高寒燕麦苗期抗旱性研究

罗兴雨，李亚萍，陈仕勇，周青平*，陈有军，田莉华，陈振华

(1.西南民族大学青藏高原研究院，四川 成都 610041；2.西南民族大学生命科学与技术学院，四川 成都 610041)

【研究意义】燕麦(AvenasativaL.)是禾本科燕麦属的一年生长日照草本植物，是世界性栽培作物，也是目前我国重要的粮饲兼用作物，具有耐旱、耐瘠薄等特性，对土壤有良好的适应性[1]。燕麦具有较高的经济价值，主要体现在营养、医疗保健和饲用等方面[2]，其籽实所含的蛋白质、脂肪和可溶性膳食纤维在粮谷类中居于首位，被营养学家誉为“全价营养食品”[3]。燕麦作为食品有降低血压、降低胆固醇、防治大肠癌、防治心脏疾病的医疗价值及保健作用[4]。燕麦籽实还可作为饲养家畜、家禽的优质饲料，对提高猪牛羊肉质和牛羊的奶质有重要作用[5]。燕麦不论是作为青饲料还是调制为干草都具有极好的适口性和高消化率[6]。目前，燕麦已经成为青藏高原高寒牧区人工草地建设的重要草种之一，对高原草地畜牧业发展具有重要的作用。【前人研究进展】随着全球极端气候频发，水资源分配不均，可利用灌溉水资源减少，干旱对全世界作物的影响不断扩大，因此水资源危机已成为21世纪最突出的环境问题。我国是世界上13个淡水资源匮乏的国家之一，每年因旱灾造成的粮食损失惨重[7]。干旱严重制约了植物的生长发育，干旱条件下作物失水萎焉、光合抑制、产量减少、衰老加快最终影响了作物的生长生存，干旱胁迫亦会导致植物的生理结构、地理分布等发生改变[8]。目前，对于高原栽培的牧草，抗旱性是非常重要的一个评价指标。刘新等通过测定相对含水量、相对电导率和叶绿素含量等生理特征指标综合评价了6份短芒披碱草苗期的抗旱性，为川西北牧区人工草地建设及沙化地治理选育抗旱性牧草品种提供了理论依据[9]。杨满业等研究了川西北5种常见多年生牧草品种苗期抗旱性生理生化指标的动态变化，综合评价表明抗旱性由高到低依次为阿坝硬秆仲彬草>阿坝燕麦>川草2号老芒麦>阿坝垂穗披碱草>川草3号虉草，研究结果为高原牧草栽培及沙化草地恢复选育优质品种提供了重要依据[10]。柏晓玲等评价了6个燕麦品种在萌发期的抗旱性，结果表明青莜3号、林纳等品种的抗旱性较强，而青海甜燕麦的抗旱性相对较弱[11]。【本研究切入点】为了进一步研究高寒牧区燕麦苗期对干旱胁迫的响应，本试验通过石英砂水培的方法，利用不同浓度的PEG溶液模拟干旱胁迫程度，并测定一定时间范围内(0～14 d)燕麦叶片叶绿素含量、相对含水量、相对电导率、根茎叶生长量，探究燕麦幼苗对不同干旱胁迫强度的响应以及其在对应胁迫强度下的存活能力，并预期筛选出适宜实验室研究的干旱胁迫程度，【拟解决的关键问题】以期为今后更深入探索燕麦节水栽培技术以及研究燕麦抗旱机理提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验材料为高寒牧区皮燕麦品种青燕1号(AvenasativaL. cv. Qingyan No.1)，由西南民族大学青藏高原研究院提供。

