3個品種劍麻抗旱生理指標比較及抗旱性評價

王春雪等

摘 要 以云南元謀干熱河谷引種的3個劍麻（Agave sisalana）品種“H.11648、廣西76416、肯尼亞K2”為試驗材料，采用盆栽試驗的方法，設置干旱脅迫組與正常澆水組，研究連續(xù)進行了4個月，每月測定一次形態(tài)指標及生理指標，對比研究了劍麻不同品種間的抗旱能力差異與干旱環(huán)境下的生理響應。研究結(jié)果表明：劍麻在干旱脅迫下，葉片葉綠素含量、丙二醛含量、脯氨酸含量、過氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活力都有一定程度的增加，葉片含水量則有一定程度地降低，尤其是在干旱脅迫的第一個月中，變化程度更明顯。隸屬函數(shù)比較表明，3個品種的抗旱能力大小比較為：廣西76416>肯尼亞K2>H.11648。

關(guān)鍵詞 劍麻；干熱河谷；抗旱；生理指標

中圖分類號 Q945.79 文獻標識碼 A

Abstract Three Agave sisalana varieties， H. 11648， Guang Xi 76416， Kenya K2， were selected as the test materials in the dry-hot valleys Yuanmou， Yunnan. The drought resistance physiology were studied for four months. An pot experiment method was used and the morphological indices and physiological indices were determined. The results showed that under drought stress， the total chlorophyll content， MDA content， proline content， POD activity， SOD activity in the leaves of the three Agave sisalana varieties had a certain degree of increase， while the water content decreased. Especially in the first month of drought stress， the change was more obviously. At last， the comparisons of the three Agave sisalana were presented， and the drought resistance capacity of the three Agave sisalana varieties was： Guang Xi 76416>Kenya K2>H.11648.

Key words Agave sisalana；Dry-hot valley；Drought resisting；Physiological indices

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.10.006

元謀位于金沙江流域干熱河谷區(qū)，此區(qū)域?qū)儆谏鷳B(tài)嚴重受損的流域，土地退化嚴重，水土流失強烈[1]。在該區(qū)域的山地陡坡、貧瘠沖溝等水肥條件極端惡劣的區(qū)域，植物基本上不能生長，但是在這種極端惡劣的環(huán)境下，劍麻（Agave sisalana）卻可以存活，為該區(qū)域的水土保持及植被恢復做出了重要的貢獻[2]。水分條件是植物生長的重要環(huán)境因子之一，影響著植物形態(tài)、生理生化代謝及地理分布范圍。同時，水分脅迫是各種脅迫環(huán)境中最常見、最普遍的逆境因子之一，尤其在元謀干熱河谷，水分脅迫對植物的影響尤為突出，成為制約植物生長的關(guān)鍵因素。前人研究結(jié)果表明，植物都有一整套抗旱機制，不同品種的植物也會有所差異[3]。滲透調(diào)節(jié)、酶系統(tǒng)調(diào)節(jié)、水分調(diào)節(jié)以及其他的生理調(diào)節(jié)機制都會啟動，用于抵抗干旱逆境，保證植物的正常代謝。脯氨酸就是滲透調(diào)節(jié)中重要的一員，且抗旱性強的品種脯氨酸的積累量要大于抗旱性弱的[4]。丙二醛是植物膜系統(tǒng)遭到破壞的指示物質(zhì)[5]，在干旱脅迫下其含量升高。植物可通過增強保護酶活性清除活性氧自由基以避免干旱對其造成傷害，從而增強抗旱性[6-7]。同時，葉綠素含量及葉綠素a與葉綠素b的比值也常作為抗旱評價的指標[8]。植物含水量是反映植物組織水分生理狀況的重要指標，一般來說植物組織含水量的多少與其生命活動強弱有一定關(guān)系，在一定范圍內(nèi)組織的代謝強度與其含水量成正相關(guān)[9]。因此，筆者進行了不同品種劍麻的盆栽控水試驗，研究了3個品種劍麻的的若干抗旱生理指標在干旱脅迫下的變化特征，同時，對不同品種的劍麻做了抗旱能力評價，為更好地利用劍麻來進行干熱河谷區(qū)的生態(tài)恢復提供了理論依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況及研究方法

