謝灑灑，文如霜，趙小文，劉 琦，劉 鉞，王梓廷，張木清

(1.廣西大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，南寧 530004；2. 廣西大學(xué)，廣西甘蔗生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004)

迄今為止，水分脅迫一直是世界各國(guó)農(nóng)業(yè)面臨且普遍存在的自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅著作物的產(chǎn)量[1-3]。甘蔗(SaccharumofficinarumL.)是世界上重要的糖料作物，對(duì)水分脅迫十分敏感，尤其是在甘蔗伸長(zhǎng)期[1,3]。甘蔗受到水分脅迫會(huì)發(fā)生葉片氣孔導(dǎo)度降低，光合作用減弱，葉片失綠、卷曲、衰老，葉面積減少，葉片生長(zhǎng)抑制等一系列生理反應(yīng)，耐旱品種和敏感品種對(duì)水分脅迫的狀況、氣孔行為、光合作用以及葉片生長(zhǎng)的響應(yīng)存在較大差異[2,4]?；钚匝?ROS)是植物對(duì)水分脅迫的主要反應(yīng)，其過量的積累會(huì)產(chǎn)生氧化損傷，導(dǎo)致光合器官破壞、細(xì)胞膜損傷等，但少量的積累可以激活植物的抗氧化防御系統(tǒng)，使植物產(chǎn)生抗逆性[5]。植物通過調(diào)節(jié)活性氧的活性來平衡活性氧的有害作用，抗氧化防御系統(tǒng)和滲透調(diào)節(jié)均可以幫助植物清除過量活性氧，這是植物對(duì)水分脅迫的適應(yīng)和保護(hù)機(jī)制[5]。甘蔗遭受水分脅迫后，葉片組織的抗氧化防御系統(tǒng)被激活，可減緩過量ROS的有害影響[4,6]。還可以通過滲透調(diào)節(jié)維持細(xì)胞膨壓，保護(hù)細(xì)胞結(jié)構(gòu)，維持氣孔開放，減慢葉片細(xì)胞失水速度。參與滲透調(diào)節(jié)的物質(zhì)有很多，其中脯氨酸是被最廣泛發(fā)現(xiàn)的[7]。

鍛煉(適當(dāng)脅迫或預(yù)處理)是脅迫前對(duì)植物進(jìn)行適當(dāng)脅迫適應(yīng)，在后續(xù)脅迫中植物可以表現(xiàn)出較高的耐受性，可作為提高植物抗逆性的有效策略[8]。Lou等[9]研究表明冬小麥在開花前進(jìn)行適當(dāng)?shù)母珊靛憻捒梢蕴岣呋ê蠖←湹目购的芰?。王萌萌等[10]通過對(duì)小麥進(jìn)行干旱預(yù)處理研究得到預(yù)處理可以減緩干旱對(duì)小麥光合速率的抑制程度。趙文賽等[11]研究表明前期中度干旱可以刺激玉米根系的生長(zhǎng)和顯著提高根冠比,有利于提高對(duì)二次干旱的抵抗能力,使得玉米總的生物量保持在對(duì)照水平。柳燕蘭等[12]也證實(shí)了在春玉米種植過程中，苗期中度干旱脅迫后復(fù)水抗氧化酶的修復(fù)能力明顯大于前期重度干旱脅迫后復(fù)水, 且解除干旱逆境后仍具有較強(qiáng)的清除活性氧和修復(fù)適應(yīng)能力。在水分脅迫前對(duì)作物進(jìn)行適當(dāng)?shù)母珊靛憻捒梢栽谝欢ǔ潭壬洗碳ぷ魑锔瞪L(zhǎng)、促進(jìn)抗氧化系統(tǒng)的發(fā)育、增加滲透調(diào)節(jié)作用，從而增強(qiáng)作物的防御機(jī)制和修復(fù)適應(yīng)能力[8-12]。生長(zhǎng)前期的適當(dāng)干旱鍛煉能夠提高植物后期生長(zhǎng)的抗逆性已在小麥[9-10]、玉米[11-12]、煙草[13]、馬鈴薯[14]等多種作物的生長(zhǎng)發(fā)育中得到了充分證明，但甘蔗在這一領(lǐng)域的研究卻鮮有報(bào)道。

