2種豆科牧草對干旱的生理響應(yīng)及抗旱性評價(jià)

車軒,梁宗鎖,2,吳珍

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,陜西楊凌 712100；2.中國科學(xué)院水土保持研究所,陜西楊凌 712100；3.商洛學(xué)院,陜西 商洛 726000）

土壤干旱是對人類生產(chǎn)生活危害極大的自然災(zāi)害之一,尤其是特大干旱造成的損失之大、時(shí)間之長、范圍之廣是其他自然災(zāi)害所無法比擬的[1]。黃土高原丘陵區(qū)是世界上水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一,嚴(yán)重的土壤侵蝕和頻繁的干旱同時(shí)發(fā)生,是這一地區(qū)生態(tài)環(huán)境的一個(gè)重要特點(diǎn),而天然植被、栽培草地和種植業(yè)則是該地區(qū)具有代表性的土地利用方式[2]。草地植被建設(shè)是黃土高原生態(tài)建設(shè)的重要內(nèi)容,而選擇適宜的草種則直接關(guān)系到生態(tài)建設(shè)的成功與否。

近年來在研究植物對干旱脅迫的生理生化響應(yīng)時(shí),活性氧傷害、抗氧化體系及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的變化已有較多研究[3]。祁娟等報(bào)道披堿草（Elymusspp.）在受到干旱脅迫后,其丙二醛（MDA）與脯氨酸均隨干旱脅迫的加強(qiáng)呈上升趨勢[4]；胡化廣等的研究表明,結(jié)縷草（Zoysia japonica）在干旱脅迫期間脯氨酸與可溶性糖均有所積累,并且超氧化物歧化酶（SOD）活性增加[5]；倪郁等對紫花苜蓿（Medicago sativa）、百脈根（Lotus corniculatus）及白三葉（Tri f olium repens）3種牧草的研究顯示,干旱脅迫下3種牧草脯氨酸、可溶性糖含量以及SOD活性均有不同程度的升高[6]。紅豆草（Onobrychis viciaefolia）和變異小冠花（Coronilla varia）均為多年生草本植物,具有耐旱、耐貧瘠且產(chǎn)量高的特點(diǎn),均是優(yōu)良的人工牧草[7-8]。目前,對這2種牧草的研究集中于引種、水分利用以及高產(chǎn)栽培研究等方面[9-12],而對其生理抗旱特性則鮮有報(bào)道。本研究采用盆栽控水試驗(yàn)對2種牧草的抗旱生理特性進(jìn)行了研究,以闡明其生理抗旱特性,并采用模糊隸屬函數(shù)法對2種牧草的抗旱性進(jìn)行了綜合評價(jià),以便為黃土高原草地重建中草種的選擇、退耕還草生態(tài)工程以及經(jīng)濟(jì)的持續(xù)健康發(fā)展提供理論參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料供試材料種子紅豆草和變異小冠花均購于陜西楊凌金道種業(yè)有限公司。

1.2 干旱脅迫處理方法2種牧草種子于2009年3月底種于高27 cm、上口徑35 cm、下口徑22 cm的塑料桶中,桶中均裝滿過篩壚土,田間最大持水量為28%。盆栽桶放置于中國科學(xué)院水土保持研究所的可移動(dòng)防雨棚下,雨天用防雨棚遮雨,晴天露地生長。種子萌發(fā)后,充足供水條件下生長2個(gè)月,待植物進(jìn)入分枝期后進(jìn)行土壤水分脅迫處理,根據(jù)設(shè)計(jì)的土壤含水率計(jì)算出各水分處理每桶的質(zhì)量,作為各水平的標(biāo)準(zhǔn)桶質(zhì)量。不澆水待土壤水分自然消耗至設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)后,用電子秤稱量法將土壤含水量控制在設(shè)定范圍內(nèi),并補(bǔ)充其水分消耗,準(zhǔn)確記錄加水量,連續(xù)進(jìn)行控水處理1個(gè)月后測定各項(xiàng)生理指標(biāo)。試驗(yàn)共設(shè)3個(gè)水分處理:（1）適宜水分處理（CK）,為田間最大持水量的70%～75%；（2）中度脅迫處理（MD）,為田間最大持水量的50%～55%；（3）重度脅迫處理（SD）,為田間最大持水量的35%～40%。每個(gè)水分處理均重復(fù)4次,每桶5～6株,并設(shè)置對照桶（裸土）,以扣除土面蒸發(fā)。

1.3 抗旱生理指標(biāo)測定方法水分飽和虧采用烘干法；脯氨酸含量采用磺基水楊酸法；可溶性糖含量采用蒽酮比色法；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法；超氧陰離子自由基采用對氨基苯磺酸和α-萘胺顯色法；SOD活性采用NBT光化還原法測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用過氧化氫比色法測定；抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性采用過氧化氫比色法測定。上述各指標(biāo)具體測定方法參見《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[13]及《植物生理學(xué)研究技術(shù)》[14]。