1.1 研究區(qū)域概況及供試材料

元謀干熱河谷位于金沙江流域，101°35′～102°06′E，25°23′～26°06′N，海拔1 000～1 400 m之間，年均溫21.5 ℃，最熱月（7月）均溫為27.1 ℃，最冷月（1月）均溫為14.9 ℃，年均降水量<700 mm，其中6～10月降雨量占年降水量的90%以上，年均蒸發(fā)量>3 000 mm。供試材料為引種于廣西的3個品種的劍麻H.11648、廣西76416和肯尼亞K2，均選擇苗齡為18個月的大苗進行試驗。供試土壤為磚紅壤，采自元謀典型的貧瘠沖溝內(nèi)，其中全氮（以N計）為0.069%，全磷（以P計）為0.033%，全鉀（以K計）為0.557%，土壤容重為1.68 g/cm3。

1.2 方法

1.2.1 實驗設計 盆栽試驗于元謀干熱河谷云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所試驗大棚內(nèi)進行，試驗于2012年8月到2012年11月，歷時4個月。試驗分6個小組，其中每個品種分別設立干旱脅迫組和正常給水組，每個試驗小組設置10個劍麻盆栽，供試花盆高23 cm，口徑為34 cm，裝消毒干土5 kg，不添加任何肥料，嚴格模擬野生土壤環(huán)境。干旱脅迫組劍麻每30 d澆水1次，澆水量為1 L，土壤含水量保持在4%～6%；正常給水組劍麻每7 d澆水1次，水量為1 L，土壤含水量保持在30%～35%。各組劍麻的生理指標每月測定一次，連續(xù)測定4個月，脅迫組在每次澆水前一天早上測定。生理指標每組選取3個植株進行測定，葉片均選取最新伸展且沒有病害的葉片。

1.2.2 實驗分析方法及數(shù)據(jù)處理 測定的指標有：葉片葉綠素含量、MDA含量、脯氨酸含量、POD活性、SOD活性、葉片含水量，測定方法參照陳建勛文獻中的方法[10]。葉片含水量用烘干法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Excel和Spss軟件進行分析，采用Excel作圖。不同品種劍麻的綜合抗旱能力用模糊數(shù)學的隸屬函數(shù)進行評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分條件下3個品種劍麻葉片葉綠素含量的變化

水分脅迫下葉綠素含量的變化，可以指示植物對水分脅迫的敏感性[4]。3個品種劍麻葉綠素含量在干旱脅迫下和正常澆水下隨時間變化（圖1），結(jié)果表明，在干旱脅迫下，10月份葉綠素含量的平均值最高，而在正常澆水情況下8月份葉綠素含量最高。兩組比較可知在干旱脅迫下，3個品種劍麻的葉綠素含量都有一定程度的增加。3個品種劍麻葉綠素含量的平均值變化趨勢表明了劍麻這個物種在干熱河谷生長時的整體生理水平，是劍麻是否適應干熱河谷干旱脅迫的綜合體現(xiàn)。3個品種劍麻間比較的結(jié)果可知，H.11648含量最低，其他兩個品種間的差異不顯著。在干旱脅迫下3個品種葉片葉綠素含量都有所升高，

葉綠素a/b比值下降的程度可以評定作物品種的抗旱性[13-14]。從圖2可以看出，綜合3個品種劍麻的平均值，干旱脅迫下葉綠素a/b在8月份最高，10月份最低；而在正常澆水情況下則9月份最高，11月份最低。3個品種劍麻的葉綠素a/b在干旱脅迫下都有不同程度的下降，而H.11648下降最明顯。

2.2 不同水分條件下3個品種劍麻葉片丙二醛含量（MDA）的變化

由圖3可知，3個品種的劍麻在干旱脅迫下MDA含量都有升高，其中9月份升高程度最大，11月份升高程度最小。這說明劍麻在剛接觸水分脅迫環(huán)境時，生物膜有一定程度的破壞，但在幾個月的適應后又呈現(xiàn)出適應干旱脅迫的特征。

