刈割高度對(duì)糧飼兼用小麥抗逆性及保護(hù)性酶活性的影響

王玉平， 楊景寧， 王丹丹， 楊 倩， 張小明， 沈禹穎

(蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 草業(yè)科學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心(蘭州大學(xué))， 甘肅 蘭州 730020)

籽粒作物在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期刈牧利用、成熟后收獲籽粒的利用方式稱之為糧飼兼用(dual-purpose)，已在美國(guó)、加拿大和澳大利亞等國(guó)推廣應(yīng)用，是利用作物生長(zhǎng)冗余釋放、糧草兼顧、提高農(nóng)戶收益的舉措[1-4]。已有研究表明刈牧后植物光合器官受損，可溶性糖在植株內(nèi)的積累與分布及酶代謝活性隨之改變，如刈牧強(qiáng)度影響長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、牛枝子(Lespedezapotanimii)和糙隱子草(leistogenessquarrosa)的可溶性糖含量[5]；隨著刈割次數(shù)的增加，沙蔥(AlliummongolicumRegel)可溶性糖含量降低，可溶性蛋白含量增加[6]，多次刈割后苜蓿(MedicagosativaL.)根系過(guò)氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)等保護(hù)性酶活性降低[7]?？扇苄蕴?、可溶性蛋白通過(guò)調(diào)節(jié)滲透濃度來(lái)啟動(dòng)脫落酸的形成，誘發(fā)蛋白質(zhì)的合成，提高小麥苗期的抗逆性[8]。POD和SOD對(duì)提高植物抗寒性有重要作用[8-9]，亦是植物抗逆性的鑒定指標(biāo)[9-10]。實(shí)踐中冬小麥刈牧主要發(fā)生在冬春時(shí)節(jié)，刈牧后的冬小麥恢復(fù)生長(zhǎng)能力與其抗逆性相關(guān)，因此，探究刈割高度對(duì)冬小麥可溶性糖、可溶性蛋白積累及保護(hù)性酶活性的影響，理解刈牧后冬小麥的生理代謝規(guī)律，可為制定適宜的冬小麥糧飼兼用管理措施提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參試材料為甘肅慶陽(yáng)適用冬小麥‘隴育4號(hào)’(Triticumaestivum.‘LY 4’)。溫室試驗(yàn)于2014年在蘭州大學(xué)榆中校區(qū)智能溫室進(jìn)行，日間溫度25～30℃，夜間溫度15～20℃，每天光照時(shí)間10～12 h。采用水培法培養(yǎng)，選取大小均一，飽滿無(wú)破損的‘隴育4號(hào)’種子，2%次氯酸鈉消毒5 min，轉(zhuǎn)入蒸餾水中浸泡12 h，置于22℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽24 h后，于4℃中春化30 d，接著在25℃恒溫環(huán)境下催芽，待胚芽3～5 cm時(shí)，移栽至栽培容器(長(zhǎng)20 cm，寬15 cm，高20 cm)中。培養(yǎng)期間每盆盛3 L 1/2濃度Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，留苗10株，培養(yǎng)至5～6個(gè)分蘗期時(shí)進(jìn)行刈割處理。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

設(shè)2個(gè)刈割高度處理，分別為留茬6 cm(RE-6)和留茬3 cm(RE-3)，以不刈割作為對(duì)照(CK)，每個(gè)處理重復(fù)40 盆。

1.3 取樣與測(cè)定

1.3.1植株生物量測(cè)定 分別于刈割后第8，12，16，20 d取樣，采用破壞性取樣法取樣，每次每個(gè)處理各取4盆。取樣后清洗植株各部位，莖、葉、根分離，鮮樣 (105℃下殺青10 min)稱重后，65℃烘至恒重，稱重。

1.3.2生理生化指標(biāo)測(cè)定 于生物量測(cè)定同期取樣，每次每個(gè)處理取4盆，取樣后將植株分為莖、葉、根3部分，于-70℃保存，測(cè)定時(shí)，稱取待測(cè)小麥鮮樣0.5 g，加6 mL PVP和少量的石英砂，冰浴研磨成勻漿，在4℃、8 000 r·min-1下離心15 min，取上清液即酶浸提液，進(jìn)行各指標(biāo)測(cè)定?？扇苄蕴呛坎捎幂焱y(cè)定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法測(cè)定；SOD用氮藍(lán)四唑(NBT)法測(cè)定；POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用GenStat(Edition17)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，F(xiàn)測(cè)驗(yàn)檢驗(yàn)處理效應(yīng)，用LSD法比較刈割處理下的平均數(shù)差異(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 刈割高度對(duì)植株各部位干物質(zhì)積累和分配的影響

