老芒麥種質(zhì)對(duì)干旱脅迫的生理響應(yīng)

田永雷，白春利，丁海君，趙和平，房永雨，慕宗杰

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031;2.內(nèi)蒙古草都飼草料研究院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026099；3.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院農(nóng)牧業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

干旱是長(zhǎng)期存在的全球性的自然災(zāi)害，全球干旱或半干旱地區(qū)面積約為全球總面積的三分之一[1]，干旱脅迫會(huì)通過(guò)影響牧草生理生化[2]、光合[3]和形態(tài)[4-5]等指標(biāo)導(dǎo)致牧草減產(chǎn)。隨著內(nèi)蒙古草牧業(yè)的發(fā)展，對(duì)于優(yōu)質(zhì)飼草的需求逐漸增加[6]，但牧草常因受到干旱脅迫，導(dǎo)致生產(chǎn)力降低，所以培育抗旱牧草品種變得尤為重要。老芒麥(Elymussibiricicus)是禾本科披堿草屬多年生草本植物，具有品質(zhì)高、適口性好等優(yōu)良性狀[7-8]。前人對(duì)老芒麥抗旱性研究很多，多為老芒麥與其他禾本科牧草抗旱性比較[9-11]，對(duì)于老芒麥鄉(xiāng)土品種的抗旱性研究報(bào)道較少[12]。聚乙二醇(PEG) 是一種高分子量的滲壓劑，既可以使環(huán)境保持干旱又不會(huì)破壞植物細(xì)胞，因其周期短、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，聚乙二醇常被用來(lái)作干旱脅迫劑[13]。因此，本研究利用聚乙二醇(PEG)模擬干旱脅迫，比較和分析干旱脅迫對(duì)3個(gè)老芒麥種質(zhì)苗期葉片相對(duì)含水量和生理生化指標(biāo)的影響，以期為老芒麥草種選擇和生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)所用川草2號(hào)老芒麥(E01)、新品系老芒麥(E02)、呼倫貝爾老芒麥(E03)的種子，均為2018年新種子，具體信息見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用盆栽(盆口半徑10 cm、盆底半徑5 cm、盆高13 cm)，首先在花盆內(nèi)套上保鮮袋,每盆所裝沙土∶蛭石(2∶1)，裝填至距離盆口5 cm處。選擇大小一致，籽粒飽滿，完整的種子，種子表面用1%高錳酸鉀溶液消毒10 min，消毒后用蒸餾水沖洗3次，每盆50粒，覆土2～3 cm。覆土后澆水或PEG溶液400 mL(花盆內(nèi)土壤全部?jī)?nèi)部濕潤(rùn))，澆水后用塑料袋把花盆口封住，待出苗后打開(kāi)，每次補(bǔ)水所有花盆補(bǔ)水量一致。待幼苗生長(zhǎng)至3葉時(shí)進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。用0%、5%、10%、15% PEG-6000濃度模擬干旱脅迫，每處理6次重復(fù)。

表1 供試種質(zhì)及來(lái)源

1.3 測(cè)定方法

各項(xiàng)指標(biāo)測(cè)定方法：游離脯氨酸含量采用茚三酮染色法[15]，可溶性糖含量采用蒽酮比色法[16]；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍(lán)法[16]，超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光化還原法[17]，過(guò)氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法[17]，過(guò)氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法[18]，丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸(TBA)法[15]，葉片相對(duì)含水量采用飽和稱重法[17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用office 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，SPSS 17.0進(jìn)行方差顯著性分析。利用隸屬函數(shù)法[19]對(duì)3種老芒麥苗期抗旱性j進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，公式如下：

式中：Yij為i品種的j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Xij為i品種j指標(biāo)均值；Xmin,j各品種j指標(biāo)均值的最小值；Xmax,j各品種j指標(biāo)均值的最大值。

若j指標(biāo)與抗旱性呈負(fù)相關(guān)，則有：

2 結(jié)果與分析

2.1 PEG處理對(duì)老芒麥苗期葉片含水量的影響

隨著干旱脅迫的增加，老芒麥葉片的含水量呈降低的趨勢(shì)，E01和E02均在10% PEG濃度處理時(shí)葉片含水量開(kāi)始顯著降低(P<0.05)；E03在5% PEG濃度處理時(shí)葉片含水量開(kāi)始顯著降低(P<0.05)。0%PEG濃度處理時(shí)3個(gè)種質(zhì)材料的葉片含水量無(wú)顯著差異；隨著脅迫的增加，E02的葉片含水量顯著高于其他2個(gè)品種(P<0.05)(表2)。

表2 PEG處理下老芒麥苗期葉片含水量

2.2 PEG處理對(duì)老芒麥苗期葉片抗氧化物質(zhì)的影響

隨著脅迫的增加，老芒麥各種質(zhì)POD、SOD、CAT酶活性逐漸增加；E01的CAT酶活性在5% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)，E02的SOD、POD酶活性在10% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)，CAT酶活性在5% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)；E03的SOD、POD、CAT酶活性均在10% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)；SOD、POD酶活性在10%PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)。 0% PEG和5% PEG處理時(shí)，3個(gè)種質(zhì)葉片SOD、CAT酶活性無(wú)顯著差異；10% PEG和15%PEG處理時(shí)，E02葉片SOD、CAT酶活性顯著高于其他2個(gè)品種(P<0.05)；E02葉片POD酶活性顯著高于其他品種(P<0.05)(表3)。

