田彥鋒，白小明，陳潤娟，陳 輝(甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

草地早熟禾葉片和根頸對低溫脅迫的生理響應

田彥鋒，白小明，陳潤娟，陳 輝
(甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

草地早熟禾；低溫脅迫；葉片；莖；生理響應

溫度作為生物機能的一種動力，影響植物的所有酶促反應和生長發(fā)育，它從根本上限制著一個草種在寒冷地區(qū)的生存和繁衍[1]。我國北方冬季寒冷，低溫成為影響草坪綠期和越冬的主要限制性因素。因此，提高草坪草抗寒性，延長草坪綠期成為目前北方草坪業(yè)發(fā)展面臨的一大難題[2]。

草坪植物的不同營養(yǎng)器官具有不同的抗寒性，Dunn等[3]發(fā)現(xiàn)，狗牙根根狀莖的抗寒性較匍匐莖差，而Rogers等[4]的研究表明，結縷草Maye的匍匐莖和根狀莖的抗寒性相當。也有研究報道，草坪草根莖在低溫處理下電解質(zhì)透出率的變化趨勢同葉片大致相同，但根莖變化較緩慢，同一植株的不同器官(葉片、根莖、根)在抗寒鍛煉的過程中，各項生理指標的變化不同步，不同植物不同部位之間的抗寒性差異各不相同。有研究報道，蘭引3號結縷草、陽江狗牙根和假儉草3種暖季型草坪草的抗寒性均為越冬器官(蘭引3號結縷草地下莖、陽江狗牙根地下莖、假儉草地上莖)表現(xiàn)出較強的耐受低溫能力。對于草坪植物而言，葉和越冬器官的抗寒性同等重要，葉器官的抗寒性決定了冷地型草坪植物綠期的長短，越冬器官的抗寒性大小決定著草坪植物的返青狀況。為此，試驗通過研究低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根莖生理特性的影響，探討草地早熟禾不同器官對低溫脅迫的響應機制，以期為北方地區(qū)草地早熟禾草坪的養(yǎng)護管理提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1試驗材料

試驗材料為采自甘肅省定西市安定區(qū)的野生草地早熟禾，采集地生境多為山坡，海拔2 490 m，地理坐標N 35°20′41″，E 104°05′26″。

1.2試驗設計

試驗材料采用盆栽沙培方式在甘肅農(nóng)業(yè)大學草坪試驗地培育，花盆直徑11 cm，深11 cm，每盆裝經(jīng)過清洗的中細沙0.9 kg，理論播種量15 g/m2。2015年5月播種，用霍格蘭完全營養(yǎng)液培養(yǎng)。

試驗材料生長4個月后，修剪至8 cm，置于4℃恒溫(相對濕度68%～75%、光強3 500～4 000 lx、光照時數(shù)12 h/d，黑暗12 h/d)智能型光照培養(yǎng)箱，低溫脅迫處理12 d，每隔2 d取葉片和根頸(與根系連接處以上1 cm)測定相關生理指標，以處理0 d(即20 ℃常溫)為對照(CK)，每個處理3次重復。

1.3測定指標及方法

2 結果與分析

2.1低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸Pro含量的影響

隨低溫脅迫時間延長，草地早熟禾葉片和根頸Pro含量均逐漸增加(圖1)。脅迫4 d后葉片Pro含量顯著高于CK(P<0.05)，脅迫6 d后根頸Pro含量顯著高于前4 d(P<0.05)，第12 d分別達到344.5 μg/g和221.6 μg/g，較CK增加79.6%和31.8%。

圖1 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸Pro的含量Fig.1 Effects of cold stress on Pro contents of leaf and root collar of kentucky bluegrass注：不同小寫字母表示同一器官不同處理間差異顯著(P<0.05)；下同

2.2低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸SS含量的影響

草地早熟禾葉片和根頸中SS含量隨低溫脅迫時間的延長逐漸增加(圖2)，處理前期，SS含量緩慢增長，葉片處理6 d、根頸處理10 d后SS含量急劇上升(P<0.05)。12 d時，葉片和根頸SS含量分別達5.08%和4.26%，比CK增加107.7%和62.6%，葉片增幅明顯高于根頸。

圖2 低溫脅迫下草地早熟禾葉片和根頸SS的含量Fig.2 Effect of SS content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.3低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸SP含量的影響

隨低溫脅迫時間的延長，草地早熟禾葉片和根頸SP含量先上升后下降。脅迫2 d葉片和根頸SP含量與CK差異不顯著(P>0.05)，葉片在脅迫4 d、根頸在脅迫8 d時SP含量顯著高于CK(P<0.05)；8 d時均達最大值，分別為9.18 mg/g和7.27 mg/g，比CK增加37.6%和21%，脅迫12 d時SP含量顯著低于脅迫8 d(P<0.05)，但與CK差異不顯著(P>0.05)(圖3)。

