7種十字花科綠肥作物對干旱脅迫的生理應答及抗旱性評價

關鍵詞： 干旱脅迫；十字花科綠肥；光合特性；生理特征；主成分分析

我國綠肥作物栽培利用歷史悠久，是傳統農耕文明的精華，也是目前耕地質量培育提升和可持續利用的重要技術措施之一[1]。在20 世紀40 年代，我國綠肥作物種植面積達140 萬hm2；20 世紀60—70年代，綠肥種植面積提高了90%[2]；但自從20 世紀80 年代，隨著化肥的推廣，綠肥種植面積迅速減少；21 世紀初，綠肥種植面積仍不斷減少[3]。近十幾年來，隨著現代生態農業發展和綠色生態理念不斷深入，綠肥作物種植和應用面積逐年增加，從2007年的200 萬hm2 增加到2022 年的412 萬hm2[1]，在減少化肥投入[4]、提升土壤肥力[5]、提高耕地生產力[6]等方面發揮著積極作用，對于保障國家糧食安全和資源環境可持續發展[7]、促進優質農產品生產和農民增產增收[8]具有重要意義。

陜西省屬典型的大陸性季風氣候，降雨主要集中于夏秋兩季，降水時空分布極為不均。隨著全球氣候變化，近5 年陜西省在6 月和8 月干旱事件頻發[9]，這對于該區域該時段綠肥作物生長帶來一定的負面影響。頻繁的干旱脅迫會導致一些綠肥作物苗期形態特征、光合特性、滲透調節等一系列生理生化特征發生變化[10]，進而影響其生長發育和養分獲取能力。前期相關研究表明，干旱脅迫會抑制十字花科綠肥油菜種子發芽[11?12]，導致葉片凈光合速率和蒸騰速率均顯著下降[13?14]，嚴重影響其光合效率，最終降低油菜的根長和生物量[15]。干旱脅迫條件下，葉片會積累大量活性氧，造成丙二醛等有害物質增加，細胞膜過氧化作用加重，對葉片造成損傷，使植物的抗旱能力減弱[10， 13]。油菜為了避免自身受氧化脅迫的危害，會提高抗氧化酶活性來清除植物體內過量的活性氧[11]；同時，也能通過改變滲透調節物質含量（如脯氨酸），來維持細胞膨壓和降低滲透勢，使其在干旱脅迫下仍能獲取維持正常生理活動所需的水分[10， 13]。前期在植物抗旱性研究方面，生理生化特征（過氧化氫酶、超氧化物歧化酶、過氧化物酶、脯氨酸、丙二醛）、農藝性狀（發芽率、根長、生物量）及其光合特征（凈光合速率、蒸騰速率、胞間CO2 濃度） 常被用作評價植物抗旱性的重要測定指標[16]。

作物抗旱性較為復雜，除品種自身特點外還會受到多種生理過程的調控[8]。近年來，國內外研究學者對小麥[17?18]、玉米[19]、水稻[20?21]等作物的抗旱性品種篩選和評價已進行系統深入的研究，然而關于不同十字花科綠肥作物品種對干旱脅迫的生理應答機制及其抗旱性綜合評價的研究還鮮見報道。因此，本研究以搜集整理的7 種十字花科綠肥作物作為研究對象，通過盆栽控制灌水的方式模擬不同干旱脅迫環境，探究水分虧缺對供試十字花科綠肥作物的光合參數及生理生化特性的影響，并采用主成分分析法進一步評價供試7 種綠肥作物品種抗旱性差異和抵御干旱脅迫的能力，最終篩選出抗旱能力較強的十字花科綠肥作物品種，為旱地綠肥產業恢復發展和抗旱型綠肥作物品種的選育提供一定的理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的7種十字花科綠肥作物品種（表1） 為：青雜11 號、秦優10號、中綠油1號、中綠油2號、中油肥1 號、紫芥和矮早籮1 號，其中中油肥1號、中綠油1 號、中綠油2 號、矮早籮1號、紫芥5個品種均由中國農業科學院油料作物研究所提供，秦優10 號和青雜11 號分別由楊凌農業高科技發展股份有限公司和青海省農林科學院春油菜研究所提供。

