干旱脅迫下4種禾本科牧草根系抗旱性比較

王曉龍，李紅，楊曌，楊偉光，柴華

（黑龍江省畜牧研究所，黑龍江齊齊哈爾161005）

干旱脅迫下4種禾本科牧草根系抗旱性比較

王曉龍，李紅*，楊曌，楊偉光，柴華

（黑龍江省畜牧研究所，黑龍江齊齊哈爾161005）

為明確禾本科牧草根系生理特性的變化與抗旱性的關(guān)系，采用盆栽斷水的方式模擬土壤干旱脅迫，測定披堿草、扁穗冰草、細(xì)莖冰草、無芒雀麥等4種禾本科牧草的苗期根系相對電導(dǎo)率（REC）、脯氨酸（Pro）含量、可溶性蛋白（SP）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和丙二醛（MDA）含量變化。結(jié)果表明：隨著干旱脅迫強(qiáng)度加劇，4種禾本科牧草根系Pro、SP、REC、MDA含量及SOD活性明顯上升。經(jīng)抗旱隸屬度分析，披堿草的綜合評價值最高，為0.5006；4種禾本科牧草材料的抗旱性強(qiáng)弱順序依次為：披堿草＞細(xì)莖冰草＞無芒雀麥＞扁穗冰草。

禾本科牧草；干旱脅迫；生理指標(biāo)；抗旱性

干旱和低溫越冬是制約人工草地建植的關(guān)鍵問題，因此牧草品種的選擇是旱區(qū)和寒區(qū)建植人工草地的關(guān)鍵因素（劉敏等，2015）。在干旱脅迫環(huán)境下，植物會形成多種抗旱耐旱的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化，其對干旱的明顯適應(yīng)特征是干物質(zhì)積累與根系的生長，它不但反映了不同器官對干旱脅迫的抗性差異，而且反映了植物間抗旱性差異（朱新強(qiáng)等，2012）。植物根系作為吸收土壤水分和養(yǎng)分的主要器官，其最先感受到土壤水分的虧缺，在干旱脅迫環(huán)境下，研究植物根系生理代謝對于優(yōu)良抗旱性牧草選育具有重要意義。鑒于此，本試驗選取4種在我國內(nèi)蒙古、東北和華北地區(qū)分布較為廣泛的禾本科牧草為材料，通過盆栽控水方式人工模擬水分脅迫，分析牧草根系脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SP）、相對電導(dǎo)率（REC）、丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）等5個生理指標(biāo)的變化規(guī)律，研究了不同程度干旱脅迫對禾本科牧草根系生理指標(biāo)的影響，以期為優(yōu)良牧草高產(chǎn)栽培提供一定的技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1　試驗材料與方法

1.1供試材料本試驗選取了4種在我國內(nèi)蒙古、東北和華北地區(qū)分布較為廣泛的禾本科牧草進(jìn)行抗旱性評價。這4種禾本科牧草均具有較強(qiáng)的抗旱性和耐寒性，大多為中旱生物種，飼用品質(zhì)優(yōu)良，詳情見表1。

1.2抗旱性試驗方法本試驗在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室中進(jìn)行，采用盆栽控水法人工模擬水分脅迫。盆內(nèi)裝入花土、蛭石和過2 mm篩的干土，以2∶1∶1的比例混合，每盆裝土2.5 kg，試驗設(shè)4個土壤水分處理，3次重復(fù)。正常供水（對照）土壤相對含水量分別為田間持水量的75%～80%、輕度干旱脅迫（65%～70%）、中度干旱脅迫（45%～50%）、重度干旱脅迫（30%～35%）；每處理20盆。對每盆進(jìn)行充分灌水使盆內(nèi)土壤含水量基本達(dá)到飽和，使盆內(nèi)水分自然消耗，每天稱重補(bǔ)充損失的水分，使土壤含水量控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。除進(jìn)行不同土壤水分處理外，均進(jìn)行常規(guī)管理，20 d后進(jìn)行各指標(biāo)的測定。

表1　供試材料

1.3抗旱性測定內(nèi)容丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸法進(jìn)行測定；脯氨酸（Pro）采用茚三酮法進(jìn)行測定；可溶性蛋白（SP）含量采用考馬斯亮藍(lán)法進(jìn)行測定；超氧化物歧化酶（SOD）采用氮藍(lán)四唑法進(jìn)行測定；電導(dǎo)率（EC）采用浸泡法進(jìn)行測定（張志良和瞿偉菁，2005）。

1.4統(tǒng)計分析采用Excel 2003作圖，采用SAS（9.1版）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行方差分析。

