3個小黑麥品種苗期抗旱性評價

王偉強，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，甘肅省草業工程實驗室，中-美草地畜牧業可持續發展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

干旱是制約中國可持續發展尤其是農業發展的主要障礙之一[1]。它是影響中國農業最為嚴重的氣象災害，造成的損失也相當嚴重[2]。干旱對植物的危害主要體現在使其水分喪失，導致植物細胞內外滲透失衡，進而影響植物正常的生命活動[3]。

小黑麥(×Triticosecale)為一年生禾本科植物，是黑麥(Secale)和小麥(Triticum)經屬間有性雜交和染色體加倍繁育而成的新物種，它不僅表現出小麥的豐產性和籽粒飽滿的優良品質，還保持了黑麥抗逆性強的特點，是一種性狀優良的糧飼兼用型作物[4]。甘肅地處青藏、蒙新和黃土高原交匯地帶，分屬黃河、長江、內陸河3大流域，東南遠離海洋，西北緊靠世界屋脊，有著特殊的地理位置，地形地貌復雜多樣，氣候干燥，降水量稀少，農業發展受到嚴重制約[5]。因此，篩選抗旱、穩產、高效的飼草作物及品種，是當前農業結構調整中亟待解決的問題。

目前國內有關植物抗旱性的研究主要集中在形態學、產量、農藝性狀及生理生化指標方面，如株高、根系、葉片形態、產量、水分生理、光合速率、氣孔導度、Pro，SS，SP，Chl，MDA含量、SOD，POD和CAT活性等，生理生化指標的變化可以反映植物對干旱脅迫適應的程度，并最終決定飼草的產量。魏添梅等[6]研究表明，在旱地條件下，小麥(Triticumaestivum)的株高與干旱程度顯著相關。顧亞峰等[7]試驗表明，前期的干旱可降低春小麥地上、地下部干重和單株葉面積，影響灌漿期旗葉同化產物的分配。當水分脅迫解除后，根系的干物重累計迅速增加。任麗花等[8]研究表明，在中度、重度和極度干旱的情況下植物葉片細胞中線粒體內外膜破裂，葉綠體膜斷裂。陳彩虹等[9]研究表明在各生育期，不同程度干旱都會影響水稻的產量。任麗花等[10]結果表明，隨著土壤干旱脅迫梯度的增加，植物葉片相對含水量、葉片失水率、凈光合速率以及Chl含量均呈下降趨勢。王金玲[11]試驗表明，Pro的積累能力與抗旱性呈正相關，隨著脅迫時間的延長，抗旱性強的小黑麥Pro含量積累高。常麗等[12]試驗表明，干旱脅迫下可促進SS、SP的積累。曾曉琳等[13]研究表明隨著干旱程度增加結縷草(Zoysiajaponica)的MDA含量、SOD，POD和CAT活性顯著增強。甘農4號小黑麥為2019年青海省審定的小黑麥品種，但截至目前，有關其抗旱性研究方面的報道較少。本試驗采用防雨棚隔雨法模擬干旱脅迫，研究了不同干旱脅迫天數下不同小黑麥品種葉片的生理生化指標的變化，并結合隸屬函數法對其苗期抗旱性進行評價，以確定其抗旱性。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗在甘肅農業大學(N 36°03′，E 103°53°，海拔1 580 m)育種溫室內進行，年均溫9.0 ℃，年均降水量350 mm，降水主要集中在6-8月，無霜期153 d，年均降水量1 665 mm，試驗區有灌溉條件，土壤類型為黃綿土。

1.2 試驗材料

參試小黑麥品種為甘肅農業大學培育的甘農4號，石河子大學培育的石大1號，中國農業科學院作物研究所培育的中飼1048。

1.3 試驗設計

本試驗采用裂區設計，主區為干旱脅迫時間，設7個水平(0，7，14，21，28，35和42 d)；副區為小黑麥品種，設3個水平，分別為甘農4號(A1)，石大1號(A2)，中飼1048(A3)。挑選籽粒飽滿無痕，大小均勻的小黑麥種子為播種材料，播種前在試驗地0.5 m深處鋪雙層防水塑料布，試驗小區的面積為3 m×5 m，每個小黑麥品種分別種3行(行長2 m)，點播，株距5 cm，行距20 cm，播種深度4～5 cm。播種前和出苗期施氮50 kg/hm2，并及時人工清除雜草。出苗期前灌水，在灌水后的0，7，14，21，28，35和42 d采集葉片，測定葉片的生理指標。每個對照品種種于相鄰的試驗地，進行正常灌水。試驗期間及時人工除草。播種時間為2020年8月25日。

