岳 凱，魏小紅，劉文瑜，韓 廳，辛夏青，趙 穎

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

藜麥(Chenopodiumquinoa)是一年生藜科草本作物，原產(chǎn)于南美洲安第斯山脈，已有5000多年的栽植歷史[1]。中國(guó)于1987年由西藏農(nóng)科院開始引種試驗(yàn)并試種成功[2]。目前，藜麥在甘肅、青海、山西、陜西、浙江都有種植，其面積約4.0～4.5萬hm2。因其富含蛋白質(zhì)、各種氨基酸以及較高維生素、礦物質(zhì)和植物活性物質(zhì)[3-5]，被譽(yù)為“谷物之母”。藜麥具有豐富的營(yíng)養(yǎng)保健價(jià)值及預(yù)防多種疾病發(fā)生的潛在功效，得到了國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)及食品學(xué)家的廣泛關(guān)注。因此，研究藜麥對(duì)提高膳食營(yíng)養(yǎng)水平和調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)具有重要的意義。

在我國(guó)，干旱、半干旱地區(qū)的面積約占國(guó)土面積的52.5%[6]，干旱脅迫嚴(yán)重影響作物的生長(zhǎng)和產(chǎn)量。加快耐旱作物的選育及栽培以提高干旱、半干旱區(qū)域土地的利用效率，是我國(guó)應(yīng)對(duì)水分缺乏的重要策略之一。藜麥對(duì)土壤貧瘠[7]、鹽漬[8]、干旱[9]和霜凍[10]等逆境均有較好耐受性，但不同品種之間抗性差異較大。近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)藜麥抗性的研究大多集中在耐鹽方面，Koyro等[11]發(fā)現(xiàn)鹽脅迫下藜麥種子的活力、萌發(fā)及種子內(nèi)的元素組成會(huì)發(fā)生變化，楊發(fā)榮等[12]用隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)了3種藜麥的抗鹽性，Schm?ckel等[13]利用RNAsep和SNP分析了鹽脅迫下藜麥跨膜蛋白的變化，Burrieza等[14]探討了高濃度鹽脅迫下藜麥脫水素的積累等。就干旱方面研究發(fā)現(xiàn)：干旱脅迫可誘導(dǎo)藜麥中70s熱休克蛋白基因的表達(dá)[15]，體內(nèi)脫落酸通過對(duì)氣孔的調(diào)控增強(qiáng)其耐旱性[16]，也可增強(qiáng)其抗氧化能力以提高植物的耐旱性[17]。總之，國(guó)內(nèi)外對(duì)藜麥抗旱方面的研究甚少，尤其是全面研究藜麥抗性生理及抗旱品種篩選方面還未見報(bào)道。為此，本文用不同濃度PEG溶液模擬干旱脅迫，從形態(tài)、生理生化指標(biāo)和光合參數(shù)的變化等方面評(píng)價(jià)藜麥耐旱性，旨在為藜麥的引種及耐旱品種選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

供試材料為5個(gè)藜麥品系：NK1、NK2、NK3、NK4、NK5，引進(jìn)于甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種子公司。試驗(yàn)于2017年5月3日-7月9日進(jìn)行。選擇飽滿、大小一致的種子，均勻撒播于已裝入壓平營(yíng)養(yǎng)土的柱形花盆(內(nèi)徑20 cm，高15 cm)內(nèi)，再覆蓋上0.5 cm厚的蛭石，輕輕壓實(shí)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)。待藜麥長(zhǎng)出4～6片葉子時(shí)(35 d左右)，用不同濃度的PEG溶液(5%、10%、15%)模擬干旱脅迫，每7 d處理一次，連續(xù)處理3次(每次用處理液的1/3)。達(dá)到干旱脅迫梯度后，第7天測(cè)定生理生化指標(biāo)，第25天測(cè)定形態(tài)和光合指標(biāo)。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 形態(tài)指標(biāo)和生物量的測(cè)定 達(dá)到干旱脅迫梯度后的第1天和第25天分別測(cè)定各品系藜麥的株高，二者差值即為株高增量。采用方格紙法[18]測(cè)定植株自上向下第6個(gè)完全展開葉的葉面積。采用烘干法分別測(cè)定植株根、莖、葉的干物質(zhì)量并計(jì)算總生物量、地上生物量、根冠比(根干物質(zhì)量(g)/地上部干物質(zhì)量(g))。