2　結(jié)果與分析

2.1干旱脅迫下4種禾本科牧草根系脯氨酸含量的變化干旱脅迫使植物體內(nèi)積累更多的脯氨酸、可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，這些物質(zhì)的積累可使細(xì)胞滲透勢下降，導(dǎo)致植物加強(qiáng)吸水以維持膨壓從而減輕滲透脅迫（楊順強(qiáng)等，2010）。由圖1可知，干旱脅迫均促進(jìn)了4種禾本科牧草根系Pro的增加，輕度干旱脅迫下，4種禾本科牧草根系Pro變化較小，由輕度轉(zhuǎn)為中度干旱脅迫下細(xì)莖冰草和披堿草Pro含量變化較大，分別增加了149.0%和126.8%。重度干旱脅迫下，披堿草、無芒雀麥、細(xì)莖冰草、扁穗冰草根系Pro含量分別是2259.59、1774.74、2911.11、1608.08 μg/g，分別是各自對照的3.87、2.54、4.38、2.91倍。

圖1　干旱脅迫下4種禾本科牧草根系脯氨酸含量的變化

2.2干旱脅迫下4種禾本科牧草可溶性蛋白含量的變化由圖2可知，干旱脅迫下4種禾本科牧草SP含量均隨干旱脅迫程度的增加呈現(xiàn)上升趨勢，細(xì)莖冰草在輕度干旱處理時SP含量上升幅度較大，是其對照的1.44倍；而披堿草在中度干旱處理時SP上升幅度較大比輕度干旱處理時增加了50.4%；隨著干旱脅迫程度的加劇，無芒雀麥SP含量上升幅度相對較小，在重度干旱處理時與對照相比增加了1047.19 μg/g。

圖2　干旱脅迫下4種禾本科牧草根系可溶性蛋白含量的變化

2.3干旱脅迫下4種禾本科牧草丙二醛含量的變化MDA能反映植物細(xì)胞的傷害程度，是植物體內(nèi)膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量高低與細(xì)胞膜的損傷程度有關(guān)（喬楓等，2011）。

由圖3可知，隨著干旱脅迫強(qiáng)度的加劇，4種禾本科牧草根系中MDA含量均有不同程度的積累，輕度干旱處理時，4種禾本科牧草根系中MDA含量變化幅度相對較??；隨著干旱脅迫程度的進(jìn)一步加劇，扁穗冰草根系中MDA含量變化較大，其中披堿草和細(xì)莖冰草在中度干旱處理下根系中MDA積累較緩慢；在重度干旱下，扁穗冰草根系中MDA含量最高，為39.95 nmol/g，是對照組的1.76倍；細(xì)莖冰草和無芒雀麥隨土壤含水量的降低，根系中MDA含量增加幅度相對較低，分別是對照組的1.47倍和1.53倍。

2.4干旱脅迫下4種禾本科牧草超氧化物歧化酶的變化SOD具有維持細(xì)胞穩(wěn)定性和降低膜脂過氧化的功能，是細(xì)胞膜系統(tǒng)的重要保護(hù)酶（朱新強(qiáng)等，2012）。由圖4可知，隨著土壤含水量降低，4種禾本科牧草SOD活性總體呈上升的變化趨勢，在重度干旱處理時，扁穗冰草根系中SOD活性明顯上升，與其他3種禾本科牧草相比差異顯著（P＜0.05）；在重度干旱脅迫下，披堿草、無芒雀麥、細(xì)莖冰草、扁穗冰草根系SOD活性分別是182.97、170.74、204.52、223.16 μg/g，分別是各自對照的1.82、1.61、2.07、1.86倍。

圖3　干旱脅迫下4種禾本科牧草根系丙二醛含量的變化

圖4　干旱脅迫下4種禾本科牧草根系SOD活性變化

2.5干旱脅迫下4種禾本科牧草相對電導(dǎo)率的變化由圖5可知，干旱脅迫均促進(jìn)了4種禾本科牧草根系REC的增加，輕度干旱脅迫下，4種禾本科牧草根系REC變化較大，由輕度轉(zhuǎn)為中度干旱脅迫下無芒雀麥和扁穗冰草REC變化較小，分別增加了12.1%和12.9%。重度干旱脅迫下，披堿草、無芒雀麥、細(xì)莖冰草、扁穗冰草根系REC分別是各自對照的2.23、2.29、2.35、2.47倍。

圖5　干旱脅迫下4種禾本科牧草根系相對電導(dǎo)率的變化

2.6不同禾本科牧草抗旱性比較采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法求抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，具體計算方程為：

式中：Fij為i草種j性狀值；Xij為鑒定i草種j性狀抗旱隸屬值；Ximax為所鑒定i草種j性狀最大值；Ximin為所鑒定i草種j性狀最小值。

將i草種各指標(biāo)抗旱隸屬值進(jìn)行累加，求出平均值，平均值越大該禾本科牧草抗旱性越強(qiáng)（王曉龍等，2014）。最后對4種禾本科牧草抗旱性進(jìn)行比較，得出各禾本科牧草抗旱性由強(qiáng)到弱順序（表2）。

