抗旱性藜麦幼苗对干旱胁迫的生理响应
Physiological Response of Quinoa Seedlings with Drought Resistance to Drought Stress
通讯作者:
收稿日期: 2024-07-22 修回日期: 2024-09-24 网络出版日期: 2025-02-26
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Received: 2024-07-22 Revised: 2024-09-24 Online: 2025-02-26
作者简介 About authors
高艳梅,主要从事藜麦逆境生理调控工作,E-mail:
冯鹏睿为共同第一作者,主要从事植物生理、环境生态工程研究,E-mail:
为研究抗旱性藜麦幼苗对干旱胁迫的响应,选取强抗旱型藜麦品种陇藜1号(LL1)和新育品系LQ18作为试验材料,利用聚乙二醇6000(PEG-6000)溶液模拟干旱环境,设置正常灌水(CK)、轻度干旱胁迫(5% PEG-6000)和重度干旱胁迫(20% PEG-6000)3个处理,考察了藜麦种子的发芽率、发芽势和发芽指数,幼苗株高、叶面积和根长,地上及地下部干重,可溶性蛋白和脯氨酸含量,超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性及丙二醛(MDA)含量。结果表明,重度干旱胁迫降低了2个品种(系)的株高、叶面积和地上部干重,但提高了根长、地下部干重和根冠比。其中,LQ18的叶面积和地上部干重降幅,以及根长、地下部干重和根冠比增幅均小于LL1。干旱胁迫下LL1的可溶性蛋白含量逐渐降低,但LQ18的可溶性蛋白含量先升高后降低直至与CK无显著差异。重度干旱胁迫下2个品种(系)的脯氨酸含量均显著升高,且LQ18的脯氨酸含量显著高于LL1。干旱胁迫影响了2个品种(系)的SOD、POD活性并提高了MDA含量,重度干旱胁迫下LQ18的SOD活性略有下降,但其POD活性显著提高,且MDA含量显著低于LL1。
关键词:
To investigate the response of drought-resistant quinoa seedlings to drought stress, the strongly drought-resistant quinoa variety Longli No.1 (LL1) and the new breeding line LQ18 were selected as experimental materials. PEG-6000 solution was used to simulate drought environment. Three treatments were set: normal irrigation (CK), mild drought stress (5% PEG-6000), and severe drought stress (20% PEG-6000). We investigated quinoa seed germination rate, germination potential, germination index; seedling plant height, leaf area, root length, aboveground and underground dry weights; soluble protein and proline contents; superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) activities; and malondialdehyde (MDA) content. The results showed that severe drought stress reduced plant height, leaf area, and aboveground dry weight in both varieties (lines), but increased root length, underground dry weight, and root-shoot ratio. Specifically, the reductions in leaf area and aboveground dry weight, as well as the increases in root length, underground dry weight, and root-shoot ratio were all smaller in LQ18 than in LL1. Under drought stress, the soluble protein content of LL1 gradually decreased, while that of LQ18 first increased and then decreased to a level with no significant difference from CK. Under severe drought stress, the proline content of both varieties (lines) significantly increased, and the proline content of LQ18 was significantly higher than that of LL1. Drought stress influenced the activities of SOD and POD and increased MDA content in both varieties (lines). Under severe stress, the SOD activity of LQ18 decreased slightly, whereas its POD activity increased significantly; furthermore, its MDA content remained significantly lower than that of LL1.
Keywords:
本文引用格式
高艳梅, 冯鹏睿, 陈薇薇, 张萌, 张永清.
Gao Yanmei, Feng Pengrui, Chen Weiwei, Zhang Meng, Zhang Yongqing.
