不同白羊草居群对干旱胁迫的生理响应及抗旱性评价

钟 华， 董 洁， 郭晋梅， 董宽虎

(1. 山西农业大学动物科技学院，山西 太谷 030801； 2. 北京市科学技术情报研究所，北京 100044)

干旱是导致植物形态、生理及基因表达变化的世界性问题，也是限制植物生长发育及增产的主要逆境因子之一[1-2]。因此，在淡水资源严重匮乏的环境压力下，开展牧草抗旱性研究的应用价值就显得格外重要[3]。白羊草[Bothriochloaischaemum(L.) Keng]为禾本科(Gramineae)孔颖草属(Bothriochloa)多年生植物，具有产量高、营养价值丰富、适口性好、适应性强、再生力强、耐牧、耐践踏等优良特性，主要分布在我国暖温带灌草丛地带，在水土保持及饲草供应方面具有非常重要的意义[4-6]。白羊草能够很好的适应其所处生境的水热条件变化，从而成为响应全球气候变化的主要植物，也是北方退化草地恢复与碳储存的重要植物[7]。程林梅等[8]研究表明，白羊草在干旱胁迫下有良好的适应性和忍耐性。此外，适宜的氮磷肥料或适当浓度的CO2有助于增强白羊草对干旱胁迫的耐受性，缓解干旱胁迫造成的不利影响，提高白羊草的抗旱性[9-14]。刘娟等[15-16]发现，野生型白羊草抵御干旱胁迫的能力大于栽培型。然而，遗传变异普遍存在于自然界中，天然居群由于地理隔离和山脉河流等天然屏障，有限的基因流可能会导致居群间遗传分化加大，从而增加物种适应剧烈变化环境的潜力[17-18]。因此，不同居群白羊草的抗旱能力必然也会存在巨大差异，充分挖掘不同居群野生白羊草种质资源的抗旱性对其遗传多样性的应用具有重要意义。本研究选择山西省境内10个不同地区的野生白羊草居群进行干旱胁迫，通过对其幼苗的抗旱性指标进行比较评价，旨在筛选出抗旱性较强的白羊草种质资源材料，为野生白羊草的驯化及其新品种选育提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料来源

试验以采集山西省10个不同地区的野生白羊草为材料，其种子保存于山西农业大学草业科学系种质资源库，各供试材料详细信息如表1所示。

表1 材料来源Table1 Sources of materials

1.2 干旱处理

试验采用盆栽法于山西农业大学草业科学实验室日光温室内进行，盆口内径25 cm、高20 cm，盆栽用土采用山西农业大学动物科技试验站牧草试验田的耕层土(0～20 cm)，其田间最大持水量为23.91%，pH为7.5。每盆装过筛的风干土7 kg，于2013年7月5日播种，每盆播种50粒，播种后在土壤表面覆细沙以防土壤板结，苗期保持充分供水。苗齐后间苗，每盆留苗20株。待白羊草幼苗生长至平均20 cm时开始干旱处理，处理前1次性浇水，使桶内土壤含水量保持在19.13±3.38%(相当于田间持水量的80%)。每个居群设置4个干旱胁迫处理梯度(表2)，每个处理设3次重复，共120盆，用称重法控制土壤含水量。各个处理在达到设定水分梯度后第20天取样，于-80℃冰箱中保存，用于测定各项指标。

表2 干旱胁迫处理水平Table 2 Level of drought stress treatments

1.3 测定指标

1.3.1生长性能指标 取样前用直尺测量每盆全部植株的高度(cm)，并收集每盆全部植株的地上部分和地下部分，风干后测定其干重(g)作为地上生物量和地下生物量，以计算其根冠比(植株地下生物量/地上生物量)。

1.3.2生理指标 参照李合生的《植物生理生化实验原理和技术》[19]。采用酸性茚三酮显色法测定游离脯氨酸(proline，Pro)含量，采用硫代巴比妥酸法测定丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量，采用氮蓝四唑法测定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性，采用愈创木酚法测定过氧化物酶(peroxidase，POD)活性，采用蒽酮比色法测定可溶性糖(soluble sugar，SS)含量。

1.3.3耐旱隶属函数值 利用模糊数学中隶属函数法对不同材料耐旱性进行综合评价。求出供试材料的各测定指标在不同胁迫程度下的隶属值Zij，计算公式为：Zij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。式中：Xij为i材料j指标在某一次采样下的测定值，Xjmax为该次采样j指标测定最大值，Xjmin为该次采样的j指标最小值，如果j为负向指标那么就用反隶属函数Zij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。最后把j指标在不同处理下的隶属值累加，在各指标权重相同的前提下求其平均值，该平均值即为i材料j指标的耐旱隶属函数值[20]。

1.4 数据分析

所有数据均采用Excel 2010录入及作图，利用SPSS 18.0统计软件对各参数进行单因素方差分析(ANOVA)、显著性检验与多重比较(P=0.05)。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同居群白羊草生长性能的影响