廣西作為中國(guó)最大的甘蔗種植區(qū)域，對(duì)中國(guó)糖料產(chǎn)業(yè)有著重要的作用。雖然廣西是中國(guó)降雨量最多的地區(qū)之一，但在空間和季節(jié)上的分布極為不均，春旱秋旱頻繁發(fā)生，導(dǎo)致甘蔗產(chǎn)量減低。目前針對(duì)甘蔗抗旱性的研究主要集中在抗旱基因選擇表達(dá)[15]、抗旱育種[4]及根系土壤微生物互作[16]等方面，對(duì)甘蔗植株經(jīng)干旱鍛煉后的耐旱生理機(jī)制的研究涉及較少。因此,本試驗(yàn)擬通過測(cè)定非關(guān)鍵生育時(shí)期進(jìn)行干旱鍛煉的甘蔗在水分脅迫下的生理特性變化，探究干旱鍛煉能否提高甘蔗的耐旱性，為提高甘蔗產(chǎn)量和耐旱能力提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為亞熱帶農(nóng)業(yè)生物資源保護(hù)與利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室選育的4個(gè)品種，分別是‘中蔗2號(hào)’(‘ZZ2’)、‘中蔗9號(hào)’(‘ZZ9’)[7]、‘TD11’(即‘GN18’，本試驗(yàn)中用‘TD’代替)、‘福農(nóng)95-1702’(FN)[15]；其中‘ZZ2’‘ZZ9’這2個(gè)品種均來自同一親本(‘ROC25’ב云蔗89-7’)，但對(duì)水分脅迫的響應(yīng)有所差異，‘ZZ2’屬于對(duì)干旱敏感型品種，‘ZZ9’屬于抗旱性較強(qiáng)的品種；‘FN’是干旱敏感野生型品種，‘TD’是由FN為受體導(dǎo)入Ea-DREB2B基因的轉(zhuǎn)基因株系，在水分脅迫下表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐旱性，相對(duì)于‘FN’具有較高的光合能力和清除ROS的能力。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年3月至9月在廣西大學(xué)甘蔗良種研發(fā)與繁種試驗(yàn)基地防雨棚中進(jìn)行?；匚挥趶V西扶綏渠黎鎮(zhèn)，屬南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)。年平均氣溫在 21.3～22.8 ℃，歷年最低氣溫 -0.6 ℃，歷年最高氣溫39.5 ℃，日平均氣溫 ≥10 ℃的年累計(jì)積溫為7 502 ℃，年總輻射量453.7 kJ/cm；年平均日照 1 693 h，無霜期長(zhǎng)達(dá)346 d。全區(qū)年降水量1 050～1 300 mm，蒸發(fā)量大，冬春干旱風(fēng)大，夏秋多雨濕潤(rùn)。試驗(yàn)防雨棚頂高4.5 m，寬12 m，長(zhǎng)40 m，棚內(nèi)光照度約為自然光的60%。供試土壤為粘壤土，有機(jī)含量為 25 g/kg，全氮含量為 1.002 g/kg，有效磷含量為 128 mg/kg；pH為5.6；田間最大持水量為30.65%。以甘蔗品種‘ZZ2’‘FN’‘TD’‘ZZ9’為試材，將4個(gè)甘蔗品種種莖浸泡在1‰多菌靈中30 min，在28 ℃條件下催芽，挑選發(fā)芽均勻一致的種莖于2020年3月16日種植，棚內(nèi)試驗(yàn)地均勻分為4個(gè)區(qū)域，區(qū)域間隔為2 m，選擇其中3個(gè)區(qū)域設(shè)為該試驗(yàn)的3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)均勻分為8個(gè)地塊，地塊間隔 1 m。種植時(shí)選取發(fā)芽均勻一致的莖種，種植于小區(qū)內(nèi)，每塊小區(qū)均種植4個(gè)品種，每個(gè)小區(qū)每個(gè)品種均種植2個(gè)地塊，每個(gè)地塊內(nèi)種植4行，雙芽雙排種植，行距0.65 m；小區(qū)間隔內(nèi)種植2行同地塊相同品種的保護(hù)行。定期灌溉，確保前期長(zhǎng)勢(shì)一致。待甘蔗生長(zhǎng)至五、六葉時(shí)在3個(gè)小區(qū)中隨機(jī)挑選一個(gè)小區(qū)進(jìn)行干旱鍛煉，剩余2個(gè)小區(qū)正常灌溉。干旱鍛煉的小區(qū)(DP)在自然干旱至田間最大持水量的45%～55%時(shí)，保持此土壤狀態(tài)1 d后復(fù)水，然后再次進(jìn)行自然干旱，當(dāng)再次達(dá)到田間最大持水量的45%～55%時(shí)，保持此土壤狀態(tài)2 d后復(fù)水，依此類推，水分脅迫天數(shù)逐漸增加，當(dāng)水分脅迫天數(shù)為7 d時(shí)復(fù)水后，再同選取的未進(jìn)行干旱鍛煉的小區(qū)(D)一起進(jìn)行水分脅迫處理，自然干旱至田間最大持水量的35%～40%時(shí)，與正常灌溉小區(qū)(WW)甘蔗進(jìn)行統(tǒng)一取樣。

