冷蒿抗氧化防御系统对不同放牧强度的响应研究

张 敏，张晓明，宛 涛，*，蔡 萍，李 红，伊卫东，宛诣超，葛云辉

(1.乌海市泽汇园林绿化工程有限公司，乌海 016000；2.内蒙古农业大学草原与资源环境学院，呼和浩特 010018；3.锡林郭勒职业学院草原生态与畜牧兽医学院，锡林浩特 026000)

冷蒿(Artemisiafrigida)为菊科蒿属的多年生草本植物。高10～70 cm，主根木质化，侧根发达，茎少数或多条并和营养枝构成株丛，全株茎、叶和枝均密被有灰白色或淡灰黄色的绢毛。在内蒙古冷蒿一般于3月中旬至4月开始生长[1]，主要集中分布于中部的典型草原和西南部的荒漠草原，均为轻度或中度退化草原。在退化草原中，冷蒿具有明显的种群优势，作为广幅旱生的植物，常作为单一优势种群的纯植丛分布[2-3]。在草原退化演替的各个阶段，冷蒿种群均发生数量变化，这种数量变化影响着群落结构与功能[4]。

家畜的践踏与啃食使得群落中不耐践踏的物种减少，而对于环境的变化表现出较强适应性的冷蒿，在一定限度内抵抗放牧干扰，进而阻碍草场的退化，成为抑制草原退化的有效阻击者[5]。随着放牧压力的增大单位面积种子量减少，冷蒿为适应异质生境而转变繁殖方式，有性繁殖转变为无性繁殖，匍匐茎枝条数量增加，冷蒿匍匐茎作为营养器官进行营养生长、繁殖地上营养枝条和地下不定根，呈直立型或匍匐型的生长形态[6]。匍匐茎的增加能够使冷蒿获取更多的资源，具有更强的生长能力和耐牧机制，这也从另一方面反映出冷蒿种群有较强的再生能力和耐啃食耐践踏的能力[7]。

因此，研究放牧对冷蒿草原的影响，了解放牧影响下冷蒿草原的变化动态，采取合理的放牧强度管理措施，可以有效防止草原的退化。本文通过刈割模拟放牧对冷蒿造成机械损伤，探究冷蒿在不同刈割处理下生理生化的变化情况，为冷蒿的耐牧能力提供了理论依据。综合分析其生态适应能力及繁殖生长机制，为植被的保护应用提供重要论证依据，也为解决草地退化指标的精准化、冷蒿遗传资源的挖掘等理论问题提供重要参考价值。

1 试验材料与方法

1.1 供试材料来源

试验用冷蒿植株采集于内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市、阿巴嘎旗、正蓝旗、苏尼特右旗，2020年5月20日移栽于内蒙古农业大学草原与资源环境学院草学系试验地。

1.2 材料处理

从野外挖取冷蒿植株，20 cm深度带土移栽，移栽行距为60 cm、株距为50 cm；正常浇水成活后除草管理，生长过程中观察株型。从锡林浩特市(典型草原)、阿巴嘎旗(典型草原)采集的冷蒿均为直立型，从正蓝旗那日图(浑善达克沙地北缘，具荒漠草原气候特点)、苏尼特右旗(荒漠草原)采集的冷蒿均为匍匐型。对单株进行标记后，对不同生态型冷蒿进行处理。

模拟放牧处理：于2020年7月开始采用刈割方式模拟放牧处理，一个生长季刈割3次，分别为现蕾期(7月8日)、初花期(8月8日)和盛花期(9月8日)。选取样本一致的冷蒿进行刈割试验，具体如下：

(1)CK：作为对照组不进行刈割，以模拟无牧；(2)H1：刈割留茬高度为1 cm，以模拟重度放牧；(3)H3：刈割留茬高度为3 cm，以模拟中度放牧；(4)H5：刈割留茬高度为5 cm，以模拟轻度放牧。每个处理重复3次(见表1)。

