高溫脅迫對黑麥草生長及生理代謝的影響

王日明，熊興耀

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院，湖南 長沙410128；2.懷化職業(yè)技術(shù)學院,湖南 懷化418000)

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高溫脅迫對黑麥草生長及生理代謝的影響

王日明1,2，熊興耀1*

(1.湖南農(nóng)業(yè)大學園藝園林學院，湖南 長沙410128；2.懷化職業(yè)技術(shù)學院,湖南 懷化418000)

以兩個耐熱性差異較大的多年生黑麥草品種首相(Premier，耐熱性強)和頂峰(Pinnacle，耐熱性弱)為試驗材料，分析了人工模擬晝夜溫度為適溫(25 ℃/20 ℃)和高溫(35 ℃/30 ℃)兩種溫度條件下，高溫脅迫對黑麥草生長、葉片細胞膜穩(wěn)定性、葉綠素含量、光合作用、內(nèi)源激素(ABA、IAA，GA3和ZR)以及碳水化合物(可溶性糖、淀粉、果聚糖)代謝的影響。結(jié)果表明，高溫脅迫條件下黑麥草生長減緩，葉片電導率升高，葉綠素含量和光合作用顯著下降，內(nèi)源激素脫落酸(ABA)含量升高，而生長素(IAA)、赤霉素(GA3)和細胞分裂素(ZR)含量均下降，但是在耐熱性強的品種中的變化程度均小于耐熱性弱的品種；高溫脅迫下碳水化合物中的可溶性糖含量隨處理時間的延長呈先升高隨后下降的趨勢，淀粉含量在兩個品種中均呈不同程度的下降，果聚糖含量在耐熱性強的品種中升高，在耐熱性弱的品種中先升高隨后下降。高溫脅迫下黑麥草葉片中積累或維持較高的內(nèi)源激素(ABA、GA3、IAA、ZR)和碳水化合物(可溶性糖和果聚糖)可能是耐熱性較強的主要原因，這些內(nèi)源激素或碳水化合物的積累或維持有助于黑麥草細胞內(nèi)滲透平衡和細胞膜穩(wěn)定性，保護光合器官免受損害以維持光合能力，延緩因高溫和呼吸增強導致的葉片的枯黃衰老，從而提高了黑麥草的耐高溫能力。

多年生黑麥草；高溫脅迫；內(nèi)源激素；碳水化合物；耐熱性

溫度是影響草坪草生長發(fā)育及生態(tài)分布的重要環(huán)境因子。對于冷季型草坪草，其地上部生長的最佳溫度為15～24 ℃，根系最適生長溫度為10～18 ℃，當氣溫高于35 ℃時即出現(xiàn)生長發(fā)育不良，草坪質(zhì)量下降，甚至死亡[1]。然而在過渡帶地區(qū)，夏季氣溫常達35～38 ℃的高溫，冷季型草坪草在高溫季節(jié)普遍存在難以越夏的問題。多年生黑麥草(Loliumperenne)是園林綠化中常用的冷季型草坪草，因其發(fā)芽迅速，分蘗能力強，成坪速度快，草坪質(zhì)量好，常作為草坪建植的先鋒草種，是我國過渡帶地區(qū)草坪秋冬季交播以及廣大溫帶地區(qū)草坪建植的重要草種，但由于其耐熱性較差，越夏困難而限制了其應用范圍[2]。