自然干旱至田間最大持水量的35%～40%時(shí)，選擇在晴天9：30-11：00，每個(gè)小區(qū)的每個(gè)地塊隨機(jī)選取出9株的蔗株，對(duì)蔗株+1葉進(jìn)行測(cè)定光合參數(shù)和葉綠素?zé)晒鈪?shù)，每個(gè)葉片重復(fù)測(cè)定3次；從中隨機(jī)選取出6株的蔗株，進(jìn)行統(tǒng)一取樣。采集甘蔗植株的+1葉，裝入采樣袋，帶回實(shí)驗(yàn)室，擦凈打孔待測(cè)葉綠素含量。采集甘蔗植株的+2葉，用液氮極速冷凍帶回，放置于-80 ℃冰箱保存，1周內(nèi)進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀 株高測(cè)定：用株高尺量取根基部到+1葉葉柄處，每個(gè)處理每個(gè)品種均隨機(jī)測(cè)定10株蔗株。

1.3.2 甘蔗+1葉的光合指標(biāo) 光合參數(shù)：采用美國(guó)LI-COR公司生產(chǎn)的Li-6400XT便攜式光合作用測(cè)量系統(tǒng)，在晴天9：30- 11：00測(cè)定葉片的凈光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)和蒸騰速率(Tr)。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)：蔗株暗適應(yīng)30 min后采用德國(guó)Walz公司生產(chǎn)的PAM-2500型便攜式調(diào)制葉綠素?zé)晒鈨x測(cè)定葉片的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)。

1.3.3 葉綠素、類胡蘿卜素含量 葉綠素、類胡蘿卜素含量測(cè)定：先制取無水乙醇與丙酮體積配比為5∶5的混合液為浸提液，取新鮮甘蔗+1葉葉片，擦凈組織表面污物，剪碎(去掉中脈)，混合均勻后稱取0.2 g，放入25 mL容量瓶中，再加入浸提液20 mL，放在黑暗條件下，浸泡至葉片發(fā)白，用浸提試劑定容至25 mL，搖勻備用，用浸提試劑為空白測(cè)定吸光度，選擇波長(zhǎng)663 nm、646 nm和470 nm比色測(cè)出數(shù)值OD663、OD646、A470。利用下面計(jì)算公式計(jì)算出葉綠素a(Ca，mg/L)、葉綠素b(Cb,mg/L)、總?cè)~綠素(CT，mg/L)、類胡蘿卜素(Car,mg/L)的質(zhì)量濃度，最后計(jì)算出光合色素的含量。

Ca=12.21×OD663-2.81×OD646

Cb=20.13×OD646-5.03×OD663

CT=Ca+Cb=7.18×OD663+17.32×OD646

Car=(1 000×A470- 3.27×Ca-104×Cb)/229

光合色素的含量(mg/g)=(C×V)/(m× 1 000)

式中，C為光合色素的質(zhì)量濃度，V為浸提試劑體積(mL)，m為樣品鮮質(zhì)量(g)，1 000為將提取液體積換算(L)。

1.3.4 生理生化指標(biāo) 脯氨酸(Pro)測(cè)定參照蔡慶生的酸性茚三酮顯色法[17]進(jìn)行；丙二醛(MDA)、超氧化物歧化酶(SOD)測(cè)定參照蔡慶生的硫代巴比妥酸比色法、氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法[17],略有修改。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、采用SPSS 23 和GraphPad Prism8統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析及作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后對(duì)株高的影響

