刈割高度對糧飼兼用小麥抗逆性及保護性酶活性的影響

王玉平， 楊景寧， 王丹丹， 楊 倩， 張小明， 沈禹穎

(蘭州大學草地農業科技學院 草地農業生態系統國家重點實驗室 草業科學國家級實驗教學示范中心(蘭州大學)， 甘肅 蘭州 730020)

籽粒作物在營養生長期刈牧利用、成熟后收獲籽粒的利用方式稱之為糧飼兼用(dual-purpose)，已在美國、加拿大和澳大利亞等國推廣應用，是利用作物生長冗余釋放、糧草兼顧、提高農戶收益的舉措[1-4]。已有研究表明刈牧后植物光合器官受損，可溶性糖在植株內的積累與分布及酶代謝活性隨之改變，如刈牧強度影響長芒草(Stipabungeana)、牛枝子(Lespedezapotanimii)和糙隱子草(leistogenessquarrosa)的可溶性糖含量[5]；隨著刈割次數的增加，沙蔥(AlliummongolicumRegel)可溶性糖含量降低，可溶性蛋白含量增加[6]，多次刈割后苜蓿(MedicagosativaL.)根系過氧化物酶(POD)、超氧化物歧化酶(SOD)等保護性酶活性降低[7]?？扇苄蕴?、可溶性蛋白通過調節滲透濃度來啟動脫落酸的形成，誘發蛋白質的合成，提高小麥苗期的抗逆性[8]。POD和SOD對提高植物抗寒性有重要作用[8-9]，亦是植物抗逆性的鑒定指標[9-10]。實踐中冬小麥刈牧主要發生在冬春時節，刈牧后的冬小麥恢復生長能力與其抗逆性相關，因此，探究刈割高度對冬小麥可溶性糖、可溶性蛋白積累及保護性酶活性的影響，理解刈牧后冬小麥的生理代謝規律，可為制定適宜的冬小麥糧飼兼用管理措施提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試材料為甘肅慶陽適用冬小麥‘隴育4號’(Triticumaestivum.‘LY 4’)。溫室試驗于2014年在蘭州大學榆中校區智能溫室進行，日間溫度25～30℃，夜間溫度15～20℃，每天光照時間10～12 h。采用水培法培養，選取大小均一，飽滿無破損的‘隴育4號’種子，2%次氯酸鈉消毒5 min，轉入蒸餾水中浸泡12 h，置于22℃恒溫培養箱中催芽24 h后，于4℃中春化30 d，接著在25℃恒溫環境下催芽，待胚芽3～5 cm時，移栽至栽培容器(長20 cm，寬15 cm，高20 cm)中。培養期間每盆盛3 L 1/2濃度Hoagland營養液，留苗10株，培養至5～6個分蘗期時進行刈割處理。

1.2 試驗設計與處理

設2個刈割高度處理，分別為留茬6 cm(RE-6)和留茬3 cm(RE-3)，以不刈割作為對照(CK)，每個處理重復40 盆。

1.3 取樣與測定

1.3.1植株生物量測定 分別于刈割后第8，12，16，20 d取樣，采用破壞性取樣法取樣，每次每個處理各取4盆。取樣后清洗植株各部位，莖、葉、根分離，鮮樣 (105℃下殺青10 min)稱重后，65℃烘至恒重，稱重。

1.3.2生理生化指標測定 于生物量測定同期取樣，每次每個處理取4盆，取樣后將植株分為莖、葉、根3部分，于-70℃保存，測定時，稱取待測小麥鮮樣0.5 g，加6 mL PVP和少量的石英砂，冰浴研磨成勻漿，在4℃、8 000 r·min-1下離心15 min，取上清液即酶浸提液，進行各指標測定?？扇苄蕴呛坎捎幂焱y定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定；SOD用氮藍四唑(NBT)法測定；POD活性采用愈創木酚法測定[11]。

1.4 數據分析

采用GenStat(Edition17)軟件進行統計分析，F測驗檢驗處理效應，用LSD法比較刈割處理下的平均數差異(P=0.05)。

2 結果與分析

2.1 刈割高度對植株各部位干物質積累和分配的影響

刈后20 d內各部位干物質均未超過對照。刈后16, 20 d，RE-6處理下莖干物質分別較對照顯著降低48%和31% (P<0.05)(圖1a)，葉干物質分別較對照顯著下降49%和35%(P<0.05)(圖1b)，根干物質分別較對照顯著下降18%和41%(P<0.05)(圖1c)，RE-3下莖干物質分別較對照顯著降低73%和53%(P<0.05)(圖1a)，葉干物質分別較對照顯著下降57%和53(P<0.05)(圖1b)，根干物質分別較對照顯著下降30%和51%(P<0.05)(圖1c)。2個刈割處理下各部位干物質分配占比也發生了變化，刈后第8 d，RE-6和 RE-3莖干物質占比較對照分別提高8%和6%，刈后12 d，RE-6和 RE-3葉片干物質分配分別較對照明顯下降14%和19%，刈后16～20 d，葉片干物質逐漸恢復，根干物質分配在刈后第8～16 d均高于對照，刈后20 d，根干物質分配與對照無明顯差異(圖2)。

