干旱脅迫下黑穗畫眉草的生理響應

劉 佳，丁青霞，高 菊

(昆明理工大學生命科學與技術(shù)學院，云南昆明 650500)

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干旱脅迫下黑穗畫眉草的生理響應

劉 佳，丁青霞，高 菊*

(昆明理工大學生命科學與技術(shù)學院，云南昆明 650500)

[目的]探討云南昆明周邊黑穗畫眉草(Eragrostisnigra)的抗旱生理特性。[方法]以采自云南3個不同地方的黑穗畫眉草為試驗材料(編號為H1、H2、H3)，采用不同濃度的聚乙二醇(PEG 6000)模擬干旱脅迫，研究在不同脅迫情況下抗氧化酶、葉綠素含量、可溶性總糖含量及光合參數(shù)的變化。[結(jié)果]H1、H2、H3的過氧化物酶(POD)活性、抗壞血酸過氧化物酶(APX)活性、過氧化氫酶(CAT)活性、可溶性總糖含量和丙二醛含量均與脅迫強度和處理時間呈正相關(guān)，葉綠素含量與脅迫強度和處理時間呈負相關(guān)。3個材料的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、胞間CO2濃度(Ci)和H1的氣孔導度(Gs)均與處理時間和脅迫強度呈負相關(guān)。H2和H3干旱脅迫時Gs隨處理時間的延長先增加后減小，輕度脅迫時有最大值。[結(jié)論]3種黑穗畫眉草均有一定的抗干旱脅迫能力，H1抗旱能力高于其他2種，更能適應干旱缺水的環(huán)境。

黑穗畫眉草；干旱脅迫；抗氧化酶；葉綠素；光合作用

黑穗畫眉草是禾本科畫眉草屬的多年生草本植物，分布于中國四川、云南、貴州、甘肅等地，印度至印度支那也有分布[1]。黑穗畫眉草飼用價值高，莖葉柔嫩，適口性好，牛、羊特別喜食，放牧、青刈均可，飼用價值高，屬良等牧草[2]。全草或根可入藥，有清熱、止咳、鎮(zhèn)痛的功效[3]。

自2010年遭遇特大旱災以來，西南地區(qū)處于持續(xù)干旱狀態(tài)，云南大部、貴州西部、廣西西北部已達特大干旱等級，有日益嚴重的趨勢。干旱對于植物的正常生長、代謝有一定的影響，嚴重時可使植株死亡。在面臨脅迫死亡之前，植物會通過調(diào)節(jié)自身生理反應，增加或減少植物體內(nèi)抗性化合物的含量來應對體外干旱環(huán)境。畫眉草具有較強的抗旱能力[4]，Mulu等[5-6]通過不同的方法研究畫眉草屬植物在干旱脅迫條件下的抗旱能力，表明畫眉草屬在土壤臨界水分狀態(tài)有著更快的生長速度，生長力強，適應性好[7-9]，研究畫眉草屬的生理具有重要意義。筆者采用PEG 6000模擬干旱脅迫，研究了云南昆明周邊黑穗畫眉草的抗旱生理特性，以期為云南野生牧草抗旱研究和生態(tài)保護提供參考。

1　材料與方法

1.1材料材料分別采自云南省昆明市呈貢區(qū)吳家營鄉(xiāng)(H1)、云南省昆明市昆明植物園(H2)、云南省曲靖市麒麟?yún)^(qū)三寶鎮(zhèn)(H3)。

1.2試驗設計選健康、無病蟲害、生長狀況基本一致的黑穗畫眉草植株，清水清洗根部泥土3次，再用去離子水沖洗3次至泥土洗凈，放入配制好的對照組(CK)、輕度脅迫(5.0%，W/V)、中度脅迫(7.5%，W/V)、重度脅迫(10.0%，W/V)的PEG-6000模擬干旱條件，在光暗周期14∶10 h、光照強度2 000 lx條件下培養(yǎng)處理3 d，每個處理3次重復，于處理1、2、3 d取樣測量各項生理參數(shù)。