由表1所示，水分脅迫下，未經(jīng)鍛煉的‘TD’‘FN’‘ZZ9’‘ZZ2’增長(zhǎng)率7.7%、3.7%、5.5%、 4.8%,說明甘蔗品種的抗旱能力是‘TD’>‘ZZ9’>‘ZZ2’>‘FN’，‘FN’與‘ZZ2’相比是對(duì)干旱敏感度更大。經(jīng)過干旱鍛煉后的‘TD’增長(zhǎng)率為13.0%，比正常灌溉(WW)的‘TD’降低 2.2%，但與未經(jīng)干旱鍛煉的‘TD’相比高5.3%；經(jīng)干旱鍛煉的‘FN’‘ZZ9’增長(zhǎng)率均為9.3%，比正常灌溉下同樣的品種均降低了2.9%，但與未經(jīng)鍛煉的同樣品種相比分別高5.6%、3.8%；經(jīng)干旱鍛煉的‘ZZ2’增長(zhǎng)率為11.1%，比正常灌溉(WW)的‘ZZ2’略低0.6%，但與未經(jīng)鍛煉的‘ZZ2’相比高6.3%。不同品種在不同灌溉處理表現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)能力，對(duì)比中不難發(fā)現(xiàn)經(jīng)鍛煉的‘ZZ2’品種表現(xiàn)生長(zhǎng)能力最好，‘FN’‘TD’次之。由此表明，干旱鍛煉可減緩水分脅迫對(duì)甘蔗植株生長(zhǎng)的抑制作用，不同甘蔗品種對(duì)干旱鍛煉有不同程度的響應(yīng)，干旱敏感型品種‘ZZ2’經(jīng)干旱鍛煉效果最好。

表1 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后的株高Table 1 Plant height of different sugarcane cultivars under water stress after drought priming

2.2 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后葉片光合指標(biāo)的影響

2.2.1 光合參數(shù)的變化 如圖1所示，與正常灌溉相比，水分脅迫條件下不同處理的甘蔗葉片凈光合速率均受到顯著抑制，且不同品種受到抑制的程度不同；所有品種的氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率也均有明顯下降，且下降幅度略有不同；不同處理下‘TD’‘ZZ9’‘ZZ2’品種的胞間CO2濃度均有上升，但‘FN’葉片的胞間CO2濃度顯著性下降。不同甘蔗品種經(jīng)干旱鍛煉后的葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度均表現(xiàn)出高于同品種未經(jīng)干旱鍛煉處理，且差異顯著；但所表現(xiàn)出的葉片胞間CO2濃度變化不同，經(jīng)干旱鍛煉后‘TD’‘ZZ9’‘ZZ2’品種的胞間CO2濃度均小于未經(jīng)干旱鍛煉處理，且經(jīng)干旱鍛煉后‘FN’的胞間CO2濃度下降幅度也明顯小于未經(jīng)干旱鍛煉處理。不同品種經(jīng)干旱鍛煉后所表現(xiàn)的蒸騰速率不同，其中敏感型甘蔗品種‘FN’‘ZZ2’的蒸騰速率下降幅度較大，從而減少葉片體內(nèi)水分的流失，大大提高水分利用效率；而耐旱型品種‘TD’‘ZZ9’的蒸騰速率下降幅度較小，水分利用率提高較小?？梢?，甘蔗對(duì)水分脅迫的響應(yīng)方式因品種而異，且干旱鍛煉可以提高甘蔗葉片的光合速率。

“D”表示未進(jìn)行干旱鍛煉的處理；“DP”表示水分脅迫前期進(jìn)行干旱鍛煉的處理；“WW”表示正常灌溉的處理；同品種不同處理不同字母表示差異在P<0.05水平具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；下同

2.2.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)的變化 如圖2所示，與正常灌溉相比，水分脅迫處理后的甘蔗葉片的 PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)均顯著下降；但經(jīng)干旱鍛煉的蔗株的PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率均顯著高于未經(jīng)干旱鍛煉處理，說明不同甘蔗品種均可以通過干旱鍛煉來減緩葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率降低。