1.2 試驗設計

盆栽試驗于2023年7月至9月在西北農林科技大學資源環境學院科研網室進行。試驗包括兩個研究因素：1）人工模擬干旱脅迫環境，其中以40% 田間持水量為干旱脅迫處理，80% 田間持水量為對照處理；2）上述7 種不同的十字花科綠肥作物品種。共設14 個處理，每個處理重復4 次，隨機排列并每隔10～15 天進行重新擺放。

試驗選用規格為20.5cm×14 cm 的聚乙烯塑料盆缽，每盆裝土2.5 kg。試驗用土采自西北農林科技大學農作一站，其基本化學性質為：pH 7.92，銨態氮7.09 mg/kg，硝態氮6.84 mg/kg，速效磷3.73 mg/kg，速效鉀159.3 mg/kg，有機質14.3 g/kg，全氮0.85 g/kg。為保證綠肥生長期間養分需求，種植綠肥前每盆施用0.5 g氮肥（尿素，46% N） 和1g 磷肥（過磷酸鈣，12% P₂O₅ ）。每盆精選成熟飽滿且大小均一的種子15 粒，待培養7 天后，選留10株生長基本一致的健壯幼苗。綠肥作物整個生長期間，每天用稱重法及時補水，以保證供試7種十字花科綠肥作物在整個培養期間分別處于持續性干旱脅迫和正常水分的狀態，待綠肥作物生長至45天后終止生長并采樣測定各項指標。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 光合參數 采用光合測定儀（TP-PM-1，浙江托普云農科技股份有限公司） 測定凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr） 和胞間CO2 濃度（Ci） 等光合參數。測定時間在上午9：00—11：00，每個處理選擇第1 片葉進行測定（n=4），選取每個葉片的中部重復測定5 次。

1.3.2 農藝性狀 培養前7 天，每天晚上記錄種子發芽數，在種子發芽第7 天時計算發芽率。培養至45 天后，用百分之一天平稱植株地上部和根系鮮重，使用根系分析系統（WinRHIZO 2013e） 測定植株根長。

1.3.3 生理生化指標 待植株生長至第45 天時，采集供試7 種十字花科綠肥作物的中部葉片5 片，混勻后稱取100 mg，加入1 mL 磷酸緩沖鹽溶液（PBS） 進行研磨，共研磨3 次，每次間隔30 s，經預處理后采用生化法測定各葉片組織中丙二醛（MDA）和脯氨酸（Pro） 含量，過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD） 活性等生理生化指標，各指標重復測定4 次。

1.4 數據處理與分析

運用Excel 2010 進行數據處理并作圖，利用SPSS 19.0 對數據進行T 檢驗、ANOVA 單因素和雙因素方差分析、多重比較（LSD 法），采用主成分分析對測定的指標進行評價，最后綜合評價7 種十字花科綠肥的抗旱性。其中主成分分析涉及的主要步驟如下[22]。

1） 將原始數據標準化

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對十字花科綠肥光合參數的影響

在干旱脅迫條件下各十字花科綠肥作物葉片光合參數存在顯著性差異（圖1）。不同水分處理下，矮早籮1號Pn變化最大，從正常灌水的13.2μmol/（m²·s）降至干旱脅迫處理的6.6μmol/（m² ·s），降幅100%（Plt;0.05）；其次是中綠油2號、中綠油1 號和中油肥1 號，降幅分別為57%、55% 和45% （Plt;0.05）；最后，水分虧缺也降低紫芥、青雜11號以及秦優10號凈光合速率，降幅分別為6.5%、5.4% 和3.8%。蒸騰速率降幅從大到小依次為：秦優10號gt;中綠油2 號gt;中油肥1 號gt;矮早籮1號gt;中綠油1號gt;紫芥gt;青雜11 號；除青雜11號外，其他十字花科綠肥作物在干旱脅迫下葉片蒸騰速率均較正常灌溉顯著降低。7種綠肥的Ci受水分影響變化趨勢不同，矮早籮1 號在干旱脅迫條件下葉片Ci 較正常灌水顯著增加，增幅為25% （Plt;0.05）；而紫芥和青雜11號則較正常灌水顯著降低，降幅分別為44% 和32% （Plt;0.05）。

綜上所述，干旱脅迫下，矮早籮1號葉片凈光合速率降幅最大，秦優10號和青雜11號葉片凈光合速率變化不明顯；秦優10號和中綠油2號葉片蒸騰速率顯著大幅度降低，青雜11 號降幅小并無顯著變化；矮早籮1號和紫芥葉片胞間CO₂濃度變化最大（Plt;0.05），中綠油1號、中綠油2號和秦優10號Ci變化較小（Pgt;0.05）。不同水分處理下7種十字花科綠肥作物在第15 天和第45天的長勢見圖2。