1.2.2 生理生化指標(biāo)的測(cè)定 取植株自上而下第5～7片成熟葉片，測(cè)定葉片相對(duì)含水量(參照李合生方法[19])、質(zhì)膜透性(參照電導(dǎo)率儀法[19])、丙二醛(MDA)含量(硫代巴比妥酸比色法[19])、脯氨酸(Pro)含量(茚三酮顯色法[19])、超氧化物歧化酶(SOD)活性(氮藍(lán)四唑(NBT)還原法[19])、過氧化物酶(POD)活性(愈創(chuàng)木酚氧化法[19])、過氧化氫酶(CAT)活性(紫外分光光度法[19])、抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性(參考Nakano[20]方法)等生理指標(biāo)。

1.2.3 光合指標(biāo)的測(cè)定 取植株自上而下第5～7片成熟葉片，測(cè)定葉綠素(Chl)含量(丙酮研磨法)。用CI-310便攜式光合儀(美國(guó)CID公司)于晴天9∶00-11∶00 測(cè)定凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等參數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，差異顯著性運(yùn)用Duncan’s檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較。

采用隸屬函數(shù)法，對(duì)不同品系藜麥的抗旱能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。隸屬函數(shù)值的計(jì)算公式如下：

抗旱系數(shù):

X=Id/Iw

式中，Id為某一指標(biāo)在干旱脅迫下的測(cè)定值，Iw為此指標(biāo)在正常培養(yǎng)下的測(cè)定值[21]。

隸屬值：

Xu=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

或

Xu=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)
i=1，2，3，…

(2)

式中，X為各品種某一指標(biāo)的抗旱系數(shù)，Xmin和Xmax分別為所有品種此指標(biāo)的最小和最大抗旱系數(shù); 若所用指標(biāo)與抗旱性呈正相關(guān)，用式(1)，反之用式(2)。累加各品種各指標(biāo)的隸屬值，并求其平均值，用平均值大小評(píng)價(jià)品種抗旱性[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)藜麥生長(zhǎng)的影響

由圖1(A)可知，15%PEG脅迫各處理株高增量顯著(P<0.05，下同)低于相應(yīng)對(duì)照，NK2、NK5、NK3、NK4和NK1分別下降了65.03%、55.97%、53.98%、53.64%、44.38%。

隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，各品系藜麥的葉面積顯著降低(圖1(B))。15%PEG脅迫與對(duì)照相比，NK3、NK4、NK5、NK1和NK2葉面積分別下降了35.71%、33.71%、27.44%、25.92%、25.39%。

不同干旱脅迫強(qiáng)度下各品系藜麥生物量積累發(fā)生明顯改變(表1)。隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，5種品系藜麥總生物量、根生物量和地上生物量均不同程度降低。15%PEG干旱脅迫顯著降低了5種藜麥的總生物量，下降幅度依次為NK3>NK4>NK2>NK1>NK5，分別比對(duì)照下降了68.28%、63.97%、62.35%、54.21%和48.23%；根生物量下降幅度小于地上生物量，15%PEG脅迫與對(duì)照相比，NK3、NK4、NK2、NK1、NK5的根生物量和地上生物量分別下降了53.94%、41.84%、38.79%、30.23%和14.50%，69.95%、66.16%、65.38%、57.53%和52.65%。由表1可知，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，5種品系藜麥根冠比均呈上升趨勢(shì)，15%PEG脅迫與對(duì)照相比上升幅度由大到小依次為NK5、NK2、NK4、NK1和NK3，分別上升了80.60%、79.90%、70.32%、68.02%、53.80%。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著，下同。Note: Different lowercase letters indicate significant differencs between treatments, the same below. 圖1 PEG處理對(duì)5個(gè)藜麥品系形態(tài)生長(zhǎng)的影響Fig.1 Effect of PEG stress on the growth morphology of five quinoa species

表1 不同強(qiáng)度干旱脅迫對(duì)5個(gè)藜麥品系葉片生物量的影響

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),下同。

Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05), the same as below.

