噴施肌醇對草地早熟禾的抗旱性生理影響

聶宇東，高金永，石鳳翎，葉文興

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院/草地資源教育部重點實驗室，呼和浩特 010018)

草地早熟禾(PoapratensisL.)是禾本科多年生冷季型草坪草草種，具有綠期長，耐踐踏、耐修剪、質(zhì)地優(yōu)良、根莖繁殖能力強等特點，是世界公認的重要草坪草之一[1]，除了被應用于運動場外，還被廣泛應用于水土保持、城市綠化、邊坡防護等[2]。草坪草的生長離不開水分，水資源是限制草坪業(yè)發(fā)展的關鍵因素，干旱區(qū)域的草坪產(chǎn)業(yè)發(fā)展限制尤為突出。當草坪植物在干旱脅迫環(huán)境中表現(xiàn)出較差的草坪質(zhì)量，充足的水分供應能夠保障草坪的高質(zhì)量[3]。然而草坪高耗水量是缺水地區(qū)草坪建植養(yǎng)護管理亟待解決的問題。

在逆境中，植物對環(huán)境能夠做出應激反應，盡可能適應環(huán)境謀求生存，但是過度的脅迫打破植物天然的耐受限度而難以生存[4]。在干旱脅迫中，水分缺失會對植物造成傷害甚至死亡，其主要原因是植物生理代謝失調(diào)，滲透調(diào)節(jié)失衡所致[5]。為了提高植物的耐旱性，增強植物的滲透調(diào)節(jié)平衡功能，研究者們通過選育耐旱品種、施用外源化合物或施肥等其他方法來提高草坪草的抗旱性[6]。其中通過施用外源調(diào)節(jié)劑提高植物的耐旱性是最簡單、快捷和有效的辦法，如外源施加甜菜堿[7-8]、肌肽[9]和褪黑素等[10]。這些物質(zhì)會廣泛參與各種生理調(diào)節(jié)過程。在植物受到非生物脅迫時，抗氧化酶系能夠降低植物受脅迫作用產(chǎn)生的氧自由基等活性氧有害物質(zhì)的積累，延緩植物衰老或死亡進程。這些抗氧化酶其中包括CAT、POD、SOD等。CAT、POD、SOD對植物細胞的具有重要的保護作用，是植物抗性能力的重要指標。

肌醇(myo-inositol，MI)，學名環(huán)己六醇，是一種小分子化合物，易溶于水，能被植物吸收，參與植物的生長發(fā)育過程[11]。在植物細胞信號傳導、生長素儲存、細胞壁生物合成、相關脅迫分子的產(chǎn)生等過程中都起到重要作用[12]。目前，外源MI對草地早熟禾抗氧化酶系和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等生理代謝的作用尚不清楚，相關抗旱性研究較少。

在本研究中，通過外源MI噴施草地早熟禾莖葉，經(jīng)過干旱脅迫比較不同濃度外源MI處理植株的抗性生理代謝差異，分析外源MI對草地早熟禾耐旱性的調(diào)節(jié)作用。為外源MI調(diào)控草地早熟禾抗旱性研究提供前期基礎研究。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料選用草地早熟禾品種“肯塔基(Kentucky)”，肌醇選用myo-inositol(簡寫MI)，栽培基質(zhì)為營養(yǎng)土、蛭石、石英砂。試驗場地在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草地資源教育部重點實驗室人工氣候室。

1.2 試驗方法

挑選健康、飽滿的草地早熟禾種子，準備15個方盆(7 cm×7 cm)，栽培基質(zhì)按照營養(yǎng)土和蛭石1∶1混合等量置于盆中，將等量種子均勻撒播于栽培基質(zhì)上，種子上方由20～40目的石英砂覆蓋，覆蓋厚度約為0.5 cm。MI溶液設有0 mg·L-1、200 mg·L-1、400 mg·L-1、800 mg·L-1、1 600 mg·L-15個濃度梯度，每個MI濃度處理設3個重復。播種后進行澆水，盆中水分達到土壤飽和水狀態(tài)(提起盆沒有水滴出為宜)，在22℃～25℃，16 h光照/8 h暗條件下栽培管理，各個栽培盆保持土壤濕度基本一致。出苗后生長3周，草坪草高度在10～15 cm時，分別按照處理組在莖葉面噴施5個不同濃度的外源MI溶液，每日噴施2次(上午9時和下午17時)，連續(xù)噴施5 d。噴施MI處理后第6 d停止?jié)菜?，盆中基質(zhì)所含水分逐日自然蒸發(fā)，其后進入干旱條件，在此停止?jié)菜陂g停止噴施外源MI。在停止?jié)菜笥^察草地早熟禾植株表型變化情況，并在出現(xiàn)明顯表性變化后第5 d進行取樣，測定相關生理代謝指標。

