包秀霞，包秀平，廉 勇

(1.呼和浩特民族學院 環(huán)境工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.江西省進賢縣三中，江西 南昌 331700； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院 蔬菜所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

多根蔥(Alliumpolyrhizum)大量分布在荒漠化草原地帶，是百合科蔥屬多年生草本植物，也是典型的旱生植物，鱗莖外圍包著一層很厚的枯死鱗莖皮，于地表處形成保護層，防旱和防熱，減少鱗莖根系曝曬和蒸發(fā)水分。遇干旱年份，到了生長季節(jié)仍保持休眠狀態(tài)，其萌發(fā)期可推遲，以避過干旱。關(guān)于植物抗旱機理方面，國內(nèi)外學者已有了大量的研究，但目前對荒漠草原典型旱生植物—多根蔥抗旱機理方面系統(tǒng)的研究還未見報道。

干旱是影響植物分布和生長發(fā)育的主要環(huán)境因子之一，其危害程度在諸多非生物脅迫中占首位。隨著全球氣候與環(huán)境的變化，加之降水季節(jié)和地域分布極不均勻，水資源短缺日趨明顯，土壤有效含水量逐年減少[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國約有三分之一的土地處于干旱區(qū)，其他地區(qū)在植物生長季節(jié)也常發(fā)生不同程度的干旱，即干旱脅迫[2]。范蘇魯?shù)萚3]研究表明，隨著干旱脅迫程度的增加，大麗花葉片相對含水量、水勢和葉綠素顯著下降，相對電導率、丙二醛含量顯著增加，抗氧化酶SOD、POD和CAT活性先上升后下降。植物在干旱環(huán)境下會引起膜傷害和膜透性的增加，以及生物自由基的累積，而植物體內(nèi)抗氧化酶類和小分子物質(zhì)可以清除這些活性氧自由基，這是植物對不良環(huán)境的適應性反應[4]。本試驗為了探索內(nèi)蒙古不同草原區(qū)多根蔥抗旱性差異的原因，對內(nèi)蒙古四子王旗草原內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院科研基地、赤峰巴林右旗巴音塔拉蘇木和鄂爾多斯鄂托克前旗城川鎮(zhèn)珠拉圖嘎查草原多根蔥生理生化指標進行分析，以期為今后的栽培應用及抗性新品種的選育提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為多根蔥抗旱種質(zhì)的改良、創(chuàng)新等研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年7-8月在內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院蔬菜所實驗室進行。供試材料為內(nèi)蒙古四子王旗草原內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院科研基地(Ⅰ)、赤峰巴林右旗巴音塔拉蘇木(Ⅱ)和鄂爾多斯鄂托克前旗城川鎮(zhèn)珠拉圖嘎查(Ⅲ)草原多根蔥，4月底在內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學院日光溫室種植于育苗盆中，每盆裝基質(zhì)(壤土∶草炭 ∶沙土=5∶3∶2)共10 kg。苗長到15 cm左右時，選取生長健壯、長勢一致的苗子，并測定生理生化指標。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 采用上口徑30 cm，底面直徑25 cm，高27 cm的黑色聚丙烯塑料盆作為育苗容器，試驗設置2個處理：一組是對照組(CK)，正常澆水保證植物的旺盛生長；一組為處理組，2015年7月底進行干旱脅迫，將每盆充分灌溉，使土壤含水量一致，停止灌溉后等土壤自然落干后進行干旱脅迫，干旱脅迫共分為3個階段，設停水10，20，30 d的脅迫處理，每一階段對不同草原區(qū)多根蔥分別選擇3～5個大小均勻的成熟葉片作為供試材料。在處理10，20，30 d后分別采樣后放入冰壺中，迅速帶回實驗室進行相關(guān)指標的測定，每個處理組設3次重復。

