石 杨，尹希龙，李王胜，兴 旺
（1国家甜菜种质中期库/黑龙江大学，哈尔滨 150080；2黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室/黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）
随着全球气候变暖，水资源日趋短缺，干旱胁迫已成为全球范围内作物产量的主要影响因素之一[1]。中国干旱半干旱区面积约占中国国土面积的一半左右，在农业灌溉方面用水量巨大，因此提高作物的水分利用率，培育抗（耐）旱作物种质是现有国情下提高干旱地区水分利用率和干旱地区作物产量最有效、最经济、最环保的解决办法，对于推动中国农业可持续发展具有重要意义[2-4]。甜菜是中国主要的糖料作物，在东北、西北和华北地区广泛种植。这些区域年降水量受节气影响差异大，且灌溉资源少，在受到干旱，高温等极端天气影响下，甜菜的产量和质量相比于预期均产生大幅度下降，所以水分胁迫被认为是甜菜生产力和产量稳定性最普遍的限制之一[5]。通过研究不同耐旱性甜菜种质苗期生长规律以及对干旱的响应机制，在有限水资源下高效利用甜菜自身的抗旱能力，促进甜菜作物高产高效的发展有着重要意义。
现有研究表明在甜菜幼苗的生长阶段，干旱会阻止叶片重量的增加，而且在一定程度上抑制了主根的生长[6]。韩凯虹等[7]研究发现甜菜任何生育期受到水分的胁迫，都会明显抑制株高、叶面积及根粗等生长性状。苗期的水分胁迫显著降低了甜菜的株高，直接影响了叶片数的分化而致单株叶面积降低且块根直径增长受到严重限制，进而显著降低甜菜块根的产量。唐利华等[8]研究发现甜菜叶片和根系的含水量变化趋势基本一致，甜菜的根系活力随着土壤水分的减少呈下降趋势。叶片和根系在脱水过程中会出现暂时萎蔫、永久萎蔫和完全枯萎3种生理现象。
实验于2021年11月—2022年1月，在黑龙江大学国家甜菜种质中期库实验室实施并完成。
表1为耐旱型（V1、V2种质）和干旱敏感型（V3、V4种质）甜菜种质材料，分别由国家甜菜种质资源中期库（国家甜菜种质资源平台）提供。
表1 供试甜菜种质信息及类型
试验采用温室水培箱干旱处理法，通过在人工气候室恒温恒湿模式下，对4份甜菜种质进行栽培，选用塑料培养盆（高25.0 cm，宽20.0 cm，长35.0 cm）。每个种质挑选100粒优质甜菜种子，用酒精浸泡30 s，自来水冲洗3 min。甜菜种子播种于蛭石中，用去离子水灌溉一个星期至其发芽。出苗后，从蛭石中移出，移栽到水培箱中，用营养液提供植物生长所需元素，每7天更换一次营养液。在出苗3周后进行胁迫实验，分对照组处理和干旱处理，用PEG-6000为渗透剂模拟干旱环境，配制成浓度分别为0%（正常水分处理）、3%（轻度干旱胁迫）、6%（中度干旱胁迫）、9%（重度干旱胁迫）的溶液模拟不同干旱环境，每个梯度3个重复，第7天进行各项指标的测定，测量地上部指标（株高、叶鲜重、叶干重、叶饱和鲜重）、地下部指标（根鲜重、根长）、根冠比、叶片相对含水量。
（1）株高：直尺测量甜菜幼苗的自然株高(cm)。
（2）根长：直尺测定甜菜幼苗根系总长度(cm)。
（3）叶鲜重：收集每株甜菜幼苗的叶部，称重(g)。
（4）根鲜重：收集每株甜菜幼苗的根部，用吸水纸吸干根系表面水分，称重(g)。
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（5）叶干重：收集每株甜菜幼苗的叶部，然后放入纸袋，80℃恒温下烘至恒重后称重(g)。
