干旱胁迫对2个甘蔗品种生长和生理生化特性的影响

李健 农艳丰

摘 要：为了探究干旱胁迫对甘蔗的生长和生理生化特性的影响，为甘蔗的抗旱育种和栽培技术提供理论依据，该研究对桶栽的新台糖22号（ROC22）和桂选B9（GXB9）2个甘蔗品种在伸长期进行了干旱胁迫及复水处理。结果表明，干旱胁迫严重阻碍了2个甘蔗品种蔗茎的正常生长，在恢复供水后GXB9的生长速度明显慢于ROC22，此外在干旱胁迫下GXB9叶片的叶绿素含量、叶片相对含水量和SOD活性均显著低于ROC22，并积累了较多的MDA，POD和CAT活性则两者差异不大，这些都表明从巴西引进的GXB9甘蔗品种抗旱性要弱于广西主栽的品种ROC22。

关键词：甘蔗；干旱胁迫；生长；生理生化；影响

中图分类号 S566.1 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）21-0025-05

Effects of Drought Stress on Growth，Physiological and Biochemical Characteristics of Two Sugarcane Varieties

Li Jian et al.

（Baise University，Baise 533000，China）

Abstract：In order to explore the effects of drought stress on the growth，physiological and biochemical characteristics of sugarcane，which provide a theoretical basis for drought-resistant breeding and cultivation techniques of sugarcane.Two sugarcane varieties，ROC22 and GXB9 were grown in pots，drought stress and re-watering treatments were applied at elongating stages in this study.The results showed that drought stress has seriously hindered the normal growth of two sugarcane varieties，and the growing rate of variety GXB9 was significantly slower than variety ROC22 after re-watering.In addition，the chlorophyll content，leaf relative water content and SOD activity in leaves of variety GXB9 were significantly lower than variety ROC22 and more MDA was accumulated under drought stress.And the activities of POD and CAT were little difference between two varieties.It indicates that drought resistance of variety GXB9 which was introduced from Brazil is weaker than the main variety ROC22 in Guangxi.

Key words：Sugarcane；Drought stress；Growth；Physiological and biochemical；Effect

甘蔗是世界最為重要的糖料作物之一，广泛种植于热带、亚热带地区。广西独特的温热条件使其成为我国甘蔗的主产区，但由于广西地处石山地区，耕地资源有限，多数甘蔗种植在水源缺乏的丘陵地带，干旱缺水大大影响了甘蔗的正常生长和产量的提高，从而制约了我国糖业的健康发展。研究甘蔗在干旱胁迫下的生长及生理生化特性，将有助于选育抗旱甘蔗品种以及研发更为高效的甘蔗抗旱栽培技术。

植物遭受干旱胁迫时，活性氧（ROS）会在植物体内快速积累并破坏植物的细胞膜结构，使植物的正常新陈代谢受到破坏[1]。在自身的新陈代谢不能维持ROS的正常平衡时，植物为了清除ROS并保护细胞膜免受伤害，植物体内形成了一套复杂的抗氧化系统，将多余的ROS不断清除，减少自身所受的伤害[2]。超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）和过氧化物酶（POD）都是该系统的关键酶，SOD通过催化ROS和H2O2分解过程中植物代谢产生的有毒物质的歧化来保护细胞免受ROS的侵害[3]，POD和CAT则在清除后期的H2O2中起主要作用[4]。Dalvi等[5]对鹰嘴豆进行干旱胁迫时发现，SOD和CAT活性会随着干旱胁迫的加剧而显著提高。高阳等[6]则研究发现冬小麦旗叶的SOD、POD和CAT的活性在干旱胁迫下呈先上升后下降的趋势。Wang等[7]则发现开花灌浆期的水稻在遭受干旱胁迫时，其剑叶的SOD活性始终比较稳定，且略低于正常生长的植株，CAT和POD活性则呈先上升后急剧下降的趋势。丙二醛（MDA）则是植物在遭受逆境胁迫时细胞膜膜质过氧化的产物，其含量的高低反映了植物细胞膜受伤害的程度。有研究认为，植物在遭受干旱胁迫时，其体内MDA会不断积累，但是抗旱性强的植株其体内积累的MDA更少[8]。而对于甘蔗，则有研究指出在干旱胁迫下，抗旱性较强的甘蔗品种叶片的SOD、POD和CAT含量的提高速度均显著高于抗旱性弱的品种，同时MDA含量也增长较为缓慢[9]。