植物對外界環(huán)境的抵抗能力常受植株內(nèi)源物質(zhì)的調(diào)控，植物激素是其中重要的調(diào)控物質(zhì)之一，與植物對環(huán)境脅迫的適應性密切相關。當植物遭受到逆境脅迫時，會通過調(diào)節(jié)其內(nèi)源激素的含量來適應外界環(huán)境的變化[3]。其中，脫落酸(ABA)常作為逆境脅迫過程中的信號物質(zhì)被稱為脅迫激素。高溫脅迫下植物內(nèi)源ABA的大量增加[4]，可調(diào)節(jié)氣孔運動而降低蒸騰、保護光抑制以及誘導或增強抗性基因的表達等[5]。此外，ABA 還可以提高抗氧化酶的活性從而減輕逆境脅迫對細胞光合膜系統(tǒng)造成的傷害[6]。赤霉素(GA)可以調(diào)節(jié)植物體內(nèi)自由水和束縛水的含量，從而對植物的抗逆性產(chǎn)生影響；而生長素(IAA)和細胞分裂素(CTK)可以通過促進細胞伸長和調(diào)節(jié)核酸與蛋白質(zhì)的合成，延長葉片壽命和延緩植物的衰老，提高植物的抗逆能力[7]。

除了植物內(nèi)源激素以外，碳水化合物也對植物抗逆性具有重要的調(diào)節(jié)作用，同時也是植物生長發(fā)育過程中的重要能量提供者。植物體內(nèi)非結(jié)構(gòu)性碳水化合物是參與植物生長代謝的重要底物，是光合作用與生長利用之間主要的中間貯存產(chǎn)物[8]。高溫可提高呼吸作用強度而加快淀粉的分解，從而提高可溶性糖含量[9]?？扇苄蕴呛凸厶鞘侵参矬w內(nèi)有效滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，逆境脅迫下在細胞中的積累可以降低細胞的滲透勢以維持細胞的膨壓，增強細胞的吸水、保水能力，還可以提高植物的抗氧化能力，保護和維持細胞膜結(jié)構(gòu)的完整性[10]。

目前，國內(nèi)外對黑麥草耐熱性方面的研究較多，主要集中在黑麥草品種的耐熱性評價[1,11-13]，形態(tài)結(jié)構(gòu)及生長發(fā)育特性[2,14]，抗氧化酶系統(tǒng)[15-17]和亞細胞結(jié)構(gòu)[18-21]等。但是有關高溫脅迫下多年生黑麥草光合特性、內(nèi)源激素和碳水化合物代謝變化方面的研究和報道較少。本研究以兩個耐熱性差異較大的黑麥草品種為材料，探討其在人工模擬晝夜溫度為適溫(25 ℃/20 ℃)和高溫(35 ℃/30 ℃)兩種溫度條件下，溫度脅迫對黑麥草生長、葉片細胞膜穩(wěn)定性、葉綠素含量、光合作用、內(nèi)源激素脫落酸(ABA)、生長素(IAA)、赤霉素(GA3)和細胞分裂素(ZR)以及碳水化合物(可溶性糖、淀粉、果聚糖)代謝的影響，為不同耐熱性黑麥草品種的適應區(qū)域選擇和栽培應用提供實踐指導，為進一步開展冷季型草坪草耐熱機理的研究、草坪的建植與管理以及耐熱品種的遺傳改良提供科學依據(jù)。

1　材料與方法

1.1植物材料

本研究采用兩個不同耐熱性的黑麥草品種，分別為首相(Premier，耐熱性強)和頂峰(Pinnacle，耐熱性弱)，種子購自百綠草業(yè)國際有限公司。

1.2試驗設計與處理

2014年10月，將黑麥草種子播種于上口徑15 cm、下口徑10 cm、高15 cm的塑料花盆中，栽培基質(zhì)為市售花卉培養(yǎng)基質(zhì)和河砂，按體積比1∶1混合均勻，放置于湖南農(nóng)業(yè)大學試驗溫室中培養(yǎng)。待發(fā)芽后苗高約8 cm高時開始修剪，修剪高度保持約6 cm，每周每盆澆霍格蘭德營養(yǎng)液200 mL。

