不同白羊草居群對干旱脅迫的生理響應(yīng)及抗旱性評價(jià)

鐘 華， 董 潔， 郭晉梅， 董寬虎

(1. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山西 太谷 030801； 2. 北京市科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，北京 100044)

干旱是導(dǎo)致植物形態(tài)、生理及基因表達(dá)變化的世界性問題，也是限制植物生長發(fā)育及增產(chǎn)的主要逆境因子之一[1-2]。因此，在淡水資源嚴(yán)重匱乏的環(huán)境壓力下，開展牧草抗旱性研究的應(yīng)用價(jià)值就顯得格外重要[3]。白羊草[Bothriochloaischaemum(L.) Keng]為禾本科(Gramineae)孔穎草屬(Bothriochloa)多年生植物，具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)價(jià)值豐富、適口性好、適應(yīng)性強(qiáng)、再生力強(qiáng)、耐牧、耐踐踏等優(yōu)良特性，主要分布在我國暖溫帶灌草叢地帶，在水土保持及飼草供應(yīng)方面具有非常重要的意義[4-6]。白羊草能夠很好的適應(yīng)其所處生境的水熱條件變化，從而成為響應(yīng)全球氣候變化的主要植物，也是北方退化草地恢復(fù)與碳儲(chǔ)存的重要植物[7]。程林梅等[8]研究表明，白羊草在干旱脅迫下有良好的適應(yīng)性和忍耐性。此外，適宜的氮磷肥料或適當(dāng)濃度的CO2有助于增強(qiáng)白羊草對干旱脅迫的耐受性，緩解干旱脅迫造成的不利影響，提高白羊草的抗旱性[9-14]。劉娟等[15-16]發(fā)現(xiàn)，野生型白羊草抵御干旱脅迫的能力大于栽培型。然而，遺傳變異普遍存在于自然界中，天然居群由于地理隔離和山脈河流等天然屏障，有限的基因流可能會(huì)導(dǎo)致居群間遺傳分化加大，從而增加物種適應(yīng)劇烈變化環(huán)境的潛力[17-18]。因此，不同居群白羊草的抗旱能力必然也會(huì)存在巨大差異，充分挖掘不同居群野生白羊草種質(zhì)資源的抗旱性對其遺傳多樣性的應(yīng)用具有重要意義。本研究選擇山西省境內(nèi)10個(gè)不同地區(qū)的野生白羊草居群進(jìn)行干旱脅迫，通過對其幼苗的抗旱性指標(biāo)進(jìn)行比較評價(jià)，旨在篩選出抗旱性較強(qiáng)的白羊草種質(zhì)資源材料，為野生白羊草的馴化及其新品種選育提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

試驗(yàn)以采集山西省10個(gè)不同地區(qū)的野生白羊草為材料，其種子保存于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)系種質(zhì)資源庫，各供試材料詳細(xì)信息如表1所示。

表1 材料來源Table1 Sources of materials

1.2 干旱處理

試驗(yàn)采用盆栽法于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室日光溫室內(nèi)進(jìn)行，盆口內(nèi)徑25 cm、高20 cm，盆栽用土采用山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技試驗(yàn)站牧草試驗(yàn)田的耕層土(0～20 cm)，其田間最大持水量為23.91%，pH為7.5。每盆裝過篩的風(fēng)干土7 kg，于2013年7月5日播種，每盆播種50粒，播種后在土壤表面覆細(xì)沙以防土壤板結(jié)，苗期保持充分供水。苗齊后間苗，每盆留苗20株。待白羊草幼苗生長至平均20 cm時(shí)開始干旱處理，處理前1次性澆水，使桶內(nèi)土壤含水量保持在19.13±3.38%(相當(dāng)于田間持水量的80%)。每個(gè)居群設(shè)置4個(gè)干旱脅迫處理梯度(表2)，每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共120盆，用稱重法控制土壤含水量。各個(gè)處理在達(dá)到設(shè)定水分梯度后第20天取樣，于-80℃冰箱中保存，用于測定各項(xiàng)指標(biāo)。

表2 干旱脅迫處理水平Table 2 Level of drought stress treatments

1.3 測定指標(biāo)