2.2 刈割高度對植株各部位干物質生長速率的影響

刈后20 d內，‘隴育4號’地上部干物質平均積累速率隨著刈割留茬高度的增加而降低(表1)，其中，莖干物質積累速率隨刈后天數的推后而增加，刈后16～20 d均高于對照。葉干物質積累速率在刈后第12～16 d高于對照。根干物質積累速率在2個刈割處理下均高于對照，RE-3處理僅在16～20 d低于對照。

圖1 刈后20 d內冬小麥莖(a)、葉(b)、根(c)干物質積累動態Fig.1 Dry matter dynamics of stem (a), leaf (b) and root (c) within 20 days after clipping

圖2 刈后20 d內冬小麥植株各部位干物質分配比Fig.2 Dry matter allocation ratio of winter wheat within 20 days after clipping

表1 刈后20 d內冬小麥各部位生長速率Table 1 Growing rates of winter wheat within 20 days after clipping/g·plant-1 ·d-1

2.3 刈割高度對植株各部位可溶性糖含量的影響

刈割降低了‘隴育4號’各器官可溶性糖含量(P<0.05)。刈后第20 d，RE-6和RE-3處理莖可溶性糖含量分別較對照顯著減少37%和 43%(P<0.05)(圖3a)，葉可溶性糖含量分別較對照顯著下降52%和39%(P<0.05)(圖3b)。刈后20 d內，根可溶性糖含量隨時間均呈增加趨勢，且RE-6、RE-3根可溶性糖含量較對照顯著減少26%和49%(P<0.05)(圖3c)。

刈割后，‘隴育4號’各器官的可溶性糖平均積累速率均低于對照(表2)。刈后20 d內，各處理下莖可溶性糖積累速率均先上升后降低，RE-6和RE-3處理下莖可溶性糖平均積累速率分別較對照降低69%和86%；葉可溶性糖積累速率分別在刈后16～20 d，8～12 d低于對照，在刈后第12～16 d高于對照。RE-6和RE-3處理下根可溶性糖含量平均積累速率分別比對照低56%和73%。

圖3 刈后20 d冬小麥莖(a)、葉(b)、根(c)可溶性糖含量動態Fig.3 Water soluble carbohydrate of stem (a), leaf (b) and root (c) of winter wheat within 20 days after clipping

表2 刈后20 d冬小麥各部位可溶性糖積累速率動態/mg·plant-1·d-1Table 2 Dynamics of growing rates of water soluble carbohydrate of winter wheat within 20 days after clipping

2.4 刈割高度對植株各部位可溶性蛋白含量的影響

刈后20 d內，‘隴育4號’各處理下莖可溶性蛋白含量無明顯變化，且RE-6、RE-3莖可溶性蛋白含量與對照無顯著性差異(圖4a)。刈后第8 d，刈割處理葉可溶性蛋白含量與對照無顯著性差異，刈后第12 d各處理下葉可溶性蛋白達到最大值，RE-6和RE-3分別較對照顯著提高16%和18%，至第20 d提高23%和25%(P<0.05)(圖4b)。各處理下根可溶性蛋白含量在刈后20 d內均無顯著差異(圖4c)。

圖4 刈后20 d內冬小麥莖(a) ，葉(b) ，根(c)可溶性蛋白含量Fig.4 Soluble protein content of stem (a), leaf (b) and root (c) of winter wheat after clipping

2.5 刈割高度對植株各部位保護性酶活性的影響

刈割處理下，莖、葉POD活性較對照均有所提高，刈后第8 d ，莖POD活性較對照顯著提高30%，但刈割處理下莖、葉POD活性與對照間差異逐漸縮小(圖5a，5b)。RE-3下根POD活性在刈后第12 d比對照顯著低54%，至刈后第20 d與對照無顯著差異(圖5c)。

刈割處理20 d內， RE-6處理下莖和葉SOD活性與對照相比無顯著差異，RE-3處理下莖和葉片SOD活性高于對照10%和18%～30%。6 cm留茬下根系SOD活性恢復早于3 cm留茬，在刈后20 d 高于對照(圖6c)。刈割不同程度提高了冬小麥地上部POD、SOD活性，降低了地下部POD活性。

圖5 刈后20 d內冬小麥莖(a)、葉(b)、根(c)POD動態Fig.5 Dynamics of POD activity of stem (a), leaf (b) and root (c) of winter wheat within 20 days after clipping