表1 直立型、匍匐型冷蒿试验处理组及处理方法

1.3 研究方法

在不同物候期，每次刈割处理后当天进行生理生化指标的测定。

(1)采用氮蓝四唑光化还原法测定超氧化物歧化酶(SOD)活性。

(2)采用酸性茚三酮法测定游离脯氨酸(Pro)含量。

(3)采用蒽酮法测定可溶性糖含量。

(4)采用考马斯亮蓝法测定可溶性蛋白含量。

1.4 数据分析

试验数据用Excel进行整理，所有生理生化、营养品质数据利用SPSS19.0进行单因素方差分析及多重比较分析，所有制表制图均由Excel软件系统完成。

2 结果与分析

2.1 刈割胁迫对冷蒿超氧化物歧化酶活性变化

超氧化物歧化酶(SOD)可以催化O2-歧化为分子氧和H2O2，以控制膜脂氧化，减少膜系统受到伤害。不同刈割留茬高度下冷蒿SOD活性变化(见图1)，直立型冷蒿的SOD活性从现蕾期到盛花期总体均呈现出逐渐升高的趋势。在现蕾期不同处理间SOD活性差异不显著(P>0.05)，在84.49～86.44 μ/g范围内；初花期不同处理间SOD活性差异显著(P<0.05)，各处理间SOD活性大小为H1>H3>H5>CK，CK处理下的SOD活性显著低于其他处理，为96.11 μ/g，且在H1处理下SOD活性最高，达到145.88 μ/g；在盛花期SOD活性含量为H1>H3>H5>CK，H1与H3处理间差异不显著(P>0.05)，平均活性分别为144.46 μ/g和141.21 μ/g，但与H5和CK处理间有显著差异(P<0.05)，分别为135.67 μ/g和128.41 μ/g，盛花期刈割后H1处理下SOD活性最高，为144.46 μ/g。

注：A：直立型冷蒿 B：匍匐型冷蒿 不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

匍匐型冷蒿的SOD活性从现蕾期到盛花期的变化趋势与直立型冷蒿一致。在现蕾期不同处理间SOD活性差异不显著(P>0.05)，均在84.17 μ/g～86.44 μ/g之间；初花期不同处理间SOD活性差异显著(P<0.05)，各处理间SOD活性大小为H1>H3>H5>CK，CK处理下的SOD活性显著低于其他处理，为91.11 μ/g，且在H1处理下SOD活性最高，达到137.8 μ/g；在盛花期各处理间SOD活性差异显著(P<0.05)，在H1处理下SOD活性达最大值167.1 μ/g。

结果表明刈割可以增加SOD活性，直立型冷蒿与匍匐型冷蒿从初花期到盛花期，均在H1处理下SOD活性最高。说明冷蒿对于刈割造成的损伤敏感性较高。

2.2 刈割胁迫对冷蒿游离脯氨酸含量变化

不同刈割留茬高度下冷蒿游离脯氨酸含量变化(见图2)，直立型冷蒿从现蕾期到盛花期，游离脯氨酸含量变化呈逐渐升高的趋势。现蕾期各处理之间，游离脯氨酸含量在183.75～186.92 μg/g范围内；初花期冷蒿的游离脯氨酸含量在H1与H3处理分别与H5、CK处理间有显著差异(P<0.05)，且各处理间游离脯氨酸含量大小为H1>H3>H5>CK，在H1、H3、H5、CK处理下的游离脯氨酸含量分别为293.25 μg/g、288.45 μg/g、239.05 μg/g和223.65 μg/g；盛花期冷蒿的游离脯氨酸含量在各个处理间均存在显著差异(P<0.05)，且在H1、H3、H5、CK处理下的游离脯氨酸含量分别为339.44 μg/g、322.71 μg/g、296.35 μg/g和229.30 μg/g，与初花期的游离脯氨酸含量大小变化一致。

注：A：直立型冷蒿 B：匍匐型冷蒿 不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

匍匐型冷蒿从现蕾期到盛花期，游离脯氨酸含量变化呈现逐渐升高的趋势。现蕾期匍匐型冷蒿游离脯氨酸含量在各处理间无显著差异，在184.20～189.54 μg/g之间；初花期匍匐型冷蒿的游离脯氨酸含量随着刈割留茬高度的增加逐渐降低，在H1、H3、H5、CK处理下的游离脯氨酸含量分别为298.94 μg/g、289.17 μg/g、260.69 μg/g和223.27 μg/g；盛花期匍匐型冷蒿游离脯氨酸含量在H3与H5处理间无显著差异(P>0.05)，H1与H3处理间、H1与H5处理间有显著差异(P<0.05)，H1处理下的游离脯氨酸含量显著高于其他各处理，达到323.49 μg/g，且各处理间游离脯氨酸含量的大小为H1>H5>H3>CK。

