不同早熟禾品种对干旱胁迫的生理响应及抗旱性评价

2014-01-02郭郁频米福贵闫利军任永霞吕世杰伏兵哲

草业学报 2014年4期

郭郁频，米福贵，闫利军，任永霞，吕世杰，伏兵哲

（1．内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特010019；2．河北北方学院动物科技学院，河北张家口075000；3．宁夏大学农学院，宁夏银川750021）

早熟禾（Poa）属于中生植物，是我国北方地区主要的草坪植物种类之一，在其生命周期中该草种要求一定水分环境，不能忍受过分的干旱胁迫［1］，尤其在苗期，其抗旱性相对较弱，干旱胁迫会严重影响其成坪及运动场的质地和水土保持等方面的功能。由此，了解干旱胁迫对其苗期主要抗旱性特征的影响，对于草坪建植和成坪质量的提高都有重要意义。

干旱对于植物的危害主要使植物体丧失水分平衡后造成较长时间的水分亏缺，从而影响植物正常的生命活动。Levit［2］首先提出了关于植物适应和抵抗干旱胁迫机理的问题，后经Turner［3］的不断完善，现已形成了对这一问题较为系统的看法。其过程一般是在干旱胁迫发生时，植物首先通过保持水分吸收和减少水分损失来维持体内的水分平衡，并以渗透调节作用和细胞壁的弹性来保持一定的膨压，以保障植物在干旱条件下继续生长。目前国内外关于植物抗旱性特征的研究较多，如干旱胁迫下植物叶片含水量、根冠比、干物质胁迫指数和株高胁迫指数等一系列生长、形态和生理指标的变化及其与抗性之间的关系等做过较多研究［4－5］。但在连续干旱的条件下，随着干旱胁迫程度加深，植物叶片内的叶绿素含量、游离脯氨酸与丙二醛含量、抗氧化保护酶如超氧化物歧化酶（superoxide dismutase，SOD）、过氧化物酶（peroxidase，POD）和过氧化氢酶（catalase，CAT）活性在胁迫的不同水平也呈现出不同变化规律［6－7］。这些研究结果都为植物抗旱能力评价奠定了良好的基础，但由于植物对干旱环境的适应具有多样性和复杂性，抗旱能力强弱评价也难以用一个通用指标来确定。因此，本研究以国内外早熟禾14个不同品种为试验材料，在幼苗期进行模拟干旱胁迫，通过对供试材料叶绿素（chlorophyll，CHL）含量、丙二醛（malonaldehyde，MDA）含量、脯氨酸（proline，Pro）含量、SOD活性、POD活性等生理生化指标的测定及隶属函数的分析，鉴定评价早熟禾苗期的抗旱性能，为干旱地区适宜早熟禾品种的选用及新品种选育提供依据。

1 材料与方法

1．1 材料

供试的14个早熟禾品种，斗士草地早熟禾和蓝钻草地早熟禾由北京正道公司提供，其余品种来自中国农业科学院草原研究所、中国农业科学院畜牧研究所、新疆农业大学和青海省畜牧兽医科学院。各供试材料的详细信息见表1。

表1 试验早熟禾编号及来源Table 1 Numbers and sources of the test bluegrass

1．2 试验设计

选择成熟、饱满、均匀一致、健康无病虫害的种子为萌发材料。先用0．1%的氯化汞溶液消毒10min，再用蒸馏水反复冲洗5～6遍，用滤纸吸干备用。试验选用沙壤土和蛭石（重量比1∶1）并经消毒，装入塑料花盆（规格：口径为20cm，高度为15cm），每盆装入2．5kg，置于智能温室中。2012年4月10日，将供试的14种早熟禾品种种子播种在花盆里，出苗后间苗，2～3个真叶定株，每盆留生长一致、分布均匀的幼苗15株，定期浇水，以保证幼苗的正常生长。待幼苗生长到3～4片真叶时，依据Michel公式［8］计算不同水势所需的PEG－6000的量，然后用该液一定的量进行浇灌并浇透，以保证溶液在盆中的均匀分布，在此条件下模拟土壤干旱处理，处理的水势梯度为0MPa（即为对照），－0．3，－0．6，－0．9和－1．2MPa。处理后每2d进行称重补水以维持溶液浓度。

