干旱脅迫及復(fù)水條件下2種抗旱性不同結(jié)縷草種質(zhì)的生長(zhǎng)和生理響應(yīng)

汪毅 郭海林 宗俊勤 陳靜波 李丹丹 李建建 劉建秀

摘要：結(jié)縷草（Zoysia japonica Steud.）種內(nèi)在抗旱性方面存在廣泛的遺傳變異，其抗旱機(jī)制值得深入探討。本試驗(yàn)中，將2份抗旱性差異顯著的結(jié)縷草種質(zhì)（Z077：抗旱型;Z119：敏旱型）栽植于裝滿河沙的聚氯乙烯管中，以研究其在干旱脅迫（停止?jié)菜┘皬?fù)水條件下的生長(zhǎng)和生理響應(yīng)。結(jié)果表明，干旱脅迫下，Z077的葉片過氧化氫酶（CAT）活性維持在對(duì)照水平，同時(shí)抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性先上升后下降，基本高于對(duì)照，而Z119的CAT活性則在干旱脅迫下顯著低于對(duì)照（P<0.05），同時(shí)APX活性在整個(gè)處理過程中與對(duì)照差異不顯著。干旱脅迫9 d，2份種質(zhì)的凈光合速率（P n）、氣孔導(dǎo)度（G s）和蒸騰速率（T r）均出現(xiàn)下降，與Z077相比，Z119的降幅更明顯;干旱脅迫17 d，Z077的G s恢復(fù)至對(duì)照水平，而Z119的P n、G s和T r仍顯著或極顯著（P<0.01）低于對(duì)照;復(fù)水18 d，Z077的P n表現(xiàn)出超補(bǔ)償效應(yīng);整個(gè)處理過程中，Z077的胞間CO 2濃度始終處于對(duì)照水平，Z119則在干旱脅迫下顯著或極顯著高于對(duì)照。干旱脅迫下，Z077的葉綠素濃度與對(duì)照無顯著差異，Z119在干旱17 d時(shí)顯著低于對(duì)照。盡管在干旱脅迫期間，2份種質(zhì)的各項(xiàng)生物量指標(biāo)并未與對(duì)照產(chǎn)生明顯差異，但處理結(jié)束時(shí)，與對(duì)照相比，Z077的總干質(zhì)量未受影響同時(shí)根冠比顯著增加，而Z119的總干質(zhì)量則顯著下降。上述結(jié)果表明，相對(duì)于Z119，Z077通過維持CAT活性、提高APX活性、維持較為活躍的光合氣體交換和較高的葉綠素含量，能夠更好地抵御逆境，減輕干旱脅迫對(duì)生長(zhǎng)的不利影響。

關(guān)鍵詞：結(jié)縷草;干旱脅迫;滲透保護(hù);抗氧化酶;光合作用

中圖分類號(hào)：S688.401 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）09-0159-10

近年來，受到氣候變化及人類活動(dòng)等多種因素的影響，水資源短缺狀況日趨嚴(yán)峻，干旱缺水影響草坪草的生長(zhǎng)，使草坪質(zhì)量下降。因此，理解干旱脅迫下草坪草的生理機(jī)制并闡明抗旱機(jī)制，有利于選育抗旱品種以及為供水受限情況下的生產(chǎn)管理提供指導(dǎo)[1]。結(jié)縷草（Zoysia japonica Steud.）為禾本科（Gramineae）畫眉草亞科（Eragrostoideae）結(jié)縷草屬（Zoysia Willd.）多年生草本植物，是已獲得廣泛應(yīng)用的暖季型草坪草之一。該草種原產(chǎn)于東亞地區(qū)，在我國(guó)境內(nèi)，其自然分布范圍北起遼寧省，南達(dá)福建省，橫跨多個(gè)氣候帶，涵蓋多種土壤類型，是同屬植物當(dāng)中分布最廣的一個(gè)種，種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性[2-3]。研究表明，結(jié)縷草的抗旱性在種內(nèi)存在廣泛的遺傳變異，因此可作為抗旱育種的重要基礎(chǔ)[4-5]。為了充分挖掘結(jié)縷草豐富的遺傳資源并提高其干旱適應(yīng)性，無疑需要深入研究該草種的抗旱機(jī)制。然而迄今為止，對(duì)于結(jié)縷草在干旱脅迫下的生長(zhǎng)與生理響應(yīng)機(jī)制仍所知有限。結(jié)縷草的根系特性與抗旱性的關(guān)系受到一定關(guān)注[6-9]，但其地上和地下部分在經(jīng)歷干旱脅迫后所發(fā)生的相對(duì)比重的變化趨勢(shì)尚不明確;同時(shí)，在其他一些草種當(dāng)中發(fā)現(xiàn)，地下莖在抵御干旱時(shí)可發(fā)揮重要作用[10-11]，而以往的研究對(duì)結(jié)縷草地下莖的重要性并未給予充分重視;此外，盡管之前對(duì)結(jié)縷草的抗旱生理機(jī)制已有多方闡述[12-19]，但過往研究或側(cè)重于不同種屬草種的比較，或側(cè)重于單一種質(zhì)的討論，而以結(jié)縷草種內(nèi)抗旱性具有明顯差異的不同種質(zhì)為研究對(duì)象，綜合討論干旱脅迫下結(jié)縷草的生長(zhǎng)表現(xiàn)及其生理響應(yīng)的研究報(bào)道仍屬鮮見。