2.2.3 光合色素含量的變化 由表2所示，水分脅迫下，不同灌溉處理下不同品種的甘蔗葉片中光合色素含量變化不同。不同灌溉處理下‘TD’‘FN’葉片中葉綠素a、b含量變化幅度較大，經(jīng)干旱鍛煉‘TD’品種葉片的葉綠素a、b含量分別比未經(jīng)鍛煉的增加0.29、0.08，而與正常灌溉處理相比減少 0.07、0.03；‘FN’品種經(jīng)干旱鍛煉的葉綠素a、b含量分別比未經(jīng)鍛煉的均增加0.16，而與正常灌溉處理相比減少0.42、0.10，不同處理間呈顯著性差異。不同灌溉處理下‘ZZ9’‘ZZ2’葉片中葉綠素a、b含量變化幅度較小，經(jīng)干旱鍛煉的‘ZZ2’‘ZZ9’葉片中葉綠素a、b含量與正常灌溉處理的含量幾乎相同，均無顯著性差異；‘ZZ2’品種經(jīng)干旱鍛煉的葉綠素a、b含量與未經(jīng)鍛煉的相比分別增加0.46、0.12，‘ZZ9’品種經(jīng)干旱鍛煉的葉綠素a、b含量與未經(jīng)鍛煉處理相比分別增加0.21、 0.04，均有顯著性差異。經(jīng)干旱鍛煉的‘TD’‘FN’‘ZZ2’‘ZZ9’葉片中類胡蘿卜素含量顯著高于未經(jīng)鍛煉的，且‘TD’‘ZZ2’‘ZZ9’葉片中類胡蘿卜素含量與正常灌溉處理的無明顯差異，但‘FN’葉片中類胡蘿卜素含量顯著低于正常灌溉處理的?？梢詮谋碇锌闯龈收崛~片中葉綠素a對(duì)水分脅迫的敏感度大于葉綠素b，‘TD’‘ZZ9’均表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗旱能力。經(jīng)干旱鍛煉的甘蔗品種葉片光合色素含量與未經(jīng)鍛煉的相比都有不同程度的增加，其中‘ZZ2’甘蔗品種的光合色素含量增加量最大，‘FN’次之。由此表明，干旱鍛煉緩解水分脅迫下甘蔗葉片光合色素含量的下降速度和程度，且不同甘蔗品種對(duì)干旱鍛煉有不同程度的響應(yīng)，干旱敏感型品種的鍛煉效果最明顯。

圖2 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率的變化Fig.2 Changes of PSⅡprimary light energy conversion efficiency in leaves of different sugarcane cultivars after drought priming under water stress

表2 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后光合色素的含量Table 2 Photosynthetic pigment content in different sugarcane cultivars under water stress after drought priming

2.3 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后對(duì)脯氨酸含量和SOD活性的影響

如圖3和4可知，水分脅迫下，對(duì)比不同基因型甘蔗的脯氨酸含量和SOD活性，可以明顯得出，‘FN’在受到水分脅迫時(shí)葉片中脯氨酸含量積累較快，SOD活性相對(duì)較低；而‘ZZ2’在受到水分脅迫時(shí)葉片中脯氨酸含量的積累緩慢，SOD活性較高；可見，‘ZZ2’和‘FN’對(duì)水分脅迫的生理響應(yīng)存在差異，其中‘FN’是通過快速積累脯氨酸含量來降低葉片細(xì)胞水勢(shì)，抵御水分脅迫環(huán)境，而‘ZZ2’是通過提高SOD活性來增強(qiáng)活性氧的清除能力，從而減緩水分脅迫帶來的傷害。而基因型不同且抗旱能力較強(qiáng)的‘ZZ9’和‘TD’在遭受水分脅迫時(shí)，所表現(xiàn)出的生理響應(yīng)幾乎相同，都是通過提高SOD活性和增加脯氨酸含量相互作用抵御水分脅迫帶來的傷害。然而，對(duì)比不同灌溉處理下的同種品種，‘ZZ2’‘FN’‘TD’‘ZZ9’經(jīng)干旱鍛煉處理的脯氨酸含量比未經(jīng)干旱鍛煉的分別增加 14.1%、13.9%、32.1%、18.0%，與正常灌溉處理的脯氨酸含量相比分別顯著增加60.9%、 77.4%、129.2%、132.4%；而未經(jīng)鍛煉的脯氨酸含量與正常灌溉處理的相比分別顯著增加 41.0%、55.7%、73.7%、97.0%?！甖Z2’‘FN’‘TD’‘ZZ9’經(jīng)干旱鍛煉處理的SOD活性比未經(jīng)干旱鍛煉處理的分別增強(qiáng)9.6%、3.0%、14.4%、 6.5%，與正常灌溉處理的SOD含量相比分別顯著增強(qiáng)17.4%、12.7%、28.7%、30.9%；而未經(jīng)鍛煉處理的SOD活性與正常灌溉處理的相比分別增強(qiáng)7.1%、9.4%、12.5%、22.9%。經(jīng)干旱鍛煉的ZZ2不僅加強(qiáng)SOD活性，還提高脯氨酸含量的積累速度；同樣經(jīng)干旱鍛煉的‘FN’不僅提高了脯氨酸含量的積累速度，同時(shí)也增強(qiáng)了SOD活性；經(jīng)干旱鍛煉‘ZZ9’和‘TD’蔗株葉片中脯氨酸含量和SOD活性也有不同程度的增加，其中‘TD’蔗株葉片的脯氨酸含量和SOD活性的增加量均大于‘ZZ9’。由此可見，水分脅迫下，不同品種甘蔗經(jīng)干旱鍛煉后的生理響應(yīng)不同，但經(jīng)干旱鍛煉的不同品種甘蔗葉片中脯氨酸含量和SOD活性均高于未經(jīng)鍛煉的甘蔗，所以，干旱鍛煉可以通過增加甘蔗葉片中脯氨酸的含量和提高SOD活性來增強(qiáng)蔗株的耐旱能力。

