野生草地早熟禾对干旱胁迫的生理响应

2014-09-10白利国马晖玲

草原与草坪 2014年2期

白利国,俞玲，马晖玲

(甘肃农业大学草业学院/草业生态系统教育部重点实验室/甘肃省草业工程实验室/中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃兰州 730070)

草地早熟禾(Poapratensis)为禾本科早熟禾属优质冷季型草坪草，在中国栽培历史悠久，种植面积广泛，主要分布在西北和华北地区[1]。草地早熟禾以其适应性广、植株低矮、绿期长、坪质优美等特性，在绿化、美化城市、运动场建设、改善生态环境等方面被广泛应用，是我国北方地区常用建坪草种[2]。但草地早熟禾有生长缓慢、易感病、不抗虫、耐高温性能差、抗旱性不强等缺点，严重影响着其坪用质量和效率[3]。

我国地域辽阔，气候多样，干旱和半干旱地区面积约占国土面积的一半。水资源匮乏是一个普遍性的问题，尤其在西北地区显得更加突出[4]。干旱胁迫是限制草坪草生长的最重要的环境因子之一，发掘和选育出抗旱性强的早熟禾优良品种是促进我国干旱及半干旱地区草坪业发展的根本措施。

通过对野生草地早熟禾材料进行干旱胁迫，研究和分析干旱胁迫下不同材料的生理指标(相对含水量、叶绿素含量、丙二醛、可溶性蛋白质、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶)的变化，以期筛选出抗旱性强、表现好的材料为亲本，为进一步进行新品种的选育和改良奠定基础。

1 材料和方法

1.1 材料

野生草地早熟禾种子分别采自甘肃定西(安定区)、陇西、清水、秦州、西和。

草地早熟禾品种午夜2号由北京克劳沃公司提供。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计试验在甘肃农业大学草业学院培养室进行，2012年9月5日将草地早熟禾播种于直径18 cm的花盆内，种植土组成=有机质∶砂子∶黄河边表土=2∶1∶7，每份材料设置对照(干旱胁迫0 d)和处理2组，各3个重复，共种植36盆，待成坪后，开始干旱胁迫，处理组停止浇水，对照组继续浇水。2013年3月9日是干旱胁迫的第1 d，测定干旱胁迫第0、5、10、15、20 d各项生理指标。

1.2.2 指标测定方法丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸盐法测定[5]；相对含水量用称重法测定[6]；叶绿素含量采用丙酮反复提取法测定[7]；SOD活性采用氮蓝四唑光还原法测定[7]，POD活性采用愈创木酚法测定[8]；可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝G-250法测定[9]。

1.2.3 数据分析各供试材料的测试数据均采用Spss软件进行方差分析；采用隶属函数分析法对各供试材料的抗旱性进行综合性评价。该方法根据模糊数学原理，先将各指标换算成隶属函数值，然后对各材料隶属函数值求平均值，得出综合评价指标值，其值越大，说明抗旱性越强[10]。计算公式:

X(u) = (X-Xmin) /(Xmax-Xmin)

(1)

X(u)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中:X为各材料的某一指标测定值，Xmax和Xmin分别为各供试材料中指标的最大值和最小值，X(u)为植物的抗旱隶属函数值。如果指标与抗旱性呈正相关，则用式(1)计算；如果指标与抗旱性呈负相关，则用式(2)计算[11]。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下叶片相对含水量的变化

叶片相对含水量随着胁迫时间的延长均呈下降趋势，但变化幅度存在差异(表1)。在干旱胁迫前期(0～10 d)，相对含水量下降较缓慢，胁迫后期(10～20 d)时,所有材料的叶片相对含水量急剧下降，与对照(0 d)相比差异显著。干旱胁迫后，安定草地早熟禾相对含水量显著下降，但是与其他材料相比，下降幅度最小，只有29.8%。清水草地早熟禾的相对含水量下降的幅度最大，高达56.4%，其余各材料的相对含水量下降幅度居中。干旱胁迫期间，其含水量下降值大小依次为清水>秦州>西和>午夜2号>陇西>安定。

