干旱胁迫下4种禾本科牧草根系抗旱性比较

王晓龙，李红，杨曌，杨伟光，柴华

（黑龙江省畜牧研究所，黑龙江齐齐哈尔161005）

干旱胁迫下4种禾本科牧草根系抗旱性比较

王晓龙，李红*，杨曌，杨伟光，柴华

（黑龙江省畜牧研究所，黑龙江齐齐哈尔161005）

为明确禾本科牧草根系生理特性的变化与抗旱性的关系，采用盆栽断水的方式模拟土壤干旱胁迫，测定披碱草、扁穗冰草、细茎冰草、无芒雀麦等4种禾本科牧草的苗期根系相对电导率（REC）、脯氨酸（Pro）含量、可溶性蛋白（SP）含量、超氧化物歧化酶（SOD）活性和丙二醛（MDA）含量变化。结果表明：随着干旱胁迫强度加剧，4种禾本科牧草根系Pro、SP、REC、MDA含量及SOD活性明显上升。经抗旱隶属度分析，披碱草的综合评价值最高，为0.5006；4种禾本科牧草材料的抗旱性强弱顺序依次为：披碱草＞细茎冰草＞无芒雀麦＞扁穗冰草。

禾本科牧草；干旱胁迫；生理指标；抗旱性

干旱和低温越冬是制约人工草地建植的关键问题，因此牧草品种的选择是旱区和寒区建植人工草地的关键因素（刘敏等，2015）。在干旱胁迫环境下，植物会形成多种抗旱耐旱的形态结构变化，其对干旱的明显适应特征是干物质积累与根系的生长，它不但反映了不同器官对干旱胁迫的抗性差异，而且反映了植物间抗旱性差异（朱新强等，2012）。植物根系作为吸收土壤水分和养分的主要器官，其最先感受到土壤水分的亏缺，在干旱胁迫环境下，研究植物根系生理代谢对于优良抗旱性牧草选育具有重要意义。鉴于此，本试验选取4种在我国内蒙古、东北和华北地区分布较为广泛的禾本科牧草为材料，通过盆栽控水方式人工模拟水分胁迫，分析牧草根系脯氨酸（Pro）、可溶性蛋白（SP）、相对电导率（REC）、丙二醛（MDA）、超氧化物歧化酶（SOD）等5个生理指标的变化规律，研究了不同程度干旱胁迫对禾本科牧草根系生理指标的影响，以期为优良牧草高产栽培提供一定的技术支持和理论依据。

1　试验材料与方法

1.1供试材料本试验选取了4种在我国内蒙古、东北和华北地区分布较为广泛的禾本科牧草进行抗旱性评价。这4种禾本科牧草均具有较强的抗旱性和耐寒性，大多为中旱生物种，饲用品质优良，详情见表1。

1.2抗旱性试验方法本试验在内蒙古农业大学温室中进行，采用盆栽控水法人工模拟水分胁迫。盆内装入花土、蛭石和过2 mm筛的干土，以2∶1∶1的比例混合，每盆装土2.5 kg，试验设4个土壤水分处理，3次重复。正常供水（对照）土壤相对含水量分别为田间持水量的75%～80%、轻度干旱胁迫（65%～70%）、中度干旱胁迫（45%～50%）、重度干旱胁迫（30%～35%）；每处理20盆。对每盆进行充分灌水使盆内土壤含水量基本达到饱和，使盆内水分自然消耗，每天称重补充损失的水分，使土壤含水量控制在设定的范围内。除进行不同土壤水分处理外，均进行常规管理，20 d后进行各指标的测定。

表1　供试材料

1.3抗旱性测定内容丙二醛（MDA）采用硫代巴比妥酸法进行测定；脯氨酸（Pro）采用茚三酮法进行测定；可溶性蛋白（SP）含量采用考马斯亮蓝法进行测定；超氧化物歧化酶（SOD）采用氮蓝四唑法进行测定；电导率（EC）采用浸泡法进行测定（张志良和瞿伟菁，2005）。

