郝晓华,王晓洁,刘可心
外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦生理特性的影响
郝晓华*,王晓洁,刘可心
忻州师范学院生物系, 山西 忻州 034300
为了研究外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦生理特性的影响，以山西繁峙县黑色藜麦种子为试验材料，在对藜麦幼苗进行干旱处理的条件下，叶面喷施外源海藻糖后测定藜麦的形态指标变化和各种生理指标的变化。结果表明：随着干旱程度加重，藜麦根长、株高、生物量、叶面积均极显著降低（<0.05），Pro含量明显减少，MDA、可溶性糖、可溶性蛋白含量呈先增长后减少趋势，CAT、SOD活性明显降低；
叶施外源海藻糖后不同干旱水平下的藜麦幼苗根长、株高、生物量明显增长，叶面积均明显增加；
CAT、SOD活性明显增强，MDA、可溶性糖、Pro、可溶性蛋白含量可以明显提高增加，在喷施15 mmol/L海藻糖时减缓干旱迫害效果更显著，说明叶面喷施外源海藻糖在缓解干旱条件对藜麦的伤害方面有显著的作用。
藜麦; 海藻糖; 干旱胁迫; 生理特性
藜麦又名昆诺阿藜，是一种一年生草本植被，原产于南美洲安第斯山脉高海拔区[1]，其主要成份包括大量营养素和矿物质：蛋白质的含量高、不饱和脂肪酸含量高、低糖，且其富含多种矿物质和人体所需的各种氨基酸、维生素，利于健康人体糖脂代谢，只要藜麦这一种单体植物便可基本满足人类机体的基础营养[2]。
干旱是农作物减产的重要原因，世界干旱缺水导致的农作物减产损失可能超越其他原因引起的总损失。我国干旱、缺水地区面积约占全国国土面积的一半，对我国的粮食储备造成严重威胁[3]。干旱会对植物生理形态、生化特性方面产生迫害[4]。干旱会对植物生长产生阻碍作用，对植物渗透调节系统、生物膜系统、呼吸与光合作用产生损伤，不仅影响植物各阶段的生长代谢，还影响农作物的高质高产[5]。研究发现，藜麦幼苗具有一定抗旱能力与藜麦在干旱条件下能够合成更多的可溶性糖、可溶性蛋白、减少质膜的损伤及较高的POD活性、SOD活性有关[6]。研究能缓解干旱对植物幼苗损害的抗干旱物质也是当今热点问题。
海藻糖普遍存在于低等植物、动物中，研究已发现在水稻、小麦、烟草和玉米等高等植物中含量较低，但却发挥重要作用[7]。研究发现，海藻糖在受到植物逆境胁迫时能够成为细胞相容性物质，许多植物在干旱胁迫时会在细胞或细胞器中积累一定的海藻糖；
海藻糖在逆境中也能作为传递信号的因子，能够与细胞中脂质和蛋白质产生相互作用，传递信号产生级联反应，参与其信号分子功能；
外源海藻糖能减缓因缺乏水分对植物组织的伤害,且能减少MDA的积累,从而提升细胞活性，增加生物量[8-11]。
海藻糖在自然界中通常以二水合物的形式存在，具有不可还原性。其功能是保护植物生物膜，维持渗透压，保证植物在极端条件下的正常生理生化反应进行，从而增加植物对干旱等极端环境胁迫的耐受性[12-14]。胡慧芳等[15]研究发现海藻糖处理可提高干旱胁迫下黄瓜幼苗抗旱性。利用外源海藻糖提高植物抗旱性已在烟草、糯玉米、黄瓜幼苗上应用[16-18]。
但有关外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦的生理特性影响一直未见报道。本试验通过研究喷施不同浓度的外源海藻糖对不同干旱程度下藜麦幼苗影响，对不同处理组藜麦幼苗叶面积、过氧化氢酶活性、超氧化物歧化酶活性、丙二醛含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白含量进行测定，为藜麦抗干旱品种培育和抗干旱栽培管理措施优化提供理论指导。
1.1 试验材料
供试藜麦为山西省忻州市繁峙县黑色藜麦品种。
1.2 试验仪器
YT-YMJ01叶面积测量仪、高速离心机、烘干机、冰箱、水浴锅、紫外分光光度计、移液枪、分析天平。
1.3 试验试剂
海藻糖、无水乙醇、TCA（三氯乙酸）、石英砂、TBA（硫代巴比妥酸）、脯氨酸、茚三铜、CH3COOH、KH2PO4、Na2HPO4、HCl、NaOH、去离子水、甲硫氨酸（Met）、氮蓝四唑（NBT）、EDTA-Na、核黄素、H2O2、愈创木酚、NaH2PO4·2H2O、Na2HPO4·12H2O。
1.4 材料培养及处理