表1 草地早熟禾叶片相对含水量的变化Table 1 Variation of relative water content in leaf %

注：同列不同小写字母表示差异显著(P<0.05)，下同

2.2 干旱胁迫下叶片叶绿素含量的变化

6份草地早熟禾材料的叶绿素含量随胁迫时间的延长均呈下降趋势(表2),干旱胁迫前15 d,各材料叶绿素含量下降趋势缓慢，待胁迫到第20 d时，所有材料的叶绿素含量急剧下降，此时午夜2号的叶绿素含量最高，为1.17 mg/g，但与对照(0 d)相比显著下降,西和草地早熟禾叶绿素含量最低，为0.38 mg/g。其余材料叶绿素含量居中，各材料在干旱胁迫后的叶绿素含量高低依次是：午夜2号>安定>陇西>清水>秦州>西和。

表2 草地早熟禾叶片叶绿素含量的变化Table 2 Variation of chlorophyll content in leaf mg/g

2.3 干旱胁迫下叶片MDA含量的变化

随着胁迫时间的延长，所有草地早熟禾材料的MDA含量都呈上升趋势(表3)。胁迫到第15 d时，所有材料的MDA含量均缓慢上升，而西和草地早熟禾MDA含量却下降。干旱胁迫期间，清水草地早熟禾的MDA含量上升幅度最大，为20.75 nmol/g，午夜2号的上升幅度最小，为15.8 nmol/g。比较各材料叶片MDA含量上升幅度大小依次为：清水>秦州>西和>安定>陇西>午夜2号。

表3 草地早熟禾叶片MDA的含量变化Table 3 Variation of MDA content in leaf nmol/g

2.4 干旱胁迫下叶片可溶性蛋白质含量的变化

各份材料可溶性蛋白在干旱胁迫前15 d呈缓慢上升趋势，胁迫20 d时，可溶性蛋白质含量急剧上升，此时，陇西草地早熟禾可溶性蛋白质的含量最高，为0.798 mg/g，秦州含量最低0.472 mg/g。比较各材料叶片中可溶性蛋白质含量变化大小依次是：安定>陇西>西和>午夜2号>清水>秦州。

表4 草地早熟禾叶片可溶性蛋白质含量的变化Table 4 Variation of soluble protein content in leaf mg/g

2.5 干旱胁迫下叶片POD含量的变化

干旱胁迫第0～10 d内，6份材料的POD活性总体呈缓慢下降趋势，但变化幅度不同(表5)，胁迫至第15 d时，清水、秦州、西和草地早熟禾的POD活性开始缓慢下降，而安定、陇西和午夜2号的POD活性继续增大至峰值，分别为515.8，456.5和573.1 u/g，之后，所有材料的POD活性迅速下降，西和草地早熟禾下降幅度最大，陇西下降幅度最小。故比较各材料POD活性的变化大小顺序依次是：西和>秦州>安定>清水>午夜2号>陇西。

表5 草地早熟禾叶片POD活性的变化Table 5 Variation of POD activity in leaf u/g

2.6 干旱胁迫下叶片SOD活性的变化

在干旱处理的0～10 d，各材料的SOD活性缓慢增加，但在10 d后除清水草地早熟禾表现出缓慢的上升外，其余各材料都开始下降(表6)，胁迫15 d后，各材料SOD活性都表现出急速下降的趋势，在干旱处理20 d时，秦州草地早熟禾SOD活性最低，午夜2号SOD活性最高，干旱胁迫下各材料SOD活性变化大小依次是：秦州>清水>西和>午夜2号>陇西>安定。

2.7 隶属函数分析

清水、秦州、陇西、西和、安定、午夜2号的隶属函数均值分别为0.613 4、0.638 2、0.702 7、0.649 1、0.697 5、0.661 8，抗旱性强弱顺序为:陇西>安定>午夜2号>西和>秦州>清水(表7)。

表6 干旱胁迫下各个材料SOD活性的变化Table 6 Variation of SOD activity in leaf u/g

表7 隶属函数值与抗旱性综合评定Table 7 The membership function value and comprehensive assessment of drought resistance

3 讨论与结论

3.1 草地早熟禾在干旱胁迫下的生理响应及其抗旱性分析

3.1.1 相对含水量和叶绿素含量变化与抗旱性叶片相对含水量和叶绿素含量是衡量植物抗旱能力的重要指标[12]。在相同的水分胁迫下，抗旱性强的植物叶片相对含水量和叶绿素含量下降速度较慢，能保持较好的水分平衡；相反抗旱性弱的植物，下降速度较快，幅度较大，叶片生长受抑制程度较重，光合作用减弱。植物受到干旱胁迫时，这两项指标会随水分胁迫强度的增加而减少。本研究中，6份草地早熟禾材料的相对含水量和叶绿素含量随胁迫时间的延长均呈下降趋势，这与以往的研究相符[6,13]。陇西和安定草地早熟禾相对含水量和叶绿素含量在干旱胁迫下下降幅度最小，故从相对含水量和叶绿素含量变化来看，陇西和安定草地早熟禾相对于其他材料抗旱能力较强。

