3个品种剑麻抗旱生理指标比较及抗旱性评价

王春雪等

摘 要 以云南元谋干热河谷引种的3个剑麻（Agave sisalana）品种“H.11648、广西76416、肯尼亚K2”为试验材料，采用盆栽试验的方法，设置干旱胁迫组与正常浇水组，研究连续进行了4个月，每月测定一次形态指标及生理指标，对比研究了剑麻不同品种间的抗旱能力差异与干旱环境下的生理响应。研究结果表明：剑麻在干旱胁迫下，叶片叶绿素含量、丙二醛含量、脯氨酸含量、过氧化物酶活性、超氧化物歧化酶活力都有一定程度的增加，叶片含水量则有一定程度地降低，尤其是在干旱胁迫的第一个月中，变化程度更明显。隶属函数比较表明，3个品种的抗旱能力大小比较为：广西76416>肯尼亚K2>H.11648。

关键词 剑麻；干热河谷；抗旱；生理指标

中图分类号 Q945.79 文献标识码 A

Abstract Three Agave sisalana varieties， H. 11648， Guang Xi 76416， Kenya K2， were selected as the test materials in the dry-hot valleys Yuanmou， Yunnan. The drought resistance physiology were studied for four months. An pot experiment method was used and the morphological indices and physiological indices were determined. The results showed that under drought stress， the total chlorophyll content， MDA content， proline content， POD activity， SOD activity in the leaves of the three Agave sisalana varieties had a certain degree of increase， while the water content decreased. Especially in the first month of drought stress， the change was more obviously. At last， the comparisons of the three Agave sisalana were presented， and the drought resistance capacity of the three Agave sisalana varieties was： Guang Xi 76416>Kenya K2>H.11648.

Key words Agave sisalana；Dry-hot valley；Drought resisting；Physiological indices

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2014.10.006

元谋位于金沙江流域干热河谷区，此区域属于生态严重受损的流域，土地退化严重，水土流失强烈[1]。在该区域的山地陡坡、贫瘠冲沟等水肥条件极端恶劣的区域，植物基本上不能生长，但是在这种极端恶劣的环境下，剑麻（Agave sisalana）却可以存活，为该区域的水土保持及植被恢复做出了重要的贡献[2]。水分条件是植物生长的重要环境因子之一，影响着植物形态、生理生化代谢及地理分布范围。同时，水分胁迫是各种胁迫环境中最常见、最普遍的逆境因子之一，尤其在元谋干热河谷，水分胁迫对植物的影响尤为突出，成为制约植物生长的关键因素。前人研究结果表明，植物都有一整套抗旱机制，不同品种的植物也会有所差异[3]。渗透调节、酶系统调节、水分调节以及其他的生理调节机制都会启动，用于抵抗干旱逆境，保证植物的正常代谢。脯氨酸就是渗透调节中重要的一员，且抗旱性强的品种脯氨酸的积累量要大于抗旱性弱的[4]。丙二醛是植物膜系统遭到破坏的指示物质[5]，在干旱胁迫下其含量升高。植物可通过增强保护酶活性清除活性氧自由基以避免干旱对其造成伤害，从而增强抗旱性[6-7]。同时，叶绿素含量及叶绿素a与叶绿素b的比值也常作为抗旱评价的指标[8]。植物含水量是反映植物组织水分生理状况的重要指标，一般来说植物组织含水量的多少与其生命活动强弱有一定关系，在一定范围内组织的代谢强度与其含水量成正相关[9]。因此，笔者进行了不同品种剑麻的盆栽控水试验，研究了3个品种剑麻的的若干抗旱生理指标在干旱胁迫下的变化特征，同时，对不同品种的剑麻做了抗旱能力评价，为更好地利用剑麻来进行干热河谷区的生态恢复提供了理论依据。

1 研究区域概况及研究方法

1.1 研究区域概况及供试材料

元谋干热河谷位于金沙江流域，101°35′～102°06′E，25°23′～26°06′N，海拔1 000～1 400 m之间，年均温21.5 ℃，最热月（7月）均温为27.1 ℃，最冷月（1月）均温为14.9 ℃，年均降水量<700 mm，其中6～10月降雨量占年降水量的90%以上，年均蒸发量>3 000 mm。供试材料为引种于广西的3个品种的剑麻H.11648、广西76416和肯尼亚K2，均选择苗龄为18个月的大苗进行试验。供试土壤为砖红壤，采自元谋典型的贫瘠冲沟内，其中全氮（以N计）为0.069%，全磷（以P计）为0.033%，全钾（以K计）为0.557%，土壤容重为1.68 g/cm3。