（6）叶饱和鲜重：将每株甜菜幼苗的叶部放入玻璃罐中，加水放置4 h，擦干水分称重(g)。
（7）根冠比的计算见公式(1)。
（8）叶片相对含水量的计算见公式(2)。
用Microsoft Excel 2010软件整理数据，DPS 18.0软件进行单因素方差(ANOVA)统计分析，Duncan法进行多重比较，差异显著性定义为P＜0.05，差异极显著定义为P＜0.01，求取各种质最优线性回归方程，所有数据均为3个重复的平均值±标准差[13-14]。
植物受到干旱胁迫时，从外观上看，植株的大小、叶片的形态、叶色以及萎蔫情况是最明显的表现途径，在持续一周的干旱胁迫下，4个种质的甜菜幼苗表型变化如图1所示。
图1 4个甜菜种质在干旱胁迫下幼苗表型变化
在胁迫第7天时，轻度干旱胁迫下(3%)，4个甜菜种质叶片卷曲，颜色加深，光泽变暗，与对照相比，生长速率明显降低。中度干旱胁迫下(6%)，耐旱型甜菜V1种质与V2种质叶片无光，部分叶片萎缩；干旱敏感型甜菜V3种质与V4种质叶片边缘出现轻微干枯现象。重度干旱胁迫下(9%)，耐旱型甜菜V1种质与V2种质幼苗萎缩严重，V4种质叶片出现大面积干枯现象，V3种质表现为坏死状态。
株高、叶鲜重、叶干重、叶饱和鲜重都是反映植株地上部生长特征的重要指标。由表2可以看出，不同浓度的水分胁迫基本降低了甜菜的地上部指标的变化，而V2种质的叶干重呈现先增加后降低的趋势。比较不同水分处理下甜菜种质的株高可以看出，与正常水分处理组相比，轻度干旱胁迫下，4个种质均未达到显著变化；在中度干旱胁迫下，V3、V4种质的株高变化出现显著降低(P＜0.05)，在重度干旱胁迫下，4个种质的株高下降幅度分别为22.19%、21.26%、56.64%、55.38%，V3种质的株高下降幅度最大，其中V3、V4种质的株高平均值下降程度显著高于V1、V2种质(P＜0.05)。在中度与重度干旱胁迫下，耐旱种质V1、V2的株高下降幅度低于旱敏感型种质。
表2 PEG-6000模拟干旱胁迫对甜菜地上部的影响
叶鲜重与叶干重体现了甜菜地上部指标的营养生长状态。与对照组相比，在轻度干旱下，4个种质的叶鲜重发生了极显著变化(P＜0.01)，V1、V2种质相对于对照组降低了30.97%、30.65%，V3、V4种质降低了82.14%、78.36%。4个种质在重度干旱胁迫下叶鲜重降至最低，降幅分别为59.37%，67.84%，97.02%，94.79%。V3、V4种质的叶干重在轻度缺水状态下出现极显著差异(P＜0.01)，而V1、V2种质的叶干重差异不显著；直到重度缺水情况下，4个种质叶干重均出现显著降低，降幅为43.10%、48.48%、90.32%、84.62%，其中V3、V4种质叶干重的降幅快于V1、V2种质。比较不同耐旱性甜菜种质间的差异可以得出，在不同浓度的干旱胁迫下，耐旱型种质叶鲜重与叶干重的降幅均小于旱敏感型种质。
在轻度干旱胁迫下，叶饱和鲜重表现出与叶部鲜重变化相似的动态，4个种质的叶饱和鲜重发生显著下降(P＜0.05)。由表结果可看出，在中度干旱胁迫下，叶饱和鲜重表现出极显著变化(P＜0.01)，重度胁迫下降至最低值，降幅为56.63%、61.40%、96.12%、91.94%，可以得出在各种浓度的干旱胁迫程度下，V1、V2种质的叶饱和鲜重平均值下降程度都低于V3、V4种质。