此前，筆者對(duì)來自不同地區(qū)的96份結(jié)縷草屬種質(zhì)資源（包含63份結(jié)縷草）開展了抗旱性評(píng)價(jià)工作[5]，根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，本研究選取其中2份抗旱性差異顯著的結(jié)縷草種質(zhì)作為試驗(yàn)材料。對(duì)這2份種質(zhì)在干旱與復(fù)水條件下的生長(zhǎng)與生理響應(yīng)進(jìn)行較為全面的比較與分析，旨在為揭示結(jié)縷草的抗旱機(jī)制提供參考數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)可為相關(guān)的分子機(jī)制研究奠定基礎(chǔ)，也能夠?yàn)橥ㄟ^遺傳育種或栽培管理措施來改善結(jié)縷草的干旱適應(yīng)性提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究選用2份抗旱性差異顯著的結(jié)縷草種質(zhì)（Z077：抗旱型;Z119：敏旱型）作為試驗(yàn)對(duì)象，植物材料取自江蘇省植物研究所草業(yè)研究中心種質(zhì)資源圃，試驗(yàn)地點(diǎn)位于本所溫室大棚。2015年6月，從苗圃地中挖出草皮并洗凈泥沙，統(tǒng)一將草層高度修剪至5 cm并剪去須根，切割成直徑10 cm的圓形，種植于裝滿河沙的聚氯乙烯（PVC）管（直徑 10 cm，高度60 cm，底蓋具排水孔）中，2份種質(zhì)各種植64管備用。先進(jìn)行露天預(yù)培養(yǎng)，每周澆水2～3次，并以1/2 Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌1次，同時(shí)每周修剪以保持草層高度為5 cm。預(yù)培養(yǎng)10周后，PVC管中草皮的地上和地下部分均已重新建成，將所有植物材料移至塑料大棚內(nèi)并以相同措施繼續(xù)培養(yǎng)2周，使其適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2015年9月6日開始試驗(yàn)處理，處理期間，大棚內(nèi)平均最低溫度和最高溫度分別為18 ℃和 36 ℃，平均最低空氣濕度和最高空氣濕度分別為28%和94%，正午天氣晴好時(shí)光合有效輻射約為610 μmol/（m2·s）。試驗(yàn)開始時(shí)，從每份種質(zhì)的64管中挑選出40管長(zhǎng)勢(shì)一致的植物材料作為處理對(duì)象，分為對(duì)照組和處理組，每組各設(shè)4個(gè)重復(fù)。對(duì)照組正常澆水，處理組則進(jìn)行為期21 d的干旱脅迫（停止?jié)菜┖笤倩謴?fù)正常澆水。干旱脅迫前一天傍晚，對(duì)照組和處理組都進(jìn)行最后一次修剪并充分澆水。干旱脅迫21 d（9月26日）傍晚，對(duì)照組和處理組都再次充分澆水，此后2組均正常澆水。復(fù)水18 d（10月14日），處理結(jié)束。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

1.3.1 取樣及觀測(cè)時(shí)間 生理生化指標(biāo)取樣和光合作用指標(biāo)測(cè)定時(shí)間為干旱脅迫2、9、17 d以及復(fù)水7、18 d，生物量指標(biāo)取樣時(shí)間為干旱脅迫2、17 d以及復(fù)水18 d，葉片萎蔫度觀測(cè)記錄時(shí)間為干旱脅迫9、17、21 d以及復(fù)水1 d。5750642A-D46E-46A1-B5DD-4250FC84761C

1.3.2 抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)測(cè)定 基質(zhì)含水量（SWC）使用TZS型土壤水分測(cè)量?jī)x（浙江托普儀器有限公司）測(cè)定。葉片萎蔫度（LW）參照Abraham等的觀測(cè)方法[20]作調(diào)整，于13：00以0～9分（分別代表萎蔫程度為無萎蔫、小于10%、10%～<25%、25%～<35%、35%～<45%、45%～<55%、55%～<65%、65%～<75%、75%～85%以及大于85%）為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行目測(cè)評(píng)分。葉片相對(duì)含水量（RWC）和葉片電解質(zhì)外滲率（LEL）測(cè)定參照DaCosta等的方法[21]。

