水分脅迫下扁穗牛鞭草根系保護(hù)酶活性變化

桂世昌，楊峰，張寶藝，張新全，黃琳凱，馬嘯

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科技學(xué)院，四川 雅安625014）

扁穗牛鞭草（Hemarthriacompressa）屬禾本科黍亞科牛鞭草屬，為多年生根狀莖禾草［1］，喜溫暖濕潤氣候［2］。它是一種生長期長、生長速度快、再生力強和產(chǎn)量高的優(yōu)質(zhì)牧草［3］。不過扁穗牛鞭草由于結(jié)實率低（2個國家審定品種“廣益”、“重高”自然傳粉結(jié)實率分別為7.8%和6.6%［4］），主要靠根莖和匍匐莖進(jìn)行無性繁殖［3］。關(guān)于扁穗牛鞭草種質(zhì)資源［3］、光合特性［5］、化學(xué)除雜［6］、化感作用［7］、農(nóng)藝性狀［8］和根際微生物［9］等已進(jìn)行廣泛的基礎(chǔ)研究，而關(guān)于扁穗牛鞭草抗旱性研究還尚未見諸文獻(xiàn)。近年來，西南地區(qū)受到干旱影響持續(xù)加重，2006年更是遭遇特大干旱［10］。為了更好地利用扁穗牛鞭草，促進(jìn)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，本研究分析2種國審扁穗牛鞭草在水分脅迫下根系保護(hù)酶的變化，為進(jìn)一步選育抗旱性扁穗牛鞭草提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料采自四川農(nóng)業(yè)大學(xué)草學(xué)基地種植的國審品種“廣益”和“重高”扁穗牛鞭草。材料種植于高1.2 m，直徑0.1 m的PVC管中。試驗用土為大田的沙壤土（白堊紀(jì)灌口組紫色沙頁巖風(fēng)化的堆積物形成的紫色土），過篩，去掉石塊、雜質(zhì)，土壤有機質(zhì)含量14.53 g／kg，速效氮含量101.45 mg／kg，速效磷含量4.85 mg／kg，速效鉀含量342.56 mg／kg，p H 值6.3。

1.2 試驗方法

試驗于2009年4月初－10月中旬在四川農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室中進(jìn)行。選取長勢相近的莖段，每支PVC管種植3段，定苗2段，每個品種種植20管。于6月下旬扁穗牛鞭草拔節(jié)期時澆透一次水，測定土壤含水量，并選取植株須根系測定超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）。以后進(jìn)行控水處理（一直不澆水），每隔14 d測定1次以上指標(biāo)，共測定4次，每次各指標(biāo)3個重復(fù)。

1.2.1 土壤水分測定 用環(huán)刀取待測根際土壤，稱取鋁質(zhì)土盒的質(zhì)量，再稱取環(huán)刀中部土壤于土盒中，然后置于105℃烘箱中，烘干12 h，冷卻后稱量，進(jìn)行計算，即可得土壤水分含量［11］。

1.2.2 SOD活性、CAT活性、POD活性、MDA含量 采用南京建成生物工程研究所研制SOD、CAT、POD、MDA試劑盒進(jìn)行測定。其中，SOD活性定義為：每mg組織蛋白在1 m L反應(yīng)液中SOD抑制率達(dá)50%時所對應(yīng)的SOD量為1個SOD活力單位（U／mg）。POD活性定義為：在37℃條件下，每mg組織蛋白每分鐘催化產(chǎn)生1 μg的底物的酶量定義為1個酶活力單位（U／mg）。CAT活性定義為：每g組織蛋白中CAT每秒鐘分解吸光度為0.52的底物中的過氧化氫相對量為1個過氧化氫酶的活力單位（U／g）。MDA含量單位為每mg蛋白所含MDA納摩爾量（nmol／mg）。

2 結(jié)果與分析

2個品種在干旱脅迫下，根系POD初期活性都呈上升趨勢。14 d時，廣益和重高POD活性都達(dá)到最大值，且活性大致相同。隨著時間推移，2種扁穗牛鞭草POD活性出現(xiàn)明顯降低（圖2）。重高在14～28 d時出現(xiàn)降低，幅度達(dá)到62%，比同期廣益高15%。處理期間，2個品種POD活性差異不顯著。

