甘農1號小黑麥的田間抗旱性研究

陳麗霞，田新會，杜文華

(甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室/中-美草地畜牧業可持續研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

干旱屬于世界性農業氣象災害之一[1]。尤其是在我國北方地區,連續多年長時間的干旱對生態系統和環境的影響極其嚴重[2]。水分條件是制約植物生長分布的重要環境因子之一，影響植物形態、生理生化代謝及地理分布，同時水分脅迫是各種逆境脅迫中最普遍、最常見的脅迫因子[3]。作物的抗旱性是指在干旱條件下，作物能夠忍耐或抵御水分脅迫而使其自身生長、發育和繁衍后代受到最小抑制的能力，他是由多基因控制的數量遺傳性狀，受基因型和水分脅迫雙重影響[4]。水分脅迫會造成不同程度減產,因此，篩選優質高產、抗旱和適應性強的植物品種在干旱和半干旱地區已成為農業可持續發展的主要途徑。

小黑麥(Triticalewittmack)是小麥屬(Triticum)和黑麥屬(Secale)經屬間有性雜交和染色體加倍而成的，不僅保持了小麥的高產性，而且還結合了黑麥抗病、抗逆、適應性廣、賴氨酸含量高和營養品質好等特點[5-6]。由于小黑麥具有黑麥抗旱性強的特點，因此在不同干旱脅迫條件下產量的穩定性較好。據內蒙古拉布拉林農場的試驗資料，干旱年份小黑麥的種子產量顯著高于小麥，增產幅度達44.6%～109.4%[7]。孔廣超等[8]研究表明，在旱地栽培條件下‘新小黑麥1號’種子產量為3 300～5 250 kg·hm-2，表現了較強的抗旱性。Royo等[9]研究表明，小黑麥在開花前或籽粒成熟期具有較強的抗旱性，主要是因為其抽穗較早、根系發達[10]。魏亦農等[11]通過測定小黑麥旗葉的葉綠素熒光誘導動力學參數，表明其具有較強的抗旱能力，和小麥根系中與抗旱性相關生理生化指標的變化相比，葉片中相關生理指標的變化更具有穩定性和規律性，且測定更加方便、簡潔。李德全等[12]研究表明，在干旱脅迫條件下，抗旱性強的小麥品種滲透調節能力明顯強于抗旱性弱的小麥品種，可溶性糖對滲透調節的貢獻大于脯氨酸，可溶性糖含量高者其抗旱性較強。不同大麥品種間脯氨酸累積有明顯差異，脯氨酸累積與抗旱性成正相關[13]。丙二醛(MDA)是細胞質膜過氧化的主要產物，在干旱條件下，抗旱性強品種的丙二醛含量低于抗旱性弱品種[14]。水分脅迫下SOD與CAT的變化趨勢相似，與抗旱性成正相關，而 POD活性變化較復雜，一般認為，干旱條件下抗旱品種葉片 POD 活性上升或維持較高水平，并隨干旱處理的持續和程度增強而增加[15]。抗旱性越強的作物其葉片中SOD、POD和CAT活性越大[16]。在植物生長抗旱性研究中，由于植物本身抗旱機理的復雜性和植物對干旱條件適應的多樣性，采用單一指標不能全面反映植物抗旱性，因此采用多指標綜合評價法才能更加客觀地評價植物抗旱性強弱。