在溫室培養(yǎng)約45 d后，將冠層基本建成的各盆栽材料轉(zhuǎn)入人工氣候箱中進行預培養(yǎng)，生長條件為晝夜溫度25 ℃/20 ℃，相對濕度設65%～75%，12 h光照時間和400 μmol/(m2·s)的光強強度。預培養(yǎng)3 d后開始進行溫度處理，其中一個生長箱晝夜溫度設為25 ℃/20 ℃(對照)，另一個生長箱晝夜溫度設為35 ℃/30 ℃(高溫處理)，每個品種設4次重復(4盆)，隨機排放。人工氣候箱相對濕度設為65%～75%，12 h光照時間和400 μmol/(m2·s)的光強。各處理盆栽材料每天澆水保持土壤體積含水量為30%～32%，防止干旱。每盆植物材料的冠層均分為4等份，在高溫處理的第0，7，14和21天每次取1/4盆的葉片進行測定分析。每盆取倒數(shù)第3～5片功能葉片剪成約1 cm長的小斷后混勻，其中一部分葉樣用于測定其電導率和葉綠素含量，另一部分鮮葉樣在液氮速凍后保存于-80 ℃冰箱，用于內(nèi)源激素和碳水化合物的測定分析。

1.3測定項目與方法

1)生長速率：高溫處理前將冠層修剪整齊并測定高度，然后在處理的第7，14和21天用直尺測定各處理的冠層高度，兩者之差再除以處理天數(shù)為生長速率，單位為cm/d。

2)電導率：各處理分別稱取約0.1 g葉片，用去離子水沖洗干凈，剪成1 cm的小段置于試管中，加去離子水10 mL在室溫條件下振蕩24 h后，測外滲液的電導率(E1)，然后封口在高壓滅菌鍋中高溫高壓滅菌15 min，冷卻至室溫后測電導率(E2)，再按下式計算：相對電導率(%)=[(E2-E1)/E2]×100。

3)葉綠素含量：準確稱取0.1 g鮮樣放入10 mL的試管中，加入5 mL二甲基亞砜在室溫避光條件下浸提48 h，然后浸提液于波長663，645和470 nm下采用分光光度計法，測定吸光值并計算出葉綠素的含量[19]。

4)光合作用：在10:00至14:00之間，用Licor-6400光合儀測定黑麥草倒數(shù)第3片葉的凈光合速率，蒸騰速率和氣孔導度，測定條件設定為380 μmol/mol CO2，400 μmol/(m2·s)的光照強度。

5)內(nèi)源激素：準確稱取0.3 g 鮮樣放入10 mL的試管中，加入5 mL 80%冷丙酮于-20 ℃條件下提取24 h，提取液過20 μm的過濾柱以去除雜質(zhì)和色素，然后濾液用96孔固相萃取柱分步萃取，分別獲得ABA，IAA，GA3和ZR，萃取液真空干燥后，沉淀經(jīng)流動相溶解，溶解后的樣品采用高效液相色譜質(zhì)譜(HPLC-MS)的方法測定[20]。色譜柱為安捷倫Zorbax SB-C18液相色譜柱，柱溫為30 ℃，流速為200 μL/min，紫外檢測波長為265 nm，進樣量為10 μL；質(zhì)譜儀為TSQ Quantum Access MAX 三重四極桿質(zhì)譜儀，離子源選擇ESI源，離子檢測模式選擇MRM，電噴霧電壓為3500 V，質(zhì)譜掃描范圍50～600 m/z，掃描速度22000 m/(z·s)。樣品的內(nèi)源激素含量用外標法，根據(jù)激素標準品的曲線計算獲得。

6)碳水化合物：烘干至恒重的樣品經(jīng)液氮研磨過0.42 mm細篩，然后用92%的乙醇提取，上清液經(jīng)真空干燥后用流動相溶解用于測定可溶性糖(果糖、葡萄糖和蔗糖)，剩下的沉淀按Morvan-Bertrand等[8]和王正文[22]的方法利用HPLC測定果聚糖和淀粉含量?？偟姆墙Y(jié)構(gòu)性糖含量用可溶性糖、淀粉和果聚糖的總和表示。

1.4數(shù)據(jù)處理與分析

利用SAS for Window 9.0軟件進行試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計方差分析，采用Duncan多重比較檢驗不同處理間的差異(P<0.05)。

