干旱胁迫对内蒙古草原多根葱生理生化指标的影响

包秀霞，包秀平，廉 勇

(1.呼和浩特民族学院 环境工程系，内蒙古 呼和浩特 010051；2.江西省进贤县三中，江西 南昌 331700； 3.内蒙古农牧业科学院 蔬菜所，内蒙古 呼和浩特 010031)

多根葱(Alliumpolyrhizum)大量分布在荒漠化草原地带，是百合科葱属多年生草本植物，也是典型的旱生植物，鳞茎外围包着一层很厚的枯死鳞茎皮，于地表处形成保护层，防旱和防热，减少鳞茎根系曝晒和蒸发水分。遇干旱年份，到了生长季节仍保持休眠状态，其萌发期可推迟，以避过干旱。关于植物抗旱机理方面，国内外学者已有了大量的研究，但目前对荒漠草原典型旱生植物—多根葱抗旱机理方面系统的研究还未见报道。

干旱是影响植物分布和生长发育的主要环境因子之一，其危害程度在诸多非生物胁迫中占首位。随着全球气候与环境的变化，加之降水季节和地域分布极不均匀，水资源短缺日趋明显，土壤有效含水量逐年减少[1]。据统计，我国约有三分之一的土地处于干旱区，其他地区在植物生长季节也常发生不同程度的干旱，即干旱胁迫[2]。范苏鲁等[3]研究表明，随着干旱胁迫程度的增加，大丽花叶片相对含水量、水势和叶绿素显著下降，相对电导率、丙二醛含量显著增加，抗氧化酶SOD、POD和CAT活性先上升后下降。植物在干旱环境下会引起膜伤害和膜透性的增加，以及生物自由基的累积，而植物体内抗氧化酶类和小分子物质可以清除这些活性氧自由基，这是植物对不良环境的适应性反应[4]。本试验为了探索内蒙古不同草原区多根葱抗旱性差异的原因，对内蒙古四子王旗草原内蒙古农牧业科学院科研基地、赤峰巴林右旗巴音塔拉苏木和鄂尔多斯鄂托克前旗城川镇珠拉图嘎查草原多根葱生理生化指标进行分析，以期为今后的栽培应用及抗性新品种的选育提供基础数据，为多根葱抗旱种质的改良、创新等研究提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验于2015年7-8月在内蒙古农牧业科学院蔬菜所实验室进行。供试材料为内蒙古四子王旗草原内蒙古农牧业科学院科研基地(Ⅰ)、赤峰巴林右旗巴音塔拉苏木(Ⅱ)和鄂尔多斯鄂托克前旗城川镇珠拉图嘎查(Ⅲ)草原多根葱，4月底在内蒙古农牧业科学院日光温室种植于育苗盆中，每盆装基质(壤土∶草炭 ∶沙土=5∶3∶2)共10 kg。苗长到15 cm左右时，选取生长健壮、长势一致的苗子，并测定生理生化指标。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 采用上口径30 cm，底面直径25 cm，高27 cm的黑色聚丙烯塑料盆作为育苗容器，试验设置2个处理：一组是对照组(CK)，正常浇水保证植物的旺盛生长；一组为处理组，2015年7月底进行干旱胁迫，将每盆充分灌溉，使土壤含水量一致，停止灌溉后等土壤自然落干后进行干旱胁迫，干旱胁迫共分为3个阶段，设停水10，20，30 d的胁迫处理，每一阶段对不同草原区多根葱分别选择3～5个大小均匀的成熟叶片作为供试材料。在处理10，20，30 d后分别采样后放入冰壶中，迅速带回实验室进行相关指标的测定，每个处理组设3次重复。

1.2.2 测定指标及方法 叶片相对含水量采用烘干称量法测定[5]，叶片电解质渗透率采用电导仪法测定[6]，叶绿素含量采用丙酮浸提法测定[6]，叶片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法测定，叶片脯氨酸含量采用磺基水杨酸提取茚三酮显色法测定[6]，叶片SOD活性采用氮蓝四唑(NBT)光还原法测定，叶片POD活性采用愈创木酚法测定，叶片CAT活性采用紫外分光光度法测定[5]，UV-2450型紫外可见分光光度计测定吸光值，均重复3次。

1.3 数据处理

采用Excel、SPSS 19.0(用单因素方差分析one-way ANOVA)和最小显著差异法(LSD)比较不同处理组数据的差异，用Pearson相关系数评价不同指标间的相关关系，并用模糊数学隶属函数统计分析。

本试验用模糊数学隶属函数法[7]。以下公式计算：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(某一指标与抗性为正相关时使用此公式)；

X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(某一指标与抗性为负相关时使用此公式)。

X=参试植物某一抗性指标的测定值；Xmax=所有指标中的最大值；Xmin=所有指标中的最小值。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下多根葱叶片水分状况的变化