用游標卡尺測定取樣草地早熟禾的根長、苗長，每個處理樣本測量10株，3個重復樣本。取草地早熟禾地上莖葉(苗)測定抗氧化酶類和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)：過氧化氫酶(CAT)活性測定采用分光光度計法[13]，過氧化物酶(POD)活性的測定方法取用愈創(chuàng)木酚法[14]，超氧化物歧化酶(SOD)活性的測定取用氮藍四唑法[15]，丙2醛(MDA)含量的測定采用硫代巴比妥酸法[16]，脯氨酸(Pro)的含量測定采用酸性茚三酮法[15]，可溶性糖(SS)含量的測定采用硫酸蒽酮法[17]，可溶性蛋白(SP)含量的測定采用考馬斯亮藍G250法[18]。數(shù)據(jù)利用Excel2019和SAS9.0統(tǒng)計軟件進行單因素方差(ANOVA)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源MI對草地早熟禾表型的影響

由圖1可以看出，在停止?jié)菜? d時，通過表型觀察發(fā)現(xiàn)草地早熟禾莖葉發(fā)生了明顯的失水，在5個MI濃度梯度處理的樣本中，噴施MI濃度為400 mg·L-1、800 mg·L-1的處理樣本莖葉的綠色和直立性明顯優(yōu)于0 mg·L-1、200 mg·L-1、1 600 mg·L-1的處理樣本，不同濃度MI噴施處理草地早熟禾莖葉的表型差異顯著。對比0 mg·L-1處理樣本，400 mg·L-1和800 mg·L-1處理樣本受干旱脅迫影響較小，噴施200 mg·L-1和1 600 mg·L-1處理樣本差異不明顯。表型說明，噴施MI濃度在400～800 mg·L-1之間能有效提高草地早熟禾抗旱性，MI低于200 mg·L-1或高于1 600 mg·L-1濃度對草地早熟禾抗旱性作用不明顯。

圖1 不同濃度MI噴施草地早熟禾莖葉受干旱脅迫的表型

2.2 外源MI對草地早熟禾根和苗生長的影響

在停止?jié)菜? d時測量植株的苗長和根長。由表1可以看出， 400 mg·L-1、800 mg·L-1MI處理樣本分別比較于0 mg·L-1、200 mg·L-1、1 600 mg·L-1處理樣本，根長和苗長分別差異顯著(n=10，P﹤0.05)；400 mg·L-1和800 mg·L-1處理的苗長和根長無顯著差異；0 mg·L-1、200 mg·L-1、1 600 mg·L-1處理的苗長存在顯著差異，根長無顯著差異(n=10，P﹤0.05)。結(jié)果表明，干旱脅迫過程中，400 mg·L-1和800 mg·L-1MI處理促進根和苗的生長，1 600 mg·L-1MI處理不利于苗的生長。

以上結(jié)果表明，在干旱脅迫時，噴施適量(400 mg·L-1和800 mg·L-1)MI能夠延長草地早熟禾的綠期，促進植株的生長，緩解干旱對草地早熟禾的脅迫影響，有助于提高植株的耐旱性。但是，過高濃度(1 600 mg·L-1)外源MI處理對苗的生長有抑制，低濃度(200 mg·L-1)處理效果不明顯。

表1 不同外源肌醇濃度處理草地早熟禾的苗長和根長

2.3 外源MI對草地早熟禾抗氧化酶系的影響

2.3.1外源MI對CAT的影響

如圖2所示，噴施800 mg·L-1MI處理草地早熟禾莖葉，莖葉樣本CAT活性明顯高于其它處理樣本，差異極顯著(P<0.01)。400 mg·L-1處理莖葉樣本CAT活性與0 mg·L-1和1 600 mg·L-1樣本差異顯著(P<0.05)。在0 mg·L-1、200 mg·L-1和1 600 mg·L-1處理樣本之間，莖葉CAT酶活性無顯著差異(P>0.05) ，在0～800 mg·L-1濃度范圍內(nèi)，CAT活性隨MI濃度的增加而增強；在800～1 600 mg·L-1濃度范圍，CAT活性隨MI濃度的增加而呈減弱趨勢。結(jié)果表明，在5個MI濃度處理中，800 mg·L-1MI處理最有助于莖葉CAT活性增強，適當?shù)腗I處理有助于激活植株莖葉氧自由基清除酶類CAT 的活性。