植物在干旱脅迫下的產量是評價不同品種抗旱性強弱的最根本、最直接的指標[17]。‘甘農1號’小黑麥為甘肅省審定登記的第1個小黑麥品種，其在不同生境條件下種子產量波動較大[18]。本研究以‘甘農1號’小黑麥為試驗材料，以國家草品種審定委員會規定的小黑麥區域試驗統一對照‘石大1號’和‘中飼1048’小黑麥為對照，采用遮雨棚控制水分的方法，在大田條件下研究不同小黑麥品種可溶性糖含量、脯氨酸含量、丙二醛含量、SOD、POD和CAT活性等生理生化指標對干旱脅迫的響應，利用隸屬函數法對3個小黑麥品種的抗旱性進行綜合評價，并根據綜合抗旱系數給出相應抗旱等級，為‘甘農1號’小黑麥在西北干旱半干旱雨養農業區種植提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在甘肅農業大學牧草試驗站進行，E 103°34′，N 36°05′，海拔1 520 m。年降水量349 mm，年均溫9.0℃，無霜期171 d，年有效積溫(≥10℃)3 200 ℃。試驗地土壤為灰鈣土類，肥力均勻，地勢平坦，有灌溉條件，前茬作物為小黑麥。

1.2 試驗材料

本研究以甘肅農業大學草業學院選育的‘甘農1號’小黑麥為試驗材料，對照為國家草品種審定委員會規定的小黑麥區域試驗統一對照‘石大1號’小黑麥(CK1)和‘中飼1048’小黑麥(CK2)。

1.3 試驗方法

挑選籽粒飽滿，大小均勻的小黑麥種子作為播種材料。小區面積2 m×5 m，每個品種分別種植3行(行長2 m)，播種行距20 cm，播種量225 kg·hm-2，播種深度4～5 cm，播種前施底肥50 kg N·hm-2，出苗期進行灌水和施肥(50 kg N·hm-2)。分蘗期采用遮雨棚控水法進行干旱脅迫處理，分別在干旱脅迫第7，14，21，28，35和42 d測定土壤含水量，并采集葉片測定其生理生化指標，直至小黑麥地上部分萎蔫至死亡。

1.4 測定項目及方法

田間持水量：采用環刀法[19]測定。

土壤含水量：烘干稱重法[20]。設定土壤含水量占田間持水量80%以上為正常水分水平，50%～80%為輕度干旱，30%～50% 為中度干旱，低于30%為重度干旱[21-22]。

生理生化指標：可溶性糖含量用蒽酮法；脯氨酸含量用酸性茚三酮染色法；丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸(TBA)顯色法；超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮藍四唑光化還原法；過氧化物酶(POD)活性用愈創木酚法；過氧化氫酶(CAT)活性用紫外吸收法。各指標的測定方法參見文獻[23]。

1.5 抗旱系數和隸屬函數的計算

在模糊數學中，1個評價因素指標實測值隸屬于某一級別的程度稱為隸屬度，為0～1之間的數值。該數值越接近1，隸屬于這一級別的程度越大。每個評價因素指標實測值，就對應1個隸屬度，這種對應關系稱為隸屬函數[24]。隸屬函數值法的計算公式如下：

(1)

(2)

1.6 各指標抗旱系數的計算

由于各指標本身的差異性，抗旱系數采用不同的計算公式。在不同干旱脅迫條件下，脯氨酸和可溶性糖含量以及SOD、POD和CAT的酶活性都會增大，目的是增強細胞的滲透調節能力和清除自由基及MDA的含量，使植物具有更強的抗旱性[28]，所以采用下面公式計算。

(3)

干旱脅迫使MDA含量增加，破壞細胞膜的選擇透性，MDA含量的增加為植株不抗旱的表現[29]。因此MDA的抗旱系數計算公式如下。

(5)

式中，n為指標性狀數量，i為指標性狀。

1.7 數據統計分析

利用Excel 2003整理數據并作圖，用SPSS 19.0對土壤含水量和生理指標試驗數據進行二因素顯著性檢驗，采用隸屬函數法對3個小黑麥品種的抗旱性進行綜合評價。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對土壤含水量的影響

由圖1可知，同一干旱脅迫天數下，0～20 cm土層的土壤含水量顯著低于20～40 cm。隨著干旱脅迫天數增加，0～20 cm和20～40 cm土層的土壤含水量均呈下降趨勢，干旱脅迫0～14 d土壤含水量降幅較快，與對照(干旱脅迫0 d)差異顯著(P<0.05)，21 d后土壤含水量下降速度減慢。

