不同品种藜麦幼苗对干旱胁迫和复水的生理响应

刘文瑜，何 斌，杨发荣，吕 玮，王旺田，黄 杰，魏玉明，金 茜，陈玉祥

（1. 甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，甘肃 兰州 730070；2. 甘肃农业大学农学院，甘肃 兰州 730070；3. 国家半干旱农业工程技术研究中心，河北 石家庄 050051；4. 甘肃农业大学生命科学技术学院，甘肃 兰州 730070；5. 甘肃同德农业科技集团有限责任公司，甘肃 兰州 730050）

干旱是多种环境胁迫因子之一，干旱胁迫抑制植株生长和发育，最终导致作物产量下降[1]。近年来，由于环境气候变化，干旱对农林业发展造成的危害日趋严重。因此，明确作物抗旱机理，提高作物抗旱能力，选育耐旱作物品种成为应对干旱的重要途径。理想抗旱作物品种，不但要求植物在遭受干旱胁迫过程中能够尽量减少干旱胁迫对植物的伤害，而且要求一旦有降水或灌溉，能够从干旱伤害中迅速恢复生长[2]。因此，对作物旱后复水机制进行研究，与研究作物干旱胁迫下的抗旱机制具有同等重要的意义。

干旱胁迫和复水条件下，植物在形态结构、生理和生化方面会发生一系列的适应性变化[3-4]。为了明确不同植物对干旱胁迫及复水的生理响应机制，前人对高粱(Sorghum bicolor)[5]、柑橘(Citrus reticulata)[4]、白三叶(Trifolium repens)[6]等植物做了大量研究。结果发现干旱提高了植物幼苗PSⅡ最大光化学效率，干旱到一定程度后，幼苗PSⅡ电子传递速率和光化学猝灭系数下降，另外，随着干旱胁迫时间的延长，植株幼苗丙二醛(MDA)含量增加，超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性呈先上升后下降的趋势。复水后上述各指标在不同植物中均有不同程度恢复，植株开始恢复生长。

藜麦是苋科藜亚科一年生双子叶草本植物，原产于南美洲安第斯山脉，距今已有5 000 - 7 000年的种植历史[7]。藜麦的主产国为秘鲁、玻利维亚、厄瓜多尔、智利等，近年来在美国、欧洲等国家有小面积种植。目前国内吉林、北京、河北、山西、甘肃、青海等省均有种植[8]。藜麦籽粒蛋白质含量高达16%～22%，且富含9种人体必需氨基酸，多种矿物质、维生素及膳食纤维，且低脂、低升糖、不含麸质[9]。因其丰富的营养品质，藜麦被古印加人和现代营养学家称为“粮食之母”和“营养黄金”[7]。被联合国粮农组织认定为唯一一种单体即可满足人类基本营养需求的植物[10]。藜麦具有耐旱、耐寒、耐盐碱等生物学特征[11]。我国西北地区由于草地退化、土壤次生盐渍化等问题形成大面积干旱半干旱地区[12]，种植耐旱作物是改良、利用干旱土壤最直接的模式，但目前可种植的耐旱作物品种较少，藜麦作为一种节水抗旱作物，必将在干旱土壤利用开发中发挥关键作用。前人对藜麦耐旱机理虽有研究，但对旱后复水的研究鲜见报道，对藜麦应对旱后复水的生理生化机制尚不明确，因此，本研究以4个藜麦品种为试验材料，采用盆栽控水法，对不同品种幼苗进行干旱及复水处理，分别测定干旱和复水阶段各藜麦品种幼苗叶绿素荧光参数、MDA含量、超氧阴离子(O2·-)产生速率及抗氧化酶活性，明确干旱胁迫及复水对藜麦光合生理和活性氧代谢的影响，以期为旱地藜麦的田间种植提供理论依据和实践基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料和处理

1.1.1 试验材料

试验材料共4份，分别为‘陇藜1号’、‘陇藜2 号’、‘陇藜 3 号’和‘陇藜 4 号’(试验编号分别为 L-1、L-2、L-3和L-4)，来自甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所，并为该所自育品种，千粒重分别为 2.49、2.72、2.97、2.85 和 2.78 g。