1.2 方法

1.2.1 实验设计 盆栽试验于元谋干热河谷云南省农业科学院热区生态农业研究所试验大棚内进行，试验于2012年8月到2012年11月，历时4个月。试验分6个小组，其中每个品种分别设立干旱胁迫组和正常给水组，每个试验小组设置10个剑麻盆栽，供试花盆高23 cm，口径为34 cm，装消毒干土5 kg，不添加任何肥料，严格模拟野生土壤环境。干旱胁迫组剑麻每30 d浇水1次，浇水量为1 L，土壤含水量保持在4%～6%；正常给水组剑麻每7 d浇水1次，水量为1 L，土壤含水量保持在30%～35%。各组剑麻的生理指标每月测定一次，连续测定4个月，胁迫组在每次浇水前一天早上测定。生理指标每组选取3个植株进行测定，叶片均选取最新伸展且没有病害的叶片。

1.2.2 实验分析方法及数据处理 测定的指标有：叶片叶绿素含量、MDA含量、脯氨酸含量、POD活性、SOD活性、叶片含水量，测定方法参照陈建勋文献中的方法[10]。叶片含水量用烘干法测定。

1.3 数据处理与分析

数据采用Excel和Spss软件进行分析，采用Excel作图。不同品种剑麻的综合抗旱能力用模糊数学的隶属函数进行评价。

2 结果与分析

2.1 不同水分条件下3个品种剑麻叶片叶绿素含量的变化

水分胁迫下叶绿素含量的变化，可以指示植物对水分胁迫的敏感性[4]。3个品种剑麻叶绿素含量在干旱胁迫下和正常浇水下随时间变化（图1），结果表明，在干旱胁迫下，10月份叶绿素含量的平均值最高，而在正常浇水情况下8月份叶绿素含量最高。两组比较可知在干旱胁迫下，3个品种剑麻的叶绿素含量都有一定程度的增加。3个品种剑麻叶绿素含量的平均值变化趋势表明了剑麻这个物种在干热河谷生长时的整体生理水平，是剑麻是否适应干热河谷干旱胁迫的综合体现。3个品种剑麻间比较的结果可知，H.11648含量最低，其他两个品种间的差异不显著。在干旱胁迫下3个品种叶片叶绿素含量都有所升高，

叶绿素a/b比值下降的程度可以评定作物品种的抗旱性[13-14]。从图2可以看出，综合3个品种剑麻的平均值，干旱胁迫下叶绿素a/b在8月份最高，10月份最低；而在正常浇水情况下则9月份最高，11月份最低。3个品种剑麻的叶绿素a/b在干旱胁迫下都有不同程度的下降，而H.11648下降最明显。

2.2 不同水分条件下3个品种剑麻叶片丙二醛含量（MDA）的变化

由图3可知，3个品种的剑麻在干旱胁迫下MDA含量都有升高，其中9月份升高程度最大，11月份升高程度最小。这说明剑麻在刚接触水分胁迫环境时，生物膜有一定程度的破坏，但在几个月的适应后又呈现出适应干旱胁迫的特征。

2.3 不同水分条件下3个品种剑麻叶片脯氨酸（PRO）含量的变化

由图4可以看出，与正常浇水的剑麻相比，干旱胁迫下3个品种的剑麻叶片脯氨酸含量都有一定程度的增加，且在9月份增加值最大，广西76416的脯氨酸含量显著高于其它2个品种，且在干旱胁迫下增加幅度最大。

2.4 不同水分条件下3个品种剑麻叶片过氧化物酶活性（POD）的变化

干旱胁迫下植物抗旱能力和受伤害程度与保护酶的活性变化密切相关，POD就是保护酶系统中的重要一员。在干旱胁迫条件下POD的增加程度与植物的抗旱能力密切相关。在干旱胁迫下，剑麻H.11648和肯尼亚K2的POD活性都有一定程度的增加（图5），其中肯尼亚K2的增幅最大。

