，旱害已成为限制甘蔗生产的主要环境因子。为减轻干旱带来的伤害，干旱条件下甘蔗自身会产生保护性物质和一系列生理生化变化，主要包括渗透调节、抗氧化调节、内源激素调节等［2］。此外，为减轻干旱对甘蔗生长和产量的影响，生产中也可通过各种途径提高甘蔗的抗旱能力。研究表明，經过干旱锻炼的植物，再次经历干旱胁迫时会表现出较经历第一次胁迫更强的抗旱能力。关于甘蔗的此类研究大多集中在一次干旱胁迫［3］、一次干旱胁迫后复水［4，5］和当代多次干旱胁迫处理［6，7］对甘蔗生理特性和抗旱能力的影响，而跨代干旱锻炼对甘蔗影响的研究尚未见报道。因此，本研究拟通过对甘蔗进行连续3代干旱锻炼，探究跨代干旱锻炼对甘蔗抗氧化酶活性、渗透调节物质和内源激素含量的影响，为甘蔗抗旱性研究提供理论基础和科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用甘蔗品种为台糖172和桂糖31号。台糖172由台湾糖业科学研究所育成，其亲本为台糖153×台糖152，于1982年引入广西种植，该品种表现中小茎、中熟、丰产、高糖，57号毛群发达，抗旱、耐瘠瘦，宿根性好［8］，常作为抗旱性强材料用于甘蔗抗旱机理研究。桂糖31号由广西农业科学院甘蔗研究所选育，其亲本为粤糖85-177×CP81-1254，该品种表现丰产性能优良、稳产性好、宿根性强、适应性广、中熟高糖［9，10］，其抗旱性表现为中抗。

1.2 试验方法

试验在广西农业科学院甘蔗研究所玻璃温室中进行。将台糖172和桂糖31号进行单芽种茎桶栽种植，每桶种植2株，每个材料种植10桶，共20桶。甘蔗生长期间保持土壤含水量17%～20%。在甘蔗伸长期（约种植5～6个月）进行干旱处理，设对照组和干旱锻炼组，每组5桶。对照组保持土壤含水量17%～20%；干旱锻炼组停止供水后，用塑料薄膜覆盖桶表面土壤减少水分蒸发，以延长桶栽干旱时间。干旱处理期间每天监测土壤含水量，甘蔗材料干旱程度以土壤含水量为准。当干旱锻炼组土壤含水量降到7.5%时停止干旱胁迫。将经受一代干旱锻炼后的甘蔗标记为干旱驯化一代（T1），用T1代甘蔗种茎以同样的方式连续干旱锻炼并种植3代获得T3代甘蔗，当T3代甘蔗处理组达重度干旱时分别在干旱锻炼组和对照组采集甘蔗+1叶片（最高可见肥厚带部位），各设3次生物学重复。取样后立即进行液氮处理，-80 ℃冰箱保存备用。

1.3 测定指标及方法

采用苏州科铭生物技术有限公司试剂盒（微量法）测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）活性及丙二醛（MDA）、脯氨酸和可溶性蛋白含量；采用液相色谱质谱联用仪LC-MS/MS（SCIEX API4000）测定甘蔗叶片内源激素脱落酸（ABA）、赤霉素（GA3）、异戊烯基腺嘌呤（IP）、吲哚乙酸（IAA）、反式玉米素（TZ）、激动素（KT）、反式玉米素核苷（TZR）、N6-异戊烯基腺苷（IPA）、6-苄氨基腺嘌呤（6-BA）和1-氨基-环丙烷羧酸（ACC）含量。

1.4 统计分析

用Excel 2003和SPSS 20.0进行数据整理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 跨代干旱锻炼对甘蔗叶片渗透调节物质的影响

从表1可知，与未经干旱锻炼的对照组相比，经跨代干旱锻炼后台糖172的MDA含量显著增加（P<0.05，下同），增幅为22.0%，桂糖31号的MDA含量略有升高但无显著差异（P>0.05，下同）；2个甘蔗品种相比，经跨代干旱锻炼的台糖172 MDA含量显著高于桂糖31号。对照组台糖172和桂糖31号的脯氨酸含量分别为14.76和16.11 μg/g，经跨代干旱锻炼后，二者脯氨酸含量显著增加，与对照组相比增幅分别达83.6%和149.6%。与对照组相比，经跨代干旱锻炼的甘蔗可溶性蛋白含量无显著差异；但2个品种间比较，干旱锻炼组台糖172的可溶性蛋白含量显著高于桂糖31号。

