田莉華, 周青平*， 盧素錦， 陳有軍， 魏小星， 劉文輝

(1.西南民族大學(xué)青藏高原研究院， 四川 成都 610041；2.青海大學(xué)畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海 西寧 810016； 3.青海省畜牧獸醫(yī)科學(xué)院， 青海 西寧 810016)

我國(guó)北方大部分地區(qū)屬于干旱半干旱氣候，降雨量少，干旱脅迫成為限制作物生長(zhǎng)的主要因素之一。引進(jìn)和篩選一些抗旱性強(qiáng)、適宜該區(qū)域種植的草種質(zhì)資源，對(duì)該類(lèi)區(qū)域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和發(fā)展生態(tài)畜牧業(yè)具有重要意義[1-4]。早熟禾屬(PoaL)屬禾本科植物，分布在溫暖和涼爽地帶，約250種，為纖細(xì)的多年生草本植物。早熟禾屬是冷地型禾草，喜光，耐陰，耐50%～70%郁閉度，耐旱性較強(qiáng)，對(duì)土壤要求不嚴(yán)，耐瘠薄[5]。由于抗旱性較強(qiáng)，早熟禾在我國(guó)各地區(qū)均有分布，不僅是我國(guó)北方主要的草坪用植物，也是優(yōu)良的牧草資源。研究發(fā)現(xiàn)，早熟禾苗期的抗旱性相對(duì)較弱，苗期的干旱脅迫將直接影響其建植及后期的生長(zhǎng)。開(kāi)展早熟禾屬不同草種間苗期抗旱性比較，對(duì)干旱半干旱地區(qū)節(jié)水管理及抗旱草種選擇具有重要意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)牧草和作物干旱或低溫脅迫下的形態(tài)生理變化進(jìn)行了大量研究[ 6-8]，但有關(guān)早熟禾不同草種間苗期抗旱特征比較的相關(guān)研究相對(duì)較少。開(kāi)展早熟禾屬牧草苗期干旱生理學(xué)的基礎(chǔ)研究，深入了解不同種類(lèi)早熟禾屬牧草幼苗在干旱狀態(tài)下的適應(yīng)機(jī)制，對(duì)干旱區(qū)篩選高抗旱性早熟禾種質(zhì)資源具有重要現(xiàn)實(shí)意義。本研究以青海省海北地區(qū)采集的8種早熟禾屬牧草為材料，研究干旱脅迫對(duì)不同種類(lèi)早熟禾牧草幼苗抗旱性的影響，揭示不同種類(lèi)早熟禾牧草在干旱脅迫下的生理變化差異，以期為干旱區(qū)引種和篩選抗旱性較強(qiáng)的優(yōu)良早熟禾屬牧草提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料由青海省牧科院草原所提供，為來(lái)自青海省海北地區(qū)天然草地的8種早熟禾屬牧草。供試材料詳情如表1所示 。

表1 8種早熟禾屬牧草試驗(yàn)材料及來(lái)源Table 1 The 8 species of bluegrass

選取顆粒飽滿(mǎn)、均勻一致的8種牧草種子各500粒，分別用0.1%的升汞溶液滅菌30 min，用清水沖洗3～5 次后種植于高15 cm、口徑20 cm的營(yíng)養(yǎng)缽內(nèi)，每盆播種種子50粒，每個(gè)品種4盆。土壤基本理化性質(zhì)為：pH值 7.175、有機(jī)質(zhì)6.49 g·kg-1、全氮0.62 g·kg-1、全鉀22. 43 g·kg-1、全磷1.22 g·kg-1、速效鉀0.11 mg·kg-1、速效磷16.20 mg·kg-1；育苗基質(zhì)有機(jī)質(zhì)≥50%、腐殖酸≥20%、pH 值5.5～6.5，V表土∶V育苗基質(zhì)= 3∶1。將營(yíng)養(yǎng)缽置于智能氣候箱(型號(hào)ZPQ2280D)內(nèi)進(jìn)行前期培養(yǎng)，白天(7:00～19:00)光照12 300 lx，溫度25℃、濕度60%；夜間(19:00～7:00)無(wú)光照，溫度20℃、濕度75%。

