近年来干旱灾害频发，干旱、半干旱区占我国陆地面积的50%以上[1]，每年因干旱造成的粮食损失达1亿t以上。干旱对作物产量的影响已经引起了世界各国的广泛关注。研究[2]表明，干旱对植株造成的损失在所有非生物胁迫中占第一位，严重影响农业生产，危害全球粮食安全。研究[3]表明，干旱影响植物生长发育的各生理生化过程，包括光合作用、离子吸收和运输、叶绿素合成、呼吸作用和碳水化合物代谢，从而抑制植物生长并降低产量。谷子起源于中国北方，种植历史悠久，是半干旱地区的重要特色作物，具有生育周期短、耐旱、耐贫瘠等特点[4]。与其他谷物相比，谷子富含优质蛋白质、膳食纤维、色氨酸、蛋氨酸、碳水化合物和多种微量元素，且不含麸质，故有“百谷之长”的美称[5⇓-7]。在中国北方旱区农业生产中占有重要地位。虽然谷子耐旱性较强，但干旱仍然是影响其产量的主要因素之一[8]。目前我国水资源短缺问题日益突出，为了应对干旱胁迫，提高作物抗旱性迫在眉睫。
甜菜碱是植物体内无毒副作用的渗透调节物质之一，外源甜菜碱很容易被植物吸收，且长时间存在植物体内而不易降解，在植物的抗逆性中起着至关重要的作用[9]。研究[10]发现，甜菜碱通过提高相对含水量、渗透压、抗氧化物质和可溶性糖的水平来提高抗逆性。魏晓凯等[11]研究发现，干旱胁迫下喷施45 mmol/L的甜菜碱可以显著提升烤烟幼苗的株高、叶面积、地上部干物质积累量、脯氨酸和可溶性蛋白含量。李爱梅等[12]研究表明，干旱胁迫下喷施甜菜碱显著提高了平邑甜茶叶片的渗透调节物质含量、抗氧化酶活性和相对含水量。干旱条件下外施甜菜碱可以增加小麦穗长和穗粒数，从而提高产量[13]。张二芳等[14]研究表明，在干旱胁迫下外施甜菜碱显著提高了芫荽种子的抗旱能力。陈静等[15]研究发现，叶面喷施甜菜碱有利于提高玉米的灌浆速率、单位面积穗数和穗粒数，从而提升产量。
前人对于甜菜碱在抗逆方面的研究大多集中在苹果、辣椒、小麦和苜蓿等作物上，而对于谷子的研究却鲜有报道。因此，本试验以谷子品种嫩选19号为材料，探究干旱胁迫条件下甜菜碱处理对谷子种子萌发指标、幼苗生长、抗氧化酶活性、膜脂过氧化指标和渗透调节物质的作用机理，为黑龙江省谷子的抗逆高效栽培技术奠定理论基础。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试谷子品种为嫩选19号，由黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院提供。外源甜菜碱纯度≥99%，甜菜碱浓度为前期浓度筛选试验确定的最佳施用浓度1.5 mmol/L。
1.2 试验方法
1.2.1 发芽试验
试验在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院实验室进行。挑选籽粒成熟饱满、大小一致且无病虫害的嫩选19号种子，用清水冲洗3次，0.1%氯化汞溶液浸泡消毒10 min，再用蒸馏水冲洗3次后浸种24 h后置于10 cm的培养皿中，底部放3层滤纸作发芽床。每个培养皿100粒，并保持适宜间距。共设4个处理：Hoagland营养液（CK）、甜菜碱+Hoagland营养液（T）、PEG-6000溶液+Hoagland营养液（S）和甜菜碱+PEG-6000溶液+Hoagland营养液（ST），每个培养皿中各加入10 mL处理液。用18% PEG-6000溶液模拟干旱胁迫，每个处理3次重复。于25 ℃恒温培养箱中催芽，每天更换滤纸和处理液。发芽标准：种子萌发后胚根长至与种子等长，胚芽长达种子的一半。每天定时观察并记录种子发芽情况，第3天调查发芽势，第7天调查发芽率。
