6種高寒禾草對干旱脅迫的生理響應(yīng)及抗旱性評價(jià)

藺亞平，楊成行，蘇家豪，馬 清，包愛科

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院, 甘肅 蘭州 730000）

近年來，隨著氣候變暖和人口迅速增長，水資源短缺已成為全球面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，干旱土地面積的逐年增加已成為世界各國關(guān)注的問題[1]。我國是受干旱影響最為嚴(yán)重的國家之一，干旱已成為制約我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜牧業(yè)發(fā)展的重要因素。水資源匱乏使我國西北高海拔地區(qū)農(nóng)牧業(yè)面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，不僅對農(nóng)作物的存活、生長和生理生化代謝產(chǎn)生影響，而且伴隨著草地沙化面積的不斷擴(kuò)大，草地逐漸減少，生態(tài)環(huán)境問題日益突出[2]。

對于我國北方高寒草甸草原植物，低溫是影響其生長的重要因子，但水分的作用亦不可忽視，即使在降水多的地區(qū)也普遍存在季節(jié)性和非周期性干旱問題[3]。牧草抗旱性的強(qiáng)弱是維系草地資源可持續(xù)發(fā)展和改善生態(tài)條件的關(guān)鍵因素，近年來眾多研究多用生長狀況、相對含水量、葉綠素含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累、細(xì)胞膜透性、活性氧產(chǎn)生速率、抗氧化系統(tǒng)活性等指標(biāo)評價(jià)牧草的抗旱性，取得了一系列進(jìn)展。研究表明，干旱脅迫顯著抑制了芒草（Miscanthus sinensis)[4]、黑麥草（Lolium perenne)[5]、披堿草（Elymus dahuricus)[6]的生長，使其生物量顯著降低。干旱脅迫下，高粱（Sorghum bicolor)[7]、蒙古冰草（Agropyron mongolicum)、無芒雀麥（Bromus inermis)[8]等牧草幼苗相對含水量逐漸下降，細(xì)胞膜透性逐漸上升；狼尾草（Peuuisetum alopecuroides)、藍(lán)羊茅（Festuca glauca‘Freddy’)[6]、 蘇 丹 草 （Sorghum sudanense)[9]等牧草幼苗葉綠素含量均呈下降趨勢，從而影響牧草的生長發(fā)育。隨干旱脅迫時(shí)間延長，樹錦雞兒（Caragana arborescens)、砂生槐（Sophora moorcroftiana)[10]和紫花苜蓿（Medicago sativa)[11]幼苗葉片中H2O2和丙二醛（malondialdehyde, MDA)含量不斷增加。干旱脅迫處理下草地早熟禾（Poa pratensis)[12]、貓尾草（Uraria crinita)和扁穗冰草（Agropyron cristatum)[13]葉片內(nèi)超氧化物歧化酶（superoxide dismutase, SOD)、過氧化物酶（peroxidase,POD)、過氧化氫酶（catalase, CAT)和抗壞血酸過氧化物酶（ascorbate peroxidase, APX)活性顯著增強(qiáng)。綜上，干旱脅迫可通過影響牧草農(nóng)藝性狀、形態(tài)特征和生理生化等指標(biāo)，從而嚴(yán)重影響其正常生長發(fā)育和產(chǎn)量形成。這些指標(biāo)的變化在抗旱能力不同的牧草中存在著一定程度的差異，因此綜合運(yùn)用多種指標(biāo)來衡量牧草的抗旱性能，將有望得到更為精確的結(jié)果。

禾本科牧草（簡稱禾草)是天然草地植被的重要組成成分，也是栽培草地的重要建植種，不僅在退耕還林還草、土壤改良、水土保持等生態(tài)恢復(fù)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，而且以產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)、適口性好、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，在我國草牧業(yè)發(fā)展中扮演著重要角色[3,14]。禾本科牧草種類繁多，在不同的氣候環(huán)境下其抗性表現(xiàn)出較大差異。但目前我國高寒地區(qū)草地恢復(fù)在選擇草種時(shí)，多考量其耐寒性，對于其抗旱性評價(jià)的研究較少。高寒地區(qū)草地退化類型多樣，草地沙化是其中之一，且有逐年增加的趨勢，在抗寒禾草中選擇抗旱性強(qiáng)的品種將有助于高寒地區(qū)沙化草地的快速恢復(fù)。鑒于此，本研究以高寒地區(qū)草地恢復(fù)中主推的6 種禾草為材料進(jìn)行盆栽干旱脅迫，分析其生物量、葉片水分狀況、細(xì)胞膜透性、葉綠素含量、超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性等指標(biāo)對干旱脅迫的響應(yīng)，并用隸屬函數(shù)法綜合評價(jià)6 種禾草的抗旱性，以期篩選出抗旱性強(qiáng)的禾草品種，為高寒地區(qū)沙化草地的恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 植物材料

