6種高寒禾草對干旱脅迫的生理響應及抗旱性評價

藺亞平，楊成行，蘇家豪，馬 清，包愛科

（蘭州大學草地農業科技學院, 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峻挑戰，干旱土地面積的逐年增加已成為世界各國關注的問題[1]。我國是受干旱影響最為嚴重的國家之一，干旱已成為制約我國農業生產和畜牧業發展的重要因素。水資源匱乏使我國西北高海拔地區農牧業面臨嚴峻考驗，不僅對農作物的存活、生長和生理生化代謝產生影響，而且伴隨著草地沙化面積的不斷擴大，草地逐漸減少，生態環境問題日益突出[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也普遍存在季節性和非周期性干旱問題[3]。牧草抗旱性的強弱是維系草地資源可持續發展和改善生態條件的關鍵因素，近年來眾多研究多用生長狀況、相對含水量、葉綠素含量、滲透調節物質的積累、細胞膜透性、活性氧產生速率、抗氧化系統活性等指標評價牧草的抗旱性，取得了一系列進展。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，細胞膜透性逐漸上升；狼尾草（Peuuisetum alopecuroides)、藍羊茅（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育。隨干旱脅迫時間延長，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。綜上，干旱脅迫可通過影響牧草農藝性狀、形態特征和生理生化等指標，從而嚴重影響其正常生長發育和產量形成。這些指標的變化在抗旱能力不同的牧草中存在著一定程度的差異，因此綜合運用多種指標來衡量牧草的抗旱性能，將有望得到更為精確的結果。

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、水土保持等生態恢復建設中發揮著重要作用，而且以產量高、品質優、適口性好、適應性廣等特點，在我國草牧業發展中扮演著重要角色[3,14]。禾本科牧草種類繁多，在不同的氣候環境下其抗性表現出較大差異。但目前我國高寒地區草地恢復在選擇草種時，多考量其耐寒性，對于其抗旱性評價的研究較少。高寒地區草地退化類型多樣，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的品種將有助于高寒地區沙化草地的快速恢復。鑒于此，本研究以高寒地區草地恢復中主推的6 種禾草為材料進行盆栽干旱脅迫，分析其生物量、葉片水分狀況、細胞膜透性、葉綠素含量、超氧化物歧化酶和過氧化物酶活性等指標對干旱脅迫的響應，并用隸屬函數法綜合評價6 種禾草的抗旱性，以期篩選出抗旱性強的禾草品種，為高寒地區沙化草地的恢復奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 植物材料

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

表1 試驗品種Table 1 Experimental varieties

1.2 試驗處理

采用盆栽試驗，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的塑料盆（15 cm ×17 cm)中，每種禾草種植15 盆。發芽后用1/2 Hoagland營養液每2 d 澆灌一次，培養室晝夜溫度為（25 ± 2)℃/（23 ± 2) ℃，光照時間為16 h·d-1，空氣相對濕度約為65%，光照強度約為800 μmol·（m2·s)-1。

所有材料培養1 個月后，每個品種選長勢良好的12 盆植株，一次性澆透水，然后通過稱重法進行控水處理。設置對照組及干旱處理組，對照組將基質含水量維持在70%飽和含水量，干旱處理組停止澆水，直至基質含水量降至30%飽和含水量，每2 d稱重一次，當土壤含水量低于設置范圍時，采用緩慢澆水法補充水分，對照組和處理組維持相應的飽和含水量，28 d 后取樣測定相關形態生理指標，所有指標6 個重復。

1.3 測定指標及方法

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]；細胞膜透性采用電導率法測定，以細胞膜外滲率表示細胞膜透性的變化[17]；超氧化物歧化酶（SOD)活性采用氮藍四唑光還原法測定[17]；過氧化物酶（POD)活性采用愈創木酚法測定[17]。

1.4 抗旱性綜合評價

采用隸屬函數法[18]對6 種禾草苗期抗旱能力進行綜合評價，以干旱脅迫下各指標的相對變化值為抗旱性評價值。計算公式如下：

式中：U（Xi)為各個指標的隸屬值；Xi表示第i個指標的相對變化值，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個指標相對變化值的最大值；Xmin表示所有品種第i個指標相對變化值的最小值。如果i指標的相對變化值與植物的抗旱性呈正相關關系，用式（1)；如果i指標的相對變化值與植物的抗旱性呈負相關關系，則用式（2)。對每種禾草各指標的抗旱隸屬值進行累加，并計算出平均值，平均值越大，植物的抗旱性越強，平均值越小，抗旱性越弱[14]。

1.5 數據處理

用SPSS 26.0 軟件對數據進行獨立樣本T檢驗，差異顯著性水平設置為P＜ 0.05 和P＜ 0.01，數據以平均值 ± 標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫下6 種禾草的形態變化

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下降趨勢，但并未達到顯著差異（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正常的水分狀態。