2　結(jié)果與分析

2.1高溫脅迫對黑麥草生長的影響

從圖1可以看出，在高溫脅迫條件下，兩個黑麥草品種的生長速率均隨著脅迫時間的延長而下降，其中頂峰的生長速率下降更快，在高溫脅迫的7，14和21 d，首相的生長速率分別下降至對照的60%，46%和34%，而頂峰的生長速率則分別下降至對照的50%，28%和17%；在脅迫的第7天，兩個品種間無顯著差異，到脅迫后第14和21天，頂峰的生長速率顯著低于首相。

2.2高溫脅迫對黑麥草生理的影響

2.2.1對葉片細胞膜穩(wěn)定性的影響由圖2可知，高溫脅迫下黑麥草葉片的細胞膜透性增加，相對電導率升高，且隨著脅迫時間的延長而增大。在脅迫的第7，14和21天，首相的電導率分別增加至對照的1.2，2.8和5.4倍，而頂峰則增至對照的1.9，5.3和7.2倍，在處理期間其電導率均顯著高于首相。

2.2.2對葉綠素含量的影響葉綠素含量的高低在一定程度上可以反映植物利用光能及制造有機物的能力。從圖3可以看出，高溫脅迫對黑麥草的葉綠素合成和降解產(chǎn)生了影響，兩個品種的葉綠素含量均呈下降趨勢；在脅迫的第7，14和21天，首相的葉綠素含量分別下降至對照的92%，72%和62%，而在頂峰中，則分別下降至對照的83%，56%和44%，在高溫脅迫下頂峰的葉綠素含量顯著低于首相。

圖1　高溫脅迫對多年生黑麥草生長速率的影響Fig.1　Effect of high temperature on the growth rate of perennial ryegrass

圖2　高溫脅迫對多年生黑麥草葉片電導率的影響Fig.2　Effect of high temperature on the leaf electrolyte leakages in perennial ryegrass

圖中*表示兩品種間在同一處理天數(shù)下在P<0.05的水平上差異顯著；圖中標注的誤差線為平均值±SD; 下同。* in the graph indicate significant difference between two cultivars at a given day of treatment atP<0.05; The error bars indicate mean value±SD； The same below.

2.2.3對光合作用的影響由表1可知，在對照條件下，凈光合速率、氣孔導度和蒸騰速率在兩個黑麥草品種間沒有差異；在高溫脅迫下，黑麥草的凈光合速率和氣孔導度均隨著脅迫時間的延長而降低，尤其是在頂峰中下降程度更明顯；在脅迫的第7，14和21天，首相的凈光合速率均顯著高于頂峰；而對于氣孔導度，在脅迫的第7天，兩個品種間沒有顯著差異，但是到第14和21天，首相的氣孔導度顯著高于頂峰；在高溫脅迫下，首相的蒸騰速率顯著升高，其中在處理的第14天最高，而頂峰的蒸騰速率則呈先升高后下降的趨勢，在高溫處理的第7和14天，蒸騰速率顯著高于對照，到第21天時則顯著低于對照。

圖3　高溫脅迫對多年生黑麥草葉綠素含量的影響Fig.3　Effect of high temperature on the chlorophyll content in perennial ryegrass

2.3高溫脅迫對黑麥草葉片代謝的影響

2.3.1對葉片內(nèi)源激素代謝的影響從表2可以看出，高溫脅迫誘導了ABA在兩個黑麥草品種葉片中的積累，而且隨著脅迫時間的延長，積累量增大；在高溫處理期間，首相的ABA含量均顯著高于頂峰，在高溫脅迫的第7，14和21天，ABA在首相中的積累量分別增加至對照的2.8，5.2和11.4倍，而在頂峰中，僅分別增加至對照的2.5，4.5和10.0倍；高溫脅迫下，黑麥草葉片中的IAA，GA3和ZR的含量均呈下降趨勢，且隨著高溫處理時間的延長而降低；其中，在高溫處理前和高溫處理的第7天，兩個品種間的IAA和ZR含量沒有顯著差異，在高溫處理的第14和21天時，首相葉片中的IAA和ZR含量顯著高于頂峰；在高溫處理的第7，14和21天，首相葉片中的GA3含量均顯著高于頂峰。