本研究所用6 個(gè)禾草品種均為青藏高原主推品種，種子由青海大學(xué)劉文輝研究員提供（表1)。

表1 試驗(yàn)品種Table 1 Experimental varieties

1.2 試驗(yàn)處理

采用盆栽試驗(yàn)，挑選籽粒飽滿、無殘缺的禾草種子，用10%高錳酸鉀溶液消毒10 min，蒸餾水反復(fù)沖洗5～6 次，用濾紙吸干后，按照15 g·m-2的密度撒播，均勻地置于以蛭石為基質(zhì)的塑料盆（15 cm ×17 cm)中，每種禾草種植15 盆。發(fā)芽后用1/2 Hoagland營養(yǎng)液每2 d 澆灌一次，培養(yǎng)室晝夜溫度為（25 ± 2)℃/（23 ± 2) ℃，光照時(shí)間為16 h·d-1，空氣相對濕度約為65%，光照強(qiáng)度約為800 μmol·（m2·s)-1。

所有材料培養(yǎng)1 個(gè)月后，每個(gè)品種選長勢良好的12 盆植株，一次性澆透水，然后通過稱重法進(jìn)行控水處理。設(shè)置對照組及干旱處理組，對照組將基質(zhì)含水量維持在70%飽和含水量，干旱處理組停止?jié)菜?，直至基質(zhì)含水量降至30%飽和含水量，每2 d稱重一次，當(dāng)土壤含水量低于設(shè)置范圍時(shí)，采用緩慢澆水法補(bǔ)充水分，對照組和處理組維持相應(yīng)的飽和含水量，28 d 后取樣測定相關(guān)形態(tài)生理指標(biāo)，所有指標(biāo)6 個(gè)重復(fù)。

1.3 測定指標(biāo)及方法

地上部干重、葉片組織含水量均采用稱重法測定[15]；葉綠素含量測定采用乙醇丙酮混合液浸提法[16]；細(xì)胞膜透性采用電導(dǎo)率法測定，以細(xì)胞膜外滲率表示細(xì)胞膜透性的變化[17]；超氧化物歧化酶（SOD)活性采用氮藍(lán)四唑光還原法測定[17]；過氧化物酶（POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[17]。

1.4 抗旱性綜合評價(jià)

采用隸屬函數(shù)法[18]對6 種禾草苗期抗旱能力進(jìn)行綜合評價(jià)，以干旱脅迫下各指標(biāo)的相對變化值為抗旱性評價(jià)值。計(jì)算公式如下：

式中：U（Xi)為各個(gè)指標(biāo)的隸屬值；Xi表示第i個(gè)指標(biāo)的相對變化值，Xi= （干旱脅迫處理的平均值-對照值)/對照值；Xmax表示所有品種第i個(gè)指標(biāo)相對變化值的最大值；Xmin表示所有品種第i個(gè)指標(biāo)相對變化值的最小值。如果i指標(biāo)的相對變化值與植物的抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系，用式（1)；如果i指標(biāo)的相對變化值與植物的抗旱性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，則用式（2)。對每種禾草各指標(biāo)的抗旱隸屬值進(jìn)行累加，并計(jì)算出平均值，平均值越大，植物的抗旱性越強(qiáng)，平均值越小，抗旱性越弱[14]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

用SPSS 26.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗(yàn)，差異顯著性水平設(shè)置為P＜ 0.05 和P＜ 0.01，數(shù)據(jù)以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下6 種禾草的形態(tài)變化

干旱處理28 d 后，6 種禾草的長勢均明顯弱于對照組，生長受到了抑制。相比而言，同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草長勢顯著好于青海扁莖早熟禾、青海冷地早熟禾和青海中華羊茅（圖1)。

圖1 干旱脅迫下6 種禾草的長勢Figure 1 The growth phenotype of six varieties under drought stress