1.2 试验设计

挑选大小一致、颗粒饱满、无残缺的燕麦种子，经1 %的NaClO消毒洗净后，均匀的播撒在盛有等量石英砂的培育盆中(21 cm×15 cm×6 cm)，置于条件为白天24 ℃/16h，夜间20 ℃/8h，光照强度为600 mmol·m-2·s-1，相对湿度为75 %的光照培养箱内，然后用蒸馏水培养10 d待种子发芽后，更换为Hoagland全营养液培养，之后每3 d更换1次培养液。待幼苗长到两叶一心期时，分别用添加0 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %PEG溶液的Hoagland完全营养液进行干旱胁迫，另用不加PEG的Hoagland完全培养液继续培养作为对照，每个处理3次生物学重复。分别在PEG胁迫的0、7和14 d采样进行相关指标的测定。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 叶片叶绿素含量的测定 称取燕麦叶片0.2 g剪碎放入试管中，并加入80 %丙酮与95 %乙醇混合液(1∶1，V/V)20 mL，置于暗处，期间摇动数次，当叶片完全变白时倾出浸提液，分别测定663和645 nm处的吸光度(OD663和OD645)，利用Arnon公式计算叶绿素含量[13]，每个处理3个重复。

1.3.2 叶片相对含水量的测定 分别称取各处理组，青燕1号燕麦幼苗叶片0.1 g的鲜样(FW)；然后将称取的样品用纱布包住完全浸没于蒸馏水中，4 ℃放置24 h，使组织充分吸水达到饱和后，将叶片从蒸馏水中取出，用吸水纸迅速吸去叶片表面的水分，称取其饱和鲜重(SFW)；将叶片放于信封中，在烘箱中105 ℃下杀青60 min，然后70 ℃烘干48 h至恒重，称取干重(DW)。根据公式RWC(%)=[(FW-DW)/(SW-DW)]×100计算得出[14]。

1.3.3 相对电导率的测定 分别取燕麦幼苗叶片0.1 g，洗净后用单层面纸包好放入试管中，加入20 mL去离子水使包好的样品完全浸没在水中，在25 ℃培养箱中放置24 h，震荡混匀后用电导仪测定初电导率S1；然后在水浴锅中煮沸至植物组织完全杀死后，冷却至室温后振荡混匀，测定其终止电导率(S2)。相对电导率(EL)(100 %)=S1/S2×100 %计算得出[15]。

1.3.4 茎叶生长量 每盆收集5株燕麦幼苗的地上部分(茎)称其鲜重，烘干后测定其干重[16]，每个处理3个重复。

1.3.5 根生量 每盆收集3株燕麦幼苗的地下部分(根)称其鲜重，烘干后测其干重[16]。每个处理3个重复。

表1 不同PEG浓度对燕麦幼苗叶绿素含量的影响

注：垂直方向的不同字母表示了每一个处理在不同浓度的PEG下差异显著(P<0.05)。

Note:The different letters in the vertical direction indicate that each treatment has significant differences in PEG at different concentrations at 0.05 level.

1.4 数据统计与分析

采用Excel 2007对数据进行统计和作图，使用SPSS 18.0软件中一般线性模型(GLM)程序进行单因素方差分析，采用Duncan法对测定指标进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对燕麦幼苗叶绿素含量的影响

由表1可知，随着干旱胁迫程度的增加和干旱胁迫时间的延长，燕麦幼苗叶片叶绿素a含量、叶绿素b含量和总叶绿素含量均呈下降趋势。这表明不同程度的干旱胁迫以及长时间的干旱胁迫均影响了叶绿素含量。正常水分条件下(0 d)，各处理组燕麦幼苗叶片的叶绿素含量基本没有差异。在干旱胁迫的第7 天时，与对照相比，5 %、10 %、15 %的PEG溶液显著抑制了叶绿素a的含量，但三者间无显著差异(P>0.05)，而PEG浓度达到20 %和25 % 时，叶绿素a含量进一步显著降低，分别比CK降低了58.93 %和72.45 %(P<0.05)，在干旱胁迫14 d时，各PEG处理叶绿素a含量进一步显著降低，但是不同处理间有差异。与叶绿素a相比，干旱胁迫对燕麦叶绿素b和总叶绿素的含量影响较大，5 %和10 %PEG处理之间就已经达到显著差异。当PEG浓度达到15 %时，在干旱胁迫的第7和14天，与CK相比，叶绿素b和总叶绿素含量分别显著降低了32.53 %、40.49 %和37.32 %和50.27 %(P<0.05)。

