干旱脅迫對(duì)高羊茅航天誘變新品系生理特性的影響及綜合評(píng)價(jià)

李娟，雷霞，王小利，牟瓊，楊春燕，吳佳海

(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006)

干旱脅迫對(duì)高羊茅航天誘變新品系生理特性的影響及綜合評(píng)價(jià)

李娟，雷霞，王小利，牟瓊，楊春燕，吳佳海*

(貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所，貴州 貴陽(yáng) 550006)

為揭示高羊茅航天誘變新品系對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)和適應(yīng)，培育出耐旱性強(qiáng)的新品種。以高羊茅航天誘變新品系12份及其親本黔草1號(hào)高羊茅和貴州主推品種水城高羊茅為材料，采用盆栽試驗(yàn)，在人工氣候室進(jìn)行干旱脅迫處理，測(cè)定可溶性蛋白、超氧化物歧化酶(SOD)、過(guò)氧化物酶(POD)、過(guò)氧化氫酶(CAT)活性、葉綠素(Chl)生理指標(biāo)，并應(yīng)用隸屬函數(shù)法和灰色關(guān)聯(lián)法對(duì)其生理指標(biāo)及14份高羊茅材料耐旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，可溶性蛋白質(zhì)隨著干旱脅迫程度的增加總體呈上升趨勢(shì)，SOD、POD、CAT含量隨著干旱脅迫程度增加總體呈下降趨勢(shì)，葉綠素含量隨干旱脅迫程度加劇呈下降趨勢(shì)。5個(gè)生理指標(biāo)在14份材料間均存在顯著性差異。利用隸屬函數(shù)法對(duì)14份高羊茅材料進(jìn)行綜合耐旱性評(píng)價(jià)，SP5-32的平均隸屬函數(shù)值最大，為0.533，耐旱性順序?yàn)椋篠P5-32>SP5-75>水城高羊茅>SP5-60>SP5-94>SP5-97>SP5-89>SP5-71>SP5-7>SP5-85>SP5-42>SP5-5>黔草1號(hào)高羊茅>SP5-88。利用灰色關(guān)聯(lián)性分析法得出各耐旱指標(biāo)與耐旱性的關(guān)聯(lián)序?yàn)椋篜OD>可溶性蛋白質(zhì)>SOD> CAT>Chl，關(guān)聯(lián)度在0.55～0.65之間。因此，SP5-32更加適應(yīng)干旱地區(qū)，干旱脅迫下保護(hù)酶活性大小、可溶性蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量對(duì)高羊茅材料的耐旱性是大致相同的。

高羊茅；干旱脅迫；航天誘變；生理特性；綜合評(píng)價(jià)

我國(guó)干旱半干旱地區(qū)面積占國(guó)土面積的47%，干旱已成為全球自然災(zāi)害之一[1-2]，可使其植物生長(zhǎng)受到抑制、產(chǎn)量下降[3]。高羊茅(Festucaarundinacea)又稱葦狀羊茅，是禾本科羊茅屬一種多年生冷季型草種[4-5]。是重要的飼用、城市、運(yùn)動(dòng)場(chǎng)綠化植物，生長(zhǎng)迅速、飼用品質(zhì)優(yōu)良、利用年限長(zhǎng)，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)中顯示出明顯的社會(huì)、生態(tài)、環(huán)境效益，因而越來(lái)越受到人們的重視。然而，在當(dāng)今水資源日益缺乏的時(shí)候，人們首先會(huì)滿足生活用水和糧食灌溉的需求，對(duì)于草建植等環(huán)境景觀等方面的需求就會(huì)受到限制[6]，因此，通過(guò)各種不同的選育方法，培育出耐旱新品種，成為高羊茅育種中的當(dāng)務(wù)之急。