1.2 脅迫處理及取樣方法

從播種到干旱處理之前正常栽培管理，保持土壤濕潤(rùn)，田間持水量保持在60%左右。處理組幼苗株生長(zhǎng)到3～4葉期時(shí)停止?jié)菜?，?shí)施干旱脅迫，待90%以上供試植株表現(xiàn)萎蔫倒伏，部分植物呈枯死癥狀時(shí)停止試驗(yàn)。對(duì)照組始終保持土壤濕潤(rùn)。

在實(shí)施干旱脅迫處理前，以及實(shí)施干旱脅迫后的第5天和第10天，分別齊地面刈割各處理地上部分葉片，迅速轉(zhuǎn)移至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生理生化指標(biāo)的相關(guān)測(cè)定。每個(gè)處理各重復(fù)3次。

1.3 生理生化指標(biāo)測(cè)定

采用電導(dǎo)法測(cè)定細(xì)胞膜相對(duì)透性(相對(duì)電導(dǎo)率)；硫代巴比妥酸(TBA)比色法測(cè)定丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量；酸性茚三酮法測(cè)定游離脯氨酸含量；丙酮提取法測(cè)定葉綠素含量[9]。

1.4 綜合評(píng)價(jià)方法

應(yīng)用Fuzzy數(shù)學(xué)中隸屬函數(shù)法進(jìn)行綜合評(píng)判[10]，其計(jì)算公式如下:

與抗旱性呈正相關(guān)的參數(shù)脯氨酸、葉綠素含量和可溶性糖采用公式:

U(Xijk) =(Xijk-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(1)

與抗旱性呈負(fù)相關(guān)的參數(shù)MDA、相對(duì)電導(dǎo)率采用公式:

U(Xijk)=1-(Xijk-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(2)

式中，U(Xijk)為第i個(gè)草種第j個(gè)溫度階段第k項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度，且U(Xijk)∈[ 0，1 ]；Xijk表示第i個(gè)草種第j個(gè)溫度階段第k個(gè)指標(biāo)測(cè)定值；Xmax、Xmin為所有參試種中第k項(xiàng)指標(biāo)的最大值和最小值。用每一種源各項(xiàng)指標(biāo)隸屬度的平均值作為種源抗旱能力綜合評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行比較。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行均值方差分析和顯著性分析，多重比較采用Duncan法[ 11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)早熟禾屬牧草苗期相對(duì)電導(dǎo)率的影響

分析表2可知，8種早熟禾屬牧草在脅迫處理下的相對(duì)電導(dǎo)率均明顯高于干旱脅迫處理前，隨著脅迫天數(shù)延長(zhǎng)，相對(duì)電導(dǎo)率均呈逐漸增加趨勢(shì)，但不同牧草品種間的抗旱性差異較大。脅迫處理后的第5天，光稃早熟禾的相對(duì)電導(dǎo)率較脅迫處理前顯著增加了37%(P<0.05)，增幅最大，其次為山地早熟禾、早熟禾及波伐早熟禾，增加了約20%，冷地早熟禾、草地早熟禾、高原早熟禾和莫若波利草地早熟禾增幅最小。至脅迫處理后第10天，相對(duì)電導(dǎo)率增輻最大的為早熟禾和波伐早熟禾，相對(duì)電導(dǎo)率較脅迫處理前顯著增加了約60%(P<0.05)，其次為光稃早熟禾和莫若波利草地早熟禾，增輻最小的仍為冷地早熟禾、草地早熟禾和高原早熟禾。

表2 脅迫處理下8種早熟禾屬幼苗期葉片相對(duì)電導(dǎo)率Table 2 The relative electrionic conductivity of 8 species of bluegrass under drought stress/%

注：表內(nèi)數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差；同行不同小寫(xiě)字母表示差異顯著(P<0.05)，下同

Note: The data in the table are the means ± standard deviation； Different lowercase letters in the same row indicate significant difference at the 0.05 level, the same as below