1.3.3 生物量指標(biāo)測(cè)定 整株采收并清洗干凈，分成地上部、地下莖和根系3個(gè)部分，80 ℃烘干72 h。稱質(zhì)量獲得地上部干質(zhì)量（ADW）、地下莖干質(zhì)量（RHDW）和根系干質(zhì)量（RDW）。地下部干質(zhì)量（UDW）為RHDW與RDW之和;總干質(zhì)量（TDW）為ADW與UDW之和;根冠比（R/S）為UDW與ADW之比。

1.3.4 生理生化指標(biāo)測(cè)定

采收新鮮葉片以液氮速凍并于-80°C保存，用于后續(xù)測(cè)定葉綠素含量、抗氧化酶活性和丙二醛含量。葉綠素（Chl）含量采用丙酮乙醇混合液法[22]測(cè)定;采用單一提取系統(tǒng)[23]提取多種抗氧化酶，采用李忠光等和李合生的方法[23-24]測(cè)定超氧化物歧化酶[SOD，酶系統(tǒng)分類編號(hào)（EC） 1.15.1.1]、過氧化氫酶（CAT，EC 1.11.1.6）、過氧化物酶（POD，EC.1.11.1）和抗壞血酸過氧化物酶（APX，EC 1.11.1.11）的活性;丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法[24]測(cè)定。另外采收新鮮葉片80 ℃烘干 72 h，用于后續(xù)測(cè)定滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量。葉片脯氨酸（Pro）含量采用酸性茚三酮法[24]測(cè)定，葉片可溶性糖（WSC）含量采用蒽酮法[24]測(cè)定，葉片甜菜堿（GB）含量委托南京鐘鼎生物技術(shù)有限公司采用比色法測(cè)定。SOD、CAT、POD、APX的活性以鮮質(zhì)量計(jì)算，Chl、MDA、Pro、WSC、GB的含量以干質(zhì)量計(jì)算。

1.3.5 光合作用指標(biāo)測(cè)定 天氣晴好的09：30—12：00，使用Li-6400XT型便攜式光合儀（LI-COR Biosciences Inc.，Lincoln，NE，USA）測(cè)定凈光合速率（P n）、氣孔導(dǎo)度（G s）、蒸騰速率（T r）和胞間CO 2濃度（C i）等光合氣體交換參數(shù)，開放式氣路，光強(qiáng)設(shè)為1 200 μmol/（m2·s）;14：00—15：30，使用OS1p型手持式葉綠素?zé)晒鈨x（OPTI-Sciences，Inc.，Hudson，NH，USA）測(cè)定最大光化學(xué)效率（F v/F m）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用SPSS 19.0版（IBMTM）進(jìn)行方差分析（ANOVA），采用Duncans法對(duì)平均數(shù)進(jìn)行多重比較（P<0.05和P<0.01）;使用Office 2010版（MicrosoftTM）繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 2份種質(zhì)在干旱脅迫及復(fù)水過程中抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的變化

由圖1可知，干旱脅迫9、17 d，Z077的基質(zhì)含水量（SWC）分別下降至4.6%和3.9%，Z119分別下降至4.7%和3.2%，復(fù)水7 d，2份種質(zhì)均恢復(fù)至對(duì)照水平，整個(gè)干旱脅迫及復(fù)水過程中，無論是處理組還是對(duì)照組，2份種質(zhì)的SWC都沒有明顯差異。由圖2可知，干旱脅迫9、17、21 d，Z077的葉片萎蔫度（LW）分別為0.7、2.7、2.7，Z119分別為3.5、5.5、7.3，而復(fù)水1 d，Z077即不再表現(xiàn)萎蔫，Z119的LW則僅恢復(fù)到1.0。由圖3可知，干旱脅迫9 d，Z077的RWC仍保持在對(duì)照水平，Z119則下降至81.7%;干旱脅迫17 d，Z077和Z119的RWC分別為84.5%和77.5%，均極顯著低于對(duì)照（P<0.01）;復(fù)水7 d，2份種質(zhì)均恢復(fù)至對(duì)照水平。由圖4可知，干旱脅迫9、17 d，Z077的LEL維持穩(wěn)定，與對(duì)照相比未出現(xiàn)變化，而Z119在干旱脅迫9 d時(shí)保持在對(duì)照水平，但在干旱脅迫17 d時(shí)上升到對(duì)照的1.5倍，直到復(fù)水7 d，Z119恢復(fù)至對(duì)照水平。

2.2 2份種質(zhì)在干旱脅迫及復(fù)水過程中生物量的變化

從表1可以看出，直到干旱脅迫17 d，2份種質(zhì)的總干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量、地下莖干質(zhì)量、根系干質(zhì)量和根冠比均未與各自對(duì)照產(chǎn)生顯著差異。復(fù)水18 d，Z077的TDW仍維持在對(duì)照水平，而Z119則減少至對(duì)照的75.7%;同時(shí)，Z077和Z119的ADW分別減少至對(duì)照的88.7%和72.5%;但是2份種質(zhì)的UDW仍維持在對(duì)照水平;Z077的RHDW增加至對(duì)照的117.8%同時(shí)RDW與對(duì)照沒有顯著差異，Z119的RHDW與對(duì)照相比差異不顯著，但其RDW則減少至對(duì)照的59.8%;上述各部分的變化導(dǎo)致Z077的R/S上升至對(duì)照的130.0%，Z119則與對(duì)照持平。