在自然條件下，由于外界環(huán)境的變化較小和遺傳結(jié)構(gòu)的相對(duì)穩(wěn)定性，植物本身發(fā)生自發(fā)突變的頻率極低，加之傳統(tǒng)的育種方式周期長(zhǎng)，分子育種經(jīng)費(fèi)高、難度大等問(wèn)題[7]。將高科技的空間技術(shù)與常規(guī)農(nóng)業(yè)育種相結(jié)合，形成航天誘變育種，是利用太空特殊環(huán)境，如空間宇宙射線、微重力、高真空、弱磁場(chǎng)等因素，對(duì)農(nóng)作物種子的誘變作用產(chǎn)生變異，再返回地面選育新種質(zhì)、新材料，培育新品種的作物育種新技術(shù)。近年來(lái)牧草和草坪草在航天誘變育種方面發(fā)展迅速，先后搭載了紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、苜蓿(Medicagosativa)、草地早熟禾(Poaspp.)、結(jié)縷草(Zoysiajaponica)、狗牙根(Cynodondactylon)等[8-11]，并對(duì)搭載材料的形態(tài)學(xué)、細(xì)胞學(xué)和分子水平的變異進(jìn)行了研究，通過(guò)航天誘變已篩選、培育出很多優(yōu)良品種，航天誘變作為一種新的育種方法已受到國(guó)內(nèi)外遺傳育種界的重視[12-13]。航天誘變育種既能明顯改良作物某些農(nóng)藝性狀，又能獲得地面育種難以得到的重要經(jīng)濟(jì)性狀產(chǎn)生的突破性突變。本研究基礎(chǔ)正是基于對(duì)黔草1號(hào)高羊茅種子經(jīng)“實(shí)踐八號(hào)”育種衛(wèi)星搭載處理，在開(kāi)展多年的“地-空”對(duì)比試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)有很多優(yōu)良突變植株，經(jīng)多年多代選擇，初步篩選出不同的優(yōu)良材料，深入系統(tǒng)開(kāi)展高羊茅航天誘變育種。選取不同高羊茅航天誘變新品系進(jìn)行干旱脅迫試驗(yàn)，研究其對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)和調(diào)節(jié)機(jī)制，為西南地區(qū)高羊茅的逆境生理和育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

選取多年生黔草1號(hào)高羊茅種子，于2006年9月9日經(jīng)“實(shí)踐八號(hào)”育種衛(wèi)星搭載處理，衛(wèi)星共運(yùn)行355 h，航程900多萬(wàn)km，衛(wèi)星運(yùn)行軌道為傾角63°，近地點(diǎn)180 km、遠(yuǎn)地點(diǎn)460 km，在軌運(yùn)行15 d后，在四川遂寧回收，留軌艙進(jìn)行3 d留軌試驗(yàn)。選取經(jīng)搭載誘變后育成材料SP5-88、SP5-42、SP5-94、SP5-75、SP5-5、SP5-85、SP5-60、SP5-89、SP5-71、SP5-32、SP5-7、SP5-97及其親本黔草1號(hào)高羊茅和貴州主推品種水城高羊茅共14份材料。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

各試驗(yàn)材料在貴州省草業(yè)研究所人工氣候室進(jìn)行分株繁殖，2013年4月23日采用盆栽方式。選用塑料花盆(花盆規(guī)格：15 cm×15 cm×10 cm)，取田間表土(黃壤)，粉碎混勻，不做滅菌處理，每盆裝干土0.7 kg。每盆移栽6～7個(gè)分蘗枝，剪去地上部分，定期澆水，以保證幼苗的正常生長(zhǎng)，置于溫度為25 ℃、光照為4000 lx的人工氣候室中。待植株生長(zhǎng)正常，葉片長(zhǎng)到20 cm長(zhǎng)時(shí)，每盆定植5個(gè)分蘗枝，進(jìn)行干旱脅迫。1盆為一個(gè)重復(fù)，每個(gè)材料12盆，設(shè)3個(gè)水分處理，4次重復(fù)，完全隨機(jī)區(qū)組排列。處理A(無(wú)水分脅迫)為田間持水量的85%～80%；處理B(中度水分脅迫)為田間持水量的60%～55%；處理C(重度水分脅迫)為田間持水量的35%～30%。處理前，每盆加水至土壤達(dá)到飽和狀態(tài)，然后使其自然干旱至設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，并維持。處理中，為了降低土壤表面水分蒸發(fā)，在盆土表面覆保鮮膜，并且定期移動(dòng)植物的位置，使每個(gè)植物呈隨機(jī)排列。待各水分梯度形成后開(kāi)始干旱脅迫，水量用稱重法控制，于每天17: 00向盆中插孔補(bǔ)充水分，在保持設(shè)定的含水量15 d后進(jìn)行生理指標(biāo)的測(cè)定。在早晨8: 00-9: 00選取相同部位的成熟健壯葉片進(jìn)行生理指標(biāo)的測(cè)定，每個(gè)指標(biāo)重復(fù)測(cè)定3次。