由表3可知，随着干旱胁迫程度的增加，供试甜菜种质的根长与根鲜重表现为降低趋势，而V2种质的根长在3种干旱胁迫下相对于对照组有显著增加(P＜0.05)，分别为21.89%、2.81%、4.69%；V1、V3、V4种质的根长随着胁迫程度的增加，分别减少了11.53%、18.07%、7.38%，24.07%、23.44%、26.93%和18.73%、14.88%、31.02%。除中度干旱胁迫下，V4的根系长度的下降幅度小于V1种质，其余干旱胁迫浓度下，V3、V4种质根系总长度的下降程度均高于V1、V2种质。
表3 PEG-6000模拟干旱胁迫对甜菜地下部的影响
在干旱胁迫下，甜菜苗期根鲜重相对于对照组均出现显著下降(P＜0.05)，且在轻度干旱胁迫下，V1、V3、V4种质呈现极显著变化(P＜0.05)，降幅为23.78%、68.57%、73.33%；在重度干旱胁迫下4个种质的根鲜重降至最低，降幅为49.65%、8.74%、93.33%，93.33%，其中V3、V4种质的根鲜重平均值低于V1、V2种质。
如表4所示，随着干旱程度的加剧，4个种质的根冠比在不断增加。在轻度干旱胁迫下，V2、V3种质的根冠比显著增加(P＜0.05)，增幅分别为61.54%、80.65%。在中度干旱胁迫下，4个种质相对于对照组均显著增加(P＜0.05)，增幅分别为21.43%、138.46%、83.87%、48.00%，在重度干旱胁迫下增幅达到最大，其中V2、V3种质的根冠比呈现极显著增加(P＜0.01)，分别为184.62%、122.58%。
表4 PEG-6000模拟干旱胁迫对甜菜种质根冠比与叶片相对含水量的影响
随着胁迫程度的增加，4个甜菜种质的叶片相对含水量呈现降低的趋势。在轻度干旱胁迫下，V1、V2、V3种质的叶片相对含水量降幅不大，V4种质的叶片相对含水量显著降低(P＜0.05)，为19.51%。中度干旱胁迫下，V4种质的叶片相对含水量极显著降低(P＜0.01)，降幅为40.24%。重度干旱胁迫下，4个种质的叶片相对含水量均显著下降(P＜0.05)，降幅分别为14.94%、20.45%、37.33%、43.90%。其中V1、V2种质的叶片相对含水量较V3、V4种质分别高出22.39%、28.96%和16.88%、23.45%。
如表5所示，采用逐步回归法分析不同供试甜菜种质在干旱胁迫程度逐渐加剧的情况下，对各种质耐旱性影响较为显著的指标。根冠比是对V1种质耐旱性影响较显著的指标(R2=0.974)；株高是对V2、V4种质耐旱性影响较为显著的指标(R2=0.984)；对V3种质耐旱性影响较为显著的指标为根鲜重(R2=0.996)。说明耐旱型甜菜种质主要通过增加根冠比或调节株高来应对干旱胁迫，干旱敏感型甜菜种质通过调节根鲜重与株高的生长来适应干旱。表明4种耐旱性不同的种质是通过改变地上部株高、叶鲜重与地下部根鲜重的生长特征来抵御干旱造成的损伤。
在干旱环境中，地上部的株高、叶部的鲜重、干重、饱和鲜重的变化直接体现出作物在逆境条件下的不良生长状态，同时叶片的形态变化对干旱的响应也是植株重要的耐旱机制[15]。研究证实，甜菜在任何生育期受到水分的胁迫，都会明显抑制其株高、叶面积等生长性状，导致甜菜产量降低[7]。相对耐旱型种质而言，干旱胁迫后敏感型种质株高、地径降幅更大[16]。本研究发现，在干旱胁迫下，无论种质是否耐旱，地上部指标都有不同程度的减少。在不同浓度的干旱胁迫下，耐旱型种质叶鲜重、叶干重和叶饱和鲜重的降幅均小于旱敏感型种质。在中度与重度干旱胁迫下，耐旱型V1、V2种质的株高下降幅度低于旱敏感型种质，这与前人研究结果一致[17]。说明耐旱型种质在苗期生长期间，维持叶部生物量和株高的生长速率的能力较强，相对旱敏感型种质，地上部指标受到干旱胁迫的影响更小。
