陳有軍，周青平，孫 建，田莉華

(1.西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬綜合研究中心，北京 1001012)

六份鄉(xiāng)土牧草苗期干旱脅迫的對比研究

陳有軍1，周青平1，孫 建2，田莉華1

(1.西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬綜合研究中心，北京 1001012)

研究不同鄉(xiāng)土牧草材料的苗期植株的抗旱性差異，對篩選干旱區(qū)高抗性鄉(xiāng)土牧草資源具有重要意義.以6份鄉(xiāng)土披堿草屬(Elymus L.)牧草的苗期植株為研究材料，進行連續(xù)干旱脅迫試驗，并測定第0 d、5 d、10 d的脯氨酸、丙二醛(MDA)、葉綠素含量及細胞膜透性，最后運用隸屬函數(shù)法進行抗旱性綜合評價.結(jié)果表明，隨著干旱的持續(xù)，6份實驗材料葉綠素的含量顯著性降低(P＜0.05)；丙二醛、脯氨酸、細胞膜含量或透性呈顯著性增加趨勢(P＜0.05).綜合評定抗旱性強弱的順序為:圓柱披堿草＞老芒麥＞垂穗披堿草＞麥賓草＞披堿草＞短芒老芒麥.

鄉(xiāng)土牧草；披堿草屬牧草；干旱脅迫；抗旱性

鄉(xiāng)土植物(Native plant)是針對引進植物而言，包括可用作牧草的飼用植物[1].我國現(xiàn)存的草原多分布在干旱、寒冷或高海拔等生態(tài)環(huán)境嚴酷的區(qū)域，這雖然對改良草原、提高生產(chǎn)力帶來了巨大的困難，但同時也為研究這類嚴酷區(qū)域生長的鄉(xiāng)土植物的抗逆機理提供了得天獨厚的條件[2].因此加強對該地區(qū)鄉(xiāng)土牧草資源干旱脅迫的研究，對該地區(qū)的高抗鄉(xiāng)土品種的選育具有重要的意義.

植物在其生育期受環(huán)境條件多變的限制會影響，其發(fā)育乃至生存也受到嚴重損害.自然界環(huán)境條件劇烈的變化，影響著植物的生長，其幅度有時超過了植物的適應(yīng)能力，這種現(xiàn)象稱為逆境或脅迫影響[3].植物生長發(fā)育的脅迫因子有較多，有水分、溫度、輻射等因子引起的物理脅迫，在干旱地區(qū)最常見的是干旱脅迫[4].干旱脅迫(Drought stress)是當植物生長遇到干旱條件限制，體內(nèi)細胞失水大于吸水，從而使植物的正常生理活動受到外界環(huán)境抑制的一種狀態(tài)[5].

青海省環(huán)湖地區(qū)屬于內(nèi)陸高原半干旱地區(qū)，年均降雨300－400 mm，5-9月占全年降雨的90%，年蒸發(fā)量1 400 mm左右，年降雨遠遠小于年蒸發(fā)量；再者隨著當?shù)剞r(nóng)田開墾、放牧過度、亂砍濫伐等人類活動的影響，使得青海湖環(huán)湖地區(qū)的生態(tài)遭到破壞，嚴重影響當?shù)匦竽翗I(yè)的可持續(xù)發(fā)展[6].

披堿草屬屬于禾本科小麥族，廣泛分布于北半球溫帶地區(qū)，其中，我國披堿草屬植物主要分布于青藏高原[7].披堿草屬植物也是高寒高旱地區(qū)的草地優(yōu)勢種之一[8]；具有適應(yīng)性廣、抗性強、經(jīng)濟價值高等特點，因此也成為青海省高寒、高旱牧區(qū)生態(tài)治理工程、人工草地建植、退耕還草最適宜的草品種之一，也可作為改良本土牧草品種和培育牧草新品種的重要備選材料[9].本試驗以從環(huán)湖地區(qū)收集的6種披堿草屬鄉(xiāng)土牧草資源為研究對象，通過苗期抗旱性綜合比較，為青藏高原環(huán)湖地區(qū)生態(tài)治理、退化草地恢復(fù)草種選擇及高抗旱性能的新品種選育提供選擇材料.