2.2 干旱脅迫對十字花科綠肥農藝性狀的影響

整體來看，干旱脅迫處理下7 種十字花科綠肥的根長和生物量均較正常灌水顯著降低（表2）。青雜11 號種子在干旱脅迫和正常灌水處理下發芽率均最高，相較正常灌水，干旱脅迫下秦優10 號發芽率降幅最大（15%），中綠油2 號降幅最?。?.9%）；中綠油1 號在干旱脅迫和正常灌水處理下根長均較長，相較正常灌水，干旱脅迫下紫芥根長降幅最為明顯（76%），中油肥1號降幅最?。?3%）；與正常灌水相比，干旱脅迫引起生物量降幅依次為秦優10 號gt;青雜11 號gt;中綠油2號gt;中油肥1號gt;紫芥gt;矮早籮1 號gt;中綠油1 號，最高降幅為76%，最低為63%。干旱脅迫下，綠肥發芽率、根長和生物量分別平均比正常灌水降低6.1%、147% （Plt;0.05） 和238% （Plt;0.05）。

2.3 干旱脅迫對十字花科綠肥葉片抗氧化酶活性的影響

干旱脅迫條件下，不同品種綠肥葉片的抗氧化酶活性變化特征有所不同（圖3），且供試7 種十字花科綠肥間葉片的抗氧化酶活性差異多顯著。干旱脅迫下，秦優10號葉片CAT 活性高于正常灌水，增加26% （Plt;0.05）；除矮早籮1 號外，中綠油1 號、中油肥1 號、中綠油2 號和紫芥葉片CAT活性均顯著低于正常灌水。與正常灌水相比，水分虧缺導致秦優10 號葉片SOD活性顯著增加；其次是青雜11號，增幅為48% （Plt;0.05）；而中綠油2號和中油肥1 號的SOD活性顯著下降。7種綠肥在應對干旱脅迫時其葉片POD活性均升高，增幅由大到小依次為中綠油1 號（Plt;0.05）、矮早籮1號（Plt;0.05）、青雜11 號（Plt;0.05）、秦優10 號（Plt;0.05）、紫芥、中油肥1號和中綠油2號。

綜上所述，當水分虧缺時秦優10號葉片過氧化氫酶活性增幅最大，表明其在干旱脅迫環境中能通過提升其過氧化氫酶活性有效清除葉片中H₂O₂；秦優10號和青雜11號超氧化物歧化酶活性顯著增加，具有較強清除氧自由基的能力；中綠油1 號葉片過氧化物酶活性變化較大（Plt;0.05），因此含有較高的氧化還原酶活性，可以有效去除葉片中的活性氧。

2.4 干旱脅迫對綠肥葉片滲透調節能力的影響

由圖4 可見，7 種綠肥葉片Pro、MDA 含量差異多達到顯著水平。與正常灌水相比，干旱脅迫條件下，中綠油2 號、紫芥、秦優10 號和中油肥1 號的葉片Pro 含量顯著增加，增幅分別為25%、22%、15% 和5.5%；而矮早籮1 號和青雜11 號葉片的Pro 含量顯著降低。與正常灌水相比，缺水處理下，紫芥、中綠油1 號、中綠油2號的葉片MDA 含量顯著減少，而中油肥1 號、矮早籮1號、青雜11號和秦優10 號葉片的MDA 含量不同程度增加，增幅分別為22%、8.2%、6.9% 和5.5%，除秦優10號外，其他綠肥葉片均較正常灌水差異顯著。

綜上所述，干旱脅迫下中綠油2號、紫芥、秦優10號的葉片脯氨酸含量顯著增加，具有較強的抵御非生物逆境脅迫的能力；中油肥1 號和矮早籮1號葉片的丙二醛含量增幅較大，膜脂過氧化的程度較大，葉片的損傷較嚴重。

