羅興雨，李亞萍，陳仕勇，周青平*，陳有軍，田莉華，陳振華

(1.西南民族大學青藏高原研究院，四川 成都 610041；2.西南民族大學生命科學與技術學院，四川 成都 610041)

【研究意義】燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬的一年生長日照草本植物，是世界性栽培作物，也是目前我國重要的糧飼兼用作物，具有耐旱、耐瘠薄等特性，對土壤有良好的適應性[1]。燕麥具有較高的經(jīng)濟價值，主要體現(xiàn)在營養(yǎng)、醫(yī)療保健和飼用等方面[2]，其籽實所含的蛋白質(zhì)、脂肪和可溶性膳食纖維在糧谷類中居于首位，被營養(yǎng)學家譽為“全價營養(yǎng)食品”[3]。燕麥作為食品有降低血壓、降低膽固醇、防治大腸癌、防治心臟疾病的醫(yī)療價值及保健作用[4]。燕麥籽實還可作為飼養(yǎng)家畜、家禽的優(yōu)質(zhì)飼料，對提高豬牛羊肉質(zhì)和牛羊的奶質(zhì)有重要作用[5]。燕麥不論是作為青飼料還是調(diào)制為干草都具有極好的適口性和高消化率[6]。目前，燕麥已經(jīng)成為青藏高原高寒牧區(qū)人工草地建設的重要草種之一，對高原草地畜牧業(yè)發(fā)展具有重要的作用。【前人研究進展】隨著全球極端氣候頻發(fā)，水資源分配不均，可利用灌溉水資源減少，干旱對全世界作物的影響不斷擴大，因此水資源危機已成為21世紀最突出的環(huán)境問題。我國是世界上13個淡水資源匱乏的國家之一，每年因旱災造成的糧食損失慘重[7]。干旱嚴重制約了植物的生長發(fā)育，干旱條件下作物失水萎焉、光合抑制、產(chǎn)量減少、衰老加快最終影響了作物的生長生存，干旱脅迫亦會導致植物的生理結(jié)構(gòu)、地理分布等發(fā)生改變[8]。目前，對于高原栽培的牧草，抗旱性是非常重要的一個評價指標。劉新等通過測定相對含水量、相對電導率和葉綠素含量等生理特征指標綜合評價了6份短芒披堿草苗期的抗旱性，為川西北牧區(qū)人工草地建設及沙化地治理選育抗旱性牧草品種提供了理論依據(jù)[9]。楊滿業(yè)等研究了川西北5種常見多年生牧草品種苗期抗旱性生理生化指標的動態(tài)變化，綜合評價表明抗旱性由高到低依次為阿壩硬稈仲彬草>阿壩燕麥>川草2號老芒麥>阿壩垂穗披堿草>川草3號虉草，研究結(jié)果為高原牧草栽培及沙化草地恢復選育優(yōu)質(zhì)品種提供了重要依據(jù)[10]。柏曉玲等評價了6個燕麥品種在萌發(fā)期的抗旱性，結(jié)果表明青莜3號、林納等品種的抗旱性較強，而青海甜燕麥的抗旱性相對較弱[11]?！颈狙芯壳腥朦c】為了進一步研究高寒牧區(qū)燕麥苗期對干旱脅迫的響應，本試驗通過石英砂水培的方法，利用不同濃度的PEG溶液模擬干旱脅迫程度，并測定一定時間范圍內(nèi)(0～14 d)燕麥葉片葉綠素含量、相對含水量、相對電導率、根莖葉生長量，探究燕麥幼苗對不同干旱脅迫強度的響應以及其在對應脅迫強度下的存活能力，并預期篩選出適宜實驗室研究的干旱脅迫程度，【擬解決的關鍵問題】以期為今后更深入探索燕麥節(jié)水栽培技術以及研究燕麥抗旱機理提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗材料為高寒牧區(qū)皮燕麥品種青燕1號(AvenasativaL. cv. Qingyan No.1)，由西南民族大學青藏高原研究院提供。