1 材料與方法

1.1 試驗材料處理

首先選擇顆粒飽滿均一的試驗種子，用濃度為0.1%的升汞溶液浸泡30 min，之后用蒸餾水沖洗3～5次，在營養(yǎng)缽內(nèi)種植.土壤基本理化性質(zhì)為:全氮0.60 g ·kg-1、全磷1.20 g·kg-1、全鉀22.50 g·kg-1、有機質(zhì)6.50 g·kg-1、速效鉀0.10 mg·kg-1、速效磷16.20 mg· kg-1；育苗基質(zhì):pH＝6.5，有機質(zhì)≥50%、腐殖酸≥20%.在氣候箱內(nèi)進行前期培養(yǎng)(白天光照強度為12 300 LX，光照時間7:00～19:00，濕度60%，溫度25℃；夜間無光照，溫度20℃，濕度75%[10].

表1 試驗材料Table 1 Experimental materials

脅迫前期，正常澆水保證土壤濕潤；幼苗3～4葉期時，開始對6份材料進行干旱脅迫.保持對照組的土壤濕潤，直到試驗結(jié)束，各處理組不再澆水.干旱脅迫持續(xù)進行n d，待90%以上供試植株萎蔫或出現(xiàn)枯死癥狀時，最后一次測定處理組的生理指標.在整個試驗過程中，指標測定時間依次為脅迫開始的第0、5、10、15……、n d，3次重復(fù).

1.2 測定指標及方法

1.2.1 測定指標

供試材料的游離脯氨酸含量、葉綠素含量及可溶性糖含量、丙二醛(MDA)含量以及組織的細胞膜相對透性等指標.

1.2.2 測定方法

游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮法，葉綠素含量采用丙酮提取法，植物體丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量采用硫代巴比妥酸(TBA)比色法，植物細胞膜相對透性采用電導(dǎo)率測定法[11].

1.3 抗旱性評價方法

采用Fuzzy數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法[12-13]對供試材料抗旱性進行綜合評判，計算公式如下:

(1)葉綠素含量、脯氨酸和可溶性糖與抗旱性呈正相關(guān)，計算公式為:

(2)MDA、相對電導(dǎo)率與抗旱性呈負相關(guān)，計算公式為:

(1)和(2)式中，U(Xijk)為第i個草種的第j個溫度階段k項指標隸屬度；Xijk表示第i個供試品種第j個溫度階段的第k個指標測定值；Xmax、Xmin分別為供試品種第k項指標的最大值和最小值，用供試材料的各項測定指標的隸屬度平均值來作為供試材料對干旱脅迫響應(yīng)的綜合評判標準.

1.4 數(shù)據(jù)處理

本試驗中的數(shù)據(jù)用Spss19.0(Statistical Product and Service Solutions)統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析，用Duncan法對各測定數(shù)據(jù)進行多重比較；SigmaPlot (Systat Software，Inc)繪圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 細胞膜相對透性(相對電導(dǎo)率)

細胞膜相對透性(相對電導(dǎo)率)是植物體細胞膜完整性的體現(xiàn)，隨著干旱脅迫的進行，各草種相對電導(dǎo)率值逐漸增大，除A2外，其余草種不同處理間均呈顯著差異(P＜0.05).除A2外，其余草種不同處理間均呈顯著差異(P＜0.05).脅迫的第10 d，A5電導(dǎo)率增大到最大，為66.0%；增幅最大的是A4，增幅為32.9%，增幅最小的是A2，增幅為7.7%(圖1).

圖1 不同干旱處理對各草種細胞膜相對透性的影響注:圖中數(shù)值均表示平均值；字母相同者表示差異不顯著(P＜0.05).圖3、4、5與此相同.Fig.1 The effects of different treatment on the relative electrical conductivity of seedling cell membraneNote:The data in the figure are the average value；Difference between data in each column labeled with the same letter is not significant at P＜0.05.it was the same as in figure 3，4，and 5.

