不同品种小粒咖啡幼苗对干旱胁迫的响应差异

陈凯+刘经伦+徐玲+柴连周+汪建云+李晓娇+杨春贵

摘要：以云南热区广泛种植的小粒咖啡品种铁毕卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗为材料，比较了3种小粒咖啡幼苗在干旱胁迫下的受伤害程度、根系与渗透调节响应差异，并基于相关指标变化进行聚类分析。结果显示，干旱胁迫过程中铁毕卡的丙二醛（malondiadehyde，简称MDA）含量最高，其质膜受损害最严重；3个品种的根系体积变化差异不显著，但卡蒂姆系列的根冠比大于铁毕卡；铁毕卡的渗透调节物质积累早于卡蒂姆系列，其中脯氨酸含量高于卡蒂姆系列，可溶性糖含量小于卡蒂姆系列。聚类分析结果显示，卡蒂姆_1与卡蒂姆_2聚为一类，铁毕卡单独聚为一类，这一关系与3个品种的亲缘关系一致。结果表明，小粒咖啡卡蒂姆系列耐旱力强于铁毕卡；不同小粒咖啡品种对干旱胁迫的响应存在差异，这种差异与耐旱力有关，而耐旱力应该与亲缘关系有关。

关键词：小粒咖啡；干旱胁迫；幼苗；渗透调节；聚类分析；耐旱力

中图分类号： S571.201 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2017）18-0145-04

收稿日期：2016-04-06

基金项目：云南省应用基础研究计划（编号：2014FD057、2015FD056）；云南省保山市第一批青年学术和技术带头人（编号：bszqnxshjsdtr2012-04）

作者简介：陈 凯（1985—），男，湖南邵阳人，硕士，助教，主要从事植物生理生态研究。Tel：（0875）3115198；E-mail：kchen1985@163.com。 小粒咖啡（Coffea arabica L.）为茜草科（Rubiaceae）咖啡属（Coffea L.）小灌木，喜阴凉、潮湿环境[1-3]，对干旱敏感[4]。干旱下小粒咖啡的形态、生理代谢发生改变，产量降低，甚至死亡。干旱抑制小粒咖啡苗生长，降低生长速率[5-6]，使其株高[7]、叶面积[8-10]、鲜质量[8]、根系体积[7]及节间长度[7]降低；生物量分配发生改变，根与茎中分配增加，叶中减少[6，11]。干旱降低小粒咖啡叶片水势[1，10，12]、相对含水量[8]，导致萎焉[10，12]，同时叶片气孔导度[13]、叶绿素含量[14-15]、电子传递链效率[15]、光合速率[14]、淀粉含量[13]及蒸腾速率[13]都降低。咖啡树在干旱下新叶减少、老叶提前脱落、挂果枝缩短、顶稍枯死、花质量降低、花器发育和幼果形成受阻[16]、咖啡豆变黄以及种子变黑、衰弱[17]。干旱可使小粒咖啡碳、氮代谢[1]及有机物积累[18]异常，因此旱区的咖啡产量低[19]。在旱地小粒咖啡幼苗移植成活率低，春旱或初夏干旱常出现死苗或僵苗的现象[20]。干热区小粒咖啡因降雨不足、干燥度大，常出现落花落果、枯枝及干果[21]等问题。

云南小粒咖啡因其高品质而闻名世界，是云南热区重要的经济作物，目前云南生产性种植的小粒咖啡品种有铁毕卡（Typica）及卡蒂姆（Catimor）系列等[22]。笔者前期的研究表明，干旱胁迫对小粒咖啡幼苗造成伤害，幼苗对干旱胁迫产生强烈响应，幼苗抗旱性的形成与渗透调节物质、抗氧化酶活性密切相关[23]。但小粒咖啡不同品种的耐旱力尚不清楚，本研究拟通过比较不同小粒咖啡品种对干旱胁迫响应的差异，评估不同品种的耐旱力，并试图探明响应差异的大小与品种间亲缘关系的远近是否一致，对小粒咖啡育种及农业生产具有一定意义。

1 材料與方法

1.1 材料

选用云南热区大面积种植的小粒咖啡品种铁毕卡、卡蒂姆78677（卡蒂姆_1）及卡蒂姆7963（卡蒂姆_2）作为试验材料，小粒咖啡种子由云南省农业科学院热带经济作物研究所与云潞咖啡股份有限公司提供；所用试剂有酸性茚三酮、脯氨酸、蒽酮及浓硫酸等，均为国产或进口分析纯；主要仪器有紫外-可见光分光光度计等。