藜麦(Chenopodium quinoa Willd.)作为一种兼具高营养价值与多重健康效益的作物,近年来在全球农业及食品科学领域受到广泛关注[1]。其籽粒富含不饱和脂肪酸、多种维生素、叶酸以及限制性氨基酸,如甲硫氨酸、苏氨酸、赖氨酸和色氨酸等,可满足人体对必需氨基酸的需求[2]。此外,藜麦展现出极强的环境适应力与抗逆性,能够在寒冷、干旱、低温及盐碱等恶劣条件下生存[3]。我国北方地区约1/3的区域属于干旱区,干旱缺水问题严重制约作物产量的提升[4]。为顺应国家农业发展规划,推进杂粮产业培育,山西省大力发展地方特色农业,鉴于藜麦卓越的营养品质与良好的农业环境适应性,其已成为推动当地作物结构优化、增强农产品有效供给、发展旱地农业以及助力精准扶贫的关键优势作物[4]。然而,当前藜麦生产主要依赖引种,针对其生长习性、发育规律及抗逆机制等方面的研究相对较少,品种优化培育未得到重视,对藜麦各项生理指标的认知也尚不全面。因此,深入探究藜麦的生理过程,对于选育优质、高产且抗逆性强的藜麦新品种具有重要意义。
藜麦可通过多种形态结构与生理途径适应干旱胁迫[5]。根系作为植物与土壤进行水分及营养物质交换的关键器官,在抵御干旱导致的水分散失方面发挥着重要作用,在干旱条件下,藜麦植株会形成庞大、分支繁多且深入土壤的根系结构[6]。姚庆等[7]研究表明,藜麦的根长随着干旱胁迫程度的加剧逐渐增加。然而,干旱环境也会导致藜麦叶面积减小、叶片萎蔫以及气孔快速关闭[8]。Sun等[9]研究发现,在干旱胁迫下,藜麦通过增加叶片表面富含草酸钙的泡腺体,进而减少蒸腾量,导致地上部生物量降低。在干旱胁迫下,植株体内会积累过量的活性氧(ROS),打破原有的动态平衡,这些积累的ROS会引发膜脂质过氧化反应,破坏植物的正常代谢,严重时甚至导致细胞死亡[10]。为维持正常的代谢功能,植株会增强抗氧化酶系统的活性,如超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD),及时清除因逆境而增加的ROS,减轻氧化损伤[11]。Zhu等[12]研究表明,藜麦的SOD和POD活性随着干旱程度的加剧逐渐升高,且抗旱强的品种表现出更高的ROS清除效率。同时,植株还会通过产生有机和无机物质进行渗透调节,包括可溶性糖、脯氨酸、甜菜碱、可溶性蛋白和有机酸等有机小分子物质,以及钙、氯和钾等无机离子,它们能够降低细胞渗透压,提高细胞的保水和吸水能力,从而维持细胞活性,以适应干旱胁迫[13]。朱丽丽等[14]研究发现,在干旱胁迫增强的过程中,与膜脂过氧化相关的丙二醛(MDA)以及与渗透调节相关的脯氨酸(Pro)和可溶性蛋白(SP)含量均显著升高。鉴于此,本研究采用PEG-6000模拟干旱条件,对2个强抗旱型藜麦品种(系)幼苗的生长状况进行比较分析,并测定了可溶性蛋白、脯氨酸含量以及抗氧化酶活性等关键生理指标,旨在揭示藜麦幼苗抵御干旱胁迫的内在生理机制,为藜麦育种与干旱栽培技术提供理论依据,推动干旱地区农业的可持续发展。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试材料为强抗旱型藜麦品种陇藜1号(LL1)和新育品系LQ18,均由甘肃省农业科学院鉴定并提供。采用高渗溶液(PEG-6000)模拟干旱,土壤使用营养土,容器为一次性塑料杯。
1.2 试验方法
1.2.1 种子萌发试验
选择大小一致、籽粒饱满且无病虫害的藜麦种子,采用10% NaClO溶液消毒15 min,无菌水冲洗3~5次,吸干种子表面水分,放置于直径为11 cm、垫有双层滤纸的一次性培养皿中,每皿100粒。培养皿中分别加入10 mL含5%和20%的PEG-6000溶液,模拟轻度和重度干旱胁迫,对照(CK)加入等量无菌水。每个处理重复5次。将培养皿置于25 ℃的光照培养箱中,前3 d黑暗培养,之后光暗周期16 h/8 h,共培养7 d,每日更换PEG-6000溶液以维持干旱环境的稳定性。每隔4 h记录发芽种子的数量,直到剩余种子不再发芽。
1.2.2 幼苗生长试验
选择大小一致、籽粒饱满且无病虫害的藜麦种子,采用10% NaClO溶液消毒15 min,无菌水冲洗3~5次。在室温约25 ℃的黑暗环境下浸种6 h。之后将种子均匀播种于高9.5 cm的一次性塑料杯中,并将其置于光照培养箱中,光照/黑暗:16 h/8 h,温度设置为25 ℃,每2 d浇1次无菌水。为保证幼苗正常生长,每周浇1次Hoagland营养液。分别在四叶一心和六叶一心时进行第1次和第2次间苗,每杯留苗4株。待幼苗长至八叶一心时进行干旱胁迫,为模拟正常灌水、轻度干旱胁迫和重度干旱胁迫,每盆分别浇含0%(CK)、5%和20% PEG-6000的Hoagland营养液150 mL。每个处理重复5次,胁迫2 d后取样测定。
1.3 测定指标与方法
1.3.1 萌发指标
发芽率(%)=(萌发种子数/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/t,式中,Gt为发芽种子数,t为对应的萌发天数。
1.3.2 幼苗农艺性状
用直尺测量株高;采用Delta-T SCAN根系扫描仪(Delta-T Devices,英国)测定根长;采用ImageJ软件测量叶面积;将样品烘干后称量地上部和地下部的干重;计算根冠比:根冠比(%)=地下部干重/地上部干重×100。
1.3.3 幼苗生理指标
1.4 数据处理与分析
使用Microsoft Excel 2016进行数据统计和作图,使用SPSS 20.0进行显著性分析(P<0.05)。
2 结果与分析
2.1 干旱胁迫对藜麦萌发期发芽率、发芽势和发芽指数的影响
图1
图1
干旱胁迫对2个品种(系)藜麦发芽率、发芽势和发芽指数的影响
不同小写字母表示在P < 0.05水平差异显著,下同。
Fig.1
Effects of drought stress on germination rate, germination potential and germination index of two quinoa variety (line)
Different lowercase letters indicate significant difference at P < 0.05 level, the same below.