表1　高溫脅迫對黑麥草葉片光合特性的影響

注：同列中不同大寫字母表示同一處理時間下兩個品種間在P<0.05水平上差異顯著，同行中不同小寫字母表示同一品種不同處理時間在P<0.05水平上差異顯著，下同。

Note: Means in a column marked with different upper-case letters indicate significant differences between two cultivars atP<0.05 levels, means in a row followed by different lower-case letters indicate significant differences among different treatment time atP<0.05 levels, the same below.

表2　高溫脅迫對黑麥草葉片內(nèi)源激素含量的影響

表3　高溫脅迫對黑麥草葉片碳水化合物含量的影響

2.3.2對葉片碳水化合物代謝的影響由表3可以看出，高溫脅迫下黑麥草葉片中可溶性糖、淀粉和果聚糖含量的變化隨處理時間的不同而不同，除在處理后第7天的淀粉含量外，首相葉片中的可溶性糖、淀粉和果聚糖含量均顯著高于頂峰；可溶性糖含量在兩個黑麥草品種中的變化呈先升高隨后下降的趨勢，在首相葉片中，在處理的第7和14天顯著高于對照，在處理的第21天又下降至對照水平；在頂峰葉片中，可溶性糖含量跟對照相比只在處理的第7天顯著升高，隨后在處理的第14和21天則顯著下降；高溫脅迫誘導了黑麥草葉片中淀粉的水解，含量下降，其中頂峰下降程度更大；在高溫處理的第7，14和21天，首相葉片中淀粉的含量分別下降至對照的71%，65%和41%，而在頂峰葉片中，則分別下降至對照的58%，52%和28%；高溫脅迫下果聚糖含量在首相葉片中顯著升高，其以處理的第14天最高，而在頂峰葉片中，與對照相比果聚糖含量在高溫處理的第7和14天顯著升高，而在處理的第21天則顯著下降。

3　討論

3.1高溫對黑麥草葉片細胞膜穩(wěn)定性的影響

植物細胞膜對維持細胞的微環(huán)境和正常代謝起著重要作用，當植物遭受到高溫等逆境環(huán)境時，細胞膜系統(tǒng)常受到不同程度的傷害而隨之喪失選擇性，引起細胞內(nèi)電解質(zhì)外滲[23]。因此，電解質(zhì)滲漏率常用作植物膜系統(tǒng)穩(wěn)定與否的重要指標，其大小與植物抗逆境能力密切相關[1,16,24]。本試驗結(jié)果表明，高溫脅迫條件下，兩個不同耐熱性的黑麥草品種葉片的電導率均呈上升趨勢，表明高溫對黑麥草葉片的細胞膜系統(tǒng)造成了傷害，這跟前人的研究認為高溫使黑麥草葉片電導率升高結(jié)果一致[25-26]。細胞膜熱穩(wěn)定性越高說明植物葉片相對傷害率越低，植物的耐熱性越強。在本研究中發(fā)現(xiàn)，黑麥草品種首相葉片的電導率顯著低于頂峰，表明首相的耐熱性強于頂峰，這與前人在匍匐剪股穎(Agrostisstolonifera)﹑冬蘿卜(Raphanussativus)和茄子(Solanummelongena)中的研究結(jié)果一致，均認為耐熱品種具有較強的維持膜系統(tǒng)相對穩(wěn)定和膜結(jié)構(gòu)完整的能力[24,27-29]。