在干旱脅迫下，青海冷地早熟禾和青海中華羊茅的地上部干重與各自對照相比分別極顯著下降了18.6%和37.6% （P＞ 0.01)。與對照相比，青海扁莖早熟禾、同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草在干旱脅迫下的地上部干重雖較對照呈現(xiàn)下降趨勢，但并未達(dá)到顯著差異（P＞ 0.05)，其中青海扁莖早熟禾地上部干重下降率最小，為4.3% （表2)。

干旱脅迫下，青海冷地早熟禾和青海中華羊茅的葉片組織含水量較對照相比顯著下降了3.6%和1.6% （P＜ 0.05)；而青海扁莖早熟禾、同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草在干旱脅迫下葉片組織含水量變化不顯著（P＞ 0.05)，其中同德老芒麥的葉片組織含水量下降率最小，為0.1% （表2)，說明這4 種禾草在干旱脅迫下能維持其體內(nèi)正常的水分狀態(tài)。

表2 干旱脅迫下6 種禾草的地上部干重和葉片組織含水量Table 2 The shoot dry weight and tissue water content of leaves of six varieties under drought stress

2.2 干旱脅迫對6 種禾草生理指標(biāo)的影響

與對照相比，干旱脅迫下6 種禾草的葉綠素含量均有所下降，其中青海扁莖早熟禾和青海冷地早熟禾的葉綠素含量與對照相比差異不顯著（P＞0.05)，而同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥、青海中華羊茅和同德短芒披堿草的葉綠素含量則比其各自對照分別顯著或極顯著下降了30.7%、23.3%、77.6%和34.6% （圖2)，可見干旱脅迫對這4 種禾草的葉綠素合成影響較大。

圖2 干旱脅迫下6 種禾草的葉綠素含量、相對電導(dǎo)率、超氧化物歧化酶和過氧化物酶Figure 2 The chlorophyll content, relative electrical conductivity, superoxide dismutase (SOD) and peroxidase (POD) activity of six varieties under drought stress

在干旱脅迫下，6 種禾草的葉片相對電導(dǎo)率均有所增加，但青海扁莖早熟禾葉片相對電導(dǎo)率的增加幅度最大、數(shù)值也最高，高于其他5 種禾草；與各自對照相比，青海扁莖早熟禾和同德老芒麥的葉片相對電導(dǎo)率分別增加了180%和90%倍，差異達(dá)到極顯著水平（P＜ 0.01)，但干旱脅迫下青牧1 號(hào)老芒麥的葉片相對電導(dǎo)率值最低，為4.8%，且與對照相比，差異并未達(dá)到顯著水平（P＞ 0.05) （圖2)，說明其細(xì)胞膜受損程度較輕。

干旱脅迫下，青海冷地早熟禾、同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草的SOD 活性均有所增強(qiáng)，其中干旱脅迫下同德老芒麥的SOD 活性比對照增加了99.5%，差異達(dá)到顯著水平（P＜ 0.05)；而青海扁莖早熟禾和青海中華羊茅在干旱脅迫下SOD 活性有所降低，其中青海中華羊茅的SOD 活性最低（圖2)。

干旱脅迫下6 種禾草的POD 活性均呈增加趨勢，其中青牧1 號(hào)老芒麥、青海中華羊茅和同德短芒披堿草的POD 活性分別較其各自對照極顯著增加了183.3%、47.0%和53.4% （P＜ 0.01)；相比而言，無論在對照條件還是干旱脅迫下，同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草的POD 活性高于青海扁莖早熟禾、青海冷地早熟禾和青海中華羊茅（圖2)。

2.3 抗旱性綜合評價(jià)

利用6 個(gè)生長和生理指標(biāo)的相對變化率進(jìn)行綜合分析，分別計(jì)算各指標(biāo)在不同品種中的隸屬值，并以各品種的平均隸屬值作為鑒定其抗旱性強(qiáng)弱的綜合評價(jià)指標(biāo)。結(jié)果顯示，6 種禾草的隸屬函數(shù)值存在一定差異，其平均值介于0.325～0.838。根據(jù)隸屬函數(shù)值越大，抗旱性越強(qiáng)的原則，本研究中6 種禾草的抗旱性由強(qiáng)到弱依次為青牧1 號(hào)老芒麥、同德老芒麥、同德短芒披堿草、青海冷地早熟禾、青海扁莖早熟禾、青海中華羊茅（表3)。

表3 6 種禾草的抗旱性綜合評價(jià)Table 3 Comprehensive evaluation of drought resistance among six varieties