2.5 不同水分条件下3个品种剑麻叶片超氧化物歧化酶活性（SOD）的变化

由图6可以看出，3个品种的剑麻在干旱胁迫条件下，SOD活力在10月份最高，9月份最低，与正常浇水组相比较，干旱胁迫组的SOD活力呈先增加后降低的趋势。

2.6 不同水分下3个品种剑麻叶片含水量的变化

植物组织的含水量越高，其吸水能力越强，在干旱条件下抗旱能力越强[15-16]。由图7可以看出，在干旱胁迫下，9月份3个品种剑麻的含水量最低，10月11月又有一定程度的升高。这说明剑麻在适应干旱胁迫的过程中，第一个月是受胁迫最严重的时期，以后又会有一定程度的适应。3个品种的剑麻比较可知肯尼亚K2在连续干旱胁迫4个月后叶片的含水量在3个品种的剑麻中是最高的，这说明肯尼亚K2在持续干旱胁迫下仍能保持较高的代谢水平，抗旱能力更强。

2.7 剑麻抗旱能力动态变化综合评价

剑麻抗旱指标的隶属函数值及其排序见表1，表明3个品种剑麻的抗旱能力整体表现都以9月份抗旱能力最强，这说明这3个品种的剑麻在干旱胁迫的第一个月都迅速表现出迅速的抗旱能力。3个品种间比较可知广西76416的平均值较其他两个品种高，这说明广西76416在干旱胁迫下有更高的抗旱能力。3个品种的抗旱能力大小比较为：广西76416>肯尼亚K2>H.11648。

3 讨论与结论

有研究结果表明，耐旱的沙漠植物，在适度干旱条件下叶绿素含量可提高20%～60%，而不耐旱的植物在干旱条件下叶绿素含量则明显下降。对甘薯的研究也表明，叶绿素在干旱胁迫条件下都有所下降，但高抗旱性品种下降幅度小于低抗旱性品种[13]。前人对沙地云杉的研究得出，随着胁迫强度增加，超过了其补偿能力，叶绿素含量下降；但当胁迫强度再增加时，叶绿素含量又有所升高，但这次升高其实是一种假象，主要是因为针叶含水量下降所致[9]。本研究中干旱胁迫下3个品种的剑麻叶片叶绿素含量都是先升高后又有一定程度的降低，这与耐旱植物的研究结果相似，说明在适度干旱的条件下剑麻叶绿素含量有一定程度的提高，但在长期的干旱胁迫下，超过了植物本身的补偿能力，叶绿素含量又有所下降。在正常浇水的条件下，3个品种的剑麻叶绿素含量都有一定程度的波动变化，但是变化均不显著。

叶绿素a对活性氧的反应较叶绿素b敏感，活性氧直接引发叶绿素的破坏及部分特异性地破坏叶绿素a[17-18]，致使叶绿素含量下降及叶绿素a/b比值降低[19]。邹春静[20]等研究表明，当抗旱性较强的紫果型沙地云杉遭受干旱胁迫时因其体内有较强的活性氧清除系统，使得其叶绿素a/b比值下降较少。而抗旱性弱的绿果型沙地云杉的叶绿素a/b比值下降较多。笔者对不同品种的剑麻研究表明，剑麻广西76416和肯尼亚K2的叶绿素a/b在干旱胁迫下有较低程度的下降，而剑麻H.11648在干旱胁迫下有较大程度的下降，这表明较另外两个品种的剑麻，H.11648的抗旱能力更差。

丙二醛是膜质过氧化的次生代谢产物，它可与细胞膜上的蛋白质、酶等结合、交联使之失活，从而破坏生物膜的结构与功能，因此，丙二醛含量是鉴定植物膜质过氧化程度的重要指标。丙二醛含量越高说明植物受毒害越严重，抗旱性越差。本研究结果表明，H.11648和肯尼亚K2两个品种的剑麻在干旱胁迫下机体迅速产生毒害，而广西76416的毒害则慢慢升高。这说明，剑麻H.11648和肯尼亚K2对干旱胁迫，细胞膜都有一个迅速的反应过程，积累大量的MDA，从而破坏细胞膜结构。而剑麻广西76416的MDA含量则缓慢上升，对细胞膜的破坏程度相对较低。

渗透调节是植物对于水分胁迫产生的保护性反应的一个重要生理机制，脯氨酸是一种重要的渗透调节物质，且含量较稳定，测定过程不易受环境影响[21]。前人对水稻和马蔺的研究表明，在干旱胁迫下，植物脯氨酸的含量都大幅增加[20，22]，干旱下脯氨酸积累越多植物越抗旱[23-24]。对顶果木的研究表明，其游离脯氨酸含量在干旱胁迫下出现先增加后降低的趋势[25]。而对中国沙棘、金银花、宁杞的研究表明，在干旱胁迫下脯氨酸含量在植物体内都有不同程度的积累[26]。本研究结果表明，广西76416在干旱胁迫条件下脯氨酸含量高于其他两个品种，这说明其渗透调节要优于其他两个品种，具有更强的抗旱能力。