1.3測(cè)定指標(biāo)與方法

各生理生化指標(biāo)參照李合生[14]的方法測(cè)定?？扇苄缘鞍踪|(zhì)采用考馬斯亮藍(lán)G-250比色法；超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍(lán)四唑光還原法；過(guò)氧化物酶活性(POD)采用愈創(chuàng)木酚法；過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用鉬酸銨顯色法；葉綠素含量的測(cè)定采用浸提法。

1.4耐旱性綜合評(píng)價(jià)——隸屬函數(shù)值法

本研究根據(jù)測(cè)定的各項(xiàng)生理生化指標(biāo)，采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)值法進(jìn)行耐旱性綜合評(píng)價(jià)[15-18]。如果某一指標(biāo)與耐旱性呈正相關(guān)，則采用反隸屬函數(shù)計(jì)算，公式為：

X(u1)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

如果某一指標(biāo)與耐旱性呈負(fù)相關(guān)，則采用反隸屬函數(shù)計(jì)算，公式為：

X(u2)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，X(u1)、X(u2)為隸屬函數(shù)值，X為干旱脅迫下各材料某一指標(biāo)的測(cè)定值，Xmin、Xmax分別為所有參試材料某一指標(biāo)的最小值和最大值。將所有參試材料的抗旱隸屬函數(shù)值加起來(lái)，求其平均值，用平均值大小綜合評(píng)價(jià)各材料耐旱性的強(qiáng)弱。

1.5灰色關(guān)聯(lián)性分析

灰色關(guān)聯(lián)度分析被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)和林業(yè)研究中[15]。將各種耐熱指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值作為參考數(shù)列，記為X0，以各耐熱指標(biāo)的平均值為比較數(shù)列，記為Xi(i=0,1,2,…,n), 則參考數(shù)列X0={X0(1),X0(2),…,X0(n)}, 比較數(shù)列Xi={X1(1),X1(2),…,X1(n)}。利用公式(3)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，

(3)

(4)

(5)

式中：εi(k)為比較數(shù)列xi對(duì)參考數(shù)列x0在第k點(diǎn)的關(guān)聯(lián)系數(shù)，ri為比較數(shù)列xi與參考數(shù)列x0的關(guān)聯(lián)度，ε為分辨系數(shù)，一般取值范圍為0∽1，本試驗(yàn)取值為0.5[13-15]。i,k=1,2,…,n。

1.6數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)每個(gè)處理、各指標(biāo)測(cè)定均重復(fù)3次，采用Excel 2003和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，選擇單因素方差分析(one way ANOVA)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1可溶性蛋白質(zhì)含量

圖1表明，14份高羊茅航天誘變材料可溶性蛋白質(zhì)含量隨田間持水量減少呈上升趨勢(shì)，其中SP5-88、SP5-94、SP5-60三份材料呈先升高后下降的趨勢(shì)，在中度脅迫時(shí)達(dá)到最大值，分別是1.285、1.421、0.954 g/L，比無(wú)水分脅迫升高了0.279、0.569、0.459 g/L；SP5-75、SP5-5、SP5-85、SP5-89、SP5-71呈先下降后升高的趨勢(shì)，中度脅迫時(shí)達(dá)到最低，分別是0.601、1.191、0.697、1.018、0.665 g/L，比無(wú)水分脅迫時(shí)降低了0.224、0.128、0.089、0.462、0.196 g/L；SP5-42、SP5-32、SP5-7、SP5-97、黔草1號(hào)高羊茅、水城高羊茅呈上升趨勢(shì)。由圖1還發(fā)現(xiàn)，由于材料抗旱性的差異，隨著干旱程度的增加，可溶性蛋白質(zhì)變化趨勢(shì)呈現(xiàn)3種情形，但總體趨勢(shì)都是趨于上升。SP5-88、SP5-42、SP5-94、SP5-75、SP5-5、SP5-85、SP5-60、SP5-32、SP5-7、SP5-97、黔草1號(hào)高羊茅和水城高羊茅12份材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別上升了0.133、0.454、0.229、0.144、0.066、0.153、0.171、0.346、0.402、0.205、0.220、0.404 g/L，SP5-89和SP5-71材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別下降了0.177和0.006 g/L。

圖1 干旱脅迫對(duì)可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.1 Effect of drought stress on the soluble protein content 1:黔草1號(hào)高羊茅F. arundinacea cv. Qiancao No.1; 2:水城高羊茅F. arundinacea cv. Shuicheng.大寫(xiě)字母不同，表示同一試材在不同脅迫間差異顯著(P<0.05)；小寫(xiě)字母不同，表示同一脅迫下不同試材間差異顯著(P<0.05)。下同。Different capital letters indicate significant differences in the same experimental material under different treatments (P<0.05); Different small letters indicate significant differences between different experimental materials in the same treatment (P<0.05).The same below.