表3 PEG處理下老芒麥苗期葉片抗氧化特性

2.3 PEG處理對(duì)老芒麥苗期葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

老芒麥各種質(zhì)葉片可溶性糖、可溶性蛋白含量均隨著干旱脅迫的增加呈增加趨勢(shì)(表4)。E01可溶性糖含量在10% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)，可溶性蛋白含量在15% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)；E02可溶性蛋白含量在5% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)，可溶性糖含量在10% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)；E03可溶性糖含量在5% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)，可溶性蛋白含量在15% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)。15% PEG濃度處理時(shí)E02可溶性糖和可溶性蛋白含量顯著高于E01和E03(表4)。

表4 PEG處理下老芒麥苗期葉片可溶性糖和可溶性蛋白的含量

2.4 PEG處理對(duì)老芒麥苗期葉片脯氨酸和丙二醛的影響

隨著干旱脅迫的增加，3個(gè)老芒麥品種葉片丙二醛和脯氨酸含量逐漸增加(表5)，E02 丙二醛含量在10% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)，脯氨酸含量在5% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)；E01和E03在5% PEG濃度處理時(shí)葉片丙二醛含量開(kāi)始顯著增加(P<0.05)，E03脯氨酸含量在5% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)，E01 脯氨酸含量在10% PEG濃度處理時(shí)顯著增加(P<0.05)；0% PEG濃度處理時(shí)3個(gè)品種的丙二醛和脯氨酸含量無(wú)顯著差異，隨著脅迫的增加，E01丙二醛和脯氨酸含量顯著高于E02和E03(P<0.05)(表5)。

表5 PEG處理下老芒麥苗期葉片丙二醛和脯氨酸含量

2.5 老芒麥抗旱性綜合評(píng)價(jià)

利用隸屬函數(shù)法對(duì)3個(gè)老芒麥種質(zhì)苗期葉片的含水量、SOD、POD、CAT、可溶性糖、可溶性蛋白、丙二醛和脯氨酸含量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到3個(gè)老芒麥種質(zhì)的隸屬函數(shù)值(表6)。根據(jù)隸屬函數(shù)的綜合評(píng)價(jià)值進(jìn)行排序，得出3個(gè)老芒麥種質(zhì)苗期葉片的抗旱性強(qiáng)弱依次為E02>E03>E01。

表6 PEG處理下老芒麥苗期葉片各指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評(píng)價(jià)值

3 討論

牧草葉片相對(duì)含水量能直接反映牧草受到干旱脅迫時(shí)體內(nèi)的水分狀況,也是測(cè)定牧草抗旱能力的指標(biāo)之一。本試驗(yàn)中3個(gè)老芒麥種質(zhì)葉片相對(duì)含水量隨著干旱脅迫越大逐漸降低，這與史曉霞[20]的研究一致，說(shuō)明干旱脅迫會(huì)影響老芒麥葉片保水能力從而影響老芒麥生長(zhǎng)。牧草在受到干旱脅迫時(shí)，體內(nèi)的SOD、POD、CAT等的活性會(huì)增加，消除體內(nèi)自由基，以此來(lái)提高自身的抗逆能力[21-22]。有研究表明，植物在干旱脅迫下，保護(hù)酶活性會(huì)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)[23]，或是呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢(shì)[24]。本試驗(yàn)中老芒麥葉片保護(hù)酶活性隨PEG濃度的升高均呈升高趨勢(shì)，原因可能是15% PEG濃度未達(dá)到老芒麥酶活性降低的臨界點(diǎn)。低PEG濃度處理時(shí)3個(gè)老芒麥種質(zhì)間酶活性無(wú)明顯差異，高PEG濃度處理時(shí)，E02的酶活性顯著高于E01和E03，說(shuō)明E02抗逆能力較強(qiáng)

本試驗(yàn)中在低PEG濃度時(shí)，3個(gè)老芒麥種質(zhì)可溶性糖和可溶性蛋白含量變化不明顯，高PEG濃度時(shí)可溶性糖和可溶性蛋白與對(duì)照相比顯著增加，這與姚曹[25]的研究一致，說(shuō)明老芒麥通過(guò)增加自身滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)適應(yīng)干旱脅迫，E02的可溶性糖含量和可溶性蛋白含量均高于E01和E03,說(shuō)明E02的抗旱能力較強(qiáng)。

干旱脅迫下脯氨酸的積累量可作為評(píng)價(jià)植物抗旱能力的重要指標(biāo)，脯氨酸積累量與品種抗旱性呈正相關(guān)[26-27]，但也有學(xué)者研究表明，逆境下脯氨酸的積累會(huì)對(duì)植物自身產(chǎn)生傷害[28-29]。本試驗(yàn)中脯氨酸含量隨著PEG濃度的增加逐漸升高，可認(rèn)為脯氨酸增加對(duì)植物自身有益，提高了老芒麥的抗逆能力。植物MDA含量越大，說(shuō)明植物受到的脅迫越大[30]。3個(gè)老芒麥種質(zhì)MDA含量均隨PEG濃度的增加而增加，低PEG濃度處理時(shí)3個(gè)種質(zhì)間酶活性無(wú)明顯差異，高PEG濃度處理時(shí)E02的酶活性顯著低于E01和E03，說(shuō)明在同等干旱環(huán)境下，E02受到的脅迫較小，其抗旱能力較強(qiáng)。

4 結(jié)論

干旱脅迫下，3個(gè)老芒麥種質(zhì)苗期葉片相對(duì)含水量降低；抗氧化物質(zhì)SOD、POD、CAT等酶活性升高；可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量增加；MDA含量逐漸增加。隸屬函數(shù)分析表明3個(gè)老芒麥種質(zhì)抗旱性為新品系老芒麥>呼倫貝爾老芒麥>川草2號(hào)老芒麥.