2.1 土壤含水量變化

廣益和重高的土壤含水量都呈顯著的下降趨勢（表1）。結(jié)果表明，控水期間造成了明顯的土壤水分脅迫。同時可以看出2個品種的土壤含水量變化基本一致，沒有明顯的差異（表1），說明對2個品種所進(jìn)行的干旱脅迫處理是相一致的。方差分析表明，同一品種中不同處理時間，土壤含水量差異極顯著（P＜0.01）。

2.2 SOD活性變化

在整個研究期間，2個扁穗牛鞭草品種根系SOD活性存在著極顯著的差異（P＜0.01）。水分脅迫初期，扁穗牛鞭草根系SOD活性明顯加強（圖1），在14 d時達(dá)到最大值。其中廣益SOD活性在14 d時達(dá)到654.727 U／mg，是重高活性2倍。隨著水分脅迫天數(shù)的增加，2種扁穗牛鞭草SOD活性均下降，呈明顯拋物線趨勢，在42 d時接近水分脅迫初始水平，廣益略高于重高。

表1 不同脅迫期內(nèi)廣益和重高土壤含水量Table 1 The soil moisture where“Guangyi”and“Chonggao”grew in different stages of water stress

2.3 POD活性變化

圖1 水分脅迫下SOD活性的變化Fig.1 The changes in SOD activity under water stress

圖2 水分脅迫下POD活性的變化Fig.2 The changes in POD activity under water stress

2.4 CAT活性變化

水分脅迫初期，重高和廣益根系CAT活性增加，中后期根系CAT活性出現(xiàn)大幅度的下降（圖3）。在整個水分脅迫中，重高和廣益扁穗牛鞭草CAT活性差異顯著（P＜0.05），在0～14 d期間，2種植物根系CAT都增加近7.5倍，后期下降速度基本一致，42 d時CAT活性接近處理初期水平。

2.5 MDA含量變化

水分脅迫初期，2種扁穗牛鞭草根系MDA含量出現(xiàn)小幅上升。隨著水分脅迫加劇，廣益和重高根系MDA含量開始大幅下降，但在整個過程中重高M(jìn)DA含量始終高于廣益（圖4），差異極顯著（P＜0.01）。水分脅迫14 d時，重高和廣益根系MDA含量都達(dá)到最大值，重高為廣益的3倍。28～42 d時，廣益和重高M(jìn)DA含量都出現(xiàn)下降，重高M(jìn)DA含量仍高于廣益，保持在45 nmol／mg。

圖3 水分脅迫下CAT活性的變化Fig.3 The changes in activity of CAT under water stress

圖4 水分脅迫下MDA含量的變化Fig.4 The changes in contents of MDA under water stress

3 討論

水分脅迫是植物最易遭受的逆境脅迫，也是限制植物生長的重要因素。水分脅迫下，植物表現(xiàn)出多方面不適應(yīng)，生長減緩，光合速率下降［12］，葉綠體消解［13］，質(zhì)膜受損，細(xì)胞內(nèi)含物大量外滲等［14］。土壤是植物生長必須的基質(zhì)，為植物提供適宜生長的水肥氣熱條件［15］。因而植物對于土壤水分含量高低極為敏感，土壤水分含量高低可以作為植物受干旱脅迫大小的表征條件之一。

在水分脅迫下，SOD、POD和CAT這3種酶是保護(hù)細(xì)胞膜免受自由基傷害的保護(hù)酶，保持較高水平酶活力，可降低膜脂過氧化程度，減輕膜受到傷害的程度［16］。許多研究已經(jīng)證明，這3種酶在水分脅迫下活性的高低與植物抗旱性成正相關(guān)［17－20］。SOD在其中主要是將 O2－歧化為 H2O2，再通過POD和CAT將 H2O2清除［21，22］。在正常情況下，3種保護(hù)酶維持著自由基的平衡［23］。水分脅迫造成植物傷害的重要原因之一，就是細(xì)胞內(nèi)O2－的產(chǎn)生與清除失衡［24］。而植物體內(nèi)過剩自由基的毒害之一是引發(fā)膜脂過氧化作用，造成膜系統(tǒng)的損傷，嚴(yán)重時會導(dǎo)致植物細(xì)胞死亡。膜脂過氧化的最終產(chǎn)物丙二醛（MDA）又可與細(xì)胞膜上的蛋白質(zhì)酶結(jié)合、交聯(lián)，從而使之失活，破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能。因此，MDA含量高低，可代表植物受到干旱脅迫的程度和膜脂過氧化程度［25］。