1.4统计分析采用Excel 2003作图，采用SAS（9.1版）数据处理系统进行方差分析。

2　结果与分析

2.1干旱胁迫下4种禾本科牧草根系脯氨酸含量的变化干旱胁迫使植物体内积累更多的脯氨酸、可溶性蛋白等渗透调节物质，这些物质的积累可使细胞渗透势下降，导致植物加强吸水以维持膨压从而减轻渗透胁迫（杨顺强等，2010）。由图1可知，干旱胁迫均促进了4种禾本科牧草根系Pro的增加，轻度干旱胁迫下，4种禾本科牧草根系Pro变化较小，由轻度转为中度干旱胁迫下细茎冰草和披碱草Pro含量变化较大，分别增加了149.0%和126.8%。重度干旱胁迫下，披碱草、无芒雀麦、细茎冰草、扁穗冰草根系Pro含量分别是2259.59、1774.74、2911.11、1608.08 μg/g，分别是各自对照的3.87、2.54、4.38、2.91倍。

图1　干旱胁迫下4种禾本科牧草根系脯氨酸含量的变化

2.2干旱胁迫下4种禾本科牧草可溶性蛋白含量的变化由图2可知，干旱胁迫下4种禾本科牧草SP含量均随干旱胁迫程度的增加呈现上升趋势，细茎冰草在轻度干旱处理时SP含量上升幅度较大，是其对照的1.44倍；而披碱草在中度干旱处理时SP上升幅度较大比轻度干旱处理时增加了50.4%；随着干旱胁迫程度的加剧，无芒雀麦SP含量上升幅度相对较小，在重度干旱处理时与对照相比增加了1047.19 μg/g。

图2　干旱胁迫下4种禾本科牧草根系可溶性蛋白含量的变化

2.3干旱胁迫下4种禾本科牧草丙二醛含量的变化MDA能反映植物细胞的伤害程度，是植物体内膜脂过氧化产物，其含量高低与细胞膜的损伤程度有关（乔枫等，2011）。

由图3可知，随着干旱胁迫强度的加剧，4种禾本科牧草根系中MDA含量均有不同程度的积累，轻度干旱处理时，4种禾本科牧草根系中MDA含量变化幅度相对较小；随着干旱胁迫程度的进一步加剧，扁穗冰草根系中MDA含量变化较大，其中披碱草和细茎冰草在中度干旱处理下根系中MDA积累较缓慢；在重度干旱下，扁穗冰草根系中MDA含量最高，为39.95 nmol/g，是对照组的1.76倍；细茎冰草和无芒雀麦随土壤含水量的降低，根系中MDA含量增加幅度相对较低，分别是对照组的1.47倍和1.53倍。

2.4干旱胁迫下4种禾本科牧草超氧化物歧化酶的变化SOD具有维持细胞稳定性和降低膜脂过氧化的功能，是细胞膜系统的重要保护酶（朱新强等，2012）。由图4可知，随着土壤含水量降低，4种禾本科牧草SOD活性总体呈上升的变化趋势，在重度干旱处理时，扁穗冰草根系中SOD活性明显上升，与其他3种禾本科牧草相比差异显著（P＜0.05）；在重度干旱胁迫下，披碱草、无芒雀麦、细茎冰草、扁穗冰草根系SOD活性分别是182.97、170.74、204.52、223.16 μg/g，分别是各自对照的1.82、1.61、2.07、1.86倍。

图3　干旱胁迫下4种禾本科牧草根系丙二醛含量的变化

图4　干旱胁迫下4种禾本科牧草根系SOD活性变化

2.5干旱胁迫下4种禾本科牧草相对电导率的变化由图5可知，干旱胁迫均促进了4种禾本科牧草根系REC的增加，轻度干旱胁迫下，4种禾本科牧草根系REC变化较大，由轻度转为中度干旱胁迫下无芒雀麦和扁穗冰草REC变化较小，分别增加了12.1%和12.9%。重度干旱胁迫下，披碱草、无芒雀麦、细茎冰草、扁穗冰草根系REC分别是各自对照的2.23、2.29、2.35、2.47倍。

图5　干旱胁迫下4种禾本科牧草根系相对电导率的变化

2.6不同禾本科牧草抗旱性比较采用模糊数学隶属函数法求抗旱指标的隶属函数值，具体计算方程为：

式中：Fij为i草种j性状值；Xij为鉴定i草种j性状抗旱隶属值；Ximax为所鉴定i草种j性状最大值；Ximin为所鉴定i草种j性状最小值。

将i草种各指标抗旱隶属值进行累加，求出平均值，平均值越大该禾本科牧草抗旱性越强（王晓龙等，2014）。最后对4种禾本科牧草抗旱性进行比较，得出各禾本科牧草抗旱性由强到弱顺序（表2）。

