禾本科羊茅屬植物抗逆性研究進展

龍建廷， 董夢潔， 周忠義， 包賽很那， 許趙佳， 苗彥軍

（1.西藏農牧學院，西藏林芝 860000；2.牙克石市草原工作站，內蒙古牙克石 022150）

羊茅屬（Festuca Linn）是禾本科（Gramineae）早熟禾亞科（Pooideae）早熟禾族（POEAE）多年生草本植物，根據《中國植物志》記載羊茅屬原產于歐州與亞洲，目前在我國約有56 種（劉亮，2002）。羊茅屬植物主要分布在我國的東北、西北、西南諸?。▍^），現對羊茅屬的研究主要是針對葦狀羊茅、高羊茅、紫羊茅、中華羊茅以及羊茅。羊茅屬植物多為優質牧草，其莖稈中空質軟，適口性佳，耐牧性強，且羊茅屬多為草原建群優勢種群植物，可溶性碳水化合物、粗纖維含量較高，因此近些年來廣泛應用在草坪種植、 牧草選育以及生態恢復中（師尚禮，2000；楊迎迎，1994）。本文根據近年來羊茅屬植物在萌發以及生長階段對干旱脅迫、 高溫脅迫、低溫脅迫、鹽堿脅迫以及重金屬脅迫的生理反應研究，綜述羊茅屬在抗逆性方面研究的進展，分析目前現存問題， 為羊茅屬植物抗逆性下一階段的研究提供參考。

