阿拉伯婆婆納和白三葉對干旱脅迫的生理響應(yīng)及抗旱性比較

黃萍，張新俊，朱彬彬，陳云

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，河南 中牟 451450；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，河南 鄭州 450002)

開發(fā)野生資源，尋找價廉物美的草坪草種，實現(xiàn)草坪草種的國產(chǎn)化是目前草坪業(yè)面臨的一項重要課題.野生植物阿拉伯婆婆納(VeronicapersicaPoir.)為玄參科婆婆納屬的一年生或越年生草本植物，廣泛分布于我國華北、西北、中南、西南等地區(qū)，水平生長速度快，自然衍生能力強(qiáng)，天然低矮匍匐且成片生長，具有草坪草的諸多性狀，它不僅越冬性強(qiáng)，而且返青明顯早于常見的冷季型草坪植物紅花酢漿草、白三葉和早熟禾.阿拉伯婆婆納早春2月零星開花，3月初即為盛花期，綠期、花期優(yōu)勢均非常明顯，而且花色為夢幻而清新的藍(lán)色，具有較高的觀賞價值和較強(qiáng)的花色優(yōu)勢，是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ挠^賞型冷季型草坪草資源.如果將其作為草坪草進(jìn)行引種栽培，除植物學(xué)性狀優(yōu)良外，抗逆性，尤其是抗旱性是否良好是一個必須考慮的重要因素.目前阿拉伯婆婆納的研究主要集中在將其視為農(nóng)田雜草而進(jìn)行防除方面[1-4]，關(guān)于將其轉(zhuǎn)化為可利用資源方面，只有楊文權(quán)等[5]對其坪用性狀，張慶良等[6]對其園林應(yīng)用性狀進(jìn)行了初步研究，而關(guān)于其抗旱性的研究還未見報道.

白三葉(Trifoliumrepens)為豆科三葉草屬多年生冷季型草坪草，具有較強(qiáng)的抗旱、抗寒、耐鹽堿等特點[7]，是溫帶半干旱地區(qū)草坪建植的主要草種.因野生白三葉和阿拉伯婆婆納具有相似的生活型和物候期，且已在半干旱地區(qū)成功引種栽培并大面積推廣，故選其作為對比材料，比較兩種植物在土壤水分脅迫條件下生理生化反應(yīng)及形態(tài)表現(xiàn)的差異，以揭示阿拉伯婆婆納對干旱脅迫的適應(yīng)能力和適應(yīng)機(jī)制，為其開發(fā)利用提供科學(xué)參考.

1 材料與方法

1.1 試驗材料與脅迫處理

試驗材料為阿拉伯婆婆納和野生白三葉移栽實生苗.盆栽用土為園土與營養(yǎng)土按1∶1比例混合，混合后土壤有機(jī)質(zhì)含量14.89%，速效氮含量98.06 mg/kg,速效磷含量52.96 mg/kg，速效鉀含量674.55 mg/kg.選擇生長比較一致的植株進(jìn)行移栽，每盆5株，每種植物12盆，自然溫度、濕度及光照條件下培養(yǎng)1個月，生長狀況穩(wěn)定后進(jìn)行水分脅迫處理.水分脅迫采用自然干旱法，以持續(xù)干旱時間來控制試驗梯度，共設(shè)4個梯度，每梯度3個重復(fù).先全部澆一次透水，然后處理組不澆水，使其自然干旱，對照組正常澆水.處理組停水18 d后，下部老葉開始發(fā)黃，測得此時土壤含水量為19.46%.參照潘昕等[8]的標(biāo)準(zhǔn)，此時已達(dá)重度干旱脅迫，取第1次樣，然后于停水21 d時、停水24 d分別取第2、第3次樣.每次取樣均在同一時間，選取植株中部大小相近、健康無損的功能葉片.處理組最后一次取完樣后立即復(fù)水，并于復(fù)水3 d后，生長狀況良好時取樣[9].每次取樣裝入自封袋標(biāo)記編號，再用錫紙包裹，放入液氮罐迅速冷凍，帶回實驗室后轉(zhuǎn)至-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆?