根據不同干旱脅迫天數土壤含水量占田間持水量的比例(表1)，干旱脅迫7 d為輕度干旱，14～21 d為中度干旱，脅迫28 d為重度干旱。

圖1 干旱脅迫對土壤含水量的影響Fig.1 Effects of drought stress on the soil moisture content注：不同小寫字母表示不同土層、不同脅迫天數間差異顯著(P<0.05)，下同Note: Different lowercase letters indicate significant difference between soil layers and different stress days at the 0.05 level, the same below

2.2 干旱脅迫對小黑麥生理生化指標的影響

小黑麥品種間、干旱脅迫天數間、品種×干旱脅迫天數交互作用間小黑麥葉片中可溶性糖、脯氨酸和MDA含量以及SOD、POD和CAT活性的差異顯著性分析(表2)表明，除品種間和品種×干旱脅迫天數交互作用間MDA含量無顯著差異外，品種間、干旱脅迫天數間以及品種×天數互作間其他指標均存在極顯著差異(P<0.01)，需要進行多重比較。

表1 不同干旱脅迫天數土壤含水量占田間持水量的比例Table 1 Ratio of the soil moisture content to the field moisture capacity under different drought stress days/%

由圖2可知，干旱脅迫0～21 d時3小黑麥品種葉片的可溶性糖含量無顯著差異。干旱脅迫28 d時，‘甘農1號’小黑麥的可溶性糖含量顯著高于CK1，35 d時顯著高于CK1和CK2，42 d時顯著高于CK2。

2.2.1干旱脅迫對小黑麥可溶性糖含量的影響 由表3可知，‘甘農1號’可溶性糖含量最高，與兩個對照品種間差異顯著(P<0.05)，CK2的可溶性糖含量高于CK1，但無顯著差異。

隨著干旱脅迫天數增加，可溶性糖含量表現為先增加后減少的倒“u”字形。正常灌水條件下(干旱脅迫0 d)小黑麥葉片的可溶性糖含量顯著低于干旱脅迫，脅迫7 d后可溶性糖含量迅速升高，14 d和21 d的變化幅度不明顯，干旱脅迫28 d后可溶性糖含量達到最高，之后又開始下降。各干旱脅迫天數間除7,14和35 d的可溶性糖含量無顯著差異外，

其他干旱脅迫天數間均有顯著差異(P<0.05)。

圖2 干旱脅迫對小黑麥葉片可溶性糖含量的影響Fig.2 Effects of drought stress on the soluble sugar content of triticale leaves

表2 小黑麥葉片中可溶性糖、脯氨酸、MDA、SOD、POD、CAT的方差分析Table 2 Variance analysis of the soluble sugar, proline content, malondialdehyde, superoxide dismutase, peroxidase and catalase activities of triticale varieties

生理生化指標Physiological biochemical indexesF值可溶性糖含量Content of the soluble sugar/ mg·g-1脯氨酸含量Proline content/μg·g-1MDA含量Content of the malondialdehyde/μmol·g-1SOD活性Activityt of the superoxide dismutase/μ·g-1·min-1POD活性Peroxidase activity/μ·g-1·min-1CAT活性Catalase activity/u·g-1·min-1品種間Varieties8.91**57.40**2.6034.64**12.85**22.48**干旱脅迫天數間Drought stress days29.75**49.46**23.88**30.49**6.89**5.10**品種×干旱脅迫天數Varieties×Drought stress days3.60**5.12**1.347.43**8.89**5.42**

注：*表示差異達顯著水平(P<0.05)，**表示差異達極顯著水平(P<0.01)，下同

Note: * indicate significant difference at the 0.05 level;**indicate significant difference at the 0.01 level. The same as below

注：品種和干旱脅迫天數間同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)

Note: Different letters within the varieties and drought stress days indicate significant difference at the 0.05 level

2.2.2干旱脅迫對小黑麥脯氨酸含量的影響 干旱脅迫后，3個小黑麥品種間脯氨酸含量差異顯著(P<0.05)，‘甘農1號’小黑麥的脯氨酸含量最高，其次為CK1，CK2的脯氨酸含量最低(表3)。