2.3 2份種質(zhì)在干旱脅迫及復(fù)水過程中葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的變化由圖5可知，干旱脅迫9 d，2份種質(zhì)的葉片Pro含量與對(duì)照相比沒有變化;干旱脅迫17 d，Z077和Z119的Pro含量分別上升至對(duì)照的4.6倍和13.1倍，種質(zhì)間存在極顯著差異;復(fù)水7 d，2份種質(zhì)的Pro含量恢復(fù)至對(duì)照水平。由圖6可知，干旱脅迫 9 d，Z077和Z119的葉片可溶性糖（WSC）含量分別上升至對(duì)照的124.9%和177.6%;干旱脅迫17 d，Z077的WSC含量恢復(fù)至對(duì)照水平，而Z119仍極顯著高于對(duì)照;復(fù)水7 d，2份種質(zhì)的WSC含量均與各自對(duì)照無顯著差異;到復(fù)水18 d時(shí)，Z077的WSC含量下降至對(duì)照的77.2%。由圖7可知，在整個(gè)干旱脅迫及復(fù)水過程中，2份種質(zhì)的葉片GB含量始終維持在各自對(duì)照水平。

2.4 2份種質(zhì)在干旱脅迫及復(fù)水過程中葉片丙二醛含量及抗氧化酶活性的變化5750642A-D46E-46A1-B5DD-4250FC84761C

由圖8可知，干旱脅迫9 d，2份種質(zhì)的葉片MDA含量與各自對(duì)照沒有顯著差異;干旱脅迫 17 d，Z077的MDA含量仍維持在對(duì)照水平，Z119則上升至對(duì)照的126.0%;復(fù)水7 d，Z119的MDA含量恢復(fù)至對(duì)照水平。由圖9可知，干旱脅迫9 d，Z077和Z119的葉片SOD活性分別上升至各自對(duì)照的105.2%和104.4%;干旱脅迫17 d，Z077恢復(fù)至對(duì)照水平，但Z119仍顯著高于對(duì)照;復(fù)水7 d，2份種質(zhì)的SOD活性與各自對(duì)照均無差異。由圖10可知，干旱脅迫9、17 d，Z077的葉片CAT活性均維持在對(duì)照水平，Z119則分別為對(duì)照的83.2%和83.4%，顯著或極顯著低于對(duì)照;復(fù)水7 d，Z119恢復(fù)至對(duì)照水平。由圖11可知，從干旱脅迫開始直到復(fù)水7 d，Z077和Z119的葉片POD活性始終與對(duì)照差異不顯著，但是到復(fù)水18 d，2份種質(zhì)的POD活性均出現(xiàn)了顯著上升。由圖12可知，干旱脅迫 9 d，Z077的葉片APX活性上升至對(duì)照的113.6%，干旱脅迫17 d時(shí)略有上升，但在復(fù)水7 d時(shí)下降并顯著高于對(duì)照;整個(gè)干旱脅迫及復(fù)水過程中，Z119的APX活性始終與對(duì)照差異不顯著。

2.5 2份種質(zhì)在在干旱脅迫及復(fù)水過程中光合作用相關(guān)指標(biāo)的變化

由圖13、圖14、圖15可知，干旱脅迫9 d，Z077的凈光合速率（P n）、氣孔導(dǎo)度（G s）和蒸騰速率（T r）分別下降至對(duì)照的72.0%、69.6%和54.8%，Z119則分別下降至對(duì)照的46.7%、38.8%和40.5%;干旱脅迫17 d，Z077的G s恢復(fù)至對(duì)照水平，T r為對(duì)照的72.4%，而Z119的上述3項(xiàng)指標(biāo)均顯著或極顯著低于對(duì)照;復(fù)水18 d，Z077的P n上升至對(duì)照的153.4%，表現(xiàn)出超補(bǔ)償效應(yīng)。由圖16可知，整個(gè)干旱脅迫及復(fù)水過程中，Z077的胞間CO 2濃度（C i）一直維持在對(duì)照水平，Z119則在干旱脅迫9、17 d分別為對(duì)照的188.8%和127.0%，復(fù)水7 d恢復(fù)至對(duì)照水平。

由圖17可知，干旱脅迫9、17 d，Z077的葉綠素（Chl）含量與對(duì)照無顯著差異，Z119則在干旱脅迫17 d顯著下降至對(duì)照的72.0%，復(fù)水7 d恢復(fù)至對(duì)照水平;復(fù)水18 d，Z077的Chl含量顯著上升至對(duì)照的115.3%，也表現(xiàn)出超補(bǔ)償效應(yīng)。