桂选B9（GXB9）甘蔗品种是中国农业科学研究院甘蔗研究中心从巴西引进的甘蔗品种，具有在低氮环境下依然具有较高产量的特点[10]，但是对于其抗旱能力的研究还鲜有报道。本研究以GXB9和广西主栽且抗旱性较强的新台糖22号（ROC22）2个甘蔗品种为材料，设置不同干旱胁迫处理，研究其对甘蔗苗期、伸长期叶片抗氧化系统酶活性和渗透调节物质含量的影响，探讨各指标与甘蔗抗旱性的关系，为甘蔗抗旱育种和栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料 以巴西引进并在广西种植表现较好的GXB9和广西主栽品种ROC22蔗茎为材料。

1.2 方法 选取新鲜无病虫害且大小一致的蔗茎，砍成长度均等的单芽段，浸泡在1000倍稀释的50%多菌灵溶液里1h后捞出晾干，种植于沙床中，待蔗茎发芽长至3叶期时，选取大小一致的健康植株移栽到塑料桶中（上径32cm、下径21cm、内高27cm），栽培土以天然壤土和沙子按3∶1的比例混合，桶底留有6个直径0.5cm的圆孔。每桶种植3株，每个处理3桶，正常施肥浇水等日常管理，待其长至伸长期时（约100d）进行干旱胁迫处理，后恢复浇水，在干旱胁迫后的2、5、7d和复水后的2、5d时对叶片（+1叶）进行取样，贴好标签后保存于冰箱中备用。

1.3 指标的测定

1.3.1 生长指标 在进行干旱胁迫前和恢复浇水后15d，分别测定甘蔗植株的茎高（基部至+1叶，每个处理测5株取平均值）。

1.3.2 生理生化指标 叶片叶绿素含量的测定用丙酮乙醇（2∶1）浸提法[11]，叶片相对含水量的测定参照张风娟等[12]的方法，SOD、POD、CAT和MDA含量用ELISA试剂盒进行测定[13]，每个处理3次重复。

2 结果与分析

2.1 干旱和复水对甘蔗生长的影响 从图1可以看出，干旱胁迫前，2个甘蔗品种的处理植株和对照植株之间的株高差异较小，经过干旱胁迫处理并恢复正常浇水15d后，2个甘蔗品种的对照植株的茎高均显著高于干旱胁迫植株，而品种间则是ROC22的茎高增长较快，GXB9的对照和干旱胁迫处理植株的茎高增长率分别为40.37%和26.74%，ROC22则分别为46.85%和36.13%。干旱胁迫对于GXB9品种茎高的增长率的限制程度显著大于ROC22，这表明GXB9甘蔗受干旱胁迫的影响更大，植株的正常代谢受到了极大的破坏。

2.2 干旱和复水对甘蔗生理生化特性的影響

2.2.1 干旱和复水对甘蔗叶片叶绿素含量的影响 由图2可知，正常生长条件下，2个甘蔗品种叶片的叶绿素含量差异不大，均在4mg/g左右，随着干旱胁迫程度的加剧，2个甘蔗品种叶片的叶绿素含量急剧下降，恢复浇水后又逐渐得到恢复。其中GXB9品种的下降幅度更大，在干旱胁迫7d时其叶片叶绿素含量已降至0.42mg/g，而ROC22则依然维持在1mg/g以上，并且复水后GXB9叶片叶绿素的恢复速度也较慢，持续的干旱导致了其叶片正常产生叶绿素的能力大大减弱，重新浇水后的恢复速度也较为缓慢。

2.2.2 干旱和复水对甘蔗叶片相对含水量的影响 甘蔗是一种高光效的C4作物，其叶片较长，含水量也较多，正常状态下，其叶片相对含水量在80%以上，随着干旱胁迫的加剧，2个品种叶片的相对含水量逐渐降低，特别是GXB9在干旱胁迫7d时，其叶片相对含水量已降至39.77%，而ROC22则依旧达到47.85%。恢复浇水后，2个品种的叶片相对含水量也快速回升，但是ROC22的回升速度更快，在复水5d时已接近恢复至正常水平（图3）。

2.2.3 干旱和复水对甘蔗叶片MDA含量的影响 由图4可知，2个甘蔗品种叶片的 MDA含量在干旱胁迫下急剧升高，到干旱胁迫7d时，ROC22和GXB9叶片的MDA含量分别是对照的3.69倍和4.85倍。复水后，MDA含量均有所降低，但仍维持了较高的水平，至复水5d时，ROC22和GXB9叶片的MDA含量分别是对照的1.57倍和2.09倍。干旱胁迫极大地促进了MDA在甘蔗叶片中的积累，并且恢复浇水后也短期内难以降低至正常水平，可见干旱对甘蔗叶片膜结构造成了严重的破坏，而这2个甘蔗品种叶片中MDA含量在干旱胁迫及复水各阶段均呈显著差异，表明这2个品种对干旱胁迫的应答能力存在差异。

