干旱胁迫对不同禾本科牧草叶绿素荧光特性的影响

王晓龙，米福贵，郭跃武，闫利军，于 洁，云 娜

(内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特 010019)

干旱胁迫对不同禾本科牧草叶绿素荧光特性的影响

王晓龙，米福贵，郭跃武，闫利军，于 洁，云 娜

(内蒙古农业大学生态环境学院，内蒙古呼和浩特 010019)

本试验以无芒雀麦、垂穗披碱草、老芒麦、细茎冰草为试验材料，研究了干旱胁迫处理下不同禾本科牧草的叶绿素荧光参数、叶片电导率和脯氨酸(Pro)含量变化的对比。结果表明：随着干旱胁迫程度的加剧，4种禾草初始荧光(Fo)和非光化学淬灭系数(qN)呈现逐渐上升趋势，而最大荧光(Fm)，潜在光化学效率(Fv/Fo)，最大光化学效率(Fv/Fm)和光化学淬灭系数(qP)呈现逐渐下降趋势。上述参数的变化幅度因材料抗旱性强弱而异，这种差异可作为简便评价禾草抗旱性强弱的鉴定指标，因此，运用隶属函数对不同禾草抗旱性进行评价分析，得出抗旱性强弱次序为：垂穗披碱草>无芒雀麦>细茎冰草>老芒麦。

干旱胁迫；禾本科牧草；叶绿素荧光

干旱地区的日益扩大已成为全球关注的问题。我国的干旱化区域除北方缺水地区外，也有向东南扩张的趋势，特别是近年来，干旱与荒漠化现已成为阻碍农牧业发展的主要因素，面对已经存在的干旱状况，研究筛选抗旱的农牧作物无疑成为了当前的重点项目〔1〕。许多环境因素都影响着植物的正常生长，如光照、温度、水分及CO2浓度等〔2〕。而干旱胁迫是抑制植物光合作用最主要的环境因子之一，干旱胁迫可以引起气孔关闭、水分平衡失调、叶绿素含量的降低、Rubisco降解和Calvin循环中酶活性下降，从而抑制植物的光合作用〔3〕。光合作用与植物所生存的生态环境密切相关，植物在经历胁迫或受到伤害时的表现形式中就有光合器官的损伤〔4〕。研究植物光合特性与水分代谢特性是揭示不同植物对环境生态适应性的有效途径，随着植物生理测试技术的发展，便携式测定仪器可以实现在自然状态下测定植物的叶绿素荧光变化，诊断植物体内光合机构的运转状况〔5〕。

在我国东北、华北和西北地区由于降雨量少、蒸发量大、土壤干旱瘠薄等情况，因此水分成了影响该地区生态系统的最大限制因子〔6〕。本研究就是对比分析不同禾本科牧草幼苗的抗旱性，旨在为扩大禾本科牧草在中国北方的栽培利用及抗旱新品种选育提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 供试材料

本试验选取了4种在我国东北、华北和西北地区分布与利用较为广泛和普遍的禾本科牧草进行抗旱性对比分析。这4种禾草分属3个不同的属，大多为中旱生物种，均具有较强的抗旱和耐寒性，饲用品质亦优良。其来源与分布详见表1。

表1供试材料

Table1 Tested materials

编号种 名拉丁名来 源分布P垂穗披碱草Elymusnutans吉林农科院东北、华北盐碱化草地上L老芒麦Elymussibiricus中国农科院草原所东北、内蒙古较干旱的碱性土壤上XB细茎冰草Agropyrontrachycaulum东北农大内蒙、陕西干旱草地W无芒雀麦Bromusinermis中国农科院草原所草甸草原和典型草原常种