1.3.1生長性能指標(biāo) 取樣前用直尺測量每盆全部植株的高度(cm)，并收集每盆全部植株的地上部分和地下部分，風(fēng)干后測定其干重(g)作為地上生物量和地下生物量，以計(jì)算其根冠比(植株地下生物量/地上生物量)。

1.3.2生理指標(biāo) 參照李合生的《植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)》[19]。采用酸性茚三酮顯色法測定游離脯氨酸(proline，Pro)含量，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，采用氮藍(lán)四唑法測定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶(peroxidase，POD)活性，采用蒽酮比色法測定可溶性糖(soluble sugar，SS)含量。

1.3.3耐旱隸屬函數(shù)值 利用模糊數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法對不同材料耐旱性進(jìn)行綜合評價(jià)。求出供試材料的各測定指標(biāo)在不同脅迫程度下的隸屬值Zij，計(jì)算公式為：Zij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。式中：Xij為i材料j指標(biāo)在某一次采樣下的測定值，Xjmax為該次采樣j指標(biāo)測定最大值，Xjmin為該次采樣的j指標(biāo)最小值，如果j為負(fù)向指標(biāo)那么就用反隸屬函數(shù)Zij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。最后把j指標(biāo)在不同處理下的隸屬值累加，在各指標(biāo)權(quán)重相同的前提下求其平均值，該平均值即為i材料j指標(biāo)的耐旱隸屬函數(shù)值[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)均采用Excel 2010錄入及作圖，利用SPSS 18.0統(tǒng)計(jì)軟件對各參數(shù)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)、顯著性檢驗(yàn)與多重比較(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對不同居群白羊草生長性能的影響

不同居群白羊草株高均隨干旱脅迫程度的增加而呈下降趨勢，但各居群下降幅度存在一定的差異(表3)，因?qū)Σ煌珊得{迫程度的響應(yīng)而異。在各干旱脅迫程度下，LF居群的白羊草株高均最大，顯著(P<0.05)高于其他居群；LL居群的白羊草株高最小，顯著(P<0.05)低于其他居群。在重度脅迫(T3)下，ZY居群相對CK的降低幅度最大，比CK下降50.52%；而XX居群降幅最小，下降20.01%。

表3 不同干旱脅迫水平下白羊草株高Table 3 Plant height under different drought stress level/cm

注：同列不同小寫字母表示相同脅迫水平不同居群間差異顯著(P<0.05)，下同

Note：Different lowercase letters within the same column indicate significant differences among different populations with the same drought stress at the 0.05 level. The same as below

在干旱脅迫時(shí)，植株通過加強(qiáng)根系生長來提高其對深層土壤水分和養(yǎng)分的吸收利用，進(jìn)而得以維持其正常生長發(fā)育。不同居群白羊草根冠比均隨干旱脅迫程度的加劇而增加，但各居群變化幅度不同(表4)。輕度脅迫(T1)下，ZY居群增幅最大，比CK增加了83.33%；YS居群增幅最小，僅23.53%。中度脅迫(T2)下，LL居群增幅最大，比輕度脅迫(T1)增大了1倍；YS居群仍增幅最小，為23.81%。在重度脅迫(T3)下，ZY居群白羊草的根冠比最大，且其變化幅度也最大，較中度脅迫(T2)增大了3.25倍。

表4 不同干旱脅迫水平下不同居群白羊草根冠比Table 4 Root shoot ratio under different drought stress level

2.2 干旱脅迫對不同居群白羊草游離脯氨酸(Pro)含量的影響

不同居群白羊草Pro含量均隨干旱脅迫程度的增加而呈升高趨勢，但不同居群間變化程度不同(圖1)。在正常供水(CK)及輕度(T1)、中度(T2)脅迫下，LF居群白羊草Pro含量均最大，顯著(P<0.05)高于其他居群；而XX居群白羊草Pro含量均最小，顯著(P<0.05)低于其他居群。在重度脅迫(T3)下，F(xiàn)Y居群白羊草Pro含量最高，顯著(P<0.05)高于其他居群，且與CK相比增加幅度最大，此時(shí)Pro含量是CK的13.27倍；而YS居群白羊草Pro含量最低，顯著(P<0.05)低于其他居群，且與CK相比增幅最小，僅為CK的4.22倍。