1.4 測定項目與方法

田間持水量采用環刀法測定。土壤含水量采用烘干稱重法測定。生理生化指標的測定，脯氨酸(Pro)含量：采用茚三酮比色法測定；可溶性糖(SS)含量：采用蒽酮比色法測定；可溶性蛋白(SP)含量：采用考馬斯亮藍G-250染色法測定；葉綠素含量(Chl)含量：采用95%乙醇法測定；丙二醛(MDA)含量：采用硫代巴比妥酸法測定；超氧化物歧化酶(SOD)活性：采用氮藍四唑光化還原法測定；過氧化物酶(POD)活性：采用愈創木酚法測定；過氧化氫酶(CAT)活性：采用KMnO4滴定法測定[14]；以上指標測定均3次重復。

1.5 數據統計

運用Microsoft Excel 2016進行數據整理及作圖，利用SPSS 19.0進行差異顯著性分析。如果差異顯著，則分別利用Duncan法進行多重比較。試驗結果以“平均數±標準誤”表示。用隸屬函數法對各參試的小黑麥品種的抗旱性進行綜合評價。

1.6 生理生化指標相對值的計算

由于各項生理生化指標的差異和自身遺傳特性帶來的影響，本試驗將采用各生理生化指標的相對值來計算，計算公式如下：

式中，Xd代表干旱處理生理生化值，Xw代表對照處理生理生化值[15]。

1.7 綜合評價

在模糊的數學當中，1個評估因子指標的測量值屬于某一級別的程度稱為隸屬度，隸屬度是介于0和1之間的值。數值越接近1，隸屬于這一級別程度越大。每個評估因子指標的測量值對應1個隸屬度，這種對應關系稱為隸屬函數。隸屬函數值法的計算公式如下：

MDA的增加，破壞了細胞膜的選擇性。通常來講，MDA的增加認為是植物不抗旱的表現。所以，相對MDA含量的隸屬函數值法的計算公式如下：

式中，Xj表示各品種第j個生理生化指標的相對值；Xjmax表示各品種j生理生化指標相對值的最小值；Xjmax表示各品種j生理生化指標相對值的最大值。

2 結果與分析

2.1 土壤含水量

本試驗測得田間持水量為25.93%，土壤體積含水量占田間持水量80%以上時為正常水平，50%～70%為輕度干旱，30%～50%為中度干旱，低于30%為重度干旱[16](表1)。

表1 不同干旱脅迫天數下土壤相對含水量及干旱程度

2.2 小黑麥品種間、干旱脅迫天數間及品種×干旱脅迫天數交互作用間生理生化指標相對值的方差分析

除相對Pro含量外，品種間相對SS，SP，Chl，MDA含量及相對SOD，POD和CAT活性均無顯著差異(P>0.05)(表2)。干旱脅迫天數及品種×干旱脅迫天數間除相對SP含量無顯著差異外，其余生理生化指標的相對值均存在極顯著差異(P<0.01)，需對上述存在顯著差異的指標進行多重比較。

表2 干旱脅迫下小黑麥各生理生化指標相對值的方差分析

2.3 小黑麥品種間生理生化指標相對值的差異

3個小黑麥品種，A1在不同干旱脅迫下葉片的平均相對SS，SP，Chl和MDA含量及相對SOD，POD和CAT活性與A2和A3品種無顯著差異(P>0.05)；相對Pro含量顯著低于A3(P<0.05)，與A2無顯著差異(P>0.05)(表3)。

表3 小黑麥品種間生理生化指標相對值

2.4 干旱脅迫天數間小黑麥生理生化指標相對值的差異

隨著干旱脅迫時間的增加，3個小黑麥品種葉片相對Pro，SS含量和相對SOD活性有上升趨勢，重度干旱(35 d)時達到最大，之后開始下降；相對CAT活性有上升趨勢，中度干旱(28 d)時達到最大，之后開始下降；相對SP，MDA含量和相對POD活性均呈上升趨勢，干旱脅迫到42 d(重度干旱)時達到最大；相對Chl含量呈下降趨勢，干旱脅迫7 d(輕度干旱)時達到最大(表4)。