圖2 不同外源肌醇濃度處理草地早熟禾的CAT活性

2.3.2外源MI對POD的影響

如圖3所示，噴施200 mg·L-1、400 mg·L-1、800 mg·L-1和1 600 mg·L-1MI處理的樣本莖葉相比較0 mg·L-1的樣本，POD活性分別提高了7.99%、39.96%、15.98%和12.02%，且分別與0 mg·L-1處理樣本差異顯著(P<0.05)。在干旱脅迫條件下， 0～400 mg·L-1范圍MI處理樣本的莖葉POD活性呈增強趨勢，400～1 600 mg·L-1范圍MI處理樣本的莖葉POD活性呈減弱趨勢。在5個濃度梯度中，噴施400 mg·L-1MI對草地早熟禾莖葉POD活性的作用最強。結(jié)果表明，外源MI處理有助于草地早熟禾莖葉POD活性增強，且POD活性受MI濃度影響顯著。

圖3 不同外源肌醇濃度處理草地早熟禾的POD活性

2.3.3外源MI對SOD的影響

草地早熟禾莖葉SOD在干旱脅迫作用下的活力如圖4所示，在5個濃度處理中，以0 mg·L-1MI處理為對照，200 mg·L-1、400 mg·L-1、800 mg·L-1和1 600 mg·L-14個濃度MI處理樣本的莖葉SOD活力差異極顯著(P<0.01)，其SOD活力分別提高了65.79%、44.54%、72.95%和59.31%。從結(jié)果可以看出，SOD活力在 200 mg·L-1、400 mg·L-1、800 mg·L-1和1 600 mg·L-1濃度梯度沒有增強或降低的明顯規(guī)律趨勢，但是外源MI對SOD的作用效果顯著。由此可見，受干旱脅迫時，外源MI 處理的草地早熟禾莖葉SOD活力增強，有助于植物活性氧的清除，從而提高抗旱性。

圖4 不同外源肌醇濃度處理草地早熟禾的SOD活性

2.4 外源MI對草地早熟禾滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

2.4.1外源MI對MDA的影響

丙二醛(MDA)是膜質(zhì)系統(tǒng)過氧化的主要產(chǎn)物，MDA積累對細胞造成傷害，是植物逆境脅迫中重要的抗性生理指標。由圖5A可以看出：在5個MI濃度處理樣本中，400 mg·L-1和800 mg·L-1處理的樣本莖葉MDA含量相比與其他3個濃度處理差異極顯著(P<0.01)，且400 mg·L-1和800 mg·L-1MI處理的樣本之間差異顯著(P<0.05)；200 mg·L-1、400 mg·L-1、800 mg·L-1和1 600 mg·L-1MI處理對比0 mg·L-1處理，莖葉MDA含量分別降低了6.82%、50.00%、36.36%和6.82%；0 mg·L-1、200 mg·L-1、1 600 mg·L-1MI處理之間差異不顯著(P>0.05)；結(jié)果表明，在0～400 mg·L-1處理范圍，MDA含量存在隨MI濃度增加而降低的趨勢；在400～1 600 mg·L-1處理范圍MDA含量存在隨MI濃度增加而增加的趨勢。