2.2 MDA含量的變化

測定6份牧草材料丙二醛(MDA)含量變化發(fā)現(xiàn)(圖2)，隨著干旱脅迫的進行，各草種MDA均呈顯著增加的趨勢(P＜0.05).至脅迫的第10 d，A5電導(dǎo)率增大到最大為32.702μmol·g-1；各牧草MDA含量增幅最大的是A4，增幅最小的A2.

圖2 不同處理對丙二醛(MDA)的影響Fig.2 The effects of different treatment on the MDAcontent

2.3 葉綠素含量

通過對比草種葉綠素含量表明，隨著干旱脅迫的進行，可以看出干旱處理下各草種的葉綠素含量均呈下降趨勢，且差異顯著(P＜0.05).下降幅度最大的是A1，第10 d與對照相比，葉綠素含量下降了9.0 mmol·g-1，下降幅度最小的是A2號草種，第10 d與對照相比，葉綠素含量下降了1.3 mmol·g-1(圖3).

圖3 不同處理對葉綠素的影響Fig.3 The effects of different treatment on the chlorophyll content

2.4 游離脯氨酸含量

隨著干旱脅迫的進行，可以看出干旱處理下各草種的脯氨酸含量均呈上升趨勢，且差異顯著(P＜ 0.05)；干旱脅迫第10 d時，A4草種增幅最大，為163.0 μg·g-1，A3草種增幅最小，為25.1 μg·g-1(圖4).

圖4 不同處理對脯氨酸的影響Fig.4 The effects of different treatment on proline content

2.5 抗旱性綜合評價

用隸屬函數(shù)法，比較供試品種的抗旱性強弱.各品種測定指標參數(shù)的隸屬函數(shù)值由上述公式(1)和(2)可以求出，將各項指標的隸屬函數(shù)值累加，求平均值，得出抗旱性綜合評價值.供試品種的綜合評價值越大，抗旱性越強，反之則越弱.綜合評判分析發(fā)現(xiàn)6份牧草苗期抗旱性強弱順序依次為:圓柱披堿草＞老芒麥＞垂穗披堿草＞麥賓草＞披堿草＞短芒老芒麥.

表2 披堿草屬牧草種抗旱性綜合評判Table 2 Comprehensive evaluation of drought resistance of Poaceae Elymu s L.

3 結(jié)論與討論

植物在逆境脅迫下最先受到傷害的是細胞膜，細胞膜對物質(zhì)具有選擇透過性，當受到外界脅迫時，細胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞，通透性變大，體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外滲，相對透性增大[14].本文中研究結(jié)果(圖1)與前人得出的結(jié)論一致.

植物遭遇干旱時，體內(nèi)活性氧自由基數(shù)量呈增漲趨勢，加劇體內(nèi)細胞膜脂過氧化而產(chǎn)生丙二醛，造成植物細胞膜系統(tǒng)破壞[15].一般認為丙二醛是膜質(zhì)過氧化的產(chǎn)物，對植物細胞膜有毒性，是檢驗?zāi)べ|(zhì)傷害一個重要的指標，其含量可以反映膜質(zhì)過氧化的程度[16].干早脅迫下的植物丙二醛含量越高，膜質(zhì)過氧化程度越嚴重，膜透性越大，抗早能力越弱[17].文中6份披堿草屬鄉(xiāng)土資源也是隨著脅迫強度的增大、脅迫天數(shù)的延長，MDA含量也是增加的(圖2).

