干旱脅迫對(duì)內(nèi)蒙古草原多根蔥生理生化指標(biāo)的影響

包秀霞，包秀平，廉 勇

(1.呼和浩特民族學(xué)院 環(huán)境工程系，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.江西省進(jìn)賢縣三中，江西 南昌 331700； 3.內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院 蔬菜所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

多根蔥(Alliumpolyrhizum)大量分布在荒漠化草原地帶，是百合科蔥屬多年生草本植物，也是典型的旱生植物，鱗莖外圍包著一層很厚的枯死鱗莖皮，于地表處形成保護(hù)層，防旱和防熱，減少鱗莖根系曝曬和蒸發(fā)水分。遇干旱年份，到了生長(zhǎng)季節(jié)仍保持休眠狀態(tài)，其萌發(fā)期可推遲，以避過干旱。關(guān)于植物抗旱機(jī)理方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已有了大量的研究，但目前對(duì)荒漠草原典型旱生植物—多根蔥抗旱機(jī)理方面系統(tǒng)的研究還未見報(bào)道。

干旱是影響植物分布和生長(zhǎng)發(fā)育的主要環(huán)境因子之一，其危害程度在諸多非生物脅迫中占首位。隨著全球氣候與環(huán)境的變化，加之降水季節(jié)和地域分布極不均勻，水資源短缺日趨明顯，土壤有效含水量逐年減少[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)約有三分之一的土地處于干旱區(qū)，其他地區(qū)在植物生長(zhǎng)季節(jié)也常發(fā)生不同程度的干旱，即干旱脅迫[2]。范蘇魯?shù)萚3]研究表明，隨著干旱脅迫程度的增加，大麗花葉片相對(duì)含水量、水勢(shì)和葉綠素顯著下降，相對(duì)電導(dǎo)率、丙二醛含量顯著增加，抗氧化酶SOD、POD和CAT活性先上升后下降。植物在干旱環(huán)境下會(huì)引起膜傷害和膜透性的增加，以及生物自由基的累積，而植物體內(nèi)抗氧化酶類和小分子物質(zhì)可以清除這些活性氧自由基，這是植物對(duì)不良環(huán)境的適應(yīng)性反應(yīng)[4]。本試驗(yàn)為了探索內(nèi)蒙古不同草原區(qū)多根蔥抗旱性差異的原因，對(duì)內(nèi)蒙古四子王旗草原內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院科研基地、赤峰巴林右旗巴音塔拉蘇木和鄂爾多斯鄂托克前旗城川鎮(zhèn)珠拉圖嘎查草原多根蔥生理生化指標(biāo)進(jìn)行分析，以期為今后的栽培應(yīng)用及抗性新品種的選育提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為多根蔥抗旱種質(zhì)的改良、創(chuàng)新等研究提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2015年7-8月在內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院蔬菜所實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。供試材料為內(nèi)蒙古四子王旗草原內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院科研基地(Ⅰ)、赤峰巴林右旗巴音塔拉蘇木(Ⅱ)和鄂爾多斯鄂托克前旗城川鎮(zhèn)珠拉圖嘎查(Ⅲ)草原多根蔥，4月底在內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院日光溫室種植于育苗盆中，每盆裝基質(zhì)(壤土∶草炭 ∶沙土=5∶3∶2)共10 kg。苗長(zhǎng)到15 cm左右時(shí)，選取生長(zhǎng)健壯、長(zhǎng)勢(shì)一致的苗子，并測(cè)定生理生化指標(biāo)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用上口徑30 cm，底面直徑25 cm，高27 cm的黑色聚丙烯塑料盆作為育苗容器，試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)處理：一組是對(duì)照組(CK)，正常澆水保證植物的旺盛生長(zhǎng)；一組為處理組，2015年7月底進(jìn)行干旱脅迫，將每盆充分灌溉，使土壤含水量一致，停止灌溉后等土壤自然落干后進(jìn)行干旱脅迫，干旱脅迫共分為3個(gè)階段，設(shè)停水10，20，30 d的脅迫處理，每一階段對(duì)不同草原區(qū)多根蔥分別選擇3～5個(gè)大小均勻的成熟葉片作為供試材料。在處理10，20，30 d后分別采樣后放入冰壺中，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定，每個(gè)處理組設(shè)3次重復(fù)。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)及方法 葉片相對(duì)含水量采用烘干稱量法測(cè)定[5]，葉片電解質(zhì)滲透率采用電導(dǎo)儀法測(cè)定[6]，葉綠素含量采用丙酮浸提法測(cè)定[6]，葉片丙二醛(MDA)含量采用硫代巴比妥酸法測(cè)定，葉片脯氨酸含量采用磺基水楊酸提取茚三酮顯色法測(cè)定[6]，葉片SOD活性采用氮藍(lán)四唑(NBT)光還原法測(cè)定，葉片POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測(cè)定，葉片CAT活性采用紫外分光光度法測(cè)定[5]，UV-2450型紫外可見分光光度計(jì)測(cè)定吸光值，均重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel、SPSS 19.0(用單因素方差分析one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同處理組數(shù)據(jù)的差異，用Pearson相關(guān)系數(shù)評(píng)價(jià)不同指標(biāo)間的相關(guān)關(guān)系，并用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)統(tǒng)計(jì)分析。