1.2 試驗設計

挑選大小一致、顆粒飽滿、無殘缺的燕麥種子，經(jīng)1 %的NaClO消毒洗凈后，均勻的播撒在盛有等量石英砂的培育盆中(21 cm×15 cm×6 cm)，置于條件為白天24 ℃/16h，夜間20 ℃/8h，光照強度為600 mmol·m-2·s-1，相對濕度為75 %的光照培養(yǎng)箱內(nèi)，然后用蒸餾水培養(yǎng)10 d待種子發(fā)芽后，更換為Hoagland全營養(yǎng)液培養(yǎng)，之后每3 d更換1次培養(yǎng)液。待幼苗長到兩葉一心期時，分別用添加0 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %PEG溶液的Hoagland完全營養(yǎng)液進行干旱脅迫，另用不加PEG的Hoagland完全培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)作為對照，每個處理3次生物學重復。分別在PEG脅迫的0、7和14 d采樣進行相關指標的測定。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 葉片葉綠素含量的測定 稱取燕麥葉片0.2 g剪碎放入試管中，并加入80 %丙酮與95 %乙醇混合液(1∶1，V/V)20 mL，置于暗處，期間搖動數(shù)次，當葉片完全變白時傾出浸提液，分別測定663和645 nm處的吸光度(OD663和OD645)，利用Arnon公式計算葉綠素含量[13]，每個處理3個重復。

1.3.2 葉片相對含水量的測定 分別稱取各處理組，青燕1號燕麥幼苗葉片0.1 g的鮮樣(FW)；然后將稱取的樣品用紗布包住完全浸沒于蒸餾水中，4 ℃放置24 h，使組織充分吸水達到飽和后，將葉片從蒸餾水中取出，用吸水紙迅速吸去葉片表面的水分，稱取其飽和鮮重(SFW)；將葉片放于信封中，在烘箱中105 ℃下殺青60 min，然后70 ℃烘干48 h至恒重，稱取干重(DW)。根據(jù)公式RWC(%)=[(FW-DW)/(SW-DW)]×100計算得出[14]。

1.3.3 相對電導率的測定 分別取燕麥幼苗葉片0.1 g，洗凈后用單層面紙包好放入試管中，加入20 mL去離子水使包好的樣品完全浸沒在水中，在25 ℃培養(yǎng)箱中放置24 h，震蕩混勻后用電導儀測定初電導率S1；然后在水浴鍋中煮沸至植物組織完全殺死后，冷卻至室溫后振蕩混勻，測定其終止電導率(S2)。相對電導率(EL)(100 %)=S1/S2×100 %計算得出[15]。

1.3.4 莖葉生長量 每盆收集5株燕麥幼苗的地上部分(莖)稱其鮮重，烘干后測定其干重[16]，每個處理3個重復。

1.3.5 根生量 每盆收集3株燕麥幼苗的地下部分(根)稱其鮮重，烘干后測其干重[16]。每個處理3個重復。

表1 不同PEG濃度對燕麥幼苗葉綠素含量的影響

注：垂直方向的不同字母表示了每一個處理在不同濃度的PEG下差異顯著(P<0.05)。

Note:The different letters in the vertical direction indicate that each treatment has significant differences in PEG at different concentrations at 0.05 level.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2007對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和作圖，使用SPSS 18.0軟件中一般線性模型(GLM)程序進行單因素方差分析，采用Duncan法對測定指標進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對燕麥幼苗葉綠素含量的影響

由表1可知，隨著干旱脅迫程度的增加和干旱脅迫時間的延長，燕麥幼苗葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量和總?cè)~綠素含量均呈下降趨勢。這表明不同程度的干旱脅迫以及長時間的干旱脅迫均影響了葉綠素含量。正常水分條件下(0 d)，各處理組燕麥幼苗葉片的葉綠素含量基本沒有差異。在干旱脅迫的第7 天時，與對照相比，5 %、10 %、15 %的PEG溶液顯著抑制了葉綠素a的含量，但三者間無顯著差異(P>0.05)，而PEG濃度達到20 %和25 % 時，葉綠素a含量進一步顯著降低，分別比CK降低了58.93 %和72.45 %(P<0.05)，在干旱脅迫14 d時，各PEG處理葉綠素a含量進一步顯著降低，但是不同處理間有差異。與葉綠素a相比，干旱脅迫對燕麥葉綠素b和總?cè)~綠素的含量影響較大，5 %和10 %PEG處理之間就已經(jīng)達到顯著差異。當PEG濃度達到15 %時，在干旱脅迫的第7和14天，與CK相比，葉綠素b和總?cè)~綠素含量分別顯著降低了32.53 %、40.49 %和37.32 %和50.27 %(P<0.05)。