表4 干旱脅迫天數間小黑麥葉片生理生化指標相對值

2.5 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間生理生化指標相對值的差異

2.5.1 相對Pro含量 隨著干旱脅迫天數的增長，參試小黑麥材料的相對Pro含量呈先上升后下降的趨勢。在輕度干旱(7 d)時，A1的相對Pro含量高于A2，低于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在輕度干旱(14 d)和中度干旱時，A1的相對Pro含量顯著低于A2和A3(P<0.05)；在重度干旱時，A1的相對Pro含量高于A2，顯著低于A3(P<0.05)(圖1)。

圖1 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間相對Pro含量

2.5.2 相對SS含量 隨著干旱脅迫天數的增長，參試小黑麥品種的相對SS含量呈先上升后下降的趨勢。在輕度干旱(7 d)時，A1的相對SS含量低于A2，高于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在輕度干旱(14 d)和中度干旱時，A1的相對SS含量高于A2和A3；但無顯著差異(P>0.05)；在重度干旱時，A1的相對SS含量高于A2，低于A3(圖2)。

圖2 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間相對可溶性糖含量

2.5.3 相對SP含量

隨著干旱脅迫天數的增長，參試小黑麥材料的相對SP含量呈上升趨勢。在輕度干旱(7 d)時，A1的相對SP含量低于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)；在輕度干旱(14 d)時，A1的相對SP含量低于A2，高于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在中度和重度干旱時，A1的相對SP含量低于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)(圖3)。

圖3 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間相對SP含量

2.5.4 相對Chl含量 隨著干旱脅迫天數的增長，參試小黑麥材料的相對Chl含量呈下降趨勢。在輕度干旱(7 d)時，A1的相對Chl含量低于A2，高于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在輕度干旱(14 d)和中度干旱(21 d)時，A1的相對Chl含量低于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)；在中度干旱(28 d)時，A1的相對Chl含量顯著低于A3(P<0.05)，高于A2，但無顯著差異(P>0.05)；在重度干旱(35 d)時，A1的相對Chl含量低于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在重度干旱(42 d)時，A1的相對Chl含量高于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)(圖4)。

圖4 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間相對Chl含量

2.5.5 相對MDA含量 隨著干旱脅迫天數的增長，參試小黑麥品種的相對MDA含量呈上升趨勢。在輕度干旱(7 d)時，A1的相對MDA含量低于A2，高于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在輕度干旱(14 d)時，A1的相對MDA含量低于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)；在中度干旱(21 d)時，A1的相對MDA含量低于A2，高于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在中度干旱(28 d)時，A1的相對MDA含量高于A2和A3，與A2無顯著差異(P>0.05)，與A3差異顯著(P<0.05)；在重度干旱時，A1的相對MDA含量低于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)(圖5)。

圖5 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間相對MDA含量

2.5.6 相對SOD含活性 隨著干旱脅迫天數的增長，參試小黑麥品種的相對SOD活性呈先升后降的趨勢。在輕度干旱(7 d)時，A1的相對SOD活性高于A2和A3，與A3無顯著差異(P>0.05)，與A2有顯著差異(P<0.05)；在輕度干旱(14 d)時，A1的相對SOD活性低于A2，高于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在中度干旱(21 d)時，A1的相對SOD活性低于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)；在中度干旱(28 d)時，A1的相對SOD活性高于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)；在重度干旱(35d)時，A1的相對SOD活性高于A2，低于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在重度干旱(42 d)時，A1的相對SOD活性低于A2和A3，但無顯著差異(P>0.05)(圖6)。

圖6 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間相對SOD活性

2.5.7 相對POD活性 隨著干旱脅迫天數的增長，參試小黑麥材料的相對POD活性呈上升趨勢。在輕度干旱(7 d)時，A1的相對POD活性高于A2，低于A3，但無顯著差異(P>0.05)；在輕度干旱(14 d)時，A1的相對POD活性低于A2和A3，與A3差異顯著(P<0.05)，與A2無顯著差異(P>0.05)；在中度干旱時，A1的相對POD活性低于A2和A3；在重度干旱(35 d)時，A1的相對POD活性低于A2和A3，與A2差異顯著(P<0.05)，與A3無顯著差異(P>0.05)；在重度干旱(35 d)時，A1的相對POD活性高于A2，低于A3，但無顯著差異(P>0.05)(圖7)。