2.2 干旱胁迫对藜麦幼苗株高、叶面积和根长的影响
重度干旱胁迫下,2个品种(系)的株高和叶面积均显著降低(表1)。与CK相比,重度干旱胁迫下LQ18的株高降幅大于LL1。LL1和LQ18的叶面积在轻度干旱胁迫下分别下降了24.69%和21.65%;在重度干旱胁迫下分别下降了34.90%和29.37%,LL1的降幅大于LQ18。2个品种(系)的根长与干旱胁迫程度成正比,相较于CK,轻度和重度干旱胁迫下LL1的根长分别增加了16.42%和40.56%,LQ18则分别增加了13.83%和35.29%,LL1的增幅大于LQ18。
表1 干旱胁迫对2个品种(系)藜麦幼苗株高、叶面积和根长的影响
Table 1
| 品种(系) Variety (line) | 处理 Treatment | 株高 Plant height (cm) | 叶面积 Leaf area (cm2) | 根长 Root length (cm) |
|---|---|---|---|---|
| LL1 | CK | 13.22±1.02a | 22.92±6.04ab | 18.64±0.79c |
| 5% PEG-6000 | 13.40±0.69a | 17.26±4.99cd | 21.70±1.81b | |
| 20% PEG-6000 | 11.57±0.78b | 14.92±3.43d | 26.20±1.36a | |
| LQ18 | CK | 9.41±0.84c | 25.13±1.02a | 16.49±0.40c |
| 5% PEG-6000 | 9.27±0.98c | 19.69±3.34bc | 18.77±0.47c | |
| 20% PEG-6000 | 8.04±0.49d | 17.75±2.86cd | 22.31±1.86b |
同列不同小写字母表示在P < 0.05水平差异显著,下同。
Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at P < 0.05 level, the same below.
2.3 干旱胁迫对藜麦幼苗生物量的影响
在干旱胁迫下,2个藜麦品种(系)的地上部干重逐渐减少,而地下部干重则呈增加趋势(表2)。与CK相比,在轻度和重度干旱胁迫下,LL1的地上部干重分别减少了30.43%和39.13%,LQ18则减少了6.25%和12.50%。LL1的地下部干重在轻度和重度干旱胁迫下分别增加了37.50%和62.50%,LQ18则分别增加了6.25%和31.25%。因此,LL1的地上部干重降低幅度和地下部干重增加幅度均大于LQ18。2个藜麦品种(系)的总干重变化趋势与地上部干重变化趋势一致,与CK相比,LL1在轻度和重度干旱胁迫下总干重分别降低了28.00%和36.00%,LQ18则分别降低了5.56%和11.11%。干旱胁迫增加了藜麦的根冠比,2个品种(系)均在重度干旱胁迫下达到最大值,与CK相比,LL1增加幅度(164.70%)大于LQ18(49.69%)。
表2 干旱胁迫对2个品种(系)藜麦幼苗生物量的影响
Table 2
| 品种(系) Variety (line) | 处理 Treatment | 地上部干重 Aboveground dry weight (g) | 地下部干重 Underground dry weight (g) | 总干重 Total dry weight (g) | 根冠比 Root-shoot ratio (%) |
|---|---|---|---|---|---|
| LL1 | CK | 0.23±0.02a | 0.016±0.001bc | 0.25±0.02a | 7.11±0.01d |
| 5% PEG-6000 | 0.16±0.01ab | 0.022±0.004a | 0.18±0.00bc | 14.50±0.03b | |
| 20% PEG-6000 | 0.14±0.02c | 0.026±0.003a | 0.16±0.02bc | 18.82±0.03a | |
| LQ18 | CK | 0.16±0.00b | 0.016±0.002c | 0.18±0.00b | 9.72±0.02cd |
| 5% PEG-6000 | 0.15±0.01ab | 0.017±0.002bc | 0.17±0.01bc | 11.33±0.01bc | |
| 20% PEG-6000 | 0.14±0.01ab | 0.021±0.003ab | 0.16±0.01c | 14.55±0.01b |
2.4 干旱胁迫对藜麦幼苗SP和Pro含量的影响
图2
图2
干旱胁迫对2个品种(系)藜麦幼苗SP和Pro含量的影响
Fig.2
Effects of drought stress on the contents of SP and Pro of two quinoa variety (line) seedlings
2.5 干旱胁迫对藜麦幼苗SOD、POD活性及MDA含量的影响
2个藜麦品种(系)的SOD活性均呈先升后降的趋势(图3a)。当受到轻度干旱胁迫时,与CK相比,LL1和LQ18的SOD活性分别显著升高了31.53%和11.77%;在重度干旱胁迫下,LL1显著升高了22.65%,LQ18则降低了6.79%。LQ18的SOD活性在各处理下均显著高于LL1。LL1和LQ18的POD活性呈现不同的变化趋势(图3b)。在轻度和重度干旱胁迫下,LL1的POD活性显著上升,与CK相比,其增幅分别为170.06%和215.01%。LQ18的POD活性在轻度干旱胁迫下无显著变化,但在重度干旱胁迫下显著升高了172.68%,且显著高于LL1。干旱胁迫下2个藜麦品种(系)的MDA含量均呈增加趋势(图3c)。与CK相比,LL1在轻度和重度干旱胁迫下MDA含量分别升高了45.95%和89.34%,LQ18则分别升高了38.37%和75.86%,LQ18在各处理下均显著小于LL1。
图3
图3
干旱胁迫对2个品种(系)藜麦幼苗SOD、POD活性及MDA含量的影响
Fig.3
Effects of drought stress on the SOD, POD activities and MDA content of two quinoa variety (line) seedlings
3 讨论
3.1 干旱胁迫对藜麦幼苗农艺性状的影响
地上部与地下部干重的变化揭示了藜麦在干旱胁迫下资源分配策略的调整。植物在受到逆境胁迫时,通常会优先减少地上部生长,促进地下部生长,将更多生物量分配给根系,增加根冠比,以确保基本生存资源的获取[26]。LL1和LQ18均表现出地上部干重减少、地下部干重增加的趋势,但LQ18的地下部干重小于LL1,反映出2种抗旱性藜麦在强化根系发育以应对水分吸收不足方面存在适应性差异。根冠比的变化进一步凸显了根系在干旱适应性中的关键作用[27]。LL1在干旱胁迫下根冠比显著增加,尤其在重度胁迫下,表明其通过增强根系生长提高水分吸收能力。相比之下,LQ18的根冠比在重度干旱胁迫下有所增加,但在轻度胁迫下与CK无显著差异。魏志敏等[28]研究表明,抗旱能力更强的藜麦品种(系)其根冠比增幅相对较小,这进一步证实了LQ18具有更强的抗旱性。藜麦通过发展较长的根系以扩大吸水面积,能够在一定程度上抵御干旱胁迫,平衡地上与地下部分的生长。