1.2试验方法

试验于2013年7月25日-9月20日，在内蒙古农业大学智能温室大棚进行盆栽，培养土为壤土、花土和蛭石，以1∶1∶1的比例混合，试验用塑料花盆均大小一致，盆底均有3个相同大小的小孔，每盆装土3kg。每种材料设干旱处理与对照(正常浇水)两组，均匀的将100粒种子撒在盆中待出苗后定苗10株。先置于智能温室外生长，在生长期间每天每盆定量供水，确保水分供应充足，待苗长至5～6片真叶时，移入智能温室内，其中每种材料用5盆正常供水作对照，另外5盆开始进行水分胁迫，胁迫过程从9月20日持续到9月30日结束。胁迫期间共设6个处理(断水0、2、4、6、8、10d)，每处理4个重复，直至供试材料出现部分黄叶为止。胁迫期间气温稳定，外部环境变化较一致。

测定项目：每日10∶00-11∶00用德国(WALZ)生产的便携式叶绿素荧光仪PAM-2000测定牧草叶片的PSII原初光能转换效率(Fv/Fm)=(Fm-Fo)/Fm、PSII潜在活性(Fv/Fo)=(Fm-Fo)/Fo、光化学淬灭系数(qP)、非光化学淬灭系数(qN)等叶绿素荧光参数，对选取的叶片作好标记，此后每次都选同一叶片进行测定〔7〕。每处理测定禾草叶片电导率；至胁迫的第8天，测定Pro含量采用酸性茚三酮法，测定参照实验指导进行〔8〕。

1.3统计分析

采用Excel作图，SAS数据处理系统(9.1版)软件进行方差分析和多元统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同禾草叶片初始荧光(Fo)和最大荧光(Fm)的影响

初始荧光(Fo)，也称基础荧光，是光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心处于完全开放时的荧光产量〔9〕。对不同干旱胁迫下叶片初始荧光测定分析表明(图1)：4种禾草叶片初始荧光变化趋势相同，均随胁迫程度的加剧呈现上升趋势；无芒雀麦、垂穗披碱草、老芒麦、细茎冰草在干旱胁迫第8天时叶片初始荧光显著高于对照(P<0.05)，且分别比对照高17.1%、13.0%、19.0%、18.7%；而无芒雀麦在不同干旱胁迫处理下叶片初始荧光均显著升高(P<0.05)，且重度干旱胁迫时，无芒雀麦叶片初始荧光比对照高26.1%；与对照相比，干旱胁迫第2天时，老芒麦、细茎冰草叶片初始荧光均无显著升高，且重度干旱胁迫时，2种禾草叶片初始荧光均显著升高(P<0.05)，分别高于对照27.6%、24.4%。与对照相比，垂穗披碱草叶片初始荧光升高趋势最小为14.4%。

图1 不同干旱胁迫下4种禾草叶片Fo的变化情况Figure 1 Change of Fo in leaves of four plants of Forage grasses under different drought stress

最大荧光(Fm)，是光系统Ⅱ(PSⅡ)反应中心处于完全关闭时的荧光产量，可反映通过PSⅡ的电子传递情况〔10〕。对不同干旱处理下禾草叶片最大荧光测定分析(见图2)，4种禾草叶片最大荧光具有相同的变化趋势，都随胁迫天数的增加而下降，且各处理与对照间均存在显著的差异(P<0.05)。重度干旱胁迫时，4种禾草的最大荧光明显小于对照，无芒雀麦、垂穗披碱草、细茎冰草、老芒麦叶片的最大荧光分别比对照低1.3%、1.4%、3.8%、3.7%。

图2 不同干旱胁迫下4种禾草叶片Fm的变化情况Figure 2 Change of Fm in leaves of four plants of Forage grasses under different drought stress

2.2干旱胁迫对禾草叶片Fv/Fm值和Fv/Fo值的影响

Fv/Fm和Fv/Fo分别代表PSII原初光能转换效率和PSII潜在活性，可作为PSII光化学反应中心活性大小的尺度，它们都是光化学反应状况的重要参数〔11〕。随着胁迫时间的增加，4种禾草的Fv/Fm和Fv/Fo值均有不同程度的下降(表2)，胁迫开始前2天降幅很小，以后逐渐加大；与对照相比，至胁迫第8天老芒麦的Fv/Fm和Fv/Fo值显著降低(P<0.05)，降幅分别为对照的8.1%和23.2%，无芒雀麦的Fv/Fm和Fv/Fo值分别比对照低5.3%和19.1%，由此表明干旱胁迫已使PSII潜在活性中心受损，抑制了光合作用的原初反应，光合电子传递受到影响，而垂穗披碱草、细茎冰草的Fv/Fm和Fv/Fo值变化幅度较小，说明不同禾草的Fv/Fm和Fv/Fo值的动态变化因材料的抗旱性不同而有差异。