3 討論

干旱對牧草的危害是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，而牧草抵抗逆境脅迫也是一個(gè)多系統(tǒng)的綜合生理反應(yīng)。研究表明，在干旱脅迫下，牧草通常通過改變其生長狀態(tài)和調(diào)整各部分生物量以適應(yīng)干旱環(huán)境，增強(qiáng)其生態(tài)適應(yīng)性[19]，主要表現(xiàn)為植株緊湊、低矮、葉片萎縮減少蒸發(fā)面積等來保證體內(nèi)水分均衡。牧草生產(chǎn)的主要指標(biāo)是生物產(chǎn)量，牧草在整個(gè)生長發(fā)育過程中會(huì)不斷通過調(diào)整生物量的分配來適應(yīng)和抵御外界環(huán)境的變化及不良影響，從而將傷害系數(shù)降到最低[20]。本研究表明，在干旱脅迫下，6 種禾草的生長受到了不同程度的抑制，長勢均明顯弱于對照組，地上部干重和葉片組織含水量與對照相比也有所降低，其中同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草的長勢明顯優(yōu)于青海扁莖早熟禾、青海冷地早熟禾和青海中華羊茅，表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱性。這與閆天芳等[21]對西藏4 份野生披堿草屬牧草幼苗的抗旱性研究以及郭郁頻等[22]在不同早熟禾品種上的抗旱性研究得出的結(jié)論一致，說明在干旱脅迫下抗旱性較強(qiáng)的牧草能更好地維持體內(nèi)的干物質(zhì)含量，保持其體內(nèi)正常的水分狀態(tài)，以減輕干旱脅迫的傷害，從而保持較好的生長狀況。

葉綠素含量是評價(jià)植物抗旱能力的重要指標(biāo)。干旱脅迫會(huì)引起植物氣孔的關(guān)閉，導(dǎo)致葉綠體超微結(jié)構(gòu)和內(nèi)囊體膜蛋白穩(wěn)定性的改變，降低體細(xì)胞內(nèi)葉綠素含量和光合碳循環(huán)中相關(guān)酶的活性，從而抑制光合作用[23]。葉綠素也會(huì)動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)比例，合理利用光能，以此反映牧草適應(yīng)干旱脅迫的能力[24]。本研究中干旱脅迫下6 種禾草葉綠素含量的變化趨勢與李京蓉等[24]對高寒牧區(qū)禾本科牧草抗旱性研究以及潘昕等[10]對青藏高原6 種植物抗旱性能分析的研究結(jié)果一致，即干旱脅迫導(dǎo)致禾草的葉綠素含量均有所下降，但下降趨勢在不同品種間存在差異，這種差異可能與其自身的生物學(xué)特性和干旱脅迫發(fā)生的強(qiáng)度、時(shí)期或持續(xù)時(shí)間有關(guān)。本研究中，青海中華羊茅葉綠素含量的下降幅度最大，說明干旱脅迫對其葉綠素合成造成了較大破壞。

細(xì)胞膜是細(xì)胞維持胞內(nèi)穩(wěn)定代謝環(huán)境的必要屏障，其選擇透過性可以調(diào)節(jié)物質(zhì)的進(jìn)出。干旱脅迫不僅會(huì)大幅降低葉片的含水量和葉綠素含量，使細(xì)胞膜滲透壓上升，影響植物正常的生理活動(dòng)，而且還會(huì)導(dǎo)致膜結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使細(xì)胞受到嚴(yán)重?fù)p傷[25]。測定外滲液電導(dǎo)率的變化能夠反映出質(zhì)膜的受損程度和植物抗逆性的大小，通常認(rèn)為，在持續(xù)干旱作用下電導(dǎo)率會(huì)逐漸上升，而上升的幅度有所不同，抗旱性較強(qiáng)的牧草品種其電導(dǎo)率上升幅度較小，抗旱性差的牧草品種其電導(dǎo)率上升幅度較大[26]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫下6 種禾草的相對電導(dǎo)率均有所增加，但青海冷地早熟禾、青牧1 號(hào)老芒麥、青海中華羊茅和同德短芒披堿草的相對電導(dǎo)率與對照相比差異并不顯著，均維持在較穩(wěn)定的水平，增幅較?。淮送?，無論在對照條件還是干旱脅迫下，同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草的相對電導(dǎo)率低于其他品種。這說明青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草的細(xì)胞膜在干旱脅迫下受損程度較小，較為完整，有較強(qiáng)的防止膜脂過氧化作用的能力，對干旱脅迫的適應(yīng)能力可能強(qiáng)于其他品種，這與王平等[27]在披堿草屬牧草上的研究結(jié)果相類似。