1.4.1 材料培养 挑选圆润饱满、成熟无损坏的藜麦种子，用蒸馏水冲洗干净后转入洗净的培养皿中，加入没过种子的清水，在室温下放置一日。准备培养皿，底部铺一层滤纸、三层纱布，加水使纱布湿透。将已露芽的藜麦种子放在铺纱布培养皿上，盖上皿盖，保持纱布湿润。两日后将长出细根的藜麦种入育苗穴盘中，每粒种在土下1～2 cm，清水浇透，用保鲜膜封口并置于室温阳光下培养，幼苗破土后除去封口，继续正常培养至两叶一心期。
1.4.2 干旱处理 幼苗培养至两叶一心期，设对照组（CK）组(含水量75%～80%)，试验组为轻度胁迫组(含水量60%～65%)、中度胁迫组(含水量45%～50%)、重度胁迫组(含水量30%～35%)[13]。采用烘干称重法控制试验土壤含水量。
1.4.3 海藻糖处理 每个试验组中干旱程度一达到设定的干旱胁迫含水量范围时，开始分组进行叶面喷施外源海藻糖，浓度设为0、5、10、15、20 mmol/L，喷施至每株藜麦幼苗叶面挂上海藻糖溶液且不掉落，约每个处理组喷施3 mL，每天喷施1次，处理至两叶一心期后测定植株形态和生理指标。每个处理组均设置3组重复。
1.5 相关指标的测定及方法
1.5.1 形态指标测定 藜麦根长、株高在处理结束后用直尺测定；
生物量的测定：每个处理组取藜麦幼苗，用蒸馏水冲洗干净后用吸水纸除去水分，放入烘箱100℃3 h烘至恒重，称取烘干后质量；
藜麦幼苗叶面积采用叶面积仪测定；
1.5.2 生理指标测定 过氧化氢酶（CAT）活性采取王群等[19]方式测定；
超氧化物歧化酶（SOD）活性采用沈文飚等[20]方式测定；
丙二醛（MDA）含量、脯氨酸含量采用张志良等[21]方式测定；
可溶性蛋白含量采用杨静华等[22]方式测定；
1.6 数据统计与分析
数据分析采用数据处理软件EXCEL 2010、SPSS 26.0进行。
2.1 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦形态指标影响
2.1.1 藜麦根长、株高、生物量从表1可以看出，藜麦在受到轻度、中度、重度胁迫时，根长分别减少0.73、1.51、2.41 cm，株高分别减少0.98、1.68、2.50 cm，生物量分别减少0.50、1.09、1.38 g，说明藜麦在受干旱胁迫时，根长、株高、生物量都会显著减少。轻度胁迫组喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖时根长相较于0 mmol/L海藻糖分别增加0.11、0.17、0.28、0.46 cm，中度胁迫组分别增加0.07、0.19、0.69、0.90 cm，重度胁迫组分别增加0.18、0.30、0.79、0.91 cm，可以看出喷施20 mmol/L海藻糖后藜麦根长仍无法恢复至正常长度；
轻度胁迫组喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖时株高相较于0 mmol/L海藻糖分别增加0.09、0.17、0.42、0.59 cm，中度胁迫组分别增加0.08、0.19、0.60、0.70 cm，重度胁迫组分别增加0.10、0.21、0.75、0.80 cm，可以看出喷施海藻糖可极显著减缓干旱对藜麦株高的影响，但喷施20 mmol/L海藻糖仍不能恢复正常株高；
轻度胁迫组喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖时生物量相较于0 mmol/L海藻糖分别增加0.08、0.11、0.32、0.38 g，中度胁迫组分别增加0.07、0.1、0.42、0.49 g，重度胁迫组分别增加0.15、0.29、0.57、0.60 g，可以看出喷施海藻糖可以显著弥补生物量的缺失，但喷施20 mmol/L海藻糖后生物量仍恢复不到正常生物量水平。喷施10～15 mmol/L时轻度、中度、重度胁迫组藜麦根长分别增加0.11、0.50、0.49 cm，株高分别增长0.25、0.41、0.54 cm，生物量分别增加0.21、0.31、0.28 g，说明在15 mmol/L海藻糖处理时效果更显著。总体而言，说明海藻糖可显著减缓干旱给藜麦根长、株高、生物量造成的损害。
表1 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦形态指标影响
注:a、b、c、d、e等表示差异极显著（<0.05）；
0、5、10、15、20 mmol/L表示喷施外源海藻糖浓度。