3.2高溫對黑麥草葉片衰老和光合特性的影響

葉片失綠被認為是葉片衰老的最主要和最初的癥狀，因此常用葉綠素含量作為葉片衰老的標志。此外，葉綠素作為植物進行光合作用的主要色素，其含量的高低在一定程度上反映了葉片光合能力和光合潛力的大小，因此也通常把葉綠素含量作為葉片功能的一個重要指標[30]。本研究結(jié)果顯示，在高溫脅迫下隨著處理時間的延長，兩個黑麥草品種葉片均出現(xiàn)枯黃失綠，表明高溫誘導了黑麥草的衰老，造成了葉綠體結(jié)構(gòu)的破壞從而導致葉綠素含量顯著下降，其中頂峰葉片的葉綠素含量下降更快，表明其對高溫更敏感，這與前人的研究結(jié)果一致，均認為耐熱性好的品種植株葉片中可以維持相對較高的葉綠素含量，光合能力強，光合潛力大[18,31-32]。

光合作用是一切生物直接或間接的能量來源，是植物進行物質(zhì)轉(zhuǎn)換和能量代謝的關鍵[33]。大多數(shù)植物即使在短時間(15～60 min)的高溫(35～40 ℃)脅迫下，其光合作用就會受到明顯抑制[34]。本研究結(jié)果顯示，在高溫脅迫下，兩個不同耐熱性的黑麥草品種其凈光合速率和氣孔導度均隨著脅迫時間的延長而下降，表明高溫對黑麥草的光合作用產(chǎn)生了明顯的抑制。有研究顯示，高溫脅迫下，氣孔因素是植物葉片凈光合速率下降的主要原因[35-36]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下光合色素的降低、原初反應及電子傳遞鏈等受損或被抑制、Rubisco 羧化活力下降以及產(chǎn)生光抑制和光氧化等非氣孔因素是光合速率降低的主要原因[37]。從本研究結(jié)果來看，在高溫脅迫的初期，氣孔因素是光合下降的主要原因，而到了高溫脅迫的后期，葉綠體等光合器官受到損害，光合酶失活等非氣孔因素成了光合降低的主要因素。

在一定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的增加，植物的蒸騰速率則會加快從而達到降溫和防止葉片被高溫灼傷。本研究結(jié)果顯示，耐熱性強的黑麥草品種在高溫處理期間均能維持較高的蒸騰速率，而耐熱性弱的品種，其蒸騰速率表現(xiàn)為先升高隨后下降的趨勢，表明耐熱品種維持較高的蒸騰而可以有效降低葉片溫度，有利于維持葉片的正常生理功能，而耐熱性弱的品種則隨著高溫脅迫下氣孔的關閉，蒸騰能力隨之下降，葉溫上升，其葉片的光合等正常的生理代謝活動被擾亂，因而出現(xiàn)枯黃早衰。這與前人在月季(Rosachinensis)、辣椒(Capsicumannuum)和茄子中的研究一致，認為在高溫脅迫下植株的蒸騰速率均有所下降，并且認為其下降幅度與品種的耐熱性呈負相關[38-40]。

3.3高溫對黑麥草內(nèi)源激素代謝的影響

植物內(nèi)源激素是在植物體內(nèi)合成并能從產(chǎn)生部位運輸?shù)阶饔貌课唬⑶以诤艿偷臐舛认戮湍苷{(diào)節(jié)植物生長發(fā)育和抗逆性的一類有機小分子物質(zhì)，是植物體生命活動的調(diào)節(jié)者,在植物遭受逆境脅迫時起著重要的調(diào)節(jié)作用[41]。研究普遍認為逆境能影響植物內(nèi)源激素的含量及其生物活性，通常是ABA等抑制類內(nèi)源激素含量會顯著增加，而GA、IAA等促進類內(nèi)源激素含量則下降，從而調(diào)控植物體內(nèi)的代謝生理過程和抗逆性。本研究結(jié)果表明，在高溫脅迫條件下，隨著脅迫時間的延長，兩個不同耐熱性的黑麥草品種葉片ABA積累量顯著增加，而GA3、IAA和ZR含量均顯著下降。這與前人的研究結(jié)果一致[35,42]。