2.2.4 干旱和复水对甘蔗叶片SOD活性的影响 由图5可见，2个甘蔗品种叶片SOD活性在干旱初期仅有少量的上升，但是在干旱5d和7d时均有显著的上升，维持了较高的活性，其中ROC22的上升幅度更为明显，在干旱胁迫5d和7d时分别达到对照的2.14倍和2.34倍，GXB9则分别为1.54倍和1.64倍。当恢复浇水后，它们的活性又逐渐降低至正常水平，这可能是甘蔗叶片的一种适应机制。

2.2.5 干旱和复水对甘蔗叶片POD活性的影响 从图6可以看出，2个甘蔗叶片的POD活性对干旱胁迫的敏感度不像SOD那么明显，在干旱胁迫的2d和5d时并未有大幅提高，到7d时才有较为明显的上升，但是在恢复浇水后的2d和5d时其活性均大大低于正常水平，且2个品种间在各处理仅有复水2d时有显著差异。

2.2.6 干旱和复水对甘蔗叶片CAT活性的影响 由图7可知，在干旱胁迫及复水阶段，2个甘蔗品种叶片的CAT活性逐渐升高，其中ROC22在干旱胁迫7d和复水2d时其活性相当，到复水5d时又迅速降低；而GXB9到第7天时达到最大值后逐渐降低至比CK略高的水平，2个品种在各个处理阶段则是仅在复水2d后有显著差异。

3 讨论

植物应对干旱胁迫时，其正常生长会受到不同程度的影响。对于甘蔗来说，蔗茎是最终的收获产品，蔗茎中含有大量水分，干旱胁迫造成蔗茎供水不足，会影响蔗茎的正常伸长。本试验中，2个甘蔗品种在经历了7d的干旱胁迫后，尽管恢复了正常供水，但是其生长已经受到了严重的影响，蔗茎伸长量显著低于对照，且2个品种中GXB9受干旱的影响程度更为明显（图1），表明干旱对该品种甘蔗植株造成的伤害更为严重。

甘蔗是原产于热带的作物，其对光照有很高的需求，叶片作为其光合作用的最主要器官，叶片内的叶绿素对增加光合反应能力起着重要作用[14]。叶绿素是植物基本的色素之一，叶绿素浓度的降低会导致叶片萎黄，降低植物的生长速度同时影响了产量[15]。渗透胁迫下叶片中的叶绿素水平可以反映出其光合作用的能力，叶绿素含量较高可以防止细胞过度脱水，保护细胞膜系统，维持细胞内膜结构的稳定性[16，17]，RWC是植物水分状况的重要指标，它反映了植物叶片组织供水与蒸腾速率之间的平衡状况，被认为是评估干旱胁迫下植物抗旱性的重要指标[18]。从本研究图2和图3可以看出，在干旱胁迫下，ROC22甘蔗叶片中叶绿素含量显著高于GXB9，RWC的降低程度则显著低于GXB9，并且恢复浇水后叶绿素RWC的回升速度也均较快，这意味着ROC22甘蔗品种可以更有效地增强光合能力以及流失更少的水分以调节干旱胁迫下其叶片细胞的渗透压，表现出更强的抗旱性。

MDA在植物组织中的积累也是ROS毒性作用影响的表现，并且可用于评估ROS介导的植物损伤[19]。干旱胁迫下，2个甘蔗品种叶片的MDA含量急剧上升，甘蔗叶片的细胞膜受到了极大的损害，以至于恢复供水后其含量依旧维持在较高水平（图4）。SOD、POD和CAT是植物细胞防御系统的关键酶，尤其是SOD更被认为是植物界最强大的抗氧化剂之一，其主要作用是通过将2个超氧化物分子转化为2个H2O2来应对氧化应激，从而维持植物的正常生理过程[20]。在本研究中，甘蔗叶片中SOD活性在干旱胁迫下显著增高，其中ROC22的增加幅度更大（图5）；POD和CAT活性则未表现出过大的增长，2个品种间的差异也有所减小（图6、7），这也反映出SOD才是植物抗旱防御系统中的首道防线，POD和CAT仅仅起到了次要的协同作用。干旱胁迫下，ROC22甘蔗叶片内积累了更少的MDA和具有更高的SOD活性，表明该品种更能有效地启动防御系统，减少干旱造成的伤害程度。

4 结论

本研究结果显示，干旱胁迫对甘蔗的正常生长和生理生化代谢都造成了重要影响。2个甘蔗品种在干旱胁迫下，GXB9叶片的叶绿素含量、叶片相对含水量和SOD活性显著低于ROC22，并积累了较多的MDA，POD和CAT活性则两者差异不大；在恢复供水后，GXB9蔗茎的生长速度更慢，表明从巴西引进的GXB9优良甘蔗品种，其抗旱性要弱于广西主栽的新ROC22。

参考文献

[1]Mittler R，Vanderauwera S，Gollery M，et al.VanBreusegem.Reactive oxygen gene network of plants[J].Trends in Plant Science，2004，9：490–498.