2.2SOD活性

圖2顯示，14份高羊茅航天誘變材料SOD活性隨田間持水量減少呈下降的趨勢(shì)，其中SP5-88、SP5-94、SP5-60、SP5-7四份材料呈先下降后上升的趨勢(shì)，在中度脅迫時(shí)達(dá)到最小值，分別是19.461、18.073、27.906、27.042 U/mg，比無(wú)水分脅迫下降了9.211、11.346、24.913、22.534 U/mg；SP5-75、SP5-5、SP5-85、SP5-89、SP5-71呈先升高后下降的趨勢(shì)，中度脅迫時(shí)達(dá)到最大，分別是34.721、19.953、36.858、26.864、38、197 U/mg，比無(wú)水分脅迫時(shí)升高了13.024、0.983、5.203、12.073、9.954 U/mg；SP5-42、SP5-32、SP5-97、黔草1號(hào)高羊茅、水城高羊茅呈下降趨勢(shì)。表明由于材料抗旱性的差異，隨著干旱程度的增加，SOD活性變化趨勢(shì)呈現(xiàn)3種情形，但總體趨勢(shì)都是趨于下降。SP5-88、SP5-42、SP5-94、SP5-5、SP5-85、SP5-60、SP5-32、SP5-7、SP5-97、黔草1號(hào)高羊茅、水城高羊茅11份材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別下降了5.004、11.668、9.636、1.838、6.974、10.755、13.356、20.837、3.309、3.845、8.370 U/mg。SP5-75、SP5-89、SP5-71材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別上升了1.576、3.948、0.444 U/mg。

圖2 干旱脅迫對(duì)SOD活性的影響Fig.2 Effect of drought stress on the SOD activity

2.3POD活性

干旱脅迫下14份高羊茅航天誘變材料POD活性變化如圖3所示。結(jié)果表明，14份高羊茅航天誘變材料POD活性隨田間持水量減少呈下降的趨勢(shì)，其中SP5-88、SP5-94、SP5-60、水城高羊茅4份材料呈先下降后上升的趨勢(shì)，在中度脅迫時(shí)達(dá)到最小值，分別是31.532、28.509、49.326、37.106 U/mg，比無(wú)水分脅迫下降了10.334、23.668、16.752、21.961 U/mg；SP5-75、SP5-5、SP5-85、SP5-89、SP5-71呈先升高后下降的趨勢(shì)，中度脅迫時(shí)達(dá)到最大，分別是69.048、37.439、60.003、42.476、70.248 U/mg，比無(wú)水分脅迫時(shí)升高了14.368、1.898、10.440、14.687、47.135 U/mg；SP5-42、SP5-32、SP5-7、SP5-97、黔草1號(hào)高羊茅呈下降趨勢(shì)。表明：隨著干旱程度的增加，POD活性呈現(xiàn)3種變化趨勢(shì)，但總體趨勢(shì)都是趨于下降。SP5-88、SP5-42、SP5-94、SP5-75、SP5-5、SP5-85、SP5-60、SP5-32、SP5-7、SP5-97、黔草1號(hào)高羊茅、水城高羊茅12份材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別下降了4.230、23.011、7.515、11.920、2.640、4.226、3.181、48.072、39.392、5.762、7.982、21.307 U/mg。SP5-89、SP5-71材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別下降了-7.561、-31.568 U/mg。

