水分胁迫下扁穗牛鞭草根系保护酶活性变化

桂世昌，杨峰，张宝艺，张新全，黄琳凯，马啸

（四川农业大学动物科技学院，四川 雅安625014）

扁穗牛鞭草（Hemarthriacompressa）属禾本科黍亚科牛鞭草属，为多年生根状茎禾草［1］，喜温暖湿润气候［2］。它是一种生长期长、生长速度快、再生力强和产量高的优质牧草［3］。不过扁穗牛鞭草由于结实率低（2个国家审定品种“广益”、“重高”自然传粉结实率分别为7.8%和6.6%［4］），主要靠根茎和匍匐茎进行无性繁殖［3］。关于扁穗牛鞭草种质资源［3］、光合特性［5］、化学除杂［6］、化感作用［7］、农艺性状［8］和根际微生物［9］等已进行广泛的基础研究，而关于扁穗牛鞭草抗旱性研究还尚未见诸文献。近年来，西南地区受到干旱影响持续加重，2006年更是遭遇特大干旱［10］。为了更好地利用扁穗牛鞭草，促进农业经济的发展，本研究分析2种国审扁穗牛鞭草在水分胁迫下根系保护酶的变化，为进一步选育抗旱性扁穗牛鞭草提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料采自四川农业大学草学基地种植的国审品种“广益”和“重高”扁穗牛鞭草。材料种植于高1.2 m，直径0.1 m的PVC管中。试验用土为大田的沙壤土（白垩纪灌口组紫色沙页岩风化的堆积物形成的紫色土），过筛，去掉石块、杂质，土壤有机质含量14.53 g／kg，速效氮含量101.45 mg／kg，速效磷含量4.85 mg／kg，速效钾含量342.56 mg／kg，p H 值6.3。

1.2 试验方法

试验于2009年4月初－10月中旬在四川农业大学温室中进行。选取长势相近的茎段，每支PVC管种植3段，定苗2段，每个品种种植20管。于6月下旬扁穗牛鞭草拔节期时浇透一次水，测定土壤含水量，并选取植株须根系测定超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）、丙二醛（MDA）。以后进行控水处理（一直不浇水），每隔14 d测定1次以上指标，共测定4次，每次各指标3个重复。

1.2.1 土壤水分测定 用环刀取待测根际土壤，称取铝质土盒的质量，再称取环刀中部土壤于土盒中，然后置于105℃烘箱中，烘干12 h，冷却后称量，进行计算，即可得土壤水分含量［11］。

1.2.2 SOD活性、CAT活性、POD活性、MDA含量 采用南京建成生物工程研究所研制SOD、CAT、POD、MDA试剂盒进行测定。其中，SOD活性定义为：每mg组织蛋白在1 m L反应液中SOD抑制率达50%时所对应的SOD量为1个SOD活力单位（U／mg）。POD活性定义为：在37℃条件下，每mg组织蛋白每分钟催化产生1 μg的底物的酶量定义为1个酶活力单位（U／mg）。CAT活性定义为：每g组织蛋白中CAT每秒钟分解吸光度为0.52的底物中的过氧化氢相对量为1个过氧化氢酶的活力单位（U／g）。MDA含量单位为每mg蛋白所含MDA纳摩尔量（nmol／mg）。

2 结果与分析

2个品种在干旱胁迫下，根系POD初期活性都呈上升趋势。14 d时，广益和重高POD活性都达到最大值，且活性大致相同。随着时间推移，2种扁穗牛鞭草POD活性出现明显降低（图2）。重高在14～28 d时出现降低，幅度达到62%，比同期广益高15%。处理期间，2个品种POD活性差异不显著。

2.1 土壤含水量变化

广益和重高的土壤含水量都呈显著的下降趋势（表1）。结果表明，控水期间造成了明显的土壤水分胁迫。同时可以看出2个品种的土壤含水量变化基本一致，没有明显的差异（表1），说明对2个品种所进行的干旱胁迫处理是相一致的。方差分析表明，同一品种中不同处理时间，土壤含水量差异极显著（P＜0.01）。

2.2 SOD活性变化

在整个研究期间，2个扁穗牛鞭草品种根系SOD活性存在着极显著的差异（P＜0.01）。水分胁迫初期，扁穗牛鞭草根系SOD活性明显加强（图1），在14 d时达到最大值。其中广益SOD活性在14 d时达到654.727 U／mg，是重高活性2倍。随着水分胁迫天数的增加，2种扁穗牛鞭草SOD活性均下降，呈明显抛物线趋势，在42 d时接近水分胁迫初始水平，广益略高于重高。

表1 不同胁迫期内广益和重高土壤含水量Table 1 The soil moisture where“Guangyi”and“Chonggao”grew in different stages of water stress

2.3 POD活性变化

图1 水分胁迫下SOD活性的变化Fig.1 The changes in SOD activity under water stress

图2 水分胁迫下POD活性的变化Fig.2 The changes in POD activity under water stress

2.4 CAT活性变化

水分胁迫初期，重高和广益根系CAT活性增加，中后期根系CAT活性出现大幅度的下降（图3）。在整个水分胁迫中，重高和广益扁穗牛鞭草CAT活性差异显著（P＜0.05），在0～14 d期间，2种植物根系CAT都增加近7.5倍，后期下降速度基本一致，42 d时CAT活性接近处理初期水平。