1.2.2 測定指標及方法 葉片相對含水量采用烘干稱量法測定[5]，葉片電解質(zhì)滲透率采用電導儀法測定[6]，葉綠素含量采用丙酮浸提法測定[6]，葉片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測定，葉片脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測定[6]，葉片SOD活性采用氮藍四唑(NBT)光還原法測定，葉片POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定，葉片CAT活性采用紫外分光光度法測定[5]，UV-2450型紫外可見分光光度計測定吸光值，均重復3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel、SPSS 19.0(用單因素方差分析one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理組數(shù)據(jù)的差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)評價不同指標間的相關(guān)關(guān)系，并用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)統(tǒng)計分析。

本試驗用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法[7]。以下公式計算：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(某一指標與抗性為正相關(guān)時使用此公式)；

X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(某一指標與抗性為負相關(guān)時使用此公式)。

X=參試植物某一抗性指標的測定值；Xmax=所有指標中的最大值；Xmin=所有指標中的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下多根蔥葉片水分狀況的變化

由表1可以看出，隨著干旱脅迫時間的延長，3個樣地多根蔥葉片相對含水量逐漸降低，含水量降低幅度最高為赤峰，最低為鄂爾多斯，且各處理間存在顯著差異。水分飽和虧隨著干旱脅迫時間的延長，變化趨勢與含水量相反。說明，取樣地Ⅱ和 Ⅲ多根蔥抗旱能力高于樣地Ⅰ。

2.2 干旱脅迫下多根蔥葉片葉綠素含量和相對電導率的變化

從表2分析結(jié)果能看出，隨著處理時間的延長，3個樣地多根蔥幼苗葉片中葉綠素a、b含量、總?cè)~綠素含量及類胡蘿卜素含量均呈先上升后下降的趨勢；20，30 d處理下葉綠素含量與對照之間存在顯著差異(P<0.05)；隨著處理時間的延長，相對電導率呈逐漸上升的趨勢，對照與其他各處理間均存在顯著差異(P<0.05)。

表1 干旱脅迫下多根蔥葉片相對含水量和水分飽和虧Tab.1 Relative water content and water saturation deficit in Allium polyrhizum leaves under drought stress %

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標準誤差；同列同一個樣地不同處理下不同字母表示差異顯著(P<0.05)。表2同。

Note：Mean±SD；Different letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.05 level. The same as Tab.2.

表2 干旱脅迫下多根蔥葉片葉綠素和相對電導率

2.3 干旱脅迫下多根蔥葉片脯氨酸和丙二醛含量的變化

表3試驗結(jié)果表明，隨著干旱脅迫時間的延長，3個樣地多根蔥幼苗葉片脯氨酸和丙二醛含量呈逐漸上升的趨勢；重度處理下，樣地Ⅱ和 Ⅲ脯氨酸含量增幅高于樣地Ⅰ，樣地Ⅰ丙二醛含量增幅高于其他2個樣地，3個樣地對照與其他處理間基本達到顯著和極顯著差異。

表3 干旱脅迫下多根蔥葉片脯氨酸和丙二醛含量Tab.3 Proline and MDA content in Allium polyrhizum leaves under drought stress(Mean±SD) μg/g

注：同列同一個樣地不同處理下不同大寫字母表示極顯著差異(P<0.01)；同列同一個樣地不同處理下不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)。表4同。

Note：Different uppercase letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.01 level. Different letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.05 level. The same as Tab.4.

2.4 干旱脅迫下多根蔥葉片抗氧化物酶活性的變化

由表4可知，隨著脅迫時間的延長，3個樣地多根蔥葉片SOD、POD、CAT活性基本呈先上升后下降的趨勢。SOD、POD和CAT活性在20 d處理最大，30 d處理逐漸下降。3個樣地的20 d處理與對照處理間SOD、POD和CAT活性達到顯著和極顯著差異。這說明，一定強度的干旱脅迫可使多根蔥葉片的抗氧化酶SOD、POD和CAT活性上升；但嚴重的干旱脅迫可能抑制了SOD、POD和CAT活性，使之降低。