圖3 干旱脅迫對(duì)POD活性的影響Fig.3 Effect of drought stress on the POD activity

2.4CAT活性

圖4所示，14份高羊茅航天誘變材料CAT活性隨田間持水量減少呈下降的趨勢(shì)，其中SP5-94、SP5-60、SP5-7、水城高羊茅四份材料呈先下降后上升的趨勢(shì)，在中度脅迫時(shí)達(dá)到最小值，分別是6.849、7.170、7.709、7.808 U/mg，比無(wú)水分脅迫下降了4.322、2.979、2.503、5.906 U/mg；SP5-42、SP5-75、SP5-5、SP5-85、SP5-89、SP5-71、SP5-32、SP5-97、黔草1號(hào)高羊茅呈先升高后下降的趨勢(shì)，中度脅迫時(shí)達(dá)到最大，分別是9.599、18.645、8.135、10.737、11.353、13.814、15.472、6.374、8.435 U/mg，比無(wú)水分脅迫時(shí)升高了1.556、7.440、0.066、4.743、4.729、0.884、2.856、0.577、1.658 U/mg；SP5-88呈下降趨勢(shì)。表明：隨著干旱程度的增加，CAT活性呈現(xiàn)3種變化趨勢(shì)，但總體趨勢(shì)都是趨于下降。SP5-88、SP5-94、SP5-75、SP5-5、SP5-71、SP5-32、SP5-7、SP5-97、水城高羊茅9份材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別下降了2.128、2.086、2.786、0.539、3.031、2.921、1.808、1.626、5.337 U/mg。SP5-42、SP5-85、SP5-60、SP5-89、黔草1號(hào)高羊茅材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別上升了-1.391、-0.728、-5.167、-2.155、-0.533 U/mg。

2.5葉綠素含量

由圖5可知，14份高羊茅航天誘變材料葉綠素含量隨田間持水量減少呈下降的趨勢(shì)，其中SP5-75、SP5-5兩份材料呈先下降后上升的趨勢(shì)，在中度脅迫時(shí)達(dá)到最小值，分別是1224.612、765.501 mg/g，比無(wú)水分脅迫下降了515.825、377.949 mg/g；SP5-88、SP5-60、SP5-71、黔草1號(hào)高羊茅、水城高羊茅呈先升高后下降的趨勢(shì)，中度脅迫時(shí)達(dá)到最大，分別是793.687、998.301、803.752、1259.609、1985.653 mg/g，比無(wú)水分脅迫時(shí)升高了65.352、145.270、13.320、44.439、179.984 mg/g；SP5-42、SP5-94、SP5-89、SP5-32、SP5-97呈下降趨勢(shì)；SP5-85、SP5-7呈上升趨勢(shì)。表明：隨著干旱程度的增加，葉綠素含量呈現(xiàn)4種變化趨勢(shì)，但總體都是趨于下降。SP5-88、SP5-42、SP5-94、SP5-75、SP5-5、SP5-89、SP5-71、SP5-32、SP5-97、黔草1號(hào)高羊茅、水城高羊茅11份材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別下降了237.742、231.353、428.756、113.186、53.599、360.832、166.283、582.001、217.291、656.996、554.477 mg/g；SP5-85、SP5-60、SP5-73材料重度脅迫比無(wú)水分脅迫分別上升了221.390、114.010、197.483 mg/g。

圖4 干旱脅迫對(duì)CAT活性的影響Fig.4 Effect of drought stress on the CAT activity

圖5 干旱脅迫對(duì)葉綠素含量的影響Fig.5 Effect of drought stress on the Chl content

2.6抗旱性評(píng)價(jià)——隸屬函數(shù)值法

植物的耐旱性是由多種指標(biāo)綜合作用的遺傳表現(xiàn)，單一的指標(biāo)對(duì)植物耐旱性的判斷往往有一定的局限性，難于判斷植物對(duì)干旱的綜合適應(yīng)能力，必須用多指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[19-20]。以可溶性蛋白質(zhì)、SOD、POD、CAT、葉綠素5個(gè)指標(biāo)為依據(jù)，計(jì)算各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，并進(jìn)行耐旱性綜合評(píng)價(jià)見(jiàn)表1。綜合抗旱性強(qiáng)弱順序?yàn)椋篠P5-32>SP5-75>水城高羊茅>SP5-60>SP5-94>SP5-97>SP5-89>SP5-71>SP5-7>SP5-85>SP5-42>SP5-5>黔草1號(hào)高羊茅>SP5-88。除SP5-88，其他誘變材料的抗旱性都大于黔草1號(hào)高羊茅，其中SP5-32的平均隸屬函數(shù)值最大，為0.533，SP5-88的平均隸屬函數(shù)值最小，為0.297，黔草1號(hào)高羊茅平均隸屬函數(shù)值也小，為0.328，說(shuō)明航天誘變可以產(chǎn)生好的抗旱材料，且SP5-32材料產(chǎn)生的變異，更加適應(yīng)干旱地區(qū)。