由圖18可知，干旱脅迫9 d，2份種質(zhì)的最大光化學(xué)效率（F v/F m）與對(duì)照均無顯著差異;干旱脅迫17 d，Z077和Z119均顯著下降至各自對(duì)照的94.7%;復(fù)水7 d，2份種質(zhì)的F v/F m恢復(fù)至對(duì)照水平。

3 討論與結(jié)論

3.1 結(jié)縷草的外部水分狀況與抗旱性評(píng)價(jià)

干旱條件下，在不同的供試材料中，同樣的土壤（基質(zhì)）含水量表明不同材料面臨同等程度的水分虧缺，而在灌溉條件下，這種情況也表明不同材料獲得同等程度的水分供應(yīng)。這樣，土壤（基質(zhì)）含水量的一致性即保證了試驗(yàn)條件的一致性[10]。在本試驗(yàn)的整個(gè)處理過程中，2份種質(zhì)基質(zhì)含水量的變化始終同步且保持一致，種質(zhì)之間沒有顯著差異（圖1）。2份種質(zhì)的外部水分狀況相同，這一前提對(duì)于本研究非常重要，說明在干旱脅迫及復(fù)水過程中，2份種質(zhì)生長(zhǎng)和生理響應(yīng)的差異來自于種質(zhì)本身固有的抗旱性差異，而非來自外部干旱脅迫程度的差異。

在相同程度的干旱脅迫下，不同抗旱性的草坪草會(huì)有不同的表現(xiàn)，可通過葉片萎蔫度、葉片相對(duì)含水量和葉片電解質(zhì)外滲率這3個(gè)指標(biāo)來進(jìn)行評(píng)價(jià)。LW是植株損傷和草坪質(zhì)量下降的直觀反映;RWC是表征草坪草保水力的一個(gè)重要指標(biāo)，反映了植株內(nèi)部的水分狀況;LEL則反映了草坪草細(xì)胞膜損傷的程度[10，20]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫下，Z077的LW低于Z119（圖2），RWC下降也慢于Z119（圖3）。同時(shí)，Z077的LEL在整個(gè)干旱脅迫及復(fù)水過程中與對(duì)照相比沒有顯著變化，而Z119則在干旱脅迫下出現(xiàn)顯著上升（圖4）。上述3個(gè)指標(biāo)的變化表明Z077的抗旱性顯著高于Z119，印證了之前在96份結(jié)縷草屬種質(zhì)資源當(dāng)中的抗旱性評(píng)價(jià)結(jié)果[5]，這是本研究的另一個(gè)前提。

3.2 結(jié)縷草在干旱脅迫下的生長(zhǎng)響應(yīng)

干旱脅迫抑制草坪草生長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致地上和地下部分的生物量減少，并使光合作用碳同化產(chǎn)物的分配模式出現(xiàn)變化[25-26]。反過來，草坪草各部分生物量以及碳分配模式的變化，也會(huì)影響其抵御干旱和旱后恢復(fù)的能力。研究表明，干旱脅迫下的莖葉生長(zhǎng)量或者脅迫結(jié)束后莖葉的恢復(fù)生長(zhǎng)量可反映出不同草種抗旱性的強(qiáng)弱，旱后恢復(fù)與脅迫過程中葉片和地下莖中碳水化合物的積累以及復(fù)水后的新根生長(zhǎng)有關(guān)[10，20]。干旱脅迫下，如果草坪草干物質(zhì)的分配趨勢(shì)使地下部分生物量相對(duì)于地上部分生物量的比值出現(xiàn)上升，即通常所說的根冠比上升，則其抗旱性也得到增強(qiáng)[26]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫期間，Z077和Z119的總干質(zhì)量、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量、地下莖干質(zhì)量、根系干質(zhì)量和根冠比等一系列指標(biāo)均維持在各自對(duì)照水平?jīng)]有明顯變化，而直至復(fù)水以后，2份種質(zhì)才表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)（表1）。分析其原因，很大程度上是由于本次干旱脅迫持續(xù)時(shí)間較短，同時(shí)結(jié)縷草生長(zhǎng)較為緩慢，干旱脅迫對(duì)生物量的影響需要一定的時(shí)間積累才能顯現(xiàn)，所以生物量指標(biāo)的變化滯后于處理進(jìn)程。處理結(jié)束時(shí)，與對(duì)照相比，Z077的總生物量和根系生物量沒有減少，并且地下莖生物量增加，引起根冠比的上升;而Z119的生長(zhǎng)則受到顯著抑制，與對(duì)照相比，總生物量尤其是根系生物量明顯減少，對(duì)水分吸收和旱后恢復(fù)產(chǎn)生不利影響。相對(duì)于地上部分而言，地下部分的根系和地下莖在草坪草應(yīng)對(duì)干旱脅迫時(shí)發(fā)揮的作用顯得更為重要。發(fā)生干旱時(shí)，草坪草的碳分配趨向于地下尤其是濕潤(rùn)的下層土壤，使得根系生物量增加以便更好地吸收水分[21，25]。干旱脅迫下，一些草坪草的根系生物量與草坪質(zhì)量成正比，抗旱性較強(qiáng)的草種根系生物量下降的幅度也較小[6，26]。地下莖是一部分草坪草中重要的貯藏器官，可在恢復(fù)生長(zhǎng)時(shí)提供物質(zhì)與能量，并且能在莖葉和根系之間的營(yíng)養(yǎng)、水分和碳水化合物的轉(zhuǎn)運(yùn)中起到積極作用[10，27]。有研究指出，狗牙根屬（Cynodon Rich.）的抗旱性與干旱脅迫前后的地下莖干質(zhì)量正相關(guān)[11]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，包括地下莖和根系在內(nèi)的整個(gè)地下部分，在結(jié)縷草抵御干旱和旱后恢復(fù)中能夠發(fā)揮重要作用。5750642A-D46E-46A1-B5DD-4250FC84761C