2.3 不同水分條件下3個品種劍麻葉片脯氨酸（PRO）含量的變化

由圖4可以看出，與正常澆水的劍麻相比，干旱脅迫下3個品種的劍麻葉片脯氨酸含量都有一定程度的增加，且在9月份增加值最大，廣西76416的脯氨酸含量顯著高于其它2個品種，且在干旱脅迫下增加幅度最大。

2.4 不同水分條件下3個品種劍麻葉片過氧化物酶活性（POD）的變化

干旱脅迫下植物抗旱能力和受傷害程度與保護酶的活性變化密切相關(guān)，POD就是保護酶系統(tǒng)中的重要一員。在干旱脅迫條件下POD的增加程度與植物的抗旱能力密切相關(guān)。在干旱脅迫下，劍麻H.11648和肯尼亞K2的POD活性都有一定程度的增加（圖5），其中肯尼亞K2的增幅最大。

2.5 不同水分條件下3個品種劍麻葉片超氧化物歧化酶活性（SOD）的變化

由圖6可以看出，3個品種的劍麻在干旱脅迫條件下，SOD活力在10月份最高，9月份最低，與正常澆水組相比較，干旱脅迫組的SOD活力呈先增加后降低的趨勢。

2.6 不同水分下3個品種劍麻葉片含水量的變化

植物組織的含水量越高，其吸水能力越強，在干旱條件下抗旱能力越強[15-16]。由圖7可以看出，在干旱脅迫下，9月份3個品種劍麻的含水量最低，10月11月又有一定程度的升高。這說明劍麻在適應干旱脅迫的過程中，第一個月是受脅迫最嚴重的時期，以后又會有一定程度的適應。3個品種的劍麻比較可知肯尼亞K2在連續(xù)干旱脅迫4個月后葉片的含水量在3個品種的劍麻中是最高的，這說明肯尼亞K2在持續(xù)干旱脅迫下仍能保持較高的代謝水平，抗旱能力更強。

2.7 劍麻抗旱能力動態(tài)變化綜合評價

劍麻抗旱指標的隸屬函數(shù)值及其排序見表1，表明3個品種劍麻的抗旱能力整體表現(xiàn)都以9月份抗旱能力最強，這說明這3個品種的劍麻在干旱脅迫的第一個月都迅速表現(xiàn)出迅速的抗旱能力。3個品種間比較可知廣西76416的平均值較其他兩個品種高，這說明廣西76416在干旱脅迫下有更高的抗旱能力。3個品種的抗旱能力大小比較為：廣西76416>肯尼亞K2>H.11648。

3 討論與結(jié)論

有研究結(jié)果表明，耐旱的沙漠植物，在適度干旱條件下葉綠素含量可提高20%～60%，而不耐旱的植物在干旱條件下葉綠素含量則明顯下降。對甘薯的研究也表明，葉綠素在干旱脅迫條件下都有所下降，但高抗旱性品種下降幅度小于低抗旱性品種[13]。前人對沙地云杉的研究得出，隨著脅迫強度增加，超過了其補償能力，葉綠素含量下降；但當脅迫強度再增加時，葉綠素含量又有所升高，但這次升高其實是一種假象，主要是因為針葉含水量下降所致[9]。本研究中干旱脅迫下3個品種的劍麻葉片葉綠素含量都是先升高后又有一定程度的降低，這與耐旱植物的研究結(jié)果相似，說明在適度干旱的條件下劍麻葉綠素含量有一定程度的提高，但在長期的干旱脅迫下，超過了植物本身的補償能力，葉綠素含量又有所下降。在正常澆水的條件下，3個品種的劍麻葉綠素含量都有一定程度的波動變化，但是變化均不顯著。