表2　4種禾本科牧草抗旱性比較

3　討論

3.1干旱脅迫下脯氨酸和可溶性蛋白含量的變化在不同程度干旱脅迫下，4種禾本科牧草根系Pro含量均顯著增加，其中細(xì)莖冰草和披堿草Pro含量增幅較大，說明這2種禾本科牧草根系Pro調(diào)節(jié)滲透的能力較強(qiáng)，產(chǎn)生大量脯氨酸以抵御干旱脅迫環(huán)境的傷害。細(xì)莖冰草根系的SP在不同程度的干旱脅迫下均是最高，說明細(xì)莖冰草能很好地抵御干旱脅迫對禾本科牧草根系帶來的傷害。披堿草在輕度干旱處理時，SP含量變化幅度較?。辉谥卸雀珊堤幚頃r，SP上升幅度較大，與楊順強(qiáng)等（2010）對5種引進(jìn)禾本科牧草的研究結(jié)果相一致。因此可以說明植物在一定水分脅迫強(qiáng)度上通過調(diào)節(jié)胞內(nèi)膨壓使植物適應(yīng)逆境，植物受到水分脅迫會產(chǎn)生逆境蛋白提高自身抗性，在一定范圍內(nèi)隨水分脅迫增加而增加。

3.2干旱脅迫下丙二醛含量的變化MDA是植物體內(nèi)膜脂過氧化產(chǎn)物，其含量高低與細(xì)胞膜系統(tǒng)的損傷程度有關(guān)，一般來說MDA含量越高，表明植物受傷害程度越大（劉爽和吳永波，2010）。與對照相比，隨干旱脅迫程度的加劇，4種禾本科牧草MDA含量均呈遞增趨勢，與李楠等（2011）對5種委陵菜（Potentilla）的研究結(jié)果相一致。其中扁穗冰草根系的MDA含量大量積累，說明干旱脅迫對扁穗冰草的質(zhì)膜結(jié)構(gòu)和功能傷害較大，抗旱性較差。

3.3干旱脅迫下超氧化物歧化酶含量的變化SOD是保護(hù)酶系統(tǒng)中清除活性氧的主要酶。有研究表明，植物抗逆性與SOD活性呈正相關(guān)（魏臻武等，2006）。而本試驗中隨著干旱脅迫由輕度轉(zhuǎn)為重度，SOD活性均呈現(xiàn)升高的變化趨勢，與李楠等（2011）對5種委陵菜和朱新強(qiáng)等（2012）對苜蓿根系的研究結(jié)果相一致。在干旱脅迫下，披堿草、細(xì)莖冰草和扁穗冰草能更好地調(diào)節(jié)體內(nèi)的SOD活性，以提高抗旱性。植物受到逆境脅迫時，由于膜的結(jié)構(gòu)或功能受損，使細(xì)胞膜透性增大，細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)將有不同程度的外滲，傷害愈重，外滲愈多，電導(dǎo)的增加亦愈大（李雪蓮等，2005）。在重度干旱脅迫下，無芒雀麥和扁穗冰草相對電導(dǎo)率較高，說明干旱脅迫對扁穗冰草和無芒雀麥質(zhì)膜的結(jié)構(gòu)和功能損傷較大，抗旱性較差。

4　結(jié)論

在水分脅迫處理后，不同禾本科牧草的MDA含量、SP含量、SOD活性、Pro含量及REC含量均發(fā)生了不同程度變化，通過模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，對4種禾本科牧草的5個抗旱指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行比較，得出抗旱性由大到小的順序為：披堿草＞細(xì)莖冰草＞無芒雀麥＞扁穗冰草。

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In order to clarify the internal relationship between drought resistant capability and the change of physiological characteristics of grasses root，pot culture and water control were used to imitate drought stress in soil，and the relative conductivity，proline content，soluble protein content，superoxide dismutase（SOD）activity and malondialdehyde（MDA）content of roots in seedling period of four grass species were determined.The results indicated that the proline content，soluble protein content，SOD activity，relative conductivity and MDA content of grasses roots increased significantly with the drought stress increasing.According to the drought resistant analysis of membership，Elymus nutans had the highest comprehensive evaluation value of 0.5006，the drought resistant capabilities of four grass species were in the sequence of Elymus nutans＞Agropyron trachycaulum＞Bromus inermis＞Agropyron cristatum.

grasses；drought stress；physiological indices；drought resistant characteristics

S816

A

1004-3314（2016）13-0022-03

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20161305

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)計劃重大項目“優(yōu)質(zhì)多抗牧草新品種選育及高效生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究”（GA15B105—5）；黑龍江省財政廳科研院所自擬課題