1.1.2 试验设计

该试验于2017年4月- 7月在甘肃省农业科学院温室和畜草与绿色农业研究所实验室完成。挑选大小一致、饱满且无病虫害的L-1、L-2、L-3和L-4藜麦种子，温水浸泡30 min后播种于装有2 kg沙壤土的花盆中，每盆播种20粒，播种后覆蛭石，放置于温室中，室温20～25 ℃，前后通风，自然光照，正常浇水。待幼苗长至6～8叶期时进行定苗，每盆留苗10株，定苗后进行胁迫处理。本试验设置3个处理，分别为对照，正常浇水，每2 d每个花盆浇水800 mL，使土壤含水量维持在70%～80%；干旱胁迫，不浇水，处理10 d后测定叶片叶绿素荧光动力学参数和活性氧代谢指标。复水处理，将干旱胁迫的幼苗在第11 天进行灌水处理，每个花盆浇水800 mL，处理24 h，测定指标同干旱胁迫处理。每个品种每个处理3次重复。

1.2 测定指标和方法

1.2.1 叶绿素荧光动力学参数

使用FluorPen 1.0.5.1荧光仪测定叶绿素荧光参数，选取幼苗植株上部受光一致的叶片3片，暗适应30 min后，测定初始荧光(Fo)、最大荧光(Fm)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)和非光化学猝灭系数(NPQ)。

1.2.2 生理指标

于采样日09:00 - 11:00，取幼苗植株上受光一致的叶片测定生理生化指标。其中采用乙醇丙酮法测定叶绿素含量[12]；采用硫代巴比妥酸法测定MDA 含 量[13]； 采 用羟胺 法 测定 O2·-产 生速率[14]；参照Huang等[15]的方法并稍作改动测定SOD活性；参照Shi等[16]方法测定POD活性；参照Yang等[17]方法测定CAT活性；参照Jebara等[18]的方法测定APX活性。每个指标测定3次。

1.3 隶属函数值及隶属度计算[18]

各藜麦品种的隶属函数值为：

式中：X为各藜麦某一指标的测定值，Xmin为该指标测定值的最小值，Xmax为该指标测定值的最大值。

式中：n为指标数量。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2016整理数据并做图，应用SPSS 17.0统计软件对同一处理不同品种间生理指标进行单因素方差分析(One-way ANOVA)，最小显著性差异采用Duncan法，显著性水平设定为α = 0.05，试验数据均以“平均值 ± 标准误”表示。利用双变量Pearson相关系数法对干旱胁迫和复水处理期间各项指标进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫和复水对幼苗叶片叶绿素含量的影响

干旱处理下，供试品种藜麦幼苗叶片叶绿素含量较对照(CK)均有不同程度降低，且各品种间差异显著(P ＜ 0.05)，较CK分别降低了12.24%、29.24%、13.75%和30.04% (表1)；复水处理后，各品种藜麦幼苗叶片叶绿素含量均较干旱处理升高，但未恢复到CK水平。不同品种叶绿素含量较干旱处理升高了10.90%、29.51%、3.98%和16.91%。说明干旱胁迫抑制了藜麦幼苗叶片叶绿素的合成，复水可有效缓解抑制效应。

表1 干旱胁迫及复水对藜麦幼苗叶片叶绿素含量的影响Table 1 Effects of drought stress and re-watering on chlorophyll contents of quinoa seedlings mg·g-1

2.2 干旱胁迫和复水对幼苗叶片初始荧光和最大荧光的影响

干旱胁迫下，除藜麦品种L-2外，其他各供试品种幼苗叶片初始荧光(Fo)显著降低(P ＜ 0.05) (图1)，较CK分别降低了18.03%、18.22%和7.72%，L-2幼苗叶片Fo较CK升高了49.44%，说明干旱胁迫并未对L-2藜麦品种叶片造成伤害。复水后，各供试品种叶片Fo较干旱处理均升高，除藜麦品种L-3外，其余品种均能恢复到CK水平，较CK分别升高了4.89%、5.31%和7.91%，而L-3较CK降低了3.84%，说明L-3耐旱性较差。

干旱胁迫处理下，除品种L-2外，其余各供试藜麦品种幼苗叶片最大荧光(Fm)呈降低趋势，且各品种间差异显著(P ＜ 0.05) (图1)，分别较CK降低了16.25%、18.96%和10.64%，而L-2幼苗叶片Fm较CK升高了23.70%。复水处理后，各供试品种幼苗叶片Fm较干旱处理下均有不同程度升高，且各品种间差异显著(P ＜ 0.05)，但并未恢复至CK水平。