2.2 干旱胁迫对燕麦幼苗叶片相对含水量的影响

由图 1可知，在干旱胁迫下，燕麦幼苗叶片的相对含水量明显下降。随着PEG浓度的升高和处理时间的延长，燕麦幼苗的叶片相对含水量呈下降趋势。在正常水分条件下，燕麦幼苗叶片含水量均达到80 %以上，在干旱胁迫第7天时，5 %的PEG处理就显著降低了叶片的相对含水量(P<0.05)，当PEG浓度达到20 %时燕麦相对含水量下降至对照组的1/4倍，且与20 %处理组无显著差异(P>0.05)。在干旱胁迫的14 d，各处理燕麦幼苗相对含水量进一步显著降低，当PEG浓度为15 %时，相对含水量与对照组相比下降了64.61 %，而25 %PEG胁迫组的燕麦相对含水量下降至最低为14.22 %，且与对照组相比下降了82.64 %，差异达到显著水平(P>0.05)。

2.3 干旱胁迫对燕麦幼苗相对电导率的影响

如图2所示，随着干旱胁迫的加剧和胁迫时间的延长燕麦幼苗相对电导率均呈上升趋势。这说明胁迫程度的增加以及时间的延长都会使燕麦幼苗的相对电导率升高，在正常水分条件下，燕麦幼苗相对电导率值均较低仅有11 %左右，但在干旱胁迫的第7和14天时，与对照组相比，各处理相对含水量均显著增加(P<0.05)。在干旱胁迫的第7天时，5 %PEG处理组的相对电导率开始显著高于对照组，15 %和20 %处理组相对电导率比对照组高76.65 %和82.53 %。在第14天，燕麦幼苗的相对电导率显著升高，当PEG浓度达到15 %时，相对电导率显著高于对照组(P<0.05)，达到对照组的8倍。15 %胁迫组显著高于5 %胁迫组，但PEG浓度大于15 %时，相对电导率仍显著升高。

图1 不同PEG浓度处理下3个时间点燕麦幼苗相对含水量的变化Fig.1 Changes of relative water content of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

图2 不同浓度PEG处理下3个时间点燕麦幼苗相对电导率的变化Fig.2 Changes of relative electrolytic leakage of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

2.4 干旱胁迫对燕麦幼苗地上和地下生物量的影响

由图3所示，在正常处理情况下，燕麦幼苗茎和根的鲜重、干重均随时间增加呈上升趋势，但随着PEG处理浓度的升高，茎和根的鲜干重均明显下降。表明干旱胁迫对燕麦幼苗的生长均有明显的抑制作用。在干旱胁迫第7天时，5 %PEG浓度就显著抑制了燕麦幼苗茎叶和根的鲜重，而直到25 %的PEG才显著抑制了茎叶的干重，且低浓度及中度干旱胁迫(5 %、10 %、15 %PEG)诱导了根干重的增加，分别比对照增高了38.46 %、30.78 %、15.38 %(P<0.05)。在第14 天时，所有PEG处理的根干重都显著低于对照(P<0.05)。

3 讨论与结论

植物的抗旱性是一个复杂的生理调控机制，受多种因素共同影响。植物在干旱条件下呈现衰老加速的趋势，其主要原因是自由基和活性氧的浓度超过了伤害“阈值”，导致蛋白质、核酸、酶结构被氧化破坏，并进一步促进膜脂过氧化，使膜的透性增强，导致离子外渗，植株表现出生活力下降的现象[17]。研究发现，干旱对燕麦的伤害机制主要涉及形态、生理生化以及遗传特性等方面。因此，本试验通过4项指标评估了燕麦种质材料对干旱胁迫的响应，以期探究燕麦对不同程度及长时间干旱胁迫的适应性反应。