2.2 跨代干旱锻炼对甘蔗叶片抗氧化酶活性的影响

植物受到干旱胁迫时体内活性氧增加，会对细胞膜造成不可逆的损伤，但植物体内的活性氧清除系统可在一定范围内抑制或减缓过氧化反应的发生，降低氧化作用对细胞免疫的伤害。由表2可知，经跨代干旱锻炼后台糖172的CAT活性与对照组相比显著升高66.7%，而桂糖31号的CAT活性显著降低50.2%；2个甘蔗品种的SOD和POD活性与对照组相比均无显著差异。

2.3 跨代干旱锻炼对甘蔗叶片内源激素含量的影响

IAA、GA3、细胞分裂素（IP、TZ、KT、TZR、IPA和6-BA）是植物生长促进激素，干旱胁迫可使其含量降低，减缓植株生长速率，以缓解水分不足对植株正常生理活动的压力。由表3可知，与对照组相比，经跨代干旱锻炼后台糖172和桂糖31号的IAA和GA3含量显著降低，IAA含量降幅分别为34.1%和25.7%，GA3降幅分别为68.3%和75.4%。检测的6种细胞分裂素中，台糖172经跨代干旱锻炼后6-BA含量与对照组相比显著降低，其他5种细胞分裂素与对照组均无显著差异；桂糖31号经跨代干旱锻炼后TZR、IPA和6-BA含量与对照组相比均显著增加，IP、TZ和KT含量无显著差异。

ABA和乙烯是抑制生长的激素，干旱胁迫可使其含量增加，其中乙烯气体难以检测，常通过检测乙烯前体ACC含量来指示植物体内乙烯的含量。由表3可知，与对照组相比，经跨代干旱锻炼后，台糖172和桂糖31号的ABA和ACC含量均显著增加，其中ABA含量增幅分别为355.6%和565.2%，ACC含量增幅分别为41.7%和167.9%。

3 讨论与结论

当植物遭受干旱胁迫时，体内发生一系列的生理生化反应来缓解干旱胁迫带来的伤害，其中渗透调节和抗氧化系统是抵御干旱的关键环节，其变化也是研究作物抗旱性的重要指标。植物渗透调节物质如MDA、脯氨酸和可溶性蛋白与调节植物细胞的渗透势有关，干旱胁迫时植物会提高渗透调节物质含量使植物细胞能维持较低的渗透势［11］。本研究中，跨代干旱锻炼后，台糖172的MDA含量较对照组显著增加22.0%，桂糖31号的MDA含量略有升高但无显著差异；台糖172号和桂糖31号的脯氨酸含量分别显著增加83.6%和149.6%，说明经跨代干旱锻炼后甘蔗能通过调节MDA和脯氨酸含量来抵御干旱胁迫，但不同甘蔗品种的调节方式可能存在差异。有研究表明，甘蔗在轻度和中度干旱胁迫时可溶性蛋白含量逐渐增加，重度干旱胁迫时反而下降［12］。本研究中，经跨代干旱锻炼后2个甘蔗品种的可溶性蛋白含量与对照组相比无显著差异，可能是由于重度干旱时甘蔗体内水解增加，水解了部分蛋白质，因此干旱组与对照组相比无显著差异。植物体内参与抗氧化保护反应的酶类主要有SOD、CAT、POD等，这些酶共同作用可将超氧阴离子自由基及H2O2转化为H2O和O2，缓解活性氧导致的氧化胁迫，从而减轻干旱胁迫对植物造成的伤害［13］。本研究结果表明，经跨代干旱锻炼后，2个甘蔗品种的SOD和POD活性与对照组相比均无显著差异；台糖172的CAT活性显著增加66.7%，桂糖31号反而显著降低50.18%。其原因可能是轻度和中度干旱有利于激发CAT、SOD和POD活性，而高强度干旱胁迫会破坏植物的自身抵御能力，导致总抗氧化力及羟自由基清除能力下降。

植物内源激素是植物在特定环境信号下诱导产生的，在极低浓度下即可发挥明显的生理效应，可单个或相互协调调控植物的生长、发育与体内代谢［14］。IAA、GA3、细胞分裂素（IP、TZ、KT、TZR、IPA和6-BA）是生长促进激素，一般来说干旱胁迫可使其含量降低，延缓植株的生长速率，以缓解水分不足对植株正常生理活动的压力。ABA和ACC为抑制性激素，可使植物的新陈代谢减缓，是植物响应干旱的重要调控信号分子［15］，以适应干旱条件下的不利环境。本研究中，经跨代干旱锻炼后，甘蔗的生长促进激素IAA、GA3和6-BA与对照组相比均显著下降，抑制生长的激素ABA和ACC均显著增加，说明经跨代干旱锻炼的甘蔗能通过调节内源激素的含量来抵御干旱。

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