1.2 測定指標(biāo)及方法

1.2.1 外部形態(tài)觀測 取樣前觀測2種植物停水后萎蔫情況及每株綠黃葉數(shù)量，計算萎蔫率及綠黃葉比，萎蔫率為萎蔫葉片數(shù)與全株葉片數(shù)的百分比，綠黃葉比為每株綠葉數(shù)與黃葉數(shù)比值；復(fù)水后觀察植株恢復(fù)情況，計算恢復(fù)率，恢復(fù)率為正常葉片數(shù)與全株葉片數(shù)的百分比.

1.2.2 生理指標(biāo)的測定 測定的生理指標(biāo)包括葉片的SOD活性、游離脯氨酸(Pro)含量以及丙二醛(MDA)含量.SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光化還原法測定，以抑制NBT光化還原50%為一個酶活單位.Pro含量采用茚三酮溶液顯色法測定，MDA含量用硫代巴比妥酸(TBA)反應(yīng)法測定[10].每個指標(biāo)重復(fù)測定3次，取其平均值.土壤含水量的測定采用烘干稱質(zhì)量法.

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)利用SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，Excel 2007制作圖表，用單因素方差分析和多重比較(Duncan新復(fù)極差法)對同一植物不同處理以及同一處理不同植物間生理指標(biāo)的差異進(jìn)行顯著性檢驗.

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下兩種植物外部形態(tài)的變化

停水18 d 時，兩種植物均無萎蔫現(xiàn)象，但下部老葉開始發(fā)黃，白三葉尤為明顯，其綠黃葉比顯著低于阿拉伯婆婆納(P<0.05)；停水21 d 時，兩種植物均開始出現(xiàn)輕度萎蔫，小部分葉片卷曲，黃葉增多，白三葉綠黃葉比低于阿拉伯婆婆納，萎蔫率高于阿拉伯婆婆納，但差異不顯著；停水24 d 時，2種植物均出現(xiàn)重度萎蔫，表現(xiàn)為大部分枝條變軟下垂，葉片卷曲，白三葉萎蔫率高于阿拉伯婆婆納，綠黃葉比顯著低于阿拉伯婆婆納(P<0.05)；復(fù)水3 d 后兩種植物萎蔫現(xiàn)象均消失，葉片恢復(fù)率相近(表1).

表1 阿拉伯婆婆納和白三葉干旱脅迫下及復(fù)水后的葉片形態(tài)變化

同列標(biāo)有不同字母者表示差異顯著(P<0.05).

The different small letters of each column indicate the significant difference(P<0.05).

2.2 干旱脅迫下兩種植物SOD活性的變化

從圖1可以看出，無論在停水脅迫處理還是在復(fù)水之后，阿拉伯婆婆納SOD活性一直維持在高于白三葉的水平.隨著脅迫時間延長，阿拉伯婆婆納SOD活性表現(xiàn)為先升后降的變化趨勢，整體變化幅度較小，各處理間差異不顯著；而白三葉SOD活性一直呈下降趨勢，在停水24 d時急劇下降，與其他處理間差異顯著(P<0.05)，與阿拉伯婆婆納間的差異也達(dá)顯著水平(P<0.05).說明隨著干旱程度加深，白三葉細(xì)胞SOD已遭到破壞，致使其活性大幅下降.復(fù)水3 d后，兩種植物SOD活性均能恢復(fù)到正常水平附近，但白三葉表現(xiàn)為大幅上升.概括來說，在干旱脅迫下，相對白三葉而言，阿拉伯婆婆納SOD活性變幅較小且能夠維持在較高水平.

同一植物不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)；*表示同一處理兩種植物間差異顯著，未標(biāo)者表示差異不顯著.

