不同毛花雀稗种质对干旱胁迫的响应及其抗旱性评价

黄莉娟，赵丽丽，2*，唐华江，孙小富，王普昶，陈 超

(1.贵州大学动物科学学院草业科学系，贵州 贵阳 550025；2. 山地植物资源保护与种质创新教育部重点实验室，贵州 贵阳 550025；3. 贵州省晴隆县草地畜牧中心，贵州 晴隆 561400；4. 贵州省草业研究所，贵州 贵阳 550006)

【研究意义】干旱是影响植物生长的逆境因子之一。干旱胁迫下植物的膜脂过氧化物、保护酶和渗透调节物质等发生变化，自由基累积引起膜伤害和膜脂过氧化等作用[1-2]。丙二醛(MDA)是反映细胞膜过氧化作用的重要指标，其累积量与细胞膜过氧化作用呈正相关；植物体内的抗氧化酶〔如过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)〕和渗透调节物质〔如可溶性糖(SS)、可溶性蛋白(SP)〕组成了植物体内清除自由基的抗氧化系统，对细胞起到保护作用[2-5]。不同植物，甚至同种植物不同种质对干旱的生理响应不同，抗旱性也存在差异。丁龙等[6]指出，黑果枸杞、金露梅、蒙古莸、柠条和花棒等5种西北旱区植物可通过积累有机溶质和提高抗氧化酶活性减轻植物细胞在干旱胁迫下受到的伤害，且各植物在光合作用及生理生化等方面对土壤干旱胁迫做出了积极响应，但不同植物对干旱胁迫的适应性不同。张荟荟等[7]研究12份苜蓿(MedicagoSative)种质材料苗期抗旱性指出，不同种质材料间的抗旱性存在差异。毛花雀稗(Paspalumdilatatum)是多年生草本植物，原产于南美，适应性强，在贵州广泛分布于海拔2 200米以下地区。具有产量高、适口性好、营养丰富、抗寒耐旱、四季常绿等特性，常作为优良牧草引种栽培[8-9]。【前人研究进展】目前，关于毛花雀稗的研究主要集中在产草量、种质比较、混播草地建植技术、生育特性和驯化栽培等方面[9-13]，而针对干旱胁迫下毛花雀稗生理响应机制的系统研究鲜见报道。【本研究切入点】研究植物对干旱胁迫的响应机制，对发掘抗旱的种质材料具有重要意义。为此，以6个不同来源的毛花雀稗种质为研究对象，采用盆栽干旱模拟试验，研究不同种质的生理适应机制。但因不同种质对逆境的反应不同，其各项生理指标变化亦不同，单一生理指标无法准确反应出6个毛花雀稗种质的抗性能力强弱，但多个生理指标之间难免会有信息重叠，使用隶属函数法对植物进行综合评价具有一定的局限性[14]，利用主成分分析法和隶属函数法相结合，探讨各种质间的抗旱性强弱。【拟解决的关键问题】筛选抗旱性较强的毛花雀稗种质，为毛花雀稗抗旱型种质的选育与推广提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

毛花雀稗。6份种质，其资源信息详见表1，均由中国农业科学院草原研究所提供。

1.2 方法

1.2.1 材料预处理 ①种子处理。选择均一、饱满、无病虫害的种子，依照国际种子检验规程[15]，将供试种子置于铺有双层滤纸的培养皿中发芽。②幼苗移栽。待幼苗长出后，移入由河沙∶蛭石∶腐殖质土按体积1∶1∶1混匀的花盆中，放置温室内统一进行日常管理。③栽培基质处理。栽培基质为腐殖质土、自然土壤和蛭石(体积比1∶3∶1)的混合土壤。将基质放入烘箱中100 ℃处理12 h，使土壤持水量保持均一，每盆装5.0 kg混合基质备用。

1.2.2 试验设计 试验根据毛花雀稗种质设6个处理，即每个种质1个处理。选取生长健壮，长势均匀一致的不同种质毛花雀稗幼苗分别移栽至装有栽培基质的塑料盆中，每盆定植1株，期间管理同田间管理一致。待植株适应后，将基质浇水至饱和持水量，以后不再浇水使其逐渐自然干旱，3次重复。