2.5 MDA含量变化

水分胁迫初期，2种扁穗牛鞭草根系MDA含量出现小幅上升。随着水分胁迫加剧，广益和重高根系MDA含量开始大幅下降，但在整个过程中重高MDA含量始终高于广益（图4），差异极显著（P＜0.01）。水分胁迫14 d时，重高和广益根系MDA含量都达到最大值，重高为广益的3倍。28～42 d时，广益和重高MDA含量都出现下降，重高MDA含量仍高于广益，保持在45 nmol／mg。

图3 水分胁迫下CAT活性的变化Fig.3 The changes in activity of CAT under water stress

图4 水分胁迫下MDA含量的变化Fig.4 The changes in contents of MDA under water stress

3 讨论

水分胁迫是植物最易遭受的逆境胁迫，也是限制植物生长的重要因素。水分胁迫下，植物表现出多方面不适应，生长减缓，光合速率下降［12］，叶绿体消解［13］，质膜受损，细胞内含物大量外渗等［14］。土壤是植物生长必须的基质，为植物提供适宜生长的水肥气热条件［15］。因而植物对于土壤水分含量高低极为敏感，土壤水分含量高低可以作为植物受干旱胁迫大小的表征条件之一。

在水分胁迫下，SOD、POD和CAT这3种酶是保护细胞膜免受自由基伤害的保护酶，保持较高水平酶活力，可降低膜脂过氧化程度，减轻膜受到伤害的程度［16］。许多研究已经证明，这3种酶在水分胁迫下活性的高低与植物抗旱性成正相关［17－20］。SOD在其中主要是将 O2－歧化为 H2O2，再通过POD和CAT将 H2O2清除［21，22］。在正常情况下，3种保护酶维持着自由基的平衡［23］。水分胁迫造成植物伤害的重要原因之一，就是细胞内O2－的产生与清除失衡［24］。而植物体内过剩自由基的毒害之一是引发膜脂过氧化作用，造成膜系统的损伤，严重时会导致植物细胞死亡。膜脂过氧化的最终产物丙二醛（MDA）又可与细胞膜上的蛋白质酶结合、交联，从而使之失活，破坏生物膜的结构与功能。因此，MDA含量高低，可代表植物受到干旱胁迫的程度和膜脂过氧化程度［25］。

植物根系作为直接和土壤接触的器官，对于土壤水分的感受最为直接，同时也是植物在水分胁迫下最先作出反应的器官，研究根系可较好反应植物对水分胁迫应激机理。在本研究中，选取植物根系进行研究，发现在水分胁迫初期，2种扁穗牛鞭草广益和重高根系SOD、POD、CAT变化趋势相同，都有大幅度升高，这与对苜蓿（Medicagosativa）［26］、草地早熟禾（Poapratensis）［27］、紫羊茅（Festucarubra）［27］、多年生黑麦草（Loliumperenne）［27］、玉米（Zeamays）［28］的研究结果相吻合。而14 d后出现下降可能有以下几个原因：一是由于产生大量自由基，破坏SOD、POD和CAT产生机制［29，30］，二是超出保护酶系统的清除能力［31］，三是植物顺利渡过干旱阈值期而产生耐受性。综合本试验全过程，结合扁穗牛鞭草在干旱胁迫下的宏观表现，笔者倾向于第3种原因。在整个处理期间，SOD、POD和CAT 3种保护酶先上升后下降，这与在柽柳（Tamarixchinensis）［32］、大豆（Glycine max）［33］、夏玉米［33］研究相同。初期MDA含量升高，可能是干旱胁迫对质膜损伤造成的。而同期3种保护酶与MDA呈极显著相关的上升，则表明活性酶升高主要是由MDA所诱导［34］，而非干旱胁迫直接造成。在干旱胁迫到14 d时，广益和重高扁穗牛鞭草根系MDA含量达到最大值，表明质膜受到过氧化伤害达到最大值。在28～42 d时，根系MDA、SOD、POD、CAT开始出下降，结合2种扁穗牛鞭草叶片出现枯黄和萎蔫主要集中在25～35 d，而35 d以后叶片变化不明显，主要是维持为主。这些现象出现可能与扁穗牛鞭草抗旱性反应阈值有关［35，36］，同时30 d左右可能是扁穗牛鞭草抗旱性阈值期，是决定其抗旱大小的临界期，有重要的研究意义。至于后期扁穗牛鞭草主要以维持为主，甚至广益出现部分叶片返青的现象则表明扁穗牛鞭草在顺利渡过干旱阈值期，对干旱胁迫产生较强的适应性和耐受性，这些宏观变化也与MDA含量和3种保护酶活性下降的微观变化相一致。至于在42 d后是否还会出现MDA含量和3种保护酶活性上升，则需要进一步延长试验观察期进行研究。在整个处理期间，根系POD含量差异不显著，POD对于2种扁穗牛鞭草抗旱性贡献大小还需要做进一步的验证。

4 结论

综上所述，SOD、POD、CAT在水分胁迫下，先上升后下降，在14 d时达到最大值，可能与扁穗牛鞭草在水分胁迫下保持正常生长最长时间一致。广益扁穗牛鞭草MDA含量远低于重高扁穗牛鞭草，从而膜损伤较少。结合试验观察数据，重高在25 d时开始出现萎蔫现象，广益在35 d开始出现同样现象。试验结束时，重高大部分叶片出现枯黄，广益仍保持绿色，表明广益扁穗牛鞭草的抗旱能力大于重高扁穗牛鞭草。

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