2.3 干旱脅迫下兩種植物脯氨酸含量的變化

干旱脅迫下兩種植物葉片中脯氨酸含量變化趨勢不太一致(圖2).在停水18 d 后，阿拉伯婆婆納脯氨酸含量急劇上升，增幅為25.6%，與正常值間差異顯著(P<0.05)，與白三葉間差異也達(dá)顯著水平(P<0.05)，停水21、24 d 時繼續(xù)微幅上升；白三葉在停水18 d后，脯氨酸含量不升反降，在停水21 d時才開始上升，比正常值增加16.6%，停水24 d時繼續(xù)上升，停水處理期間脯氨酸含量始終低于阿拉伯婆婆納.復(fù)水3 d 后，阿拉伯婆婆納脯氨酸含量顯著下降(P<0.05)，恢復(fù)到正常水平，白三葉脯氨酸含量也快速下降，但差異不顯著，仍高出正常值7.7%.以上結(jié)果說明，遭受水分脅迫時，阿拉伯婆婆納通過自身調(diào)節(jié)增加脯氨酸積累的能力更強(qiáng)，且復(fù)水后其補(bǔ)償效應(yīng)更顯著，恢復(fù)速度明顯快于白三葉.

同一植物不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)；*表示同一處理兩種植物間差異顯著，未標(biāo)者表示差異不顯著.

2.4 干旱脅迫下兩種植物丙二醛含量的變化

MDA含量可以反應(yīng)植物遭受逆境傷害的程度.如圖3所示，整個處理過程中，阿拉伯婆婆納MDA含量始終低于白三葉.停水18 d時，阿拉伯婆婆納MDA含量幾乎沒有變化，白三葉MDA含量小幅上升，兩種植物間差異達(dá)顯著水平(P<0.05)；停水21 d時，兩種植物MDA含量顯著上升，阿拉伯婆婆納比對照增加42.3%，白三葉比對照增加45.4%，且白三葉MDA含量極顯著高于阿拉伯婆婆納(P<0.01)；停水24 d時，兩者上升幅度減緩，與停水21 d時差異不顯著；復(fù)水3 d后，兩種植物MDA含量均顯著下降，阿拉伯婆婆納恢復(fù)到正常水平的98.5%，白三葉仍高出正常值12.3%，二者間差異顯著(P<0.05)，說明白三葉受傷更為嚴(yán)重，復(fù)水后沒能完全恢復(fù).

同一植物不同小寫字母表示不同處理間的差異顯著(P<0.05)；*表示同一處理兩種植物間差異顯著，未標(biāo)者表示差異不顯著.

3 討論

干旱是植物最易遭受的逆境脅迫，當(dāng)植物遭遇干旱等逆境脅迫時，體內(nèi)活性氧產(chǎn)生和清除的平衡狀態(tài)被打破，此時葉片會產(chǎn)生SOD等抗氧化酶類物質(zhì)來清除活性氧以抵御傷害[11].干旱條件下，植物體內(nèi)SOD活性與植物抗氧化脅迫能力呈正相關(guān)[12].SOD等活性增強(qiáng)可消除游離氧自由基，減輕干旱危害[13].本研究結(jié)果顯示，干旱脅迫下，阿拉伯婆婆納SOD活性表現(xiàn)為先升后降的變化趨勢，與委陵菜[14]、扁穗牛鞭草[13]的研究結(jié)果一致.郭郁頻等[15]認(rèn)為，植物抗氧化保護(hù)系統(tǒng)的抵抗修復(fù)能力存在閾值.阿拉伯婆婆納SOD活性在停水21 d時才開始下降，變化較緩和且始終高于白三葉的水平，而白三葉SOD活性一直呈下降趨勢，表明阿拉伯婆婆納通過SOD活性調(diào)節(jié)抵御干旱脅迫的能力強(qiáng)于白三葉，其SOD抗氧化修復(fù)能力的閾值可能高于白三葉.