3.3 結(jié)縷草在干旱脅迫下的滲透保護(hù)物質(zhì)響應(yīng)

植物在干旱或鹽脅迫下能夠主動(dòng)積累一些小分子量的、無毒性的或相容性的溶質(zhì)以降低細(xì)胞滲透勢(shì)，從而保持水分吸收并維持膨壓，使生理活動(dòng)得以持續(xù)進(jìn)行，這些主動(dòng)積累的溶質(zhì)被稱為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，而這一過程被稱為滲透調(diào)節(jié)[28]。由于這些物質(zhì)在逆境下的功能并不僅限于滲透調(diào)節(jié)，還對(duì)滲透脅迫所引起的傷害具有多重保護(hù)作用，因此稱它們?yōu)闈B透保護(hù)物質(zhì)或許更為恰當(dāng)[29]。在植物抗旱性研究當(dāng)中，脯氨酸、可溶性糖和甜菜堿這3類有機(jī)溶質(zhì)是受到最多關(guān)注的滲透保護(hù)物質(zhì)。

長(zhǎng)久以來，有關(guān)干旱脅迫下植物體內(nèi)Pro的積累與抗旱性的關(guān)系存在爭(zhēng)議。一方面，有報(bào)道指出，水分虧缺時(shí)，一些草坪草中Pro的積累能力與其抗旱性是正相關(guān)的[26，30]。另一方面，也有證據(jù)表明，干旱脅迫下，Pro的積累是一種脅迫傷害癥狀，Pro含量與抗逆性或存活率負(fù)相關(guān)[12，31]。本試驗(yàn)中，盡管2份種質(zhì)的葉片Pro含量在干旱脅迫下都出現(xiàn)明顯上升，但抗旱型種質(zhì)Z077的上升幅度明顯小于敏旱型種質(zhì)Z119（圖5）。說明在本試驗(yàn)條件下，結(jié)縷草葉片中Pro的積累在相當(dāng)大的程度上代表一種受損反應(yīng)，該結(jié)果支持Pro含量與抗旱性呈負(fù)相關(guān)這一方面的觀點(diǎn)。當(dāng)然，上述負(fù)相關(guān)的證據(jù)并不能否定Pro在抵御滲透脅迫方面具有積極作用，而是反映了在一些植物種類當(dāng)中，相對(duì)于滲透調(diào)節(jié)來講，形態(tài)或生理方面的抗性機(jī)制可能更具主導(dǎo)作用[32]。