1.2.2 盆栽试验
试验在黑龙江省农业科学院齐齐哈尔分院干旱棚进行，在塑料花盆（20 cm×30 cm）底部铺上纱网，将消毒后的种子均匀播种于装有蛭石的盆中，每天浇灌500 mL的Hoagland营养液，将甜菜碱溶于5 L蒸馏水中配制成溶液，装于有刻度线的电动喷雾器中，当幼苗长至4叶1心时将甜菜碱溶液均匀喷施在处理组的植株叶面上，平均每株喷施10 mL，3 d后进行干旱胁迫，使用18% PEG-6000的Hoagland营养液进行干旱胁迫处理，试验共设4个处理组：Hoagland营养液（CK）、甜菜碱+Hoagland营养液（T）、PEG-6000溶液+ Hoagland营养液（S）、甜菜碱+PEG-6000溶液+ Hoagland营养液（ST），每个处理3次重复。每个处理分别在干旱处理后3、6、9和12 d取样，每个处理每次取样6盆、共取4次。
1.3 测定项目与方法
1.3.1 种子萌发指标
种子发芽率（%）=（第7天发芽种子数/供试种子总数）×100；发芽势（%）=（第3天发芽种子数/供试种子总数）×100；发芽指数=∑（Gt/Dt），式中，Gt为萌发日数，Dt为总种子数。
1.3.2 幼苗形态及干、鲜重
处理12 d后，每处理取10株谷子幼苗，用蒸馏水洗净，测量株高、根长及根冠比，在植株茎段处剪断，分为地上部和根系2部分，擦干并测量鲜重，之后按不同部位分装到信封袋里，于105 ℃烘箱中杀青30 min，再调至75 ℃下烘干至恒重，测量干重。
1.3.3 抗氧化酶活性
1.3.4 渗透调节物质含量
1.3.5 膜脂过氧化指标
1.4 数据处理
用Excel 2016进行数据处理，用SPSS 21.0进行单因素方差分析和显著性检验，用OriginPro 2018作图。
2 结果与分析
2.1 甜菜碱对干旱胁迫下谷子种子发芽的影响
由表1可知，T处理的种子发芽率、发芽势和发芽指数均为最高值，与CK处理相比，分别提高了8.2%、20.5%和11.2%，各处理间差异显著，说明外源甜菜碱可以促进谷子的种子萌发。S处理与CK处理相比，种子发芽率、发芽势和发芽指数均显著降低，说明干旱胁迫抑制种子的萌发。而ST处理发芽率、发芽势和发芽指数较S处理均显著提高，分别提高了29.2%、15.4%和10.8%，说明外源甜菜碱可以有效缓解干旱胁迫对谷子萌发的抑制作用。
表1 甜菜碱对干旱胁迫下谷子种子发芽的影响
Table 1
| 处理 Treatment | 发芽率 Germination rate (%) | 发芽势 Germination potential (%) | 发芽指数 Germination index |
|---|---|---|---|
| CK | 85.0±2.8b | 73.0±1.1b | 120.6±1.9b |
| T | 92.0±0.7a | 88.0±1.3a | 134.1±2.1a |
| S | 48.0±2.3d | 39.0±2.5d | 103.8±1.5d |
| ST | 62.0±3.8c | 45.0±3.6c | 115.0±2.7c |
同列不同小写字母代表处理间达到P < 0.05显著差异水平。下同。
In the same column, different lowercase letters represent P < 0.05 significant differences among treatments. The same below.