3.2 干旱胁迫对藜麦幼苗生理特性的影响
MDA作为叶片脂质过氧化的产物之一,常被用作评估植物对环境胁迫反应的关键指标[29]。当植株遭受逆境胁迫时,膜脂过氧化程度加剧,导致MDA含量逐步上升[30]。本研究发现,2个藜麦品种(系)的MDA含量均随干旱胁迫程度的加深而显著增加,但LQ18在相同胁迫条件下MDA含量较低,表明其具有较高的抗旱能力和更有效的细胞保护机制。SOD和POD是抗氧化酶系统的重要组成部分。在干旱胁迫下,植物常通过调节抗氧化酶活性来激活抗氧化防御机制,进而提升对干旱环境的适应能力[31]。SOD作为酶促防御机制中的“第一道防线”[32],在轻度干旱胁迫下,LL1和LQ18的SOD活性均显著提升;但在重度干旱胁迫下,二者活性均有所下降,这与李伟成等[33]的研究结论一致。重度干旱胁迫下,LQ18的SOD活性虽有所降低,但其POD活性却显著提升。这表明LQ18在应对极端环境时,倾向于通过增强POD活性来清除过量的活性自由基,减轻氧化应激对细胞的损伤,从而提升其抗旱能力。此外,LL1的抗氧化酶活性整体低于LQ18,这一发现揭示了不同藜麦品种在抗旱机制上的差异,为深入研究植物抗旱性提供了有价值的理论依据,同时对抗旱作物品种的培育与改良具有重要的指导意义。
渗透调节是植物应对干旱胁迫的关键生理机制之一[34]。本研究发现,LL1的SP含量随干旱程度加剧而逐渐降低,这与张平等[35]的研究结论一致。其主要原因在于干旱抑制了大部分蛋白质的合成,SP的减少削弱了细胞的渗透调节能力,并限制了受损生物大分子的修复,进而影响植物的整体适应性[36]。LQ18在轻度干旱胁迫下,通过增加SP含量增强叶片渗透调节能力,维持正常生理活动;但随着干旱程度加剧,SP介导的保护机制逐渐达到其调节阈值。Pro作为植物蛋白质的组成成分,在重度干旱胁迫下,植物可通过提高体内Pro含量增强耐旱性[37]。与LL1相比,LQ18在重度干旱胁迫下积累了更多Pro,展现出更强的抗旱特性,表明在干旱胁迫下,抗旱性更强的品种通常具有更高含量且显著增加的渗透调节物质,从而更有效地保护细胞代谢活动并适应环境胁迫。
4 结论
在干旱胁迫下,LQ18的各项发芽指标与对照均无显著差异,而LL1则随胁迫程度加剧而逐渐降低。在重度干旱胁迫下,LQ18的叶面积和地上部干重降幅,以及根长、地下部干重和根冠比增幅均小于LL1。LQ18通过增加SP和Pro含量来优化渗透调节,有效减轻干旱引发的氧化损伤;而LL1仅依赖Pro调节渗透平衡,难以应对更严重的干旱胁迫。重度干旱胁迫下,LQ18的SOD和POD协同调节作用优于LL1。LQ18在干旱胁迫下展现出更优的生理适应策略,证实其具有较强的抗旱能力与细胞保护机制。
参考文献
The effect of heat stress on quinoa (cv. Titicaca) under controlled climatic conditions
DOI:10.1017/S0021859620000556
URL
[本文引用: 1]
Quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) is capable of adapting to multiple environments and tolerating abiotic stresses including saline, drought and frost stress conditions. However, the introduction of quinoa into new environments has disclosed adaptation challenges. The principle factor affecting crop pollination is heat stress at flowering, which leads to sterile plants. To investigate the effect of high temperatures during the sensitive phenological phases, flowering and seed germination, a Danish-bred cultivar (cv. Titicaca) was grown in climatic chambers. Selection of the cv. Titicaca was based on the fact that it is the most extensively used cultivar in the Sahel and Middle East and North African region. The results of this research demonstrated that temperatures exceeding 38 °C hindered seed germination and pollination, and therefore, seed yield at harvest. At 38 °C, seed yield losses were 30%, whilst seed germination percentage declined below 50%. In addition, the results of the present research were compared with field observations from Burkina Faso in order to determine the spatiotemporal suitability of this crop with respect to temperature stress. Although many other abiotic stresses need to be considered when defining crop calendars (e.g. heavy precipitation in July and August), this research proposes the following growing periods to avoid heat-stress conditions at flowering: Sahel (July–September and November–February), Soudano–Sahel (June–February) and Soudanian zone (all year round).
