干旱胁迫是植物生长过程中时常遇到的逆境因子之一。植物在遭遇干旱胁迫时，常出现叶片失水萎蔫，株高、茎粗、叶面积等形态指标降低，生长受到限制，影响严重时可能降低后期产量和品质。小麦作为重要的粮食作物之一，在生长过程中常遇到降水不足等天气，对其生长发育、产量、品质等造成影响[1]。刘江等[2]研究表明，干旱胁迫会抑制小麦叶片光合速率的提高，且抑制程度随干旱胁迫强度的增加而增大。Zhang等[3]研究指出，干旱胁迫会导致小麦叶片光合产物分解，干物质积累减少。
本试验以小麦品种济麦22为供试材料，以霍格兰营养液为栽培载体，研究不同浓度外源脯氨酸对干旱胁迫下小麦幼苗光合色素、光合特性、保护性酶系统的影响，探究其对小麦幼苗干旱胁迫的缓解作用，以筛选缓解小麦干旱胁迫较为适宜的脯氨酸浓度，为小麦优质高产稳产栽培提供参考。
1 材料与方法
1.1 供试材料
以小麦品种济麦22为试验材料，从当地种子店购买。外源脯氨酸购于中国医药集团有限公司。PEG-6000购于无锡市亚泰联合化工有限公司，可用于模拟干旱胁迫环境。
1.2 试验设计
试验于3月1日—5月15日在商丘市农林科学院实验站进行。将小麦种子播种于128孔穴盘中，每穴播种1粒，共播种15盘。待幼苗长至3叶1心时，选择长势基本一致的幼苗，从穴盘中取出，用清水冲洗干净根部基质后备用。
试验以霍格兰营养液为载体，借助PEG-6000模拟干旱胁迫环境。试验设置4个脯氨酸浓度处理（T1、T2、T3、T4）和1个对照（CK）。对照（CK）为单纯的霍格兰营养液；T1处理为含有质量分数15% PEG-6000的霍格兰营养液+叶面喷施清水；T2处理为含有质量分数15% PEG-6000的霍格兰营养液+叶面喷施10 mmol/L脯氨酸；T3处理为含有质量分数15% PEG-6000的霍格兰营养液+叶面喷施30 mmol/L脯氨酸；T4处理为含有质量分数15% PEG-6000的霍格兰营养液+叶面喷施60 mmol/L脯氨酸。
将小麦幼苗移栽至栽培框内，栽培框长60 cm、宽35 cm、高15 cm，栽培框内装有霍格兰营养液，上方覆盖泡沫板，在泡沫板上均匀打30个孔，每孔移栽1株麦苗，每盆30株，共15盆。将小麦移至栽培框适应2～3 d后，按试验设计随机选取栽培框，并向栽培框内添加相应浓度的PEG-6000，同时喷施1次相应浓度的外源脯氨酸，5 d后再按试验设计第2次喷施脯氨酸，处理10 d后测定相关生理指标。
1.3 测定项目与方法
1.4 数据处理
利用Excel 2008软件进行数据处理，使用SPSS 25.0软件进行统计分析（LSD法）。
2 结果与分析
2.1 对小麦幼苗光合色素含量的影响
由表1可知，与CK相比，干旱胁迫T1处理下的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量均明显降低，分别降低46.58%、44.87%、46.47%、40.32%，差异具有统计学意义（P<0.05）。叶面喷施脯氨酸处理的小麦叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量均低于CK，均明显高于T1处理。以T3处理的小麦叶片叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量最高，分别为1.41、0.75、2.16、0.56 mg/g，较T1处理分别增加63.95%、74.42%、67.44%、51.35%，差异具有统计学意义（P<0.05）。综合来看，喷施外源脯氨酸有利于缓解干旱胁迫对小麦幼苗叶片光合色素含量的影响。
表1 外源脯氨酸对干旱胁迫下小麦幼苗光合色素含量的影响单位：（mg/g） |
| 处理 | 叶绿素a | 叶绿素b | 叶绿素a+b | 类胡萝卜素 |
|---|---|---|---|---|
| CK | 1.61 a | 0.78 a | 2.41 a | 0.62 a |
| T1 | 0.86 e | 0.43 e | 1.29 e | 0.37 e |
| T2 | 1.08 d | 0.56 d | 1.64 d | 0.45 d |
| T3 | 1.41 b | 0.75 ab | 2.16 ab | 0.56 b |
| T4 | 1.37 bc | 0.64 c | 2.01 bc | 0.51 bc |
|
2.2 对小麦幼苗光合特性的影响
由表2可知，干旱胁迫T1处理下，净光合速率明显低于CK，较CK降低30.82%。叶面喷施脯氨酸处理的小麦叶片净光合速率均明显高于T1处理，且随脯氨酸浓度的增加呈现先升高后降低的趋势，以T3处理的净光合速率最大，为12.78 μmol/（m2·s），较T1增加38.16%；T4处理的净光合速率低于T3处理，差异无统计学意义（P>0.05），说明脯氨酸对干旱胁迫的缓解效应存在一定的阈值。这表明叶面喷施脯氨酸能够有效缓解干旱胁迫对小麦叶片光合能力的抑制作用。干旱胁迫T1处理的叶片胞间CO2浓度最高，T3处理的胞间CO2浓度最低，较T1降低21.60%，差异具有统计学意义（P<0.05）。T1处理的气孔导度、蒸腾速率均低于CK，较CK分别降低22.99%、26.91%，差异具有统计学意义（P<0.05）。T2、T3、T4处理的小麦叶片气孔导度、蒸腾速率变化规律一致，均以T3处理最大，较T1处理分别增加19.63%、27.50%，差异具有统计学意义（P<0.05）。综合来看，喷施外源脯氨酸可以改善小麦幼苗光合特性。