由表3可知，隨著干旱脅迫天數的增加，脯氨酸含量整體表現為增加的趨勢。正常灌水(干旱脅迫0 d)小黑麥葉片脯氨酸含量顯著低于干旱脅迫，與干旱脅迫7 d時無顯著性差異，與其他脅迫天數間差異顯著。干旱脅迫7～14 d脯氨酸含量上升較快，干旱脅迫14 d與21 d，28 d與35 d的脯氨酸含量無顯著差異，干旱脅迫42 d時脯氨酸含量達到最大值，與其他天數間均有顯著性差異(P<0.05)。

由圖3可知，干旱脅迫0～7 d時，3個小黑麥品種葉片的脯氨酸含量無顯著差異；干旱脅迫14，21和28 d時，‘甘農1號’的脯氨酸含量顯著高于CK2，但與CK1無顯著差異；干旱脅迫35 d時，‘甘農1號’小黑麥的脯氨酸含量最高，且顯著高于CK1和CK2；干旱脅迫42 d時，3個小黑麥品種的脯氨酸含量無顯著差異。

2.2.3干旱脅迫對小黑麥MDA含量的影響 品種間和品種×干旱脅迫天數交互作用間小黑麥MDA含量無顯著差異，干旱脅迫天數間MDA含量的差異極顯著(表2)。隨著干旱脅迫天數增加，小黑麥葉片中MDA含量逐漸增加。干旱脅迫7 d時小黑麥葉片的MDA含量最低，且顯著低于28，35和42 d的MDA含量；干旱脅迫7～21 d MDA含量上升幅度較慢，28 d后MDA含量上升較快，干旱脅迫42 d 時MDA含量達到最大值。

圖3 干旱脅迫對小黑麥葉片脯氨酸含量的影響Fig.3 Effects of the drought stress on proline content in triticale leaves

2.2.4干旱脅迫對小黑麥SOD活性的影響 ‘甘農1號’小黑麥的SOD活性顯著大于CK1和CK2，兩對照間SOD活性無顯著差異(表3)。

由表3可知，隨著干旱脅迫天數增加，SOD活性先增加后減少，呈倒“u”字形。干旱脅迫14 d后SOD活性上升較快，28 d 后SOD活性達到最大值，之后又開始下降。除干旱脅迫7 d外，其他干旱脅迫天數的小黑麥葉片SOD活性均顯著高于正常灌水條件(干旱脅迫0 d)(P<0.05)；其他干旱脅迫天數間小黑麥葉片SOD活性的差異如表3所示。

干旱脅迫0，7，35和42 d時3個小黑麥品種葉片的SOD活性無顯著差異；干旱脅迫14 d時，‘甘農1號’的SOD活性顯著高于CK1，但與CK2無顯著差異；干旱脅迫21，28 d時，‘甘農1號’小黑麥的SOD活性顯著高于CK1和CK2，其中干旱脅迫28 d時‘甘農1號’小黑麥SOD活性達到最高(圖4)。

圖4 干旱脅迫對小黑麥葉片SOD活性的影響Fig.4 Effects of drought stress on the activity of the superoxide dismutase of triticale leaves

2.2.5干旱脅迫對小黑麥POD活性的影響 ‘甘農1號’小黑麥的POD活性顯著低于CK2(P<0.05)，與CK1之間無顯著性差異(表3)。

由表3可知，不同干旱脅迫天數間小黑麥葉片POD活性的變幅較小。隨著干旱脅迫天數增加，小黑麥葉片中POD活性逐漸增大，干旱脅迫28 d時POD活性最大，之后又開始下降。干旱脅迫28 d和7 d，14 d和42 d，35 d和7 d間POD活性差異顯著，其他干旱脅迫天數間POD活性無顯著差異。

