野生草地早熟禾對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)

白利國(guó),俞 玲，馬暉玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070)

草地早熟禾(Poapratensis)為禾本科早熟禾屬優(yōu)質(zhì)冷季型草坪草，在中國(guó)栽培歷史悠久，種植面積廣泛，主要分布在西北和華北地區(qū)[1]。草地早熟禾以其適應(yīng)性廣、植株低矮、綠期長(zhǎng)、坪質(zhì)優(yōu)美等特性，在綠化、美化城市、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)建設(shè)、改善生態(tài)環(huán)境等方面被廣泛應(yīng)用，是我國(guó)北方地區(qū)常用建坪草種[2]。但草地早熟禾有生長(zhǎng)緩慢、易感病、不抗蟲(chóng)、耐高溫性能差、抗旱性不強(qiáng)等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響著其坪用質(zhì)量和效率[3]。

我國(guó)地域遼闊，氣候多樣，干旱和半干旱地區(qū)面積約占國(guó)土面積的一半。水資源匱乏是一個(gè)普遍性的問(wèn)題，尤其在西北地區(qū)顯得更加突出[4]。干旱脅迫是限制草坪草生長(zhǎng)的最重要的環(huán)境因子之一，發(fā)掘和選育出抗旱性強(qiáng)的早熟禾優(yōu)良品種是促進(jìn)我國(guó)干旱及半干旱地區(qū)草坪業(yè)發(fā)展的根本措施。

通過(guò)對(duì)野生草地早熟禾材料進(jìn)行干旱脅迫，研究和分析干旱脅迫下不同材料的生理指標(biāo)(相對(duì)含水量、葉綠素含量、丙二醛、可溶性蛋白質(zhì)、過(guò)氧化氫酶、超氧化物歧化酶)的變化，以期篩選出抗旱性強(qiáng)、表現(xiàn)好的材料為親本，為進(jìn)一步進(jìn)行新品種的選育和改良奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

野生草地早熟禾種子分別采自甘肅定西(安定區(qū))、隴西、清水、秦州、西和。

草地早熟禾品種午夜2號(hào)由北京克勞沃公司提供。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院培養(yǎng)室進(jìn)行，2012年9月5日將草地早熟禾播種于直徑18 cm的花盆內(nèi)，種植土組成=有機(jī)質(zhì)∶砂子∶黃河邊表土=2∶1∶7，每份材料設(shè)置對(duì)照(干旱脅迫0 d)和處理2組，各3個(gè)重復(fù)，共種植36盆，待成坪后，開(kāi)始干旱脅迫，處理組停止?jié)菜?，?duì)照組繼續(xù)澆水。2013年3月9日是干旱脅迫的第1 d，測(cè)定干旱脅迫第0、5、10、15、20 d各項(xiàng)生理指標(biāo)。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定方法 丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸鹽法測(cè)定[5]；相對(duì)含水量用稱重法測(cè)定[6]；葉綠素含量采用丙酮反復(fù)提取法測(cè)定[7]；SOD活性采用氮藍(lán)四唑光還原法測(cè)定[7]，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[8]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)G-250法測(cè)定[9]。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 各供試材料的測(cè)試數(shù)據(jù)均采用Spss軟件進(jìn)行方差分析；采用隸屬函數(shù)分析法對(duì)各供試材料的抗旱性進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理，先將各指標(biāo)換算成隸屬函數(shù)值，然后對(duì)各材料隸屬函數(shù)值求平均值，得出綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)值，其值越大，說(shuō)明抗旱性越強(qiáng)[10]。計(jì)算公式:

X(u) = (X-Xmin) /(Xmax-Xmin)

(1)

X(u)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中:X為各材料的某一指標(biāo)測(cè)定值，Xmax和Xmin分別為各供試材料中指標(biāo)的最大值和最小值，X(u)為植物的抗旱隸屬函數(shù)值。如果指標(biāo)與抗旱性呈正相關(guān)，則用式(1)計(jì)算；如果指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān)，則用式(2)計(jì)算[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下葉片相對(duì)含水量的變化

葉片相對(duì)含水量隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)均呈下降趨勢(shì)，但變化幅度存在差異(表1)。在干旱脅迫前期(0～10 d)，相對(duì)含水量下降較緩慢，脅迫后期(10～20 d)時(shí),所有材料的葉片相對(duì)含水量急劇下降，與對(duì)照(0 d)相比差異顯著。干旱脅迫后，安定草地早熟禾相對(duì)含水量顯著下降，但是與其他材料相比，下降幅度最小，只有29.8%。清水草地早熟禾的相對(duì)含水量下降的幅度最大，高達(dá)56.4%，其余各材料的相對(duì)含水量下降幅度居中。干旱脅迫期間，其含水量下降值大小依次為清水>秦州>西和>午夜2號(hào)>隴西>安定。