1.2.3 测定项目与方法 分别在干旱处理后的第0天(对照)、第7、14、21和28天采集健康的植物叶片测定丙二醛(MDA)、可溶性蛋白(SP)、可溶性糖(SS)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)、叶绿素a(Chl a)、叶绿素b(Chl b)和叶绿素a+b[Chl(a+b)]等生理指标，3次重复。参照文献[16-20]的方法，MDA含量采用硫代巴比妥酸法测定，SP含量采用考马斯亮蓝G-250法测定，SS含量采用蒽酮比色法测定，POD活性采用愈创木酚法测定，CAT活性采用紫外吸收法测定，Chl含量采用分光光度法测定。

表1 6个毛花雀稗种质的资源信息

1.2.4 抗旱性综合评价 采用主成分分析法对6个毛花雀稗种质的MDA、SP、SS、POD、CAT、Chl a、Chl b和Chl(a+b)等生理指标进行主成分分析，按累积贡献率≥85 %确定主成分个数；参照文献[21-22]的方法，根据主成分分析结果计算主成分得分值、权重、隶属函数及综合评价分值。

Xi=∑[Ai·zi](i=1，2，3，…，n)

Wi=Pi/∑Pi(i=1，2，3，…，n)

U(xi)=(xi-ximin) / (ximax-ximin)

D=∑[U(xi) ·Wi](i=1，2，3，…，n)

式中：Ai，第i个毛花雀稗种质的特征向量值；zi，第i个毛花雀稗种质生理指标的标准化值；Wi，第i个主成分在所有主成分中的重要程度；Pi，各种质第i个主成分的贡献率；U(xi)，各种质第i个主成分的隶属函数值；xi，各种质某一主成分得分值；ximax、ximin，所有参试种质中第i个主成分的最大值与最小值；D，综合抗旱性评分值。

1.3 数据统计分析

采用Excel 2007进行数据整理及制图，采用SPSS 17.0进行单因素方差分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下毛花雀稗主要生理指标的变化

2.1.1 丙二醛(MDA)含量 6个毛花雀稗种质叶片MDA含量均随干旱时间的延长呈升高趋势。0～21 d 时6个毛花雀稗种质的MDA含量各阶段均较初始阶段显著增加，但增幅较缓慢，其中，种质No.1、No.2、No.4和No.5的增幅均较小。21～28 d时各种质MDA含量急剧增加并达到峰值，其中，No.3和No.6的增幅较大，显著高于前一阶段的含量，分别为对照(第0天，下同)的23.18和17.93倍；No.1增幅最小，仅较对照增加5.50倍。第28天时MDA的含量为No.3>No.6>No.2>No.4>No.5>No.1，No.3和No.6的MDA含量均显著高于其余4个种质(图1)。

2.1.2 过氧化物酶(POD)活性 6个毛花雀稗POD活性随干旱程度增加呈先升后降趋势。0～14 d时各种质POD活性均显著增加，并达到最大值，其中，No.1的增幅最大，为对照的1.75倍。随干旱程度增强，14～28 d时各种质的POD活性呈逐渐降低趋势。第28天时各种质的POD活性急剧下降至最小值，其中，No.3降幅最大且显著低于其余5个种质，较对照下降148.15 U/mg；No.1的降幅最小，较对照仅下降70.05 U/mg；No.2和No.5的POD活性均显著高于其余4个种质。

2.1.3 过氧化氢酶(CAT)活性 随干旱时间延长各种质CAT活性均呈先升后降趋势。第14天时各种质CAT活性均达峰值，其中，No.6的增幅最大，较对照增加5.87 U/mg；No.2的增幅最小，较对照仅增加1.91 U/mg。之后各种质随干旱时间的增加呈逐渐下降趋势，第28天时No.6的降幅最大，较第14 天下降5.32 U/mg；No.4的降幅最小，较第14天下降1.32 U/mg；第28天时No.4的CAT活性显著高于其余5个种质。

2.1.4 可溶性蛋白质(SP)含量 6个毛花雀稗种质SP含量随干旱胁迫时间的延长呈先升后降趋势。No.6在干旱胁迫第7天时SP含量达到峰值，其余5个种质则均在干旱胁迫第14天达到峰值；其中，No.1和No.2的增幅较大，分别较对照增加0.77和0.69 g/mL。之后各种质SP含量呈下降趋势，第28天时仅No.5和No.6的SP含量低于对照，二者分别较对照下降0.07和0.38 g/mL；但No.5与No.2和No.3差异不显著，No.6的SP含量显著低于其余种质。