1.4 抗旱性綜合評價(jià)采用模糊隸屬函數(shù)法對2個(gè)草種的抗旱性進(jìn)行評價(jià)[14-16]:計(jì)算公式為:

式中,x為各草種的某一指標(biāo)測定值,xmax、xmin分別為所有草種中此指標(biāo)的最大值和最小值。與抗逆性負(fù)相關(guān)的指標(biāo)用反隸屬函數(shù)計(jì)算,公式為:

最后將每個(gè)草種各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬值（xu）累加,取其平均值,根據(jù)各草種平均值的大小確定其抗旱性強(qiáng)弱。平均值越大,抗旱性越強(qiáng)。一般認(rèn)為,抗旱性是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜數(shù)量性狀。不同植物對某一具體生理指標(biāo)的抗旱性反應(yīng)不盡相同。采用隸屬函數(shù)值平均法,既消除了個(gè)別指標(biāo)帶來的片面性,又由于平均值是個(gè)[0,1]區(qū)間上的純數(shù),使各品種抗旱性差異具有可比性[17]。

1.5 數(shù)據(jù)處理所有數(shù)據(jù)采用Excel以及SPSS17.0 2003進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對2種牧草葉片水分飽和虧的影響紅豆草與變異小冠花葉片水分飽和虧隨土壤水分的減少而顯著增高。其中2草種水分飽和虧（WSD）升幅間差異不大,變異小冠花略低于紅豆草,但在各個(gè)處理間變異小冠花WSD均顯著高于紅豆草（表1）。

表1 干旱脅迫對2種牧草葉片水分飽和虧的影響 %

2.2 干旱脅迫對2種牧草滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響2草種葉片脯氨酸含量均隨干旱脅迫程度的增加而顯著增加,尤其是紅豆草脯氨酸含量增加的幅度較大。在CK下,紅豆草葉片脯氨酸含量略低于變異小冠花,但差異并不顯著；而在MD與SD下,則顯著高于變異小冠花（表2）。

隨著干旱脅迫程度的加劇,2草種葉片可溶性糖含量均呈增加趨勢。2草種在SD下積累的可溶性糖含量均顯著高于對照,但在MD下則與對照差異不顯著。紅豆草葉片可溶性糖含量的增幅大于變異小冠花。在CK下,變異小冠花葉片可溶性糖含量顯著高于紅豆草,但在MD與SD下均小于紅豆草,但差異不顯著（表2）。

表2 干旱脅迫對2種牧草葉片脯氨酸含量及可溶性總糖含量的影響 mg/g

2.3 干旱脅迫對2種牧草MDA及超氧陰離子自由基含量的影響2種牧草在受到干旱脅迫后,葉片MDA含量均有所增加。其中紅豆草MDA含量在MD下略高于對照,但并不顯著,在SD下則顯著高于對照；變異小冠花葉片MDA含量在各個(gè)處理間則差異顯著。在2草種間,變異小冠花MDA含量的增幅大于紅豆草,在CK下,變異小冠花葉片MDA含量顯著低于紅豆草,但受到干旱脅迫后大幅上升,并在SD下顯著高于紅豆草（表3）。

2種牧草在干旱處理下超氧陰離子自由基含量顯著高于對照,其中紅豆草在MD與SD下均顯著高于對照,但彼此間并不顯著,且MD下其含量略高于SD；變異小冠花葉片超氧陰離子自由基則在各個(gè)處理間差異顯著。變異小冠花超氧陰離子自由基含量在干旱脅迫后增幅較大,在各個(gè)處理間均顯著高于紅豆草（表3）。

表3 干旱脅迫對2種牧草MDA及超氧陰離子自由基含量的影響

2.4 干旱脅迫對2種牧草保護(hù)酶活性的影響2個(gè)草種的SOD、CAT、APX活性均隨干旱脅迫程度的增加而顯著增加（表4）。紅豆草在SD下SOD活性顯著高于CK,但在MD下與CK相比則不顯著；變異小冠花SOD活性在各個(gè)處理間均差異顯著。2草種的 SOD活性增幅無明顯差異,各個(gè)處理間變異小冠花SOD活性均高于紅豆草,但只有在CK下差異顯著。

2種牧草的CAT活性隨著干旱脅迫程度的加劇在處理間均差異顯著。MD下紅豆草CAT活性增幅大于變異小冠花,而SD下則與之相反,但紅豆草CAT活性在各個(gè)處理間均顯著高于變異小冠花（表4）。

與CAT活性相似,2種牧草的APX活性在各處理間差異顯著。變異小冠花APX活性的增幅大于紅豆草,但變異小冠花APX活性在各個(gè)處理間均小于紅豆草,且在CK與SD下差異顯著（表4）。