表2 干旱胁迫对禾草叶片叶绿素荧光参数的影响Table 2 Effects of drought dress on chlorophyll fluorescence parameters in leaves of Forage grasses (mean±SD)

同列数值后不同小写字母表示差异显著(P<0.05)Values with in the same column followed by different lowercase letters indicated significant difference at 0.05 level；W：无芒雀麦Bromus inermis；P：垂穗披碱草 Elymus nutans；L：老芒麦 Elymus sibiricus；XB：细茎冰草 Agropyron trachycaulum；D：干旱胁迫 Drought stress

2.3干旱胁迫对禾草叶片的qP值和qN值的影响

qP代表光化学淬灭系数，表示叶绿素吸收的光能用于光化学反应的大小，qP的大小也可显示PSII将光能转变为电势能的能力〔12〕，同时反映PSII原初电子受体质体醌A(QA)的还原状态，它由QA重新氧化形成，qP值愈大，QA库就愈大，即PSII的电子传递活性愈大〔12,13〕。非光化学淬灭系数(qN)反映的是PSII天线色素吸收的光能不能用于光合电子传递而是以热的形式耗散掉的光能部分，是一种保护机制。大多数植物在干旱胁迫条件下，qN值升高，耗散光能增加，进而避免过多光能导致光氧化的伤害。由表2可知，随着干旱胁迫程度的加剧，4种禾草的qP值下降，qN值升高，至胁迫的第8天，各种禾草均与对照存在显著性差异(P<0.05)，无芒雀麦、垂穗披碱草、老芒麦、细茎冰草qP值分别比对照低20.8%、10.4%、25.6%、13.9%，而其qN值的升幅分别为对照的7.9%、9.9%、13.7%、11.3%。可见，抗旱性不同的材料其qP和qN值的大小不同，抗旱性较差的材料对光保护机制更为敏感。

2.4干旱胁迫对禾草叶片细胞膜透性的影响

植物组织受逆境胁迫时，由于膜的功能受损或结构破坏，而使细胞膜透性增大，细胞内水溶性物质包括电解质将有不同程度的外渗，当植物组织浸入到无离子水中，水的电导将因电解质的外渗而变大，伤害愈重，外渗愈多，电导的增加也愈大〔14〕。在干旱胁迫的前2 d里各禾草材料的电导率变化不大，差异不显著，胁迫到第8天时4种禾草的电导率明显增加，经方差分析细茎冰草和老芒麦之间差异显著(P<0.05)，分别比对照高20.1和27.1。从图3可以看出，其中以无芒雀麦、老芒麦增加较快，这说明其组织或细胞受损最为严重，而垂穗披碱草受损最轻，干旱胁迫至第10天各禾草电导率次序分别为：老芒麦>无芒雀麦>细茎冰草>垂穗披碱草。

图3 不同干旱胁迫下4种禾草相对电导率的变化情况Figure 3 Change of relative electrolyte leakage in leaves offour plants of Forage grasses under different drought stress

2.5干旱胁迫对禾草幼苗脯氨酸含量的影响

在逆境胁迫下，游离脯氨酸含量的积累是植物的普遍反应，干旱胁迫下不同植物细胞内的游离脯氨酸含量均有不同程度的积累〔8，15〕。由图4可知，随着干旱胁迫天数的增加，各禾草叶中脯氨酸含量有不同程度升高，胁迫至第8天4种禾草脯氨酸含量与对照呈显著性差异(P<0.05)；老芒麦的脯氨酸含量最高为对照的2.1倍，无芒雀麦和细茎冰草分别比对照高1.8倍和1.6倍，垂穗披碱草脯氨酸含量增加幅度最小，由此说明在不同的干旱胁迫下各材料体内的游离脯氨酸均有不同程度积累。