2.1.5 可溶性糖(SS)含量 随干旱胁迫程度增强，6个毛花雀稗种质SS含量总体呈显著增加趋势，均于第28天时达到峰值。其中，No.1、No.4和No.6的SS含量均显著高于其余3个种质，与对照相比较对照增加23.41、25.70和22.08 mg/g；No.5的SS含量最小，较对照仅增加15.71 mg/g。

2.1.6 叶绿素(Chl)含量 6个毛花雀稗种质的Chl a、Chl b及Chl(a+b)含量均随干旱程度增强呈显著降低趋势。第28天时No.2的Chl a含量降幅最大，较对照下降3.14 mg/g；No.5的Chl b含量降幅最大，并均显著低于其余5个种质，较对照下降0.97 mg/g；No.2的Chl(a+b)含量降幅最大，但与No.1、No.3和No.5差异不显著，与No.4和No.6差异显著，较对照下降2.70 mg/g；No.6的Chl a、Chl b和Chl(a+b)含量降幅最小，并显著高于其他种质，与对照相比Chl a、Chl b和Chl(a+b)分别下降1.46、0.70和1.67 mg/g，表明，其受干旱影响较小。

2.2 毛花雀稗抗旱性综合评价

从表2看出，主成分1、2和3解释的方差分别占总方差的42.834 %、34.980 %和14.827 %，累积贡献率达92.641 %，能有效地解释干旱胁迫下毛花雀稗种质的生理响应，因此，可以用前3个主成分代替上述8个生理指标对毛花雀稗种质的抗旱性进行综合评价。主成分中各指标的特征向量代表单项指标对主成分的贡献度大小。第一主分中SP的特征向量最大、Chl b与Chl(a+b)次之，这些指标主要与渗透调节和光合作用有关，因此，第一主分称为渗透调节和光合作用因子。第二主分中CAT的特征向量最大，Chl a次之，CAT主要与清除膜脂质过氧化物产物有关，叶绿素a主要与光合作用有关，因此，第二主分称为抗氧化与光合作用因子。第三主分中SS的特征向量最大，SS属于渗透调节物质，因此，第三主分称为渗透调节因子。经计算得出3个主成分的权重分别为0.462、0.378和0.160。从表3看出，美国种质的抗旱性最强，其综合抗旱性D值为2.00；其次为贵州安龙(草坡)种质，D值为1.73；越南种质的抗旱性最弱，D值为-0.29；其他种质D值为0.78～1.34，抗旱性居中。

图中不同小写字母表示同一种质不同时期的差异显著(P<0.05)；不同大写字母表示不同种质在第28天时的差异显著(P<0.05)Different capital and lowercase letters in the figures indicate significance of difference at 1 % and 5 % levels respectively图1 干旱胁迫6个毛花雀稗种质主要生理指标的变化Fig.1 Variation of MDA，soluble protein，POD and CAT activity under drought stress

表2 干旱胁迫6个毛花雀稗种质各生理指标的主成分分析

表3 6个毛花雀稗种质抗旱性的隶属函数分析

3 讨 论

植物在干旱胁迫下体内过氧化物质O2-和H2O2等增加，使膜脂过氧化，其中主要产物MDA积累量的高低是反映植物细胞膜在逆境条件下受伤害程度及过氧化程度的重要指标[23-24]。前人对柳枝稷(Panicumvirgatum)[25]、大花飞燕草(Delphiniumgrandiflorum)[26]和冰草(Agropyroncristatum)[27]等植物的研究表明，随干旱时间的延长MDA含量逐渐增加，其含量与植物抗旱能力呈反比。研究结果表明，随干旱时间的增加，6个毛花雀稗种质MDA含量均表现为0～21 d缓慢增加，在第28天迅速积累到最大值，表明，此时植物保护酶系统崩溃，植物体内产生的过氧化物质不再被清除，细胞膜过氧化程度加剧、受损严重，导致MDA含量骤然升高。6个毛花雀稗种质中，美国种质的MDA含量最低，越南、贵州湄潭种质的MDA含量较高。表明，逆境下美国种质的细胞膜膜脂过氧化程度小，有较强的抗旱能力；相反越南种质、贵州湄潭种质的细胞膜膜脂过氧化程度大，抗旱能力较弱。