葉綠素是植物光合作用的主要色素，其含量的多少決定著光合作用的強弱[18].一般情況下，葉綠素含量會在干旱脅迫過程中隨著脅迫強度的增加和時間的延長不斷下降，葉綠素降解原因主要是活性氧、過氧化氫及丙二醛含量增加，抗氧化劑如抗壞血酸、還原型谷胱甘肽及胡蘿卜素含量下降，從而導(dǎo)致葉綠素蛋白復(fù)合體功能受到損傷[19].試驗結(jié)果可以看出(圖3)，隨著脅迫時間延長，6份資源葉綠素含量降低，體內(nèi)水份缺乏，致使體內(nèi)葉綠素含量發(fā)生變化.因此，抗旱性強的植物體內(nèi)葉綠素受干旱影響小，能夠保持較高的光合利用率和光合產(chǎn)物的積累，植物體內(nèi)葉綠素含量與其抗旱性呈正相關(guān)[20].

供試材料在干旱脅迫下可溶性糖、脯氨酸含量增加，這些物質(zhì)通過自身的滲透調(diào)節(jié)能夠降低滲透勢，維持滲透壓，獲取生長需要的水份，確保植物生理周期的正常進行.試驗結(jié)果得出(圖4)，在干旱脅迫條件下，6份披堿草屬材料體內(nèi)脯氨酸含量累積；這與時麗冉等[21-22]的研究結(jié)果一致，隨著干旱脅迫強度加大和脅迫時間的進行，供試材料體內(nèi)脯氨酸積累量增加，從而表明植物體內(nèi)的脯氨酸含量與抗旱性之間存在密切關(guān)系.

不同品種抗旱機制不同，植物抗旱性強弱受多基因控制的復(fù)雜性狀[23]，單一測定指標局限性較大，無法準確反映植物實際抗旱能力[24]；因此，通過隸屬函數(shù)法，可以綜合科學(xué)的對干旱脅迫響應(yīng)評價.6份披堿草屬鄉(xiāng)土牧草的抗旱性.得出披堿草屬6份鄉(xiāng)土牧草苗期抗旱強弱為:圓柱披堿草＞老芒麥＞垂穗披堿草＞麥賓草＞披堿草＞短芒老芒麥.

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(責任編輯:李建忠，付強，張陽，羅敏；英文編輯:周序林，鄭玉才)

Comparative study on drought resistance of six native Elymus L.species seedlings

CHEN You-jun1，ZHOU Qing-ping1，SUN Jian2，TIAN Li-hua1
(1.Institute of Qinghai-Tibetan Plateau，Southwest University for Nationalities，Chengdu，610041，P.R.C.；2.Synthesis Research Centre of Chinese Ecosystem Research Network，Key Laboratory of Ecosystem Network Observation and Modelling，Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，P.R.C.)

Study on the drought resistance of different local forage species’seedling is vital for selecting high-resistance forage species in drought regions.In this study，six kinds of native Elymus L.species seedlings were used for continuous drought resistance experiment，and the cell membrane permeability，malondialdehyde(MDA)，proline，and chlorophyll contents were determined after 0 d，5 d，10 d drought stress.The method of generalized membership function in Fuzzy mathematics was applied to compare drought resistance of 6 species.The results showed that the chlorophyll content of all the six tested species was decreased significantly with the duration of drought stress respectivly，(P＜0.05).However，the cell membrane permeability，proline，and MDA contents of all the six tested species were increased significantly(P＜0.05).The final comprehensive evaluation of the drought resistance of the six tested species was ranked as follows:Elymus dahuricus＞Elymus sibiricus Linn＞Elymus nutans Griseb.＞Elymus tangutorum(Nevski)Hand.-Mazz＞Elymus dahuricus Turcz.＞Elymus dahuricus.

local forage；Elymus L.；drought stress；drought resistance

S54；S812

A

2095-4271(2016)06-0598-06

10.11920/xnmdzk.2016.06.002

2016-09-07

陳有軍(1984－)，男，漢族，甘肅蘭州人，助理研究員.研究方向:牧草栽培與育種.E-mail:chenyoujun2005＠163.com

中央高校青年基金(2016NZYQN31)；四川省重點專項(2015SZ0062)；國家支撐計劃(2015BAC05B01)資助