2.4.2外源MI對Pro的影響

脯氨酸(Pro)是植物響應寒、旱等逆境脅迫的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。植物處于干旱脅迫時，植物體內(nèi)Pro含量增加，通過滲透調(diào)節(jié)作用抵抗干旱脅迫，以此來維持細胞的滲透平衡。因此，Pro含量是植物抗性能力的一項生理指標。通過測定干旱脅迫樣本莖葉的Pro含量發(fā)現(xiàn)(圖5B)：在5個MI濃度處理樣本中，200 mg·L-1、400 mg·L-1、800 mg·L-1和1 600 mg·L-1MI處理對比0 mg·L-1處理樣本的Pro含量分別降低了48.27%、66.67%、55.37%和54.10%，差異極顯著(P<0.01)；在800 mg·L-1和1 600 mg·L-1處理樣本之間Pro含量差異不顯著，其余處理之間均有顯著差異(P<0.05)，400 mg·L-1MI處理樣本的Pro含量最低；0～400 mg·L-1梯度范圍的Pro含量成逐漸降低趨勢；800 mg·L-1和1 600 mg·L-1相比較400 mg·L-1處理樣本的Pro含量有顯著增加(P<0.05)，且趨于穩(wěn)定趨勢。結(jié)果表明：噴施外源MI能夠顯著降低干旱脅迫時草地早熟禾莖葉的Pro含量，植物對干旱脅迫的敏感性下降，400 mg·L-1的濃度效果最佳。

2.4.3外源MI對SS的影響

可溶性糖(SS)在干旱脅迫作用下可在植物體內(nèi)積累，通過調(diào)節(jié)細胞水勢降低水分損失，SS是植物適應干旱脅迫的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)[19]。在本研究中受干旱脅迫的處理樣本SS含量如圖5C所示： 200 mg·L-1、400 mg·L-1、800 mg·L-1和1 600 mg·L-1MI處理對比0 mg·L-1處理樣本的SS含量分別降低了10.40%、52.13%、48.29%和25.30%，差異顯著(P<0.05)； 400 mg·L-1和800 mg·L-1處理之間無顯著差異，其余處理之間均有顯著差異；400 mg·L-1處理樣本SS含量最低；0～400 mg·L-1的SS含量成降低趨勢，400～1 600 mg·L-1有增加趨勢，這表明干旱脅迫條件下，SS含量隨外源MI處理濃度的增加呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢。結(jié)果表明：外源MI能夠調(diào)節(jié)草地早熟禾莖葉的SS代謝，SS含量受外源MI濃度的影響。

2.4.4外源MI對SP的影響

可溶性蛋白(SP)以小分子狀態(tài)溶于水或其他溶劑，是植物重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)。SP增加和積累能提高細胞的保水能力，對細胞的生命物質(zhì)及生物膜起到保護作用,干旱脅迫下植物體內(nèi)SP可用于評估植物對抗逆環(huán)境的適應性[19-21]。通過測定干旱脅迫下5個MI濃度處理的草地早熟禾莖葉中SP含量發(fā)現(xiàn)(如圖5D所示)：噴施800 mg·L-1MI處理的樣本對比其他處理樣本差異顯著(P<0.05)，相對于0 mg·L-1處理樣本SP含量增加了35.03%；0 mg·L-1、200 mg·L-1、400 mg·L-1之間均無顯著差異；1 600 mg·L-1與200 mg·L-1和400 mg·L-1之間差異顯著(P<0.05)，噴施1 600 mg·L-1對比800 mg·L-1處理樣本SP含量減少了23.37%。結(jié)果表明，外源MI濃度在400 mg·L-1以下處理對SP的積累作用不明顯，800 mg·L-1處理作用效果最顯著，過高濃度(1 600 mg·L-1)也不利于SP的積累， 適量的外源MI處理有助于提高草地早熟禾抗旱性。

圖5 干旱脅迫下不同肌醇濃度處理植株莖葉滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量

3 討論

外源MI 添加處理常見于動植物組織培養(yǎng)基中，在食物營養(yǎng)配方中也常涉及，這是一種有助于生物體發(fā)育生長的營養(yǎng)成分[22-23]。本研究旨在通過外源MI不同濃度處理草地早熟禾，探究外源MI對草地早熟禾的抗旱性和相關抗性生理代謝的調(diào)節(jié)作用。本研究結(jié)果表明，外源噴施肌醇對草地早熟禾的抗旱性存在有效作用，這種有效作用與外源MI 的濃度相關。

