巨菌草生長(zhǎng)和抗性生理特性對(duì)土壤水分的響應(yīng)

王靖宇， 張淑艷， 商 博， 劉德鵬， 王亞娟， 楊若琪

(內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼 028000)

巨菌草是禾本科狼尾草屬植物，原產(chǎn)地在南非，由福建農(nóng)林大學(xué)菌草研究所于2005—2007年由南非引進(jìn)福建試種成功，植株直立、叢生，根系發(fā)達(dá)，其植株高大，株高一般為3～5 m，測(cè)得最高為7.08 m產(chǎn)量高，具有高效的太陽能轉(zhuǎn)化率[1]，巨菌草粗蛋白和可溶性糖含量較高，單寧含量低[2]，是牛羊的優(yōu)質(zhì)飼草料[3]，對(duì)土壤鎘污染有一定富集作用[4]，對(duì)鹽堿脅迫具有一定的抗性[5]，能夠提高群落的昆蟲生物多樣性[6]，因此，巨菌草無論在飼草料生產(chǎn)還是在生態(tài)修復(fù)方面都具有推廣應(yīng)用的價(jià)值?？茽柷呱车赝寥镭汃?，降水偏少，水分是很多牧草生產(chǎn)的限制因素。該研究采用盆栽控制土壤含水量的方法，研究巨菌草對(duì)土壤水分的生長(zhǎng)和生理響應(yīng)，為在干旱地區(qū)推廣巨菌草生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用盆栽試驗(yàn)，花盆直徑18 cm，高15 cm，裝1.2 kg土壤，土壤取自本地農(nóng)田，有機(jī)質(zhì)16.01 g/kg，全氮1.23 g/kg，速效磷12.15 mg/kg，速效鉀116 mg/kg。取芽發(fā)育飽滿、長(zhǎng)度和粗度相近種條栽植，每盆定植1棵苗，出苗后開始進(jìn)行水分處理，試驗(yàn)設(shè)3個(gè)水分處理(除水分外，其他試驗(yàn)條件一致)，分別是土壤田間持水量30%、60%和90%，每處理30盆，每天稱重，補(bǔ)充土壤水分，使土壤水分保持在30%、60%和90%。在植株高20 cm時(shí)施1次氮肥，施肥量按200 kg/hm2(尿素)的標(biāo)準(zhǔn)每盆施肥1.06 g，水分處理70 d后，取完全展開葉片測(cè)定其各生理指標(biāo)，拆盆測(cè)定生長(zhǎng)指標(biāo)。

1.2 測(cè)定方法

采用李合生[7]的方法測(cè)定葉綠素含量、游離氨基酸總量、可溶性糖含量、脯氨酸含量、可溶性蛋白質(zhì)含量和丙二醛(MDA)含量、超氧化物歧化酶(SOD)活性、過氧化物酶(POD)活性、過氧化氫酶(CAT)活性；參照鄒琦[8]的方法測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分對(duì)巨菌草苗期生長(zhǎng)速度的影響

不同土壤水分條件下，巨菌草苗期生長(zhǎng)速率的測(cè)定結(jié)果(圖1)顯示，在出苗后前10 d，不同水分處理株高間沒有明顯差別，出苗后第10 d到第30 d，是巨菌草幼苗株高生長(zhǎng)最快的時(shí)期，3個(gè)土壤水分處理間株高差距逐漸加大，從低水分到高水分處理的株高增長(zhǎng)速率依次為1.32、1.75和2.18 cm/d，其株高呈90%田間持水量>60%田間持水量>30%田間持水量的處理，并且一直保持到試驗(yàn)結(jié)束時(shí)。到試驗(yàn)后期(出苗后第60天以后)，90%與60%田間持水量處理間的株高差又表現(xiàn)為逐漸縮小的趨勢(shì)，差異顯著(表1)。

圖1 土壤水分含量對(duì)巨菌草的株高生長(zhǎng)的影響

2.2 土壤水分對(duì)巨菌草苗期生長(zhǎng)特性的影響

由表1可知，隨著土壤水分的增加，巨菌草植株的株高、葉面積、單株重、分蘗數(shù)和根重均隨之增加，以90%田間持水量最高，且株高、葉面積、單株重、分蘗數(shù)和根重在3個(gè)水分處理間均呈顯著差異；莖粗則以60%田間持水量最高，其莖粗分別比30%田間持水量和90%田間持水量高10.2%和5.3%，但3個(gè)水分處理間莖粗沒有顯著差異。說明土壤水分顯著影響巨菌草苗期的生長(zhǎng)。其中，30%田間持水量的處理，由于干旱脅迫明顯而顯著抑制巨菌草生長(zhǎng)。

