不同苗齡劍麻（Agave sisalana）生理指標的相關(guān)性分析及抗旱性評價

王春雪　紀中華　潘志賢　岳學文　李紀潮　閆幫國　陳濤

摘 要 在元謀金沙江干熱河谷區(qū)進行盆栽控水試驗，模擬干旱脅迫對劍麻H.11648不同苗齡（18個月、12個月、6個月）植株的生理及形態(tài)指標的影響。結(jié)果表明： （1）大苗在干旱脅迫下，隨著干旱脅迫的加劇，葉片含水量隨之降低，葉綠素也隨之遭到破壞，葉片含水量越低葉綠素破壞越嚴重。對于葉片MDA含量的變化，Chl a/b及葉片含水量都是這一變化的敏感生理指標。（2）中苗在干旱脅迫下，SOD與POD兩種酶協(xié)同作用來共同抵制干旱對劍麻的侵害，使其受傷害程度降到最低。（3）小苗在干旱脅迫下，酶系統(tǒng)中POD與SOD兩種酶呈協(xié)同關(guān)系，隨著丙二醛含量的增加，劍麻小苗的葉綠素、含水量、生長狀況等各方面都受到顯著的影響，這對小苗的破壞是全方位的。（4）根據(jù)模糊隸屬函數(shù)法計算出各苗齡階段劍麻H.11648的抗旱隸屬度進行抗旱性比較，得出中苗（苗齡12個月）的綜合抗旱能力最強。在對劍麻H.11648的引種過程中，12個月苗齡的劍麻在抗旱生理方面最適合栽種，它的抗旱生理特征能保證其在干熱河谷最大程度的存活。

關(guān)鍵詞 劍麻H.11648；不同苗齡；生理指標；抗旱評價

中圖分類號 S563.8 文獻標識碼 A

Abstract Pot water control experiments were performed in Jinsha River Dry-hot Valleys in Yuanmou. The experiments simulated drought stress on different age of Agave sisalana H.11648 seedlings （18 months， 12 months， 6 months）， and studied on the physiological and morphological indices. The results showed that： （1）under drought stress， with the drought stress aggravated， the leaf water content of large seedling decreased， and the chlorophyll was destroyed， chlorophyll a/b and leaf water content were all sensitive physiological indicators to blade malondialdehyde content. （2）Under drought stress， SOD and POD enzyme of medium seedling were synergy to jointly resist drought， to make its level of damage to a minimum. （3）Under drought stress， the two kinds of enzymes POD and SOD of little seedlings were in collaborative relationships. Along with increase of the content of malondialdehyde， chlorophyll content， water content， and the growth of small seedling was significantly affected， the damage to small seedling was comprehensive. （4）According to the fuzzy membership function， the membership degree of drought resistance of each age of seedling A. sisalana H.11648 was calculated， which was concluded that the medium seedling（12 months）had the strongest comprehensive drought resistance capacity. In the process of the introduction of A. sisalana H.11648， the 12 months seedling was the most suitable plant for its drought-resistant physiological. Its drought resistance and physiological features could ensure it lived to a great extent in the dry-hot valleys.

Key words Agave sisalana H.11648；Different age of Agave sisalana seedlings；Physiological indees；Drought tolerance evaluation