2.52種牧草抗旱性綜合評價(jià)采用模糊隸屬函數(shù)法對2個(gè)草種相對含水量、脯氨酸、可溶性糖、MDA、超氧陰離子自由基含量以及 SOD、CAT、APX活性進(jìn)行了綜合評價(jià)。紅豆草和變異小冠花各項(xiàng)生理指標(biāo)隸屬函數(shù)值的平均值分別為0.660和0.333（表5）。這說明,紅豆草的抗旱性高于變異小冠花。

3 討論與結(jié)論

植物生理抗旱特性是植物抗旱性的重要指標(biāo),蔣龍等的研究指出,抗旱性較強(qiáng)的牧草種有較強(qiáng)的保水能力[18],水分飽和虧越大說明水分虧缺越嚴(yán)重[19]。本試驗(yàn)中2種牧草水分飽和虧均隨干旱脅迫的加劇而升高,變異小冠花的水分飽和虧在各個(gè)處理間均顯著大于紅豆草。這表明,紅豆草比變異小冠花具有更強(qiáng)的保水能力,這也與抗旱性評價(jià)結(jié)果相一致。

表4 干旱脅迫對兩種牧草抗氧化酶活性的影響

表5 干旱脅迫下不同牧草各測定指標(biāo)的隸屬函數(shù)值

植物受到非生物脅迫如干旱時(shí)會(huì)大量積累脯氨酸以抵御干旱脅迫[20]。王齊等[21]的研究表明,結(jié)縷草葉片游離脯氨酸的含量在水分脅迫期呈上升趨勢,且隨水分脅迫的增加而增大。本試驗(yàn)結(jié)果表明,隨干旱脅迫程度的加劇,2種牧草葉片游離脯氨酸含量均呈增加趨勢,且草種間存在顯著差異,其中紅豆草積累的脯氨酸量較多,并在各處理間顯著高于變異小冠花,這與其抗旱性排序相一致。這也與宋海鵬等[22]報(bào)道的有關(guān)5種景天科屬植物在干旱脅迫下脯氨酸的積累及抗旱性關(guān)系一致。Motoaki Seki等[23]認(rèn)為,許多糖類物質(zhì)與植物抗旱性均具有很強(qiáng)的相關(guān)性,可降低植物組織水勢。本研究的結(jié)果也表明,2種牧草在干旱脅迫下均積累了較多的可溶性糖,這與吉增寶等[24]的研究結(jié)果相符,但草種間并無顯著差異。

MDA含量則是用來檢測膜脂受害程度的重要指標(biāo)[25]。本試驗(yàn)中,干旱脅迫下2種牧草超氧陰離子自由基和MDA含量均有所增加,這與柯世省和金則新[26]在夏臘梅（Calycanthus chinensis）中的研究結(jié)論相一致。在抗旱性評價(jià)中抗旱性弱的變異小冠花的超氧陰離子和MDA含量在干旱處理下均顯著高于紅豆草。這說明變異小冠花在受到干旱脅迫時(shí),容易受到干旱脅迫的影響而產(chǎn)生大量的·O2-,其膜脂過氧化程度也最高,從而對其自身造成傷害。與之相反,紅豆草·O2-含量在干旱脅迫下與對照相比沒有明顯的變化,其MDA含量雖有增大,但增幅小于變異小冠花,說明紅豆草有良好的抗旱性,這也與抗旱性評價(jià)結(jié)果一致。

SOD含量變化及活性高低可以反映機(jī)體內(nèi)氧自由基的清除能力,而CAT與APX則反映機(jī)體對歧化反應(yīng)產(chǎn)物H2O2的清除能力[27-28]。本研究結(jié)果表明,變異小冠花 SOD活性較高,但其·O2-含量依舊顯著高于紅豆草,同時(shí)變異小冠花CAT、APX活性顯著低于紅豆草,可以推測變異小冠花由SOD歧化反應(yīng)所產(chǎn)生的H2O2不能得到及時(shí)清除,這可能是變異小冠花抗旱性低于紅豆草的原因之一。這也說明,紅豆草抗氧化酶系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)能力要好于變異小冠花,從而能更有效地清除有害的自由基和活性氧,進(jìn)而表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。

隸屬函數(shù)分析可在多個(gè)測定指標(biāo)的基礎(chǔ)上對2種牧草的抗旱性予以評價(jià),避免了單一指標(biāo)的片面性。利用多指標(biāo)對2草種進(jìn)行綜合評價(jià)本試驗(yàn)采用隸屬函數(shù)法對盆栽控水下紅豆草與變異小冠花水分飽和虧、脯氨酸含量、可溶性糖含量、超氧陰離子、MDA 含量、SOD、APX、CAT 活性等指標(biāo)進(jìn)行了綜合評價(jià),得出2種牧草抗旱性強(qiáng)弱為:紅豆草＞變異小冠花。

以上研究結(jié)果是在盆栽試驗(yàn)條件下所得出的結(jié)論,而這2種牧草是否能適用于黃土高原植被恢復(fù)和栽培草地的建設(shè)的立地條件,仍需對其在不同水分條件下的水分利用特性作進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。

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