圖1 不同干旱脅迫水平下游離脯氨酸(Pro)含量的變化Fig.1 The change of Pro contents under different drought stress level注：相同處理下不同小寫字母表示不同居群間差異顯著(P<0.05)，下同Note：Different lowercase letters in the same treatment indicate significant differences among different populations at the 0.05 level. The same as below

2.3 干旱脅迫對不同居群白羊草丙二醛(MDA)含量的影響

MDA是膜脂過氧化產(chǎn)物，它的含量決定了植物的受害程度。在干旱脅迫下，不同居群白羊草的MDA含量均隨干旱脅迫程度增加而呈上升趨勢，但不同居群之間增加幅度不同(圖2)。LF居群變化幅度最大，在正常供水(CK)下，LF居群MDA含量最低，為22.53 μmol·g-1·FW，而在重度脅迫(T3)下含量達(dá)到40.25 μmol·g-1·FW，比CK增加了78.65%，增幅最大。重度脅迫下MDA含量最低的是XX和FY居群，且其MDA含量較CK增加幅度最小，分別增加了48.85%和48.97%。

圖2 不同干旱脅迫水平下丙二醛(MDA)含量的變化Fig.2 The change of MDA contents under different drought stress level

2.4 干旱脅迫對不同居群白羊草超氧化物歧化酶(SOD)活性的影響

不同居群白羊草SOD活性均隨干旱脅迫程度增加而呈上升趨勢，且各居群間變化幅度存在差異(圖3)。在各水分條件下，XX居群白羊草的SOD活性最大，均顯著(P<0.05)高于其他居群。隨著干旱脅迫程度的加劇，在中度脅迫(T2)下，LF居群白羊草SOD活性比CK增加了47.71%，在各居群間增幅最大；在重度脅迫(T3)下，YS居群增幅最大，比CK增加了1.05倍。

圖3 不同干旱脅迫水平下SOD活性的變化Fig.3 The change of SOD activity under different drought stress level

2.5 干旱脅迫對不同居群白羊草過氧化物酶(POD)活性的影響

隨干旱脅迫程度增加，不同居群白羊草POD活性變化存在差異(圖4)。FY、LF、LL、XX和YQ居群白羊草POD活性呈上升趨勢，而HY、PD、TG、YS和ZY居群白羊草POD活性呈先升后降趨勢，且均在中度干旱脅迫(T2)時(shí)達(dá)到最高水平。在中度脅迫(T2)下，TG居群白羊草POD活性增幅最大，比CK增加了1.5倍，但隨脅迫程度加劇活性下降。在重度脅迫(T3)下，LL居群白羊草POD活性顯著(P<0.05)高于其他居群，相比CK增幅最大，增加了1.12倍。

圖4 不同干旱脅迫水平下POD活性的變化Fig.4 The change of POD activity under different drought stress level

2.6 干旱脅迫對不同居群白羊草可溶性糖(SS)含量的影響

不同居群白羊草SS含量均隨干旱脅迫程度增加而呈上升趨勢，且各居群間變化幅度存在差異(圖5)。在正常供水(CK)條件下，F(xiàn)Y、LF、LL、PD、YS和ZY居群白羊草SS含量顯著(P<0.05)高于HY、TG、XX和YQ居群，但隨著干旱脅迫程度的增加，到重度脅迫(T3)下，TG居群白羊草的SS含量較CK增加了1.35倍，而ZY居群僅增加了0.62倍。在中度(T2)和重度(T3)脅迫下，F(xiàn)Y居群白羊草SS含量顯著(P<0.05)高于其他居群，而YQ居群白羊草SS含量顯著(P<0.05)低于其他居群。

圖5 不同干旱脅迫水平下SS含量的變化Fig.5 The change of SS content under different drought stress level

2.7 隸屬函數(shù)分析

利用隸屬函數(shù)法對上述7個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合分析表明(表5)，F(xiàn)Y居群白羊草隸屬值最大，為0.618，抗旱性最強(qiáng)；YQ居群白羊草隸屬值最小，為0.383，抗旱性最弱。不同居群白羊草的抗旱性強(qiáng)弱順序?yàn)椋篎Y >LF>TG>XX>LL>ZY>YS>PD>HY>YQ。

表5 不同居群白羊草抗旱隸屬函數(shù)值比較Table 5 Comparison of subordinate function value of different populations of old world bluestem