由圖5可知，在正常灌水條件下(干旱脅迫0 d)和干旱脅迫35 d以及42 d時，‘甘農1號’小黑麥POD活性顯著低于對照；干旱脅迫14 d時‘甘農1號’小黑麥POD活性顯著高于CK1，但與CK2無顯著差異；其他干旱脅迫天數間3個小黑麥品種POD活性無顯著差異。

2.2.6干旱脅迫對小黑麥CAT活性的影響 3小黑麥品種中，‘甘農1號’小黑麥的CAT活性顯著低于CK2，與CK1無顯著差異(表3)。

由表3可知，隨著干旱脅迫天數增加，7～14 d時小黑麥CAT活性迅速增加，14～28 d時緩慢增加，干旱脅迫28 d時達最大，之后開始下降，42 d時又開始升高。多重比較結果表明，干旱脅迫7 d時小黑麥CAT活性除與正常灌水(干旱脅迫0 d)和干旱脅迫35 d無顯著性差異外，與其他干旱脅迫天數間存在顯著差異。其他干旱脅迫天數間小黑麥CAT活性的差異如表3所示。

干旱脅迫0，7 和21 d時3個小黑麥品種間CAT活性無顯著差異；干旱脅迫14，35和42 d時，‘甘農1號’小黑麥的CAT活性顯著低于CK2，干旱脅迫28 d時顯著高于CK1(圖6)。

圖5 干旱脅迫對小黑麥葉片和POD活性的影響Fig.5 Effects of drought stress on the activity of the peroxidase of triticale leaves

圖6 干旱脅迫對小黑麥葉片CAT活性的影響Fig.6 Effects of drought stress on catalase activity of triticale leaves

2.3 小黑麥品種抗旱性綜合評價

從上述水分脅迫下不同小黑麥品種各生理生化指標的變化可知，用單一指標不能客觀評價參試小黑麥品種的抗旱性，也無法給出相應的抗旱等級。隸屬函數法可以將各抗旱指標進行綜合定量評價，能夠更加全面地綜合評價不同品種的抗旱性[23]。

本試驗利用隸屬函數法對3個小黑麥品種葉片中可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性和CAT活性進行綜合分析。由于小黑麥品種間和品種×干旱脅迫天數交互作用間MDA含量無顯著差異，綜合評價時不宜將指標列入。由表4可知，3個小黑麥品種中‘甘農1號’、CK1和CK2的平均D值分別為0.63，0.26和0.37。依據D值大小，3個小黑麥品種的抗旱性強弱為‘甘農1號’>CK2>CK1，‘甘農1號’小黑麥屬于中抗旱型，品種CK1和品種CK2為干旱較敏感型。

表4 不同時期干旱脅迫下各小黑麥品種的u(x)值、綜合抗旱系數及抗旱性分級Table 4 Comprehensive drought resistance coefficient,u(x)value, drought-resistance classification for triticale variety treated with drought stress for different days

3 討論

干旱對作物生長的影響是多方面的，但最根本的影響是由于土壤含水量減少，導致葉片光合作用得不到及時補償，引起植物細胞原生質脫水，破壞細胞膜脂層分子排列，細胞透性增加[30]。由于缺水植物正常生理過程被破壞，合成受到抑制，加速分解，使植物生長減慢，葉片失水衰老、枯黃，直至死亡[31]。本試驗在干旱脅迫42 d時，葉片枯黃萎蔫，大部分植株開始死亡。