设干旱处理与对照（正常浇水）两组，4次重复。处理组停止浇水，并于第7天采样测定各项指标，对照组仍然正常浇水，采样时间为上午8：00－9：00。

1．3 生理生化指标测定方法

各生理生化指标参照李合生［9］、张志良［10］的方法测定。叶绿素（CHL）含量采用丙酮反复提取法；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法；脯氨酸（Pro）采用酸性茚三酮染色法；超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑光还原法；过氧化物酶（POD）采用愈创木酚法。

1．4 抗旱性综合评价方法

用隶属函数法对14个早熟禾品种苗期抗旱性进行综合评价。用于分析的隶属函数值［X（u1），X（u2）］计算方程为：

式中，X为每一品种某一指标的测定值；Xmax为所有品种此指标的最大值；Xmin为所有品种此指标的最小值。若所测指标与植物的耐旱性呈正相关，则采用（1）式计算隶属值，负相关则用（2）式。累加各草种各指标的具体隶属值，并求出平均值后进行比较，平均值越大植物的耐旱性越强［11－12］。

1．5 数据统计分析

采用SPSS 13．0分析软件进行方差分析和显著性分析（P＜0．05）。

2 结果与分析

2．1 CHL含量

干旱胁迫下14份早熟禾材料的CHL含量变化如表2所示。结果表明，14个早熟禾品种叶片中CHL含量随干旱胁迫的加剧均呈下降趋势，其含量和降低幅度因品种而异。方差分析表明，在－0．3 MPa时，不同品种之间CHL含量差异显著（P＜0．05），而在其他水势梯度下，差异均不显著（P＞0．05）。在干旱胁迫第7天后，CK至－1．2MPa各水势梯度上14份材料CHL含量的均值分别为：1．52，1．33，1．21，1．02和0．72mg／g FW。与 CK比较，－0．3MPa至－1．2MPa的均值分别降低了0．19，0．31，0．50和0．80mg／g FW，呈明显的递减趋势。在－1．2MPa处理时，12号菲尔津草地早熟禾CHL含量减少的最少，下降了33%，而莫诺波利减少的最多，下降了65%。表明菲尔津早熟禾光合作用更强，对干旱的抵抗能力也更强。

2．2 MDA含量

在逆境胁迫下，植物膜脂往往发生过氧化作用，而丙二醛（MDA）是膜脂过氧化的最终产物，MDA含量越高，植物组织受伤越重，植物抗旱能力越弱［13］。本研究供试的材料随干旱胁迫强度的增加，MDA含量总体呈上升趋势（表3），14个品种在不同水势胁迫下，MDA含量均存在显著差异（P＜0．05），这表明在干旱胁迫下早熟禾幼苗受到了不同程度的伤害。在－0．3MPa胁迫下，大部分品种的MDA含量与CK相比变化不大，这表明短期的－0．3MPa水势对于早熟禾来说属于轻度胁迫，不会对其造成明显伤害。

表2 干旱胁迫第7天时早熟禾品种间叶绿素含量的差异Table 2 Differences in content of CHL among bluegrass varieties under drought stress on the 7th day

－0．9和－1．2MPa时，各品种的 MDA含量有大幅度的上升，说明对早熟禾有了明显的伤害。在－1．2MPa处理时，肯塔基的 MDA含量增加幅度最小，只增加了37%，莫诺波利的MDA含量增加幅度最大，比对照增加了350%，这说明在渗透胁迫时莫诺波利细胞膜系统的受损伤程度最重，肯塔基受损伤程度最轻，其他材料则介于这两者之间。

表3 干旱胁迫第7天时早熟禾品种间丙二醛含量的差异Table 3 Differences in content of MDA among bluegrass varieties under drought stress on the 7th day

2．3 Pro含量

在植物所含的氨基酸中，以Pro的渗透作用最为有效，无论是干旱、高温、低温和盐渍，还是营养不良等胁迫都会使植物体内大量积累Pro。逆境条件下植物体内游离Pro含量约为正常情况下的数十至数百倍［14］。本研究所用的全部供试材料随着干旱胁迫的加剧和胁迫时间的延长，Pro含量呈明显的上升趋势。干旱胁迫后第7天，CK至－1．2MPa各水势梯度上Pro含量的均值分别为：153．03，217．79，355．23，442．62 和 602．45 μg／g FW。在干旱胁迫进行7d后，所有品种对干旱胁迫的反应趋于一致，Pro含量随水势梯度呈明显的上升趋势。－0．3MPa至－1．2MPa的Pro含量与CK相比，分别上升了64．76，202．20，289．59，449．42μg／g FW。经方差分析表明（表4），14个品种在不同水势胁迫下，Pro含量均存在显著差异（P＜0．05）。－1．2MPa胁迫下，11号草地早熟禾幼苗的Pro含量增幅最大，蓝钻早熟禾增幅最小。