SOD 和POD 是植物體內(nèi)保護(hù)酶系統(tǒng)的重要組分，能有效清除自由基，降低膜質(zhì)過氧化水平，從而保護(hù)細(xì)胞免受氧化損傷[28]。SOD 作為膜保護(hù)的第一道防線，催化超氧陰離子發(fā)生歧化反應(yīng)，將毒性較強(qiáng)的超氧陰離子轉(zhuǎn)化為毒性較輕的H2O2，POD 則是利用各種基質(zhì)作為電子供體將H2O2還原為H2O[29-30]。在活性氧清除體系中SOD 是關(guān)鍵酶，隨干旱脅迫強(qiáng)度的增加，SOD 活性呈先增加后降低的趨勢[31]，而POD 與SOD 活性在干旱脅迫下表現(xiàn)趨勢相同，抗旱性強(qiáng)的品種，其根系POD 活性維持在較高的水平，且其SOD 活性的降低速率比抗性弱的草種緩慢[32]。本研究表明，干旱脅迫下，青海冷地早熟禾、同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草的SOD 活性均有所增強(qiáng)；6 種禾草的POD 活性均呈現(xiàn)出增加的趨勢，其中青牧1 號(hào)老芒麥、青海中華羊茅和同德短芒披堿草的POD 活性與對照相比差異均達(dá)到顯著水平；且干旱脅迫下同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草的POD 活性高于青海扁莖早熟禾、青海冷地早熟禾和青海中華羊茅。這說明干旱脅迫下上述禾草會(huì)啟動(dòng)保護(hù)酶防御系統(tǒng)，增加體內(nèi)POD 與SOD 活性，且這兩種酶通過協(xié)同作用清除植物體內(nèi)過剩的活性氧，從而減輕過氧化傷害，以維持細(xì)胞膜的完整性，使得同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草表現(xiàn)出較強(qiáng)的抗旱能力，這與8 種從美國引進(jìn)的禾本科牧草保護(hù)酶活性與抗旱性研究結(jié)果[13]基本一致。

植物抗逆性的強(qiáng)弱是形態(tài)變異、生理變化、生化代謝和基因表達(dá)調(diào)控等多種因素綜合作用的結(jié)果，抗旱能力是植物的一種復(fù)合性狀[27]。干旱脅迫下植株的生長和生理生化指標(biāo)的變化幅度因品種而異，不同指標(biāo)反映出的結(jié)果不一致，無法以單一指標(biāo)來反映植物的抗旱能力。因此，綜合利用多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析可提高植物抗旱性評價(jià)的準(zhǔn)確性，近年來被眾多研究者所采用。本研究采用禾草地上部干重、葉片組織含水量和生理指標(biāo)的相對變化率，結(jié)合隸屬函數(shù)法對6 種禾草的抗旱性進(jìn)行了綜合評價(jià)，消除了個(gè)別指標(biāo)帶來的片面性，使6 種禾草的抗旱差異具有可比性，從而提高了禾草抗旱鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。分析得出本研究中青牧1 號(hào)老芒麥、同德老芒麥、同德短芒披堿草的抗旱性強(qiáng)于青海冷地早熟禾、青海扁莖早熟禾和青海中華羊茅，這與6 種禾草的形態(tài)觀測和生理指標(biāo)測定結(jié)果總體變化趨勢相符。

4 結(jié)論

干旱脅迫下，6 種禾草其地上部生物量、葉片組織含水量和葉綠素含量均有所下降，細(xì)胞膜透性逐漸上升，除青海扁莖早熟禾和青海中華羊茅在干旱脅迫下SOD 活性有所降低外，其余禾草抗氧化酶活性升高，說明干旱脅迫能夠誘導(dǎo)禾草體內(nèi)抗氧化酶活性提高，保護(hù)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的完整性，增強(qiáng)禾草的抗旱性。但6 種禾草的抗旱性存在差異，同德老芒麥、青牧1 號(hào)老芒麥和同德短芒披堿草在干旱脅迫環(huán)境下能夠維持較高的抗氧化酶活性，抗旱能力整體表現(xiàn)良好，可作為高寒地區(qū)草地恢復(fù)中主推的抗旱品種。