ABA通常被稱為脅迫激素，因其常作為逆境脅迫過程中的信號物質(zhì)，高溫脅迫可誘導植物內(nèi)源ABA含量的大量增加。本研究結(jié)果顯示，高溫誘導了黑麥草葉片中ABA的積累，其中耐熱性強的品種積累量更高，表明ABA含量的升高與其耐熱能力密切相關。高溫逆境會造成植物光合功能衰退，活性氧積累，而葉片中ABA含量的上升,不僅可以防護光抑制以及誘導或增加抗性基因的表達而增強植物對高溫的適應能力[5]，還可以提高SOD、POD 和CAT 等抗氧化酶的活性，減輕因逆境脅迫產(chǎn)生的氧自由基對細胞膜系統(tǒng)造成的傷害[6]。

赤霉素能夠通過調(diào)控植物體內(nèi)自由水和束縛水的含量來影響植物的抗逆性，而生長素可以促進細胞伸長和調(diào)節(jié)核酸與蛋白質(zhì)的合成，細胞分裂素參與了葉綠體和類囊體基粒片層的發(fā)育，從而延緩了逆境脅迫下葉片的衰老[7,43]。此外，細胞分裂素還可提高SOD等膜保護酶的活性，直接或間接地清除自由基，減少脂質(zhì)過氧化及膜脂肪酸組成的比例從而保護細胞膜結(jié)構(gòu)和功能的完整性[44]。本研究結(jié)果顯示，高溫脅迫下黑麥草葉片中的GA3，IAA和ZR含量呈下降趨勢，但是在耐熱性強的品種中的含量顯著高于耐熱性弱的品種，表明高溫脅迫下黑麥草葉片GA3、IAA和ZR含量與其耐高溫能力密切相關，而維持較高的GA3、IAA和ZR含量有助于降低自由水的含量，延緩葉片的枯黃衰老和維持細胞膜的穩(wěn)定性，從而提高了黑麥草的耐高溫能力。

3.4高溫對黑麥草碳水化合物代謝的影響

高溫脅迫可引起植物細胞膜透性增大而導致電解質(zhì)滲漏，為防止電解質(zhì)過多外滲，植物可通過調(diào)節(jié)體內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的種類和含量以適應逆境環(huán)境，其中可溶性糖是植物組織中所含有的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)之一[45]。本研究結(jié)果表明，高溫條件下黑麥草耐熱品種能維持較高的可溶糖含量，而耐熱性弱的品種其含量顯著下降，表明可溶性糖的含量與黑麥草的耐熱能力密切相關，較高的可溶性糖含量可以降低細胞的滲透勢以維持細胞的膨壓,防止細胞內(nèi)大量的被動脫水，這與前人在冷季型草坪草[27,46]，暖季型草坪草[47]，蘿卜[24]，黃瓜(Cucumissativus)[48]和水稻[32,49]中的研究結(jié)果一致。本試驗結(jié)果中，高溫脅迫導致耐熱性弱的品種中可溶性糖在脅迫初期顯著升高，可能與淀粉的分解有關，而在脅迫后期則顯著下降，這可能與高溫影響了葉片的光合能力有關。

淀粉是植物主要的能量貯藏物質(zhì)，是在葉綠體或淀粉體中通過一系列酶促反應合成的，在植物生長發(fā)育過程中起著重要作用[50]。高溫可以提高植物的呼吸作用強度從而加快淀粉的分解。在本實驗中，不同耐熱性的黑麥草品種葉片淀粉含量均呈下降趨勢，表明高溫造成了淀粉合成的減少和分解的增加，但在耐熱品種中的含量顯著高于耐熱性弱的品種，表明淀粉作為一種主要的能量貯藏物質(zhì)在黑麥草的耐熱性中起了重要的作用。