SOD是脂膜过氧化防御系统的主要保护酶，它能催化活性氧发生歧化反应产生分子氧和H2O2，再通过POD、CAT等对H2O2的分解，消除O2-对生物体的伤害[27-28]。研究表明，在适度逆境诱导下SOD活性增加以提高植物的适应力[29-30]。干旱胁迫下植物体水分平衡受到干扰会造成活性氧的积累，此时保护酶系统迅速响应以降低活性氧可能带来的伤害，同时保护膜脂过氧化造成的损伤。抗旱性强的植物具有良好的抵御和适应不良环境的生理策略，如及时启动抗氧化系统，主动进行生理调节等[31]。3个品种的剑麻在干旱胁迫下SOD的酶活性迅速上升，说明这3个品种的剑麻都依靠启动抗氧化机制来抵御干旱的危害。本研究结果表明肯尼亚K2是通过大量增加POD活性来适应干旱胁迫的，而广西76416叶片的POD含量在干旱胁迫下呈降低趋势，说明广西76416在干旱胁迫条件下POD的反应较其他两个品种滞后。

通过对元谋金沙江干热河谷引种的3个品种剑麻的抗旱生理分析表明：剑麻在干旱胁迫下，叶片叶绿素含量、丙二醛含量、脯氨酸含量、POD活性、SOD活力都有一定程度的增加，叶片含水量则有一定程度的降低，尤其是在干旱胁迫的第一个月中，变化程度更明显。这说明，剑麻抗干旱胁迫的关键时期在第一个月，在这一时期剑麻的抗旱机制迅速启动，抗旱物质迅速增加。

植物的抗旱性受其生理生化特征的综合作用，单一的抗旱指标不足以判断植物对干旱胁迫的综合适应能力，只有用多个指标综合评价才具有代表性[32]。这主要是因为剑麻的抗旱机理是一个相当复杂的生理过程，某一个指标只能说明其一方面的反应，难以准确评价剑麻的整体抗旱变化趋势，因此，只有从各个方面综合评价剑麻的抗旱特性，才能得出比较客观的结论。剑麻抗旱指标的隶属函数值及其排序表明，3个品种剑麻的抗旱能力整体表现都以9月份抗旱能力最强，这说明这3个品种的剑麻在干旱胁迫的第一个月都迅速表现出迅速的抗旱能力。3个品种间比较可知广西76416的平均值较其他两个品种高，这说明广西76416在干旱胁迫下有更高的抗旱能力。3个品种的抗旱能力大小比较为：广西76416>肯尼亚K2>H.11648。

参考文献

[1] 方海东， 纪中华， 杨艳鲜， 等.金沙江干热河谷新银合欢人工林物种多样性研究[J]. 水土保持研究， 2005， 12（1）： 135-137.

[2] 纪中华， 刘光华， 段曰汤， 等. 金沙江干热河谷脆弱生态系统植被恢复及可持续生态农业模式[J].水土保持学报， 2003， 17（5）： 19-22.

[3] 张 娜， 赵宝平， 郭若龙， 等.水分胁迫对不同抗旱性燕麦品种生理特性的影响[J]. 麦类作物学报， 2012， 32（1）： 150-156.

[4] Claves M M， Oliveira M M Mechanisms underlying plant resilience to water deficits： prospects for water-saving agriculture[J]. Journal of Experimental Botany. 2005， 55， 2 365-2 384.

[5] 陈少裕.膜脂过氧化对植物细胞的伤害[J].植物生理学通讯，199l， 27（2）： 84-90.

[6] 白志英， 李存东， 吴同燕.干旱胁迫条件下小麦旗叶酶活性和丙二醛含量的染色体定位明[J].植物遗传资源学报， 2009， 10（2）： 255-261.

[7] 张 娜， 赵宝平， 任 鹏， 等.水分胁迫对不同抗旱性燕麦品种根部生理特性的影响[J]. 中国农学通报， 2012， 28（21）： 63-69.

[8] 曹 兵， 苏润海， 王 标， 等.水分胁迫下臭椿幼苗几个生理指标的变化[J]. 林业科技， 2003， 28（3）： l-3.

[9] 朱春云， 赵 越， 刘 霞， 等.锦鸡儿等旱生树种抗旱生理的研究[J]. 干旱区研究， 1996， 13（1）： 59-63.

[10] 陈建勋， 王晓峰.植物生理学实验指导[M]. 广州： 华南理工大学出版社， 2002.