1.2 方法

1.2.1 小粒咖啡种子萌发及幼苗培养 幼苗培养时间为2015年3—10月，用10% H2O2将咖啡种子消毒30 min，再用无菌水（室温）冲洗3次。浸种24 h后随机分别播种在3块苗圃中，播种深度为1.5 cm，苗圃白天最高温35 ℃，晚上最低温15 ℃，待幼苗出土后再培育50 d，幼苗培育过程中每3 d喷洒1次水，每块苗圃每次1 L。

1.2.2 干旱胁迫处理及取材 对苗圃中的小粒咖啡幼苗进行自然干旱胁迫（持续不浇水）处理15 d，每3 d取1次材料，将根、茎、叶分开，并用电子天平称质量。

1.2.3 相关形态指标测定 用水位取代法[24]测定根系体积，称质量法[24]测定根冠比。

1.2.4 相关生理指标测定 用硫代巴比妥酸法[25]测定丙二醛含量，蒽酮比色法[24]测定可溶性糖含量，磺基水杨酸法[26]测定脯氨酸含量。

1.2.5 数据处理及分析 每组试验重复3次，用R3.2.1的stat包做两因素方差分析、多重比较及作图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对3种小粒咖啡幼苗的伤害

干旱胁迫引起植物体缺水，导致次生氧化胁迫，氧化细胞膜中的不饱和脂肪酸生成丙二醛（malondiadehyde，简称MDA），改变细胞膜的通透性[27]，因此干旱胁迫下的膜伤害是干旱伤害的本质之一[28]。抗旱品种在干旱胁迫下质膜受伤害程度低[28]。为比较干旱胁迫对3种小粒咖啡幼苗的伤害程度，本研究分别测定干旱胁迫过程中3种幼苗叶片MDA含量的变化。由图1-A可看出，随着胁迫强度增加，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、铁毕卡幼苗叶片MDA含量都呈现不断上升的趋势；两因素方差分析表明，小粒咖啡品种（F=7.606，P=0001 4）、胁迫强度（F=84.14，P≈0）极显著影响幼苗叶片MDA含量；多重比较结果表明，干旱胁迫6 d铁毕卡叶片MDA含量显著（P=0.04）高于卡蒂姆_2，为卡蒂姆_2的135倍，在胁迫0、3、9、12、15 d，铁毕卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2两两之间MDA含量差异不显著（P>0.05）。基于胁迫过程中MDA含量变化，对3个品种聚类分析结果（图1-B）表明，卡蒂姆_1与卡蒂姆_2聚为一类，铁毕卡单独聚为一类。endprint

2.2 3种小粒咖啡幼苗根系对干旱胁迫的响应

根系发达程度是衡量作物抗旱的重要指标，发达的根系提高作物吸水效率，从而缓解旱情[28]。有研究表明，根系发达程度与作物的抗旱力呈正相关[28]。由图2-A可看出，随着胁迫强度的增加，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、铁毕卡幼苗根系体积呈现先上升后下降的趋势；两因素方差分析表明，小粒咖啡品种（F=6.383，P=0.005 8）、胁迫强度（F=26.129，P≈0）极显著影响幼苗根系体积；多重比较结果表明，在胁迫0～15 d，铁毕卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2两两之间根系体积差异不显著（P>0.05）。但聚类分析结果（图2-B）表明，卡蒂姆_1与卡蒂姆_2聚为一类，铁毕卡单独聚为一类，卡蒂姆_1与卡蒂姆_2的根系体积对干旱胁迫的响应方式更接近。

根冠比是指植物地上部分与地下部分生物量的比值，较高的根冠比表明植物有发达的根系，故作物根冠比与抗旱力呈正相关[28]。由图3-A可看出，干旱胁迫过程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、铁毕卡的幼苗根冠比，随胁迫强度增加呈现先上升后下降的趋势，卡蒂姆_1与卡蒂姆_2在胁迫12 d幼苗根冠比达到峰值，铁毕卡在胁迫9 d达到峰值；两因素方差分析表明，小粒咖啡品种（F=8.43，P=0.005 8）、胁迫强度（F=20.45，P≈0）极显著影响幼苗根冠比；多重比较结果表明，在胁迫0、3、6、9 d，铁毕卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2两两之间根冠比差异不显著（P>0.05），在胁迫12、15 d，卡蒂姆_1与卡蒂姆_2幼苗根冠比都显著（P005）。聚类分析结果（图3-B）表明，干旱胁迫过程中卡蒂姆_1与卡蒂姆_2幼苗的根冠比变化相对于铁毕卡更接近。

2.3 3种小粒咖啡幼苗主要渗透调节物质对干旱胁迫的响应

渗透调节指植物在干旱胁迫下，通过代谢活动增加细胞内的溶质浓度，降低渗透势，从而保持细胞中的水分以维持正常生命活动，脯氨酸、可溶性糖等是主要的细胞渗透调节物质[28-29]。一般认为，耐旱品种比不耐旱品种渗透调节能力更强[28]。

