石文宏，宛 濤*，蔡 萍，張曉明，徐振朋，滿達

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；2.錫林郭勒職業(yè)學(xué)院草原生態(tài)與畜牧獸醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

內(nèi)蒙古水資源分布不勻、水資源匱乏、利用狀況低是我區(qū)面臨的主要水問題，并且草原作為我區(qū)主要植被類型及生態(tài)屏障，發(fā)展高效節(jié)水農(nóng)業(yè)、提高水的利用率顯得尤為重要，因此對植物進行干旱脅迫研究，了解植物水分利用率從而更好地提高草原用水率和產(chǎn)草量、減少草原退化沙化面積提供基礎(chǔ)理論依據(jù)〔1-3〕。

烏丹蒿(ArtemisiawudanicaLiou et W.Wang)屬菊科蒿屬半灌木，其主根深、側(cè)根發(fā)達、地下根莖分枝能力較強，具有抵御風(fēng)沙、抗旱性強、耐沙埋等生物學(xué)特性，是內(nèi)蒙古特有鄉(xiāng)土固沙先鋒植物〔4〕。近年來，國內(nèi)對烏丹蒿進行了不少研究，包括種子庫和粘液繁殖體特性、形態(tài)與物候特征、有性和無性繁殖模式及染色體核型分析等〔5-8〕。但目前烏丹蒿在苗期干旱脅迫條件下植株生長狀況及抗氧化酶活性變化等方面未見報道。本研究以烏丹蒿幼苗為供試材料，采用干旱脅迫法對其進行處理，探索其苗期生長狀況及抗氧化酶活性變化，通過分析植株生長狀況及抗氧化系統(tǒng)的變化，更好地了解其抗旱機理。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及培育

烏丹蒿種子于2015年10月采自內(nèi)蒙古赤峰市翁牛特旗烏丹鎮(zhèn)東部的響水鄉(xiāng)，2016年7月3日將選好的種子均勻播種于盆高18cm、內(nèi)徑15cm的苗缽共36盆后放置于日光溫室中培養(yǎng)(培養(yǎng)基質(zhì)為栗鈣土型風(fēng)沙土準(zhǔn)確稱取2kg土后播種，沙埋深度為2cm)。正常澆水(150ml)至葉齡為2片真葉后對其中12盆植株進行水分梯度處理，處理至4片真葉時期測定生長和抗氧化酶指標(biāo)；隨后再選取12盆葉齡為4片真葉的植株進行與上述方法一樣的處理至8片真葉時期測定各項指標(biāo)；最后對剩下的12盆葉齡為8片的植株進行處理至12片真葉時期測定各項相關(guān)指標(biāo)。干旱脅迫設(shè)4個處理，以對照組(CK)澆150ml、輕度組(LS)澆120ml、中度組(MS)澆90ml、重度組(HS)澆60ml的方式3d澆1次水，每種含水量重復(fù)3次。最后測得的實際含水量依次為40%、25%、15%和5%。

1.2 測定方法

土壤含水量采用浙江托普儀器有限公司土壤水分測速儀測定；株高、莖粗、根長，采用卷尺和游標(biāo)卡尺直接測量；根鮮重和地上部鮮重，采用直接稱量法；側(cè)根數(shù)量：每組取30個株植接進行取值；生物量測定稱量整盆內(nèi)植株的地上、地下生物量；根冠比=根干重/地上部干重；過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測定；過氧化物酶(POD)采用愈創(chuàng)木酚法測定；超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑法測定〔9〕。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有試驗數(shù)據(jù)采用Excel進行數(shù)據(jù)整理和繪制圖表，采用SPSS19.0對數(shù)據(jù)進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫下烏丹蒿植株生長的變化

土壤水分虧缺條件下烏丹蒿3個時期生長發(fā)育受到抑制，其株高、莖粗、根長、生物量表現(xiàn)降低趨勢；根冠比和側(cè)根數(shù)量呈增長趨勢，且各時期4個處理之間差異顯著(表1，P<0.05)。根據(jù)計算4個土壤含水量條件下烏丹蒿苗期生長指標(biāo)的上升及降低幅度來初步判定抗旱能力，與對照組相比其株高在第一時期輕度處理下的降低幅度最小為11.68%，在第三時期重度處理的降低幅度最大38.72%；莖粗在各處理期HS處理的降低幅度為最大依次是41.30%、27.33%、22.58%；根長在后期LS處理降低最小5.3%，在中期HS處理最大37.35%；與CK相比根冠比在3個生育期HS處理分別增加了4.5%、5.57%、8.12%；烏丹蒿幼苗總生物量在各時期HS處理下的降低最大分別為52.55%、46.49%、38.67%；側(cè)根數(shù)量增長說明植株在土壤水分含量較低的情況下通過增加根系面積而吸收更多水分進而保護植株生長。詳見表1。

表1 水分脅迫下烏丹蒿苗期生物量及生長指標(biāo)的變化

注：不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note:Different lower case indicate significant differences at 0.05 level.