植物的抗旱性與可溶性糖含量和脯氨酸含量成正相關[13]，可溶性糖和脯氨酸含量的積累對處于干旱脅迫條件下的作物具有保護作用，植物體內原生質的滲透勢會隨著細胞內可溶性糖含量的增加而下降，通過提高滲透壓促使植物從外界吸收更多水分，以達到供自身生理活動需求[32]。本試驗中，‘甘農1號’小黑麥在干旱脅迫條件下的可溶性糖含量和脯氨酸含量顯著高于CK1和CK2，說明其抗旱性比較強。當植物體內SOD，POD，CAT以及不同過氧化物酶存在時，酶活性越高，會越快中斷過氧化物與 H2O2的反應，保護作用更強[33]。干旱條件下，POD活性越大，表明作物抗旱性越強，也有研究表明，水分脅迫下 CAT 的變化趨勢與 SOD 相似，與抗旱性成正相關[34]。本試驗中，‘甘農1號’小黑麥的SOD活性顯著高于對照，但其葉片中POD活性和CAT活性與CK1相近，顯著低于CK2。說明‘甘農1號’葉片中可溶性糖含量、脯氨酸含量和SOD活性對其抗旱性有重要作用。

輕度干旱(7 d)時，小黑麥葉片中脯氨酸含量和SOD活性略有增加(升高)，可溶性糖含量、MDA含量、POD活性和CAT活性略有降低，說明輕度干旱對參試小黑麥品種的影響較小。當小黑麥受到中度干旱脅迫(14～21 d)時，各生理生化指標不同程度升高，可溶性糖含量和脯氨酸含量上升速度較快，說明滲透調節物質的積累是抵抗干旱脅迫的重要機制[35]。重度干旱(28～42 d)時，小黑麥葉片中脯氨酸含量和MDA含量達到最大值；可溶性糖含量、SOD活性、POD活性和CAT活性均達到了最大值，之后降低。主要是因為，短期內可溶性糖和脯氨酸含量的升高起到滲透調節的作用，但是長時間的干旱脅迫會使植株內的糖含量消耗過多而降低[36]。MDA含量的高低反映質膜過氧化強弱和受傷害程度，其含量增加是因為細胞內自由基產生和清除之間的平衡受到破壞出現自由基累積[37]。細胞中的保護酶系統SOD，POD和CAT活性的增強，是細胞免于傷害或抗性加強的重要原因之一，說明適度干旱脅迫對小黑麥具有抗旱鍛煉的效果，但長期重度干旱則會使植物酶失活，活性降低[38]。

當3個小黑麥品種受到輕度(7 d)和中度干旱脅迫(14～21 d)時，葉片中可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性和CAT活性沒有顯著差異(圖2-6)，說明輕度和中度干旱脅迫時3個小黑麥品種的抗旱性相近。Singh 等[13]認為，在干旱脅迫下，抗旱性較強的大麥體內脯氨酸含量高于不抗旱品種。小麥抗旱性與干旱脅迫下SOD活性、POD活性和CAT活性呈正相關，抗旱性強品種的SOD活性較高，但當受到重度干早脅迫時保護膜系統酶活性降低，抗旱性強品種的SOD活性下降幅度較緩[39]。本試驗中，當小黑麥受到重度干旱脅迫(28～42 d)時，‘甘農1號’小黑麥可溶性糖含量、脯氨酸含量和SOD活性顯著或不顯著高(強)于CK1和CK2，但其POD和CAT活性在干旱脅迫35和42 d時低于對照，說明‘甘農1號’的抗旱性主要來自于較高的可溶性糖含量、脯氨酸含量和SOD活性。

植物的抗旱性受自身遺傳條件和環境共同調控，是一個比較復雜的生理調控機制，各個生理因子之間有著緊密聯系[40]。本試驗利用項目組前期研究[41]篩選出的，適宜于小黑麥抗旱性評價的6個生理生化指標評價3個小黑麥品種抗旱性時，各個指標表達的3小黑麥品種的抗旱性強弱并不相同，也無法給出相應的抗旱等級。文中采用綜合隸屬函數法對3個小黑麥品種葉片中可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性和CAT活性進行綜合分析，得出了3小黑麥品種的抗旱性強弱以及抗旱等級。

4 結論

輕度干旱對3個小黑麥品種的影響較小；中、重度干旱對小黑麥品種的影響較大。3個小黑麥品種的抗旱性強弱為：‘甘農1號’>CK2>CK1，‘甘農1號’屬于中抗旱型，CK1和CK2為干旱較敏感型。