表1 草地早熟禾葉片相對(duì)含水量的變化Table 1 Variation of relative water content in leaf %

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 干旱脅迫下葉片葉綠素含量的變化

6份草地早熟禾材料的葉綠素含量隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)均呈下降趨勢(shì)(表2),干旱脅迫前15 d,各材料葉綠素含量下降趨勢(shì)緩慢，待脅迫到第20 d時(shí)，所有材料的葉綠素含量急劇下降，此時(shí)午夜2號(hào)的葉綠素含量最高，為1.17 mg/g，但與對(duì)照(0 d)相比顯著下降,西和草地早熟禾葉綠素含量最低，為0.38 mg/g。其余材料葉綠素含量居中，各材料在干旱脅迫后的葉綠素含量高低依次是：午夜2號(hào)>安定>隴西>清水>秦州>西和。

表2 草地早熟禾葉片葉綠素含量的變化Table 2 Variation of chlorophyll content in leaf mg/g

2.3 干旱脅迫下葉片MDA含量的變化

隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，所有草地早熟禾材料的MDA含量都呈上升趨勢(shì)(表3)。脅迫到第15 d時(shí)，所有材料的MDA含量均緩慢上升，而西和草地早熟禾MDA含量卻下降。干旱脅迫期間，清水草地早熟禾的MDA含量上升幅度最大，為20.75 nmol/g，午夜2號(hào)的上升幅度最小，為15.8 nmol/g。比較各材料葉片MDA含量上升幅度大小依次為：清水>秦州>西和>安定>隴西>午夜2號(hào)。

表3 草地早熟禾葉片MDA的含量變化Table 3 Variation of MDA content in leaf nmol/g

2.4 干旱脅迫下葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的變化

各份材料可溶性蛋白在干旱脅迫前15 d呈緩慢上升趨勢(shì)，脅迫20 d時(shí)，可溶性蛋白質(zhì)含量急劇上升，此時(shí)，隴西草地早熟禾可溶性蛋白質(zhì)的含量最高，為0.798 mg/g，秦州含量最低0.472 mg/g。比較各材料葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量變化大小依次是：安定>隴西>西和>午夜2號(hào)>清水>秦州。

表4 草地早熟禾葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的變化Table 4 Variation of soluble protein content in leaf mg/g

2.5 干旱脅迫下葉片POD含量的變化

干旱脅迫第0～10 d內(nèi)，6份材料的POD活性總體呈緩慢下降趨勢(shì)，但變化幅度不同(表5)，脅迫至第15 d時(shí)，清水、秦州、西和草地早熟禾的POD活性開(kāi)始緩慢下降，而安定、隴西和午夜2號(hào)的POD活性繼續(xù)增大至峰值，分別為515.8，456.5和573.1 u/g，之后，所有材料的POD活性迅速下降，西和草地早熟禾下降幅度最大，隴西下降幅度最小。故比較各材料POD活性的變化大小順序依次是：西和>秦州>安定>清水>午夜2號(hào)>隴西。

表5 草地早熟禾葉片POD活性的變化Table 5 Variation of POD activity in leaf u/g

2.6 干旱脅迫下葉片SOD活性的變化

在干旱處理的0～10 d，各材料的SOD活性緩慢增加，但在10 d后除清水草地早熟禾表現(xiàn)出緩慢的上升外，其余各材料都開(kāi)始下降(表6)，脅迫15 d后，各材料SOD活性都表現(xiàn)出急速下降的趨勢(shì)，在干旱處理20 d時(shí)，秦州草地早熟禾SOD活性最低，午夜2號(hào)SOD活性最高，干旱脅迫下各材料SOD活性變化大小依次是：秦州>清水>西和>午夜2號(hào)>隴西>安定。

2.7 隸屬函數(shù)分析

清水、秦州、隴西、西和、安定、午夜2號(hào)的隸屬函數(shù)均值分別為0.613 4、0.638 2、0.702 7、0.649 1、0.697 5、0.661 8，抗旱性強(qiáng)弱順序?yàn)?隴西>安定>午夜2號(hào)>西和>秦州>清水(表7)。

表6 干旱脅迫下各個(gè)材料SOD活性的變化Table 6 Variation of SOD activity in leaf u/g

表7 隸屬函數(shù)值與抗旱性綜合評(píng)定Table 7 The membership function value and comprehensive assessment of drought resistance

3 討論與結(jié)論

3.1 草地早熟禾在干旱脅迫下的生理響應(yīng)及其抗旱性分析

3.1.1 相對(duì)含水量和葉綠素含量變化與抗旱性 葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量是衡量植物抗旱能力的重要指標(biāo)[12]。在相同的水分脅迫下，抗旱性強(qiáng)的植物葉片相對(duì)含水量和葉綠素含量下降速度較慢，能保持較好的水分平衡；相反抗旱性弱的植物，下降速度較快，幅度較大，葉片生長(zhǎng)受抑制程度較重，光合作用減弱。植物受到干旱脅迫時(shí)，這兩項(xiàng)指標(biāo)會(huì)隨水分脅迫強(qiáng)度的增加而減少。本研究中，6份草地早熟禾材料的相對(duì)含水量和葉綠素含量隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)均呈下降趨勢(shì)，這與以往的研究相符[6,13]。隴西和安定草地早熟禾相對(duì)含水量和葉綠素含量在干旱脅迫下下降幅度最小，故從相對(duì)含水量和葉綠素含量變化來(lái)看，隴西和安定草地早熟禾相對(duì)于其他材料抗旱能力較強(qiáng)。