果聚糖是一類重要的碳水化合物，許多研究表明果聚糖在植物中的積累對提高植物的抗逆性具有重要作用[51]。本研究結(jié)果顯示，在高溫脅迫下，隨著脅迫時間的延長，果聚糖含量在耐熱品種中呈上升趨勢，而在耐熱性弱的品種中呈先上升隨后下降的趨勢，表明高溫誘導了果聚糖在耐熱品種中的積累。果聚糖不僅能減輕植物因冷害引起的氧化脅迫對細胞膜結(jié)構(gòu)和功能的傷害，從而增強植物的抗寒性[52]，還能維持脂質(zhì)體在低溫和干旱條件下相態(tài)的改變，修復脅迫對膜的損害，有效地穩(wěn)定膜結(jié)構(gòu)[53]。Vereyken等[21]研究發(fā)現(xiàn)，果聚糖能插入脂質(zhì)結(jié)構(gòu)的頭部區(qū)域，進而使磷脂酰乙醇胺穩(wěn)定于液晶相(Lα相)，從而增強對膜脂質(zhì)體的保護作用。由此可知，高溫脅迫下耐熱的黑麥草葉片積累或維持較高的果聚糖，有助于黑麥草維持細胞內(nèi)滲透平衡和細胞膜的穩(wěn)定性，從而提高對高溫的適應性和抵抗能力。

4　結(jié)論

通過對兩個耐熱性不同的黑麥草品種在人工模擬高溫脅迫條件下生長的差異、細胞膜的穩(wěn)定性、葉綠素含量、光合特性、內(nèi)源激素ABA、GA3、IAA和ZR含量以及碳水化合物的測定分析表明，高溫脅迫條件下積累或維持較高的內(nèi)源激素(ABA、GA3、IAA、ZR)和碳水化合物(可溶性糖、淀粉和果聚糖)可能是多年生黑麥草耐熱的重要原因，這些內(nèi)源激素和碳水化合物的積累或維持有助于黑麥草細胞內(nèi)滲透平衡和細胞膜穩(wěn)定性的維持、延緩葉片的枯黃衰老、維持光合能力，從而提高了黑麥草的耐高溫能力。

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Effect of temperature stress on growth and metabolism in perennial ryegrass

WANG Ri-Ming1,2, XIONG Xing-Yao1*

1.CollegeofHorticulture&Landscape,HunanAgriculturalUniversity,Changsha410128,China; 2.HuaihuaVocationalandTechnicalCollege,Huaihua418000,China

In order to investigate the effects of high temperatures on growth, leaf membrane stability, chlorophyll content, photosynthesis, endogenous hormones and carbohydrate metabolism, two perennial ryegrass (Loliumperenne) cultivars with contrasting heat tolerance, ‘Premier’ (tolerant) and ‘Pinnacle’ (sensitive) were selected and treated under optimum (25 ℃/20 ℃) and high (35 ℃/30 ℃) temperatures in growth chambers for 21 days. The results demonstrated that leaf electrolyte leakage and abscisic acid (ABA) content increased while plant growth, chlorophyll content, photosynthesis and endogenous hormones auxin (IAA), gibberellin (GA3) and cytokinin (ZR) decreased under high temperature, more so in Pinnacle than in Premier. Soluble sugars and fructans increased and subsequently decreased with prolonged temperature treatment, while starch content decreased in both cultivars under high temperature, but Premier maintained relatively high starch content compared to Pinnacle. Accumulating or maintaining high phytohormones levels, including ABA, GA3, IAA and ZR, and carbohydrates including soluble sugars and fructans associated with cellular osmotic homeostasis and membrane stability, delayed leaf senescence, protecting photosynthetic apparatus from heat damage and maintaining photosynthetic capacity may all contribute to heat tolerance in perennial ryegrass.

perennial ryegrass; high temperature stress; endogenous hormones; carbohydrates; heat stress tolerance

10.11686/cyxb2015563http://cyxb.lzu.edu.cn

王日明, 熊興耀. 高溫脅迫對黑麥草生長及生理代謝的影響. 草業(yè)學報, 2016, 25(8): 81-90.

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2015-12-14；改回日期：2016-04-07

湖南省教育廳課題(09C1267)資助。

王日明(1971-)，男，湖南邵陽人，副教授，博士。E-mail: 362603681@qq.com

Corresponding author. E-mail: xiongxingyao@126.com