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.07.012

劍麻（Agave sisalana）是元謀干熱河谷引進的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)纖維植物，具有產(chǎn)量高、抗旱等特點，而干熱河谷的水熱矛盾卻是限制其生長的關(guān)鍵問題。劍麻對干旱脅迫的適應性是其能否在干熱河谷環(huán)境下生存的重要條件。不同生長期的植物對干旱的抗性是不相同的，植物個體能否忍耐干旱脅迫，主要取決于其生理、形態(tài)以及生長特性的表現(xiàn)[1]。植物在極端環(huán)境下對水分脅迫的生理反應和適應機制是植物水分關(guān)系研究中的重要課題之一[2]。前人對不同植物的抗旱性都進行了大量的研究分析，總結(jié)出了形態(tài)、生理、分子等不同層次下的抗旱指標，為植物抗旱性研究提供了理論支持。植物對土壤水分脅迫的響應包含著極其復雜的生理生化變化，并形成了受遺傳性制約的適應機制[3-6]。因此，本研究針對同一品種不同苗齡的劍麻H.11648在元謀干熱河谷干旱脅迫下抗旱生理指標進行研究，通過模擬自然干旱的控制實驗來揭示不同苗期劍麻的抗旱能力，探索其適應機制，同時進行了各抗旱指標的相關(guān)性分析及抗旱性評價，為選擇引種不同苗齡的劍麻提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗材料 供試材料為劍麻品種H.11648不同苗齡的幼苗，分為大、中、小苗，苗齡分別為18、12和6個月，3種苗齡的劍麻均引種于廣西。供試土壤為磚紅壤，其中全氮（以N計）為0.069%，全磷（以P計）為0.033%，全鉀（以K計）為0.557%，土壤容重為1.68 g/cm3。

1.1.2 試驗地概況 盆栽實驗于云南省農(nóng)業(yè)科學院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所試驗大棚內(nèi)進行，試驗地位于金沙江元謀干熱河谷區(qū)，該區(qū)地處101°35′～102°06′E， 25°23′～26°06′N， 海拔1 000～1 400 m之間，年均溫21.5 ℃， 最熱月（7月）均溫為27.1 ℃， 最冷月（1月）均溫為14.9 ℃，年均降水量<700 mm， 其中6～10月降雨量占年降水量的90%以上， 年均蒸發(fā)量>3 000 mm。

1.2 方法

1.2.1 試驗組處理 試驗于2012年7月到2012年11月進行，歷時4個月。試驗分6個小組，其中每個苗齡劍麻分別設(shè)立干旱脅迫組和正常給水組，每個試驗小組設(shè)置十個劍麻盆栽，供試花盆高23 cm，口徑為34 cm，裝干土15 kg，采用自然狀態(tài)下的磚紅壤，無施肥。干旱脅迫組劍麻每30 d澆一次水，澆水量為1 L，土壤含水量保持在4%～6%；正常給水組劍麻每周澆一次水，水量為1 L，土壤含水量保持在30%～35%。各組劍麻的生理指標和形態(tài)指標每月測定一次，連續(xù)測定4個月，脅迫組和對照組均在每次澆水前一天早上測定。生理指標每組隨機選取3個植株進行測定，形態(tài)指標每組隨機選取5個植株進行測定，測量葉片均選取最新伸展且沒有病害的成熟葉片。

1.2.2 形態(tài)及生理指標的測定 測定的形態(tài)指標有：株高、葉長、葉寬、葉厚、葉數(shù)，生理指標有：葉綠素（Chl）含量、葉片丙二醛（MDA）含量、葉片脯氨酸（Pro）含量、葉片過氧化物酶（POD）活性、葉片超氧化物歧化酶（SOD）活力、葉片含水量，測定方法參照陳建勛文獻中的方法[7]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)采用Excel和Spss軟件進行分析，采用Excel作圖。用Pearson相關(guān)系數(shù)分析抗旱指標的相關(guān)關(guān)系，其中，極顯著性檢驗水平α=0.01進行一元線性回歸。

各苗齡劍麻綜合抗旱能力，采用模糊隸屬函數(shù)法[8-9]計算抗旱隸屬度進行比較。該方法根據(jù)模糊數(shù)學原理，利用隸屬函數(shù)進行綜合評價。先求出各生理指標在各劍麻苗齡中的隸屬函數(shù)數(shù)值，然后對各苗齡隸屬函數(shù)值進行累加，求其平均值，得出綜合評價指標值。相關(guān)計算公式為：