2.2 干旱脅迫對(duì)早熟禾屬牧草苗期丙二醛(MDA)含量的影響

分析表3可知，脅迫處理后，早熟禾屬不同牧草的MDA含量差異較大。高原早熟禾干旱脅迫下的MDA含量呈逐漸下降趨勢(shì)。光稃早熟禾脅迫后第5天的MDA含量增加了22%，但脅迫第10天后恢復(fù)至脅迫前水平。其余6種牧草脅迫下的MDA含量均呈逐漸增加趨勢(shì)，其中波伐早熟禾增幅最大，脅迫后第5天和第10天的MDA含量增幅分別為358%和838%(P<0.05)，其次為山地早熟禾，脅迫后第5天和第10天的MDA含量增幅分別為116%和214%(P<0.05)，草地早熟禾增幅最小，脅迫后第5天和第10天的MDA含量增幅僅為11%和21%。

表3 脅迫處理下8份早熟禾屬牧草幼苗期葉片的丙二醛(MDA)含量Table 3 MDA content of 8 species of bluegrass under drought stress /μmol·g-1

2.3 干旱脅迫對(duì)早熟禾屬牧草苗期游離脯氨酸含量的影響

分析表4可知，干旱脅迫下8份早熟禾屬牧草脯氨酸含量顯著增加，脅迫處理第5天和第10天脯氨酸含量較脅迫前分別顯著增加102%和190%以上(P<0.05)，其中，脅迫處理下增幅最大的為山地早熟禾和莫若波利草地早熟禾，脅迫處理第5天和第10天的脯氨酸含量增幅均在424%和579%以上(P<0.05)，其次為草地早熟禾、光稃早熟禾、冷地早熟禾和早熟禾，高原早熟禾的增幅最小，第5天和第10天的脯氨酸含量增幅僅為102%和191%(P<0.05)。

表4 脅迫處理下8份早熟禾屬牧草幼苗期葉片脯氨酸含量Table 4 Proline content of 8 species of bluegrass under drought stress /μg·g-1

2.4 干旱脅迫對(duì)早熟禾屬牧草苗期葉綠素含量的影響

分析表5可知，8種早熟禾屬牧草干旱脅迫下的葉綠素含量較脅迫處理前均有所降低，其中，波伐早熟禾和莫若波利草地早熟禾干旱脅迫第5天和第10天葉綠素含量的降幅最大，降幅分別在48%和74%以上(P<0.05)，其次為光稃早熟禾，其余5種早熟禾干旱脅迫后第5天的葉綠素含量較脅迫前僅下降8%～14%，干旱脅迫后第10天，除草地早熟禾的葉綠素含量較脅迫前僅下降16%外，山地早熟禾、冷地早熟禾、早熟禾和高原早熟禾的葉綠素含量較脅迫前僅下降42%～54%。

表5 脅迫處理下8份早熟禾屬牧草幼苗期葉片葉綠素含量Table 5 Chlorophyll content of 8 species of bluegrass under drought stress /mmol·g-1

2.5 8種早熟禾屬牧草抗旱性綜合評(píng)價(jià)

牧草抗旱性是許多指標(biāo)綜合作用的結(jié)果，評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法的選取至關(guān)重要，本研究采用隸屬函數(shù)法對(duì)8種早熟禾屬牧草進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)。運(yùn)用公式(1)和(2)求出各草種各指標(biāo)參數(shù)的隸屬函數(shù)值，再將各草種各項(xiàng)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值累加起來(lái)求其平均值，得到其綜合評(píng)價(jià)值，綜合評(píng)價(jià)值越大，抗旱性越強(qiáng)，反之則越弱。

表6為8種早熟禾屬牧草4項(xiàng)抗旱參數(shù)的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，整體而言8種牧草苗期抗旱性由強(qiáng)到弱順序依次為：草地早熟禾>高原早熟禾>山地早熟禾>光稃早熟禾>波伐早熟禾>早熟禾>莫若波利草地早熟禾>冷地早熟禾。

表6 8種早熟禾屬牧草抗旱性綜合評(píng)價(jià)Table 6 Comprehensive evaluation of drought resistance character of 8 species of bluegrass