2．4 SOD活性

SOD是目前发现的唯一以O2－为底物的酶。在SOD作用下，通过催化歧化反应，将O2－歧化为O2和H2O2，并和POD协同作用之下，消除自由基对植物细胞的毒害作用，作为植物抗氧化系统的第一道防线，SOD在维持植物体内活性氧动态代谢平衡中起着极其重要的作用［15］。本试验中，在维持干旱胁迫第7天时，14个品种的SOD活性随干旱胁迫强度呈上升的变化趋势（表5）。CK至－1．2MPa各水势梯度上SOD活性的均值分别为：410．84，495．20，682．98，726．34和845．75U／（g FW·min）；－0．3MPa至－1．2MPa的SOD活性与CK相比，分别上升了84．36，272．14，315．50，434．91U／（g FW·min），表明早熟禾幼苗能忍耐一定的轻度胁迫，在高水势下SOD含量成倍增加，－1．2MPa处理时11号材料SOD含量比对照增加了296%，显著高于（P＜0．05）其他品种，说明11号品种叶组织具有较强的抵御活性氧伤害的能力。方差分析表明，14个品种在不同水势胁迫下，SOD含量均存在显著差异（P＜0．05）。

2．5 POD活性

POD是对环境变化较为敏感的保护性酶，能通过氧化相应基质清除低浓度的H2O2［16］。从表6可看出，干旱胁迫第7天后，各供试材料POD活性除了在－0．6MPa时普遍升高外，其余水势梯度下基本持平。CK至－1．2MPa各水势梯度上POD活性的均值分别为：131．51，126．02，172．36，126．78和129．81U／（g FW·min）。大部分品种在－0．3MPa时的POD活性与CK相比变化不大，说明－0．3MPa的干旱胁迫在短期内对早熟禾幼苗影响不大；－0．6MPa时，所有品种的POD活性均呈明显的上升，说明－0．6MPa的干旱胁迫激发了幼苗的POD活性，早熟禾幼苗对于－0．6MPa的水势胁迫敏感。－0．9MPa时，绝大多数品种的POD活性呈现下降趋势，在－1．2MPa时仍维持在这一水平下，某些品种的POD活性甚至比CK的还低，这可能是由于高强度干旱胁迫造成了早熟禾幼苗的代谢紊乱。经方差分析，14个品种在不同水势胁迫下，POD含量均存在显著差异（P＜0．05）。

表4 干旱胁迫第7天时早熟禾品种间脯氨酸含量的差异Table 4 Differences in content of Pro among bluegrass varieties under drought stress on the 7th day

表5 干旱胁迫第7天时早熟禾品种间超氧化物歧化酶活性的差异Table 5 Differences in SOD activity among bluegrass varieties under drought stress on the 7th day

2．6 隶属函数分析

利用隶属函数法对上述5个生理指标进行综合分析，结果表明（表7），恩托佩草地早熟禾隶属值0．61排第1，是14个早熟禾品种中抗旱性最强的，莫诺波利草地早熟禾和菲尔津草地早熟禾隶属值0．32，抗旱性最弱。抗旱性强弱顺序为：3号恩托佩草地早熟禾＞10号细叶早熟禾＞1号优异草地早熟禾＞2号斗士草地早熟禾＝9号蓝钻草地早熟禾＞7号草地早熟禾＞11号草地早熟禾＞4号草地早熟禾＞5号瓦巴斯草地早熟禾＞8号早熟禾＝13号肯塔基草地早熟禾＞14号草地早熟禾＞6号莫诺波利草地早熟禾＝12号菲尔津草地早熟禾。

表6 干旱胁迫第7天时早熟禾品种间过氧化物酶活性的差异Table 6 Differences in POD activity among bluegrass varieties under drought stress on the 7th day U／（g FW·min）

表7 14个草地早熟禾品种抗旱隶属函数比较Table 7 Comparison of the drought membership function of 14Kentucky bluegrass varieties