1.3測定項目與方法丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸(TBA)法[10]；過氧化氫(H2O2)含量測定采用碘化鉀分光光度法[11]；采用愈創(chuàng)木酚法測定POD酶活性[12]；采用過氧化氫法測定CAT酶活性[13]；采用抗壞血酸—過氧化氫(AsA-H2O2)法測定APX酶活性[14]；采用蒽酮比色法測定可溶性糖含量[15]；使用葉綠素測定儀測定葉綠素含量；使用第三代氣體交換測定系統(tǒng)LI-6400(LI-COR公司)測量葉蒸騰速率、氣孔導度、胞間CO2濃度、光合速率等參數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)處理應用Microsoft Excel 2007和SPSS 20.0軟件進行數(shù)據(jù)處理。

2　結(jié)果與分析

2.1PEG 6000模擬干旱脅迫處理對黑穗畫眉草MDA含量的影響由表1可知，隨著處理時間增加，MDA濃度增加；處理PEG 6000濃度越高，MDA濃度也隨之升高。H1、H2、H3均在10.00% PEG 6000處理3 d取得最大值，分別為(22.86±0.42)、(19.85±0.78)、(19.93±0.59) μmol/gFW，分別是對照組的2.99倍、2.72倍和2.44倍，黑穗畫眉草MDA含量對干旱脅迫有較大的響應。

表1　PEG 6000模擬干旱脅迫對3種黑穗畫眉草MDA含量的影響

注：同行不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。

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2.2PEG 6000模擬干旱脅迫對黑穗畫眉草抗氧化酶活性的影響由表2可知，隨時間增加，3種黑穗畫眉草POD酶活性的上升趨勢顯著；隨著PEG處理濃度增加，POD酶活性也升高。3種黑穗畫眉草均在處理時間為3 d、PEG 6000處理濃度為10.00%時取得最大值，分別為(62.21±8.10)、(46.98±9.64)、(48.32±4.75) U/gFW；在相同處理時間，不同處理濃度POD酶活性均表現(xiàn)為10.00%>7.50%>5.00%>CK；其中H1用10.00% PEG 6000處理3 d無論與CK處理3 d或是10.00%處理1 d比較，POD酶活性變化都是最大的。

隨時間增加，3種黑穗畫眉草CAT酶活性的上升趨勢顯著，相同處理濃度下，H1、H2、H3的CAT酶活性隨著處理時間增加其逐漸升高，即3 d>2 d>1 d；在相同處理時間，不同處理濃度CAT酶活性均表現(xiàn)為10.00%>7.50%>5.00%>CK；整體看CAT酶活性為H1>H2>H3。

3種黑穗畫眉草APX酶活性表現(xiàn)為隨時間增加其上升。H2、H3的APX酶活性上升趨勢顯著；H1的APX酶活性隨脅迫時間的增加上升趨勢不明顯，但隨脅迫強度增加其上升趨勢顯著；整體看APX酶活性表現(xiàn)為H1酶活性略大于H2，大于H3。

表2　PEG 6000模擬干旱脅迫對3種黑穗畫眉草抗氧化酶活性的影響

注：同行不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。

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2.3PEG 6000模擬干旱脅迫對黑穗畫眉草滲透物質(zhì)可溶性總糖含量的影響干旱脅迫對可溶性糖含量有顯著影響(表3)。相同處理濃度下，3種黑穗畫眉草H1、H2、H3可溶性糖含量表現(xiàn)為隨處理時間增加而上升；相同處理時間下，3種黑穗畫眉草H1、H2、H3可溶性糖含量表現(xiàn)為隨處理濃度升高而上升；可溶性總糖含量大小為H1>H2>H3，10.00% PEG 6000脅迫3 d時分別為(0.671±0.017)、(0.586±0.015)、(0.467±0.046) μg/gFW。