图4 干旱胁迫下4种禾草脯氨酸含量的变化情况Figure 4 Change of pro content in leaves of four plants of Forage grasses under drought stressCK：对照Control；D：干旱胁迫 Drought stress

2.6不同禾本科牧草抗旱性隶属函数分析

用于分析的隶属函数值[X(u1)，X(u2)]计算方程为：(1)X(u1)=[X-Xmin]/[Xmax-Xmin]； (2)X(u2)=1-[X-Xmin]/[Xmax-Xmin]其中X为各鉴定牧草种某一指标的测定值；Xmax为所有鉴定草种此指标的最大值；Xmin为所有鉴定草种此指标的最小值。若所测指标与植物的抗旱性呈正相关，则采用(1)式计算隶属值，负相关则用(2)式。累加各草种各指标的具体隶属值，并求出平均值后进行比较，平均值越大植物的抗旱性越强〔16，17〕。

总体来看，对 4种禾本科牧草材料的抗旱性进行综合评价分析(见表3)，得出各材料的抗旱能力大小为：垂穗披碱草>无芒雀麦>细茎冰草>老芒麦。

表3 4种禾本科牧草抗旱隶属函数比较Table 3 4 varieties tolerant grasses membership function

注：W：无芒雀麦Bromus inermis；P：垂穗披碱草 Elymus nutans；L：老芒麦 Elymus sibiricus；XB：细茎冰草 Agropyron trachycaulum

3 讨论

3.1 叶绿素荧光分析技术在测定叶片光合作用过程中光系统对光能的吸收、传递、耗散、分配等方面具有独特的作用，与“表观性”的气体交换指标相比，叶绿素荧光参数更能反映“内在性”特点，被视为植物光合作用与环境关系的探针〔18〕。目前该技术在植物逆境生理(干旱、高温、盐害)、病虫害、作物增产潜力预测等方面的研究已取得一定进展〔19〕。研究表明：随干旱胁迫程度的加剧，3种金银花(Lonicerajaponica)叶片初始荧光(Fo)表现出不断上升的趋势，而最大荧光(Fm)、潜在光化学效率(Fv/ Fo)和最大光化学效率(Fv/ Fm)呈逐渐降低的趋势〔8〕；随干旱胁迫程度的增加，辣椒(Capsicumannuum)叶片初始荧光呈不断增加的趋势，而最大荧光、最大光化学效率呈逐渐降低的趋势〔20〕；干旱胁迫处理导致毛竹(Phyllostachysedulis)幼苗叶片初始荧光呈现上升趋势，而最大光化学效率呈现下降趋势〔21〕；柱花草(Stylosanthesguianensis)叶片最大光化学效率与潜在光化学效率均随着干旱胁迫程度的加强而呈现出下降的趋势〔22〕。本试验的研究结果表明：在干旱胁迫下，随着干旱胁迫程度的增加，4种禾草叶片初始荧光呈逐渐上升的趋势，而最大荧光、最大光化学效率和潜在光化学效率呈逐渐下降的趋势，这与金银花、辣椒、毛竹、柱花草的研究结果相同。说明干旱胁迫使4种禾草PSⅡ反应中心出现可逆的失活或受到了不易逆转的破坏〔23〕，抑制了PSⅡ光化学活性，降低了PSⅡ原初光能转化效率，使PSⅡ潜在活性受损，破坏了禾草的光合作用原初反应过程〔24〕。

3.2 光化学淬灭系数反映了PSⅡ反应中心的开放程度，而非光化学淬灭系数是保护 PSⅡ反应中心免受因天线色素吸收过多光能而引起光能损伤的一种自我保护机制。本试验中，随干旱胁迫程度的增加，禾草的光化学淬灭系数逐渐下降，说明干旱胁迫导致禾草叶片PSⅡ反应中心开放程度的比例降低，从而使禾草叶片光合电子传递速率下降，PSⅡ天线色素捕获的光能用于光化学电子传递的份额减少，PSⅡ反应中心的光能累积过剩，但禾草叶片非光化学淬灭系数随干旱胁迫程度的增加而增大，这是一种自我保护机制，此现象与干旱胁迫对紫花苜蓿〔25〕和假俭草〔1〕的影响表现一致。