圖7 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間相對POD活性

2.5.8 相對CAT活性 隨著干旱脅迫天數的增長，參試小黑麥材料的相對CAT活性呈先上升后下降的趨勢。在輕度干旱時，A1的相對CAT活性低于A2，高于A3；在中度和重度干旱時，A3的相對CAT活性低于A2和A3(圖8)。

圖8 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間相對CAT活性

2.6 小黑麥苗期抗旱性評價

采用隸屬函數法對3個參試小黑麥品種的8項生理生化指標的相對值進行隸屬函數值的計算，得出小黑麥品種隸屬函數值的大小并對其進行排名，小黑麥品種苗期抗旱性排名依次為中飼1048(A3)>石大1號(A2)>甘農4號(A1)(表5)。

表5 不同品種小黑麥隸屬函數值及排名

3 討論

3.1 小黑麥品種間抗旱相關性生理生化指標相對值的差異及原因

通過研究不同小黑麥品種在干旱脅迫條件下生理生化指標相對值的變化，表明環境因子對小黑麥生理特性的影響主要由基因而定。方敏彥等[17]研究表明，Pro在植物受到干旱脅迫下會成倍的增加，Pro在干旱脅迫的積累下能夠維持一段時間的植物細胞含水量，也是植物在干旱脅迫下正常生命活動的一種調控方式。本試驗結果表明，A3的相對Pro含量較大，同時，也表現出較強的抗旱性。小黑麥品種在干旱脅迫35 d后相對Pro含量有不同程度的下降，總體表現為Pro含量與小黑麥品種抗旱性呈正相關。SS含量可反映植物的抗脅迫能力。SS含量越高，滲透調節作用越明顯，植物的抗旱能力越強[18]。在相同的干旱脅迫環境下，抗旱性強的品種可能會產生更多的蛋白質，從而增加了細胞中的應答蛋白，以抵抗缺水對細胞帶來的迫害[19]。本試驗表明，A1的相對SS較高，但與A2和A3差異不顯著。A2的相對SP含量高于A1和A3，對其抗旱的表達有一定的影響，所以抗旱性較弱。在干旱脅迫的環境中，Chl的合成受阻，分解加快，致使葉片發黃，在一定范圍內，Chl的含量直接影響植物的光合作用。所以Chl含量對植物的生長發育具有十分重要的意義[20]。在本試驗中，A3的相對Chl含量高于A1和A2，所以，A3的光合能力較強，生長發育能力迅速，抗旱性也較強。植物在遭受干旱脅迫時，MDA含量將快速升高，同時，自身將積累一些可溶性物質(如SS和Pro)進行滲透調節，以此適應干旱的環境[21]。在本試驗中，A2相對MDA含量高于A1和A3，似乎與前人結論相悖。但是干旱脅迫使葉片的MDA含量升高的同時，也伴隨著SS和Pro含量的上升，所以抗旱性也隨之增強。反之，當葉片中MDA含量下降時，SS和Pro含量也隨之減少，抗旱性也將變弱。SOD，POD和CAT是3種關鍵的抗氧化酶，其活性與植物抗性密切相關[22]。SOD，POD共同作用是消除因逆境環境中引起的活性氧對植物生長發育產生的不良影響，以增強植物自身的抗旱能力，為保證植物細胞能夠進行正常的生理生化活動，植物體內會通過大量的SOD和POD進行酶促反應，來消除植物體內多余的活性氧，從而達到植物正常的代謝平衡，所以，牧草品種不同，對活性氧清除能力也有所不同，植物受到脅迫損傷因蛋白合成受阻而導致SOD活性的下降，在逆境條件下還能保持SOD活性，則該品種具有較高水平的抗逆性[23-24]。CAT活性清除植物體內H2O2，將有毒的物質分解為H2O和O2，阻止H2O2與氧自由基在鐵螯合物作用下生成損害植物細胞的羥自由基。本試驗結果表明，A1的相對SOD，POD和CAT活性較低，且增幅比A2和A3小，抗旱性較弱。這與梁新華[25]等研究結果一致。