稻田水氮氧环境因子对水稻生长发育、光合作用和氮利用的调控研究进展
DOI:10.13287/j.1001-9332.202104.020
[本文引用: 1]
水分和氮素是影响水稻生长发育的两个重要环境因子。适宜的水氮耦合模式可通过“以水调氮、以水控氧”调控稻田根际氮形态和溶氧量等环境因子,促进良好根系形态构建,提高叶片光合速率和光合产物“源-库”分配平衡,提高水稻群体质量和产量形成。同时,稻田水氮氧环境因子驱动的微生物调控机制在水稻-土壤系统氮高效利用方面也发挥重要作用。本文重点阐述了水氮耦合下水分、氮形态和溶氧量对水稻生长发育、光合作用、碳氮代谢、稻田氮转化过程及其微生物调控机制等方面的研究进展,展望并提出了未来亟待加强的研究方向:1)开展水氮耦合下水稻根际溶氧量时空动态分布特征及氧环境调控关键因子研究;2)明确不同基因型水稻根源信号增氧响应特征及其对水稻生长发育的影响调控机制;3)阐明根际氧环境驱动的关键微生物过程对稻田氮转化和氮素利用的影响。
PEG模拟干旱胁迫下藜麦萌发期抗旱性评价
DOI:10.6048/j.issn.1001-4330.2019.09.003
[本文引用: 1]
【目的】研究与评价PEG模拟干旱胁迫下10个藜麦品种的萌芽期抗旱性。【方法】采用5%~30%不同浓度PEG-6000溶液模拟干旱胁迫条件。【结果】低浓度PEG-6000对藜麦种子萌发及根长具有促进作用,对茎长有一定的抑制作用。随着PEG-6000浓度增大,所有抗旱指标均下降。【结论】利用隶属函数分析得出,10个藜麦品种萌发期抗旱性强弱顺序为:YL2>YL1>YL7>YL3>YL9>YL5>YL10>YL6>YL8>YL4。为较好的反映藜麦品种在不同胁迫程度的耐受能力,将10个藜麦品种划分为三个抗旱级别:YL1、YL2、YL7为强耐旱品种; YL3、YL9为中等耐旱品种;YL4、YL5、YL6、YL8、YL10为弱耐旱品种。
Sensitivity of two quinoa (Chenopodium quinoa Willd.) varieties to progressive drought stress
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Oxidative stress and antioxidant metabolism under adverse environmental conditions: a review
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Impact of heat and drought stress on peroxisome proliferation in quinoa
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Although peroxisomes play a key role in plant metabolism under both normal and stressful growth conditions, the impact of drought and heat stress on the peroxisomes remains unknown. Quinoa represents an informative system for dissecting the impact of abiotic stress on peroxisome proliferation because it is adapted to marginal environments. Here we determined the correlation of peroxisome abundance with physiological responses and yield under heat, drought and heat plus drought stresses in eight genotypes of quinoa. We found that all stresses caused a reduction in stomatal conductance and yield. Furthermore, H O content increased under drought and heat plus drought. Principal component analysis demonstrated that peroxisome abundance correlated positively with H O content in leaves and correlated negatively with yield. Pearson correlation coefficient for yield and peroxisome abundance (r = -0.59) was higher than for commonly used photosynthetic efficiency (r = 0.23), but comparable to those for classical stress indicators such as soil moisture content (r = 0.51) or stomatal conductance (r = 0.62). Our work established peroxisome abundance as a cellular sensor for measuring responses to heat and drought stress in the genetically diverse populations. As heat waves threaten agricultural productivity in arid climates, our findings will facilitate identification of genetic markers for improving yield of crops under extreme weather patterns.© 2019 The Authors The Plant Journal © 2019 John Wiley & Sons Ltd.