不同居群白羊草株高均随干旱胁迫程度的增加而呈下降趋势，但各居群下降幅度存在一定的差异(表3)，因对不同干旱胁迫程度的响应而异。在各干旱胁迫程度下，LF居群的白羊草株高均最大，显著(P<0.05)高于其他居群；LL居群的白羊草株高最小，显著(P<0.05)低于其他居群。在重度胁迫(T3)下，ZY居群相对CK的降低幅度最大，比CK下降50.52%；而XX居群降幅最小，下降20.01%。

表3 不同干旱胁迫水平下白羊草株高Table 3 Plant height under different drought stress level/cm

注：同列不同小写字母表示相同胁迫水平不同居群间差异显著(P<0.05)，下同

Note：Different lowercase letters within the same column indicate significant differences among different populations with the same drought stress at the 0.05 level. The same as below

在干旱胁迫时，植株通过加强根系生长来提高其对深层土壤水分和养分的吸收利用，进而得以维持其正常生长发育。不同居群白羊草根冠比均随干旱胁迫程度的加剧而增加，但各居群变化幅度不同(表4)。轻度胁迫(T1)下，ZY居群增幅最大，比CK增加了83.33%；YS居群增幅最小，仅23.53%。中度胁迫(T2)下，LL居群增幅最大，比轻度胁迫(T1)增大了1倍；YS居群仍增幅最小，为23.81%。在重度胁迫(T3)下，ZY居群白羊草的根冠比最大，且其变化幅度也最大，较中度胁迫(T2)增大了3.25倍。

表4 不同干旱胁迫水平下不同居群白羊草根冠比Table 4 Root shoot ratio under different drought stress level

2.2 干旱胁迫对不同居群白羊草游离脯氨酸(Pro)含量的影响

不同居群白羊草Pro含量均随干旱胁迫程度的增加而呈升高趋势，但不同居群间变化程度不同(图1)。在正常供水(CK)及轻度(T1)、中度(T2)胁迫下，LF居群白羊草Pro含量均最大，显著(P<0.05)高于其他居群；而XX居群白羊草Pro含量均最小，显著(P<0.05)低于其他居群。在重度胁迫(T3)下，FY居群白羊草Pro含量最高，显著(P<0.05)高于其他居群，且与CK相比增加幅度最大，此时Pro含量是CK的13.27倍；而YS居群白羊草Pro含量最低，显著(P<0.05)低于其他居群，且与CK相比增幅最小，仅为CK的4.22倍。

图1 不同干旱胁迫水平下游离脯氨酸(Pro)含量的变化Fig.1 The change of Pro contents under different drought stress level注：相同处理下不同小写字母表示不同居群间差异显著(P<0.05)，下同Note：Different lowercase letters in the same treatment indicate significant differences among different populations at the 0.05 level. The same as below

2.3 干旱胁迫对不同居群白羊草丙二醛(MDA)含量的影响

MDA是膜脂过氧化产物，它的含量决定了植物的受害程度。在干旱胁迫下，不同居群白羊草的MDA含量均随干旱胁迫程度增加而呈上升趋势，但不同居群之间增加幅度不同(图2)。LF居群变化幅度最大，在正常供水(CK)下，LF居群MDA含量最低，为22.53 μmol·g-1·FW，而在重度胁迫(T3)下含量达到40.25 μmol·g-1·FW，比CK增加了78.65%，增幅最大。重度胁迫下MDA含量最低的是XX和FY居群，且其MDA含量较CK增加幅度最小，分别增加了48.85%和48.97%。

图2 不同干旱胁迫水平下丙二醛(MDA)含量的变化Fig.2 The change of MDA contents under different drought stress level

2.4 干旱胁迫对不同居群白羊草超氧化物歧化酶(SOD)活性的影响

不同居群白羊草SOD活性均随干旱胁迫程度增加而呈上升趋势，且各居群间变化幅度存在差异(图3)。在各水分条件下，XX居群白羊草的SOD活性最大，均显著(P<0.05)高于其他居群。随着干旱胁迫程度的加剧，在中度胁迫(T2)下，LF居群白羊草SOD活性比CK增加了47.71%，在各居群间增幅最大；在重度胁迫(T3)下，YS居群增幅最大，比CK增加了1.05倍。

图3 不同干旱胁迫水平下SOD活性的变化Fig.3 The change of SOD activity under different drought stress level

2.5 干旱胁迫对不同居群白羊草过氧化物酶(POD)活性的影响

随干旱胁迫程度增加，不同居群白羊草POD活性变化存在差异(图4)。FY、LF、LL、XX和YQ居群白羊草POD活性呈上升趋势，而HY、PD、TG、YS和ZY居群白羊草POD活性呈先升后降趋势，且均在中度干旱胁迫(T2)时达到最高水平。在中度胁迫(T2)下，TG居群白羊草POD活性增幅最大，比CK增加了1.5倍，但随胁迫程度加剧活性下降。在重度胁迫(T3)下，LL居群白羊草POD活性显著(P<0.05)高于其他居群，相比CK增幅最大，增加了1.12倍。