2.2 水分脅迫下烏丹蒿超氧化物歧化酶活性的變化

隨著烏丹蒿幼苗在干旱環(huán)境脅迫下的生長其根系SOD活性均大于葉片且各處理間有極顯著差異，在4片真葉期呈現(xiàn)緩慢增加趨勢，在CK處理下根系SOD活性較葉片高62.29U/g·Fw、LS處理下根系活性高于葉片50.42U/g·Fw、MS處理下根系活性高出葉片36.20U/g·Fw、HS處理下根系活性高于葉片34.92U/g·Fw；在8片真葉期幼苗SOD活性在MS脅迫下達到最大值，在CK、LS、MS和HS處理下根系活性依次高于葉片47.54U/g·Fw、30.84U/g·Fw、44.29U/g·Fw和31.14U/g·Fw；在12片真葉期幼苗SOD活性均在MS處理下達到最大峰值，其CK、LS、MS和HS處理下的根系活性依次高于葉片30.69U/g·Fw、40.89U/g·Fw、68.48U/g·Fw和55.63U/g·Fw。如圖1所示。

圖1 水分脅迫對烏丹蒿幼苗葉與根SOD活性的影響

注：A為葉片，B為根系。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: A:Leaf；B:Root. Different lower case indicate significant differences at 0.05 level.

2.3 水分脅迫下烏丹蒿過氧化物酶活性的變化

隨著土壤水分的缺失葉片和根系POD活性之間表現(xiàn)顯著性差異，在4片真葉期表現(xiàn)緩慢持續(xù)上升，8、12片真葉期呈出先上升后下降的變化；且3個時期根系活性較高于葉片。在4片真葉期，其CK、LS、MS和HS處理下根系活性依次高于葉片67.79U/(gFw·min)、65.46U/(gFw·min)、54.26U/(gFw·min)和60.95U/(gFw·min)；在8片真葉期，其CK、LS、MS和HS處理下根系活性依次高于葉片64.10U/(gFw·min)、51.28U/(gFw·min)、52.54U/(gFw·min)和59.14U/(gFw·min)；在12片真葉期，其CK、LS、MS和HS處理下根系活性依次高于葉片52.16U/(gFw·min)、53.32U/(gFw·min)、64.08U/(gFw·min)和55.61U/(gFw·min)。如圖2所示。

圖2 水分脅迫對烏丹蒿幼苗葉與根POD活性的影響

注：A為葉片，B為根系。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: A:Leaf；B:Root. Different lower case indicate significant differences at 0.05 level.

2.4 水分脅迫下烏丹蒿過氧化氫酶活性的變化

烏丹蒿幼苗CAT活性隨干旱脅迫時間的增加，其同一個時期、同一個處理下的根系CAT活性均高于葉片活性，且各處理間存在極顯著性差異。在4片真葉期：葉片及根系CAT活性均呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，在HS處理達到最大值分別為70.82U/(gFw·min)和96.84U/(gFw·min)，其CK、LS、MS和HS處理下的根系活性依次高于葉片32.52U/(gFw·min)、26.94U/(gFw·min)、24.23U/(gFw·min)和26.02U/(gFw·min)；在8片真葉期幼苗CAT活性在MS脅迫下達到最大值，其CK、LS、MS和HS處理下根系活性依次高于葉片51.80U/(gFw·min)、49.59U/(gFw·min)、51.69U/(gFw·min)和49.83U/(gFw·min)；在12片真葉期幼苗CAT活性仍在MS脅迫下達到最大值，其CK、LS、MS和HS處理下根系活性依次高于葉片55.25U/(gFw·min)、50.69U/(gFw·min)、48.67U/(gFw·min)和49.38U/(gFw·min)。如圖3所示。

圖3 水分脅迫對烏丹蒿幼苗葉與根CAT活性的影響

注：A為葉片，B為根系。不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: A:Leaf；B:Root. Different lower case indicate significant differences at 0.05 level.