葉綠素a對活性氧的反應較葉綠素b敏感，活性氧直接引發(fā)葉綠素的破壞及部分特異性地破壞葉綠素a[17-18]，致使葉綠素含量下降及葉綠素a/b比值降低[19]。鄒春靜[20]等研究表明，當抗旱性較強的紫果型沙地云杉遭受干旱脅迫時因其體內(nèi)有較強的活性氧清除系統(tǒng)，使得其葉綠素a/b比值下降較少。而抗旱性弱的綠果型沙地云杉的葉綠素a/b比值下降較多。筆者對不同品種的劍麻研究表明，劍麻廣西76416和肯尼亞K2的葉綠素a/b在干旱脅迫下有較低程度的下降，而劍麻H.11648在干旱脅迫下有較大程度的下降，這表明較另外兩個品種的劍麻，H.11648的抗旱能力更差。

丙二醛是膜質(zhì)過氧化的次生代謝產(chǎn)物，它可與細胞膜上的蛋白質(zhì)、酶等結(jié)合、交聯(lián)使之失活，從而破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能，因此，丙二醛含量是鑒定植物膜質(zhì)過氧化程度的重要指標。丙二醛含量越高說明植物受毒害越嚴重，抗旱性越差。本研究結(jié)果表明，H.11648和肯尼亞K2兩個品種的劍麻在干旱脅迫下機體迅速產(chǎn)生毒害，而廣西76416的毒害則慢慢升高。這說明，劍麻H.11648和肯尼亞K2對干旱脅迫，細胞膜都有一個迅速的反應過程，積累大量的MDA，從而破壞細胞膜結(jié)構(gòu)。而劍麻廣西76416的MDA含量則緩慢上升，對細胞膜的破壞程度相對較低。

滲透調(diào)節(jié)是植物對于水分脅迫產(chǎn)生的保護性反應的一個重要生理機制，脯氨酸是一種重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，且含量較穩(wěn)定，測定過程不易受環(huán)境影響[21]。前人對水稻和馬藺的研究表明，在干旱脅迫下，植物脯氨酸的含量都大幅增加[20，22]，干旱下脯氨酸積累越多植物越抗旱[23-24]。對頂果木的研究表明，其游離脯氨酸含量在干旱脅迫下出現(xiàn)先增加后降低的趨勢[25]。而對中國沙棘、金銀花、寧杞的研究表明，在干旱脅迫下脯氨酸含量在植物體內(nèi)都有不同程度的積累[26]。本研究結(jié)果表明，廣西76416在干旱脅迫條件下脯氨酸含量高于其他兩個品種，這說明其滲透調(diào)節(jié)要優(yōu)于其他兩個品種，具有更強的抗旱能力。

SOD是脂膜過氧化防御系統(tǒng)的主要保護酶，它能催化活性氧發(fā)生歧化反應產(chǎn)生分子氧和H2O2，再通過POD、CAT等對H2O2的分解，消除O2-對生物體的傷害[27-28]。研究表明，在適度逆境誘導下SOD活性增加以提高植物的適應力[29-30]。干旱脅迫下植物體水分平衡受到干擾會造成活性氧的積累，此時保護酶系統(tǒng)迅速響應以降低活性氧可能帶來的傷害，同時保護膜脂過氧化造成的損傷。抗旱性強的植物具有良好的抵御和適應不良環(huán)境的生理策略，如及時啟動抗氧化系統(tǒng)，主動進行生理調(diào)節(jié)等[31]。3個品種的劍麻在干旱脅迫下SOD的酶活性迅速上升，說明這3個品種的劍麻都依靠啟動抗氧化機制來抵御干旱的危害。本研究結(jié)果表明肯尼亞K2是通過大量增加POD活性來適應干旱脅迫的，而廣西76416葉片的POD含量在干旱脅迫下呈降低趨勢，說明廣西76416在干旱脅迫條件下POD的反應較其他兩個品種滯后。

通過對元謀金沙江干熱河谷引種的3個品種劍麻的抗旱生理分析表明：劍麻在干旱脅迫下，葉片葉綠素含量、丙二醛含量、脯氨酸含量、POD活性、SOD活力都有一定程度的增加，葉片含水量則有一定程度的降低，尤其是在干旱脅迫的第一個月中，變化程度更明顯。這說明，劍麻抗干旱脅迫的關(guān)鍵時期在第一個月，在這一時期劍麻的抗旱機制迅速啟動，抗旱物質(zhì)迅速增加。