2.2 甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗生物量积累的影响
从表2可以看出，干旱胁迫抑制谷子幼苗的生长，株高、地上部和根系的生物量显著下降，而根冠比显著上升。与CK处理相比，S处理地上部和根系的鲜重分别下降了55.47%和30.97%，地上部和根系的干重分别下降了30.26%和37.50%，株高和根长也分别下降了28.26%和32.43%，根冠比上升了38.10%。甜菜碱处理显著增加谷子幼苗株高、地上部和根系的生物量，显著降低根冠比。与CK处理相比，ST处理地上部生物量有所下降，但根系鲜重与CK处理差异不显著，说明甜菜碱能缓解干旱胁迫对谷子生长发育的抑制作用。
表2 甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗生物量积累的影响
Table 2
| 处理 Treatment | 鲜重Fresh weight (g) | 干重Dry weight (g) | 株高 Plant height (cm) | 根长 Root length (cm) | 根冠比 Root-shoot ratio | |||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 地上部Shoot | 根系Root | 地上部Shoot | 根系Root | |||||
| CK | 0.521±0.028a | 0.155±0.001ab | 0.076±0.011a | 0.016±0.002a | 27.42±1.38ab | 0.37±0.01b | 0.25±0.04c | |
| T | 0.563±0.012a | 0.173±0.018a | 0.078±0.005a | 0.015±0.001a | 33.49±2.01a | 0.48±0.02a | 0.25±0.06c | |
| S | 0.232±0.035c | 0.107±0.012c | 0.053±0.002c | 0.010±0.001b | 19.67±1.03c | 0.25±0.01c | 0.35±0.02a | |
| ST | 0.367±0.056b | 0.133±0.020bc | 0.059±0.004b | 0.017±0.003b | 24.18±0.78b | 0.34±0.01b | 0.27±0.02b | |
不同小写字母表示在P < 0.05水平上差异显著。
Different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 level.
2.3 甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗抗氧化酶活性的影响
由图1可知，与CK处理相比，T处理提高SOD、POD、CAT和APX的活性。且各处理4种酶活性均在第9天达到峰值，而干旱胁迫显著降低了4种酶的活性，整体均呈先上升后下降的趋势，第9天时，S处理下的SOD、POD、CAT和APX活性分别比对照降低了16.44%、5.92%、11.73%和9.05%。在干旱胁迫下，与S处理相比，ST处理的4种酶活性均提高，在第9天时，分别提高了5.23%、5.34%、6.88%和37.15%，说明外源施入甜菜碱可以有效提高干旱胁迫条件下谷子幼苗清除活性氧的能力。
图1
图1
甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗SOD、POD、CAT和APX活性的影响
Fig.1
Effects of betaine on the activities of SOD, POD, CAT and APX in foxtail millet seedlings under drought stress
2.4 甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗渗透调节物质含量的影响
由图2可知，随着干旱胁迫时间的延长，各处理的可溶性蛋白和可溶性糖含量均呈上升趋势，各处理均在第12天达到最大值。脯氨酸含量则呈先降低后升高的趋势，各处理均在第6天时达到最小值。在正常条件下，T处理能显著提高可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量，与CK处理相比差异均显著。
图2
图2
甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖含量的影响
Fig.2
Effects of betaine on proline, soluble protein and soluble sugar contents of foxtail millet seedlings under drought stress
干旱胁迫导致可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量增加，第12天时，S处理下的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量分别比CK提高了21.30%、10.93%和8.34%。在干旱胁迫下，与S处理相比，ST处理的可溶性蛋白、可溶性糖和脯氨酸含量明显提高，在第12天时，分别提高了18.17%、7.57%和5.25%，说明外源甜菜碱可以促进干旱胁迫下谷子叶片中脯氨酸含量的积累，有效缓解干旱胁迫对细胞膜的伤害。
2.5 甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗膜脂过氧化指标的影响