3 討論

植物在干旱脅迫下會(huì)從形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理生化等多層次上表現(xiàn)出相關(guān)的系統(tǒng)適應(yīng)性[21]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，隨干旱脅迫程度的增加，不同居群白羊草的株高均呈下降趨勢，而其根冠比均呈增大趨勢，但是不同居群變化程度存在差異，表明不同居群白羊草對干旱脅迫的適應(yīng)性存在差異。這與易津等[22]研究賴草屬(Leymus)牧草幼苗耐旱性的結(jié)果相一致。

滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累是植物適應(yīng)干旱脅迫的基本特征之一，Pro積累可以增加植物對干旱脅迫的耐性[23-24]。本研究表明，不同居群白羊草Pro含量均隨干旱脅迫程度增強(qiáng)而升高，且升高幅度有所不同，表明不同居群白羊草的抗旱能力存在差異。其中FY居群白羊草在不同脅迫程度下Pro含量較高，尤其在重度脅迫(T3)下達(dá)到最高，表明Pro的積累有可能提高了該居群的抗旱耐性，因此，隸屬函數(shù)分析表明FY居群白羊草抗逆性最強(qiáng)。SS也是植物體內(nèi)一類重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物對水分脅迫的適應(yīng)性調(diào)節(jié)中，逐漸積累進(jìn)行滲透調(diào)節(jié)，阻止細(xì)胞膜解離，增強(qiáng)細(xì)胞保水能力，穩(wěn)定細(xì)胞結(jié)構(gòu)，防止細(xì)胞脫水[20]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同居群白羊草SS含量隨干旱脅迫程度增加而升高，這與武燕奇[20]、史玉煒等[25]的研究結(jié)果相符。此外，不同居群白羊草SS含量增加幅度存在差異，說明不同居群白羊草的抗旱能力不同。其中TG居群白羊草的SS含量隨脅迫程度的加劇而增加幅度最大，表明其具有較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)能力，抗旱性也較強(qiáng)。所以隸屬函數(shù)分析表明TG居群白羊草的抗旱性能位居第3位。

干旱脅迫會(huì)破壞植物細(xì)胞內(nèi)氧自由基產(chǎn)生與清除的平衡，從而導(dǎo)致細(xì)胞膜脂質(zhì)過氧化，使植物受到傷害，并產(chǎn)生MDA，MDA含量越大，表明植物受干旱脅迫越嚴(yán)重[26]。本試驗(yàn)表明，不同居群白羊草MDA含量隨干旱脅迫程度加劇而升高，表明白羊草幼苗受到的傷害逐漸增大，這與朱慧森[27]、郭郁頻[28]的研究結(jié)論一致。FY居群白羊草的MDA含量較低，且其增加的幅度較小，因而其抗旱能力最強(qiáng)。干旱脅迫時(shí)，植物體內(nèi)SOD和POD可以清除過量積累的活性氧，從而保護(hù)植物免遭傷害[29]。因此，干旱脅迫下，抗氧化酶酶活性越高，消除活性氧的能力越強(qiáng)，植物的抗逆性也越強(qiáng)[30]。本研究中，不同居群白羊草SOD和POD活性均隨干旱脅迫程度加劇而升高，這表明更多的活性氧被清除[31-32]。然而，HY、PD、TG、YS和ZY居群白羊草的POD活性隨干旱脅迫程度加劇而呈先升后降的趨勢，并在中度脅迫(T2)時(shí)達(dá)到最高水平，可能與POD活性在重度干旱脅迫下遭到破壞有關(guān)，這與季楊等[3]在干旱脅迫對鴨茅(Dactylisglomerata)的POD活性的影響的結(jié)果一致。

4 結(jié)論

干旱脅迫下，10個(gè)野生居群白羊草株高均隨脅迫程度的增加而降低，其根冠比均隨脅迫加劇而增加，其Pro、MDA和SS含量及SOD和POD活性均隨脅迫程度加劇而增加。采用隸屬函數(shù)法綜合分析得出其抗旱性強(qiáng)弱順序?yàn)椋悍陉柧尤?婁煩居群>太谷居群>隰縣居群>柳林居群>中陽居群>榆社居群>平定居群>渾源居群>陽曲居群。