X（u）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin） （1）

X（u）=1-（X-Xmin）/（Xmax-Xmin） （2）

式（1）、（2）中，X（u）為某苗齡劍麻某指標的抗旱隸屬函數(shù)，X為該苗齡該指標的測定值，Xmax和Xmin為各苗齡中指標最大和最小測定值。指標與抗旱性成正相關(guān)則使用公式（1），若指標與抗旱性成負相關(guān)，則使用公式（2）。將每個苗齡劍麻各指標的抗旱隸屬數(shù)值累加起來，求其平均數(shù)，隸屬函數(shù)均值越大，就證明該苗齡劍麻的抗旱性越強。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同苗期劍麻生理與形態(tài)指標的相關(guān)性分析

劍麻由多種生理生化過程綜合作用來適應干旱脅迫，對不同的生理及形態(tài)指標進行相關(guān)性分析，并將其中呈顯著相關(guān)（p<0.01）的指標進行擬合分析，結(jié)果如下。

2.1.1 劍麻H.11648大苗各指標的相關(guān)性分析 如圖1所示，劍麻H.11648大苗在正常澆水的情況下，葉片SOD活力與MDA含量呈顯著正相關(guān)，葉片SOD活力與含水量呈顯著負相關(guān)。

劍麻H.11648大苗在正常澆水情況下，SOD活力與MDA含量呈顯著正相關(guān)，這說明H.11648大苗在水分脅迫前，MDA毒害的同時就啟動了SOD的保護機制，這有利于植物在遇到干旱脅迫時能很快地進行自身的保護。其SOD酶活力與葉片含水量呈顯著負相關(guān)，這說明大苗在正常澆水情況下，SOD酶保護系統(tǒng)與葉片含水量也是息息相關(guān)的，葉片含水量在正常水分環(huán)境下降低，SOD活力則相應升高。葉片SOD活力隨著MDA含量以及含水量的變化趨勢都說明了劍麻H.11648在正常水分環(huán)境下保護酶系統(tǒng)就已經(jīng)啟動了。

如圖2所示，劍麻H.11648大苗在干旱脅迫條件下，葉片含水量與Chl a/b呈顯著正相關(guān)，葉片Chl a/b與MDA含量呈顯著負相關(guān)，葉片含水量與MDA含量呈顯著負相關(guān)。

劍麻H.11648大苗在干旱脅迫的情況下Chl a/b與葉片含水量呈顯著正相關(guān)，說明其隨著干旱脅迫的加劇，葉片含水量隨之降低，Chl也隨之遭到破壞，葉片含水量越低Chl破壞越嚴重。

干旱脅迫下能夠維持較高的組織含水量是植物抗旱性的一個重要特征。劍麻H.11648大苗在干旱脅迫下葉片MDA含量與Chl a/b呈顯著負相關(guān)，這說明在干旱脅迫下對于葉片MDA含量的變化，Chl a/b及葉片含水量都是這一變化的敏感生理指標，這說明干旱脅迫下大苗產(chǎn)生的丙二醛可以同時破壞葉片的光合作用和水分調(diào)節(jié)。

2.1.2 劍麻H.11648中苗各指標的相關(guān)性分析 如圖3所示，劍麻H.11648中苗在正常澆水情況下，葉厚與葉片POD活性呈顯著正相關(guān)，葉片含水量與SOD活力呈顯著負相關(guān)。

葉厚是劍麻的重要形態(tài)指標之一，它可以指示劍麻的缺水程度。在正常澆水情況下，中苗葉厚與葉片POD活性呈顯著正相關(guān)，這說明在正常澆水情況下，隨著葉厚的增加，葉片POD活性也相應地升高，葉片越成熟POD活性就越高。SOD活力與葉片含水量呈顯著負相關(guān)，說明在無干旱脅迫情況下，葉片含水量越低，葉片SOD活力越高，這也說明了在干旱脅迫沒有發(fā)生之前SOD保護機制已經(jīng)啟動。POD和SOD的活性與葉片水分參數(shù)顯著相關(guān)也說明中苗的酶系統(tǒng)在環(huán)境還沒有干旱脅迫之前就隨著植物水分變化而隨時保護葉片，而葉片越成熟，保護酶越完善。