图3 不同PEG浓度3个时间点燕麦幼苗生物量的变化Fig.3 Biomass changes of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

叶绿素是光合作用的主要色素，在光能的吸收传递和转换中起着至关重要的作用，叶绿素含量的高低密切影响着光合作用固碳的效率，也影响着植物抗旱性的强弱[18]。干旱胁迫会使植物体内水分含量降低，当植物细胞失水达到一定程度时，叶片叶绿体就会变形，并且片层结构遭到破坏，叶绿素亦会发生降解，导致其含量下降[19]。很多研究表明，植物的叶绿素含量和叶绿素a/b的值与植物本身的抗旱性有很大关系，反映了植物对水分胁迫的敏感性[20-21]。一般认为叶绿素a/b的值越大则植物的抗旱性越高。本试验中，随着PEG浓度的升高和处理时间的增加燕麦幼苗细胞失水加剧，细胞的叶绿体结构和叶绿素合成遭到破坏，导致叶绿素a、叶绿素b和叶绿素的总含量均呈下降趋势，这与叶应青[22]等人对毛竹幼苗生理特性的研究结果相似。

植物组织的实际含水量占组织饱和含水量的百分比常被作为水分亏缺程度的参数来反应植物遭受水分胁迫时的缺水程度[23]。本试验中，随着PEG干旱胁迫程度的加剧和处理时间的延长，燕麦幼苗相对含水量呈明显下降的趋势，与干旱胁迫压力呈负相关，而相对电导率呈上升趋势，与干旱胁迫压力呈正相关。这是由于外界环境含水量低于植物细胞含水量，致使细胞不断失水，相对含水量下降。在水分亏缺的情况下燕麦叶片细胞质膜遭到破坏，细胞膜的破坏程度不断增加，最终丧失选择透过性导致胞内电解质外渗，相对电导率呈上升趋势，这与万里强[24]等人对黑麦草、何淼[25]等人对中国芒的研究结果保持一致。

植物生长是由根从外部环境中吸收养分和水分，同时依靠光合作用等代谢过程完成器官的发育和植物形态建成，植物生物量的积累可综合反映植物受到环境伤害的程度。本试验中，燕麦幼苗茎的鲜干重、根的鲜重受到PEG浓度和胁迫时间的交互作用，呈降低趋势，而根的干重在7 d时，低浓度PEG诱导其重量高于对照，但在14 d时，所有处理的根干重都显著低于对照，这可能是由于低浓度干旱胁迫诱导植物激素等信号物质发生变化，促进了植物的生长，这与张彦妮[26]等人对大花飞燕草幼苗生理特性的研究结果相似，一方面随着干旱胁迫的加剧植株体内积累的活性氧(ROS)过量，导致细胞膜结构被损害，抑制了光合作用，使碳同化减少，进而抑制了燕麦的生长，而另一方面，在干旱胁迫下根系对营养物质和水分的吸收、转运和积累被抑制，这可能也是燕麦生长受到抑制的原因之一。这与张娜[27-28]等人对燕麦的研究结果相似。

综合上述结果，燕麦幼苗受到干旱胁迫时叶绿素含量、叶片含水量降低，膜脂损伤加剧以及生长受到抑制，且5 %和10 % PEG浓度胁迫对其影响较小，燕麦幼苗依旧能维持相对平衡的态势和生长，说明其有一定的耐旱能力，而15 % PEG浓度胁迫使燕麦幼苗受到中度伤害，对干旱胁迫响应明显，但能够存活较长的时间，因此，15 % PEG浓度可作为室内研究燕麦对干旱胁迫生理生化响应的最佳浓度。