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率均有所增加，但青海扁莖早熟禾葉片相對電導率的增加幅度最大、數值也最高，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率分別增加了180%和90%倍，差異達到極顯著水平（P＜ 0.01)，但干旱脅迫下青牧1 號老芒麥的葉片相對電導率值最低，為4.8%，且與對照相比，差異并未達到顯著水平（P＞ 0.05) （圖2)，說明其細胞膜受損程度較輕。

干旱脅迫下，青海冷地早熟禾、同德老芒麥、青牧1 號老芒麥和同德短芒披堿草的SOD 活性均有所增強，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

利用6 個生長和生理指標的相對變化率進行綜合分析，分別計算各指標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弱的綜合評價指標。結果顯示，6 種禾草的隸屬函數值存在一定差異，其平均值介于0.325～0.838。根據隸屬函數值越大，抗旱性越強的原則，本研究中6 種禾草的抗旱性由強到弱依次為青牧1 號老芒麥、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Table 3 Comprehensive evaluation of drought resistance among six varieties

3 討論

干旱對牧草的危害是一個復雜的生理過程，而牧草抵抗逆境脅迫也是一個多系統的綜合生理反應。研究表明，在干旱脅迫下，牧草通常通過改變其生長狀態和調整各部分生物量以適應干旱環境，增強其生態適應性[19]，主要表現為植株緊湊、低矮、葉片萎縮減少蒸發面積等來保證體內水分均衡。牧草生產的主要指標是生物產量，牧草在整個生長發育過程中會不斷通過調整生物量的分配來適應和抵御外界環境的變化及不良影響，從而將傷害系數降到最低[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 號老芒麥和同德短芒披堿草的長勢明顯優于青海扁莖早熟禾、青海冷地早熟禾和青海中華羊茅，表現出較強的抗旱性。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論一致，說明在干旱脅迫下抗旱性較強的牧草能更好地維持體內的干物質含量，保持其體內正常的水分狀態，以減輕干旱脅迫的傷害，從而保持較好的生長狀況。

葉綠素含量是評價植物抗旱能力的重要指標。干旱脅迫會引起植物氣孔的關閉，導致葉綠體超微結構和內囊體膜蛋白穩定性的改變，降低體細胞內葉綠素含量和光合碳循環中相關酶的活性，從而抑制光合作用[23]。葉綠素也會動態地調節比例，合理利用光能，以此反映牧草適應干旱脅迫的能力[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果一致，即干旱脅迫導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特性和干旱脅迫發生的強度、時期或持續時間有關。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。

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

SOD 和POD 是植物體內保護酶系統的重要組分，能有效清除自由基，降低膜質過氧化水平，從而保護細胞免受氧化損傷[28]。SOD 作為膜保護的第一道防線，催化超氧陰離子發生歧化反應，將毒性較強的超氧陰離子轉化為毒性較輕的H2O2，POD 則是利用各種基質作為電子供體將H2O2還原為H2O[29-30]。在活性氧清除體系中SOD 是關鍵酶，隨干旱脅迫強度的增加，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趨勢相同，抗旱性強的品種，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 號老芒麥和同德短芒披堿草的SOD 活性均有所增強；6 種禾草的POD 活性均呈現出增加的趨勢，其中青牧1 號老芒麥、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到顯著水平；且干旱脅迫下同德老芒麥、青牧1 號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啟動保護酶防御系統，增加體內POD 與SOD 活性，且這兩種酶通過協同作用清除植物體內過剩的活性氧，從而減輕過氧化傷害，以維持細胞膜的完整性，使得同德老芒麥、青牧1 號老芒麥和同德短芒披堿草表現出較強的抗旱能力，這與8 種從美國引進的禾本科牧草保護酶活性與抗旱性研究結果[13]基本一致。

植物抗逆性的強弱是形態變異、生理變化、生化代謝和基因表達調控等多種因素綜合作用的結果，抗旱能力是植物的一種復合性狀[27]。干旱脅迫下植株的生長和生理生化指標的變化幅度因品種而異，不同指標反映出的結果不一致，無法以單一指標來反映植物的抗旱能力。因此，綜合利用多個指標進行分析可提高植物抗旱性評價的準確性，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的相對變化率，結合隸屬函數法對6 種禾草的抗旱性進行了綜合評價，消除了個別指標帶來的片面性，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果的準確性和可靠性。分析得出本研究中青牧1 號老芒麥、同德老芒麥、同德短芒披堿草的抗旱性強于青海冷地早熟禾、青海扁莖早熟禾和青海中華羊茅，這與6 種禾草的形態觀測和生理指標測定結果總體變化趨勢相符。

4 結論

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禾草體內抗氧化酶活性提高，保護細胞膜結構的完整性，增強禾草的抗旱性。但6 種禾草的抗旱性存在差異，同德老芒麥、青牧1 號老芒麥和同德短芒披堿草在干旱脅迫環境下能夠維持較高的抗氧化酶活性，抗旱能力整體表現良好，可作為高寒地區草地恢復中主推的抗旱品種。