2.2 干旱脅迫對(duì)藜麥抗逆生理特性的影響

2.2.1 干旱脅迫對(duì)藜麥葉片相對(duì)含水量的影響 干旱脅迫顯著降低了藜麥葉片的相對(duì)含水量(圖2(A))，且隨著干旱強(qiáng)度的增強(qiáng)呈降低趨勢(shì)。不同品系藜麥葉片相對(duì)含水量的降幅由大到小分別為NK3、NK4、NK2、NK1和NK5,15%PEG濃度處理與對(duì)照相比分別下降了29.13%、28.88%、27.58%、26.01%、25.76%。NK1、NK2、NK4葉片相對(duì)含水量始終介于NK5和NK3之間。

2.2.2 干旱脅迫對(duì)藜麥葉片質(zhì)膜透性的影響 隨著干旱脅迫加劇，各品系藜麥質(zhì)膜透性都呈上升趨勢(shì)，各品系在15%PEG濃度處理時(shí)質(zhì)膜透性均顯著高于對(duì)照(圖2(B))。15%PEG濃度處理時(shí)NK5、NK3、NK4、NK1、NK2分別是對(duì)照的1.886倍、1.955倍、2.078倍、2.085倍和2.237倍，不同濃度PEG處理下NK5葉片質(zhì)膜透性均低于其它品系，而NK3均高于其它品系。

2.2.3 干旱脅迫對(duì)不同品系藜麥葉片丙二醛(MDA)含量的影響 隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，不同品系藜麥葉片的MDA含量呈增加趨勢(shì)(圖2(C))，在輕度(5%PEG)和中度(10%PEG)干旱脅迫下，增加速度相對(duì)緩慢，在重度(15%PEG)干旱脅迫下，MDA含量迅速積累，并達(dá)到最大值。在15%PEG處理時(shí)細(xì)胞膜系統(tǒng)的受損程度為：NK3>NK4>NK1>NK2>NK5，MDA含量分別比對(duì)照增大了116.63%、115.66%、82.28%、62.53%和60.53%。

2.2.4 干旱脅迫對(duì)藜麥葉片脯氨酸含量的影響 隨著干旱脅迫加劇，5種品系藜麥葉內(nèi)的脯氨酸都明顯增加(圖2(D))，在15%PEG處理時(shí)達(dá)到最大。NK2、NK5、NK1、NK4、NK3脯氨酸含量分別比對(duì)照提高了168.99%、162.18%、162.07%、110.22%和92.89%。

2.2.5 干旱脅迫對(duì)藜麥葉片抗氧化酶活性的影響 由圖3(A)～圖3(D)可知，干旱脅迫下不同品系藜麥CAT、POD、SOD、APX活性均呈現(xiàn)先升后降的規(guī)律。低脅迫水平使4種酶活性增加，高脅迫水平則使4種酶活性不斷降低。各品系在15%PEG濃度處理時(shí)SOD、CAT活性均顯著低于對(duì)照，POD活性與對(duì)照無顯著差異，而APX則顯著高于對(duì)照。在5%PEG濃度處理時(shí)各品系CAT、SOD、APX活性均增至最大，之后隨干旱脅迫水平增加，葉片3種酶活性不斷下降。不同濃度干旱脅迫下POD活性與其它3種酶相比有所不同，各品系在10%PEG濃度處理時(shí)POD活性達(dá)到最大，隨后急劇下降。

圖2 PEG處理對(duì)5個(gè)藜麥品系葉片相對(duì)含水量、質(zhì)膜透性、丙二醛含量、脯氨酸含量的影響Fig.2 Effect of PEG on the content of relative water, relative permeability of plasma, content ofmalondialdehyde and proline in leaves of five quinoa species

圖3 PEG處理對(duì)5個(gè)藜麥品系葉片抗氧化酶活性的影響Fig.3 Effect of PEG on the activities of CAT，POD，SOD, and APX in leaves of five quinoa species

2.3 干旱脅迫對(duì)藜麥光合特性的影響

2.3.1 干旱脅迫對(duì)藜麥葉綠素(Chl)含量的影響 不同強(qiáng)度干旱脅迫下各品系藜麥Chl含量呈現(xiàn)先升再降趨勢(shì)(圖4)。在5%、10%PEG濃度處理下Chl含量顯著增加且在10%濃度時(shí)達(dá)到最大，增長(zhǎng)幅度由大到小依次為NK5、NK2、NK1、NK3和NK4，分別比對(duì)照增加了22.07%、21.17%、21.07%、20.28%和16.20%。在15%PEG濃度處理下，Chl含量迅速降低。