Molecular and physiological responses of two quinoa genotypes to drought stress
混合盐碱胁迫对醉马草种子萌发及幼苗生理特性的影响
DOI:10.11686/cyxb2020416
[本文引用: 1]
针对西北盐碱地区栽培土壤资源有限问题,研究混合盐碱胁迫对醉马草种子萌发及幼苗生理相关酶特性的影响,旨在探讨与揭示醉马草对盐碱土壤环境的适应机制,为西北盐碱地区的耐盐草种的选育及栽培提供理论基础。为模拟西北地区复杂的盐碱环境,本研究将中性盐(NaCl、Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>)和碱性盐(NaHCO<sub>3</sub>、Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>)按不同比例混合(A: NaCl∶Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>=1∶1; B: NaCl∶Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>∶ NaHCO<sub>3</sub>=1∶2∶1; C: NaCl∶Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>∶NaHCO<sub>3</sub>∶Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>=1∶9∶9∶1; D: NaCl∶Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>∶NaHCO<sub>3</sub>∶Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>=1∶1∶1∶1; E: NaCl∶Na<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>∶NaHCO<sub>3</sub>∶Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>=9∶1∶1∶9),并设置50、100、150、200 mmol·L<sup>-1</sup>4个盐浓度梯度对带菌(E+)和不带菌(E-)醉马草种子萌发和幼苗生长阶段进行胁迫,分析盐胁迫下醉马草种子萌发阶段的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数、平均发芽时间及幼苗生长阶段的苗长、胚根长度、根冠比、抗氧化酶(POD、SOD、CAT)活性、丙二醛 (MDA)和脯氨酸(proline)含量。并通过隶属函数和主成分分析对不同盐胁迫下的醉马草耐盐性进行综合评价。结果表明:5种盐碱胁迫均使醉马草发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数降低及平均发芽时间延长,且随盐浓度的增加,种子萌发受到显著抑制(P<0.05);盐碱胁迫亦随盐浓度的增加使醉马草胚根长度、根冠比显著降低。除C、E处理外,其余混合盐碱胁迫下的醉马草幼苗生理指标(POD、SOD、MDA、proline)均随盐浓度的上升而下降。隶属函数和主成分分析显示不同混合盐碱胁迫下的醉马草耐盐性大小顺序为A>D>B>C>E。综上可知,盐碱胁迫显著抑制醉马草种子萌发和幼苗生长(P<0.05),其中碱性盐(NaHCO<sub>3</sub>、Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>),尤以Na<sub>2</sub>CO<sub>3</sub>对醉马草种子萌发和幼苗生长抑制作用强于中性盐。活力指数、胚根长度、POD、SOD、proline为评价醉马草耐盐性的主要指标。E+醉马草耐盐性优于E-,内生真菌可有效提高醉马草渗透调节和活性氧清除能力,降低膜脂过氧化作用,提高醉马草耐盐性。
Morphological traits associated with vegetative growth of rice (Oryza sativa L.) during the recovery phase after early-season drought
Association of enhanced peroxidase activity with induced systemic resistance of cucumber to Colletotrichum lagenarium
Modified thiobarbituric acid assay for measuring lipid oxidation in sugar-rich plant tissue extracts
DOI:10.1021/jf00021a018 URL [本文引用: 1]
Assaying for superoxide dismutase activity: some large consequences of minor changes in conditions
DOI:10.1016/0003-2697(87)90489-1
PMID:3034103
[本文引用: 1]
Most assays for superoxide dismutase depend upon competition between the enzyme and some indicating scavenger for O-2. We have investigated the effects of experimental variables on assays based upon the use of either ferricytochrome c or nitro blue tetrazolium. Our results should help investigators to avoid the numerous potential pitfalls which necessarily surround these assay methods.
Rapid determination of free proline for water-stress studies
5种豆科牧草抗旱性研究与评价
DOI:10.11686/cyxb2021048
[本文引用: 1]