本研究結(jié)果顯示400 mg·L-1和800 mg·L-1MI噴施處理草地早熟禾莖葉對根和苗的生長有促進作用，相比較于0 mg·L-1處理對照差異顯著，這與于明艷[24]等人研究結(jié)果一致。植物受到干旱等逆境脅迫的過程中，植物體內(nèi)活性氧自由基積累，致使細胞膜系統(tǒng)受損造成細胞和植物衰老或死亡[25-26]。為應對這種不利的逆境脅迫，植物會通過抗氧化酶系統(tǒng)保護自身細胞免受損害，其中包括CAT、 POD、SOD等酶類，能有效清除活性氧自由基。在干旱等逆境脅迫下，草坪草的抗氧化酶活性越高，自由基清除與平衡能力就越強，抗逆性越強[27]。本研究結(jié)果顯示，噴施外源MI處理草地早熟禾莖葉，有效提高CAT、POD、SOD3種酶的活性，其中400 mg·L-1和800 mg·L-1處理分別對POD和CAT活性影響極顯著，SOD活力受外源MI作用敏感。這結(jié)果與LI等[28]研究結(jié)果一致，噴施外源MI 對草地早熟熟禾抗氧化酶的活性有促進作用，有助于植株體內(nèi)活性氧的清除，減緩草地早熟禾的衰老或死亡。

在干旱脅迫過程中，滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)減緩植物細胞所受到的脅迫效應，保持細胞的完整性[29-30]。在植物抗旱性研究中，植物應對干旱脅迫時體內(nèi)的MI積累[31]。有研究表明，干旱脅迫下，早熟禾細胞膜透性、脯氨酸和丙二醛(MDA) 含量顯著增加[32]。本研究發(fā)現(xiàn)，外源MI處理的草地早熟禾在干旱脅迫過程中，400 mg·L-1和800 mg·L-1MI處理樣本MDA含量顯著降低，并且MDA含量積累受外源MI濃度梯度影響明顯。據(jù)這個結(jié)果推測，噴施適宜濃度外源MI能夠減弱干旱對草地早熟禾造成的膜脂過氧化反應，減緩MDA對草地早熟禾細胞所造成損害。相對于植物MDA含量降低，Pro含量的增加也能反映出植物抗逆敏感性。通常植物在干旱脅迫過程中Pro積累較多，以此維持細胞穩(wěn)定性。本研究中測定處理樣本莖葉Pro含量發(fā)現(xiàn)，噴施外源MI對草地早熟禾莖葉Pro含量的積累有抑制作用，低Pro含量并沒有使得草地早熟禾莖葉枯萎，莖葉生長優(yōu)于對照(0 mg·L-1MI)。這表明外源MI能夠調(diào)節(jié)草地早熟禾對外界干旱脅迫的敏感性，對照(0 mg·L-1MI)樣本對干旱響應敏感，體內(nèi)Pro積累較多；反之，MI處理的樣本對干旱響應不敏感，體內(nèi)Pro積累較少。從Pro在逆境中積累的途徑來看，Pro積累既可能有適應性的意義，有可能是細胞結(jié)構(gòu)和功能受損的表現(xiàn)，是一種傷害反應[33]。因此，Pro積累不一定表明植株耐旱性強。干旱脅迫中，草地早熟禾Pro積累受外源MI調(diào)節(jié)。SS的測定結(jié)果與Pro的結(jié)果類同：干旱脅迫條件下，草地早熟禾莖葉SS含量受外源MI的調(diào)節(jié)，MI處理抑制了SS的積累，降低了草地早熟禾對干旱脅迫的敏感性，并且400 mg·L-1和800 mg·L-1MI處理尤為明顯。研究中還發(fā)現(xiàn)SP的含量變化與Pro、SS有所不同，SP的含量在800 mg·L-1MI處理樣本中顯著積累。這與樣本表型一同表明，SP的積累有利于保持植物體內(nèi)水分，延緩植物失水，800 mg·L-1MI處理有利于草地早熟禾保持水分抵抗干旱。結(jié)合這些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的結(jié)果表明，外源MI能夠調(diào)節(jié)MDA、Pro、SS、SP的含量，影響草地早熟禾對干旱脅迫的敏感性，400 mg·L-1和800 mg·L-1MI對草地早熟禾干旱脅迫調(diào)節(jié)作用明顯。

4 結(jié)論

抗氧化酶CAT、POD、SOD和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)MDA、Pro、SS、SP在干旱脅迫中起到了重要作用。噴施適宜濃度外源MI處理草地早熟禾莖葉，能夠調(diào)節(jié)草地早熟禾抗氧化酶CAT、POD、SOD活性和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)MDA、Pro、SS、SP含量，促進根和苗的生長，并且400 mg·L-1和800 mg·L-1濃度處理效果尤為顯著。適宜濃度外源MI能有效提高草地早熟禾對干旱脅迫的防御能力。