由表1可以看出，随着干旱胁迫时间的延长，3个样地多根葱叶片相对含水量逐渐降低，含水量降低幅度最高为赤峰，最低为鄂尔多斯，且各处理间存在显著差异。水分饱和亏随着干旱胁迫时间的延长，变化趋势与含水量相反。说明，取样地Ⅱ和 Ⅲ多根葱抗旱能力高于样地Ⅰ。

2.2 干旱胁迫下多根葱叶片叶绿素含量和相对电导率的变化

从表2分析结果能看出，随着处理时间的延长，3个样地多根葱幼苗叶片中叶绿素a、b含量、总叶绿素含量及类胡萝卜素含量均呈先上升后下降的趋势；20，30 d处理下叶绿素含量与对照之间存在显著差异(P<0.05)；随着处理时间的延长，相对电导率呈逐渐上升的趋势，对照与其他各处理间均存在显著差异(P<0.05)。

表1 干旱胁迫下多根葱叶片相对含水量和水分饱和亏Tab.1 Relative water content and water saturation deficit in Allium polyrhizum leaves under drought stress %

注：表中数据为均值±标准误差；同列同一个样地不同处理下不同字母表示差异显著(P<0.05)。表2同。

Note：Mean±SD；Different letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.05 level. The same as Tab.2.

表2 干旱胁迫下多根葱叶片叶绿素和相对电导率

2.3 干旱胁迫下多根葱叶片脯氨酸和丙二醛含量的变化

表3试验结果表明，随着干旱胁迫时间的延长，3个样地多根葱幼苗叶片脯氨酸和丙二醛含量呈逐渐上升的趋势；重度处理下，样地Ⅱ和 Ⅲ脯氨酸含量增幅高于样地Ⅰ，样地Ⅰ丙二醛含量增幅高于其他2个样地，3个样地对照与其他处理间基本达到显著和极显著差异。

表3 干旱胁迫下多根葱叶片脯氨酸和丙二醛含量Tab.3 Proline and MDA content in Allium polyrhizum leaves under drought stress(Mean±SD) μg/g

注：同列同一个样地不同处理下不同大写字母表示极显著差异(P<0.01)；同列同一个样地不同处理下不同小写字母表示显著差异(P<0.05)。表4同。

Note：Different uppercase letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.01 level. Different letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.05 level. The same as Tab.4.

2.4 干旱胁迫下多根葱叶片抗氧化物酶活性的变化

由表4可知，随着胁迫时间的延长，3个样地多根葱叶片SOD、POD、CAT活性基本呈先上升后下降的趋势。SOD、POD和CAT活性在20 d处理最大，30 d处理逐渐下降。3个样地的20 d处理与对照处理间SOD、POD和CAT活性达到显著和极显著差异。这说明，一定强度的干旱胁迫可使多根葱叶片的抗氧化酶SOD、POD和CAT活性上升；但严重的干旱胁迫可能抑制了SOD、POD和CAT活性，使之降低。

表4 干旱胁迫下多根葱叶片SOD,POD和CAT活性

2.5 干旱胁迫下多根葱叶片生理生化指标的相关分析

表5相关分析结果表明，相对含水量与水分饱和亏呈极显著负相关，与脯氨酸呈显著负相关，与类胡萝卜素含量呈显著正相关。总叶绿素与叶绿素a、b含量间呈极显著正相关，叶绿素a与叶绿素b间呈显著正相关，叶绿素a、b、总含量与SOD、POD间呈显著正相关。相对电导率与CAT活性间呈极显著负相关，与脯氨酸、丙二醛含量呈显著正相关。脯氨酸与丙二醛呈显著正相关，与CAT活性呈显著负相关。丙二醛与SOD、POD、CAT活性呈显著负相关，SOD与POD活性呈显著正相关。

表5 干旱胁迫下多根葱叶片各生理生化指标的相关系数Tab.5 Correlation coefficients physiological and biochemical indexes in Allium polyrhizum leaves under drought stress

注：*.P<0.05；**.P<0.01。

Note:*.P<0.05；**.P<0.01.

2.6 抗旱性综合评价

用隶属函数法对多根葱叶片生理生化指标进行抗旱性综合评价，得到平均隶属函数值，排列出了3个样地多根葱耐旱强弱顺序。如表6所示，隶属函数均值最大为样地 Ⅰ，最小的为Ⅱ，样地Ⅱ居中，其耐旱性强弱顺序为：Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ。

表6 干旱胁迫下多根葱抗旱性综合评价(隶属函数法)Tab.6 Effects of drought stress in Allium polyrhizum on drought resistance indexes of comprehensive evaluation(Membership function method)

