2種豆科牧草對干旱的生理響應及抗旱性評價

車軒,梁宗鎖,2,吳珍

（1.西北農林科技大學生命科學學院,陜西楊凌 712100；2.中國科學院水土保持研究所,陜西楊凌 712100；3.商洛學院,陜西 商洛 726000）

土壤干旱是對人類生產生活危害極大的自然災害之一,尤其是特大干旱造成的損失之大、時間之長、范圍之廣是其他自然災害所無法比擬的[1]。黃土高原丘陵區是世界上水土流失最嚴重的地區之一,嚴重的土壤侵蝕和頻繁的干旱同時發生,是這一地區生態環境的一個重要特點,而天然植被、栽培草地和種植業則是該地區具有代表性的土地利用方式[2]。草地植被建設是黃土高原生態建設的重要內容,而選擇適宜的草種則直接關系到生態建設的成功與否。

近年來在研究植物對干旱脅迫的生理生化響應時,活性氧傷害、抗氧化體系及滲透調節物質的變化已有較多研究[3]。祁娟等報道披堿草（Elymusspp.）在受到干旱脅迫后,其丙二醛（MDA）與脯氨酸均隨干旱脅迫的加強呈上升趨勢[4]；胡化廣等的研究表明,結縷草（Zoysia japonica）在干旱脅迫期間脯氨酸與可溶性糖均有所積累,并且超氧化物歧化酶（SOD）活性增加[5]；倪郁等對紫花苜蓿（Medicago sativa）、百脈根（Lotus corniculatus）及白三葉（Tri f olium repens）3種牧草的研究顯示,干旱脅迫下3種牧草脯氨酸、可溶性糖含量以及SOD活性均有不同程度的升高[6]。紅豆草（Onobrychis viciaefolia）和變異小冠花（Coronilla varia）均為多年生草本植物,具有耐旱、耐貧瘠且產量高的特點,均是優良的人工牧草[7-8]。目前,對這2種牧草的研究集中于引種、水分利用以及高產栽培研究等方面[9-12],而對其生理抗旱特性則鮮有報道。本研究采用盆栽控水試驗對2種牧草的抗旱生理特性進行了研究,以闡明其生理抗旱特性,并采用模糊隸屬函數法對2種牧草的抗旱性進行了綜合評價,以便為黃土高原草地重建中草種的選擇、退耕還草生態工程以及經濟的持續健康發展提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料供試材料種子紅豆草和變異小冠花均購于陜西楊凌金道種業有限公司。

1.2 干旱脅迫處理方法2種牧草種子于2009年3月底種于高27 cm、上口徑35 cm、下口徑22 cm的塑料桶中,桶中均裝滿過篩壚土,田間最大持水量為28%。盆栽桶放置于中國科學院水土保持研究所的可移動防雨棚下,雨天用防雨棚遮雨,晴天露地生長。種子萌發后,充足供水條件下生長2個月,待植物進入分枝期后進行土壤水分脅迫處理,根據設計的土壤含水率計算出各水分處理每桶的質量,作為各水平的標準桶質量。不澆水待土壤水分自然消耗至設定標準后,用電子秤稱量法將土壤含水量控制在設定范圍內,并補充其水分消耗,準確記錄加水量,連續進行控水處理1個月后測定各項生理指標。試驗共設3個水分處理:（1）適宜水分處理（CK）,為田間最大持水量的70%～75%；（2）中度脅迫處理（MD）,為田間最大持水量的50%～55%；（3）重度脅迫處理（SD）,為田間最大持水量的35%～40%。每個水分處理均重復4次,每桶5～6株,并設置對照桶（裸土）,以扣除土面蒸發。

1.3 抗旱生理指標測定方法水分飽和虧采用烘干法；脯氨酸含量采用磺基水楊酸法；可溶性糖含量采用蒽酮比色法；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法；超氧陰離子自由基采用對氨基苯磺酸和α-萘胺顯色法；SOD活性采用NBT光化還原法測定；過氧化氫酶（CAT）活性采用過氧化氫比色法測定；抗壞血酸過氧化物酶（APX）活性采用過氧化氫比色法測定。上述各指標具體測定方法參見《植物生理學實驗技術》[13]及《植物生理學研究技術》[14]。

1.4 抗旱性綜合評價采用模糊隸屬函數法對2個草種的抗旱性進行評價[14-16]:計算公式為:

式中,x為各草種的某一指標測定值,xmax、xmin分別為所有草種中此指標的最大值和最小值。與抗逆性負相關的指標用反隸屬函數計算,公式為:

最后將每個草種各項指標的隸屬值（xu）累加,取其平均值,根據各草種平均值的大小確定其抗旱性強弱。平均值越大,抗旱性越強。一般認為,抗旱性是一個受多種因素影響的復雜數量性狀。不同植物對某一具體生理指標的抗旱性反應不盡相同。采用隸屬函數值平均法,既消除了個別指標帶來的片面性,又由于平均值是個[0,1]區間上的純數,使各品種抗旱性差異具有可比性[17]。

1.5 數據處理所有數據采用Excel以及SPSS17.0 2003進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對2種牧草葉片水分飽和虧的影響紅豆草與變異小冠花葉片水分飽和虧隨土壤水分的減少而顯著增高。其中2草種水分飽和虧（WSD）升幅間差異不大,變異小冠花略低于紅豆草,但在各個處理間變異小冠花WSD均顯著高于紅豆草（表1）。

表1 干旱脅迫對2種牧草葉片水分飽和虧的影響 %

2.2 干旱脅迫對2種牧草滲透調節物質含量的影響2草種葉片脯氨酸含量均隨干旱脅迫程度的增加而顯著增加,尤其是紅豆草脯氨酸含量增加的幅度較大。在CK下,紅豆草葉片脯氨酸含量略低于變異小冠花,但差異并不顯著；而在MD與SD下,則顯著高于變異小冠花（表2）。

隨著干旱脅迫程度的加劇,2草種葉片可溶性糖含量均呈增加趨勢。2草種在SD下積累的可溶性糖含量均顯著高于對照,但在MD下則與對照差異不顯著。紅豆草葉片可溶性糖含量的增幅大于變異小冠花。在CK下,變異小冠花葉片可溶性糖含量顯著高于紅豆草,但在MD與SD下均小于紅豆草,但差異不顯著（表2）。

表2 干旱脅迫對2種牧草葉片脯氨酸含量及可溶性總糖含量的影響 mg/g

2.3 干旱脅迫對2種牧草MDA及超氧陰離子自由基含量的影響2種牧草在受到干旱脅迫后,葉片MDA含量均有所增加。其中紅豆草MDA含量在MD下略高于對照,但并不顯著,在SD下則顯著高于對照；變異小冠花葉片MDA含量在各個處理間則差異顯著。在2草種間,變異小冠花MDA含量的增幅大于紅豆草,在CK下,變異小冠花葉片MDA含量顯著低于紅豆草,但受到干旱脅迫后大幅上升,并在SD下顯著高于紅豆草（表3）。

2種牧草在干旱處理下超氧陰離子自由基含量顯著高于對照,其中紅豆草在MD與SD下均顯著高于對照,但彼此間并不顯著,且MD下其含量略高于SD；變異小冠花葉片超氧陰離子自由基則在各個處理間差異顯著。變異小冠花超氧陰離子自由基含量在干旱脅迫后增幅較大,在各個處理間均顯著高于紅豆草（表3）。

表3 干旱脅迫對2種牧草MDA及超氧陰離子自由基含量的影響

2.4 干旱脅迫對2種牧草保護酶活性的影響2個草種的SOD、CAT、APX活性均隨干旱脅迫程度的增加而顯著增加（表4）。紅豆草在SD下SOD活性顯著高于CK,但在MD下與CK相比則不顯著；變異小冠花SOD活性在各個處理間均差異顯著。2草種的 SOD活性增幅無明顯差異,各個處理間變異小冠花SOD活性均高于紅豆草,但只有在CK下差異顯著。

2種牧草的CAT活性隨著干旱脅迫程度的加劇在處理間均差異顯著。MD下紅豆草CAT活性增幅大于變異小冠花,而SD下則與之相反,但紅豆草CAT活性在各個處理間均顯著高于變異小冠花（表4）。

與CAT活性相似,2種牧草的APX活性在各處理間差異顯著。變異小冠花APX活性的增幅大于紅豆草,但變異小冠花APX活性在各個處理間均小于紅豆草,且在CK與SD下差異顯著（表4）。