3 讨论

大量研究表明，利用PEG－6000模拟干旱水分胁迫来鉴定不同植物的抗旱性是一种比较可靠的方法［12］。干旱胁迫下，植物体的生理生化过程发生不同程度变化，MDA含量、SOD活性、POD活性等指标可作为抗旱性鉴定指标［17］。本研究利用PEG－6000模拟干旱胁迫，测定干旱胁迫下14个早熟禾品种苗期CHL含量、MDA含量、Pro含量、SOD活性、POD活性5个指标的变化，研究表明，在－0．6MPa水势时，各测试指标的变化趋势均出现了明显的转折点，说明－0．6MPa水势可能是早熟禾幼苗耐旱的关键水势点。王彬等［18］发现草地早熟禾种子萌发的适宜水势为≥－0．46MPa，而其萌发期抗旱临界水势可能在－0．6MPa。穆怀彬等［19］认为苜蓿（Medicagosativa）幼苗耐旱的关键水势点在－0．9MPa，说明不同物种对抗旱性反应能力不一定相同。

14个早熟禾品种幼苗在整个干旱胁迫过程中，叶绿素含量在持续减少，这可能是干旱胁迫引起叶绿素分解，诱发叶片衰老，减少有效叶面积，破坏植物光合作用。陈郡雯等［20］对聚乙二醇模拟干旱条件下白芷（Angelica dahurica）苗期抗旱性研究也证实了这一结果，也与李显利等［21］的研究一致。但与王彬等［22］对高羊茅（Festuca arundinacea）品种研究的结果不同。

丙二醛（MDA）是具有细胞毒性的物质，能与膜结构上的蛋白质和酶结合、交联而使之失去活性，从而破坏膜结构。MDA含量的高低在一定程度上能反映膜脂过氧化水平和膜结构的受害程度［23－24］。本试验中，随着干旱胁迫程度的加剧，14个早熟禾叶片中MDA累积量总体都在逐渐增加，各品种达到峰值的干旱程度不同。说明干旱会导致膜质过氧化和细胞膜系统破坏，品种不同，细胞质膜遭到的破坏程度不同。抗旱性强的品种MDA含量低，且在干旱胁迫下的增量小，反之则高，已在黑麦草（Loliumperenne）［14］、苜蓿［19］、高羊茅［22］、胡枝子（Lespedeza）［25］、红三叶（Trifoliumpratense）［26］等多种牧草的研究上得到了证实。

渗透调节物质的积累是植物响应干旱最直接的方式之一，Pro是植物在干旱胁迫下的有效渗透物质之一。Pro的积累可以降低植物细胞内的水势，防止水分外流，延缓缺水胁迫的加剧，增加植物的抗旱胁迫能力，同时起到保护细胞内大分子结构的作用［27－28］。目前，Pro是否可用作抗旱指标、Pro含量的增加与植物耐旱性之间的关系存在不同的看法，但大多数的研究者认为Pro能降低细胞的渗透势、有稳定和保护生物大分子的功能，其含量的高低与植物的抗旱性呈正相关［28－30］。本试验中，14个早熟禾品种的Pro含量随胁迫程度的加强在增大，说明逆境下Pro含量升高有利于植物体对逆境胁迫的抵抗，与王彬等［22］、张昌胜等［28］、籍越等［29］、石永红等［30］的研究结论一致，亦与Pro含量的高低与植物的抗旱性呈正相关观点吻合。并且本试验中Pro和MDA的变化趋势一致，因此，Pro含量可作为评判早熟禾品种抗旱性强弱的指标之一。

SOD、POD是生物体内清除活性氧的主要保护酶［25］。多数研究表明，植物在遭受逆境胁迫时，其体内SOD、POD活性均会上升［22］，本试验也证实了这一点。供试的14个早熟禾品种体内SOD活性随干旱胁迫加剧而持续增加，说明各品种都有在干旱下改变保护酶活性来抵御逆境，减轻伤害的适应机制，但其积累量和对干旱的敏感性因逆境条件和品种的不同而不同。POD活性呈先降低后升高再降低的趋势，在－0．6MPa时，绝大多数品种的POD活性明显上升并且都达到峰值，这可能是在－0．6MPa PEG胁迫下，环境缺水的信号激活了编码POD的基因，使得其活性不断上升，但随着胁迫程度升至－0．9MPa时，膜系统受伤害越来越严重，细胞内的各种代谢出现紊乱，POD活性又下降［31］。这可能是由于抗氧化保护系统的抵抗修复能力有一定的阈值［22］。杨顺强等［32］对5种引进禾本科牧草的研究也发现了上述现象。