2.5 主成分分析

為了更深入地探究不同綠肥各抗旱性指標的變異特征，對上述11個生理指標進行主成分分析（表3）。其中，主成分1、2、3 和4對抗旱指數的貢獻率分別為39.0%、19.5%、14.5% 和12.5%，累計貢獻率達到85.5%，表明主成分1至主成分4能代表絕大部分信息。生物量（0.93）、過氧化氫酶活性（0.94）、丙二醛含量（0.71） 和過氧化物酶活性（0.64） 分別為PC1、PC2、PC3 和PC4 的主要貢獻因子。因此，將生物量、過氧化氫酶活性、丙二醛含量和過氧化物酶活性作為評估十字花科綠肥抗旱性的首選抗旱指標。

以主成分的特征值作為權重，將主成分得分和相應的權重進行線性加權求和，計算出各綠肥的抗旱性綜合得分（表4），其綜合得分越高表示該綠肥品種抗旱能力越強。由表4可知，7種十字花科綠肥綜合抗旱能力由強到弱依次為中綠油1號gt;矮早籮1號gt;青雜11號gt;中綠油2號gt;紫芥gt;中油肥1號gt;秦優10號。

3 討論

3.1 十字花科綠肥葉片光合特性對干旱脅迫的響應

水分是植物進行光合作用的必需物質之一，供水不足將誘發植物葉片光合參數（凈光合速率、蒸騰速率和胞間CO₂濃度） 的改變[23?25]。胞間CO₂濃度的變化趨勢是判斷引起光合速率降低原因的直接證據，當光合速率和胞間CO₂濃度同時降低時，光合速率受到氣孔限制因素的影響；相反，胞間CO₂濃度升高則光合速率受到非氣孔限制的影響[26]。本研究中，7種綠肥葉片凈光合速率和蒸騰速率在干旱脅迫條件下均呈降低趨勢，這與李素等[10]研究結果一致；其中與正常灌水相比矮早籮1 號、中油肥1 號、中綠油1 號和中綠油2號葉片的Ci 干旱處理下增加，而紫芥、青雜11號和秦優11號葉片的Ci 降低，其原因可能是干旱脅迫條件下矮早籮1號、中油肥1 號、中綠油1 號和中綠油2號的葉片光合速率受到了非氣孔限制，而紫芥、青雜11 號和秦優10 號受到了氣孔限制，綠肥植株內部水分無法從氣孔排出，最終影響其蒸騰作用。同時，外界的CO₂、O₂和H₂O 等無法通過氣孔進出植物體，影響綠肥光合作用，進而不利于其后期生長。對比7 種十字花科綠肥的光合特性，發現不同綠肥品種間的光合能力對干旱脅迫的響應存在一定差異，這與各綠肥的耐旱能力有關。

3.2 十字花科綠肥農藝性狀對干旱脅迫的響應

干旱脅迫條件下，植物種子萌發期的特性與植物抗旱性有密切聯系，能通過發芽率等指標在一定程度上反映植物的生存能力和抗逆境能力。本研究結果表明，與正常灌水相比7種綠肥種子的發芽率在干旱脅迫處理中均呈降低趨勢，這與前人[27]研究結果一致。此外，青雜11號整體發芽率最高，這可能與種子本身的發芽特性有關。從發芽率的變化幅度來看，干旱脅迫處理下中綠油2號種子的發芽率降幅最低，說明其承受干旱脅迫程度的閾值最高，側面反映出其抗旱能力較強。

根長和生物量作為干旱脅迫響應的基本參數，在一定程度上可以反映種子在逆境下積累營養物質的能力。肖紅艷等[27]研究結果發現，抗旱能力較好的品種在中度干旱脅迫下根長會增加，但在重度干旱脅迫下根長會顯著縮短。本研究中，干旱脅迫導致7 種綠肥種子的根系生長受抑，根長較正常灌水顯著縮短，這與前人[28]的研究結果一致，推測此時種子對營養物質的吸收與利用能力可能因嚴重的缺水環境而降低，最終出現根長生長受抑的現象。與其他6 種十字花科綠肥品種相比，中綠油1 號綜合抗旱能力最強，具體表現在干旱脅迫下其根系生長較佳，較長的根系有利于抵抗干旱環境，受干旱脅迫的影響最小，這與張達斌等[29]研究結果一致。李素等[10]研究發現，水分虧缺導致油菜地上部分的營養分配比例降低，地下部分升高，最終總生物量降低。本研究認為水分虧缺對綠肥整體生物量的影響與對根長的作用效果一致，均表現為不同程度的降低，說明在干旱脅迫條件下綠肥作物生長發育過程受阻，不利于綠肥整體生物量的積累。