植物根系作為直接和土壤接觸的器官，對于土壤水分的感受最為直接，同時也是植物在水分脅迫下最先作出反應(yīng)的器官，研究根系可較好反應(yīng)植物對水分脅迫應(yīng)激機理。在本研究中，選取植物根系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在水分脅迫初期，2種扁穗牛鞭草廣益和重高根系SOD、POD、CAT變化趨勢相同，都有大幅度升高，這與對苜蓿（Medicagosativa）［26］、草地早熟禾（Poapratensis）［27］、紫羊茅（Festucarubra）［27］、多年生黑麥草（Loliumperenne）［27］、玉米（Zeamays）［28］的研究結(jié)果相吻合。而14 d后出現(xiàn)下降可能有以下幾個原因：一是由于產(chǎn)生大量自由基，破壞SOD、POD和CAT產(chǎn)生機制［29，30］，二是超出保護(hù)酶系統(tǒng)的清除能力［31］，三是植物順利渡過干旱閾值期而產(chǎn)生耐受性。綜合本試驗全過程，結(jié)合扁穗牛鞭草在干旱脅迫下的宏觀表現(xiàn)，筆者傾向于第3種原因。在整個處理期間，SOD、POD和CAT 3種保護(hù)酶先上升后下降，這與在檉柳（Tamarixchinensis）［32］、大豆（Glycine max）［33］、夏玉米［33］研究相同。初期MDA含量升高，可能是干旱脅迫對質(zhì)膜損傷造成的。而同期3種保護(hù)酶與MDA呈極顯著相關(guān)的上升，則表明活性酶升高主要是由MDA所誘導(dǎo)［34］，而非干旱脅迫直接造成。在干旱脅迫到14 d時，廣益和重高扁穗牛鞭草根系MDA含量達(dá)到最大值，表明質(zhì)膜受到過氧化傷害達(dá)到最大值。在28～42 d時，根系MDA、SOD、POD、CAT開始出下降，結(jié)合2種扁穗牛鞭草葉片出現(xiàn)枯黃和萎蔫主要集中在25～35 d，而35 d以后葉片變化不明顯，主要是維持為主。這些現(xiàn)象出現(xiàn)可能與扁穗牛鞭草抗旱性反應(yīng)閾值有關(guān)［35，36］，同時30 d左右可能是扁穗牛鞭草抗旱性閾值期，是決定其抗旱大小的臨界期，有重要的研究意義。至于后期扁穗牛鞭草主要以維持為主，甚至廣益出現(xiàn)部分葉片返青的現(xiàn)象則表明扁穗牛鞭草在順利渡過干旱閾值期，對干旱脅迫產(chǎn)生較強的適應(yīng)性和耐受性，這些宏觀變化也與MDA含量和3種保護(hù)酶活性下降的微觀變化相一致。至于在42 d后是否還會出現(xiàn)MDA含量和3種保護(hù)酶活性上升，則需要進(jìn)一步延長試驗觀察期進(jìn)行研究。在整個處理期間，根系POD含量差異不顯著，POD對于2種扁穗牛鞭草抗旱性貢獻(xiàn)大小還需要做進(jìn)一步的驗證。

4 結(jié)論

綜上所述，SOD、POD、CAT在水分脅迫下，先上升后下降，在14 d時達(dá)到最大值，可能與扁穗牛鞭草在水分脅迫下保持正常生長最長時間一致。廣益扁穗牛鞭草MDA含量遠(yuǎn)低于重高扁穗牛鞭草，從而膜損傷較少。結(jié)合試驗觀察數(shù)據(jù)，重高在25 d時開始出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象，廣益在35 d開始出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。試驗結(jié)束時，重高大部分葉片出現(xiàn)枯黃，廣益仍保持綠色，表明廣益扁穗牛鞭草的抗旱能力大于重高扁穗牛鞭草。

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