2.1.2 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦叶面积的影响从图1可以得出，轻度、中度、重度干旱胁迫处理组叶面积相较正常生长组（CK）分别降低了14.46%、25.30%、44.58%，说明在干旱条件下，藜麦叶面积随干旱程度加深呈减小趋势；
轻度胁迫组在叶面喷施5、10、15、20 mmol/L外源海藻糖后，较0 mmol/L海藻糖组藜麦叶面积分别增加1.41%、4.23%、14.08%、15.49%，中度胁迫组中分别增加3.23%、11.29%、20.97%、25.81%，重度胁迫组分别增加6.52%、15.22%、39.13%、50.00%。综上，在干旱胁迫下，喷施外源海藻糖能有效减缓因干旱对藜麦叶面积的伤害，但在喷施20 mmol/L海藻糖后藜麦叶面积依旧无法达到正常生长水平。
注：CK为无干旱、无海藻糖的正常生长组，0、5、10、15、20为喷施海藻糖浓度mmol/L；
a、b、c、d、e表示差异极显著（P<0.05）；
2.2 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦生理指标影响
2.2.1 藜麦MDA、可溶性糖含量从图2、图3看出，藜麦幼苗在不同干旱处理下，MDA、可溶性糖含量随干旱胁迫程度的增加呈现出先升高后降低的变化趋势；
从图2可以得出，轻度胁迫下喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖后MDA含量相较于0 mmol/L海藻糖处理组分别减少4.35%、8.39%、12.68%、15.39%，中度胁迫组分别减少4.93%、24.49%、36.33%、37.91%，重度胁迫组分别减少64.19%、70.21%、84.51%、88.23%，喷施10～15 mmol/L时轻度、中度、重度胁迫组藜麦MDA含量分别减少14.04%、17.33%、22.03%，可以看出在叶面喷施外源海藻糖后藜麦组织内MDA含量显著减少，但不同干旱胁迫程度在喷施海藻糖处理后MDA含量均不能降低到正常生长组水平。从图3可以看出，轻度胁迫下喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖后可溶性糖含量相较于0 mmol/L海藻糖处理组分别减少8.99%、11.40%、39.33%、42.70%，中度胁迫组分别减少10.16%、25.00%、54.69%、58.59%，重度胁迫组分别减少2.93%、7.34%、18.89%、23.11%，可以看出，在海藻糖处理后藜麦可溶性糖含量均极显著减少，但始终没有降低到正常水平。喷施10～15 mmol/L时轻度、中度、重度胁迫组藜麦可溶性糖含量分别减少30.03%、39.82%、13.59%。综上可得，在干旱胁迫下喷施外源海藻糖能显著降低MDA、可溶性糖含量，减少膜脂过氧化时产生的MDA、可溶性糖物质，但干旱胁迫程度较深时不能完全缓解干旱对藜麦产生的迫害。
图2 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦MDA含量的影响
图3 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦幼苗可溶性糖含量的影响
2.2.2 藜麦可溶性蛋白含量从图4可以看出，轻度、中度干旱组较对照组（CK）可溶性蛋白含量分别增加了11.76%、41.18%，重度干旱组较对照组降低11.76%，说明藜麦在经历轻中度干旱时会显示出一定抗旱性，幼苗可溶性蛋白含量会显著增加，但随着干旱程度加重，藜麦体内调节渗透的机制受到损害，其可溶性蛋白含量降低。轻度胁迫下喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖后可溶性蛋白含量相较于0 mmol/L海藻糖处理组分别增加15.79%、31.58%、63.16%、68.42%，中度胁迫组分别增加8.33%、15.79%、45.83%、54.17%，重度胁迫组分别增加13.33%、20.00%、53.33%、73.33%，喷施10～15 mmol/L时轻度、中度、重度胁迫组藜麦可溶性蛋白含量分别增加43.48%、28.57%、31.58%，可得到在海藻糖处理后藜麦可溶性蛋白含量显著增加，且均能达到正常生长水平。说明喷施海藻糖会减弱干旱对藜麦的迫害，且喷施20 mmol/L海藻糖后可溶性蛋白水平可为正常水平。