图4 不同干旱胁迫水平下POD活性的变化Fig.4 The change of POD activity under different drought stress level

2.6 干旱胁迫对不同居群白羊草可溶性糖(SS)含量的影响

不同居群白羊草SS含量均随干旱胁迫程度增加而呈上升趋势，且各居群间变化幅度存在差异(图5)。在正常供水(CK)条件下，FY、LF、LL、PD、YS和ZY居群白羊草SS含量显著(P<0.05)高于HY、TG、XX和YQ居群，但随着干旱胁迫程度的增加，到重度胁迫(T3)下，TG居群白羊草的SS含量较CK增加了1.35倍，而ZY居群仅增加了0.62倍。在中度(T2)和重度(T3)胁迫下，FY居群白羊草SS含量显著(P<0.05)高于其他居群，而YQ居群白羊草SS含量显著(P<0.05)低于其他居群。

图5 不同干旱胁迫水平下SS含量的变化Fig.5 The change of SS content under different drought stress level

2.7 隶属函数分析

利用隶属函数法对上述7个指标进行综合分析表明(表5)，FY居群白羊草隶属值最大，为0.618，抗旱性最强；YQ居群白羊草隶属值最小，为0.383，抗旱性最弱。不同居群白羊草的抗旱性强弱顺序为：FY >LF>TG>XX>LL>ZY>YS>PD>HY>YQ。

表5 不同居群白羊草抗旱隶属函数值比较Table 5 Comparison of subordinate function value of different populations of old world bluestem

3 讨论

植物在干旱胁迫下会从形态结构、生理生化等多层次上表现出相关的系统适应性[21]。本试验结果表明，随干旱胁迫程度的增加，不同居群白羊草的株高均呈下降趋势，而其根冠比均呈增大趋势，但是不同居群变化程度存在差异，表明不同居群白羊草对干旱胁迫的适应性存在差异。这与易津等[22]研究赖草属(Leymus)牧草幼苗耐旱性的结果相一致。

渗透调节物质的积累是植物适应干旱胁迫的基本特征之一，Pro积累可以增加植物对干旱胁迫的耐性[23-24]。本研究表明，不同居群白羊草Pro含量均随干旱胁迫程度增强而升高，且升高幅度有所不同，表明不同居群白羊草的抗旱能力存在差异。其中FY居群白羊草在不同胁迫程度下Pro含量较高，尤其在重度胁迫(T3)下达到最高，表明Pro的积累有可能提高了该居群的抗旱耐性，因此，隶属函数分析表明FY居群白羊草抗逆性最强。SS也是植物体内一类重要的渗透调节物质，在植物对水分胁迫的适应性调节中，逐渐积累进行渗透调节，阻止细胞膜解离，增强细胞保水能力，稳定细胞结构，防止细胞脱水[20]。本研究发现，不同居群白羊草SS含量随干旱胁迫程度增加而升高，这与武燕奇[20]、史玉炜等[25]的研究结果相符。此外，不同居群白羊草SS含量增加幅度存在差异，说明不同居群白羊草的抗旱能力不同。其中TG居群白羊草的SS含量随胁迫程度的加剧而增加幅度最大，表明其具有较强的渗透调节能力，抗旱性也较强。所以隶属函数分析表明TG居群白羊草的抗旱性能位居第3位。

干旱胁迫会破坏植物细胞内氧自由基产生与清除的平衡，从而导致细胞膜脂质过氧化，使植物受到伤害，并产生MDA，MDA含量越大，表明植物受干旱胁迫越严重[26]。本试验表明，不同居群白羊草MDA含量随干旱胁迫程度加剧而升高，表明白羊草幼苗受到的伤害逐渐增大，这与朱慧森[27]、郭郁频[28]的研究结论一致。FY居群白羊草的MDA含量较低，且其增加的幅度较小，因而其抗旱能力最强。干旱胁迫时，植物体内SOD和POD可以清除过量积累的活性氧，从而保护植物免遭伤害[29]。因此，干旱胁迫下，抗氧化酶酶活性越高，消除活性氧的能力越强，植物的抗逆性也越强[30]。本研究中，不同居群白羊草SOD和POD活性均随干旱胁迫程度加剧而升高，这表明更多的活性氧被清除[31-32]。然而，HY、PD、TG、YS和ZY居群白羊草的POD活性随干旱胁迫程度加剧而呈先升后降的趋势，并在中度胁迫(T2)时达到最高水平，可能与POD活性在重度干旱胁迫下遭到破坏有关，这与季杨等[3]在干旱胁迫对鸭茅(Dactylisglomerata)的POD活性的影响的结果一致。

4 结论

干旱胁迫下，10个野生居群白羊草株高均随胁迫程度的增加而降低，其根冠比均随胁迫加剧而增加，其Pro、MDA和SS含量及SOD和POD活性均随胁迫程度加剧而增加。采用隶属函数法综合分析得出其抗旱性强弱顺序为：汾阳居群>娄烦居群>太谷居群>隰县居群>柳林居群>中阳居群>榆社居群>平定居群>浑源居群>阳曲居群。