滲透調(diào)節(jié)是植物抵御干旱脅迫的重要機(jī)制[16]，干旱脅迫時，植物通過主動積累脯氨酸來降低水勢，防止水分外流，同時起到保護(hù)細(xì)胞內(nèi)大分子結(jié)構(gòu)的作用[17].李州等[9]研究發(fā)現(xiàn)，白三葉脯氨酸含量在干旱脅迫時增加，復(fù)水后下降，脯氨酸合成過程中的關(guān)鍵酶鳥氨酸轉(zhuǎn)氨酶同樣在干旱時增加而復(fù)水后下降，說明干旱脅迫會誘導(dǎo)脯氨酸的積累.游離脯氨酸的積累是植物在逆境條件下的自衛(wèi)反應(yīng)之一，能提高植物對逆境的忍耐力或適應(yīng)性[18].但也有研究認(rèn)為逆境下脯氨酸的積累可能是細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能受損的表現(xiàn)[19].本研究中，干旱脅迫條件下，阿拉伯婆婆納脯氨酸含量持續(xù)上升且始終高于白三葉，白三葉脯氨酸含量于干旱脅迫初期先小幅下降，之后才明顯上升，復(fù)水后兩者脯氨酸含量均迅速下降，阿拉伯婆婆納降幅更為顯著.結(jié)合形態(tài)觀察以及其他生理指標(biāo)反映的結(jié)果，本試驗中脯氨酸含量作為抗性指標(biāo)比較合理，說明遭受干旱脅迫時，阿拉伯婆婆納比白三葉更能快速反應(yīng)，具有更為敏感的脯氨酸響應(yīng)干旱的代謝系統(tǒng)，能夠及時通過自身調(diào)節(jié)增加脯氨酸的積累，維持較強(qiáng)的滲透調(diào)節(jié)作用，以提高其抗旱保水能力，且復(fù)水后補(bǔ)償效應(yīng)顯著，能快速恢復(fù)到正常水平.

MDA是膜脂過氧化作用的終產(chǎn)物，其含量是判斷植物葉片細(xì)胞膜受傷害程度的有效指標(biāo)[20].水分脅迫時，MDA含量高低通常與膜脂傷害程度呈正相關(guān)，與其抗旱能力呈負(fù)相關(guān)[21].本研究表明，水分脅迫過程中，白三葉MDA含量先于阿拉伯婆婆納上升且增幅大于阿拉伯婆婆納，整個處理過程中，白三葉MDA含量始終高于阿拉伯婆婆納，說明白三葉體內(nèi)細(xì)胞膜受到的傷害更為嚴(yán)重，而阿拉伯婆婆納的膜脂過氧化速率較低，對干旱脅迫的耐受力較強(qiáng).干旱脅迫后復(fù)水可以緩解干旱脅迫造成的膜傷害，使細(xì)胞膜脂過氧化產(chǎn)物MDA積累降低[22].本研究結(jié)果與此結(jié)論相吻合，復(fù)水3 d后，阿拉伯婆婆納MDA含量顯著下降，為正常值的98.5%，白三葉MDA含量也有下降但仍高出正常值，說明阿拉伯婆婆納復(fù)水后的補(bǔ)償效應(yīng)大于白三葉.

4 結(jié)論

綜上所述，人工控水模擬干旱脅迫條件下，阿拉伯婆婆納SOD誘導(dǎo)合成能力較強(qiáng)，游離脯氨酸快速積累，MDA含量緩慢上升，復(fù)水后均能快速恢復(fù)到正常水平，說明阿拉伯婆婆納對環(huán)境變化響應(yīng)速度快，在逆境條件下通過改變保護(hù)酶活性、積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來抵御逆境的能力強(qiáng)，而且補(bǔ)償效應(yīng)顯著，具有明顯的優(yōu)于白三葉的耐旱生理特征.形態(tài)觀察結(jié)果也顯示，停水處理時，阿拉伯婆婆納葉片發(fā)黃及卷邊現(xiàn)象較白三葉少，萎蔫率一直低于白三葉.形態(tài)表現(xiàn)和生理指標(biāo)均反映出阿拉伯婆婆納對干旱的耐受性比白三葉更強(qiáng).但是，本試驗是在人工控制條件下進(jìn)行的，而自然環(huán)境中各種因素復(fù)雜多變，所以自然界的干旱脅迫與實驗室的干旱處理也許并不完全一致，因此還需要進(jìn)行大田試驗，才能得出更為可靠的結(jié)論.