如图3所示，随着干旱胁迫时间的延长，S处理下谷子幼苗的MDA含量呈先升后降的趋势，并在第9天达到峰值，与CK处理相比，S处理的MDA含量比CK处理提高72.53%，处理间差异显著。而喷施甜菜碱后，MDA含量降低，第9天时，T处理与S处理相比降低了51.16%，ST处理则降低了39.41%，差异均达显著水平。这说明喷施甜菜碱可以缓解干旱胁迫对膜脂结构的损害，对细胞膜的完整性起到了保护作用。
图3
图3
甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗MDA含量的影响
Fig.3
Effects of betaine on MDA content of foxtail millet seedlings under drought stress
由图4可知，干旱胁迫导致谷子幼苗的相对电导率显著增加，同时随胁迫时间的延长呈直线上升趋势，并在第12天达到最大值，与CK处理相比，S处理增加了21.29%。正常条件下，喷施甜菜碱的T处理在3~9 d时，与CK处理差异不显著，但在第12天时显著降低，达到5.36%。在干旱条件下喷施甜菜碱，ST处理明显下降，12 d时下降幅度最大，达到12.43%。
图4
图4
甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗相对电导率的影响
Fig.4
Effects of betaine on relative electrical conductivity of foxtail millet seedlings under drought stress
由图5可知，随着干旱胁迫时间的延长，谷子幼苗的相对含水量呈下降趋势。正常条件下，T处理在各胁迫天数下明显上升，与CK处理相比，第6天无显著差异，其余时间差异均显著。第9天上升幅度最大，达到7.68%。而ST处理与S处理相比也有明显提升，第12天上升幅度最大，达到5.31%。说明干旱条件下喷施甜菜碱可以缓解谷子幼苗的水分平衡。
图5
图5
甜菜碱对干旱胁迫下谷子幼苗相对含水量的影响
Fig.5
Effects of betaine on leaf relative water content of foxtail millet seedlings under drought stress
3 讨论
目前，利用外源物质改善植物生长并提高抗逆性已成为热点。甜菜碱可以提高各种作物的抗逆性，例如寒地低温冷害会限制水稻的生产潜力，喷施外源甜菜碱明显提高了水稻根系活力和吸收养分的能力，增强光合速率，促进了地上部和根系干物质积累，缓解低温胁迫对水稻生长的危害[23]。在NaCl胁迫下，喷施甜菜碱能够有效提高紫花苜蓿的抗盐能力，促进幼苗生长[24]。在镉胁迫下对玉米幼苗根施甜菜碱，显著提高了SOD、POD、CAT和APX活性，降低了MDA含量[25]。本研究中，甜菜碱浸种减缓了干旱胁迫引起的水分含量下降，促进了根系生长，增加了干旱胁迫下谷子发芽率、发芽势、发芽指数、株高及地上部、根的鲜重和干重，维持了植株正常生理生化反应所需的内环境。范春丽等[26]研究发现，干旱胁迫下外施甜菜碱显著提高了石榴的抗氧化酶活性，同时减缓了MDA积累。本试验结果表明，干旱胁迫下喷施甜菜碱有效降低了相对电导率和MDA含量，提高了相对含水量，有利于缓解植物细胞膜的损害。而甜菜碱处理显著提高了谷子幼苗SOD、POD、CAT和APX活性，与范春丽等[26]关于石榴研究结果一致。
4 结论
综上所述，1.5 mmol/L甜菜碱能有效缓解干旱胁迫对谷子植株的伤害，提高种子的发芽势、发芽率及根长、地上部和根部的生物量积累，提高抗氧化酶活性和渗透调节物质含量，降低干旱胁迫对细胞的伤害，有效调节细胞的渗透平衡，增强谷子幼苗在干旱胁迫下的适应能力。
参考文献
Breeding and genomics approaches to increase crop yield under drought stress in climate change scenario
Drought induced changes in growth, osmolyte accumulation and antioxidant metabolism of three Maize hybrids
Isolation, characterization and immunolocalization of a seed dominant CaM from finger millet (Eleusine coracana L. Gartn.) for studying its functional role in differential accumulation of calcium in developing grains
Health benefits of finger millet (Eleusine coracana L.) polyphenols and dietary fiber: a review
Using exogenous melatonin, glutathione, proline, and glycine betaine treatments to combat abiotic stresses in crops
Glycine betaine application modifies biochemical attributes of osmotic adjustment in drought stressed wheat
Root characteristics of spring wheat under drip irrigation and their relationship with aboveground biomass and yield