刈后20 d內(nèi)各部位干物質(zhì)均未超過(guò)對(duì)照。刈后16, 20 d，RE-6處理下莖干物質(zhì)分別較對(duì)照顯著降低48%和31% (P<0.05)(圖1a)，葉干物質(zhì)分別較對(duì)照顯著下降49%和35%(P<0.05)(圖1b)，根干物質(zhì)分別較對(duì)照顯著下降18%和41%(P<0.05)(圖1c)，RE-3下莖干物質(zhì)分別較對(duì)照顯著降低73%和53%(P<0.05)(圖1a)，葉干物質(zhì)分別較對(duì)照顯著下降57%和53(P<0.05)(圖1b)，根干物質(zhì)分別較對(duì)照顯著下降30%和51%(P<0.05)(圖1c)。2個(gè)刈割處理下各部位干物質(zhì)分配占比也發(fā)生了變化，刈后第8 d，RE-6和 RE-3莖干物質(zhì)占比較對(duì)照分別提高8%和6%，刈后12 d，RE-6和 RE-3葉片干物質(zhì)分配分別較對(duì)照明顯下降14%和19%，刈后16～20 d，葉片干物質(zhì)逐漸恢復(fù)，根干物質(zhì)分配在刈后第8～16 d均高于對(duì)照，刈后20 d，根干物質(zhì)分配與對(duì)照無(wú)明顯差異(圖2)。

2.2 刈割高度對(duì)植株各部位干物質(zhì)生長(zhǎng)速率的影響

刈后20 d內(nèi)，‘隴育4號(hào)’地上部干物質(zhì)平均積累速率隨著刈割留茬高度的增加而降低(表1)，其中，莖干物質(zhì)積累速率隨刈后天數(shù)的推后而增加，刈后16～20 d均高于對(duì)照。葉干物質(zhì)積累速率在刈后第12～16 d高于對(duì)照。根干物質(zhì)積累速率在2個(gè)刈割處理下均高于對(duì)照，RE-3處理僅在16～20 d低于對(duì)照。

圖1 刈后20 d內(nèi)冬小麥莖(a)、葉(b)、根(c)干物質(zhì)積累動(dòng)態(tài)Fig.1 Dry matter dynamics of stem (a), leaf (b) and root (c) within 20 days after clipping

圖2 刈后20 d內(nèi)冬小麥植株各部位干物質(zhì)分配比Fig.2 Dry matter allocation ratio of winter wheat within 20 days after clipping

表1 刈后20 d內(nèi)冬小麥各部位生長(zhǎng)速率Table 1 Growing rates of winter wheat within 20 days after clipping/g·plant-1 ·d-1

2.3 刈割高度對(duì)植株各部位可溶性糖含量的影響

刈割降低了‘隴育4號(hào)’各器官可溶性糖含量(P<0.05)。刈后第20 d，RE-6和RE-3處理莖可溶性糖含量分別較對(duì)照顯著減少37%和 43%(P<0.05)(圖3a)，葉可溶性糖含量分別較對(duì)照顯著下降52%和39%(P<0.05)(圖3b)。刈后20 d內(nèi)，根可溶性糖含量隨時(shí)間均呈增加趨勢(shì)，且RE-6、RE-3根可溶性糖含量較對(duì)照顯著減少26%和49%(P<0.05)(圖3c)。

刈割后，‘隴育4號(hào)’各器官的可溶性糖平均積累速率均低于對(duì)照(表2)。刈后20 d內(nèi)，各處理下莖可溶性糖積累速率均先上升后降低，RE-6和RE-3處理下莖可溶性糖平均積累速率分別較對(duì)照降低69%和86%；葉可溶性糖積累速率分別在刈后16～20 d，8～12 d低于對(duì)照，在刈后第12～16 d高于對(duì)照。RE-6和RE-3處理下根可溶性糖含量平均積累速率分別比對(duì)照低56%和73%。

圖3 刈后20 d冬小麥莖(a)、葉(b)、根(c)可溶性糖含量動(dòng)態(tài)Fig.3 Water soluble carbohydrate of stem (a), leaf (b) and root (c) of winter wheat within 20 days after clipping