表2 外源脯氨酸对干旱胁迫下小麦幼苗光合特性的影响 |
| 处理 | 净光合速率/[μmol/（m2·s）] | 胞间CO2浓度/[μmol/（m2·s）] | 气孔导度/[mmol/（m2·s）] | 蒸腾速率/[mmol/（m2·s）] |
|---|---|---|---|---|
| CK | 13.37 a | 218.72 e | 205.41 a | 6.02 a |
| T1 | 9.25 e | 321.18 a | 158.19 e | 4.40 de |
| T2 | 10.32 d | 289.52 b | 171.32 d | 4.89 d |
| T3 | 12.78 ab | 251.79 cd | 189.25 b | 5.61 b |
| T4 | 12.13 bc | 266.04 c | 185.63 bc | 5.13 bc |
2.3 对小麦幼苗保护性酶的影响
由表3可知，干旱胁迫T1处理的SOD、POD、CAT活性均明显低于CK，较CK分别降低16.62%、13.69%、16.73%。叶面喷施脯氨酸处理的SOD、POD、CAT活性均明显高于T1处理和CK，其中以T3处理最大，分别为129.68、81.39、36.55 U/（g·min），较T1分别增加47.01%、55.15%、54.87%，较对照CK分别增加22.58%、33.91%、28.97%。综合来看，喷施外源脯氨酸可以提高小麦幼苗保护性酶活性。
表3 外源脯氨酸对干旱胁迫下小麦幼苗抗氧化保护酶的影响单位：[U/（g·min）] |
| 处理 | SOD | POD | CAT |
|---|---|---|---|
| CK | 105.79 d | 60.78 cd | 28.34 bc |
| T1 | 88.21 e | 52.46 e | 23.60 d |
| T2 | 113.80 c | 65.91 c | 31.07 b |
| T3 | 129.68 a | 81.39 a | 36.55 a |
| T4 | 122.71 ab | 76.25 ab | 37.18 a |
3 讨论与结论
植物遭受逆境胁迫会导致叶绿素含量不同程度地降低。脯氨酸作为一种重要的渗透调节物质，对维持细胞正常生理功能有重要作用[6]。张芷艺等[7]研究指出，干旱胁迫能够降低玉米幼苗叶绿素含量。梁太波等[8]研究指出，增施外源脯氨酸的烟草叶片叶绿素含量高于干旱胁迫处理。本试验结果表明，干旱胁迫降低了小麦叶片的叶绿素a、叶绿素b、叶绿素a+b、类胡萝卜素含量，其机理是植株在遭受干旱逆境胁迫时，体内产生并积累大量活性氧并对叶绿体造成破坏，进而加速了叶绿素的降解，同时抑制叶绿素的合成，最终导致叶绿素含量的下降[9]。叶面喷施脯氨酸处理的叶片光合色素含量均较单纯的干旱处理T1有不同程度的增加，这可能是因为脯氨酸能够在干旱逆境胁迫下增加叶片饱和水含量，有利于稳定细胞膨压，刺激保护性酶活性的提高，减轻活性氧对细胞膜的伤害，保持叶绿体的稳定，从而提高叶绿素含量。
光合速率能反映植株光合能力强弱，是植株制造光合产物能力高低的重要参考指标之一。高秋美等[10]研究表明，随着干旱的加剧，济菊植株叶片光合速率、蒸腾速率和气孔导度均呈下降趋势。本试验结果与上述结果基本一致，干旱胁迫明显降低了小麦幼苗净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，可能是因为干旱胁迫降低了小麦叶片叶绿素含量，且叶绿体受到不同程度的损伤，同时降低了光合酶活性，从而导致叶肉细胞光合能力减弱。叶面喷施脯氨酸处理的小麦叶片净光合速率高于干旱胁迫处理（T1），喷施脯氨酸能够维持植株渗透平衡、叶绿体的功能，同时还能保护光合反应中心光系统Ⅱ（PS Ⅱ）的功能，促进电子传递，从而提高干旱胁迫下小麦叶片的净光合速率[11]。
SOD、POD、CAT是抗氧化酶系统中清除机体活性氧的重要酶类，其活性高低常用于表征植株的抗氧化胁迫能力的强弱。本试验结果表明，在干旱胁迫下，小麦叶片的SOD、POD、CAT活性均明显低于对照，其原因可能是干旱胁迫使植株机体内活性氧的积累不断增加，打破了保护性酶清除活性氧的动态平衡，进而造成活性氧的积累，其攻击细胞膜造成膜损伤，在一定程度上引起保护酶活性的降低[12]。叶面喷施脯氨酸能够明显提高小麦叶片SOD、POD、CAT活性，以喷施脯氨酸30 mmol/L效果相对较佳，一方面脯氨酸在植物抗氧化系统中属于非酶类抗氧化剂，在一定程度上可以对活性氧进行清除，保护细胞膜结构稳定[13]；另一方面，脯氨酸能够诱导响应蛋白的合成，有助于机体保护酶活性的提高。