2.2 干旱脅迫對燕麥幼苗葉片相對含水量的影響

由圖 1可知，在干旱脅迫下，燕麥幼苗葉片的相對含水量明顯下降。隨著PEG濃度的升高和處理時間的延長，燕麥幼苗的葉片相對含水量呈下降趨勢。在正常水分條件下，燕麥幼苗葉片含水量均達到80 %以上，在干旱脅迫第7天時，5 %的PEG處理就顯著降低了葉片的相對含水量(P<0.05)，當PEG濃度達到20 %時燕麥相對含水量下降至對照組的1/4倍，且與20 %處理組無顯著差異(P>0.05)。在干旱脅迫的14 d，各處理燕麥幼苗相對含水量進一步顯著降低，當PEG濃度為15 %時，相對含水量與對照組相比下降了64.61 %，而25 %PEG脅迫組的燕麥相對含水量下降至最低為14.22 %，且與對照組相比下降了82.64 %，差異達到顯著水平(P>0.05)。

2.3 干旱脅迫對燕麥幼苗相對電導率的影響

如圖2所示，隨著干旱脅迫的加劇和脅迫時間的延長燕麥幼苗相對電導率均呈上升趨勢。這說明脅迫程度的增加以及時間的延長都會使燕麥幼苗的相對電導率升高，在正常水分條件下，燕麥幼苗相對電導率值均較低僅有11 %左右，但在干旱脅迫的第7和14天時，與對照組相比，各處理相對含水量均顯著增加(P<0.05)。在干旱脅迫的第7天時，5 %PEG處理組的相對電導率開始顯著高于對照組，15 %和20 %處理組相對電導率比對照組高76.65 %和82.53 %。在第14天，燕麥幼苗的相對電導率顯著升高，當PEG濃度達到15 %時，相對電導率顯著高于對照組(P<0.05)，達到對照組的8倍。15 %脅迫組顯著高于5 %脅迫組，但PEG濃度大于15 %時，相對電導率仍顯著升高。

圖1 不同PEG濃度處理下3個時間點燕麥幼苗相對含水量的變化Fig.1 Changes of relative water content of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

圖2 不同濃度PEG處理下3個時間點燕麥幼苗相對電導率的變化Fig.2 Changes of relative electrolytic leakage of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

2.4 干旱脅迫對燕麥幼苗地上和地下生物量的影響

由圖3所示，在正常處理情況下，燕麥幼苗莖和根的鮮重、干重均隨時間增加呈上升趨勢，但隨著PEG處理濃度的升高，莖和根的鮮干重均明顯下降。表明干旱脅迫對燕麥幼苗的生長均有明顯的抑制作用。在干旱脅迫第7天時，5 %PEG濃度就顯著抑制了燕麥幼苗莖葉和根的鮮重，而直到25 %的PEG才顯著抑制了莖葉的干重，且低濃度及中度干旱脅迫(5 %、10 %、15 %PEG)誘導了根干重的增加，分別比對照增高了38.46 %、30.78 %、15.38 %(P<0.05)。在第14 天時，所有PEG處理的根干重都顯著低于對照(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

植物的抗旱性是一個復雜的生理調(diào)控機制，受多種因素共同影響。植物在干旱條件下呈現(xiàn)衰老加速的趨勢，其主要原因是自由基和活性氧的濃度超過了傷害“閾值”，導致蛋白質(zhì)、核酸、酶結(jié)構(gòu)被氧化破壞，并進一步促進膜脂過氧化，使膜的透性增強，導致離子外滲，植株表現(xiàn)出生活力下降的現(xiàn)象[17]。研究發(fā)現(xiàn)，干旱對燕麥的傷害機制主要涉及形態(tài)、生理生化以及遺傳特性等方面。因此，本試驗通過4項指標評估了燕麥種質(zhì)材料對干旱脅迫的響應，以期探究燕麥對不同程度及長時間干旱脅迫的適應性反應。