如圖4所示，劍麻H.11648中苗在干旱脅迫下，葉片Chl a/b與POD活性呈顯著負相關(guān)，葉片Chl b含量與SOD活力呈顯著正相關(guān)，葉片POD活性與葉片SOD活力呈顯著正相關(guān)。

對于活性氧假說，由于Chl a對活性氧的反應較Chl b敏感，活性氧直接引發(fā)Chl的破壞及部分特異性地破壞Chl a[10-11]，致使Chl含量下降及Chl a/b比值降低[12]。圖4表明在干旱脅迫下Chl的破壞程度越高，中苗的POD、SOD的活性越高。POD與SOD的活性呈顯著正相關(guān)，說明在干旱脅迫下兩種酶協(xié)同作用來共同抵御干旱對劍麻的侵害，使其受傷害程度降到最低。

2.1.3 劍麻H.11648小苗各指標的相關(guān)性分析 如圖5所示，劍麻H.11648小苗在正常澆水情況下，葉片含水量與葉數(shù)呈顯著正相關(guān)。

葉數(shù)和葉片含水量都是植物的重要形態(tài)指標，劍麻H.11648小苗在正常澆水情況下生理指標間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系，這說明小苗在水分適宜的情況下，抗旱機制還沒有形成，但是葉數(shù)和葉片含水量呈顯著正相關(guān)，這說明葉片含水量越高劍麻的葉數(shù)越多，植株的生長越快。

如圖6所示，劍麻H.11648小苗在干旱脅迫下，葉片Pro含量與葉寬呈顯著負相關(guān)，Chl a/b與脯氨酸含量呈顯著負相關(guān)，葉片SOD活力與POD活性呈顯著正相關(guān)。

葉寬是劍麻表征含水量重要的形態(tài)指標，在干旱脅迫下Pro含量與葉寬呈顯著負相關(guān)，這說明滲透調(diào)節(jié)中重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)脯氨酸隨著葉寬的減小而升高。Chl a/b與Pro含量呈顯著負相關(guān)，說明干旱脅迫對劍麻小苗葉綠素破壞的同時，滲透調(diào)節(jié)就開始起作用。SOD與POD活性呈顯著正相關(guān)，說明干旱脅迫下小苗的酶系統(tǒng)呈協(xié)同關(guān)系，POD與SOD共同抵御干旱對小苗的侵害。

葉片MDA含量與Chl a/b、葉片含水量、葉數(shù)呈顯著負相關(guān)，說明隨著MDA含量的增加，劍麻小苗的Chl、含水量、生長狀況等各方面都受到顯著的影響，這對小苗的破壞是全方位的。

2.2 各苗齡劍麻H.11648抗旱能力動態(tài)變化綜合評價

劍麻抗旱指標的隸屬函數(shù)值及其排序（表1）表明，苗齡為18個月的劍麻H.11648大苗的抗旱能力整體表現(xiàn)為9月份>11月份>8月份>10月份，苗齡為12個月的劍麻H.11648中苗的抗旱能力表現(xiàn)為11月>10月>9月>8月，苗齡為6個月的劍麻H.11648小苗的抗旱能力表現(xiàn)為9月>10月>11月>8月。

3 討論與結(jié)論

POD、SOD是植物體內(nèi)保護酶系統(tǒng)的重要組成成分，對于清除逆境下產(chǎn)生的有害自由基具有重要作用[13]。已有的研究表明： 干旱脅迫下植物抗旱能力和受傷害程度與保護酶的活性變化密切相關(guān)[13]。對于抗氧化酶系統(tǒng)，大苗在干旱脅迫發(fā)生之前，保護酶系統(tǒng)就已經(jīng)啟動，這一階段可以稱之為被動抗脅迫階段。與大苗相比，中苗的保護酶系統(tǒng)在干旱脅迫之前也已經(jīng)啟動，并且葉片越成熟，保護酶系統(tǒng)越完善。在干旱脅迫真正到來時，中苗的保護酶系統(tǒng)與植物的受破壞程度密切相關(guān)。小苗在正常水分情況下，保護酶系統(tǒng)還沒有啟動，在干旱脅迫下，保護酶系統(tǒng)POD和SOD協(xié)同抵御對苗體的侵害，這說明小苗的被動抗脅迫性還沒有形成，其直接進入主動適應階段[14]。張娜等[15]研究表明，抗旱性強的燕麥品種在水分脅迫下，保護性酶被激活的速度加快，保護性酶活性上升的幅度較大，這與本研究的大苗和中苗的結(jié)果一致。