3.3 十字花科綠肥葉片生理生化特性對干旱脅迫的響應

通常情況下，葉片中CAT、SOD和POD等抗氧化酶在清除氧自由基等方面起著重要作用。當植物處于干旱逆境時，其葉片抗氧化酶活性隨脅迫程度的增加而提高或呈先增加后降低的變化趨勢[30]。本研究發現，除秦優10號和青雜11號外，其余綠肥葉片CAT 活性均顯著下降，這與其他學者[31?32]的研究結果一致。這一現象可能與長期處于干旱脅迫環境下，綠肥葉片的抗氧化酶活性達到其閾值甚至超過其耐受范圍，導致自我調節能力減弱、酶活性降低有關；推測在短時間干旱脅迫環境下，植物能通過維持葉片CAT活性處于正常水平來抵抗逆境危害。水分虧缺導致中綠油1號、秦優10號、青雜11號和紫芥葉片的SOD活性較正常灌水不同程度升高，7種綠肥葉片POD活性均呈現增加趨勢，表明綠肥葉片的SOD和POD活性在長期干旱條件下仍能發揮作用，有助于提升綠肥作物抗旱能力。

干旱脅迫條件下，植物葉片MDA含量增加，會通過積累脯氨酸來進行滲透調節以便更好地應對干旱脅迫[33]。本研究發現，水分虧缺處理下秦優10號、紫芥、中綠油1 號、中綠油2 號的葉片Pro含量較正常灌水增加，表明以上4種綠肥能夠在缺水環境下通過提升脯氨酸含量來應對干旱脅迫；紫芥、中綠油1 號、中綠油2號葉片MDA 含量顯著低于正常灌水，與Pro含量的變化規律不一致，推測紫芥、中綠油1 號和中綠油2號對于干旱環境表現出一定的適應能力。

3.4 十字花科綠肥耐旱能力綜合評價

在評價不同植物的抗旱性時，用單一指標來評估植物抗旱能力強弱不能全面反映出其真實的抗旱效果[34]，因此需要對綠肥作物的多種指標進行綜合抗旱性分析。王宏信等[31]采用主成分分析對3 種野牡丹科植物進行綜合評價，結果表明15個指標中有3個主成分可以評估其抗旱性大小，并最終篩選出抗旱能力最強的品種。邵勤等[35]研究不同PEG濃度對西蘭花生理生化特性的影響，利用相關性分析和主成分分析篩選出能夠抵抗中等干旱脅迫的幼苗?；谥鞒煞址治觯狙芯堪l現決定十字花科綠肥抗旱性第一主成分因子包括Pn、Tr、Ci、生物量、SOD活性和Pro含量，以上指標主要與植株的光合作用、抗氧化能力、滲透調節及生長有關，因此將第一主成分歸納為“光合生長和滲透?抗氧化調節因子”；第二主成分主要包括根長和CAT 活性，反映出其根系活力和抗氧化調控能力；第三主成分包括發芽率和葉片MDA含量，這主要與種子萌發特性和膜脂過氧化作用有關，可歸納為“生長潛力和膜脂過氧化因子”；第四主成分主要為葉片POD活性。綜合來看，綠肥生物量和葉片丙二醛含量、過氧化氫酶及過氧化物酶活性能夠作為評估其生育期抗旱性的首選指標。前人[13， 35?36]研究認為，作物葉片的抗氧化能力和膜脂過氧化程度能反映出其抗旱能力強弱，因此將葉片MDA含量、POD和CAT活性作為作物抗旱性評價指標體系中的首選鑒選指標，與本研究結果相似。

由于室內模擬不能完全反映出綠肥作物對干旱脅迫的形態、生理和生化響應特征，無法準確解釋田間自然環境下綠肥生長發育、光合特性、生理生化特性與干旱脅迫間的內在聯系，因此今后要加強在田間條件下對已篩選的十字花科綠肥作物做進一步分析和評價。

4 結論

抗旱性強的十字花科綠肥能通過提高其葉片過氧化氫酶、過氧化物酶和超氧化物歧化酶活性進而增強其抗氧化能力，通過調節葉片丙二醛含量來提升其滲透調節能力，通過促進根系生長增加其生物量來應對水分虧缺帶來的不利影響。中綠油1 號在供試7 種十字花科綠肥作物中綜合表現最佳，適宜在黃土高原旱作區推廣種植。