表3　PEG 6000模擬干旱脅迫對3種黑穗畫眉草可溶性總糖含量的影響

注：同行不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。

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2.4PEG 6000模擬干旱脅迫對黑穗畫眉草葉綠素含量的影響由表4可知，隨著干旱脅迫時間和強度的增加，3種黑穗畫眉草葉片葉綠素的相對含量減少。對照組(CK)處理1 d時葉綠素含量最高的是H1，為(36.56±1.03) mg/g，其次是H2，為(35.03±4.86) mg/g，最低的是H3，為(28.33±1.52) mg/g。3種黑穗畫眉草的葉綠素相對含量初期下降較快，后期下降趨勢漸緩。相同脅迫強度、脅迫時間條件下，黑穗畫眉草H1的葉綠素相對含量均高于H2和H3；相同脅迫強度、脅迫時間條件下，H2葉綠素相對含量高于H3，說明抗旱性以H1最強，H2次之，H3最弱。

表4　PEG 6000模擬干旱脅迫對3種黑穗畫眉草葉綠素相對含量的影響

注：同行不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。

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2.5PEG 6000模擬干旱脅迫黑穗畫眉草光合作用相關(guān)參數(shù)測定由表5可知，PEG 6000模擬干旱脅迫下，H1、H2、H3葉蒸騰速率表現(xiàn)為下降趨勢。相同處理時間下，隨脅迫強度增加氣孔導度先增加后減小，H2、H3在5.00% PEG 6000濃度處理下取得最大值，在濃度7.50%和10.00%處理下逐漸減??；相同脅迫強度下，氣孔導度隨處理時間延長而減??；相同處理時間，氣孔導度隨脅迫強度增加而減少，H1在0% PEG 6000處理1 d時有最大值(6.23±0.25)mmol/(m2·s)。相同處理時間下，凈光合速率隨處理濃度增大而減?。幌嗤幚頋舛认?，凈光合速率隨處理時間延長而下降。3種黑穗畫眉草胞間CO2濃度隨處理時間和PEG 6000處理濃度增加呈上升趨勢；黑穗畫眉草H3胞間CO2濃度隨PEG 6000濃度增加變化最大。

3　討論與結(jié)論

植物在逆境中會誘發(fā)膜脂過氧化作用，其中MDA是膜脂過氧化作用最重要的產(chǎn)物之一，因此，可通過測定MDA含量了解膜脂過氧化程度，間接測定膜系統(tǒng)受損程度及植物抗逆性[16]。該研究中，干旱脅迫對MDA含量影響明顯，MDA含量與脅迫強度和處理時間呈正相關(guān)，與韓永華[17]對大豆的研究結(jié)果一致?？梢姡参矬w內(nèi)MDA含量可以作為衡量脅迫強度的指標。

植物對抗逆境會產(chǎn)生大量活性氧，引起膜脂過氧化，導致植物損傷。而抗氧化酶能夠及時消除活性氧，避免損傷，但過度逆境脅迫會導致植物機體受損，進而減少抗氧化酶產(chǎn)生。該研究中，3種黑穗畫眉草抗氧化酶POD、APX、CAT酶的活性均與脅迫強度和處理時間呈正相關(guān)，在長時間重度脅迫情況下，3個抗氧化酶活性也是迅速上升，并未出現(xiàn)劉曉東等[18]對玉帶草的研究以及胡景江等[19]對元寶楓的研究中“抗氧化酶先上升后下降”的現(xiàn)象，而是和季楊等[20]對鴨茅的研究結(jié)果一致，表明在該研究中干旱脅迫強度未達到黑穗畫眉草的抗旱極限，黑穗畫眉草是一種具有良好抗旱性的草種。同時，采自昆明呈貢縣的黑穗畫眉草H1在相同的脅迫時間、脅迫強度條件下，各類抗氧化酶活性高于H2和H3，可以認為H1的抗旱性要高于H2、H3。