1 耐旱

在所有非生物脅迫中， 干旱對植物的影響可能是最大的，干旱脅迫會使植物產生滲透脅迫、降低土壤有機質、 限制養分流動進而減少植物根系對養分的獲取（Zia 等，2021；Blum 等，2017）。耐旱性是一個復雜的數量性狀，由許多基因控制，越來越多的研究表明植物可以通過快速改變基因表達與生理生化指標來適應干旱的脅迫 （Chaves 等，2009）。目前關于羊茅屬植物抗旱性的研究還停留在其干旱脅迫下植被萌發以及生理變化情況。 有研究表明（Lechowicz 等，2020；產祝龍等，2019），具有更高耐旱性的高羊茅其特征是脫落酸的積累更早更高，細胞膜更穩定，活性氧代謝更平衡，在干旱條件下抗氧化能力更強。 張海娜等（2019）用聚乙二醇模擬干旱脅迫的試驗表明， 高羊茅種子在20%、15%濃度聚乙二醇的脅迫下發芽勢、發芽率顯著降低。 且在干旱脅迫下高羊茅種子萌發率大幅下降，種子萌發活力降低（郭小龍等，2020）。另有研究表明（許翩翩等，2018），干旱脅迫下高羊茅種子發芽指數以及活力指數要優于垂穗披堿草與黑麥草。汪建軍等（2016）研究發現，高溫下中華羊茅種子的萌發率胚芽長以及根芽比隨著干旱脅迫的程度提高而減少。宋麗婭等（2018）研究發現，隨著干旱天數的增加高羊茅根系生物量以及地上部分明顯下降，根系生物量受干旱影響程度更大。姚楠等（2021）研究發現，在干旱脅迫下高羊茅植株內的自由水/束縛水和葉綠素含量均呈現下降趨勢，丙二醛（MDA）、游離脯氨酸（Pro）含量以及細胞質膜透性均增加， 在干旱脅迫早期超氧化物歧化酶（SOD）的活性呈現上升趨勢，但隨著干旱脅迫的程度加劇其活性也隨之下降， 但其過氧化氫酶（CAT）活性卻是呈現完全升高趨勢。 趙延春等（2021）通過對四個品種的高羊茅進行干旱脅迫發現，干旱脅迫下高羊茅的二氧化碳濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）明顯降低，并且隨著干旱脅迫時間的增加，其葉綠體結構出現異常，光合速率（Pn）也因此大幅下降。李小冬等（2016）研究發現，干旱脅迫下高羊茅葉片胡椒新堿含量下降， ?；Z內酯以及氫過氧化硬脂丁二酸酐含量上升， 可能在其耐旱時表現。 紫羊茅在干旱脅迫初期葉綠素含量增加，但隨著干旱脅迫程度的加劇，紫羊茅的葉綠素含量開始降低，可溶性蛋白含量降低，其整體的抗旱性要優于早熟禾和黑麥草 （王朝等，2020；張詩吟等，2017）。 王競紅等（2019）研究發現， 干旱脅迫24 d 后藍羊茅出現葉片發白情況，葉綠素、 丙二醇等生理指標與干旱下的高羊茅呈現相同趨勢。 為提高羊茅屬植物的抗旱性， 李娟等（2017）研究發現，通過航天誘變試驗的高羊茅SP5-32 的綜合表現最好， 可用在干旱地區種植。龔定芳等（2021）在干旱脅迫下對高羊茅施加8’-炔基脫落酸后發現， 噴施8’-炔基脫落酸有效的調控了體內酶活性， 并且成功降低了MDA 及超氧陰離子含量，有效提高了高羊茅的抗旱性。另有研究表明（王競紅等，2021），苗期補水增施生根劑GGR-6 可有效提高紫羊茅耐旱性。 陳志飛等（2016）研究發現，添加赤霉素可有效緩解干旱脅迫對高羊茅種子萌發的抑制， 且適宜濃度為150 mg/L 左右。 陳志豪等（2016）研究發現，禾草內生真菌可增加干旱脅迫下高羊茅種子的萌發率，并且具有提高胚根長度以及促進根系生長的效果。楊琴琴等（2020）調查發現，高羊茅黔草1 號的抗旱性是受到其晚期胚胎蛋白基因（LEA3）表達量的影響， 為高羊茅耐旱研究提供了基因層面的理論依據。 Zhang 等（2019）研究發現，干旱處理的高羊茅葉片相對含水量、葉綠素含量、光化學效率和電解質滲漏率均顯著高于非干旱處理， 其重新編程脂質代謝以維持膜的穩定和信號傳遞， 可能有助于增強高羊茅的耐旱能力。 王曉龍等（2017）抗旱對比試驗表明， 三種羊茅屬牧草的耐旱性排序為紫羊茅＞高羊茅＞羊茅。 綜上所述，羊茅屬植物具有一定的耐旱性， 可在干旱程度不高的地區完成生活史（李娜梅等，2018）。目前關于羊茅屬植物耐旱生理變化的研究較多， 在基因以及其抗旱機制上研究較少， 且野生羊茅屬植物的抗旱性綜合要高于馴化后的品種，還需進一步的引種馴化。