根系是作物生长发育的重要营养器官，也是对干旱胁迫最先出现适应性变化的部位。植物根系在受到水分胁迫时，会通过调节自身的生理状态和代谢途径，影响不同器官的干物质分配情况来维持自身正常生长发育。所以根系的形态指标变化可以直接体现出植物的抗逆性反应情况[18-21]。根系性状也是甜菜重要的表型性状之一，是从土壤中吸收水分的重要营养器官，其生长状况会影响到甜菜地上部叶片的发育水平，可以从根系长度和根系鲜重反映出甜菜对土壤水分变化以及土壤营养物质的适应情况[22]。已有研究表明[23]耐旱性较强的棉花种质通过保持较大的根冠比，增加深土层根系分布的比例，增加其在干旱下汲取水分的能力，保证地上部生长来维持干物质的累积和有限水分高效吸收与利用以适应干旱胁迫。本研究结果表明，随着干旱胁迫浓度的增加，根长与根鲜重在逐渐降低，根冠比在逐渐增加。说明甜菜在受到干旱胁迫时，通过增加根系生物量的生长机制来保持较好的根系生长状态，进而充分吸收利用土壤中的水分来适应干旱环境。且耐旱性越强的甜菜种质在干旱胁迫期间根系长度、根系鲜重的下降幅度相对于旱敏感型种质较小。胁迫浓度越大，不同耐旱性种质间差异越大，说明具有较大根系结构及较强吸收土壤水分能力的种质有显著的耐旱优势。
植物对干旱的应答是复杂的，因为它反映了植物组织在空间和时间上的所有潜在水平的胁迫效应的整合[24-25]。在甜菜的耐旱性研究过程中，形态指标在干旱胁迫下具有直观、简便、实用性强的特点，常用于分析甜菜在逆境条件下生长的状态反映[26]。本研究结果表明，在轻度干旱胁迫下，4个甜菜种质的根长未出现显著变化，而叶部与根部的重量表现出显著性差异。说明轻度干旱下，甜菜可能会通过降低叶部生长，维持根系长度生长汲取深层土壤水分来降低干旱对甜菜生长造成的损伤，这与马富举等[26]的研究结果相似。在中度与重度干旱胁迫下，耐旱型种质相较于干旱敏感型种质，地上部、地下部的干物质积累与叶片相对含水量受干旱影响较小。其原因可能在于甜菜地上部在受到干旱胁迫时，耐旱型种质的根系与输导系统更发达，有利于汲取水分和养分的运输，叶片蒸腾速率慢，有利于保水，这些特征有助于防御干旱胁迫。
甜菜的地上部与地下部指标的响应情况不同，其中耐旱性不同的种质对干旱胁迫的响应状态也不同[27-28]。本研究发现，在干旱胁迫下，对V2、V4种质耐旱性影响较为显著的指标是株高，对V1、V3种质耐旱性影响较为显著的指标分别是根冠比与根鲜重。说明不同耐旱性的甜菜种质因其形态、结构和生理等多方面的特性是不同的，对干旱的响应程度与方式也不同。不同的水分条件下，不同耐旱性种质会启动防御机制来响应干旱胁迫造成的威胁，而这些防御机制的启动是由于种质本身适应干旱胁迫的生理机制差异造成[29]。因此，有关不同耐旱性甜菜种质对干旱胁迫的表型特征和生理指标之间的相互作用还需进一步深入研究。
4个甜菜种质的地上部指标、地下部指标和相对含水量均随干旱胁迫程度的增加而降低。轻度干旱胁迫下，V1、V2耐旱型种质的根冠比与叶片相对含水量未发生显著变化。在中度与重度干旱胁迫下，耐旱型种质相较于干旱敏感型种质，地上部与地下部的干物质积累量与叶片相对含水量受干旱影响较小。在不同浓度的干旱胁迫下，耐旱型甜菜种质叶鲜重、叶干重、叶饱和鲜重、根系长度和根系鲜重的下降幅度均小于旱敏感型甜菜种质，能够维持较为适宜的叶部生物量和株高的生长，积累较多的干物质并有效减轻胁迫所带来的各种伤害，进而更好地抵御逆境。