本試驗(yàn)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法[7]。以下公式計(jì)算：

X(μ)=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(某一指標(biāo)與抗性為正相關(guān)時(shí)使用此公式)；

X(μ)=1-(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(某一指標(biāo)與抗性為負(fù)相關(guān)時(shí)使用此公式)。

X=參試植物某一抗性指標(biāo)的測(cè)定值；Xmax=所有指標(biāo)中的最大值；Xmin=所有指標(biāo)中的最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下多根蔥葉片水分狀況的變化

由表1可以看出，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，3個(gè)樣地多根蔥葉片相對(duì)含水量逐漸降低，含水量降低幅度最高為赤峰，最低為鄂爾多斯，且各處理間存在顯著差異。水分飽和虧隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，變化趨勢(shì)與含水量相反。說(shuō)明，取樣地Ⅱ和 Ⅲ多根蔥抗旱能力高于樣地Ⅰ。

2.2 干旱脅迫下多根蔥葉片葉綠素含量和相對(duì)電導(dǎo)率的變化

從表2分析結(jié)果能看出，隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，3個(gè)樣地多根蔥幼苗葉片中葉綠素a、b含量、總?cè)~綠素含量及類胡蘿卜素含量均呈先上升后下降的趨勢(shì)；20，30 d處理下葉綠素含量與對(duì)照之間存在顯著差異(P<0.05)；隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)，相對(duì)電導(dǎo)率呈逐漸上升的趨勢(shì)，對(duì)照與其他各處理間均存在顯著差異(P<0.05)。

表1 干旱脅迫下多根蔥葉片相對(duì)含水量和水分飽和虧Tab.1 Relative water content and water saturation deficit in Allium polyrhizum leaves under drought stress %

注：表中數(shù)據(jù)為均值±標(biāo)準(zhǔn)誤差；同列同一個(gè)樣地不同處理下不同字母表示差異顯著(P<0.05)。表2同。

Note：Mean±SD；Different letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.05 level. The same as Tab.2.

表2 干旱脅迫下多根蔥葉片葉綠素和相對(duì)電導(dǎo)率

2.3 干旱脅迫下多根蔥葉片脯氨酸和丙二醛含量的變化

表3試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，3個(gè)樣地多根蔥幼苗葉片脯氨酸和丙二醛含量呈逐漸上升的趨勢(shì)；重度處理下，樣地Ⅱ和 Ⅲ脯氨酸含量增幅高于樣地Ⅰ，樣地Ⅰ丙二醛含量增幅高于其他2個(gè)樣地，3個(gè)樣地對(duì)照與其他處理間基本達(dá)到顯著和極顯著差異。

表3 干旱脅迫下多根蔥葉片脯氨酸和丙二醛含量Tab.3 Proline and MDA content in Allium polyrhizum leaves under drought stress(Mean±SD) μg/g

注：同列同一個(gè)樣地不同處理下不同大寫字母表示極顯著差異(P<0.01)；同列同一個(gè)樣地不同處理下不同小寫字母表示顯著差異(P<0.05)。表4同。

Note：Different uppercase letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.01 level. Different letters in the same column same plot different treatment meant significant difference at 0.05 level. The same as Tab.4.