2 溫度

2.1 低溫 低溫脅迫是影響植物生長發育和作物生產力的主要環境因素， 植物已經進化出一系列機制， 使其能夠在生理和分子水平上適應冷脅迫（Nakaminami 等，2018）。 牧草對低溫脅迫的適應是高度復雜的， 其通過改變牧草細胞生化的穩定性，防止低溫對牧草造成的損害，而且低溫脅迫對植物形態有深遠的影響， 嚴重還會導致牧草生長受到抑制， 從而使其產量下降 （Eremina 等，2016）。 張宗花（2012）發現，低溫脅迫下青海中華羊茅幼苗電解質滲出較少， 游離脯氨酸含量無明顯變化。 Li 等（2020）通過不同溫度脅迫發現，低溫脅迫上調了葦狀羊茅脅迫耐受相關基因的表達，下調了與生長和抗病性相關基因的表達，表明轉錄因子在葦狀羊茅適應不利環境中發揮了關鍵作用。王振南等（2019）研究發現，-5 ～0 ℃的低溫下， 高羊茅植株內過氧化氫酶與可溶性蛋白含量較高，或是其耐寒的原因之一。 熊燕等（2014）研究發現，盡管低溫處理的紫羊茅細胞膜透性提高，葉綠素含量下降， 但其通過蛋白質與還原糖含量大幅提升來適應低溫脅迫， 這與上述高羊茅和中華羊茅的耐寒研究相同。 何訪淋等（2019）研究發現，高羊茅具有抗逆調節能力，在凍融脅迫下其抗氧化酶活性以及光合參數變化呈現緩慢升高趨勢。 有研究表明（吳慧等，2016），在低溫脅迫下高羊茅葉片相對導電率變化幅度很低， 是其耐寒的表現。 Sindy 等（2020）低溫脅迫試驗表明，高羊茅幼苗越冬率較低，在-6.0 ℃的低溫脅迫下，其死亡率將會超過50%。而西北羊茅在海拔超過3000 m且最低溫度達到-36 ℃的青藏高原， 各地綜合越冬率超過70%（石正海等，2019）。 申曉慧等（2016） 通過紫花苜蓿與草地羊茅混播后發現，草地羊茅根系可溶性糖含量積累增多， 可溶性蛋白含量則會隨著氣溫的降低而升高， 平均越冬率超過85%。 綜上所述，不同羊茅屬植物在低溫下的反應有所不同，綜合判斷青海中華羊茅、西北羊茅以及葦狀羊茅的耐寒性較強， 而紫羊茅和高羊茅的的耐寒性要略差（孫鐵軍等，2008）。目前關于羊茅屬植物耐寒系統性研究較少， 多數研究還停留在凍害對其生理影響層面， 關于羊茅屬植物耐寒基因以及機制還需要進一步的研究。

2.2 高溫 高溫則會減少植物的次生代謝物，羊茅屬植物作為植被恢復的先鋒植物， 除了要面對冷脅迫的環境外， 往往還會被應用在高溫的環境中（Hu 等，2020）。 李龍興等（2019）高溫脅迫試驗表明，隨著溫度的不斷提升，高羊茅植株內葉綠素與丙二醇含量直線下降， 而其過氧化物酶以及可溶性蛋白含量卻在高溫脅迫早期呈現增加趨勢，但隨著溫度逐漸升高過氧化酶和可溶性蛋白含量也隨之大幅下降。 趙狀軍等（2015）對兩個不同品種高羊茅的耐熱試驗發現， 高溫下高羊茅的葉片中蔗糖累計增多，根系內檸檬酸含量小幅上升。趙娜等（2019）研究發現，為適應40 ℃的高溫高羊茅和紫羊茅植株內脯氨酸與可溶性糖含量大幅提升，以此保持細胞膜的穩定性。于景金等（2017）研究發現， 在高溫脅迫下提高二氧化碳的濃度可有效提高高羊茅光合效率， 進而保持細胞膜的穩定性，減少活性氧對植被的傷害。 綜上所述，羊茅屬植物對高溫的適應主要依靠其自身對代謝物的調整，并且根據高溫脅迫下高羊茅的生理變化可知，超氧化物歧化酶可能與其耐熱性關聯最大（李娟等，2017）。