表1 土壤水分含量對(duì)巨菌草農(nóng)藝性狀的影響

注：同列不同大寫、小寫字母分別表示土壤水分處理下差異顯著和極顯著，下同。

2.3 土壤水分對(duì)巨菌草葉綠素色素含量的影響

由表2可知，隨著土壤水分增加，巨菌草葉片的葉綠素a、葉綠素b、類胡蘿卜素和葉綠素總量均呈先升高后降低的趨勢(shì)，以60%田間持水量最高，30%田間持水量最低。其中，60%田間持水量的葉綠素a、類胡蘿卜素、葉綠素總量均顯著高于30%田間持水量，并顯著高于90%持水量的葉綠素a和類胡蘿卜素，而60%田間持水量葉綠色素b雖然比30%田間持水量和90%田間持水量分別高10.1%和9.7%，但三者間沒有顯著差異。說明土壤水分過高或過低均影響巨菌草葉片的葉綠體色素合成，尤其對(duì)葉綠素a的影響較大。

表2 土壤水分含量對(duì)巨菌草葉綠體色素含量的影響

Table 2 The effect of soil moisture content on the content of photosynthetic pigment ofPennisetumsp

土壤田間持水量/%葉綠素a/mg·g-1葉綠素b/mg·g-1類胡蘿卜素/mg·g-1葉綠素(a+b)/mg·g-13016.40±0.4Bb2.77±0.315.35±0.04Ab19.17±0.71Ab6018.74±0.41Aa3.05±0.085.83±0.26Aa21.78±0.49Aa9017.47±0.53ABb2.78±0.605.20±0.12Ab20.25±1.11Aab

2.4 土壤水分對(duì)巨菌草滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

由表3可知，隨著土壤水分含量的增加，巨菌草葉片的游離氨基酸、可溶性糖、脯氨酸均呈先降低后升高的趨勢(shì)，以60%田間持水量均最低，可溶性蛋白呈持續(xù)降低的趨勢(shì)，30%田間持水量下最高，說明4種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)均對(duì)土壤水分含量有響應(yīng)，并且長(zhǎng)期30%和90%田間持水量處理，已經(jīng)對(duì)植物形成了脅迫。30%田間持水量下游離氨基酸、可溶性糖、脯氨酸、可溶性蛋白均顯著高于60%田間持水量，即在長(zhǎng)期低水分脅迫下這4種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)起到明顯的調(diào)節(jié)作用；90%田間持水量的游離氨基酸含量最高，游離氨基酸和脯氨酸含量均顯著高于60%水分處理，可溶性糖比60%土壤水分高3.45%，但兩者間沒有顯著差異，而顯著低于30%土壤水分。

表3 土壤水分含量對(duì)巨菌草滲透物質(zhì)含量的影響

2.5 土壤水分對(duì)巨菌草抗氧化特性和生物膜透性的影響

由表4可知，MDA、相對(duì)電導(dǎo)率隨土壤水分增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，30%田間持水量最高，并且3個(gè)土壤水分處理間均有顯著差異，即在長(zhǎng)期缺水低土壤水分條件下，植物的膜系統(tǒng)已經(jīng)受到了較大損傷，這也與前面30%田間持水量下植株生長(zhǎng)發(fā)育不良相印證。

隨著土壤水分含量的增加，巨菌草葉片的POD、SOD含量呈先降低后升高的趨勢(shì)，兩者分別在30%、90%田間持水量最高，均在60%田間持水量最低，并且兩種保護(hù)酶在3個(gè)土壤水分處理間均有極顯著差異；CAT呈先升高后降低的趨勢(shì)，3個(gè)水分處理間沒有顯著差異，90%田間持水量處理的SOD活性大幅度增加，POD則在30%田間持水量處理下大幅度增加，說明在抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)中POD、SOD對(duì)巨菌草水分脅迫有很好的響應(yīng)，并且2種主要保護(hù)酶的響應(yīng)各有差異。