通过对牧草生长的水分条件进行系统分析,筛选出适合干旱地区的优质抗旱牧草,本研究以5种多年生豆科牧草(草木樨状黄芪、牛枝子、达乌里胡枝子、小冠花、鹰嘴紫云英)为研究对象,测定土壤水分、牧草农艺性状(绿叶数与株高),利用均方根偏差(RMSD)计算绿叶数和株高离散度与土壤水分离散度,并计算两者间的权衡关系,以土壤水分为自变量,权衡值为因变量,利用分位数模型界定维持植物正常生命活动的土壤水分阈值,同时结合干旱胁迫下牧草生理指标,达到科学评价牧草抗旱性的目的,结果表明:1)胁迫前期牧草农艺性状优于对照,随胁迫时间延长,牧草农艺性状大体呈下降趋势;2)土壤水分阈值(绿叶数)分别为草木樨状黄芪(17%)、牛枝子(10%)、鹰嘴紫云英(5%),土壤水分阈值(株高)分别为草木樨状黄芪(16%)、牛枝子(14%)、鹰嘴紫云英(10%);3)以隶属函数法对7项生理指标进行综合评价,5种多年生豆科牧草抗旱性强弱表现为:牛枝子>达乌里胡枝子>小冠花>鹰嘴紫云英>草木樨状黄芪;4)综合牧草外部性状与内部生理评价,选出可耐受中度干旱地区的牧草为牛枝子,可作为中度干旱区的引种牧草。
基于转录组及WGCNA的甘蔗干旱响应调控网络分析
DOI:10.3724/SP.J.1006.2022.14121
[本文引用: 1]
干旱是制约甘蔗产业发展的重要因素之一。前人研究表明, 斑茅具有良好的抗性基因, 可以通过远缘杂交遗传给后代。本研究以斑茅与甘蔗杂交F<sub>1</sub>代无性系YCE96-40为材料, 对苗期干旱处理0 h和24 h后的叶和根进行转录组测序分析, 比较了根和叶在转录水平上响应干旱的差异, 鉴定出21,885个(DR vs CR:10176, DL vs CL:7907)差异表达基因(DEGs), 根中差异表达基因多于叶中, 说明根对干旱胁迫响应更为剧烈。GO功能富集分析发现, 根和叶中DEGs均富集到与脱水反应相关及激素信号转导过程相关的条目, 比如“对渗透胁迫生物过程的响应”和“对缺水生物过程的反应”等。与叶不同的是, 根中大量DEGs显著富集到与细胞膜相关的条目。在根中鉴定出多个木质素相关DEGs, 表明木质素参与了根的干旱响应。通过对所有DEGs进行WGCNA分析, 共鉴定出11个基因共表达模块, 其中与干旱处理后的根显著相关有5个模块, 与干旱处理后的叶显著相关的有2个模块。进一步筛选出了26个转录因子为甘蔗干旱响应的候选转录因子, 构建了调控网络。研究结果为进一步理解甘蔗抗旱性的分子机制及甘蔗抗旱性育种提供了理论指导。
拔节期冬小麦光合特性、干物质积累和产量对干旱胁迫的响应
DOI:10.6048/j.issn.1001-4330.2023.09.010
【目的】研究冬小麦光合特性、干物质积累和产量对干旱胁迫的响应,为冬小麦春季灌溉制度提供基础理论依据。【方法】采用盆栽试验,以冬小麦品种邯麦17号为材料,在拔节期设置充分灌水(CK)、轻度干旱(T<sub>1</sub>)、中度干旱(T<sub>2</sub>)和重度干旱(T<sub>3</sub>)4个处理。【结果】拔节期冬小麦叶片水分利用效率在T<sub>2</sub>处理下最高;净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、胞间二氧化碳浓度和叶绿素含量随着干旱胁迫的加剧均有所降低。光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光化学效率(Fv/Fm) 、PSⅡ 的潜在活性(Fv/Fo)和经过PSⅡ的电子传递速率(Fm/Fo)均表现为T<sub>1</sub> > CK > T<sub>2</sub> >T<sub>3</sub>。与CK相比,T<sub>1</sub>和T<sub>2</sub>处理地下部分干物质积累量分别提高11.8%和3.0%,T<sub>3</sub>处理降低4.0%;T<sub>1</sub>、T<sub>2</sub>和T<sub>3</sub>处理地下部分干物质占比分别提高4.0%、6.0%和11.0%。灌溉水利用效率在T<sub>1</sub>处理下最高,且籽粒产量略有增加,T<sub>2</sub>和T<sub>3</sub>处理籽粒产量则分别降低14.8%和42.4%(P<0.05)。叶片水分利用效率与地上部干物质积累量呈极显著正相关关系(P<0.01),与总干物质积累量、籽粒产量和灌溉水利用效率呈显著正相关关系(P<0.05),与胞间二氧化碳浓度呈极显著负相关关系(P<0.01)。【结论】轻度干旱处理下,拔节期冬小麦通过调节光合作用和增加地下部分干物质积累量及其占比以适应干旱环境,并提高籽粒产量和灌溉水利用效率;但随着干旱加剧,冬小麦光合速率明显降低,影响干物质积累,导致冬小麦产量降低。
花期前后干旱胁迫对复水后夏玉米光合特性与产量的影响
DOI:10.3724/SP.J.1006.2023.23003
[本文引用: 1]
花期前后干旱是影响黄淮海地区夏玉米产量下降的重要因素之一。于2020—2021年开展池栽控制性试验, 以中科玉505为试验材料, 在开花前后28 d内设置4个水分梯度, 包括100%作物蒸散量ET<sub>C</sub> (CK)、70% ET<sub>C</sub> (干旱胁迫WD1)、40% ET<sub>C</sub> (WD2)和0 ET<sub>C</sub> (WD3), 研究花期前后干旱胁迫对夏玉米复水后的光合特性、干物质积累与分配以及产量的影响。结果表明: 干旱胁迫处理复水后夏玉米光合性能没有恢复, 表现为叶片SPAD值、净光合速率和群体叶面积指数、光合势、净同化速率低于对照, 植株干物质积累因此受阻, 导致籽粒库容能力下降。干旱胁迫处理使开花吐丝间隔期延长1~3 d, 籽粒败育率增加, 行粒数和百粒重降低, 尤其是WD3的败育率在2020—2021年分别显著增加220.71%和100.73%, WD1、WD2和WD3的产量在2020—2021年分别减产14.52%、36.69%、39.83%和19.62%、45.18%、54.42%。综上所述, 花期前后干旱胁迫在复水后, 玉米的光合性能仍受到抑制, 进而影响光合同化物的积累与分配, 最终导致库容量和产量显著下降。
Effects of drought stress induced by hypertonic polyethylene glycol (PEG-6000) on Passiflora edulis Sims. physiological properties
DOI:10.3390/plants12010001
URL
[本文引用: 1]