2.3.2 干旱脅迫對(duì)藜麥凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)的影響 由圖5(A)可知，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，各品系藜麥葉片Pn呈顯著降低趨勢(shì)；下降幅度由大到小依次為NK4、NK1、NK3、NK2和NK5，15%PEG濃度處理下分別比對(duì)照下降了57.19%、56.77%、53.45%、51.16%和50.15%。隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，各品系藜麥葉片Tr顯著下降(圖5(B))。不同品系均在15%PEG濃度處理時(shí)Tr降到最低，下降幅度由大到小依次為NK3、NK4、NK1、NK2和NK5，與對(duì)照相比分別下降了57.15%、56.50%、55.47%、49.67%和43.59%。

圖4 PEG處理對(duì)5個(gè)藜麥品系葉片Chl的影響Fig.4 Effect of PEG on chlorophyll content in leavesof five quinoa species

2.3.3 干旱脅迫對(duì)藜麥葉片氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間 CO2濃度(Ci)的影響 藜麥葉片的Gs隨著干旱脅迫增強(qiáng)呈下降趨勢(shì)(圖5(C))。15%PEG濃度時(shí)下降幅度由大到小依次為NK2、NK3、NK1、NK4和NK5，與對(duì)照相比分別下降了68.88%、68.70%、68.34%、67.74%和67.44%。由圖5(D)可以看出，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，各品系藜麥葉片Ci呈先降后升趨勢(shì)，在10%PEG處理時(shí)降到最低，此脅迫水平下，NK4、NK1、NK3、NK2和NK5與對(duì)照相比分別下降了43.13%、36.36%、31.86%、25.45%和21.98%。

2.4 5種藜麥品系耐旱性綜合評(píng)價(jià)

對(duì)各藜麥在15%PEG濃度處理下生長(zhǎng)指標(biāo)、抗逆生理生化指標(biāo)和光合指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)分析(見表2)，結(jié)果表明，NK1、NK2、NK3、NK4、NK5各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)平均值分別為0.666、0.599、0.144、0.371、0.885，5種品系藜麥抗旱性由高到低依次為NK5、NK1、NK2、NK4和NK3。

圖5 PEG處理對(duì)5個(gè)藜麥品系光合特性的影響Fig.5 Effect of PEG on the photosynthetic response of five quinoa species

表2 15%PEG濃度下5個(gè)藜麥品系各測(cè)定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

3 結(jié)論與討論

3.1 干旱脅迫對(duì)藜麥生長(zhǎng)的影響

隨著干旱脅迫的增加，各藜麥品系生物總量顯著下降。干旱也促使藜麥干物質(zhì)的分配發(fā)生了改變，隨著干旱脅迫加重，生物量?jī)?yōu)先向根系分配，根冠比增大，表現(xiàn)了植物適應(yīng)干旱逆境的能力[23]；同時(shí)，隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，藜麥的葉面積顯著降低，而葉片作為水分消耗的重要器官，在干旱脅迫條件下的變化是維持植物體內(nèi)水分平衡的重要表現(xiàn)[24]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，與其它品系相比，NK5總生物量下降幅度最低，同時(shí)也有較高的根冠比，表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗旱能力。