图4 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦可溶性蛋白含量的影响
2.2.3 藜麦脯氨酸含量从图5可以看出，轻度、中度、重度干旱组较对照组（CK）分别降低3.92%、12.66%、38.86%，轻度干旱组脯氨酸含量变化不大，说明轻度干旱下，藜麦有一定抗旱性；
随着干旱程度不断加深，藜麦脯氨酸含量不断显著减少。轻度胁迫下喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖后Pro含量相较于0 mmol/L海藻糖处理组分别增加1.90%、10.05%、29.81%、38.88%，中度胁迫组分别增加6.57%、10.72%、27.26%、33.80%，重度胁迫组分别增加3.95%、19.34%、67.89%、80.62%，喷施10～15 mmol/L时轻度、中度、重度胁迫组藜麦Pro含量分别增加18.51%、14.10%、36.29%，可以得出在海藻糖处理后脯氨酸含量极显著增加，且在15 mmol/L时脯氨酸含量基本达到正常生长水平。说明说明喷施外源海藻糖可以增加藜麦受干旱迫害损失的脯氨酸，调节藜麦渗透力，保护藜麦幼苗生长。
图5 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦幼苗脯氨酸含量的影响
2.2.4 藜麦过氧化氢酶活性从图6可以看出，轻度、中度、重度胁迫组的CAT活性较对照组（CK）分别降低了38.51%、45.13%、61.28%，说明干旱胁迫下，藜麦幼苗中分解过氧化氢的酶活性极显著降低，藜麦受干旱迫害时CAT活性降低。轻度胁迫下喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖后CAT活性相较于0 mmol/L海藻糖处理组分别增加5.72%、28.28%、39.06%、47.47%，中度胁迫组分别增加7.17%、19.62%、53.41%、63.02%，重度胁迫组分别增加17.11%、40.64%、98.93%、121.39%，喷施10～15 mmol/L时轻度、中度、重度胁迫组藜麦CAT活性分别增加8.44%、27.99%、41.01%，可得出，在海藻糖处理后藜麦CAT活性极显著增加，但在喷施15 mmol/L海藻糖后即可达到正常生长组CAT水平。说明喷施外源海藻糖可以缓解藜麦受干旱时产生的过氧化氢对藜麦幼苗生长的不良影响。
图6 外源海藻糖对干旱胁迫下藜麦幼苗过氧化氢酶活性的影响
2.2.5 藜麦超氧化物歧化酶活性从图7可以看出，轻度、中度、重度胁迫组的SOD活性较对照组（CK）分别降低38.29%、42.05%、51.74%，说明藜麦幼苗中清除自由基的超氧化物歧化酶在干旱胁迫下会极显著减少。轻度胁迫下喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖后SOD活性相较于0 mmol/L海藻糖处理组分别增加6.95%、13.65%、36.45%、50.18%，中度胁迫组分别增加4.21%、11.99%、32.27%、45.79%，重度胁迫组分别增加4.44%、21.90%、47.47%、58.35%，喷施10～15 mmol/L时轻度、中度、重度胁迫组藜麦SOD活性分别增加20.19%、17.38%、22.78%，可以看出在海藻糖处理后藜麦SOD活性极显著恢复，但喷施20 mmol/L海藻糖后仍没有达到正常生长组SOD活性水平。说明海藻糖可以减少藜麦幼苗因受干旱胁迫产生的自由基的积累，提高藜麦中超氧化物歧化酶的活性。
图7 源海藻糖对干旱胁迫下藜麦幼苗超氧化物歧化酶活性的影响
本试验以山西省繁峙县黑色藜麦种子为试验材料，用烘干称重法确定藜麦干旱处理程度。在干旱胁迫时，藜麦根长、株高、叶面积相较于正常生长组均明显减少，藜麦叶面积、生物量明显减少；
根据测定结果可知，随着干旱胁迫程度加深，藜麦幼苗MDA、可溶性糖、可溶性蛋白含量呈先增加后减少趋势，脯氨酸含量显著降低，过氧化氢酶和超氧化物歧化酶活性显著降低。叶面喷施5、10、15、20 mmol/L海藻糖后藜麦MDA、可溶性糖含量显著减少，减少损害膜脂的过氧化物质的产生；
可溶性蛋白、Pro含量显著增加，提高藜麦细胞基础代谢活力；