圖3 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和莖SP的含量Fig.3 Effect of SP content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.4低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸MDA含量的影響

隨脅迫時間的延長，草地早熟禾葉片和根頸MDA含量均呈先增加后降低的趨勢(圖4)，處理8 d時最大，分別為8.83和5.29 μmol/g，與CK相比，葉片的增幅大于根頸。葉片脅迫10 d、根頸脅迫12 d時MDA含量又迅速下降(P<0.05)，但第12 d時葉片MDA含量仍顯著高于CK，而莖MDA含量與CK差異不顯著(P>0.05)。

圖4 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸MDA的含量Fig.4 Effect of MDA content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.5低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸SOD活性的影響

草地早熟禾葉片和根頸SOD活性均隨低溫脅迫時間的延長先上升后下降(圖5)，且分別在脅迫第2 d和第6 d時顯著高于CK(P<0.05)，第8 d均達到峰值，分別為91.1和80.5 μ/g，比CK提高39.8%和28.0%，之后逐漸下降，葉片在脅迫第10 d、根頸在脅迫第12 d時均顯著下降(P<0.05)。

圖5 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸SOD的活性Fig.5 Effect of SOD activity in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.6低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸CAT活性的影響

隨低溫脅迫時間的延長，草地早熟禾葉片和根頸CAT活性均呈先上升后下降的趨勢(圖6)，且分別在脅迫第6 d和第8 d顯著高于CK(P<0.05)，第8 d CAT活性均最大，分別為95.0和81.0 μg/min，比CK提高了30.1%和26.6%，第12 d時平均顯著下降(P<0.05)，接近CK的活性(P>0.05)。

圖6 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸CAT的活性Fig.6 Effect of CAT activity in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.7低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸POD活性的影響

草地早熟禾葉片和根頸POD活性均隨低溫脅迫時間的延長先上升后下降(圖7)，且分別在脅迫2 d和8 d時顯著高于對CK(P<0.05)，第8 d POD活性均最強，分別為12.48和11.31 μg/min，比CK提高了64.9%和84.8%，第12 d時均顯著下降(P<0.05)，但與CK差異不顯著(P>0.05)。

圖7 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和莖POD的活性Fig.7 Effect of POD activity in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.8低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸·OH含量的影響

隨低溫脅迫時間的延長，草地早熟禾葉片和根頸·OH含量均先增加后下降(圖8)。葉片·OH含量在第4 d時顯著高于CK(P<0.05)，根頸增加較平緩，第8 d時才顯著高于CK(P<0.05)，二者·OH含量均在第8 d時最高，分別為2.46和1.86 A/g，比CK增加了103.3%和84.2%。試驗到第12 d時均顯著下降(P<0.05)，但與CK差異不顯著(P>0.05)。

圖8 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸·OH的含量Fig.8 Effect of ·OH content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

2.9低溫脅迫對草地早熟禾葉片和根頸H2O2含量的影響

草地早熟禾葉片和根頸H2O2含量均隨低溫脅迫時間的延長呈先上升后下降的趨勢(圖9)，第8 d達最大，分別為20.25和10.85 μmol/g，比CK增加了52.6%和34.0%。處理第12 d，葉片和根頸H2O2含量均顯著下降(P<0.05)，但葉片H2O2含量仍顯著高于CK(P<0.05)，而根頸H2O2含量與CK差異不顯著(P>0.05)。

圖9 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸H2O2的含量Fig.9 Effect of H2O2 content in leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

圖10 低溫脅迫處理下草地早熟禾葉片和根頸O2-·的產(chǎn)生速率Fig.10 Effect of O2- production rate of leaf and root collar of kentucky bluegrass under cold stress