3.2 干旱脅迫對(duì)藜麥抗逆相關(guān)生理生化特性的影響

葉片相對(duì)含水量降幅越小，植物抗旱性就越強(qiáng)[25]。本試驗(yàn)中5個(gè)藜麥品系在干旱脅迫條件下葉片相對(duì)含水量均呈顯著下降的趨勢(shì)。NK5葉片相對(duì)含水量均高于其它品系且其降幅較小，對(duì)干旱的耐受性較強(qiáng)。干旱脅迫下植物膜蛋白受傷害導(dǎo)致細(xì)胞膜透性增大[26]。通常抗旱性強(qiáng)的植物具有較低的電解質(zhì)外滲率，其上升速度也慢[27]。MDA是植物細(xì)胞膜脂過氧化物之一，能與細(xì)胞內(nèi)各種成分發(fā)生反應(yīng)，從而引起各種酶和膜的嚴(yán)重?fù)p傷[28]。5種品系藜麥葉內(nèi)MDA含量有所增加，說明細(xì)胞膜系統(tǒng)受到了破壞，但在5%和10%PEG干旱脅迫下MDA增長(zhǎng)較慢，說明各藜麥品系對(duì)干旱有一定的忍耐力。脯氨酸是調(diào)節(jié)植物干旱脅迫條件下細(xì)胞水勢(shì)的物質(zhì)之一。余玲等[29]發(fā)現(xiàn)紫花苜蓿在干旱脅迫下脯氨酸含量上升，李予霞[30]在葡萄中也發(fā)現(xiàn)同樣結(jié)果，與前人結(jié)果一致。本試驗(yàn)5種品系藜麥葉內(nèi)游離脯氨酸含量在PEG脅迫下均有不同程度的增加，在重度干旱脅迫下，各藜麥葉內(nèi)脯氨酸含量迅速增高，說明在重度干旱脅迫下脯氨酸起著重要的作用。藜麥在5%、10%PEG濃度脅迫下能保持較高的抗氧化酶活性，以清除過多的活性氧，降低干旱引起的氧化損傷。15%濃度干旱脅迫下，4種抗氧化酶活性有所降低，可能因?yàn)閲?yán)重干旱已經(jīng)對(duì)藜麥造成損傷，抗氧化酶清除超氧陰離子和過氧化物能力降低。SOD、CAT、POD、APX活性都呈現(xiàn)先增高后降低的規(guī)律，但SOD、CAT和APX活性在5%濃度時(shí)達(dá)到最高，POD在10%濃度時(shí)活性達(dá)到最高，表明不同品系藜麥中4種抗氧化酶能力有所差異。

3.3 干旱脅迫對(duì)藜麥光合特性的影響

光合作用是構(gòu)成植物生物量的基礎(chǔ)[33]，生物量又影響著植物的發(fā)育和結(jié)構(gòu)的形成[34]。隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，Pn、Tr、Gs顯著下降，各品系藜麥光合能力降低，生長(zhǎng)受到抑制，地下、地上部分生長(zhǎng)緩慢，總生物量顯著下降。在5%、10% PEG濃度處理下，Ci呈降低趨勢(shì)；但到15% PEG濃度處理時(shí)，Ci呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。王萍等[35]認(rèn)為沙芥幼苗葉片光合速率下降主要是由葉肉細(xì)胞同化能力降低等非氣孔因素引起的。關(guān)于干旱脅迫下植物葉片中葉綠素含量的變化報(bào)道不一。任磊等[36]認(rèn)為隨著干旱脅迫的增強(qiáng)，各品種茶菊Chl含量呈顯著增加趨勢(shì)；鄔佳寶等[37]認(rèn)為隨水分脅迫處理時(shí)間的延長(zhǎng)，文冠果葉片Chl含量呈下降趨勢(shì)。本研究中，隨著干旱脅迫增加，各品系藜麥葉片Chl含量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，并在10%PEG濃度處理時(shí)達(dá)到最大，這種趨勢(shì)與時(shí)麗冉等[38]研究結(jié)果相符。在本試驗(yàn)中抗旱性較強(qiáng)的NK5 Chl含量增加幅度較大，生物量和Pn下降幅度最小；抗旱性較弱的NK3 Chl含量增加幅度較小，生物量和Pn下降幅度較大。由此推測(cè)，在干旱脅迫下，藜麥Chl含量變化與Pn有正相關(guān)性。

綜上所述，5種品系藜麥幼苗在生長(zhǎng)、抗逆相關(guān)生理生化和光合特性等方面均對(duì)干旱脅迫表現(xiàn)出明顯的響應(yīng)，但不同品系對(duì)干旱脅迫的耐受能力及適應(yīng)能力不同，且單項(xiàng)指標(biāo)不能有效、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)植物抗旱性。因此，結(jié)合隸屬函數(shù)法對(duì)重度干旱脅迫下不同指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，5種藜麥品系耐旱性依次為NK5>NK1>NK2>NK4>NK3，這與其生長(zhǎng)、生理等指標(biāo)的變化相吻合。這一結(jié)論將為我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)藜麥品系的引種和篩選提供一定的參考。