脯氨酸不仅能提高細胞的保水能力，还能保护酶结构，维持酶活性[30]。作物在干旱条件下会积累大量脯氨酸，且不同

品种积累量有差异[29]。由图4-A可看出，干旱胁迫过程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、铁毕卡幼苗叶片脯氨酸含量随胁迫强度增加呈现先上升后下降的趋势，3个品种的叶片脯氨酸含量均在胁迫12 d达到峰值；两因素方差分析表明，小粒咖啡品种显著（F=3.515，P=0.038）、胁迫强度极显著（F=29.67，P≈0）影响叶片脯氨酸含量；多重比较结果表明，在胁迫6 d，铁毕卡叶片脯氨酸含量显著（P=0.04）高于卡蒂姆_1，为卡蒂姆_1的1.18倍，而铁毕卡与卡蒂姆_2、卡蒂姆_1与卡蒂姆_2差异都不显著（P>0.05），在胁迫0、3、9、12、15 d，3个品种两两之间脯氨酸含量差异均不显著（P>0.05）。由图4-B可看出，干旱胁迫过程中卡蒂姆_1与卡蒂姆_2幼苗的脯氨酸含量变化更接近。

可溶性糖在细胞内含量高、种类多，是细胞渗透调节的主要贡献者，还原性的可溶性糖如海藻糖，同时具有保护酶、细胞结构的作用[31]。由图5-A可看出，干旱胁迫过程中，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2、铁毕卡幼苗叶片可溶性糖含量呈先上升后下降的趋势，都在胁迫9 d可溶性糖含量达到峰值；两因素方差分析表明，小粒咖啡品种（F=9.423，P=0.000 4）、胁迫强度（F=14.559，P≈0）均极显著影响叶片可溶性糖含量；多重比较结果表明，在胁迫9、12、15 d，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的可溶性糖含量均显著（P0.05）。图5-B基于胁迫过程中可溶性糖含量变化聚类，结果表明，卡蒂姆_1与卡蒂姆_2聚为一类，铁毕卡为另一类。

3 讨论

质膜透性变化实际上反映了作物的耐旱性，是一种可靠的抗旱鉴定指标[28]，已有的研究表明，作物耐旱品种在干旱下质膜结构更稳定[32]。干旱对小粒咖啡幼苗造成伤害，导致其细胞膜通透性增加、电解质外渗及MDA含量增加[23]。本研究表明，干旱胁迫引起铁毕卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗的细胞质膜损伤，胁迫强度越大质膜受损伤程度越大，胁迫过程中铁毕卡幼苗受伤害程度越大。

作物对干旱胁迫作出响应，但由于品种间耐旱力的差异而应答方式不一致[33]。干旱下小粒咖啡生物量分配发生改变，地下生物量增加，地上生物量减少[6，11]。本研究结果表明，铁毕卡、卡蒂姆_1及卡蒂姆_2幼苗根系体积、根冠比在干旱胁迫早期增加，胁迫后期减小；胁迫过程中品种间根系体积变化差异不显著（P>0.05），卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的根冠比大于铁毕卡，表明卡蒂姆_1、卡蒂姆_2的地上生物量比铁毕卡少，水分蒸腾量相对较低，对土壤水分的需求也较低。作物叶片中的有机渗透调节物质可对干旱胁迫作出强烈响应[23，28]。干旱下小粒咖啡叶片中的脯氨酸、可溶性糖等大量积累[23]，且在胁迫的不同时期积累不同的渗透调节物质。本研究结果表明，干旱胁迫过程中铁毕卡叶片中的脯氨酸含量高于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，可溶性糖含量低于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，由于可溶性糖的含量在小粒咖啡幼苗叶片中远高于脯氨酸，故卡蒂姆_1、卡蒂姆_2具有更高的渗透调节能力，铁毕卡叶片中的渗透调节物质积累早于卡蒂姆_1、卡蒂姆_2，表明铁毕卡对干旱胁迫更敏感。综合考虑干旱对3种小粒咖啡幼苗的伤害程度及幼苗在干旱下的根系、渗透调节物质的响应，笔者认为小粒咖啡的卡蒂姆系列比铁毕卡更耐旱。

进化生态学认为不同的植物来源于共同的祖先，因此植物之间具有一定的亲缘关系，植物在进化上保守的功能性状具有相关性，亲缘关系越近则对应的功能性状越相似[34-36]。植物生理指标在植物生态学中归属于响应功能性状[37]。本研究的所有聚类结果表明，卡蒂姆_1、卡蒂姆_2聚为一类，铁毕卡单独聚为一类，这一结果与3个品种亲缘关系的远近一致，故笔者推测作物的耐旱力与亲缘关系有关，亲缘关系近则耐旱力接近，对干旱应答的方式也类似。endprint

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