植物的抗旱性由多基因控制，是由多种因素相互作用而构成一个较为复杂的综合性状。利用多个指标综合评价的抗旱性，使单个指标对评定抗旱性的片面性受到其他指标的弥补与缓和，从而使评定出的结果与实际结果较为接近［33］。近年来较多采用综合指标评价方法，如抗旱总级别法，模糊数学中的隶属函数法和聚类分析法等［34］。本试验采用模糊数学中的隶属函数法，对早熟禾不同品种苗期抗旱性进行了综合评价，使评定结果更能全面地反映品种的实际抗旱能力。

4 结论

14个早熟禾品种在干旱胁迫条件下，CHL含量随胁迫程度的加剧而下降；MDA含量、Pro含量及SOD活性随胁迫程度的加剧而上升。5个生理指标在14个早熟禾品种间均存在显著差异，可以作为早熟禾抗旱性的评价指标。

－0．6MPa的水势胁迫对于早熟禾幼苗是敏感的。各测试指标的变化趋势均出现了明显的转折点，说明－0．6MPa水势可能是早熟禾幼苗耐旱的关键水势点。

采用隶属函数法对所选用的14个早熟禾品种的抗旱性进行综合评价后，得出其抗旱性强弱顺序为：3号恩托佩草地早熟禾＞10号细叶早熟禾＞1号优异草地早熟禾＞2号斗士草地早熟禾＝9号蓝钻草地早熟禾＞7号草地早熟禾＞11号草地早熟禾＞4号草地早熟禾＞5号瓦巴斯草地早熟禾＞8号早熟禾＝13号肯塔基草地早熟禾＞14号草地早熟禾＞6号莫诺波利草地早熟禾＝12号菲尔津草地早熟禾。

［1］万开军，武高林，史晓霞，等．草坪草对干旱胁迫的反应与调节研究进展［J］．草业科学，2006，23（8）：97－102．

［2］Levit J．Response of Plant to Environmental Stresses［M］．New York：Academic Press，1972．

［3］Turner N C．Adaptation to water deficits：A changing perspective［J］．Australian Journal of Plant Physiology，1983，13：175－190．

［4］孙铁军，苏日古嘎，马万里，等．10种禾草苗期抗旱性的比较研究［J］．草业学报，2008，17（4）：42－49．

［5］许桂芳．PEG胁迫对2种过路黄抗性生理生化指标的影响［J］．草业学报，2008，17（1）：66－70．

［6］Wang J P，Bughrara S S．Evaluation of drought tolerance for Atlas fescue，perennial ryegrass，and their progeny［J］．Euphytica，2008，164：113－122．

［7］Abraham E M，Huang B R，Bonos S A，etal．Evaluation of drought resistance for Texas bluegrass，Kentucky bluegrass，and their hybrids［J］．Crop Science，2004，44：1746－1753．

［8］Michcl B E，Kaufmann M R．The osmotic potential of polyethylene glycol 6000［J］．Plant Physiology，1973，51：914－916．

［9］李合生．植物生理生化实验原理和技术［M］．北京：高等教育出版社，2000．

［10］张志良．植物生理学试验指导［M］．北京：高等教育出版社，1990：305－312．

［11］苏国兴，洪法水．桑品种耐盐性的隶属函数法之评价［J］．江苏农业学报，2002，18（1）：42－47．

［12］贾学静，董立花，丁春邦，等．干旱胁迫对金心吊兰叶片活性氧及其清除系统的影响［J］．草业学报，2013，22（5）：248－255．

［13］鲁存海．8种野生早熟禾抗旱性及草坪质量综合评价研究［D］．兰州：甘肃农业大学，2010．

［14］万里强，石永红，李向林，等．PEG胁迫下3个多年生黑麦草品种抗性生理研究［J］．草地学报，2009，17（4）：440－441．

［15］单宁伟，金基石，赵喜亭，等．切花月季Samantha失水胁迫耐性与其超氧化物歧化酶之间的关联［J］．中国农业科学，2005，38（7）：1431－1438．

［16］郭逍宇，熊薇，宫辉力，等．冷季型草坪草对再生水灌溉响应及适宜性评价［J］．环境科学与技术，2011，34（12H）：357－361．

［17］石永红，万里强，刘建宁，等．多年生黑麦草抗旱性主成分及隶属函数分析［J］．草地学报，2010，18（5）：669－672．

［18］王彬，李长鼎，兰剑．聚乙二醇－6000胁迫下十二个草地早熟禾品种萌发期抗旱性比较研究［J］．北方园艺，2012，24：54－58．

［19］穆怀彬，伏兵哲，德英．PEG－6000胁迫下10个苜蓿品种幼苗期抗旱性比较［J］．草业科学，2011，28（10）：1809－1814．