表4 土壤水分含量對(duì)抗氧化保護(hù)酶及細(xì)胞膜透性的影響

2.6 不同水分處理下巨菌草的生長(zhǎng)特性與生理特性的相關(guān)性分析

由表5可知，巨菌草生長(zhǎng)發(fā)育各指標(biāo)間均有一定的相關(guān)聯(lián)系，其中，株高、單株重、根重和分蘗數(shù)4者相互間有顯著正相關(guān)，說明水分對(duì)巨菌草的生長(zhǎng)發(fā)育同時(shí)表現(xiàn)在株高生長(zhǎng)、根系發(fā)育、分蘗枝條形成等方面。巨菌草株高、單株重、分蘗數(shù)和根重均與可溶性蛋白質(zhì)、MDA和相對(duì)電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明細(xì)胞膜透性的破壞是制約巨菌草早期生長(zhǎng)發(fā)育的重要因素，而可溶性蛋白僅僅作為氮代謝中間產(chǎn)物，對(duì)水分脅迫沒有起到調(diào)節(jié)作用。分析表明巨菌草的單株重、分蘗數(shù)、根重與POD顯著負(fù)相關(guān)，與SOD、CAT保護(hù)酶相關(guān)不顯著。

表5 苗期生長(zhǎng)發(fā)育與生理特性的相關(guān)系數(shù)

注：** 表示指標(biāo)在0.01水平顯著相關(guān)；* 表示指標(biāo)在0.05水平顯著相關(guān)。

葉綠素是植物光合色素，其含量高低與植物光合效率直接相關(guān)。分析結(jié)果表明，葉綠素含量只與莖粗間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，而莖粗和葉綠素均與可溶性糖和脯氨酸間有顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，3個(gè)水分處理中，60%田間持水量下莖粗和葉綠素最高，說明在水分略有虧缺下，巨菌草的葉綠素合成并未受到明顯影響，而光合產(chǎn)物的分配主要用于莖的加粗生長(zhǎng)。

3 討論

在水分脅迫條件下牧草的生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，嚴(yán)重時(shí)甚至使植株死亡[9-11]，葉綠素是植物葉片的光反應(yīng)的中心[12]，其含量反映植物的生長(zhǎng)狀況和光合能力的強(qiáng)弱[13]。該試驗(yàn)中，巨菌草在長(zhǎng)期低水分脅迫時(shí)(30%田間持水量)，表現(xiàn)出顯著的生長(zhǎng)發(fā)育不良現(xiàn)象，長(zhǎng)期高水分處理時(shí)(90%田間持水量)，其葉綠素含量顯著下降，莖粗變小，即植株形態(tài)發(fā)生了變化。

脯氨酸具有調(diào)節(jié)滲透壓維持細(xì)胞含水量的作用[14]，游離氨基酸可避免植物在逆境下受到傷害[15]，均為植物逆境滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。該研究中，無論低水分還是高水分脅迫中脯氨酸和游離氨基酸含量均具有很好的生理響應(yīng)，與白羿雄等研究結(jié)論一致[16]；鄒琦等認(rèn)為，可溶性糖的變化與植物的生育期和植物的不同部位以及脅迫方式有關(guān)[17]，該研究中巨菌草可溶性糖對(duì)低水分脅迫響應(yīng)顯著，在高水分脅迫的響應(yīng)不顯著，也具有滲透調(diào)節(jié)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，與上述結(jié)論一致。

抗氧化酶在逆境條件下活性升高，減輕細(xì)胞的過氧化損傷[18]，相對(duì)電導(dǎo)率可以準(zhǔn)確的反映出植物質(zhì)膜受傷害的程度[19]，因此，將抗氧化保護(hù)酶與膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛、相對(duì)電導(dǎo)率相結(jié)合，能較好反映植物受傷害程度和生理響應(yīng)機(jī)制，該研究中，POD和SOD對(duì)水分脅迫均有響應(yīng)，并且與MDA、相對(duì)電導(dǎo)率測(cè)定結(jié)果一致。

4 結(jié)論

巨菌草生長(zhǎng)發(fā)育顯著受土壤水分條件影響，在90%田間持水量以下，其株高、葉面積、單株重、分蘗數(shù)和根重均隨土壤水分增加而增加，即水分虧缺是導(dǎo)致巨菌草生長(zhǎng)發(fā)育遲緩的重要因子；游離氨基酸、脯氨酸、可溶性糖、可溶性蛋白4種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)均對(duì)土壤水分脅迫響應(yīng)顯著，POD和SOD保護(hù)酶活性在水分脅迫中顯著上升，其滲透調(diào)節(jié)和保護(hù)作用明顯，但是長(zhǎng)期低水分脅迫，造成了巨菌草生長(zhǎng)發(fā)育不良。