表5　PEG 6000模擬干旱脅迫對3種黑穗畫眉草光合參數(shù)的影響

注：同行不同字母表示不同處理間在0.05水平差異顯著。

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可溶性糖是植物體內(nèi)的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，植物能通過調(diào)節(jié)可溶性糖糖含量改變體內(nèi)滲透勢，從而改變植物抗旱能力，一般來說，植物體內(nèi)可溶性糖含量越高，滲透勢越高，抗旱能力就越強[21]。該研究表明，干旱脅迫對可溶性糖含量有顯著影響：3種黑穗畫眉草的H1、H2、H3可溶性糖含量隨脅迫強度以及脅迫時間的增加而增加；相同脅迫條件下，可溶性總糖含量大小為H1>H2>H3。

干旱脅迫下氣孔阻力增加，隨著脅迫強度增大甚至導致氣孔關(guān)閉，一方面阻礙蒸騰作用，進一步使葉片缺水，致使葉綠素遭到破壞，葉綠素含量減少；另一方面氣孔關(guān)閉阻礙空氣中CO2進入葉片，導致凈光合作用下降。該研究表明，葉綠素含量均與脅迫強度和處理時間呈負相關(guān)，H1的葉綠素含量在相同處理時間和脅迫強度條件下都高于H2、H3。3種黑穗畫眉草的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)總體呈下降趨勢。不同的是，黑穗畫眉草H2的Pn、Tr、Gs和Ci均與處理時間和脅迫強度呈負相關(guān)；黑穗畫眉草H2和H3的Pn、Tr、Ci與處理時間和脅迫強度呈負相關(guān)，但Gs隨處理時間的延長先增加后減小，輕度脅迫時有最大值，而在中度和重度脅迫時，Gs均隨處理時間和脅迫強度的增加而降低。這是由于干旱脅迫下氣孔部分關(guān)閉，影響Tr以及Ci，使Pn下降。不同的是，H2和H3的Gs參數(shù)變化與H1不一致，表明干旱脅迫對黑穗畫眉草光合作用的影響有一部分非氣孔因素[22]。

綜上所述，3種黑穗畫眉草均有一定的抗干旱脅迫能力，MDA含量、抗過氧化酶活性、可溶性糖含量、葉綠素含量以及4個光合作用參數(shù)的數(shù)據(jù)說明采自昆明呈貢縣的黑穗畫眉草H1的抗旱能力高于其他2種，更能適應干旱缺水的環(huán)境。

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Physiological Response ofEragrostisnigraUnder Drought Stress

LIU-Jia, DING Qing-xia, GAO-Ju*

(College of Life Science and Technology, Kunming University of Science and Technology, Kunming, Yunnan 650500)

[Objective] To discuss the physiological characteristics of drought resistance around Yunnan Province. [Method] WithEragrostisnigrain three different areas (H1, H2, H3) of Yunnan Province as the test materials, drought stress was simulated by different concentrations of PEG 6000. Changes of antioxidase, chlorophyll content, total soluble sugar content and photosynthetic parameter were researched under the stress. [Result] POD, APX and CAT activities, total soluble sugar content and MDA content of H1, H2, H3had positive correlation with stress strength and treatment time. Chlorophyll content had negative correlation with stress strength and treatment time. The net photosynthesis (Pn), transpiration rate (Tr), stomatal conductance (Gs) and intercellular CO2concentration (Ci) of threeE.nigrahad negative correlation with treatment time and stress strength. Under drought stress of H2and H3,Gsfirstly enhanced and then reduced as the treatment time prolonged, and achieved the maximum value at light stress. [Conclusion] ThreeE.nigrahave some drought stress capability, drought resistance of H1is higher than those of the other two, which can adapt to the arid environment easier.

Eragrostisnigra; Drought stress; Antioxidant enzymes; Chlorophyll; Photosynthesis

劉佳(1991-)，男，江西贛州人，碩士研究生，研究方向：禾本科植物。*通訊作者，講師，博士，從事植物生理研究。

2016-05-31

S 501

A

0517-6611(2016)22-006-05