2.7耐旱指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系評(píng)價(jià)——灰色關(guān)聯(lián)性分析

灰色關(guān)聯(lián)分析是對(duì)于系統(tǒng)之間的因素，隨發(fā)展趨勢(shì)的相似或相異程度，來(lái)衡量關(guān)聯(lián)程度的一種分析方法，意圖透過(guò)一定的方法，去尋求系統(tǒng)中各因素之間的數(shù)值關(guān)系。因此，灰色關(guān)聯(lián)度分析對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢(shì)提供了量化的度量，非常適合動(dòng)態(tài)歷程分析。

由于各指標(biāo)對(duì)耐旱性的貢獻(xiàn)大小不同，按各指標(biāo)的相對(duì)重要程度求出關(guān)聯(lián)度，才能準(zhǔn)確、全面地評(píng)價(jià)其耐旱性[19]。將14份材料5個(gè)指標(biāo)的平均隸屬函數(shù)值與14份材料的抗旱指標(biāo)看作是一個(gè)灰色系統(tǒng)，平均隸屬函數(shù)值作為數(shù)列X0，可溶性蛋白質(zhì)、SOD、POD、CAT、葉綠素5個(gè)指標(biāo)作為比較數(shù)列Xi，14份材料的抗旱指標(biāo)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)化處理后的結(jié)果見(jiàn)表2，利用公式(4)、(5)計(jì)算各抗旱指標(biāo)和抗旱性的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度，并根據(jù)大小排列出關(guān)聯(lián)序。關(guān)聯(lián)度大小可表示某一抗旱性指標(biāo)對(duì)干旱的敏感程度，關(guān)聯(lián)度越大，表明對(duì)干旱的敏感程度越高，反之則越低。從表3可以看出，各抗旱指標(biāo)與耐旱性的關(guān)聯(lián)序?yàn)椋篜OD>可溶性蛋白質(zhì)>SOD>CAT>Chl。5個(gè)指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度都在0.55～0.65之間，分別是0.610、0.599、0.642、0.596、0.584，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析，說(shuō)明干旱脅迫下保護(hù)酶活性大小、可溶性蛋白質(zhì)含量與葉綠素含量對(duì)高羊茅材料的耐旱性是大致相同的。

表1 抗旱性綜合評(píng)價(jià)Table 1 Drought resistance comprehensive evaluation

表2 抗旱指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)化處理Table 2 Drought resistance indexes and data normalization

3 討論與結(jié)論

蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)重要的大分子之一，受多種因素的影響。變化的環(huán)境因子或逆境脅迫包括干旱、水澇、鹽漬等環(huán)境條件都會(huì)影響植物體內(nèi)蛋白質(zhì)(酶)等分子遭受破壞，植物為了避免造成傷害，會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生一些抗逆蛋白，這些新增蛋白的種類和含量與植物的耐旱性密切相關(guān)[21-22]?？扇苄缘鞍自龆嗫蓭椭S持植物細(xì)胞較低的滲透勢(shì)，提高細(xì)胞內(nèi)溶質(zhì)濃度，降低水勢(shì)，使細(xì)胞能從外界吸收水分，從而抵抗干旱脅迫導(dǎo)致的傷害[23]。供試14份材料，在受到干旱脅迫時(shí)可溶性蛋白質(zhì)總體呈上升趨勢(shì)，可能是植物體內(nèi)產(chǎn)生更多的可溶性蛋白質(zhì)或者細(xì)胞內(nèi)一些不溶性蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄缘鞍踪|(zhì)，以抵抗缺水的威脅，使細(xì)胞內(nèi)正常的新陳代謝得以維持[24-25]；每個(gè)時(shí)期的變化趨勢(shì)又因材料不同而有差異，這說(shuō)明，可溶性蛋白質(zhì)的變化趨勢(shì)與植物本身的特性或脅迫所處的不同階段有關(guān)，從而使其變化趨勢(shì)有所差異；在重度脅迫下，抗旱性強(qiáng)的品種可能啟動(dòng)與適應(yīng)干旱脅迫有關(guān)的基因，誘導(dǎo)產(chǎn)生新的脅迫誘導(dǎo)蛋白，從而在干旱條件下能夠維持正常的產(chǎn)量或盡量減少產(chǎn)量損失；抗旱性弱的品種，新的蛋白質(zhì)不能產(chǎn)生，只能隨著脅迫程度的加劇而階段性的促進(jìn)原有蛋白質(zhì)的合成和分解，不能繼續(xù)合成和分解時(shí)則不能維持正常的可溶性蛋白質(zhì)濃度[21,26]，從而使可溶性蛋白質(zhì)含量下降。