POD和CAT是植物清除活性氧的2种重要保护酶，具有消除自由基和降低膜脂过氧化的功能，且能较好的反应植物对逆境的适应能力[28]。研究结果表明，随干旱时间的延长，6个毛花雀稗种质的POD和CAT酶活性对干旱胁迫的响应基本相同，均呈先升后降趋势，与谢小玉等[29]对辣椒开花结果期保护酶系统的研究结果相似，表明，毛花雀稗在干旱胁迫前期(7 d)和中期(14 d)能够及时启动保护酶系统进而有效地清除植物体内的过氧化物，这是毛花雀稗对环境胁迫的一种适应性反应。但随着干旱时间的延长，毛花雀稗体内保护酶系统受损，POD与CAT活性逐渐降低，过氧化物质的产生与清除失衡。在28 d时POD活性急剧下降达到最低值，表明，此时POD对过氧化物质的清除能力最弱，这可能是导致MDA含量在干旱第28天时迅速积累到最大值的原因；其中，越南种质的POD活性降幅最大，且显著低于其余5个种质，表明，越南种质的抗氧化酶系统受损严重。

植物体内渗透调节物质(SS和SP)的积累是植物响应外界环境胁迫最常见的反应之一，这些物质的积累能维持植体内渗透势的稳定，保证植物体内正常代谢活动的进行[30]。SP含量是反应植物体内蛋白质合成及降解等多方面信息的重要指标[31-32]。研究结果表明，随干旱时间的延长各毛花雀稗种质的SP含量总体呈先增后减趋势，可能是在干旱胁迫前期(0～7 d)和中期(7～14 d)，植物为了适应逆境环境诱导抗逆蛋白合成，以维持植物细胞内的渗透势稳定，保证植物代谢的正常进行；胁迫后期(14～21 d)和末期(21～28 d)植物的SP含量达到峰值后随之降低，可能是随时间的延长，干旱程度逐渐加重，植物体内的SP合成速度逐渐减弱，而降解速度逐渐增快[31]所致；SS可使植物细胞脱水后保持其基本结构，减少植物在干旱胁迫下受到的损害，提高植物的抗逆性[33-34]。研究结果表明，随干旱胁迫时间的延长，6个毛花雀稗种质SS含量均呈显著增加趋势。即逆境胁迫下，植物可通过增加SS的含量维持植物体内的渗透势稳定，减少逆境对植物造成的损害。与崔婷茹等[35]对狼尾草(Pennisetumalopecuroides)的SS含量研究结果一致。在第28天时，美国种质的SP和SS含量最高，表明，种质美国种质的渗透势较其他种质稳定。

植物光合能力的强弱依赖于植物叶片中Chl含量的高低，Chl含量随着叶组织水分的下降而减少，因此干旱胁迫下Chl含量的变化不仅可以反映植物对水分胁迫的敏感性还能体现植物抵御逆境胁迫的能力，抗性越强的植物在干旱胁迫条件下其Chl含量下降幅度越小[36-38]。研究结果表明，Chl a、Chl b和Chl(a+b)含量随干旱胁迫的加剧均呈显著下降趋势，可能是干旱胁迫引起植物叶片失水，影响Chl的生物合成或使已合成的Chl分解，致使植物叶片Chl含量随之降低。但不同种质的降幅不同，6个毛花雀稗种质中贵州湄潭种质的Chl a、Chl b和Chl(a+b)含量的降幅最小，表明，干旱胁迫下贵州湄潭种质对水分胁迫敏感性较弱，即抗旱性较强。与MIN-WHA等[39]对朵丽蝶兰(Doritaenopsishybrid)Chl含量变化的研究结果相同。

4 结 论

为全面、准确地掌握6个毛花雀稗材料的抗旱性，该研究利用主成分分析法和隶属函数法相结合，主成分分析将有内在联系的8个生理指标转换为3个新的彼此独立的综合指标，克服了信息重叠与指标的相关性，不仅避免单一指标的片面性，又能在多指标的基础上对6个毛花雀稗种质进行隶属函数综合评价。根据综合抗旱性D值得出，美国种质抗旱性最强，其次为贵州安龙(草坡)种质，而越南种质抗旱性最弱，贵州湄潭、贵州安龙(河谷)和贵州独山种质等3个种质的抗旱性居中。因此，在毛花雀稗抗旱性牧草种质的选育与推广中，应优先选择抗旱性较强的美国种质。