The extract, fractions, and compounds of the Bouvardia ternifolia root were evaluated as an antiarthritic using a complete Freund’s adjuvant (CFA) model in mice and NF-κB inhibition in RAW 264.7 macrophages. Four active compounds, including two new compounds, ternifoliol and ternifolial, were isolated by open column chromatography and identified by spectroscopic and spectrometric techniques, resulting in benzochromone-like structures with aromatic rings and hydroxyl groups, which could be responsible for the anti-inflammatory activity and inhibitory NF-κB. Changes in the joint cytokine profile monitored the antiarthritic effect. A decrement was observed in the local concentration of the following cytokines with different treatments: IL-17 by 64% and 70.3% with the aqueous extract (BtAq), ethyl acetate extract (BtAcOEt), and M3 fraction; interleukin-1 beta (IL-1β) by 10.2% and 15.7% with BtAq and the M4 fraction, respectively; IL-6 with M1, M2, M3, and M4 between 42% and 64%; necrosis factor-alpha (TNF-α) by 60.9% with M4. Conversely, the anti-inflammatory cytokine interleukin-10 (IL-10) increased between 94% and 99% with M1, M2, M3, and M4. Kidney IL-6 decreased with BtAq, M1, M2, M3, and M4 between 68.9% and 85.8%. TNF-α decreased with BtAcOEt, BtAq, M1, M2, and M4 between 34% and 80.2%. The NF-κB pathway was inhibited with BtAcOEt (90.1%), M1 (85%), M2 (93.5%), M3 (84.5%), M4 (90.3%), ternifoliol (75.6%), bouvardin (20.4%), and scopoletin (89%). We conclude that B. ternifolia modulated the inflammatory response at the joint and kidney levels and the NF-κB pathway.
Heat and drought priming induce tolerance to subsequent heat and drought stress by regulating leaf photosynthesis, root morphology, and antioxidant defense in maize seedlings
干旱胁迫下不同性别野牛草生理及抗氧化酶基因表达差异
DOI:10.11686/cyxb2023019
[本文引用: 1]
干旱是制约植物生长的重要胁迫因素之一,目前对于不同性别野牛草抗旱的生理及分子差异机制的研究较少,为探究干旱胁迫下野牛草雌、雄株抗氧化酶活性以及基因表达差异,以野牛草“Texoka”品种为试验材料,测定干旱第0、7、14天以及复水7 d后野牛草雌、雄株叶片相对含水量(RWC)、叶绿素含量(Chl)、PSII最大光化学量子效率(F<sub>v</sub>/F<sub>m</sub>)以及抗氧化酶活性,利用qRT-PCR技术研究了野牛草雌、雄株抗氧化酶基因在不同干旱时间下的表达差异。结果表明,干旱胁迫下野牛草雌、雄株坪观质量随着干旱时间的延长而降低,复水后恢复,且雌株坪观质量强于雄株。野牛草雌、雄株RWC都随着干旱处理时间增加而下降,复水后恢复,在干旱第7天雌株RWC高于雄株。野牛草雌、雄株Chl含量随着干旱-复水处理都呈下降趋势;F<sub>v</sub>/F<sub>m</sub>在干旱-复水处理过程中呈相同的趋势,在干旱第14天均显著降低。雌、雄株Chl和F<sub>v</sub>/F<sub>m</sub>除第7天外均没有显著差异,两者在长期干旱胁迫以及复水后光合特性相似。野牛草雌株超氧化物歧化酶(SOD)活性在干旱第7、14天以及复水7 d后都高于雄株,雌株抗坏血酸过氧化物酶(APX)活性变化更加明显,证明野牛草雌株应对干旱胁迫时APX更快积累;在干旱胁迫下雌、雄株过氧化物酶(POD)活性变化一致,两者没有显著差异。干旱第7天后,野牛草雌、雄株过氧化氢酶(CAT)活性变化趋势完全相反。实时荧光定量PCR分析表明,野牛草雌株抗氧化酶基因表达量在复水后达到峰值,与抗氧化酶活性变化并不一致;雄株FeSOD、Zn/Cu-SOD、POD相对表达量在干旱第14天达到峰值,与抗氧化酶活性变化相同。雄株APX以及CAT相对表达量在干旱第0天最高后下降,复水后上升,与抗氧化酶活性变化不一致。总体而言,野牛草雌、雄株之间在生理及分子水平上对干旱胁迫的响应存在一定差异,且野牛草雌株抗旱性强于雄株。本研究丰富了野牛草抗氧化系统响应干旱胁迫的认识,并为研究雌雄异株植物的抗旱机制提供了参考。
Osmoregulation and its actions during the drought stress in plants
DOI:10.1111/ppl.v172.2 URL [本文引用: 1]
A synthetic cytokinin influences the accumulation of leaf soluble sugars and sugar transporters, and enhances the drought adaptability in rice. 3
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