植物的抗旱性受其生理生化特征的綜合作用，單一的抗旱指標不足以判斷植物對干旱脅迫的綜合適應能力，只有用多個指標綜合評價才具有代表性[32]。這主要是因為劍麻的抗旱機理是一個相當復雜的生理過程，某一個指標只能說明其一方面的反應，難以準確評價劍麻的整體抗旱變化趨勢，因此，只有從各個方面綜合評價劍麻的抗旱特性，才能得出比較客觀的結(jié)論。劍麻抗旱指標的隸屬函數(shù)值及其排序表明，3個品種劍麻的抗旱能力整體表現(xiàn)都以9月份抗旱能力最強，這說明這3個品種的劍麻在干旱脅迫的第一個月都迅速表現(xiàn)出迅速的抗旱能力。3個品種間比較可知廣西76416的平均值較其他兩個品種高，這說明廣西76416在干旱脅迫下有更高的抗旱能力。3個品種的抗旱能力大小比較為：廣西76416>肯尼亞K2>H.11648。

參考文獻

[1] 方海東， 紀中華， 楊艷鮮， 等.金沙江干熱河谷新銀合歡人工林物種多樣性研究[J]. 水土保持研究， 2005， 12（1）： 135-137.

[2] 紀中華， 劉光華， 段曰湯， 等. 金沙江干熱河谷脆弱生態(tài)系統(tǒng)植被恢復及可持續(xù)生態(tài)農(nóng)業(yè)模式[J].水土保持學報， 2003， 17（5）： 19-22.

[3] 張 娜， 趙寶平， 郭若龍， 等.水分脅迫對不同抗旱性燕麥品種生理特性的影響[J]. 麥類作物學報， 2012， 32（1）： 150-156.

[4] Claves M M， Oliveira M M Mechanisms underlying plant resilience to water deficits： prospects for water-saving agriculture[J]. Journal of Experimental Botany. 2005， 55， 2 365-2 384.

[5] 陳少裕.膜脂過氧化對植物細胞的傷害[J].植物生理學通訊，199l， 27（2）： 84-90.

[6] 白志英， 李存東， 吳同燕.干旱脅迫條件下小麥旗葉酶活性和丙二醛含量的染色體定位明[J].植物遺傳資源學報， 2009， 10（2）： 255-261.

[7] 張 娜， 趙寶平， 任 鵬， 等.水分脅迫對不同抗旱性燕麥品種根部生理特性的影響[J]. 中國農(nóng)學通報， 2012， 28（21）： 63-69.

[8] 曹 兵， 蘇潤海， 王 標， 等.水分脅迫下臭椿幼苗幾個生理指標的變化[J]. 林業(yè)科技， 2003， 28（3）： l-3.

[9] 朱春云， 趙 越， 劉 霞， 等.錦雞兒等旱生樹種抗旱生理的研究[J]. 干旱區(qū)研究， 1996， 13（1）： 59-63.

[10] 陳建勛， 王曉峰.植物生理學實驗指導[M]. 廣州： 華南理工大學出版社， 2002.

[11] 黎燕瓊， 劉興良， 鄭紹偉， 等.岷江上游干旱河谷四種灌木的抗旱生理動態(tài)變化[J]. 生態(tài)學報， 2007， 27（3）： 870-878

[12] 王 移， 衛(wèi) 偉， 楊興中， 等. 黃土丘陵溝壑區(qū)典型植物耐旱生理及抗旱性評價[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報， 2011， 24（4）：56-61.

[13] 徐 小. 水分脅迫對三椏生理特性的影響安徽農(nóng)業(yè)大學學報[J]. 1995， 22（1）： 42-47.

[14] 戴建良， 王 芳， 何虎林， 等.側(cè)柏不同種源對水分脅迫反應的初步研究——水分狀況、電導率和葉萎蔫表現(xiàn)[J]. 甘肅林業(yè)科技， 1997（2）： l-7.