表4 干旱脅迫下多根蔥葉片SOD,POD和CAT活性

2.5 干旱脅迫下多根蔥葉片生理生化指標的相關(guān)分析

表5相關(guān)分析結(jié)果表明，相對含水量與水分飽和虧呈極顯著負相關(guān)，與脯氨酸呈顯著負相關(guān)，與類胡蘿卜素含量呈顯著正相關(guān)?？?cè)~綠素與葉綠素a、b含量間呈極顯著正相關(guān)，葉綠素a與葉綠素b間呈顯著正相關(guān)，葉綠素a、b、總含量與SOD、POD間呈顯著正相關(guān)。相對電導率與CAT活性間呈極顯著負相關(guān)，與脯氨酸、丙二醛含量呈顯著正相關(guān)。脯氨酸與丙二醛呈顯著正相關(guān)，與CAT活性呈顯著負相關(guān)。丙二醛與SOD、POD、CAT活性呈顯著負相關(guān)，SOD與POD活性呈顯著正相關(guān)。

表5 干旱脅迫下多根蔥葉片各生理生化指標的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients physiological and biochemical indexes in Allium polyrhizum leaves under drought stress

注：*.P<0.05；**.P<0.01。

Note:*.P<0.05；**.P<0.01.

2.6 抗旱性綜合評價

用隸屬函數(shù)法對多根蔥葉片生理生化指標進行抗旱性綜合評價，得到平均隸屬函數(shù)值，排列出了3個樣地多根蔥耐旱強弱順序。如表6所示，隸屬函數(shù)均值最大為樣地 Ⅰ，最小的為Ⅱ，樣地Ⅱ居中，其耐旱性強弱順序為：Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ。

表6 干旱脅迫下多根蔥抗旱性綜合評價(隸屬函數(shù)法)Tab.6 Effects of drought stress in Allium polyrhizum on drought resistance indexes of comprehensive evaluation(Membership function method)

3 討論

3.1 干旱脅迫對植物葉綠素及膜脂過氧化作用的影響

在水分脅迫條件下，植物的敏感程度在某種程度上可以用葉綠素變化來指示[8]。薛彥斌等[9]研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下3種藤本地被植物葉綠素含量呈下降趨勢。質(zhì)膜是分割細胞內(nèi)、外物質(zhì)的主要屏障，細胞與環(huán)境進行物質(zhì)交換的重要通道，也是感受外界環(huán)境脅迫最敏感的部位[10]，植物葉片中相對電導率的增加，能評價植物細胞的傷害程度[5]。在逆境條件下，膜脂過氧化反應的變化已廣泛用于植物對逆境反應機理的研究中[11]。干旱脅迫可使植物體內(nèi)自由基積累量上升，產(chǎn)生活性氧(ROS)；而ROS的化學性質(zhì)極為活潑，可與植物葉片中全部生物大分子進行化學反應，破壞其活性構(gòu)象，影響細胞的正常代謝，使其丙二醛(MDA)含量增加，從而破壞膜的結(jié)構(gòu)[12]。MDA的積累是反映細胞膜脂過氧化作用強弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標，也是反映干旱脅迫對植物造成傷害的重要參數(shù)[13]。本研究中，隨著干旱脅迫時間的延長，多根蔥葉片電導率總體呈上升趨勢。這與植物在逆境脅迫時，細胞膜受損，透性增大，使電解質(zhì)外滲量增加，膜透性增大程度與逆境脅迫程度有關(guān)的觀點相一致[14]。