在初花期和盛花期，冷蒿的游离脯氨酸含量随刈割留茬高度的降低迅速增加，说明冷蒿在刈割胁迫下，游离脯氨酸能够大量积累，这保证了冷蒿的生存和生长。

2.3 刈割对冷蒿可溶性糖含量变化

不同刈割留茬高度下冷蒿可溶性糖含量变化(见图3)，直立型冷蒿从现蕾期到盛花期，可溶性糖含量变化呈先升高后降低的趋势。初花期直立型冷蒿各处理间可溶性糖含量大小为H3>H1>CK>H5，H3处理分别与H1、CK处理间无显著差异(P>0.05)，在H1、H3、CK处理下的可溶性糖含量分别为48.58 mg/g、49.43 mg/g和44.13 mg/g，H5处理时可溶性糖含量最低，值为41.86 mg/g；盛花期直立型冷蒿可溶性糖含量随刈割留茬高度的增高呈上升趋势，在H1与H3处理间无显著差异，分别为35.73 mg/g和37.09 mg/g，但均低于其他两个处理，H5与CK处理间差异显著(P<0.05)，分别为40.78 mg/g和43.27 mg/g。

注：A：直立型冷蒿 B：匍匐型冷蒿 不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

匍匐型冷蒿从现蕾期到盛花期，可溶性糖含量变化与直立型冷蒿可溶性糖含量变化趋势一致。现蕾期匍匐型各处理间冷蒿的可溶性糖含量均在34.23～35.06 mg/g范围内；初花期可溶性糖含量在不同处理间也均无显著差异(P>0.05)，且各处理间可溶性糖含量在44.4～45.3 mg/g之间；盛花期匍匐型冷蒿可溶性糖含量在H1与H3处理间差异不显著(P>0.05)，分别为24.69 mg/g和27.31 mg/g，H1、H3处理均显著低于H5处理时的含量，H5处理下的含量达35.96 mg/g。

可溶性糖是冷蒿进行光合作用的重要产物，也是参与冷蒿代谢活动的重要物质，在初花期，直立型冷蒿与匍匐型冷蒿的可溶性糖含量受刈割胁迫强度影响不大，但在盛花期，可溶性糖的含量在不同留茬高度处理下发生了明显变化，说明刈割造成的机械损伤严重影响牧草体内生长相关物质的变化。

2.4 刈割胁迫对冷蒿可溶性蛋白含量变化

不同刈割留茬高度下冷蒿可溶性蛋白含量变化(见图4)，直立型冷蒿从现蕾期到盛花期，可溶性蛋白含量变化呈先降低后升高的趋势。现蕾期可溶性蛋白含量在各处理间无显著差异(P>0.05)，均在24.06 ～25.07 mg/g之间，初花期直立型冷蒿的可溶性蛋白含量随刈割留茬高度的降低呈下降趋势，在H1处理下达最小值16.08 mg/g，比CK处理时的可溶性蛋白含量显著降低75.6%，且H3与H5处理间差异不显著(P>0.05)，分别为21.71 mg/g和26.18 mg/g；盛花期直立型冷蒿可溶性糖含量在各处理间无显著差异(P>0.05)，且各处理间可溶性蛋白含量在27.4～29.8 mg/g之间，含量变化很小。

注：A：直立型冷蒿 B：匍匐型冷蒿 不同小写字母表示差异显著(P<0.05)

匍匐型冷蒿从现蕾期到盛花期，可溶性蛋白含量变化与直立型冷蒿可溶性蛋白含量变化趋势一致。现蕾期匍匐型冷蒿的可溶性蛋白含量在各处理间无显著差异(P>0.05)，在24.75～26.31 mg/g范围内，初花期匍匐型冷蒿的可溶性糖含量在H3与H5处理间无显著差异(P>0.05)，H1处理下的含量显著低于其他各处理，值为17.9 mg/g；盛花期匍匐型冷蒿可溶性蛋白在H3处理下的含量显著高于其他处理，达到28.71 mg/g，且在H1处理时的可溶性蛋白含量达最小值25.5 mg/g。从整体来看，当直立型冷蒿与匍匐型冷蒿生长到盛花期时，可溶性蛋白的含量对刈割胁迫的响应较弱，在不同刈割留茬高度处理下，含量变化较小，处于动态平衡的状态。