3 耐鹽堿

土壤中鹽分的存在是農業中最重要的非生物脅迫之一，增強牧草的耐鹽性，或選擇耐鹽的牧草是提高牧草產量和品質的關鍵（Seyede 等，2020；Liang 等，2018）。羊茅屬植物被認為對鹽分脅迫具有“中等耐受性”，同時羊茅屬植物被廣泛應用于生態修復以及草坪種植， 因此提高羊茅屬植物的耐鹽性對草業的發展至關重要（Cátia 等，2020；李惠英等，2018）。為探究羊茅屬植物種子的耐鹽性，孫攀等（2021）的高羊茅種子在鹽脅迫下發芽試驗表明，隨著鹽濃度的增加，高羊茅的發芽率、發芽勢均呈現下降趨勢， 并且苗高以及芽長也呈現降低的趨勢。高敏等（2021）研究發現，低濃度的鈉鹽溶液脅迫可以促進中華羊茅的發芽率， 但隨著鈉鹽溶液濃度的提高， 中華羊茅的發芽率呈現大幅下降趨勢，胚根和胚芽長明顯受到抑制。目前針對羊茅屬植物的耐鹽試驗主要還集中在其生理變化上，宋婭麗等（2019）Na2CO3短期脅迫試驗表明，隨著脅迫程度的加劇， 高羊茅葉片內的Na+含量呈現上升趨勢， 地上部分面積以及根系數量隨著脅迫程度的增加而減少。隨著鹽脅迫程度的加劇，高羊茅葉片相對含水量、 鉀離子含量以及葉片葉綠素含量呈現下降趨勢。 劉璐等（2019）重鹽脅迫試驗表明， 高羊茅和中華羊茅表現出的耐鹽性較高，其根系直徑在鹽脅迫下有所增幅，但根系長度以及根頭數有所降低。熊作明等（2020）研究發現，在輕度和中度鹽脅迫下高羊茅以及高羊茅和黑麥草混合播種的生長態勢良好， 沒有出現大面積枯死現象，雖然分蘗有所減少，但其依然可用在中度鹽堿地的植被恢復應用中。 陳雅琦等（2021）研究發現，隨著鹽脅迫濃度的不斷提升，高羊茅內脯氨酸（proline）含量呈現低濃度上升而高濃度下降的趨勢，過氧化物酶（POD）的活性卻無顯著變化，這與其他耐鹽植被表現不同， 是其不耐鹽的原因之一。 且經過測試后高羊茅（獵狗6 號）的耐鹽性要高于高羊茅（俠客島）（陳雅琦等，2021）。為提高羊茅屬植物的耐鹽性，江生泉等（2021）研究發現，噴施0.6 mmol/L 水楊酸可減少高羊茅電解質滲漏率，提高其葉綠素含量，有效緩解高羊茅在鹽脅迫下的影響。同時江生泉等（2020）研究發現，外源乙硫氨酸的添加也可緩解鹽脅迫對高羊茅的影響，其機理與水楊酸大致相同。 劉慧霞等（2018）研究發現，硅添加可有效增強高羊茅的耐鹽性，并且硅添加對耐鹽性弱的高羊茅品種的效果更加明顯，具有廣泛應用的前景。 柴薇薇等（2018）通過添加氯化鈣來緩解鹽脅迫對紫羊茅的抑制發現， 氯化鈣的添加有效提高了紫羊茅葉片內鉀離子、 葉綠素的含量以及相對含水量， 有效減輕了鹽脅迫對紫羊茅的抑制。 麻冬梅等（2016）將擬南芥AtSOS途徑基因導入高羊茅發現，轉AtSOS 基因有效提高了高羊茅排出鈉離子，減緩鹽脅迫對其的抑制。謝宇涵等（2019）對比了五個品種的高羊茅耐鹽后發現， 種子萌發期耐鹽性最好的品種為踏火6 號和警犬，其次為紅寶石2 號和貝克，耐鹽性最差的品種是超級警犬。 李瑞靜等（2018）對比三種羊茅屬牧草種子耐鹽試驗表明， 三種牧草的耐鹽性依次為烏里羊茅＞夢神＞紫羊茅。 綜上所述，羊茅屬植物對鹽脅迫的研究還處在初級階段， 但通過外施硅等措施可提高其耐鹽性，應用前景廣闊。