表2 刈后20 d冬小麥各部位可溶性糖積累速率動(dòng)態(tài)/mg·plant-1·d-1Table 2 Dynamics of growing rates of water soluble carbohydrate of winter wheat within 20 days after clipping

2.4 刈割高度對(duì)植株各部位可溶性蛋白含量的影響

刈后20 d內(nèi)，‘隴育4號(hào)’各處理下莖可溶性蛋白含量無(wú)明顯變化，且RE-6、RE-3莖可溶性蛋白含量與對(duì)照無(wú)顯著性差異(圖4a)。刈后第8 d，刈割處理葉可溶性蛋白含量與對(duì)照無(wú)顯著性差異，刈后第12 d各處理下葉可溶性蛋白達(dá)到最大值，RE-6和RE-3分別較對(duì)照顯著提高16%和18%，至第20 d提高23%和25%(P<0.05)(圖4b)。各處理下根可溶性蛋白含量在刈后20 d內(nèi)均無(wú)顯著差異(圖4c)。

圖4 刈后20 d內(nèi)冬小麥莖(a) ，葉(b) ，根(c)可溶性蛋白含量Fig.4 Soluble protein content of stem (a), leaf (b) and root (c) of winter wheat after clipping

2.5 刈割高度對(duì)植株各部位保護(hù)性酶活性的影響

刈割處理下，莖、葉POD活性較對(duì)照均有所提高，刈后第8 d ，莖POD活性較對(duì)照顯著提高30%，但刈割處理下莖、葉POD活性與對(duì)照間差異逐漸縮小(圖5a，5b)。RE-3下根POD活性在刈后第12 d比對(duì)照顯著低54%，至刈后第20 d與對(duì)照無(wú)顯著差異(圖5c)。

刈割處理20 d內(nèi)， RE-6處理下莖和葉SOD活性與對(duì)照相比無(wú)顯著差異，RE-3處理下莖和葉片SOD活性高于對(duì)照10%和18%～30%。6 cm留茬下根系SOD活性恢復(fù)早于3 cm留茬，在刈后20 d 高于對(duì)照(圖6c)。刈割不同程度提高了冬小麥地上部POD、SOD活性，降低了地下部POD活性。

圖5 刈后20 d內(nèi)冬小麥莖(a)、葉(b)、根(c)POD動(dòng)態(tài)Fig.5 Dynamics of POD activity of stem (a), leaf (b) and root (c) of winter wheat within 20 days after clipping

圖6 刈后20 d冬小麥莖(a)、葉(b)、根(c)SOD活性動(dòng)態(tài)Fig.6 Dynamics of SOD activity of stem (a), leaf (b) and root (c) of winter wheat within 20 days after clipping

3 討論

3.1 刈割高度對(duì)冬小麥干物質(zhì)積累和分配的影響

刈牧是草地主要利用方式，適度刈牧是草地合理管理的環(huán)節(jié)[12-14]。刈割后植物地上干物質(zhì)損失，各器官資源分配格局發(fā)生變化，將光合產(chǎn)物優(yōu)先分配給莖部，以提高對(duì)光的截獲量，從而提高再生速率，盡快恢復(fù)冠層光合能力[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，刈后20 d內(nèi)，‘隴育4號(hào)’莖、葉、根各器官干物質(zhì)量均隨刈割留茬高度的降低而降低，短期內(nèi)再生冬小麥干物質(zhì)量隨刈割留茬高度的降低而降低[16]，春小麥于苗期、分蘗期刈割后40 d內(nèi)干物質(zhì)量始終低于對(duì)照[17]，未在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償生長(zhǎng)。輕度刈割下冷蒿(Artemisiafrigida)和伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)干物質(zhì)均較重度刈割下高[15,18]，‘隴育4號(hào)’地上部干物質(zhì)平均積累速率隨著刈割強(qiáng)度的增加而降低，但地下部分干物質(zhì)平均積累速率均高于對(duì)照，說(shuō)明刈割下冬小麥根系生長(zhǎng)速率增加，以獲取養(yǎng)分供給地上部分保證恢復(fù)生長(zhǎng)。