[15] 張 莉， 續(xù)九如.水分脅迫下刺槐不同無性系生理生化反應的研究[J]. 林業(yè)科學. 2003， 39（4）： 162-167.

[16] 吳 迪， 龍秀琴， 唐金剛， 等.干旱脅迫對3種藤本植物抗旱生理特性的影響[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學， 2013， 41（6）： 69-71.

[17] Ingunn M V， Roar M， Eli R.Diurnal temperature ahernations（DIF/drop） affect chlorophyll content and chlorophyll a/chlorophyll b ratio in Melissa officinalis L. and Ocimum basilicum L.， but not in Viola×wittrockiana Gams[J]. Science Horticult. 2003， 97： l53-l62.

[18] 許長成， 鄒 琦， 程炳嵩. 干旱條件下大豆葉片H2O2代謝變化及其同抗旱性的關(guān)系[J]. 植物生理學報， 1993， l9： 216-220.

[19] Ruth H and Harald P. Folding in vitro of light-harvesting chlorophyll a/b protein is coupled with pigment binding[J]. Journal of Molecular Biology. 2002， 318： 547-556.

[20] 蔡昆爭， 吳學祝， 駱世明.不同生育期水分脅迫對水稻根葉滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化的影響[J]. 植物生態(tài)學報， 2008， 32（2）： 491-500.

[21] 解 芳， 翟國偉， 鄒桂花， 等.干旱脅迫對高粱苗期抗旱生理特性的影響[J]. 浙江農(nóng)業(yè)學報， 2012， 24（5）： 753-757.

[22] 史曉霞， 毛培春， 張國芳，等. 15份馬藺材料苗期抗旱性比較[J]. 草地學報， 2007， 15（4）： 352-358.

[23] 張 攀， 楊培志， 王衛(wèi)棟， 等.干旱脅迫下根瘤菌共生紫花苜蓿抗旱生理變化研究[J]. 草地學報， 2013， 21（5）： 938-944.

[24] 蔣宣斌， 耿養(yǎng)會， 彭 秀，等.常綠巖垂草抗旱生理特性分析[J]. 西南林業(yè)大學學報， 2012， 32（4）： 17-21.

[25] 郝 建， 全昭孔， 農(nóng) 志， 等. 頂果木抗旱生理特性研究[J].中國農(nóng)學通報， 2014， 30（1）： 16-19.

[26] 宋維秀， 王志濤， 馬正華， 等. 青藏高原區(qū)3種經(jīng)濟灌木的抗旱生理研究[J].中國林業(yè)科技大學學報， 2012， 32（9）： 28-31.

[27] BOWLER C， SLOOTEN L， VANDENBRANDEN S， et a1. Manganese superoxide dismutase can reduce cellular damage mediated by oxygen radicals in transgenic plants[J]. Embo Journal， 1991（10）： 1 723-1 732.

[28] MCKERS1E B D， CHEN Y， de BEUS M. Superoxide dismutase enhances tolerance of freezing stress in transgenic alfalfa（Medicao saiva L.）[J]. Plant Physiol， 1993（103）： 1 155-1 163.

[29] CHIRS B， MARC V H， DIRK I， Superoxide dismutase and stress tolerance[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology， 1992， 42（1）： 43-83，

[30] 張文輝， 段寶利， 周建云， 等.不同種源栓皮櫟幼苗葉片水分關(guān)系和保護酶活性對干旱脅迫的響應[J]. 植物生態(tài)學報， 2004， 28（4）： 483-490.

[31] 吳 勤， 張光燦， 裴 斌，等. 3個樹種對不同程度土壤干旱的生理生化響應[J]. 生態(tài)學報， 2013， 33（12）： 3 648-3 656.

[32] 李長慧， 李淑娟， 雷有升， 等. 3種高原鄉(xiāng)土禾草的抗旱生理比較[J]. 草業(yè)科學， 2013， 30（9）： 1 386-1 393.