[11] 黎燕琼， 刘兴良， 郑绍伟， 等.岷江上游干旱河谷四种灌木的抗旱生理动态变化[J]. 生态学报， 2007， 27（3）： 870-878

[12] 王 移， 卫 伟， 杨兴中， 等. 黄土丘陵沟壑区典型植物耐旱生理及抗旱性评价[J]. 生态与农村环境学报， 2011， 24（4）：56-61.

[13] 徐 小. 水分胁迫对三桠生理特性的影响安徽农业大学学报[J]. 1995， 22（1）： 42-47.

[14] 戴建良， 王 芳， 何虎林， 等.侧柏不同种源对水分胁迫反应的初步研究——水分状况、电导率和叶萎蔫表现[J]. 甘肃林业科技， 1997（2）： l-7.

[15] 张 莉， 续九如.水分胁迫下刺槐不同无性系生理生化反应的研究[J]. 林业科学. 2003， 39（4）： 162-167.

[16] 吴 迪， 龙秀琴， 唐金刚， 等.干旱胁迫对3种藤本植物抗旱生理特性的影响[J]. 贵州农业科学， 2013， 41（6）： 69-71.

[17] Ingunn M V， Roar M， Eli R.Diurnal temperature ahernations（DIF/drop） affect chlorophyll content and chlorophyll a/chlorophyll b ratio in Melissa officinalis L. and Ocimum basilicum L.， but not in Viola×wittrockiana Gams[J]. Science Horticult. 2003， 97： l53-l62.

[18] 许长成， 邹 琦， 程炳嵩. 干旱条件下大豆叶片H2O2代谢变化及其同抗旱性的关系[J]. 植物生理学报， 1993， l9： 216-220.

[19] Ruth H and Harald P. Folding in vitro of light-harvesting chlorophyll a/b protein is coupled with pigment binding[J]. Journal of Molecular Biology. 2002， 318： 547-556.

[20] 蔡昆争， 吴学祝， 骆世明.不同生育期水分胁迫对水稻根叶渗透调节物质变化的影响[J]. 植物生态学报， 2008， 32（2）： 491-500.

[21] 解 芳， 翟国伟， 邹桂花， 等.干旱胁迫对高粱苗期抗旱生理特性的影响[J]. 浙江农业学报， 2012， 24（5）： 753-757.

[22] 史晓霞， 毛培春， 张国芳，等. 15份马蔺材料苗期抗旱性比较[J]. 草地学报， 2007， 15（4）： 352-358.

[23] 张 攀， 杨培志， 王卫栋， 等.干旱胁迫下根瘤菌共生紫花苜蓿抗旱生理变化研究[J]. 草地学报， 2013， 21（5）： 938-944.

[24] 蒋宣斌， 耿养会， 彭 秀，等.常绿岩垂草抗旱生理特性分析[J]. 西南林业大学学报， 2012， 32（4）： 17-21.

[25] 郝 建， 全昭孔， 农 志， 等. 顶果木抗旱生理特性研究[J].中国农学通报， 2014， 30（1）： 16-19.

[26] 宋维秀， 王志涛， 马正华， 等. 青藏高原区3种经济灌木的抗旱生理研究[J].中国林业科技大学学报， 2012， 32（9）： 28-31.

[27] BOWLER C， SLOOTEN L， VANDENBRANDEN S， et a1. Manganese superoxide dismutase can reduce cellular damage mediated by oxygen radicals in transgenic plants[J]. Embo Journal， 1991（10）： 1 723-1 732.

[28] MCKERS1E B D， CHEN Y， de BEUS M. Superoxide dismutase enhances tolerance of freezing stress in transgenic alfalfa（Medicao saiva L.）[J]. Plant Physiol， 1993（103）： 1 155-1 163.

[29] CHIRS B， MARC V H， DIRK I， Superoxide dismutase and stress tolerance[J]. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology， 1992， 42（1）： 43-83，

[30] 张文辉， 段宝利， 周建云， 等.不同种源栓皮栎幼苗叶片水分关系和保护酶活性对干旱胁迫的响应[J]. 植物生态学报， 2004， 28（4）： 483-490.

[31] 吴 勤， 张光灿， 裴 斌，等. 3个树种对不同程度土壤干旱的生理生化响应[J]. 生态学报， 2013， 33（12）： 3 648-3 656.

[32] 李长慧， 李淑娟， 雷有升， 等. 3种高原乡土禾草的抗旱生理比较[J]. 草业科学， 2013， 30（9）： 1 386-1 393.