3 討論

土壤水分虧缺會使植物體內(nèi)水分吸收率與蒸騰之間的平衡失調(diào)，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉且蒸騰、光合速率下降而影響生長動態(tài)，這些對植物的最終影響會通過株高、莖粗、根長、根冠比和生物量的累積體現(xiàn)出來，也是評價植物抗旱性的重要指標(biāo)〔10-12〕。烏丹蒿幼苗株高、莖粗和根長隨著土壤含水量的減少都呈降低趨勢，與對照組相比其重度脅迫處理下的值最低，表明水分缺失抑制了烏丹蒿苗期的生長，這與龐世龍等的研究一致〔13〕。3個時期的根系在中、重度干旱處理下表現(xiàn)出側(cè)根數(shù)量增多，可見植物通過吸收周圍土壤的水分來為植株提供水分，體現(xiàn)了烏丹蒿側(cè)根發(fā)達的生物學(xué)特性〔4〕。烏丹蒿幼苗3個生育期的生物量均隨脅迫時間的延長而減少，說明幼苗生長在干旱脅迫過程中受到明顯的影響。植物在逆境中會通過調(diào)節(jié)地上地下部分生物量來適應(yīng)環(huán)境，因此根冠比和生物量也成為了衡量植物在逆境中適應(yīng)性的重要指標(biāo)〔13〕，根冠比和生物量表現(xiàn)了地上地下部分干物質(zhì)積累的關(guān)系，多項研究認為干旱脅迫會使根冠比增大、使生物量下降，與本研究結(jié)果相似。

水分虧缺導(dǎo)致植物體內(nèi)活性氧和自由基的積累，進而打破體內(nèi)自由基產(chǎn)生與清除的平衡，抗氧化酶可清除植物受到逆境脅迫時所產(chǎn)生的活性氧自由基，SOD清除活性氧自由基時需要POD和CAT的參與。進而保護植物膜。近年來，過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶的活性常用作植物抗旱性的生理指標(biāo)〔14-16〕。田治國通過對萬壽菊屬苗期進行高溫干旱雙重脅迫條件發(fā)現(xiàn)逆境使植物體內(nèi)生物膜受到傷害致活性氧增加〔17〕；陳超，陳香波分別對百脈根幼苗及夏臘梅葉片進行干旱脅迫發(fā)現(xiàn)，植物在受深度干旱脅迫時SOD和POD酶活性呈先升高后降低的趨勢〔18，19〕。本研究發(fā)現(xiàn)，烏丹蒿幼苗初期三個抗氧化酶活性均呈上升趨勢，但隨后在8、12片真葉時期在土壤含水量下降到5%時，其葉片和根系SOD、CAT和POD活性由最初的上升趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)橄陆第厔荩腋得富钚跃哂谌~片。由于脅迫方式能直接刺激根系導(dǎo)致根系酶活性高于葉片，可知土壤干旱對根系的損傷程度大于葉片。SOD活性上升幅度最大、其次是POD和CAT，值得注意的是CAT活性變化不大，說明SOD對水分脅迫的反應(yīng)更為敏感，是烏丹蒿幼苗對干旱脅迫的主要保護酶。它是植物體內(nèi)清除自由的最關(guān)鍵保護酶之一，通過增強幼苗O2-的歧化反應(yīng)，促使SOD清除活性氧自由基、來維護幼苗氧代謝平衡。

4 結(jié)論

對烏丹蒿幼苗在其他條件相同的情況下進行水分梯度處理發(fā)現(xiàn)，生長過程中株高、莖粗、生物量等形態(tài)指標(biāo)均受到不同程度的阻抑，但5%和15%的土壤含水量卻促使側(cè)根數(shù)量連續(xù)增加。

在3個時期中根系SOD、POD、CAT活性均高于葉片，4片真葉期酶活性隨水分的減少而增加；8、12片真葉期在對照、輕度、中度處理組酶活性呈上升趨勢，但在重度處理組活性降低，說明幼苗在重度脅迫下胞內(nèi)保護酶系統(tǒng)失衡導(dǎo)致活性氧增加，加劇膜脂過氧化而損傷體膜使植株受到嚴(yán)重傷害。

綜上所述，烏丹蒿在干旱環(huán)境的生長過程中通過調(diào)節(jié)形態(tài)及生理指數(shù)去適應(yīng)環(huán)境，且擁有較發(fā)達的根系說明抗旱性較強。

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