圖3 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后對(duì)脯氨酸的含量Fig.3 Proline content of different sugarcane cultivars under water stress after drought priming

圖4 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后SOD的活性Fig.4 SOD activity of sugarcane cultivars under water stress after drought priming

2.4 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后MDA的影響

如圖5所示，與正常灌溉相比，不同灌溉處理的甘蔗葉片中MDA質(zhì)量摩爾濃度都有不同程度的增加，且相同處理下敏感型品種‘ZZ2’和‘FN’品種葉片中MDA質(zhì)量摩爾濃度始終高于耐旱型品種‘TD’和‘ZZ9’。水分脅迫下，‘ZZ2’‘FN’‘TD’‘ZZ9’經(jīng)干旱鍛煉處理的MDA質(zhì)量摩爾濃度比同品種未經(jīng)干旱鍛煉處理的分別減少 24.8%、22.8%、15.2%、10.2%，與同品種正常灌溉處理的MDA質(zhì)量摩爾濃度相比分別顯著增加35.2%、68.4%、38.2%、38.6%；而未經(jīng)鍛煉處理的MDA質(zhì)量摩爾濃度與同品種正常灌溉處理的相比分別極顯著增加79.9%、118.2%、62.9%、54.4%。不同品種未經(jīng)鍛煉處理的甘蔗葉片中MDA質(zhì)量摩爾濃度均高于經(jīng)干旱鍛煉處理的MDA質(zhì)量摩爾濃度，說明了干旱鍛煉可以使甘蔗葉片中MDA質(zhì)量摩爾濃度降低，從而減輕膜脂質(zhì)過氧化的程度。

圖5 水分脅迫下不同品種甘蔗干旱鍛煉后的MDAFig.5 MDA of different sugarcane cultivars after drought hardening after drought priming

2.5 水分脅迫下不同灌溉處理甘蔗苗各指標(biāo)的相關(guān)性分析

如圖6所示，水分脅迫下，甘蔗的生長(zhǎng)速率(GR)與甘蔗葉片中葉綠素a、類胡蘿卜素、總?cè)~綠素、Fv/Fm、Pn、Gs、Tr均呈極顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)分別為0.8、0.72、0.75、0.71、0.84、 0.84、0.85，與MDA呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.87；MDA與葉綠素a、類胡蘿卜素、總?cè)~綠素呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為 0.81、0.76、 0.78；而甘蔗的生長(zhǎng)速率與葉綠素b、脯氨酸(Pro)的相關(guān)系數(shù)分別為0.51、 -0.46；葉片中MDA與葉綠素b、脯氨酸的相關(guān)系數(shù)分別為 -0.57、0.49；脯氨酸與SOD之間的相關(guān)系數(shù)為 0.42。水分脅迫下，甘蔗產(chǎn)生一系列的生理生化響應(yīng)，且各生理指標(biāo)之間有一定的相關(guān)關(guān)系。在一定范圍內(nèi)，甘蔗的生長(zhǎng)隨葉片中MDA的增加而降低，隨葉綠素的增加而增加。由此表明，MDA和甘蔗生長(zhǎng)情況有一定密切的聯(lián)系。