3 讨论

3.1 干旱胁迫对植物叶绿素及膜脂过氧化作用的影响

在水分胁迫条件下，植物的敏感程度在某种程度上可以用叶绿素变化来指示[8]。薛彦斌等[9]研究发现，水分胁迫下3种藤本地被植物叶绿素含量呈下降趋势。质膜是分割细胞内、外物质的主要屏障，细胞与环境进行物质交换的重要通道，也是感受外界环境胁迫最敏感的部位[10]，植物叶片中相对电导率的增加，能评价植物细胞的伤害程度[5]。在逆境条件下，膜脂过氧化反应的变化已广泛用于植物对逆境反应机理的研究中[11]。干旱胁迫可使植物体内自由基积累量上升，产生活性氧(ROS)；而ROS的化学性质极为活泼，可与植物叶片中全部生物大分子进行化学反应，破坏其活性构象，影响细胞的正常代谢，使其丙二醛(MDA)含量增加，从而破坏膜的结构[12]。MDA的积累是反映细胞膜脂过氧化作用强弱和质膜破坏程度的重要指标，也是反映干旱胁迫对植物造成伤害的重要参数[13]。本研究中，随着干旱胁迫时间的延长，多根葱叶片电导率总体呈上升趋势。这与植物在逆境胁迫时，细胞膜受损，透性增大，使电解质外渗量增加，膜透性增大程度与逆境胁迫程度有关的观点相一致[14]。

3.2 干旱胁迫对植物渗透调节物质-脯氨酸的影响

植物受到胁迫时，植物体内游离脯氨酸逐渐积累，在植物的渗透调节中起重要作用。干旱胁迫下，植物通过渗透调节增加细胞溶质含量，保持细胞水分从而抵御不利环境，其中脯氨酸是重要的调节物质。植株体内的脯氨酸含量可以作为植物缺水情况的参考性生理指标[15]。有研究发现，可以用脯氨酸的积累来衡量植物的抗旱性[16]。有的研究者认为抗旱性强的植物所积累的脯氨酸少，而抗旱性弱的植物所积累的脯氨酸较多[17]，而更多的研究正好相反，即抗旱性强的植物所积累的脯氨酸较多，而抗旱性弱的植物所积累的脯氨酸相对较少[18-19]。不同植物在干旱条件下脯氨酸的积累速度、幅度与不同植物的生理调节特性有关。本研究中，水分胁迫下多根葱叶片中脯氨酸含量显著增加，这与范苏鲁等[3]的研究结果相一致。脯氨酸与相对含水量呈负相关关系，并且胁迫后期显著增加，说明脯氨酸积累对干旱胁迫产生了反应，这与范苏鲁等[3]研究结果相一致。

3.3 干旱胁迫对植物叶片保护酶系统的影响

在整个抗氧化防御系统中，SOD是所有植物中起重要作用的抗氧化酶，能够有效地清除植物活性氧，减轻膜脂过氧化，引起膜伤害；POD是植物体内担负清除H2O2的主要酶类之一，POD能催化H2O2氧化其他底物后产生H2O。CAT也是生物体内极为重要的保护酶，它也能清除细胞内过多的H2O2，使其维持在低水平上保护细胞膜的结构。有研究结果表明，干旱胁迫下SOD、POD和CAT活性逐渐增强，具有维持活性氧代谢平衡、保护膜结构的功能。在适度逆境诱导下，植物叶片中SOD、POD和CAT活性增加，以提高植物的适应能力；研究发现，在胁迫试验中，酶活性一般随胁迫强度增加而增加，达到严重胁迫后逐渐降低，或者呈先增加后降低的基本趋势[20]。本试验结果表明，多根葱抗氧化酶活性先升高后降低，在一定干旱胁迫范围内，通过增加酶活性来提高适应干旱胁迫的能力。但当胁迫超出其忍耐范围，保护酶活性则会下降，说明多根葱忍耐干旱胁迫的能力也是有限的。这与范苏鲁[3]、张文辉等[21]在栓皮栎上的研究结果相一致。

3.4 植物抗旱性的综合评价

植物叶片是植物进行同化作用与蒸腾作用的主要器官，其形态和解剖结构特征最能体现环境因子的影响程度及植物对环境条件的适应能力[22]，基本能反映抗旱程度的大小，是重要的耐旱性指标，因此，研究植物叶片生理生化特征对诠释物种的抗旱性机制具有重要的意义。另外，在植物的抗旱性研究中水分生理生态特征也一直是研究的重点和热点[23-24]。经过研究，各种植物材料的抗旱性是采用不同指标时评价结果差异较大，参差不齐，由于植物抗旱机理的复杂性及植物对干旱适应的多样性，单一的指标很难判断植物抗旱性的强弱，只有采用多指标的综合性评价，才能比较客观地反映植物的抗旱性。抗逆性评价方法中，模糊数学隶属函数法为目前应用最广的抗旱综合分析方法，隶属函数综合评价法对植物的抗旱性评价较有可靠性，本研究采用隶属函数法综合植物生理生化特征对植物的抗旱性进行的评价是比较可靠的。本试验中，隶属函数法抗旱性综合评价多根葱耐旱性强弱顺序为Ⅰ> Ⅲ>Ⅱ。