3.2 刈割高度對(duì)植株可溶性糖和可溶性蛋白的影響

可溶性糖與可溶性蛋白是植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[8]，通過(guò)調(diào)整細(xì)胞滲透壓維持細(xì)胞膜完整性，進(jìn)而保證葉片的光合作用?？扇苄蕴怯质侵仓暝偕闹匾镔|(zhì)和能量來(lái)源[19-20]。刈割后植物大量綠色部分突然被移除，同化產(chǎn)物的積累低于異化作用引起的消耗，使可溶性糖等儲(chǔ)存物質(zhì)含量降低[13]，輕牧下冷蒿、羊草地上部可溶性糖含量較不刈割對(duì)照提高[21-22]，燕麥莖部可溶性糖含量在移去1/4葉片時(shí)高于對(duì)照，移去3/4時(shí)則顯著低于對(duì)照[23]，本研究中，2個(gè)刈割高度下‘隴育4號(hào)’各器官可溶性糖含量均較對(duì)照顯著降低，尤其是莖干部下降明顯，說(shuō)明刈割后20天的再生過(guò)程，以消耗莖部可溶性糖為主，葉片可溶性糖含量平穩(wěn)，而莖和根可溶性糖含量逐漸升高，說(shuō)明在葉片受損情況下，植物以活化根系及莖儲(chǔ)存的可溶性糖來(lái)保證植物的正常生長(zhǎng)[24]。

可溶性蛋白含量的變化可反映植物遭受環(huán)境脅迫的狀態(tài)和程度[25-26]，同時(shí)可溶性蛋白有較強(qiáng)親水性，有利于植物保持更多的水分，使原生質(zhì)在遭受低溫凍害時(shí)減少因結(jié)冰致死的機(jī)會(huì)，從而提高抗寒性[27]。刈割促進(jìn)了葉片可溶性蛋白積累，對(duì)莖、根可溶性蛋白含量無(wú)明顯影響，燕麥、油菜和羊草刈牧后有同樣規(guī)律21,23,28]，頻繁刈割抑制了沙蔥根系可溶性蛋白的積累[6]，這是由于刈割損傷光合器官，刺激了抗逆反應(yīng)，可溶性蛋白含量增加。伊犁絹蒿可溶蛋白含量不受刈割處理的影響[18]，這可能是由于植物種類不同，可溶性蛋白對(duì)逆境傷害的響應(yīng)不同而導(dǎo)致。

3.3 刈割高度對(duì)植株保護(hù)性酶活性的影響

SOD和POD是植物體內(nèi)重要的抗氧化酶，分別清除超氧陰離子自由基、羥自由基，可稱為自由基清除酶[29]，逆境脅迫下，植株保持較高的抗氧化酶類活性可以提高抗逆性[30]?？寡趸锩富钚缘母叩鸵部梢栽谝欢ǔ潭壬夏軌蚍从持参锟购訹29,31]。前人研究發(fā)現(xiàn)，刈割次數(shù)和不同的刈割時(shí)間均會(huì)影響植物保護(hù)性酶活性[7,32]。本研究中‘隴育4號(hào)’地上部POD和SOD活性在不同刈割強(qiáng)度下有不同程度的增加，但保護(hù)性酶活性對(duì)刈割強(qiáng)度的響應(yīng)不盡一致，其中RE-6下POD活性最高，RE-3下SOD活性最高，根系POD、SOD活性與對(duì)照差異不明顯。因?yàn)樨赘詈笾仓甑厣喜渴艿街苯觽Γ碳て浔Ｗo(hù)性酶活性升高以保證植株正常生長(zhǎng)，而地下部應(yīng)激反應(yīng)則相對(duì)滯后。并且有研究表明，小麥在逆境脅迫下POD、SOD活性升高[8-10]，說(shuō)明逆境脅迫確實(shí)可以促進(jìn)小麥的保護(hù)性酶活性。當(dāng)然也有研究表明紫花苜蓿刈割后根系POD、SOD活性均下降[7]，這可能是因?yàn)楹瘫究浦参锖投箍浦参飳?duì)于刈割的響應(yīng)有所差異。

4 結(jié)論

刈割后，冬小麥‘隴育4號(hào)’各部位干物質(zhì)量隨留茬高度的降低而降低，植株通過(guò)調(diào)動(dòng)莖部和根部可溶性糖保障再生生長(zhǎng)，刈割留茬3 cm和6 cm處理下地上部可溶性蛋白含量和保護(hù)性酶活性表現(xiàn)出補(bǔ)償效應(yīng)，抗逆性增加，為植株安全越冬及后期生長(zhǎng)提供了物質(zhì)保障，是刈割后冬小麥恢復(fù)生長(zhǎng)的生理生態(tài)機(jī)制。