2.4 干旱脅迫下多根蔥葉片抗氧化物酶活性的變化

由表4可知，隨著脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，3個(gè)樣地多根蔥葉片SOD、POD、CAT活性基本呈先上升后下降的趨勢(shì)。SOD、POD和CAT活性在20 d處理最大，30 d處理逐漸下降。3個(gè)樣地的20 d處理與對(duì)照處理間SOD、POD和CAT活性達(dá)到顯著和極顯著差異。這說(shuō)明，一定強(qiáng)度的干旱脅迫可使多根蔥葉片的抗氧化酶SOD、POD和CAT活性上升；但嚴(yán)重的干旱脅迫可能抑制了SOD、POD和CAT活性，使之降低。

表4 干旱脅迫下多根蔥葉片SOD,POD和CAT活性

2.5 干旱脅迫下多根蔥葉片生理生化指標(biāo)的相關(guān)分析

表5相關(guān)分析結(jié)果表明，相對(duì)含水量與水分飽和虧呈極顯著負(fù)相關(guān)，與脯氨酸呈顯著負(fù)相關(guān)，與類胡蘿卜素含量呈顯著正相關(guān)?？?cè)~綠素與葉綠素a、b含量間呈極顯著正相關(guān)，葉綠素a與葉綠素b間呈顯著正相關(guān)，葉綠素a、b、總含量與SOD、POD間呈顯著正相關(guān)。相對(duì)電導(dǎo)率與CAT活性間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與脯氨酸、丙二醛含量呈顯著正相關(guān)。脯氨酸與丙二醛呈顯著正相關(guān)，與CAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)。丙二醛與SOD、POD、CAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)，SOD與POD活性呈顯著正相關(guān)。

表5 干旱脅迫下多根蔥葉片各生理生化指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)Tab.5 Correlation coefficients physiological and biochemical indexes in Allium polyrhizum leaves under drought stress

注：*.P<0.05；**.P<0.01。

Note:*.P<0.05；**.P<0.01.

2.6 抗旱性綜合評(píng)價(jià)

用隸屬函數(shù)法對(duì)多根蔥葉片生理生化指標(biāo)進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，得到平均隸屬函數(shù)值，排列出了3個(gè)樣地多根蔥耐旱強(qiáng)弱順序。如表6所示，隸屬函數(shù)均值最大為樣地 Ⅰ，最小的為Ⅱ，樣地Ⅱ居中，其耐旱性強(qiáng)弱順序?yàn)椋孩?Ⅲ>Ⅱ。

表6 干旱脅迫下多根蔥抗旱性綜合評(píng)價(jià)(隸屬函數(shù)法)Tab.6 Effects of drought stress in Allium polyrhizum on drought resistance indexes of comprehensive evaluation(Membership function method)

3 討論

3.1 干旱脅迫對(duì)植物葉綠素及膜脂過氧化作用的影響

在水分脅迫條件下，植物的敏感程度在某種程度上可以用葉綠素變化來(lái)指示[8]。薛彥斌等[9]研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下3種藤本地被植物葉綠素含量呈下降趨勢(shì)。質(zhì)膜是分割細(xì)胞內(nèi)、外物質(zhì)的主要屏障，細(xì)胞與環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)交換的重要通道，也是感受外界環(huán)境脅迫最敏感的部位[10]，植物葉片中相對(duì)電導(dǎo)率的增加，能評(píng)價(jià)植物細(xì)胞的傷害程度[5]。在逆境條件下，膜脂過氧化反應(yīng)的變化已廣泛用于植物對(duì)逆境反應(yīng)機(jī)理的研究中[11]。干旱脅迫可使植物體內(nèi)自由基積累量上升，產(chǎn)生活性氧(ROS)；而ROS的化學(xué)性質(zhì)極為活潑，可與植物葉片中全部生物大分子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，破壞其活性構(gòu)象，影響細(xì)胞的正常代謝，使其丙二醛(MDA)含量增加，從而破壞膜的結(jié)構(gòu)[12]。MDA的積累是反映細(xì)胞膜脂過氧化作用強(qiáng)弱和質(zhì)膜破壞程度的重要指標(biāo)，也是反映干旱脅迫對(duì)植物造成傷害的重要參數(shù)[13]。本研究中，隨著干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，多根蔥葉片電導(dǎo)率總體呈上升趨勢(shì)。這與植物在逆境脅迫時(shí)，細(xì)胞膜受損，透性增大，使電解質(zhì)外滲量增加，膜透性增大程度與逆境脅迫程度有關(guān)的觀點(diǎn)相一致[14]。