2.3 干旱胁迫和复水对幼苗叶片PSⅡ最大光化学效率和潜在活性的影响

干旱胁迫处理下，4个藜麦品种幼苗叶片PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)较CK均下降，且各品种间差异显著(P ＜ 0.05) (图2)，分别下降了5.00%、10.43%、8.06%和4.78%。复水处理后，各品种幼苗叶片Fv/Fm较干旱处理下均有升高，且均能恢复至CK水平，其中L-1幼苗叶片Fv/Fm高于CK处理2.52%。说明干旱胁迫下藜麦幼苗叶片能有效启动光合作用的光破坏防御机制。

干旱胁迫下供试藜麦幼苗叶片潜在活性(Fv/Fo)降低，且各品种间差异显著(P ＜ 0.05)，较CK分别下降了16.84%、30.71%、25.44%和15.76%，4个品种中L-2叶片Fv/Fo最低(图2)。复水处理后，供试藜麦各品种幼苗叶片Fv/Fo均恢复至CK水平，其中L-1和L-4幼苗叶片Fv/Fo较CK升高了10.64%和0.14%。

图1 干旱胁迫和复水对藜麦幼苗叶片初始荧光和最大荧光的影响Figure 1 Effect of drought stress and rehydration on Fo and Fm of quinoa seedling leaves

图2 干旱胁迫和复水对藜麦幼苗叶片PSⅡ最大光化学效率和潜在活性的影响Figure 2 Effect of drought stress and rehydration on Fv/Fm and Fv/Fo of quinoa seedling leaves

2.4 干旱胁迫及复水对藜麦幼苗叶片非光化学猝灭系数的影响

干旱胁迫处理后，供试藜麦品种幼苗叶片NPQ升高，各品种较CK升高了75.23%、227.44%、59.71%和312.94%，且各品种间差异显著(P ＜ 0.05)(图3)；4个品种中L-3叶片NPQ最低。复水处理后，供试品种L-2和L-4幼苗叶片NPQ恢复至CK水平，且较CK升高了30.98%和36.65%，L-1和L-2只恢复至CK水平的43.30%和36.65%。

图3 干旱胁迫和复水对藜麦幼苗叶片非光化学猝灭系数的影响Figure 3 Effect of drought stress and rehydration on NPQ of quinoa seedling leaves

2.5 干旱胁迫及复水对藜麦幼苗叶片MDA含量和O2·-产生速率的影响

干旱胁迫处理下供试藜麦品种幼苗叶片MDA含量均显著升高，分别较CK升高了105.88%、62.86%、58.13%和156.20%，各品种间差异显著(P ＜0.05)，4个品种中L-4幼苗叶片MDA含量最高，L-1最低(图4)。复水处理后，各供试藜麦品种MDA含量较干旱胁迫处理均有不同程度降低，但仍高于CK，各供试品种幼苗叶片MDA含量较干旱胁迫降低了16.05%、28.31%、3.91%和20.26%，4个品种中L-4叶片MDA含量最高，L-1最低。

干旱胁迫处理下供试藜麦品种幼苗叶片O2·-产生速率升高，分别CK升高了112.51%、66.45%、130.45%和88.20%，各品种间差异显著(P ＜ 0.05)，4个品种中L-2幼苗叶片O2·-产生速率最高，L-4最低(图4)。复水处理后，各供试品种幼苗叶片O2·-产生速率较干旱胁迫处理均降低，但仍高于CK处理，4个供试品种O2·-产生速率分别较干旱胁迫处理下降了31.34%、19.87%、27.16%和40.13%，其中L-2幼苗叶片O2·-产生速率最高，L-4最低。

2.6 干旱胁迫及复水对藜麦幼苗叶片抗氧化酶活性的影响

干旱胁迫处理下各供试藜麦品种幼苗叶片SOD活性均升高，较CK处理分别升高了26.50%、3.50%、6.67%和2.44%，但各品种间差异不显著(P ＞ 0.05)，4个供试品种L-1幼苗叶片SOD活性最强，L-3最弱(图5)。复水处理后，供试品种幼苗叶片SOD活性较干旱胁迫处理下有不同程度地降低，且只恢复至CK水平的94.00%、52.95%、86.31%和68.94%，4个品种中L-1幼苗叶片SOD活性显著高于其他品种 (P ＜ 0.05)。

图4 干旱胁迫和复水对藜麦幼苗叶片MDA含量和O2·-产生速率的影响Figure 4 Effect of drought stress and rehydration on MDA contents and O2·- production rate of quinoa

图5 干旱胁迫和复水对藜麦幼苗叶片抗氧化酶活性的影响Figure 5 Effect of drought stress and rehydration on activities of SOD, POD, CAT, and APX of quinoa seedling leaves