4 耐重金屬

近年來由于人為以及颶風和火山爆發等自然災害所造成的重金屬污染對自然生態系統產生了不利影響， 損害了人類的利益 （Ojuederie 等，2017）。有毒金屬可能會在農業土壤中積累并進入食物鏈，從而成為糧食安全的主要威脅，常規和物理方法昂貴且在金屬毒性低的地區無效， 生物修復是利用微生物和植物固有的生物學機制根除有害污染物的一種環保且有效的方法， 可以修復被重金屬污染的環境（Niu 等，2020）。 羊茅屬植物是植被恢復的先鋒植物。 有研究表明，盡管鎂、鐵脅迫都會影響高羊茅種子的萌發率， 但高羊茅對鐵脅迫的耐受性要更高（趙玉文等，2019）。 李爽等（2020）重金屬脅迫試驗表明，銅對高羊茅以及紫羊茅的抑制最強， 較低濃度時便出現了無根苗情況，而不同濃度的鎘脅迫下，高羊茅和紫羊茅的生長也受到影響， 但高羊茅對鋅脅迫表現出較高耐性。梁晶（2019）研究表明，在低濃度銅離子脅迫下的高羊茅地上部葉綠素與脯氨酸含量小幅提升，但隨著脅迫程度的加劇其葉綠素與脯氨酸含量開始下降。 另有研究表明，隨著銅脅迫的加劇，高羊茅可溶性蛋白與葉綠素含量呈現下降趨勢， 其體內銅積累卻越發增強， 所以高羊茅可用在輕度銅污染的土壤修復中， 而紫羊茅對銅的耐性要低于高羊茅（鄧喬予等，2018）。牛學禮等（2020）通過對香根草根系分泌物（有機酸）的研究發現，有機酸的添加有效降低了重金屬（銅、鋅、鎘）脅迫的影響，提高了高羊茅種子的萌發率。高秉婷等（2019）研究發現，鋅脅迫下高羊茅株高有所降低，脯氨酸含量變化并不明顯，丙二醛含量呈現上升趨勢，可應用在被鋅離子污染的生態修復中。 Zhu 等（2020）研究發現，脫落酸（ABA） 和水楊酸（SA）處理可以加強高羊茅枝條中鎘、銅和鋅的積累，該處理使高羊茅的莖稈鎘含量比對照提高了2.56倍。 沈佳怡等（2021）研究發現，高羊茅對Cd、Zn及Cu 的吸收與積累主要集中在根系部位， 其分別吸收率要超過7%、6%、2%。 同時高羊茅植株根部富集鉛、鎘量要超過葉片（熊作明等，2019）。 自然產生和人工產生的聲音都可以改變各種植物的生理參數，Gu 等（2021）研究發現通過1000 Hz 的聲波處理葦狀羊茅種子， 其幼苗和成株可吸收土壤中更多的鎘（Cd），其原因是葦狀羊茅根系土壤中溶解有機質（DOM）濃度和對Cd 親和性強的親水組分的比例隨著聲頻的增加而增加， 為修復被重金屬鎘污染的土壤提供了全新方案。 Li 等（2021）研究發現，通過補充磷顯著降低了鎘脅迫下葦狀羊茅的鎘含量、鎘易位因子（TF）、鎘去除效率、葉綠素含量、谷胱甘肽水平、谷胱甘肽還原酶水平和超氧化物歧化酶（SOD）活性（P＜0.05），并且補磷有效增加了葦狀羊茅的垂直增長率和生物量。 在修復污染土壤過程中， 收獲地上植物組織，尤其是葉子，比將整株植物連根拔起更為經濟和可行。Luo 等（2020）研究發現，葦狀羊茅在衰老和枯死的葉子中積累的鎘明顯多于其他組織，通過收獲高羊茅衰老和枯死的葉片顯著去除了更多的鎘。 Qin 等（2021）研究發現種植密度會影響葦狀羊茅的生物量產生和對鎘元素的吸收能力，其研究表明每平方米20 g 高羊茅種子，其植被密度以及對鎘元素的吸收能力最強。