Pearson相關(guān)分析熱圖中“*”表示顯著相關(guān)P<0.05；“**”表示極顯著相關(guān)P<0.01

3 討 論

作物受到水分脅迫會(huì)導(dǎo)致其生產(chǎn)力下降[1-4,18-19]。與其他作物相比，甘蔗的生長(zhǎng)周期較長(zhǎng)。在甘蔗生長(zhǎng)發(fā)育過程中，對(duì)水分的需求量不斷增加，特別是在關(guān)鍵生育期(伸長(zhǎng)期)，水分虧缺極大地影響著甘蔗的產(chǎn)量[2-4]。本研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫明顯抑制了甘蔗的生長(zhǎng)，但經(jīng)鍛煉處理的4個(gè)甘蔗品種的生長(zhǎng)量均大于未經(jīng)鍛煉處理，說明水分脅迫前進(jìn)行干旱鍛煉管理可以減輕水分脅迫對(duì)甘蔗植株的傷害。這與袁敏等[20]對(duì)番茄苗期干旱預(yù)處理和Zhang等[14]對(duì)馬鈴薯幼苗干旱鍛煉處理的研究結(jié)果相似。對(duì)比不同品種不同處理的增長(zhǎng)速率發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下，未經(jīng)干旱鍛煉的甘蔗品種增長(zhǎng)速率的大小‘TD’>‘ZZ9’>‘ZZ2’>‘FN’，說明不同甘蔗品種對(duì)水分的需求反應(yīng)不同，與陸國(guó)盈等[21]對(duì)不同甘蔗品種的抗旱研究發(fā)現(xiàn)不同甘蔗品種受到水分脅迫蔗莖生長(zhǎng)抑制程度不同的結(jié)果相似；在水分脅迫前期進(jìn)行干旱鍛煉管理的蔗株增長(zhǎng)率與未經(jīng)鍛煉處理相比‘ZZ2’>‘FN’>‘TD’>‘ZZ9’，說明水分脅迫前期經(jīng)干旱鍛煉管理的‘ZZ2’甘蔗品種對(duì)水分脅迫的適應(yīng)能力最強(qiáng)，‘FN’次之，可見，水分敏感型甘蔗品種對(duì)干旱鍛煉的響應(yīng)效果相對(duì)于耐旱型品種較明顯。

作物產(chǎn)量的積累與光合作用有著密不可分的關(guān)系，而光合作用又是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，尤其是像甘蔗這樣的C4植物，其光合作用的強(qiáng)弱會(huì)受到許多因素影響，包括品種、光照強(qiáng)度、溫度、水分等[2,4,6-7,18,22]。不同甘蔗品種受到水分脅迫時(shí)光合作用受限制的因素不同，可根據(jù)胞間CO2濃度變化情況大致分為兩類，一類是氣孔限制，因氣孔導(dǎo)度降低使得胞間CO2濃度降低，最終導(dǎo)致光合速率降低；另一類是非氣孔限制，胞間CO2濃度不因氣孔導(dǎo)度的降低而降低，反而升高，其光合速率降低是光合色素量減少、葉綠體結(jié)構(gòu)被破壞等非氣孔原因引起的[23]。Fv/Fm是度量PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)換效率，也被前人證實(shí)可以用來鑒定甘蔗抵御干旱的能力[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下，‘TD’‘ZZ9’‘ZZ2’這3個(gè)品種葉片光合速率降低的因素屬于非氣孔限制，而‘FN’品種葉片光合速率降低因素屬于氣孔限制。經(jīng)干旱鍛煉的甘蔗可以減緩氣孔導(dǎo)度的下降，有效提高胞間CO2濃度，從而提高光合速率；經(jīng)干旱鍛煉的甘蔗還可以通過降低自身的蒸騰速率來減少葉片水分流失來提高水分利用效率，從而來提高光合速率；其光合指標(biāo)相互影響，共同促進(jìn)光合作用。4個(gè)甘蔗品種經(jīng)干旱鍛煉后均可以緩解水分脅迫對(duì)甘蔗光合特性的影響，從而達(dá)到提高光合速率的效果，且不同品種對(duì)干旱鍛煉的響應(yīng)有所不同，這與前人對(duì)小麥預(yù)處理得到的結(jié)論一致[10]。本研究也通過Fv/Fm的下降幅度來證實(shí)干旱鍛煉可以提高甘蔗的耐旱能力。