3 討論

植物體內(nèi)Pro和SS含量的增加有利于提高抗寒性，低溫脅迫后，由于蛋白質(zhì)合成和氧化受阻，或是蛋白質(zhì)的降解加快，導致植物Pro含量迅速升高，降低了細胞水勢，避免凍害的發(fā)生，同時大多數(shù)淀粉被水解為SS，增加了植物細胞液濃度，增強細胞液的流動性和原生質(zhì)粘性，從而提高植物抗寒性[12-15]。有學者研究報道，低溫條件下草坪草Pro和SS含量與不同器官的抗冷性以及植物受傷害程度呈正相關[1,16-19]]。SP的含量與植物的抗冷性之間也存在著密切的關系，林善枝等[20]對楊樹幼苗的耐寒性研究發(fā)現(xiàn)，SP在低溫條件下含量增加，隨著溫度持續(xù)降低，SP含量又有所下降。初期低溫脅迫SP含量的增加可能是逆境下新的蛋白質(zhì)合成的結果，隨著低溫脅迫時間的延長，蛋白質(zhì)合成受阻，SP含量下降。MDA含量的變化也是反映低溫脅迫下質(zhì)膜穩(wěn)定性和植物抗寒性的一個重要指標。低溫脅迫下MDA含量的增加，降低了抗氧化物的含量和抑制了細胞保護酶活性[21-22]，而且MDA本身也是具有細胞毒性的物質(zhì)，加劇了細胞膜結構的破壞，從而降低植物的抗寒性。本研究表明，低溫脅迫使草地早熟禾葉片和根頸SS和Pro含量不斷增加，而SP和MDA含量隨著低溫脅迫時間的延長先增加后下降，第8 d時均達峰值，低溫脅迫后SP和MDA含量均顯著高于對照，而后期兩者含量下降可能是草地早熟禾在低溫環(huán)境中經(jīng)過一段時間鍛煉后，對低溫環(huán)境有了一定的適應能力。

植物遭受低溫脅迫時，O2-·不斷增加，刺激SOD活性增強，但當溫度降低到一定程度時，SOD和CAT活性出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，兩者的活性均迅速下降，細胞內(nèi)自由基產(chǎn)生和清除所處的平衡狀態(tài)被打破，H2O2大量積累，而H2O2的積累會導致毒性更大的·OH含量增加，細胞受損，進而對植物造成傷害[23]。梁慧敏等[24]研究發(fā)現(xiàn)，5℃低溫幾小時后，草地早熟禾SOD和CAT活性升高，4 h達最大，之后逐漸降低。試驗發(fā)現(xiàn)，低溫脅迫下草地早熟禾葉片和根頸SOD，POD和CAT活性和H2O2、·OH含量及O2-·產(chǎn)生速率均呈先增加后下降的趨勢，第8 d時達峰值。

植物不同器官抗寒性不同，有人研究認為，同一植株的不同部位(葉片、根頸和地下莖)在抗寒鍛煉的過程中，體內(nèi)各項生理指標的變化不同步，且根莖SS含量等部分生理指標的增幅遠大于葉片[7]。對于草坪植物而言，葉器官的抗寒性決定其綠期的長短，而越冬器官的抗寒性則決定了草坪植物的返青率，研究認為，陽江狗牙根和假儉草地上莖的抗寒性大于葉片。不同器官的抗寒遺傳特性不僅與其自身形態(tài)結構特征(如葉片組織結構、莖的組織結構和花器官組織結構等)有關，而且取決于器官內(nèi)部的生理生化活動[25]。研究表明，草地早熟禾葉片和根頸的各項生理指標隨著溫度的降低呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，SS和Pro含量逐漸增大，其余指標先增大后降低，均在第8 d達峰值，葉片的變化幅度大于根頸。因為植物不同器官忍受低溫的能力不同，葉片、莖等暴露在空氣中的這些器官與其他的器官相比受到低溫的影響最大，最能反應植物對逆境的適應特點[26-27]，同時葉片中葉綠體是細胞對低溫最敏感的細胞器；而根頸部分被葉鞘包被，部分在土壤中，受低溫脅迫影響較小，受到低溫傷害也遲于葉片，故根頸比葉片抗寒性強。

4 結論

隨低溫脅迫時間的延長，草地早熟禾葉片和根頸Pro、SS含量逐漸增加；SP、MDA、H2O2、·OH含量和O2-·產(chǎn)生速率及CAT,POD和SOD活性均呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，第8 d時達峰值；葉片各項生理指標的變化幅度均大于根頸，對低溫脅迫較根頸敏感。

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Physiologicalresponseofleafandrootcollarofkentuckybluegrasstocoldstress

TIAN Yan-feng,BAI Xiao-ming,CHEN Run-juan,CHEN Hui

(CollegeofPrataculturalScience,GansuAgriculturalUniversity/KeyLaboratoryofGrasslandEcosystem,MinistryofEducation/PrataculturalEngineeringLaboratoryofGansuProvince/Sino-U.S.CentersforGrazinglandEcosystemSustainability，Lanzhou730070,China)

kentucky bluegrass；cold Stress；leaf；root collar；physiological response

S 688.4

A

1009-5500(2017)05-0047-06

2017-03-06；

2017-03-28

國家自然科學基金(31560667)；甘肅農(nóng)業(yè)大學校級自列課題(GSAU-ZL-2015-054)資助

田彥鋒(1990-)，男，甘肅環(huán)縣人，碩士研究生。

E-mail：1058134044@qq.com

白小明為通訊作者。