3.1.2 可溶性蛋白質(zhì)和MDA含量變化與抗旱性 可溶性蛋白質(zhì)發(fā)揮了酶的功能和失水保護(hù)劑的作用[14]，在干旱脅迫下，植物葉片中可溶性蛋白含量的增加，對(duì)其適應(yīng)干旱環(huán)境條件具有積極作用[15]。而MDA是質(zhì)膜過(guò)氧化主要的產(chǎn)物之一，反映質(zhì)膜過(guò)氧化作用的程度[16]。植物在干旱脅迫條件下，發(fā)生質(zhì)膜的過(guò)氧化作用，MDA是膜脂過(guò)氧化作用的最終分解產(chǎn)物，干旱脅迫下，植物MDA含量越少，抗旱性越強(qiáng)；反之則越弱[17]。本研究中，干旱脅迫期間，各供試材料的可溶性蛋白質(zhì)含量均增加，但是變化幅度因材料不同而不同，安定草地早熟禾可溶性蛋白含量增加幅度最大，秦州草地早熟禾可溶性蛋白增加幅度最小，因此，從可溶性蛋白含量變化來(lái)看，隴西草地早熟禾抗旱能力最強(qiáng)，秦州草地早熟禾抗旱能力最弱。此外，在干旱脅迫期間，MDA含量總體表現(xiàn)出上升趨勢(shì)，表明干旱脅迫使得各材料細(xì)胞膜發(fā)生膜脂過(guò)氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物積累，就MDA含量變化來(lái)看，6份草地早熟禾材料中，清水草地早熟禾的MDA含量上升幅度最大，抗旱性較差。野生材料中隴西草地早熟禾MDA含量上升幅度最小，抗旱力較強(qiáng)。

3.1.3 干旱脅迫下SOD和POD的活性變化 相關(guān)研究表明，POD和SOD活性水平的高低與植物的抗旱性有非常緊密的聯(lián)系[18]。干旱脅迫會(huì)破壞植物體內(nèi)活性氧代謝平衡，引起膜脂過(guò)氧化，對(duì)膜系統(tǒng)、細(xì)胞、器官甚至整株植株造成傷害，而通過(guò)抗氧化系統(tǒng)來(lái)反映活性氧清除能力是衡量早熟禾耐旱性的重要指標(biāo)[19]。關(guān)于POD和SOD在干旱脅迫下的變化不一致，Dhindsa 等[20]研究發(fā)現(xiàn)苔蘚耐旱品種在緩慢干旱和快速干旱過(guò)程中SOD活性上升,而不耐旱品種活性下降。盧少云等[21]研究發(fā)現(xiàn),干旱條件下抗旱性差的地毯草SOD 活性持續(xù)升高,POD活性降低,而抗旱性強(qiáng)的溝葉結(jié)縷草和矮生狗牙根的SOD活性表現(xiàn)出先升后降的趨勢(shì),POD 活性卻持續(xù)升高。本研究中，干旱脅迫期間，各材料的SOD和POD活性先緩慢上升后下降，脅迫末期，SOD和POD活性與脅迫前相比顯著下降，其中，安定和隴西草地早熟禾SOD和POD活性下降幅度最小，表明其抵御活性氧傷害的能力將強(qiáng)，秦州和西和草地早熟禾下降幅度最大，表明在干旱脅迫下它們對(duì)活性氧的清除能力較差，植株體更容易受到傷害。因此，SOD和POD活性而言，安定和隴西草地早熟禾抗旱能力最強(qiáng)，秦州和西和草地早熟禾抗旱能力最弱。

3.2 各供試材料抗旱能力的綜合性評(píng)價(jià)

植物的抗旱性是其適應(yīng)干旱環(huán)境的一種生理反應(yīng)，受多種因素影響和控制，因此，應(yīng)對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而避免單個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)的不確定性和片面性。結(jié)合干旱脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響，采用隸屬函數(shù)法能對(duì)植物的抗旱性進(jìn)行較客觀地綜合評(píng)價(jià)[22-27]，本研究采用隸屬函數(shù)法，對(duì)6份草地早熟禾材料的6種抗旱性生理指標(biāo)進(jìn)行綜合分析，結(jié)果表明，在整個(gè)干旱脅迫過(guò)程中，供試材料對(duì)干旱的反應(yīng)存在差異，這與材料來(lái)源有關(guān)，不同材料在各自不同的生境中表現(xiàn)出相應(yīng)的適應(yīng)性，綜合評(píng)價(jià)草地早熟禾材料的抗旱能力大小順序依次為隴西>安定>午夜2號(hào)>西和>秦州>清水。

研究結(jié)果表明，所有供試材料對(duì)干旱脅迫均能產(chǎn)生一定的抗旱生理響應(yīng)。在這5份野生草地早熟禾中，隴西和安定的野生草地早熟禾與其他材料相比，抗旱性表現(xiàn)較突出，并且強(qiáng)于午夜2號(hào)。

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