2.52種牧草抗旱性綜合評價采用模糊隸屬函數法對2個草種相對含水量、脯氨酸、可溶性糖、MDA、超氧陰離子自由基含量以及 SOD、CAT、APX活性進行了綜合評價。紅豆草和變異小冠花各項生理指標隸屬函數值的平均值分別為0.660和0.333（表5）。這說明,紅豆草的抗旱性高于變異小冠花。

3 討論與結論

植物生理抗旱特性是植物抗旱性的重要指標,蔣龍等的研究指出,抗旱性較強的牧草種有較強的保水能力[18],水分飽和虧越大說明水分虧缺越嚴重[19]。本試驗中2種牧草水分飽和虧均隨干旱脅迫的加劇而升高,變異小冠花的水分飽和虧在各個處理間均顯著大于紅豆草。這表明,紅豆草比變異小冠花具有更強的保水能力,這也與抗旱性評價結果相一致。

表4 干旱脅迫對兩種牧草抗氧化酶活性的影響

表5 干旱脅迫下不同牧草各測定指標的隸屬函數值

植物受到非生物脅迫如干旱時會大量積累脯氨酸以抵御干旱脅迫[20]。王齊等[21]的研究表明,結縷草葉片游離脯氨酸的含量在水分脅迫期呈上升趨勢,且隨水分脅迫的增加而增大。本試驗結果表明,隨干旱脅迫程度的加劇,2種牧草葉片游離脯氨酸含量均呈增加趨勢,且草種間存在顯著差異,其中紅豆草積累的脯氨酸量較多,并在各處理間顯著高于變異小冠花,這與其抗旱性排序相一致。這也與宋海鵬等[22]報道的有關5種景天科屬植物在干旱脅迫下脯氨酸的積累及抗旱性關系一致。Motoaki Seki等[23]認為,許多糖類物質與植物抗旱性均具有很強的相關性,可降低植物組織水勢。本研究的結果也表明,2種牧草在干旱脅迫下均積累了較多的可溶性糖,這與吉增寶等[24]的研究結果相符,但草種間并無顯著差異。

MDA含量則是用來檢測膜脂受害程度的重要指標[25]。本試驗中,干旱脅迫下2種牧草超氧陰離子自由基和MDA含量均有所增加,這與柯世省和金則新[26]在夏臘梅（Calycanthus chinensis）中的研究結論相一致。在抗旱性評價中抗旱性弱的變異小冠花的超氧陰離子和MDA含量在干旱處理下均顯著高于紅豆草。這說明變異小冠花在受到干旱脅迫時,容易受到干旱脅迫的影響而產生大量的·O2-,其膜脂過氧化程度也最高,從而對其自身造成傷害。與之相反,紅豆草·O2-含量在干旱脅迫下與對照相比沒有明顯的變化,其MDA含量雖有增大,但增幅小于變異小冠花,說明紅豆草有良好的抗旱性,這也與抗旱性評價結果一致。

SOD含量變化及活性高低可以反映機體內氧自由基的清除能力,而CAT與APX則反映機體對歧化反應產物H2O2的清除能力[27-28]。本研究結果表明,變異小冠花 SOD活性較高,但其·O2-含量依舊顯著高于紅豆草,同時變異小冠花CAT、APX活性顯著低于紅豆草,可以推測變異小冠花由SOD歧化反應所產生的H2O2不能得到及時清除,這可能是變異小冠花抗旱性低于紅豆草的原因之一。這也說明,紅豆草抗氧化酶系統的相互協調能力要好于變異小冠花,從而能更有效地清除有害的自由基和活性氧,進而表現出較強的抗旱性。

隸屬函數分析可在多個測定指標的基礎上對2種牧草的抗旱性予以評價,避免了單一指標的片面性。利用多指標對2草種進行綜合評價本試驗采用隸屬函數法對盆栽控水下紅豆草與變異小冠花水分飽和虧、脯氨酸含量、可溶性糖含量、超氧陰離子、MDA 含量、SOD、APX、CAT 活性等指標進行了綜合評價,得出2種牧草抗旱性強弱為:紅豆草＞變異小冠花。

以上研究結果是在盆栽試驗條件下所得出的結論,而這2種牧草是否能適用于黃土高原植被恢復和栽培草地的建設的立地條件,仍需對其在不同水分條件下的水分利用特性作進一步的試驗研究。

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