野生草地早熟禾對干旱脅迫的生理響應(yīng)

白利國,俞 玲，馬暉玲

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州 730070)

草地早熟禾(Poapratensis)為禾本科早熟禾屬優(yōu)質(zhì)冷季型草坪草，在中國栽培歷史悠久，種植面積廣泛，主要分布在西北和華北地區(qū)[1]。草地早熟禾以其適應(yīng)性廣、植株低矮、綠期長、坪質(zhì)優(yōu)美等特性，在綠化、美化城市、運動場建設(shè)、改善生態(tài)環(huán)境等方面被廣泛應(yīng)用，是我國北方地區(qū)常用建坪草種[2]。但草地早熟禾有生長緩慢、易感病、不抗蟲、耐高溫性能差、抗旱性不強等缺點，嚴重影響著其坪用質(zhì)量和效率[3]。

我國地域遼闊，氣候多樣，干旱和半干旱地區(qū)面積約占國土面積的一半。水資源匱乏是一個普遍性的問題，尤其在西北地區(qū)顯得更加突出[4]。干旱脅迫是限制草坪草生長的最重要的環(huán)境因子之一，發(fā)掘和選育出抗旱性強的早熟禾優(yōu)良品種是促進我國干旱及半干旱地區(qū)草坪業(yè)發(fā)展的根本措施。

通過對野生草地早熟禾材料進行干旱脅迫，研究和分析干旱脅迫下不同材料的生理指標(相對含水量、葉綠素含量、丙二醛、可溶性蛋白質(zhì)、過氧化氫酶、超氧化物歧化酶)的變化，以期篩選出抗旱性強、表現(xiàn)好的材料為親本，為進一步進行新品種的選育和改良奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 材料

野生草地早熟禾種子分別采自甘肅定西(安定區(qū))、隴西、清水、秦州、西和。

草地早熟禾品種午夜2號由北京克勞沃公司提供。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 試驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院培養(yǎng)室進行，2012年9月5日將草地早熟禾播種于直徑18 cm的花盆內(nèi)，種植土組成=有機質(zhì)∶砂子∶黃河邊表土=2∶1∶7，每份材料設(shè)置對照(干旱脅迫0 d)和處理2組，各3個重復(fù)，共種植36盆，待成坪后，開始干旱脅迫，處理組停止?jié)菜瑢φ战M繼續(xù)澆水。2013年3月9日是干旱脅迫的第1 d，測定干旱脅迫第0、5、10、15、20 d各項生理指標。

1.2.2 指標測定方法 丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸鹽法測定[5]；相對含水量用稱重法測定[6]；葉綠素含量采用丙酮反復(fù)提取法測定[7]；SOD活性采用氮藍四唑光還原法測定[7]，POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[8]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250法測定[9]。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 各供試材料的測試數(shù)據(jù)均采用Spss軟件進行方差分析；采用隸屬函數(shù)分析法對各供試材料的抗旱性進行綜合性評價。該方法根據(jù)模糊數(shù)學(xué)原理，先將各指標換算成隸屬函數(shù)值，然后對各材料隸屬函數(shù)值求平均值，得出綜合評價指標值，其值越大，說明抗旱性越強[10]。計算公式:

X(u) = (X-Xmin) /(Xmax-Xmin)

(1)

X(u)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中:X為各材料的某一指標測定值，Xmax和Xmin分別為各供試材料中指標的最大值和最小值，X(u)為植物的抗旱隸屬函數(shù)值。如果指標與抗旱性呈正相關(guān)，則用式(1)計算；如果指標與抗旱性呈負相關(guān)，則用式(2)計算[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下葉片相對含水量的變化

葉片相對含水量隨著脅迫時間的延長均呈下降趨勢，但變化幅度存在差異(表1)。在干旱脅迫前期(0～10 d)，相對含水量下降較緩慢，脅迫后期(10～20 d)時,所有材料的葉片相對含水量急劇下降，與對照(0 d)相比差異顯著。干旱脅迫后，安定草地早熟禾相對含水量顯著下降，但是與其他材料相比，下降幅度最小，只有29.8%。清水草地早熟禾的相對含水量下降的幅度最大，高達56.4%，其余各材料的相對含水量下降幅度居中。干旱脅迫期間，其含水量下降值大小依次為清水>秦州>西和>午夜2號>隴西>安定。