3 討論與結(jié)論

牧草對(duì)水分較敏感，干旱脅迫時(shí), 牧草有保持低的電導(dǎo)率的趨勢(shì)。本研究中，抗旱性強(qiáng)的牧草如草地早熟禾、山地早熟禾和高原早熟禾均具有相對(duì)較低的電導(dǎo)率，脅迫條件下電導(dǎo)率的增幅小于其他各品種，說(shuō)明低電導(dǎo)率是高抗旱性牧草品種的重要特征之一。選擇低電導(dǎo)率的牧草品種是篩選高抗旱性材料的重要參考指標(biāo)之一。

本研究中，6種早熟禾屬牧草在苗期干旱脅迫下丙二醛(MDA)含量較脅迫處理前均有所增加，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，MDA含量呈增加趨勢(shì)。前人研究發(fā)現(xiàn)，MDA能夠嚴(yán)重破壞膜和細(xì)胞中諸如蛋白質(zhì)、核酸許多生物功能分子, 并造成生物膜結(jié)構(gòu)與功能的破壞, 其含量的高低和細(xì)胞膜脂透性的變化反映了植物受到脅迫后細(xì)胞膜脂過(guò)氧化作用的強(qiáng)弱和細(xì)胞質(zhì)膜被破壞的程度[1,12]。本研究中，盡管6種牧草的MDA呈顯著增加趨勢(shì)，但光稃早熟禾脅迫后第10天時(shí)MDA恢復(fù)至脅迫前水平，高原早熟禾干旱脅迫下的MDA含量呈逐漸下降趨勢(shì)，說(shuō)明干旱脅迫下光稃早熟禾和高原早熟禾具有維持細(xì)胞原狀的潛在優(yōu)勢(shì)，可作為潛在的優(yōu)良抗旱性材料進(jìn)行進(jìn)一步的篩選和利用。

脯氨酸是干旱脅迫下的有效滲透物質(zhì)之一，脅迫條件下，脯氨酸在植物細(xì)胞內(nèi)不斷累積，可降低細(xì)胞內(nèi)的水勢(shì)，減緩水分外滲，延緩水分脅迫[16-17]。大量研究亦表明，脅迫條件下早熟禾中脯氨酸等可溶性蛋白質(zhì)含量增加，脯氨酸含量的高低與早熟禾的抗旱性呈顯著正相關(guān)關(guān)系[18]。本研究中，干旱脅迫下8種早熟禾屬牧草脯氨酸含量均顯著增加，以山地早熟禾和莫若波利草地早熟禾的增幅最大，說(shuō)明這2種早熟禾相比其他早熟禾草種具有明顯的緩解水分脅迫的優(yōu)勢(shì)，是后續(xù)開(kāi)展早熟禾牧草抗旱性生理機(jī)制研究的潛在優(yōu)勢(shì)材料。

本研究中，8種早熟禾屬牧草干旱脅迫下的葉綠素含量較脅迫處理前均有所降低，但抗旱性強(qiáng)的牧草種，如草地早熟禾、山地早熟禾和高原早熟禾，其脅迫條件下葉綠素含量的降幅小于其他各草種。他人研究亦發(fā)現(xiàn)冷季型草坪草葉綠素含量與抗旱性呈正相關(guān)關(guān)系[19]，說(shuō)明脅迫條件下維持較高的葉綠素含量是作物高抗旱性的重要標(biāo)志之一，也是篩選高抗性牧草的重要依據(jù)之一。

然而，植物的抗旱性是其生理生化特征綜合作用的結(jié)果，僅憑單一的特征指標(biāo)判斷植物的抗旱性存在缺陷，結(jié)果的可信度較差。為克服單一指標(biāo)評(píng)價(jià)抗旱性的片面性，目前研究多依據(jù)多個(gè)生理指標(biāo)，利用隸屬函數(shù)法、聚類(lèi)分析法及主成分分析法等方法[20]進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)。本文首先分析了干旱脅迫下各早熟禾草種苗期的主要抗旱性生理指標(biāo)，明確了各草種的抗旱性?xún)?yōu)勢(shì)特征，并采用了目前常用的隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)方法，分析了青海海北地區(qū)8種早熟禾屬牧草的抗旱能力，表明抗旱性較強(qiáng)的早熟禾草種為草地早熟禾和高原早熟禾，可為干旱區(qū)引進(jìn)、篩選優(yōu)良早熟禾屬牧草提供重要科學(xué)依據(jù)。