表3 抗旱性與各指標(biāo)的關(guān)聯(lián)系數(shù)、關(guān)聯(lián)度、關(guān)聯(lián)序Table 3 Drought resistance and correlative modulus, correlative degree and correlative order

在逆境條件下，SOD、POD、CAT等活性的變化有利于植物度過(guò)困境，是植物體內(nèi)重要的活性氧清除酶[27]。在正常的生理?xiàng)l件下，細(xì)胞內(nèi)自由基的產(chǎn)生和消除處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，自由基水平很低，不會(huì)造成對(duì)植物的傷害；植物在逆境條件下，平衡被打破，細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生過(guò)量的自由基，會(huì)引發(fā)或加劇膜脂過(guò)氧化而造成生物膜系統(tǒng)的損傷，對(duì)植物造成傷害，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致死亡。供試14份材料SOD、POD、CAT隨干旱脅迫程度的加劇總體呈下降趨勢(shì)，但其變化趨勢(shì)又因材料間的差異而不同，造成SOD、POD、CAT對(duì)干旱脅迫程度的響應(yīng)不一致，可能是過(guò)多的自由基超出機(jī)體的清除能力，影響物質(zhì)的正常代謝，對(duì)生物體造成傷害，也可能是活性氧清除系統(tǒng)遭到破壞導(dǎo)致SOD、POD、CAT活性的降低[28]。輕度脅迫下降，重度脅迫又上升，可能是植物對(duì)輕度脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)，使能量消耗減少，通過(guò)正常的生理調(diào)節(jié)起作用[29]，脅迫程度加劇，活性氧清除系統(tǒng)誘導(dǎo)SOD、POD、CAT活性的大幅增加，以此來(lái)抵御外界脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)。隨著脅迫程度的加劇，有的又呈下降趨勢(shì)可能是由于活性氧生成迅速且含量急劇增多，也可能在重度干旱條件下，植物無(wú)法發(fā)揮清除活性氧的能力，最終抑制了植物的生長(zhǎng)[30]。

葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的主要場(chǎng)所，在干旱脅迫下葉綠素含量直接受葉片含水量的影響。在干旱脅迫下，葉片含水量下降，葉綠體結(jié)構(gòu)遭到破壞，從而導(dǎo)致植物體內(nèi)葉綠素含量下降。供試14份材料葉綠素含量隨干旱脅迫程度加劇呈下降趨勢(shì)。但變化趨勢(shì)又不同。輕度脅迫出現(xiàn)上升趨勢(shì)，可能是由于輕度干旱脅迫促進(jìn)了葉片對(duì)水分的吸收和貯藏，也可能是植物對(duì)環(huán)境因子的補(bǔ)償和超補(bǔ)償效應(yīng)[31]，當(dāng)干旱脅迫程度加劇，葉綠素含量下降，可能是重度脅迫引起植物體內(nèi)生理生化改變，使葉綠素合成受阻，降解加快。