表1 草地早熟禾葉片相對含水量的變化Table 1 Variation of relative water content in leaf %

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

2.2 干旱脅迫下葉片葉綠素含量的變化

6份草地早熟禾材料的葉綠素含量隨脅迫時間的延長均呈下降趨勢(表2),干旱脅迫前15 d,各材料葉綠素含量下降趨勢緩慢，待脅迫到第20 d時，所有材料的葉綠素含量急劇下降，此時午夜2號的葉綠素含量最高，為1.17 mg/g，但與對照(0 d)相比顯著下降,西和草地早熟禾葉綠素含量最低，為0.38 mg/g。其余材料葉綠素含量居中，各材料在干旱脅迫后的葉綠素含量高低依次是：午夜2號>安定>隴西>清水>秦州>西和。

表2 草地早熟禾葉片葉綠素含量的變化Table 2 Variation of chlorophyll content in leaf mg/g

2.3 干旱脅迫下葉片MDA含量的變化

隨著脅迫時間的延長，所有草地早熟禾材料的MDA含量都呈上升趨勢(表3)。脅迫到第15 d時，所有材料的MDA含量均緩慢上升，而西和草地早熟禾MDA含量卻下降。干旱脅迫期間，清水草地早熟禾的MDA含量上升幅度最大，為20.75 nmol/g，午夜2號的上升幅度最小，為15.8 nmol/g。比較各材料葉片MDA含量上升幅度大小依次為：清水>秦州>西和>安定>隴西>午夜2號。

表3 草地早熟禾葉片MDA的含量變化Table 3 Variation of MDA content in leaf nmol/g

2.4 干旱脅迫下葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的變化

各份材料可溶性蛋白在干旱脅迫前15 d呈緩慢上升趨勢，脅迫20 d時，可溶性蛋白質(zhì)含量急劇上升，此時，隴西草地早熟禾可溶性蛋白質(zhì)的含量最高，為0.798 mg/g，秦州含量最低0.472 mg/g。比較各材料葉片中可溶性蛋白質(zhì)含量變化大小依次是：安定>隴西>西和>午夜2號>清水>秦州。

表4 草地早熟禾葉片可溶性蛋白質(zhì)含量的變化Table 4 Variation of soluble protein content in leaf mg/g

2.5 干旱脅迫下葉片POD含量的變化

干旱脅迫第0～10 d內(nèi)，6份材料的POD活性總體呈緩慢下降趨勢，但變化幅度不同(表5)，脅迫至第15 d時，清水、秦州、西和草地早熟禾的POD活性開始緩慢下降，而安定、隴西和午夜2號的POD活性繼續(xù)增大至峰值，分別為515.8，456.5和573.1 u/g，之后，所有材料的POD活性迅速下降，西和草地早熟禾下降幅度最大，隴西下降幅度最小。故比較各材料POD活性的變化大小順序依次是：西和>秦州>安定>清水>午夜2號>隴西。

表5 草地早熟禾葉片POD活性的變化Table 5 Variation of POD activity in leaf u/g

2.6 干旱脅迫下葉片SOD活性的變化

在干旱處理的0～10 d，各材料的SOD活性緩慢增加，但在10 d后除清水草地早熟禾表現(xiàn)出緩慢的上升外，其余各材料都開始下降(表6)，脅迫15 d后，各材料SOD活性都表現(xiàn)出急速下降的趨勢，在干旱處理20 d時，秦州草地早熟禾SOD活性最低，午夜2號SOD活性最高，干旱脅迫下各材料SOD活性變化大小依次是：秦州>清水>西和>午夜2號>隴西>安定。

2.7 隸屬函數(shù)分析

清水、秦州、隴西、西和、安定、午夜2號的隸屬函數(shù)均值分別為0.613 4、0.638 2、0.702 7、0.649 1、0.697 5、0.661 8，抗旱性強弱順序為:隴西>安定>午夜2號>西和>秦州>清水(表7)。

表6 干旱脅迫下各個材料SOD活性的變化Table 6 Variation of SOD activity in leaf u/g

表7 隸屬函數(shù)值與抗旱性綜合評定Table 7 The membership function value and comprehensive assessment of drought resistance

3 討論與結(jié)論

3.1 草地早熟禾在干旱脅迫下的生理響應(yīng)及其抗旱性分析

3.1.1 相對含水量和葉綠素含量變化與抗旱性 葉片相對含水量和葉綠素含量是衡量植物抗旱能力的重要指標[12]。在相同的水分脅迫下，抗旱性強的植物葉片相對含水量和葉綠素含量下降速度較慢，能保持較好的水分平衡；相反抗旱性弱的植物，下降速度較快，幅度較大，葉片生長受抑制程度較重，光合作用減弱。植物受到干旱脅迫時，這兩項指標會隨水分脅迫強度的增加而減少。本研究中，6份草地早熟禾材料的相對含水量和葉綠素含量隨脅迫時間的延長均呈下降趨勢，這與以往的研究相符[6,13]。隴西和安定草地早熟禾相對含水量和葉綠素含量在干旱脅迫下下降幅度最小，故從相對含水量和葉綠素含量變化來看，隴西和安定草地早熟禾相對于其他材料抗旱能力較強。