圖3 不同PEG濃度3個時間點燕麥幼苗生物量的變化Fig.3 Biomass changes of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

葉綠素是光合作用的主要色素，在光能的吸收傳遞和轉(zhuǎn)換中起著至關重要的作用，葉綠素含量的高低密切影響著光合作用固碳的效率，也影響著植物抗旱性的強弱[18]。干旱脅迫會使植物體內(nèi)水分含量降低，當植物細胞失水達到一定程度時，葉片葉綠體就會變形，并且片層結(jié)構(gòu)遭到破壞，葉綠素亦會發(fā)生降解，導致其含量下降[19]。很多研究表明，植物的葉綠素含量和葉綠素a/b的值與植物本身的抗旱性有很大關系，反映了植物對水分脅迫的敏感性[20-21]。一般認為葉綠素a/b的值越大則植物的抗旱性越高。本試驗中，隨著PEG濃度的升高和處理時間的增加燕麥幼苗細胞失水加劇，細胞的葉綠體結(jié)構(gòu)和葉綠素合成遭到破壞，導致葉綠素a、葉綠素b和葉綠素的總含量均呈下降趨勢，這與葉應青[22]等人對毛竹幼苗生理特性的研究結(jié)果相似。

植物組織的實際含水量占組織飽和含水量的百分比常被作為水分虧缺程度的參數(shù)來反應植物遭受水分脅迫時的缺水程度[23]。本試驗中，隨著PEG干旱脅迫程度的加劇和處理時間的延長，燕麥幼苗相對含水量呈明顯下降的趨勢，與干旱脅迫壓力呈負相關，而相對電導率呈上升趨勢，與干旱脅迫壓力呈正相關。這是由于外界環(huán)境含水量低于植物細胞含水量，致使細胞不斷失水，相對含水量下降。在水分虧缺的情況下燕麥葉片細胞質(zhì)膜遭到破壞，細胞膜的破壞程度不斷增加，最終喪失選擇透過性導致胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，相對電導率呈上升趨勢，這與萬里強[24]等人對黑麥草、何淼[25]等人對中國芒的研究結(jié)果保持一致。

植物生長是由根從外部環(huán)境中吸收養(yǎng)分和水分，同時依靠光合作用等代謝過程完成器官的發(fā)育和植物形態(tài)建成，植物生物量的積累可綜合反映植物受到環(huán)境傷害的程度。本試驗中，燕麥幼苗莖的鮮干重、根的鮮重受到PEG濃度和脅迫時間的交互作用，呈降低趨勢，而根的干重在7 d時，低濃度PEG誘導其重量高于對照，但在14 d時，所有處理的根干重都顯著低于對照，這可能是由于低濃度干旱脅迫誘導植物激素等信號物質(zhì)發(fā)生變化，促進了植物的生長，這與張彥妮[26]等人對大花飛燕草幼苗生理特性的研究結(jié)果相似，一方面隨著干旱脅迫的加劇植株體內(nèi)積累的活性氧(ROS)過量，導致細胞膜結(jié)構(gòu)被損害，抑制了光合作用，使碳同化減少，進而抑制了燕麥的生長，而另一方面，在干旱脅迫下根系對營養(yǎng)物質(zhì)和水分的吸收、轉(zhuǎn)運和積累被抑制，這可能也是燕麥生長受到抑制的原因之一。這與張娜[27-28]等人對燕麥的研究結(jié)果相似。

綜合上述結(jié)果，燕麥幼苗受到干旱脅迫時葉綠素含量、葉片含水量降低，膜脂損傷加劇以及生長受到抑制，且5 %和10 % PEG濃度脅迫對其影響較小，燕麥幼苗依舊能維持相對平衡的態(tài)勢和生長，說明其有一定的耐旱能力，而15 % PEG濃度脅迫使燕麥幼苗受到中度傷害，對干旱脅迫響應明顯，但能夠存活較長的時間，因此，15 % PEG濃度可作為室內(nèi)研究燕麥對干旱脅迫生理生化響應的最佳濃度。