高温胁迫对5种牧草生理生化特性的影响

2019-09-17李龙兴王志伟

草原与草坪 2019年4期

李龙兴，王志伟，陈莹

(1.贵州省草地技术试验推广站，贵州贵阳 550025； 2.贵州省草业研究所，贵州贵阳 550006)

高温逆境胁迫使植物抵抗能力降低，生长势减弱，从而导致产量降低，品质劣化[1]。鉴于高温是制约牧草生长的重要生态因子之一，不同牧草在高温环境下都会表现出一定的适应性，特别是通过一些内在的生理和生化机制能够抵御一定程度的高温胁迫，如通过体内细胞膜膜脂组分的变化、抗氧化系统对氧自由基的清除、热激蛋白的合成以及渗透调节来减轻高温对植物的伤害。

一年生黑麦草(Loliummultiflorum)适宜生长在我国长江流域以南地区，喜温热和湿润气候，在昼夜温度为27℃/12℃时，生长最快，夏季炎热则生长不良，甚至枯死；高羊茅(Festucaelata)主要分布于广西、四川、贵州，喜寒冷潮湿、温暖的气候，不耐高温；鸭茅(Dactylisglomerata)原产欧、亚温带地区，在我国西南常见，喜温暖、湿润的气候，最适生长温度为10～28℃，30℃以上生长缓慢；宽叶雀稗(Paspalumwetsfeteini)在我国西南、华南地区均有栽培，喜高温多雨的气候，在我国南亚热带地区四季常青，夏秋季节生长最茂盛；百喜草(Paspalumnotatum)原产美洲，适宜于热带和亚热带地区，耐旱、耐热性较好。

为了进一步揭示贵州地区常见牧草对高温胁迫的适应性，选择以上5种牧草品种，通过模拟高温胁迫，测定、分析超氧化物岐化酶活性(SOD)、过氧化物酶活性(POD)、丙二醛含量(MDA)、可溶性蛋白含量(SP)、谷胱甘肽含量(GSH)和叶绿素相对含量(SPAD值)的变化规律。旨在探讨高温胁迫对不同牧草生理生化特性的影响，以期为贵州地区牧草种植及品种的选育提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验所用高羊茅、鸭茅、一年生黑麦草、宽叶雀稗、百喜草种子由贵州省草业研究所提供。

1.2 试验方法

分别选取饱满的5种牧草种子200粒种植在塑料盆内，每个品种9盆，pH值5.32，有机质21.3 g/kg，水解氮75.2 mg/kg，速效磷12.48 mg/kg、速效钾126.1 mg/kg，置于室外培养2个月后，选择长势良好、形态大小一致的植株移入生化培养箱，在23℃/20℃(7∶00～19∶00/19∶00～7∶00)条件下预处理一周，在处理期间保证适宜的光照强度和水分，空气湿度76%～80%，预处理结束后，设置38℃/30℃(7∶00～19∶00/19∶00～7∶00)进行高温胁迫，分别在0、24、48、72 h选取形态均匀一致的完整叶片，测定SOD、POD活性，MDA、SP、GSH含量和叶绿素含量(SPAD值)。

1.3 指标测定

SOD活性采用氮蓝四唑光还原法[2]；POD活性的测定采用愈创木酚显色法，加入反应体系后以每分钟吸光度变化(D470 nm)变化0.01为一个过氧化物酶活力单位[2]；MDA含量采用硫代巴比妥酸显色法测定[3]；SP的含量测定采用考马斯亮蓝G-250染色法；GSH含量测定参照刘萍的方法[4]；叶绿素含量用HM-YB叶绿素测定仪测定。

1.4 数据处理

采用Excel进行数据统计分析并作图，用SPSS软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 高温胁迫下不同牧草SOD活性的变化

随着胁迫时间的延长，5种牧草SOD呈现先上升后下降的趋势(图1)。胁迫48 h后，5种牧草SOD活性均达到最大值，之后开始下降。百喜草和宽叶雀稗SOD活性在高温胁迫过程中明显高于一年生黑麦草、鸭茅和高羊茅。

图1 高温胁迫下不同牧草的SOD活性Fig.1 Changes of SOD activity of different forages under high temperature stress

2.2 高温胁迫下不同牧草POD活性的变化

高温胁迫下，POD活性先增加后降低，呈现与SOD活性相似的变化趋势(图2)。高温胁迫24 h，5种牧草POD活性均达到最大值，POD活性强弱顺序为：宽叶雀稗(116.12 U/mL)>百喜草(115.0 U/mL)>高羊茅(104.3 U/mL)>一年生黑麦草(102.5 U/mL)>鸭茅(96.0 U/mL)，高温胁迫24 h后，POD活性均迅速下降。

图2 高温胁迫下不同牧草的POD活性Fig.2 Changes of POD activity of different forages under high temperature stress

2.3 高温胁迫下不同牧草MDA含量的变化

随着高温胁迫时间的延长，5种牧草的MDA含量持续上升(图3)，胁迫72 h后，高羊茅、鸭茅、一年生黑麦草、宽叶雀稗和百喜草MDA含量比对照组分别增加了93.6%、52.4%、52.7%、57.8%和58.8%。其中，宽叶雀稗和百喜草的MDA含量低于高羊茅、鸭茅和一年生黑麦草。

图3 高温胁迫下不同牧草的MDA含量Fig.3 Changes of MDA content in different forages under high temperature stress

2.4 高温胁迫下不同牧草GSH含量的变化

不同牧草GSH含量在高温胁迫下均呈现先上升后下降的趋势(图4)。胁迫24 h，5种牧草GSH含量均达到最大值，高羊茅、鸭茅、一年生黑麦草、宽叶雀稗和百喜草GSH含量分别为15.3、16.3、14.1、14.6和15.5 μg/g FW，胁迫24 h之后GSH含量开始下降。