葉綠素參與了光合作用及光能的吸收、傳遞和轉(zhuǎn)化過程，是反應(yīng)作物生長(zhǎng)狀態(tài)的一項(xiàng)重要生理指標(biāo)，對(duì)作物光合速率、生物量生長(zhǎng)等具有重要影響[2,18]。本研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫后，不同灌溉處理下不同甘蔗品種的葉綠素含量的變化不同，‘TD’和‘FN’葉片中葉綠素含量變化幅度大，其對(duì)水分豐缺反應(yīng)較敏感；‘ZZ9’和‘ZZ2’葉片中葉綠素含量變化幅度較小，其對(duì)水分豐缺反應(yīng)較鈍感。在一定時(shí)間的干旱環(huán)境下，不同品種葉片葉綠素含量的降低均較為明顯，尤其葉綠素a含量變化量較大，說明引起葉綠素含量的變化程度主要原因是葉綠素a含量的變化，這與粟世華[24]對(duì)甘蔗在不同土壤水分的生理動(dòng)態(tài)變化研究結(jié)論一致。與正常灌溉處理相比，不同灌溉處理的甘蔗葉片葉綠素含量受到水分虧缺影響都顯著下降，但經(jīng)干旱鍛煉處理的葉片中葉綠素含量和類胡蘿卜素含量始終高于未經(jīng)鍛煉處理的，這說明干旱鍛煉處理下的甘蔗可以通過維持光合素色的穩(wěn)定，來提高自身的耐旱能力。

在種植過程中，由于各種原因產(chǎn)生的不同限制因素均會(huì)制約作物的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)量降低[1-4,18-19,25]。而種植者通常只能從觀察作物表型來判斷作物的生長(zhǎng)情況，一般觀察的指標(biāo)是葉片顏色、植株株高、莖桿粗細(xì)等的變化情況，而這些指標(biāo)的變化在作物剛受到或者受到輕微傷害時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，使種植者無法及時(shí)對(duì)作物進(jìn)行管理和防控，導(dǎo)致作物生產(chǎn)力下降。前人對(duì)作物的生理測(cè)定只能通過生理生化的方法對(duì)作物進(jìn)行破壞式測(cè)定，直到光譜分析技術(shù)的出現(xiàn)，才打破這一僵局。光譜分析技術(shù)可無損傷檢測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況，且該技術(shù)已應(yīng)用于農(nóng)作物病蟲害檢測(cè)、農(nóng)作物營(yíng)養(yǎng)水平監(jiān)測(cè)以及農(nóng)畜產(chǎn)品的品質(zhì)檢測(cè)等多個(gè)方面[27-29]。本研究通過對(duì)13個(gè)生理指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，發(fā)現(xiàn)MDA含量與甘蔗生長(zhǎng)速率、光合速率、葉綠素含量有極顯著的相關(guān)關(guān)系，且前人已早證實(shí)MDA含量可作為抗旱指標(biāo)來鑒定甘蔗品種抵御水分脅迫能力[22]，所以光譜分析技術(shù)可以通過檢測(cè)MDA含量，進(jìn)而更加精確的判斷甘蔗的受旱脅迫情況。

4 結(jié) 論

綜上所述，經(jīng)適當(dāng)干旱鍛煉的甘蔗受到水分脅迫時(shí)能快速產(chǎn)生相應(yīng)的生理反應(yīng)來提高自身的耐旱能力，尤其是干旱敏感型甘蔗品種。因此建議在今后的甘蔗種植過程中，特別是干旱敏感型品種的種植，在生長(zhǎng)前期的甘蔗進(jìn)行適當(dāng)?shù)母珊靛憻?，可以提高其?duì)水分脅迫的適應(yīng)能力，從而提高甘蔗的生產(chǎn)力。此外，根據(jù)甘蔗在水分脅迫下各生理指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系，研究者可以利用光譜分析技術(shù)檢測(cè)甘蔗葉片中MDA質(zhì)量摩爾濃度，進(jìn)而監(jiān)測(cè)甘蔗的脅迫狀態(tài)，從而更加精確地判斷甘蔗植株的生長(zhǎng)情況。