MDA是膜質(zhì)過氧化的主要產(chǎn)物之一，它可與細胞膜上的蛋白質(zhì)、酶等結(jié)合、交聯(lián)使之失活，從而破壞生物膜的結(jié)構(gòu)與功能，它是檢測膜脂過氧化程度的一個重要指標[16]。MDA含量高低在一定程度上反映植物細胞膜脂過氧化水平和膜結(jié)構(gòu)受傷害程度及植株自我修復的能力[17]。對于MDA的含量，大苗在干旱脅迫之前，葉片中少量的MDA已經(jīng)啟動了SOD的保護機制，在干旱脅迫下，MDA又使Chl降低，破壞葉片的光合能力。小苗在干旱脅迫下，隨著葉片MDA含量的增加，Chl、含水量、生長狀況等方面的危害相應增加。吳芹等[18]研究發(fā)現(xiàn)山杏、沙棘、油松3個樹種SOD 在抵御輕、中度干旱時發(fā)揮著重要作用，干旱脅迫加劇時 POD 活性作用更大，這與本研究的大苗SOD先啟動相一致。

周江等[19]研究表明，一般情況下，抗旱性強的植物具有較高的相對含水量，從而有效保護葉綠體結(jié)構(gòu)以維持有效的光合作用，因此，葉綠素含量和相對含水量與植物抗旱性關(guān)聯(lián)度最大。本研究中大苗在干旱脅迫下，葉片含水量降低，Chl被破壞，光合受到影響。中苗在干旱脅迫時Chl被破壞，酶系統(tǒng)會啟動保護機制。小苗在干旱脅迫下，Chl隨MDA增加而破壞。

根據(jù)張衛(wèi)星[20]的抗旱性5級劃分：隸屬度≥0.7 為強抗，定為Ⅰ級；≥0.6 為抗，定為Ⅱ級；≥0.4 為中抗， 定為Ⅲ級；≥0.3為弱抗， 定為Ⅳ級；<0.3 為不抗， 定為Ⅴ級。因此，3種苗齡期的劍麻H.11648的隸屬度均在（0.4，0.6）范圍內(nèi)，屬于中抗。由隸屬函數(shù)值可以看出，劍麻H.11648中苗表現(xiàn)出規(guī)律性的抗旱能力，其在干旱脅迫的4個月內(nèi)抗旱能力不斷增強，且在3種苗齡中的隸屬函數(shù)值最高，這說明中苗較之于大苗和小苗具有更高的抗旱能力，適合于干熱河谷的引種需求。根據(jù)模糊隸屬函數(shù)法計算出各苗齡階段劍麻H.11648的抗旱隸屬度進行抗旱性比較，得出中苗（苗齡12個月）的綜合抗旱能力最強。這可能是由于中苗較小苗已經(jīng)形成了成熟的抗旱機制，且較之于大苗又在各種抗旱機能的最高效期。

在對劍麻H.11648生理及形態(tài)抗旱指標進行綜合分析的前提下，發(fā)現(xiàn)小苗由于還沒有形成特有的抗旱機制，導致其在干旱脅迫條件下酶系統(tǒng)、葉綠素、含水量、生長狀況等各個方面都受到不同程度的破壞。而大苗在進行的抗旱綜合評價中也不如中苗得分高，所以可以認為在對劍麻H.11648的引種過程中，12個月苗齡的劍麻在抗旱生理方面最適合栽種，它的抗旱生理特征能保證其在干熱河谷最大程度的存活。

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