3.2 干旱脅迫天數對小黑麥葉片生理生化指標相對值的差異及原因

蔣晉豫等[26]研究表明，當植物受到干旱脅迫后Pro含量整體呈先增加后下降趨勢，而A2和A3的Pro含量變化較小。與本試驗結果相比，干旱脅迫天數與小黑麥相對Pro含量差異極顯著，說明其對干旱脅迫比較敏感，能盡快產生Pro來調節滲透平衡，與其研究結果基本相符。譚景晨等[27]研究表明，隨著干旱脅迫程度的增加，SS含量呈先降低后上升的趨勢。何耀峰等[28]研究表明，干旱脅迫下，植物對干旱脅迫條件有一定的限度，超過最大限度，植物葉片中蛋白質合成受阻，分解加強，SP含量急劇下降，下降幅度越小，抗旱性越強。本試驗結果表明，干旱脅迫天數與小黑麥相對SS和SP含量差異極顯著，隨著干旱脅迫天數的增加，相對SS含量呈先升后降的趨勢，相對SP含量持續下降。許彩麗等[29]研究表明，隨著干旱脅迫時間的增加，植物的Chl含量變化從整體上看，先升后降，說明干旱脅迫會植物Chl含量發生變化，影響其生成。本試驗結果表明，隨著干旱脅迫時間的增加，小黑麥葉片中的相對Chl含量下降，說明在干旱脅迫后期，Chl含量積累緩慢，植物葉片發黃，甚至枯萎。通常情況下MDA含量也作為一種抗旱性指標[30]。隨著干旱脅迫程度的加劇，植物體內MDA含量明顯上升，表明植物細胞受傷害的程度明顯加深[31]。隨著干旱脅迫時間的延長，植物細胞膜結構和功能會發生一定程度地變化，胞間平衡將會被打破，若不能及時清除這些有害物質，會導致植物體內的正常生理生化代謝受阻，MDA含量就會相應地升高。本試驗表明，隨著干旱脅迫時間的加劇，相對MDA含量相應的上升，說明MDA含量在極度干旱環境下，上升迅速，與前人結論一致。通常情況下，SOD活性與植物體抗氧化能力呈正相關，干旱脅迫的初始，SOD活性開始升高，當過度干旱或脅迫時間繼續延長時，SOD活性呈下降的趨勢[32]。李瑞姣等[33]研究發現，干旱脅迫剛開始時，POD活性比SOD活性變化更為明顯，說明POD對輕度干旱更加敏感，隨著干旱脅迫時間的繼續延長，SOD活性逐漸降低而POD活性大幅升高。本試驗表明，小黑麥相對POD活性隨著干旱脅迫天數的增加而上升，這是因為在植物遭受極度的干旱時，SOD活性發揮主要作用。CAT活性隨著干旱脅迫時間的加長，呈先增后降的趨勢，這與楊淑紅等[34]研究結果相符。

3.3 小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間小黑麥葉片生理生化指標相對值的差異及原因

根據小黑麥品種×干旱脅迫天數交互作用間小黑麥抗旱性相關性生理生化指標可知，當干旱脅迫達到第35 d時，小黑麥品種相對Pro、SS和SP含量最大，但各小黑麥品種的變化幅度略有差異，Pro、SS和SP含量變化越大的小黑麥品種抗旱性越強[35]。這與胡曉健等[36]研究結論基本相符。干旱脅迫可使植物體內水分大量缺失，蛋白質逐漸降解，為緩解植物體過多的蛋白質的流失，機體將會開啟自我防御功能[37]。當干旱脅迫達到42 d時，小黑麥品種相對MDA含量最大。當植物正處于干旱脅迫的狀態下，細胞膜表面的質膜過氧化作用加強，導致MDA含量上升[38]。當干旱脅迫達到28 d時，小黑麥品種相對SOD和CAT活性最高，有可能是在極度干旱條件下，植物的缺水會激活相應的SOD和CAT的基因，從而導致其活性繼續增強，當達到一定的閾值時，SOD和CAT活性又開始下降，這也是使自身膜系統免受傷害的生理調節機制[39]。當干旱脅迫達到42 d時，參試小黑麥品種相對POD活性最高，這表明在極度干旱情況下，植物可以改變酶活性來抵抗逆境對植物細胞帶來的損害[40]。

4 結論

通過分析3個小黑麥品種在不同干旱條件下的生理生化指標變化，并結合隸屬函數法，結果表明，3個參試小黑麥品種苗期抗旱性強弱依次為中飼1048>石大1號>甘農4號。甘農4號小黑麥的抗旱性在不同干旱情況下均較弱，適宜于氣候比較濕潤的區域種植。