3 讨论

3.1 刈割胁迫对冷蒿SOD、POD和CAT活性的影响

冷蒿种群生长过程中，氧是其必不可少的环境因素，在进行呼吸作用和光合作用时氧会被活化形成活性氧(reactive oxygen species, ROS)[8]，当冷蒿植物体受到胁迫时，ROS的大量产生(其中最主要的是O2-)破坏了植物体细胞的动态平衡[9]，此时作为主要保护酶的SOD维持了活性氧代谢平衡，调节细胞的分化和生长发育过程。在本实验中，刈割处理后的不同生态型冷蒿，从初花期到盛花期，SOD酶的活性均随刈割留茬高度的降低，即随刈割胁迫的加强呈现上升趋势，当刈割留茬为1 cm时达到最大值，直立型冷蒿分别为145.88 μ/g和144.46 μ/g，匍匐型冷蒿分别为137.79 μ/g和166.98 μ/g，这可能是由于随着刈割胁迫强度的增加，冷蒿体内O2-的含量升高，进而刺激了冷蒿的SOD酶，使酶活性逐渐升高来减少O2-的积累。当刈割留茬高度为1 cm时，直立型冷蒿3种酶活性的增长量均低于匍匐型冷蒿，这可能是由于匍匐型冷蒿的分蘖能力更强，可以更快的恢复营养枝的生长，因此在重度刈割胁迫下，匍匐型冷蒿的酶活性增长速率较快。

3.2 刈割胁迫对冷蒿脯氨酸的影响

脯氨酸是水溶性最大的氨基酸，具有易于水合的趋势和较强的水合力[10]，脯氨酸的积累可以维持叶的保水力、渗透压和蛋白质的稳定性[11]且脯氨酸还可作为呼吸底物参与叶绿素的合成[12]。本实验的研究结果表明：从初花期到盛花期，随着刈割留茬高度的降低，直立型冷蒿与匍匐型冷蒿游离脯氨酸含量均呈现上升趋势，在盛花期刈割留茬高度为1 cm时达到最大值，分别为229.30 μg/g和237.41 μg/g，相比初花期，盛花期各处理间冷蒿的脯氨酸含量虽有所增加，但增加的幅度较小，这可能是因为盛花期降水较多，土壤含水量较高，不需要通过大量累积脯氨酸来维持细胞膨压。

3.3 刈割胁迫对冷蒿可溶性碳水化合物的影响

可溶性糖是植物用于储存营养的重要物质，可溶性蛋白可以参与各种代谢酶类，两者的含量共同成为植物体总代谢的一个重要指标[13]，在草原生态系统中，植株体内碳水化合物的储藏不仅影响着牧草的生长发育，而且影响牧草对环境的适应，可溶性糖也可以作为渗透调节物质抵御胁迫带来的伤害，因此，可溶性糖的含量通常随胁迫逐渐上升[14]。通过本实验研究结果发现，在刈割胁迫下，从现蕾期到初花期，冷蒿的可溶性糖含量均有明显上升，但随刈割留茬高度的增加变化并不大，均在41.86～49.43 mg/g范围内，说明刈割对冷蒿可溶性糖含量的影响不大，这可能是由于冷蒿在生长初期，水热条件较差造成冷蒿生长缓慢，可溶性糖含量较高。但在盛花期，冷蒿的可溶性糖含量随刈割强度的增加有所降低，可能是因为该时期光合代谢旺盛，呼吸作用所消耗的可溶性糖增多，导致可溶性糖的含量降低[15-17]。初花期冷蒿的可溶性蛋白含量在刈割留茬高度为5 cm时，与未刈割相比变化不大，都显著高于1 cm和3 cm处理时的含量，说明轻度刈割对冷蒿可溶性蛋白含量的影响很小，到了盛花期，冷蒿可溶性蛋白含量在各处理间没有显著变化，均在25.48～29.74 mg/g之间，可能是此时可溶性蛋白处于动态平衡的状态，同时也证明随着时间的推移，冷蒿受到刈割胁迫影响比较小。这也成为冷蒿耐牧耐损伤的一种表现[18]。

4 结论

4.1刈割胁迫对冷蒿的生理生化造成了较大影响，在刈割处理后，从现蕾期到盛花期，冷蒿的SOD酶活性在各处理呈现上升趋势，且随着刈割留茬高度降低的同时，活性逐渐增加；当刈割留茬高度为1 cm时，匍匐型较直立型冷蒿相比，酶活性的增长速率更快，SOD酶活性增长了19.2%。

4.2从现蕾期到盛花期，冷蒿可溶性糖含量随着胁迫时间的延长而累积，细胞膜相对透性和脯氨酸含量均呈增加趋势；在初花期表现最为明显，出现了脯氨酸含量迅速积累现象，当重度刈割时，直立型冷蒿与匍匐型冷蒿的脯氨酸含量达最大值，分别为293.254 μg/g和298.944 μg/g；当刈割留茬高度为5 cm时，较1 cm、3 cm刈割处理相比，冷蒿可溶性蛋白含量最高，直立型冷蒿与匍匐型冷蒿可溶性蛋白含量分别为29.7 mg/g和27.9 mg/g。