[2]Uzilday B，Turkan I，Sekmen A H，et al.Comparison of ROS formation and antioxidant enzymes in Cleome gynandra（C4）and Cleome spinosa（C3）under drought stress[J].Plant Science，2012，182：59-70.

[3]Kim M D，Kim Y H，Kwon S Y，et al.Enhanced tolerance to methyl viologen-induced oxidative stress and high temperature in transgenic potato plants overexpressing the CuZnSOD，APX and NDPK2 genes[J].Physiologia Plantarum，2010，140（2）：153-162.

[4]Blokhina O，Virolainen E，Fagerstedt KV.Antioxidants，oxidative damage and oxygen deprivation stress：a review[J].Ann Bot，2003，91（2）：179-194.

[5]Dalvi U S，Naik R M，Lokhande P K.Antioxidant defense system in chickpea against drought stress at pre- and post- flowering stages[J].Indian Journal of Plant Physiology，2018，23（1）：16-23.

[6]高陽，黄玲，李新强，等.开花后水分胁迫对冬小麦旗叶光合作用和保护酶活性的影响[J].水土保持学报，2013，27（4）：201-206.

[7]Wang Y，Xu C，Zhang B，et al.Physiological and proteomic analysis of rice （Oryza sativa L.）in flag leaf during flowering stage and milk stage under drought stress[J].Plant Growth Regulation，2017，82（2）：1-18

[8]宋丹华，黄俊华，王丰，等.铃铛刺苗期对持续干旱胁迫的生理响应[J].江苏农业科学，2016，45（5）：292-295.

[9]Do Thanh Trung，李健，张风娟，等.干旱胁迫下不同甘蔗品种叶片抗氧化酶活性和渗透调节物质含量的变化[J].热带作物学报，2018，39（5）：858-866.

[10]张艳梅，杨丽涛，李翔，等.不同氮水平对三个甘蔗品种氮代谢关键酶活性及相关活性物质含量的影响[J].南方农业学报，2015，46（5）：766-771.

[11]明华，胡春胜，张玉铭，等.浸提法测定玉米叶绿素含量的改进[J].玉米科学，2007，15（4）：93-95.

[12]张风娟，李健，杜成忠，等.不同甘蔗品种叶片气孔对水分胁迫的响应[J].广西植物，2014（6）：821-827.

[13]李健，杜成忠，王露蓉，等.甘蔗△1-吡咯啉-5-羧酸合成酶基因转化烟草的抗旱性分析[J].华中农业大学学报，2018，37（2）：34-42.

[14]Dhindsa R，MatoweW.Drought tolerance in two mosses：Correlated with enzymatic defense against lipid peroxidation[J].Journal of Experimental Botany，1981，32（1）：79-91.

[15]Jangpromma N，Kitthaisong S，Lomthaisong K，et al.A proteomics analysis of drought stressresponsive proteins as biomarker for drought-tolerant sugarcane cultivars[J].Am J BiochemBiotechnol，2010，6：89-102.

[16]Zhang H，Mao X，Wang C，et al.Overexpression of a common wheat gene TaSnRK2.8 enhances tolerance to drought，salt and low temperature in Arabidopsis[J].PLOS One，2010，5（12）：e16041

[17]Mao X，Zhang H，Tian S，et al.TaSnRK2.4，an SNF1-type serine/threonine protein kinase of wheat （Triticum aestivum L.），confers enhanced multistress tolerance in Arabidopsis[J].J Exp Bot，2010，61（3）：683–696.

[18]Lugojan C，Ciulca S.Evaluation of relative water content in winter wheat[J].Journal of Horticulture Forestry and Biotechnology，2011，15：173-177.

[19]Phan T T，Sun B，Niu J Q，et al.Overexpression of sugarcane gene SoSnRK2.1，confers drought tolerance in transgenic tobacco[J].Plant Cell Reports，2016，35（9）：1891-1905.

[20]Amini H，Arzani A，BahramiF.Seed yield and some physiological traits of saf?ower as affected by water de?citstress[J].Int J Plant Prod，2013，7：597-614. （责编：张宏民）