3.1.2 可溶性蛋白質(zhì)和MDA含量變化與抗旱性 可溶性蛋白質(zhì)發(fā)揮了酶的功能和失水保護劑的作用[14]，在干旱脅迫下，植物葉片中可溶性蛋白含量的增加，對其適應(yīng)干旱環(huán)境條件具有積極作用[15]。而MDA是質(zhì)膜過氧化主要的產(chǎn)物之一，反映質(zhì)膜過氧化作用的程度[16]。植物在干旱脅迫條件下，發(fā)生質(zhì)膜的過氧化作用，MDA是膜脂過氧化作用的最終分解產(chǎn)物，干旱脅迫下，植物MDA含量越少，抗旱性越強；反之則越弱[17]。本研究中，干旱脅迫期間，各供試材料的可溶性蛋白質(zhì)含量均增加，但是變化幅度因材料不同而不同，安定草地早熟禾可溶性蛋白含量增加幅度最大，秦州草地早熟禾可溶性蛋白增加幅度最小，因此，從可溶性蛋白含量變化來看，隴西草地早熟禾抗旱能力最強，秦州草地早熟禾抗旱能力最弱。此外，在干旱脅迫期間，MDA含量總體表現(xiàn)出上升趨勢，表明干旱脅迫使得各材料細胞膜發(fā)生膜脂過氧化反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物積累，就MDA含量變化來看，6份草地早熟禾材料中，清水草地早熟禾的MDA含量上升幅度最大，抗旱性較差。野生材料中隴西草地早熟禾MDA含量上升幅度最小，抗旱力較強。

3.1.3 干旱脅迫下SOD和POD的活性變化 相關(guān)研究表明，POD和SOD活性水平的高低與植物的抗旱性有非常緊密的聯(lián)系[18]。干旱脅迫會破壞植物體內(nèi)活性氧代謝平衡，引起膜脂過氧化，對膜系統(tǒng)、細胞、器官甚至整株植株造成傷害，而通過抗氧化系統(tǒng)來反映活性氧清除能力是衡量早熟禾耐旱性的重要指標[19]。關(guān)于POD和SOD在干旱脅迫下的變化不一致，Dhindsa 等[20]研究發(fā)現(xiàn)苔蘚耐旱品種在緩慢干旱和快速干旱過程中SOD活性上升,而不耐旱品種活性下降。盧少云等[21]研究發(fā)現(xiàn),干旱條件下抗旱性差的地毯草SOD 活性持續(xù)升高,POD活性降低,而抗旱性強的溝葉結(jié)縷草和矮生狗牙根的SOD活性表現(xiàn)出先升后降的趨勢,POD 活性卻持續(xù)升高。本研究中，干旱脅迫期間，各材料的SOD和POD活性先緩慢上升后下降，脅迫末期，SOD和POD活性與脅迫前相比顯著下降，其中，安定和隴西草地早熟禾SOD和POD活性下降幅度最小，表明其抵御活性氧傷害的能力將強，秦州和西和草地早熟禾下降幅度最大，表明在干旱脅迫下它們對活性氧的清除能力較差，植株體更容易受到傷害。因此，SOD和POD活性而言，安定和隴西草地早熟禾抗旱能力最強，秦州和西和草地早熟禾抗旱能力最弱。

3.2 各供試材料抗旱能力的綜合性評價

植物的抗旱性是其適應(yīng)干旱環(huán)境的一種生理反應(yīng)，受多種因素影響和控制，因此，應(yīng)對多個指標進行綜合評價，從而避免單個指標進行評價的不確定性和片面性。結(jié)合干旱脅迫對植物生長發(fā)育的影響，采用隸屬函數(shù)法能對植物的抗旱性進行較客觀地綜合評價[22-27]，本研究采用隸屬函數(shù)法，對6份草地早熟禾材料的6種抗旱性生理指標進行綜合分析，結(jié)果表明，在整個干旱脅迫過程中，供試材料對干旱的反應(yīng)存在差異，這與材料來源有關(guān)，不同材料在各自不同的生境中表現(xiàn)出相應(yīng)的適應(yīng)性，綜合評價草地早熟禾材料的抗旱能力大小順序依次為隴西>安定>午夜2號>西和>秦州>清水。

研究結(jié)果表明，所有供試材料對干旱脅迫均能產(chǎn)生一定的抗旱生理響應(yīng)。在這5份野生草地早熟禾中，隴西和安定的野生草地早熟禾與其他材料相比，抗旱性表現(xiàn)較突出，并且強于午夜2號。

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