本试验中，垂穗披碱草比无芒雀麦、老芒麦、细茎冰草的Fv/Fm的降幅和Fo的升幅均小，说明干旱胁迫对垂穗披碱草叶片光合机构的伤害程度较小，因而保持了较高的开放程度和激发能的捕获效率。这与丹参〔3〕研究结果一样，也可以通过光合电子传递过程中的热耗散途径减少过多激发能的产生，进而减轻干旱对植物的伤害，在相同的干旱胁迫条件下，垂穗披碱草、无芒雀麦、老芒麦和细茎冰草的qN值分别比对照高7.9%、9.9%、13.7%、11.3%。

4 结论

4.1 干旱胁迫下，4种禾草叶片初始荧光(Fo)和非光化学淬灭系数(qN)随干旱胁迫程度的增加，呈逐渐上升的趋势，而最大荧光(Fm)、光化学淬灭系数(qP)、最大光化学效率(Fv/Fm)和潜在光化学效率(Fv/ Fo)呈逐渐下降趋势。叶绿素荧光参数Fv/Fm、Fv/ Fo、qP和qN则有可能作为禾本科牧草材料中抗旱性强弱的鉴定指标。

4.2 干旱胁迫下4种禾草脯氨酸含量与电导率的变化情况基本一致。与对照相比，轻度干旱胁迫时，4种禾草材料的脯氨酸含量与电导率值变化幅度较小，重度干旱胁迫时，脯氨酸含量与电导率值的变化幅度均增加。其中，垂穗披碱草各指标的变化幅度最小，无芒雀麦和细茎冰草居中，老芒麦的变化幅度最大，其脯氨酸和电导率的变化情况与隶属函数对4种禾草材料的抗旱性综合评价结果一致。因此，脯氨酸含量与电导率值可作为禾本科牧草材料抗旱性强弱的鉴定指标。

4.3 运用隶属函数对4种禾本科牧草材料的抗旱性进行综合评价、分析得出各材料的抗旱性由强到弱的顺序依次为：垂穗披碱草>无芒雀麦>细茎冰草>老芒麦。

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EFFECTSOFDROUGHTDRESSONCHLOROPHYLLFLUORESCENCEPARAMETERSINLEAVESOFFORAGEGRASSES

WANGXiao-longMIFu-guiGUOYue-wuYANLi-junYUJieYUNNa

(CollegeofEcologicalandEnvironmentalScience，InnerMongoliaAgriculturalUniversity，Hohhot010019，China)

The chlorophyll fluorescence parameters (Fo), leaf conductance and proline content changes of four forage grasses, such as, Bromus inermis, Elymus nutans, Elymus sibiricus, Agropyron trachycaulum were measured and analyzed under different drought stress treatment in the study. The results showed that: With the degree of drought stress, the minimal fluorescence (Fo) and non-photochemical quenching coefficient (qN) of four grasses trend to rise gradually, and the maximal fluorescence (Fm), maximal photochemical efficiency of PSⅡ(Fv/Fm) and photochemical quenching coefficient (qP) trended the gradual decline. Drought resistance changed range of the parameters for material strength. This difference could serve as a simple appraisal index for evaluation of the drought resistance in grass species. The order of the drought resistance for four grasses obtained by the analysis of membership function was Elymus nutans > Bromus inermis > Agropyron trachycaulum> Elymus sibiricus.

drought stress; forage grasses; chlorophyll fluorescence

S543

A

2095—5952(2014)03—0045—07

2014-03-31

国家科技支撑项目(项目编号：2011BAD17B05-3)“内蒙古西部旱区优质牧草选育及生产利用技术集成与示范”及内蒙古科技厅科技支撑项目“优质牧草新品种选育技术研究”。

王晓龙(1986-)，男，内蒙古通辽市人，在读硕士，从事牧草种质资源育种与生物技术研究。

米福贵，E-mail：mfguinm@163.com