图4 高温胁迫下不同牧草的GSH含量Fig.4 Changes of GSH content in different forages under high temperature stress

2.5 高温胁迫下不同牧草SP含量的变化

随着高温胁迫时间的延长，5种牧草SP含量呈先升高后降低趋势(图5)。高羊茅、鸭茅和一年生黑麦草SP含量在高温胁迫24 h达到最大值，而百喜草和宽叶雀稗SP含量在高温胁迫48 h后达到最大值，之后开始下降，且下降不明显。在整个高温胁迫过程中，宽叶雀稗和百喜草的SP含量高于鸭茅、高羊茅和一年生黑麦草。

图5 高温胁迫下不同牧草的SP含量Fig.5 Changes of soluble protein content in different forages under high temperature stress

2.6 高温胁迫下不同牧草叶绿素含量的变化

叶绿素是植物进行光合作用的主要色素，含量越高，其光合作用能力越强。在整个高温胁迫过程中，5种不同牧草品种的叶绿素含量均呈现明显的下降趋势，在高温胁迫72 h后，高羊茅、鸭茅、一年生黑麦草、宽叶雀稗和百喜草叶绿素含量分别下降了17.9%、17.3%、13.3%、14.8%和14.2%(图6)。

图6 高温胁迫下不同牧草的叶绿素含量Fig.6 Changes of chlorophyll content in different forages under high temperature stress

3 讨论

植物在正常的生长条件下，体内各项生理代谢活动都处于稳定平衡状态，当受到逆境胁迫时，植物体内代谢活动都会受到影响[5]。试验表明，逆境条件下植物体内会产生大量的活性氧(ROS)，ROS的积累会对植物的生长发育产生有害作用，植物膜系统受损，造成膜脂过氧化[6-7]，MDA是膜脂过氧化作用的产物，MDA含量增加则是膜脂过氧化的表现，其含量高低是衡量细胞膜脂损伤程度的一个重要指标，与植物的抗逆性成负相关[8]。但在一定程度上，植物活细胞可以通过启动抗氧化酶系统来防御这种毒害作用，其主要表现就是SOD、CAT和POD等的含量和活性会迅速增强。抗氧化酶可以减少羟基自由基，避免植物膜系统遭到破坏，从而保护细胞膜的完整性[9]。试验结果表明，随着高温胁迫时间的延长，5种不同牧草品种的SOD和POD活性均呈现先上升后下降的趋势，MDA含量持续上升。说明在高温胁迫初期激发了SOD和POD的活性，阻止或减少膜脂过氧化作用，因此MDA的含量较低，增强了牧草对高温的适应能力。但是随着高温胁迫时间的持续，SOD和POD活性明显下降，发生膜脂过氧化作用，从而导致MDA含量大幅上升。

GSH是植物中重要的抗氧化剂和还原缓冲剂，参与活性氧的钝化代谢过程[11]。植物体内谷胱甘肽水平的提高不仅与植物对环境胁迫的忍耐有关，而且谷胱甘肽合成的增强可能是植物对环境胁迫的内在响应之一[12]。植物在逆境胁迫下，谷胱甘肽还原酶活性(GR)升高，产生谷胱甘肽抗氧化物质来清除活性氧和氧自由基，从而减缓和抵抗对细胞的伤害。研究中5种牧草谷胱甘肽含量均呈现先上升后下降的趋势，表明受到高温胁迫时，谷胱甘肽还原酶活性升高，谷胱甘肽含量增加，植物通过提高自身的防御能力来应对高温胁迫。但是高温胁迫增强到一定程度时，酶的活性降低，谷胱甘肽的合成受到抑制，谷胱甘肽水平降低，导致植物防御能力的减弱。

逆境胁迫下，植物细胞蛋白酶的活性受到抑制，蛋白质合成受阻，但是植物通过应激反应可以诱导合成新的蛋白质，即热激蛋白(HSP)，这些热激蛋白可以显著提高植物的抗性[13]。试验在高温胁迫中，5种牧草可溶性蛋白含量呈先升高后降低趋势，表明随着高温胁迫时间的延长，植物产生应激反应，通过合成新的蛋白质来抵御遭受的高温胁迫伤害，表现出可溶性蛋白含量上升。其中，高羊茅、鸭茅和一年生黑麦草在高温胁迫24 h达到最大值，百喜草和宽叶雀稗在48 h达到最大值，之后可溶性蛋白含量均开始下降。表明高羊茅、鸭茅和一年生黑麦草对高温胁迫适应能力较弱，胁迫24 h体内酶的活性开始受到抑制，蛋白质合成速率下降。高羊茅、鸭茅和一年生黑麦草高温胁迫48 h后可溶性蛋白含量呈现下降趋势，但是下降幅度较小，表明对高温胁迫适应能力相对较强，因此，在高温胁迫下蛋白质含量相对稳定，在高温下依然可以维持一定的正常代谢。

叶绿素含量的高低在一定程度上可以反映植物光合作用的能力[14]。研究中5种牧草叶绿素含量均呈现明显的下降趋势，表明高温胁迫下，叶绿体结构被破坏，导致叶绿素含量显著下降。在高温胁迫下，宽叶雀稗和百喜草的SPAD值高于高羊茅、鸭茅和一年生黑麦草。叶片中叶绿素含量越高，表面光合作用能力越强，牧草生长健康，抵抗力越强，所以宽叶雀稗和百喜草对高温胁迫适应能力较好[15]。研究结果表明，在高温胁迫过程中，叶绿素含量持续减少，SPAD值显著下降，高温胁迫引起叶绿素分解，诱发叶片衰老，破坏植物光合作用[16-17]。