3.2 干旱脅迫對植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)-脯氨酸的影響

植物受到脅迫時，植物體內(nèi)游離脯氨酸逐漸積累，在植物的滲透調(diào)節(jié)中起重要作用。干旱脅迫下，植物通過滲透調(diào)節(jié)增加細胞溶質(zhì)含量，保持細胞水分從而抵御不利環(huán)境，其中脯氨酸是重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)。植株體內(nèi)的脯氨酸含量可以作為植物缺水情況的參考性生理指標[15]。有研究發(fā)現(xiàn)，可以用脯氨酸的積累來衡量植物的抗旱性[16]。有的研究者認為抗旱性強的植物所積累的脯氨酸少，而抗旱性弱的植物所積累的脯氨酸較多[17]，而更多的研究正好相反，即抗旱性強的植物所積累的脯氨酸較多，而抗旱性弱的植物所積累的脯氨酸相對較少[18-19]。不同植物在干旱條件下脯氨酸的積累速度、幅度與不同植物的生理調(diào)節(jié)特性有關(guān)。本研究中，水分脅迫下多根蔥葉片中脯氨酸含量顯著增加，這與范蘇魯?shù)萚3]的研究結(jié)果相一致。脯氨酸與相對含水量呈負相關(guān)關(guān)系，并且脅迫后期顯著增加，說明脯氨酸積累對干旱脅迫產(chǎn)生了反應，這與范蘇魯?shù)萚3]研究結(jié)果相一致。

3.3 干旱脅迫對植物葉片保護酶系統(tǒng)的影響

在整個抗氧化防御系統(tǒng)中，SOD是所有植物中起重要作用的抗氧化酶，能夠有效地清除植物活性氧，減輕膜脂過氧化，引起膜傷害；POD是植物體內(nèi)擔負清除H2O2的主要酶類之一，POD能催化H2O2氧化其他底物后產(chǎn)生H2O。CAT也是生物體內(nèi)極為重要的保護酶，它也能清除細胞內(nèi)過多的H2O2，使其維持在低水平上保護細胞膜的結(jié)構(gòu)。有研究結(jié)果表明，干旱脅迫下SOD、POD和CAT活性逐漸增強，具有維持活性氧代謝平衡、保護膜結(jié)構(gòu)的功能。在適度逆境誘導下，植物葉片中SOD、POD和CAT活性增加，以提高植物的適應能力；研究發(fā)現(xiàn)，在脅迫試驗中，酶活性一般隨脅迫強度增加而增加，達到嚴重脅迫后逐漸降低，或者呈先增加后降低的基本趨勢[20]。本試驗結(jié)果表明，多根蔥抗氧化酶活性先升高后降低，在一定干旱脅迫范圍內(nèi)，通過增加酶活性來提高適應干旱脅迫的能力。但當脅迫超出其忍耐范圍，保護酶活性則會下降，說明多根蔥忍耐干旱脅迫的能力也是有限的。這與范蘇魯[3]、張文輝等[21]在栓皮櫟上的研究結(jié)果相一致。

3.4 植物抗旱性的綜合評價

植物葉片是植物進行同化作用與蒸騰作用的主要器官，其形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響程度及植物對環(huán)境條件的適應能力[22]，基本能反映抗旱程度的大小，是重要的耐旱性指標，因此，研究植物葉片生理生化特征對詮釋物種的抗旱性機制具有重要的意義。另外，在植物的抗旱性研究中水分生理生態(tài)特征也一直是研究的重點和熱點[23-24]。經(jīng)過研究，各種植物材料的抗旱性是采用不同指標時評價結(jié)果差異較大，參差不齊，由于植物抗旱機理的復雜性及植物對干旱適應的多樣性，單一的指標很難判斷植物抗旱性的強弱，只有采用多指標的綜合性評價，才能比較客觀地反映植物的抗旱性?？鼓嫘栽u價方法中，模糊數(shù)學隸屬函數(shù)法為目前應用最廣的抗旱綜合分析方法，隸屬函數(shù)綜合評價法對植物的抗旱性評價較有可靠性，本研究采用隸屬函數(shù)法綜合植物生理生化特征對植物的抗旱性進行的評價是比較可靠的。本試驗中，隸屬函數(shù)法抗旱性綜合評價多根蔥耐旱性強弱順序為Ⅰ> Ⅲ>Ⅱ。