CAT、SOD活性均显著升高，减轻自由基对藜麦造成的损伤。
根据结果可知叶面喷施10～15 mmol/L外源海藻糖使可以显著减缓干旱对藜麦幼苗的迫害，使藜麦幼苗可以正常生长，证明海藻糖在藜麦作物种植时受干旱胁迫时有其明显使用价值，为藜麦抗干旱种植提供理论基础。当然，海藻糖是否能在大批量藜麦种土地植时继续保持其抗旱性还有待进一步的研究。
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Effects of Exogenous Trehalose on the Physiological Characteristics of Quinoa under Drought Stress
HAO Xiao-hua*, WANG Xiao-jie, LIU Ke-xin
034300,
In this study, exogenous trehalose were used to study the effects on the physiological characteristics of quinoa under drought stress. Black quinoa seeds were used as experimental materials, under the condition of drought treatment, the changes of morphological and physiological indexes of quinoa were measured after spraying exogenous trehalose on the leaves. The results showed that with the increased of drought, root length, plant height, biomass , content of Pro and leaf area of quinoa decreased significantly (<0.05), contents of MDA, soluble sugar and soluble protein increased first and then decreased, activities of CAT and SOD decreased significantly; After exogenous trehalose addition to the leaves, root length, plant height, biomass and leaf area of quinoa seedlings increased significantly at different drought levels; The activities of CAT and SOD were significantly enhanced, and the contents of MDA, soluble sugar, pro and soluble protein could be significantly increased. The effect of alleviating drought persecution was more significant at 10 ～ 15 mmol/L trehalose, indicated that exogenous trehalose Sprayed on leaves played a significant role in alleviating the damage of drought conditions to quinoa.
Quinoa; trehalose; drought stress; physiologicalproperties
S641.9
A
1000-2324(2021)05-0739-07
2021-09-28
2021-10-15
忻州师范学院黑五类特色产品研发工程技术中心(00000424)
郝晓华(1985-),女,在读博士,讲师,主要从事植物生理生化研究. E-mail:394782029@qq.com
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