作為一類滲透保護(hù)物質(zhì)，WSC在干旱脅迫下的積極作用已在草坪草中得到闡述[10，30]。然而，有證據(jù)表明，禾草類植物的抗旱性并非簡(jiǎn)單地與干旱脅迫下WSC的積累正相關(guān)。例如，Volaire等研究發(fā)現(xiàn)，干旱條件下WSC的積累不一定能夠提高多年生黑麥草（Lolium perenne L.）的抗旱性[31]。再如，Luo等的研究表明，干旱脅迫使57份二穗短柄草[Brachypodium distachyon （L.） Beauv.]種質(zhì)的WSC含量出現(xiàn)不同程度的增加，但是增加幅度的差異與不同種質(zhì)間的抗旱性差異沒有關(guān)系[33]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫下敏旱型種質(zhì)Z119的葉片WSC含量增幅明顯大于抗旱型種質(zhì)Z077（圖6），這一結(jié)果說明結(jié)縷草葉片中WSC的積累與抗旱性不存在正相關(guān)關(guān)系。研究指出，作物生命活動(dòng)過程中WSC的積累和轉(zhuǎn)運(yùn)有利于其應(yīng)對(duì)干旱[34]。Yang等研究發(fā)現(xiàn)，干旱使草地早熟禾（Poa pratensis L.）葉片WSC含量顯著升高，復(fù)水后下降至對(duì)照水平，可能是恢復(fù)生長(zhǎng)過程中碳水化合物消耗的結(jié)果[35]。而Chai等研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)水過程中草地早熟禾根狀莖中的非結(jié)構(gòu)性總糖含量降低，可能反映了組織恢復(fù)生長(zhǎng)期間碳水化合物的利用及轉(zhuǎn)運(yùn)[10]。本試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，干旱脅迫對(duì)Z077生長(zhǎng)的抑制作用小于Z119（表1），同時(shí)，干旱脅迫下，Z077的葉片WSC含量增幅始終小于Z119，并且復(fù)水18 d，Z077與對(duì)照相比還出現(xiàn)了顯著下降，Z119則與對(duì)照無差異（圖6）。根據(jù)上述結(jié)果可以推斷，抗旱型種質(zhì)Z077由于生長(zhǎng)需求而對(duì)包括WSC在內(nèi)的碳水化合物有較強(qiáng)的利用和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，導(dǎo)致其在干旱脅迫下及旱后恢復(fù)階段的葉片WSC含量低于敏旱型種質(zhì)Z119。

研究表明，干旱脅迫下作物中GB的積累與其抗旱性可能具有正相關(guān)關(guān)系[36]。通過轉(zhuǎn)基因手段促進(jìn)內(nèi)源GB的積累[37]，或者施用外源GB[38]，都能夠明顯提高作物和草坪草的抗旱性。本試驗(yàn)中，干旱脅迫對(duì)抗旱型種質(zhì)Z077和敏旱型種質(zhì)Z119的葉片GB含量的影響都不明顯（圖7），表明結(jié)縷草中GB的積累與其抗旱性強(qiáng)弱不存在明顯的相關(guān)關(guān)系。

3.4 結(jié)縷草在干旱脅迫下的抗氧化酶響應(yīng)

在干旱所造成的氧化脅迫下，植物體內(nèi)發(fā)生脂質(zhì)過氧化，其產(chǎn)物MDA的含量常被用來作為衡量氧化損傷程度的指標(biāo)[13]。本試驗(yàn)中，抗旱型種質(zhì)Z077的葉片MDA含量在整個(gè)干旱脅迫及復(fù)水過程中與對(duì)照相比沒有明顯變化，而敏旱型種質(zhì)Z119則在干旱脅迫下顯著升高（圖8），這表明Z077應(yīng)對(duì)氧化脅迫的保護(hù)機(jī)制強(qiáng)于Z119。各種抗氧化酶是植物抗氧化防御系統(tǒng)的重要成員，比如SOD、CAT、POD、APX等等[26]。在禾草類作物中，干旱條件下各種抗氧化酶活性的變化與植物種類、干旱程度、干旱持續(xù)時(shí)間和植株部位都有關(guān)系，表現(xiàn)出不同的變化規(guī)律[26，39]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫及復(fù)水過程中，2份種質(zhì)各種抗氧化酶活性的變化趨勢(shì)存在差異，盡管Z077的葉片SOD活性上升時(shí)間比Z119短，并且POD活性變化趨勢(shì)與Z119類似，但是在干旱脅迫下，Z077的葉片CAT活性可維持在對(duì)照水平而Z119則明顯低于對(duì)照，同時(shí)Z077的葉片APX活性顯著高于對(duì)照而Z119則與對(duì)照差異不顯著（圖9、圖10、圖11、圖12）。以上結(jié)果說明，干旱脅迫下較高的CAT和APX相對(duì)活性是抗旱型種質(zhì)Z077比敏旱型種質(zhì)Z119具備更強(qiáng)抗氧化防御能力的重要原因之一。

3.5 結(jié)縷草在干旱脅迫下的光合響應(yīng)