圖6 刈后20 d冬小麥莖(a)、葉(b)、根(c)SOD活性動態Fig.6 Dynamics of SOD activity of stem (a), leaf (b) and root (c) of winter wheat within 20 days after clipping

3 討論

3.1 刈割高度對冬小麥干物質積累和分配的影響

刈牧是草地主要利用方式，適度刈牧是草地合理管理的環節[12-14]。刈割后植物地上干物質損失，各器官資源分配格局發生變化，將光合產物優先分配給莖部，以提高對光的截獲量，從而提高再生速率，盡快恢復冠層光合能力[15]。本研究發現，刈后20 d內，‘隴育4號’莖、葉、根各器官干物質量均隨刈割留茬高度的降低而降低，短期內再生冬小麥干物質量隨刈割留茬高度的降低而降低[16]，春小麥于苗期、分蘗期刈割后40 d內干物質量始終低于對照[17]，未在短時間內實現補償生長。輕度刈割下冷蒿(Artemisiafrigida)和伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)干物質均較重度刈割下高[15,18]，‘隴育4號’地上部干物質平均積累速率隨著刈割強度的增加而降低，但地下部分干物質平均積累速率均高于對照，說明刈割下冬小麥根系生長速率增加，以獲取養分供給地上部分保證恢復生長。

3.2 刈割高度對植株可溶性糖和可溶性蛋白的影響

可溶性糖與可溶性蛋白是植物細胞內重要的滲透調節物質[8]，通過調整細胞滲透壓維持細胞膜完整性，進而保證葉片的光合作用?？扇苄蕴怯质侵仓暝偕闹匾镔|和能量來源[19-20]。刈割后植物大量綠色部分突然被移除，同化產物的積累低于異化作用引起的消耗，使可溶性糖等儲存物質含量降低[13]，輕牧下冷蒿、羊草地上部可溶性糖含量較不刈割對照提高[21-22]，燕麥莖部可溶性糖含量在移去1/4葉片時高于對照，移去3/4時則顯著低于對照[23]，本研究中，2個刈割高度下‘隴育4號’各器官可溶性糖含量均較對照顯著降低，尤其是莖干部下降明顯，說明刈割后20天的再生過程，以消耗莖部可溶性糖為主，葉片可溶性糖含量平穩，而莖和根可溶性糖含量逐漸升高，說明在葉片受損情況下，植物以活化根系及莖儲存的可溶性糖來保證植物的正常生長[24]。

可溶性蛋白含量的變化可反映植物遭受環境脅迫的狀態和程度[25-26]，同時可溶性蛋白有較強親水性，有利于植物保持更多的水分，使原生質在遭受低溫凍害時減少因結冰致死的機會，從而提高抗寒性[27]。刈割促進了葉片可溶性蛋白積累，對莖、根可溶性蛋白含量無明顯影響，燕麥、油菜和羊草刈牧后有同樣規律21,23,28]，頻繁刈割抑制了沙蔥根系可溶性蛋白的積累[6]，這是由于刈割損傷光合器官，刺激了抗逆反應，可溶性蛋白含量增加。伊犁絹蒿可溶蛋白含量不受刈割處理的影響[18]，這可能是由于植物種類不同，可溶性蛋白對逆境傷害的響應不同而導致。

3.3 刈割高度對植株保護性酶活性的影響

SOD和POD是植物體內重要的抗氧化酶，分別清除超氧陰離子自由基、羥自由基，可稱為自由基清除酶[29]，逆境脅迫下，植株保持較高的抗氧化酶類活性可以提高抗逆性[30]。抗氧化物酶活性的高低也可以在一定程度上能夠反映植物抗寒性[29,31]。前人研究發現，刈割次數和不同的刈割時間均會影響植物保護性酶活性[7,32]。本研究中‘隴育4號’地上部POD和SOD活性在不同刈割強度下有不同程度的增加，但保護性酶活性對刈割強度的響應不盡一致，其中RE-6下POD活性最高，RE-3下SOD活性最高，根系POD、SOD活性與對照差異不明顯。因為刈割后植株地上部受到直接傷害，刺激其保護性酶活性升高以保證植株正常生長，而地下部應激反應則相對滯后。并且有研究表明，小麥在逆境脅迫下POD、SOD活性升高[8-10]，說明逆境脅迫確實可以促進小麥的保護性酶活性。當然也有研究表明紫花苜蓿刈割后根系POD、SOD活性均下降[7]，這可能是因為禾本科植物和豆科植物對于刈割的響應有所差異。

4 結論

刈割后，冬小麥‘隴育4號’各部位干物質量隨留茬高度的降低而降低，植株通過調動莖部和根部可溶性糖保障再生生長，刈割留茬3 cm和6 cm處理下地上部可溶性蛋白含量和保護性酶活性表現出補償效應，抗逆性增加，為植株安全越冬及后期生長提供了物質保障，是刈割后冬小麥恢復生長的生理生態機制。