3.2 干旱脅迫對(duì)植物滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)-脯氨酸的影響

植物受到脅迫時(shí)，植物體內(nèi)游離脯氨酸逐漸積累，在植物的滲透調(diào)節(jié)中起重要作用。干旱脅迫下，植物通過滲透調(diào)節(jié)增加細(xì)胞溶質(zhì)含量，保持細(xì)胞水分從而抵御不利環(huán)境，其中脯氨酸是重要的調(diào)節(jié)物質(zhì)。植株體內(nèi)的脯氨酸含量可以作為植物缺水情況的參考性生理指標(biāo)[15]。有研究發(fā)現(xiàn)，可以用脯氨酸的積累來(lái)衡量植物的抗旱性[16]。有的研究者認(rèn)為抗旱性強(qiáng)的植物所積累的脯氨酸少，而抗旱性弱的植物所積累的脯氨酸較多[17]，而更多的研究正好相反，即抗旱性強(qiáng)的植物所積累的脯氨酸較多，而抗旱性弱的植物所積累的脯氨酸相對(duì)較少[18-19]。不同植物在干旱條件下脯氨酸的積累速度、幅度與不同植物的生理調(diào)節(jié)特性有關(guān)。本研究中，水分脅迫下多根蔥葉片中脯氨酸含量顯著增加，這與范蘇魯?shù)萚3]的研究結(jié)果相一致。脯氨酸與相對(duì)含水量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，并且脅迫后期顯著增加，說(shuō)明脯氨酸積累對(duì)干旱脅迫產(chǎn)生了反應(yīng)，這與范蘇魯?shù)萚3]研究結(jié)果相一致。

3.3 干旱脅迫對(duì)植物葉片保護(hù)酶系統(tǒng)的影響

在整個(gè)抗氧化防御系統(tǒng)中，SOD是所有植物中起重要作用的抗氧化酶，能夠有效地清除植物活性氧，減輕膜脂過氧化，引起膜傷害；POD是植物體內(nèi)擔(dān)負(fù)清除H2O2的主要酶類之一，POD能催化H2O2氧化其他底物后產(chǎn)生H2O。CAT也是生物體內(nèi)極為重要的保護(hù)酶，它也能清除細(xì)胞內(nèi)過多的H2O2，使其維持在低水平上保護(hù)細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)。有研究結(jié)果表明，干旱脅迫下SOD、POD和CAT活性逐漸增強(qiáng)，具有維持活性氧代謝平衡、保護(hù)膜結(jié)構(gòu)的功能。在適度逆境誘導(dǎo)下，植物葉片中SOD、POD和CAT活性增加，以提高植物的適應(yīng)能力；研究發(fā)現(xiàn)，在脅迫試驗(yàn)中，酶活性一般隨脅迫強(qiáng)度增加而增加，達(dá)到嚴(yán)重脅迫后逐漸降低，或者呈先增加后降低的基本趨勢(shì)[20]。本試驗(yàn)結(jié)果表明，多根蔥抗氧化酶活性先升高后降低，在一定干旱脅迫范圍內(nèi)，通過增加酶活性來(lái)提高適應(yīng)干旱脅迫的能力。但當(dāng)脅迫超出其忍耐范圍，保護(hù)酶活性則會(huì)下降，說(shuō)明多根蔥忍耐干旱脅迫的能力也是有限的。這與范蘇魯[3]、張文輝等[21]在栓皮櫟上的研究結(jié)果相一致。

3.4 植物抗旱性的綜合評(píng)價(jià)

植物葉片是植物進(jìn)行同化作用與蒸騰作用的主要器官，其形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)特征最能體現(xiàn)環(huán)境因子的影響程度及植物對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)能力[22]，基本能反映抗旱程度的大小，是重要的耐旱性指標(biāo)，因此，研究植物葉片生理生化特征對(duì)詮釋物種的抗旱性機(jī)制具有重要的意義。另外，在植物的抗旱性研究中水分生理生態(tài)特征也一直是研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)[23-24]。經(jīng)過研究，各種植物材料的抗旱性是采用不同指標(biāo)時(shí)評(píng)價(jià)結(jié)果差異較大，參差不齊，由于植物抗旱機(jī)理的復(fù)雜性及植物對(duì)干旱適應(yīng)的多樣性，單一的指標(biāo)很難判斷植物抗旱性的強(qiáng)弱，只有采用多指標(biāo)的綜合性評(píng)價(jià)，才能比較客觀地反映植物的抗旱性?？鼓嫘栽u(píng)價(jià)方法中，模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法為目前應(yīng)用最廣的抗旱綜合分析方法，隸屬函數(shù)綜合評(píng)價(jià)法對(duì)植物的抗旱性評(píng)價(jià)較有可靠性，本研究采用隸屬函數(shù)法綜合植物生理生化特征對(duì)植物的抗旱性進(jìn)行的評(píng)價(jià)是比較可靠的。本試驗(yàn)中，隸屬函數(shù)法抗旱性綜合評(píng)價(jià)多根蔥耐旱性強(qiáng)弱順序?yàn)棰? Ⅲ>Ⅱ。