干旱脅迫對(duì)草坪草的光合作用產(chǎn)生影響，直接導(dǎo)致光合速率的下降，意味著植物體的光合能力被削弱[21，25]。植物光合能力削弱的原因來自于氣孔限制和非氣孔限制：輕度干旱脅迫下，當(dāng)RWC下降程度較小時(shí)，雖然G s、T r、C i和P n均出現(xiàn)下降，但此時(shí)內(nèi)部水分虧缺程度并不會(huì)使光合機(jī)構(gòu)受到實(shí)質(zhì)損傷，P n的降低僅僅是CO 2供不應(yīng)求的結(jié)果，只要脅迫解除使G s、T r和C i恢復(fù)正常，光合能力也能較快得到恢復(fù)，該階段主要為氣孔限制;當(dāng)脅迫加重使RWC持續(xù)下降時(shí)，內(nèi)部嚴(yán)重的水分虧缺造成光合機(jī)構(gòu)受損，對(duì)CO 2的同化能力減弱，即使由于氣孔關(guān)閉而使外界進(jìn)入葉肉細(xì)胞間隙的CO 2大大減少，也會(huì)出現(xiàn)CO 2供過于求而導(dǎo)致C i不降反升的情況，此時(shí)光合能力的下降難以恢復(fù)，該階段主要為非氣孔限制[40-41]。本試驗(yàn)中，干旱脅迫下，雖然2份種質(zhì)的G s和T r均出現(xiàn)下降，但抗旱型種質(zhì)Z077的降幅小于敏旱型種質(zhì)Z119（圖14、圖15），表明Z077氣孔開放程度較大并且蒸騰拉力較強(qiáng)，有助于水分的吸收和運(yùn)輸而使其體內(nèi)保持較高的含水量。也就是說，干旱脅迫下Z077的氣孔限制小于Z119。干旱脅迫下，Z077的C i與對(duì)照無顯著差異，Z119則顯著或極顯著高于對(duì)照（圖16），說明在2份種質(zhì)中，雖然氣孔部分關(guān)閉引起CO 2的供應(yīng)量減少，但是光合機(jī)構(gòu)的損傷所產(chǎn)生的非氣孔限制導(dǎo)致2份種質(zhì)的CO 2同化能力也下降，損傷越嚴(yán)重則C i越高。氣孔限制和非氣孔限制的共同作用使2份種質(zhì)的光合能力都出現(xiàn)下降，表現(xiàn)為P n的降低，但Z077的降幅要小于Z119（圖13）。此外，本試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫尚未結(jié)束時(shí)，Z077的P n即與對(duì)照差異不顯著，復(fù)水以后還表現(xiàn)出明顯的超補(bǔ)償效應(yīng)，這進(jìn)一步證明Z077的光合機(jī)構(gòu)對(duì)干旱脅迫具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。5750642A-D46E-46A1-B5DD-4250FC84761C

非氣孔限制又稱代謝限制，與光合代謝過程中的諸多因素（比如葉綠體功能）有關(guān)[40]。葉綠素含量和葉綠素?zé)晒鈪?shù)可以反映光合機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，已經(jīng)成為草坪草抗旱性評(píng)價(jià)中的重要指標(biāo)[16，26]。本試驗(yàn)中，與對(duì)照相比，干旱脅迫下抗旱型種質(zhì)Z077的Chl含量并未受到顯著影響，并且復(fù)水之后還表現(xiàn)出超補(bǔ)償效應(yīng)，而敏旱型種質(zhì)Z119則在干旱脅迫下出現(xiàn)下降（圖17）。此外，干旱脅迫下2份種質(zhì)的最大光化學(xué)效率（F v/F m）都出現(xiàn)下降，但兩者的降幅沒有差異（圖18）。上述結(jié)果表明，2份種質(zhì)葉綠素穩(wěn)定性的差異可能是兩者光合機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性差異的重要原因之一，或者說葉綠素的降解是結(jié)縷草中光合代謝非氣孔限制的一個(gè)重要因素。

3.6 結(jié)論

總體上來說，干旱脅迫下，有賴于生長(zhǎng)和生理生化各方面的響應(yīng)機(jī)制，與敏旱型種質(zhì)相比，結(jié)縷草的抗旱型種質(zhì)能夠維持較為適宜的體內(nèi)水分狀況并有效減輕脅迫所帶來的各種傷害，從而在一定程度上保障了光合作用的持續(xù)進(jìn)行并緩和了逆境對(duì)生長(zhǎng)的抑制效應(yīng)。本研究采用抗旱性差異顯著的2份結(jié)縷草種質(zhì)，從植株整體出發(fā)，綜合探討了結(jié)縷草在干旱脅迫及復(fù)水過程中的生長(zhǎng)和生理特性的響應(yīng)變化規(guī)律，就這一點(diǎn)而言，這是迄今為止在結(jié)縷草中的首次報(bào)道。本研究獲得如下重要發(fā)現(xiàn)：（1）增加地下莖生物量和提高根冠比是結(jié)縷草在生長(zhǎng)方面的有效抗旱機(jī)制;（2）干旱脅迫下，葉片脯氨酸的積累與結(jié)縷草的抗旱性負(fù)相關(guān)，葉片可溶性糖的積累與結(jié)縷草的抗旱性非正相關(guān)，葉片甜菜堿的積累與結(jié)縷草的抗旱性沒有明顯的相關(guān)關(guān)系;（3）維持過氧化氫酶活性、提高抗壞血酸過氧化物酶活性是結(jié)縷草抗氧化防御系統(tǒng)的有效抗旱機(jī)制;（4）減小氣孔限制和減少葉綠素的降解，是結(jié)縷草光合機(jī)構(gòu)的有效抗旱機(jī)制。這些發(fā)現(xiàn)可以作為進(jìn)一步研究結(jié)縷草及本屬植物抗旱機(jī)制的著眼點(diǎn)。

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