表2　4种禾本科牧草抗旱性比较

3　讨论

3.1干旱胁迫下脯氨酸和可溶性蛋白含量的变化在不同程度干旱胁迫下，4种禾本科牧草根系Pro含量均显著增加，其中细茎冰草和披碱草Pro含量增幅较大，说明这2种禾本科牧草根系Pro调节渗透的能力较强，产生大量脯氨酸以抵御干旱胁迫环境的伤害。细茎冰草根系的SP在不同程度的干旱胁迫下均是最高，说明细茎冰草能很好地抵御干旱胁迫对禾本科牧草根系带来的伤害。披碱草在轻度干旱处理时，SP含量变化幅度较小；在中度干旱处理时，SP上升幅度较大，与杨顺强等（2010）对5种引进禾本科牧草的研究结果相一致。因此可以说明植物在一定水分胁迫强度上通过调节胞内膨压使植物适应逆境，植物受到水分胁迫会产生逆境蛋白提高自身抗性，在一定范围内随水分胁迫增加而增加。

3.2干旱胁迫下丙二醛含量的变化MDA是植物体内膜脂过氧化产物，其含量高低与细胞膜系统的损伤程度有关，一般来说MDA含量越高，表明植物受伤害程度越大（刘爽和吴永波，2010）。与对照相比，随干旱胁迫程度的加剧，4种禾本科牧草MDA含量均呈递增趋势，与李楠等（2011）对5种委陵菜（Potentilla）的研究结果相一致。其中扁穗冰草根系的MDA含量大量积累，说明干旱胁迫对扁穗冰草的质膜结构和功能伤害较大，抗旱性较差。

3.3干旱胁迫下超氧化物歧化酶含量的变化SOD是保护酶系统中清除活性氧的主要酶。有研究表明，植物抗逆性与SOD活性呈正相关（魏臻武等，2006）。而本试验中随着干旱胁迫由轻度转为重度，SOD活性均呈现升高的变化趋势，与李楠等（2011）对5种委陵菜和朱新强等（2012）对苜蓿根系的研究结果相一致。在干旱胁迫下，披碱草、细茎冰草和扁穗冰草能更好地调节体内的SOD活性，以提高抗旱性。植物受到逆境胁迫时，由于膜的结构或功能受损，使细胞膜透性增大，细胞内电解质将有不同程度的外渗，伤害愈重，外渗愈多，电导的增加亦愈大（李雪莲等，2005）。在重度干旱胁迫下，无芒雀麦和扁穗冰草相对电导率较高，说明干旱胁迫对扁穗冰草和无芒雀麦质膜的结构和功能损伤较大，抗旱性较差。

4　结论

在水分胁迫处理后，不同禾本科牧草的MDA含量、SP含量、SOD活性、Pro含量及REC含量均发生了不同程度变化，通过模糊数学隶属函数法，对4种禾本科牧草的5个抗旱指标的隶属函数值进行比较，得出抗旱性由大到小的顺序为：披碱草＞细茎冰草＞无芒雀麦＞扁穗冰草。

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In order to clarify the internal relationship between drought resistant capability and the change of physiological characteristics of grasses root，pot culture and water control were used to imitate drought stress in soil，and the relative conductivity，proline content，soluble protein content，superoxide dismutase（SOD）activity and malondialdehyde（MDA）content of roots in seedling period of four grass species were determined.The results indicated that the proline content，soluble protein content，SOD activity，relative conductivity and MDA content of grasses roots increased significantly with the drought stress increasing.According to the drought resistant analysis of membership，Elymus nutans had the highest comprehensive evaluation value of 0.5006，the drought resistant capabilities of four grass species were in the sequence of Elymus nutans＞Agropyron trachycaulum＞Bromus inermis＞Agropyron cristatum.

grasses；drought stress；physiological indices；drought resistant characteristics

S816

A

1004-3314（2016）13-0022-03

10.15906/j.cnki.cn11-2975/s.20161305

黑龙江省应用技术研究与开发计划重大项目“优质多抗牧草新品种选育及高效生产关键技术研究”（GA15B105—5）；黑龙江省财政厅科研院所自拟课题