干旱胁迫处理下各供试品种幼苗叶片POD活性均升高，较CK分别升高了163.96%、66.81%、65.09%和190.08%，4个供试品种中L-1幼苗叶片POD活性显著强于其他品种(P ＜ 0.05) (图5)。复水处理后，各供试藜麦品种幼苗叶片POD活性较干旱处理均有下降，但仍高于CK处理，各供试品种POD活性较干旱处理分别下降了13.46%、26.52%、16.57%和30.00%，其中藜麦品种L-1幼苗叶片POD活性显著高于其他品种(P ＜ 0.05)。

干旱胁迫下各供试藜麦品种幼苗叶片CAT活性均升高，较CK分别升高了20.54%、13.73%、7.66%和5.17%，4个供试品种中L-1幼苗叶片CAT活性与L-2差异不显著(P ＞ 0.05)，但显著高于L-3和L-4(P ＜ 0.05) (图5)。复水处理后，各供试品种幼苗叶片CAT活性弱于干旱处理，分别降低了0.06%、15.43%、2.86%和9.12%，但总体上未恢复至CK水平。

干旱胁迫下各供试藜麦品种幼苗叶片APX活性显著增强，较CK分别升高了178.75%、513.51%、54.29%和158.18%，4个供试品种中L-2幼苗叶片APX活性显著强于其他品种(P ＜ 0.05) (图5)。复水处理后，各供试品种幼苗叶片APX活性较干旱处理有不同程度降低，但仍高于CK处理，各品种APX活性较干旱处理降低了78.15%、64.76%、89.81%和71.86%，其中L-2幼苗叶片APX活性显著高于其他品种 (P ＜ 0.05)。

2.7 抗旱能力综合评价

2.7.1 生理指标间的相关性分析

叶绿素含量与Fv/Fo和Fv/Fm呈极显著正相关关系，与NPQ、MDA含量呈极显著负相关，与APX活性呈显著负相关(表2)；Fo与Fm呈极显著正相关关系；Fv/Fo与Fv/Fm呈显著正相关关系，与NPQ和APX活性呈极显著负相关关系；Fv/Fm与NPQ和APX活性呈极显著负相关关系；NPQ与APX呈极显著正相关关系；O2·-产生速率与APX活性呈显著正相关；POD活性与CAT活性呈显著正相关关系。因此，叶绿素含量、F、F/F、NPQ、产ovo生速率、POD、APX活性可作为藜麦耐旱性及其恢复能力评价指标。

2.7.2 隶属函数分析及综合评价

采用模糊综合评判法[19]计算个藜麦品种隶属函数值及其隶属度，隶属度大小可表明各藜麦品种耐旱性。隶属度越大，受害越轻，耐盐性越强。

供试4个藜麦品种隶属度分别为0.509、0.494、0.461和0.481，说明品种L-1抗旱恢复能力最强，L-3 最弱 (表 3)。

3 讨论

3.1 干旱胁迫和复水调控藜麦幼苗叶片叶绿素荧光参数变化

叶绿素荧光是PSⅡ功能及电子从PSⅡ传递到PSⅠ的一个指标，常被用于衡量光合系统损伤程度[20]。由于光合系统的生理状态对不同的逆境胁迫极其敏感，因此叶绿素荧光被认为是用于判定高等植物耐逆性的一种非常有效的方法[21-22]。这个有效指标被用于研究各种非生物胁迫(例如高温、低温、冻害及干旱)对光合系统、叶绿体以及光合细胞膜的影响[23-24]。张丹等[25]研究表明干旱胁迫下红松针叶和树皮绿色组织NPQ均升高，复水后红松针叶叶绿素荧光参数表现出不同程度的恢复。李晓梅等[26]研究表明干旱胁迫下两个辣椒(Capsicum annuum)品种的Fv/Fm较对照显著降低，在复水后的第1天和第3天恢复到对照水平；两个辣椒品种的NPQ在干旱胁迫下较对照升高，复水1 d后恢复到对照水平。张金政等[27]对玉簪(Hosta plantaginea)研究发现干旱胁迫处理能够降低Fv/Fm，显著提高NPQ，复水15 d后，各指标均得到不同程度的恢复。本研究结果表明干旱胁迫处理后不同品种藜麦幼苗叶片Fo、Fm、Fv/Fm及Fv/Fo均下降，复水后上述指标均恢复至CK水平。同时期不同品种藜麦幼苗叶片NPQ得到显著提高，复水处理后恢复至CK水平。说明干旱胁迫对4个藜麦品种幼苗叶片的光合作用原初反应造成损伤，且对PSⅡ造成伤害，但是这种损伤是可逆的。