植物的抗旱性是對(duì)土壤干旱和大氣干旱的適應(yīng)能力[32]，不同植物對(duì)干旱的抗性只是程度上的差異，在不同的干旱脅迫下可以區(qū)分不同植物的抗旱能力，若在植物對(duì)干旱的耐受范圍，植物會(huì)對(duì)干旱脅迫迅速產(chǎn)生應(yīng)激機(jī)制，對(duì)植物的傷害就會(huì)產(chǎn)生一定的緩沖作用，使其在干旱條件下的傷害降到最低[33-34]，若超越植物對(duì)干旱的耐受范圍，幾乎所有的植物的抗旱力就會(huì)消失。干旱條件下，植物能夠調(diào)控與抗旱有關(guān)的基因表達(dá)，隨之產(chǎn)生一系列形態(tài)、生理生化等方面的變化來(lái)顯示出其抗旱能力[19,35]。本試驗(yàn)測(cè)定干旱脅迫下14份高羊茅材料隨著干旱脅迫程度不同，可溶性蛋白質(zhì)含量、SOD含量、POD含量、CAT含量、葉綠素含量5個(gè)指標(biāo)的變化，研究表明，可溶性蛋白質(zhì)隨著干旱脅迫程度的加劇總體呈上升趨勢(shì)，SOD、POD、CAT含量、葉綠素含量呈下降趨勢(shì)。5個(gè)生理指標(biāo)在14份材料間均存在顯著性差異。近年來(lái)常采用主成分分析法、聚類分析法、模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法等，來(lái)評(píng)價(jià)多個(gè)指標(biāo)共同作用的結(jié)果，減少單個(gè)指標(biāo)對(duì)材料評(píng)價(jià)的片面性[28]。本研究采用隸屬函數(shù)法，對(duì)14份高羊茅航天誘變新品系進(jìn)行耐旱性綜合評(píng)價(jià)，得出耐旱性順序?yàn)椋篠P5-32>SP5-75>水城高羊茅>SP5-60>SP5-94>SP5-97>SP5-89>SP5-71>SP5-7>SP5-85>SP5-42>SP5-5>黔草1號(hào)高羊茅>SP5-88。同時(shí)采用灰色關(guān)聯(lián)性分析法得出各耐旱指標(biāo)與耐旱性的關(guān)聯(lián)序?yàn)椋篜OD>可溶性蛋白質(zhì)>SOD>CAT>Chl。本研究只對(duì)高羊茅航天誘變新品系5個(gè)生理生化指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)定，還需從水分、光合、激素等方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

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EffectsofdroughtstressonthephysiologicalcharacteristicsofnewlinesofFestucaarundinaceainducedbyspaceflightandtheircomprehensiveevaluation

LI Juan, LEI Xia, WANG Xiao-Li, MOU Qiong, YANG Chun-Yan, WU Jia-Hai*

PratacultureInstituteofGuizhouacademyofAgriculturalSciences，Guiyang550006，China

In this study, the ecophysiological characteristics of 14 lines ofFestucaarundinacea, including some induced by spaceflight, were studied in a pot experiment. The plants were subjected to drought stress conditions, and physiological and biochemical indices including soluble protein content, chlorophyll (Chl) content, and the activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD), and catalase (CAT) activity were determined. These indexes of the 14F.arundinaceawere used to quantitatively evaluate their drought tolerance. The soluble protein content and Chl content increased, and the activities of SOD, POD, and CAT decreased under drought conditions. The drought resistance of the 14F.arundinacealines was calculated using the subordinate function, and the lines were ranked, from most drought tolerant to least drought tolerant, as follows: SP5-32>SP5-75>F.arundinaceacv. Shuicheng>SP5-60>SP5-94>SP5-97>SP5-89>SP5-71>SP5-7>SP5-85>SP5-42>SP5-5>F.arundinaceacv. Qiancao No.1>SP5-88. The average subordinate function of SP5-32, the most drought tolerant line, was 0.533. A grey correlative analysis was conducted to determine which indices were most strongly related to drought resistance. The indices were ranked, from strongest correlation with drought resistance to weakest, as follows: POD activity>soluble protein content>SOD activity>catalase activity>Chl content (correlation coefficients, 0.55-0.65). Therefore, SP5-32 is more suitable for cultivation in drought-affected areas as its antioxidant enzyme activity, soluble protein content, and chlorophyll content are unaffected by drought stress.

Festucaarundinacea； drought stress； space mutation； physiological characters； comprehensive evaluation

10.11686/cyxb2016502http//cyxb.lzu.edu.cn

李娟, 雷霞, 王小利, 牟瓊, 楊春燕, 吳佳海. 干旱脅迫對(duì)高羊茅航天誘變新品系生理特性的影響及綜合評(píng)價(jià). 草業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 26(10): 87-98.

LI Juan, LEI Xia, WANG Xiao-Li, MOU Qiong, YANG Chun-Yan, WU Jia-Hai. Effects of drought stress on the physiological characteristics of new lines ofFestucaarundinaceainduced by spaceflight and their comprehensive evaluation. Acta Prataculturae Sinica, 2017, 26(10): 87-98.

2016-12-28；改回日期：2017-04-19

貴州省聯(lián)合基金(黔科合J字LKN[2013]24號(hào))，貴州省重大專項(xiàng)(黔科合重大專項(xiàng)字[2014]6017號(hào))和貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)(黔科合人才[2016]4024號(hào))資助。

李娟(1982-)，女，甘肅平?jīng)鋈?，副研究員，碩士。E-mail: xixingyue@126.com

*通信作者Corresponding author. E-mail: 1848266168@qq.com