3.1.2 可溶性蛋白质和MDA含量变化与抗旱性可溶性蛋白质发挥了酶的功能和失水保护剂的作用[14]，在干旱胁迫下，植物叶片中可溶性蛋白含量的增加，对其适应干旱环境条件具有积极作用[15]。而MDA是质膜过氧化主要的产物之一，反映质膜过氧化作用的程度[16]。植物在干旱胁迫条件下，发生质膜的过氧化作用，MDA是膜脂过氧化作用的最终分解产物，干旱胁迫下，植物MDA含量越少，抗旱性越强；反之则越弱[17]。本研究中，干旱胁迫期间，各供试材料的可溶性蛋白质含量均增加，但是变化幅度因材料不同而不同，安定草地早熟禾可溶性蛋白含量增加幅度最大，秦州草地早熟禾可溶性蛋白增加幅度最小，因此，从可溶性蛋白含量变化来看，陇西草地早熟禾抗旱能力最强，秦州草地早熟禾抗旱能力最弱。此外，在干旱胁迫期间，MDA含量总体表现出上升趋势，表明干旱胁迫使得各材料细胞膜发生膜脂过氧化反应，反应产物积累，就MDA含量变化来看，6份草地早熟禾材料中，清水草地早熟禾的MDA含量上升幅度最大，抗旱性较差。野生材料中陇西草地早熟禾MDA含量上升幅度最小，抗旱力较强。

3.1.3 干旱胁迫下SOD和POD的活性变化相关研究表明，POD和SOD活性水平的高低与植物的抗旱性有非常紧密的联系[18]。干旱胁迫会破坏植物体内活性氧代谢平衡，引起膜脂过氧化，对膜系统、细胞、器官甚至整株植株造成伤害，而通过抗氧化系统来反映活性氧清除能力是衡量早熟禾耐旱性的重要指标[19]。关于POD和SOD在干旱胁迫下的变化不一致，Dhindsa 等[20]研究发现苔藓耐旱品种在缓慢干旱和快速干旱过程中SOD活性上升,而不耐旱品种活性下降。卢少云等[21]研究发现,干旱条件下抗旱性差的地毯草SOD 活性持续升高,POD活性降低,而抗旱性强的沟叶结缕草和矮生狗牙根的SOD活性表现出先升后降的趋势,POD 活性却持续升高。本研究中，干旱胁迫期间，各材料的SOD和POD活性先缓慢上升后下降，胁迫末期，SOD和POD活性与胁迫前相比显著下降，其中，安定和陇西草地早熟禾SOD和POD活性下降幅度最小，表明其抵御活性氧伤害的能力将强，秦州和西和草地早熟禾下降幅度最大，表明在干旱胁迫下它们对活性氧的清除能力较差，植株体更容易受到伤害。因此，SOD和POD活性而言，安定和陇西草地早熟禾抗旱能力最强，秦州和西和草地早熟禾抗旱能力最弱。

3.2 各供试材料抗旱能力的综合性评价

植物的抗旱性是其适应干旱环境的一种生理反应，受多种因素影响和控制，因此，应对多个指标进行综合评价，从而避免单个指标进行评价的不确定性和片面性。结合干旱胁迫对植物生长发育的影响，采用隶属函数法能对植物的抗旱性进行较客观地综合评价[22-27]，本研究采用隶属函数法，对6份草地早熟禾材料的6种抗旱性生理指标进行综合分析，结果表明，在整个干旱胁迫过程中，供试材料对干旱的反应存在差异，这与材料来源有关，不同材料在各自不同的生境中表现出相应的适应性，综合评价草地早熟禾材料的抗旱能力大小顺序依次为陇西>安定>午夜2号>西和>秦州>清水。

研究结果表明，所有供试材料对干旱胁迫均能产生一定的抗旱生理响应。在这5份野生草地早熟禾中，陇西和安定的野生草地早熟禾与其他材料相比，抗旱性表现较突出，并且强于午夜2号。

参考文献:

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