表2 不同品种藜麦各指标间相关系数矩阵Table 2 Correlation coefficient matrix among various indices of different quinoa varieties

表3 各品种隶属函数值和综合评价值Table 3 Subordinative function and comprehensive evaluation of different varieties

3.2 干旱胁迫和复水调控藜麦幼苗叶片活性氧物质含量和抗氧化酶活性变化

植物在逆境胁迫下产生大量活性氧自由基会引起植物的膜脂过氧化，表现为膜脂过氧化产物MDA含量增加，同时质膜透性增强引起电解质的渗漏，导致电导率的升高，使植物代谢产生紊乱[28]。植物在干旱胁迫下可以动员SOD、POD、CAT等酶防御系统来有效清除自由基，保护细胞免受氧化伤害[29-31]。SOD作为膜保护的第一道防线，能以O2·-作为基质进行歧化反应，将毒性较强的 O2·-转化为毒性较轻的 H2O2，而 CAT将 H2O2歧化为H2O和O2，但是CAT清除H2O2的效率非常低，POD则是利用各种基质作为电子供体将H2O2还原为H2O，对CAT起协同作用[32-33]。研究表明，随着干旱胁迫的加强，棉花叶片活性氧和MDA含量增加，抗氧化酶CAT和POD活性增强，复水后活性氧物质含量和抗氧化酶活性恢复至对照水平[34]。另外，对栓皮栎(Quercus variabilis)[35]、甘蔗(Saccharum officinarum)[36]、 冰 草 (Agropyron cristatum)[37]、 狼 尾草 (Pennisetum alopecuroides)[38]、扁蓿豆 (Melissilus ruthenicus)[39]等研究发现植株叶片MDA含量随干旱程度的增加而升高，SOD、POD、CAT和APX活性随干旱胁迫程度的增加而增强，复水处理后，不同植株叶片活性氧物质和抗氧化酶活性均有不同程度下降。本研究结果表明，干旱胁迫处理下4个品种藜麦幼苗叶片MDA含量和O2·-产生速率较CK显著升高，同时叶片内SOD、POD、CAT和APX活性显著增强。说明干旱处理下藜麦幼苗叶片细胞内产生较多的活性氧自由基，引起膜脂过氧化，导致MDA含量的累积，同时细胞启动抗氧化防御系统，抗氧化酶活性增强有利于清除叶片细胞内大量的活性氧物质，缓解干旱胁迫对藜麦叶片的损伤；4个品种中L-1幼苗叶片MDA含量最低，SOD和POD活性最强，说明植株抵御干旱胁迫的能力强于其他品种。复水处理后，4个品种藜麦叶片MDA含量和O2·-产生速率较干旱胁迫虽有下降，但仍高于CK处理，抗氧化酶活性较干旱处理有不同程度减弱，其中SOD活性弱于CK处理，POD、CAT和APX活性仍高于CK处理。4个藜麦品种中L-1幼苗叶片SOD、POD和CAT活性显著高于其他品种。说明复水处理有助于缓解干旱对藜麦幼苗叶片造成的损伤，细胞膜具有较强的修复能力。根据模糊综合评判法算得品种L-1抗旱性较强。

4 结论

干旱胁迫处理下，不同品种藜麦幼苗叶片叶绿素荧光参数Fo、Fm、Fv/Fm及Fv/Fo均下降，NPQ得到显著提高，MDA含量和O2.-产生速率均较CK显著升高，同时叶片内SOD、POD、CAT和APX活性显著增强。说明干旱胁迫对4个品种藜麦幼苗叶片光合作用原初反应造成损伤，另外，干旱胁迫造成叶片细胞内产生较多的活性氧自由基，引起膜脂过氧化，抗氧化酶活性的增强有利于清除叶片细胞内大量的活性氧物质。复水后，不同品种藜麦幼苗叶片Fo、Fm、Fv/Fm、Fv/Fo及NPQ均恢复至CK水平，MDA含量和O2.-产生速率较干旱胁迫处理虽有下降，但未恢复至CK水平，抗氧化酶SOD活性弱于CK，POD、CAT和APX活性仍高于CK处理。说明复水处理可使植物通过调节体内抗氧化酶活性，清除已积累的活性氧，缓解干旱对藜麦幼苗生长造成的伤害。