Yang 等（2020）研究發現， 葦狀羊茅的切割頻率影響了土壤中鎘形態的轉化，使根系中鎘的吸收加快，并促進鎘向殘茬的轉運， 加劇鎘對植物的脅迫， 影響高羊茅生長。為增強羊茅屬植物對重金屬脅迫的適應性，韓夢夢等（2020）研究發現，通過二甲基硫脲處理可減少高羊茅體內H2O2積累，并且降低高羊茅根尖死亡數量，進而提高高羊茅對鎘的抗性。對氯苯氧基異丁酸同樣可以緩解鎘對高羊茅根伸長的抑制。 聶文軍等（2020）重金屬脅迫試驗表明，外施3 mmol/kg 乙二胺二琥珀酸可有效增強高羊茅體內SOD、POD 活性，進而提高其對單一鉛、鎘脅迫下的抗性。 Wang 等（2021）研究發現通過FaHSP17.8-CII 轉基因的葦狀羊茅擁有更高的耐鉛（Pb）性，其原因是FaHSP17.8-CII 的過表達改善了葉綠素的合成并減輕了鉛脅迫下高羊茅中的光抑制。 劉利樂等（2020）外源添加一氧化氮試驗表明， 一氧化氮的添加可有效提高高羊茅葉綠素含量，同時增強抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性，降低鉛對高羊茅的氧化脅迫， 提高高羊茅對鉛的抗性。 另有研究表明 （Fu 等，2019）， 十溴二苯醚（BDE-209）可以減輕高鉛濃度對葦狀羊茅種子萌發和生長的毒性。 通過在葉面噴施24-表油菜素內酯有效提高了葦狀羊茅芽和根的生物量， 增加了光合色素， 進而增強了葦狀羊茅對鉛回收率（Woxiu 等，2020）。在鉻金屬污染的土壤種植羊茅可降低土壤中鉻的含量， 但在播種時需要注意被重金屬污染土壤的pH，pH 過高或過低都將降低羊茅的發芽率 （Scattolin 等，2020）。 申圓圓等（2019）研究發現，低濃度鉻脅迫下高羊茅的發芽率有所提升，但隨著脅迫程度的加劇，高羊茅發芽率呈現下降趨勢， 但其葉綠素、POD、SOD 含量卻不受鉻脅迫影響， 因此可用作修復鉻污染的生態環境。杜建雄等（2019）研究發現，紫羊茅（派尼、傳奇）具有優異的耐汞性，盡管在汞脅迫下紫羊茅葉綠素含量呈現下降趨勢， 但其丙二醛與可溶性糖的含量卻受汞脅迫的影響較小。綜上所述，羊茅屬植物尤其是葦狀羊茅和高羊茅在修復鎘和鉛污染土壤中具有重要的意義， 盡管不同羊茅屬植物儲存重金屬的部位有所不同， 但其在修復礦區等重金屬污染嚴重環境的作用一樣重要。

5 總結

隨著國家以及國際社會對生態環境的越發重視， 修復人為或天然原因而導致的退化土地便成為了科研工作的重點之一（Maxwell 等，2020）。 羊茅屬植物多為優質牧草， 其在逆境下的自我調節能力也讓其成為植被恢復的先鋒植物， 廣泛應用在干旱、低溫、重金屬污染等惡劣環境的生態修復中（田沛等，2015）。尤其是在重金屬鎘、鋅、鉛污染的治理中葦狀羊茅以及高羊茅表現十分亮眼。 但目前關于羊茅屬植物的研究多數還停留在生理階段，更深層次的基因以及機制研究卻很少，成體系的研究更少。 針對羊茅屬植物抗逆性的評價也缺乏權威的理論支撐，目前研究多數只憑葉綠素、脯氨酸、 游離蛋白質等含量的變化來判斷其抗逆性的優劣。 同時部分野生羊茅屬優異的抗逆性也沒有系統的遺傳選育工作， 因此建立成熟的羊茅屬植物馴化選育工作理應成為羊茅屬植物的下一個研究重點之一。