高寒燕麥苗期抗旱性研究

羅興雨，李亞萍，陳仕勇，周青平*，陳有軍，田莉華，陳振華

(1.西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041；2.西南民族大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041)

【研究意義】燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬的一年生長(zhǎng)日照草本植物，是世界性栽培作物，也是目前我國(guó)重要的糧飼兼用作物，具有耐旱、耐瘠薄等特性，對(duì)土壤有良好的適應(yīng)性[1]。燕麥具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，主要體現(xiàn)在營(yíng)養(yǎng)、醫(yī)療保健和飼用等方面[2]，其籽實(shí)所含的蛋白質(zhì)、脂肪和可溶性膳食纖維在糧谷類中居于首位，被營(yíng)養(yǎng)學(xué)家譽(yù)為“全價(jià)營(yíng)養(yǎng)食品”[3]。燕麥作為食品有降低血壓、降低膽固醇、防治大腸癌、防治心臟疾病的醫(yī)療價(jià)值及保健作用[4]。燕麥籽實(shí)還可作為飼養(yǎng)家畜、家禽的優(yōu)質(zhì)飼料，對(duì)提高豬牛羊肉質(zhì)和牛羊的奶質(zhì)有重要作用[5]。燕麥不論是作為青飼料還是調(diào)制為干草都具有極好的適口性和高消化率[6]。目前，燕麥已經(jīng)成為青藏高原高寒牧區(qū)人工草地建設(shè)的重要草種之一，對(duì)高原草地畜牧業(yè)發(fā)展具有重要的作用?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】隨著全球極端氣候頻發(fā)，水資源分配不均，可利用灌溉水資源減少，干旱對(duì)全世界作物的影響不斷擴(kuò)大，因此水資源危機(jī)已成為21世紀(jì)最突出的環(huán)境問(wèn)題。我國(guó)是世界上13個(gè)淡水資源匱乏的國(guó)家之一，每年因旱災(zāi)造成的糧食損失慘重[7]。干旱嚴(yán)重制約了植物的生長(zhǎng)發(fā)育，干旱條件下作物失水萎焉、光合抑制、產(chǎn)量減少、衰老加快最終影響了作物的生長(zhǎng)生存，干旱脅迫亦會(huì)導(dǎo)致植物的生理結(jié)構(gòu)、地理分布等發(fā)生改變[8]。目前，對(duì)于高原栽培的牧草，抗旱性是非常重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。劉新等通過(guò)測(cè)定相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率和葉綠素含量等生理特征指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)了6份短芒披堿草苗期的抗旱性，為川西北牧區(qū)人工草地建設(shè)及沙化地治理選育抗旱性牧草品種提供了理論依據(jù)[9]。楊滿業(yè)等研究了川西北5種常見(jiàn)多年生牧草品種苗期抗旱性生理生化指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，綜合評(píng)價(jià)表明抗旱性由高到低依次為阿壩硬稈仲彬草>阿壩燕麥>川草2號(hào)老芒麥>阿壩垂穗披堿草>川草3號(hào)虉草，研究結(jié)果為高原牧草栽培及沙化草地恢復(fù)選育優(yōu)質(zhì)品種提供了重要依據(jù)[10]。柏曉玲等評(píng)價(jià)了6個(gè)燕麥品種在萌發(fā)期的抗旱性，結(jié)果表明青莜3號(hào)、林納等品種的抗旱性較強(qiáng)，而青海甜燕麥的抗旱性相對(duì)較弱[11]。【本研究切入點(diǎn)】為了進(jìn)一步研究高寒牧區(qū)燕麥苗期對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，本試驗(yàn)通過(guò)石英砂水培的方法，利用不同濃度的PEG溶液模擬干旱脅迫程度，并測(cè)定一定時(shí)間范圍內(nèi)(0～14 d)燕麥葉片葉綠素含量、相對(duì)含水量、相對(duì)電導(dǎo)率、根莖葉生長(zhǎng)量，探究燕麥幼苗對(duì)不同干旱脅迫強(qiáng)度的響應(yīng)以及其在對(duì)應(yīng)脅迫強(qiáng)度下的存活能力，并預(yù)期篩選出適宜實(shí)驗(yàn)室研究的干旱脅迫程度，【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以期為今后更深入探索燕麥節(jié)水栽培技術(shù)以及研究燕麥抗旱機(jī)理提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)材料為高寒牧區(qū)皮燕麥品種青燕1號(hào)(AvenasativaL. cv. Qingyan No.1)，由西南民族大學(xué)青藏高原研究院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選大小一致、顆粒飽滿、無(wú)殘缺的燕麥種子，經(jīng)1 %的NaClO消毒洗凈后，均勻的播撒在盛有等量石英砂的培育盆中(21 cm×15 cm×6 cm)，置于條件為白天24 ℃/16h，夜間20 ℃/8h，光照強(qiáng)度為600 mmol·m-2·s-1，相對(duì)濕度為75 %的光照培養(yǎng)箱內(nèi)，然后用蒸餾水培養(yǎng)10 d待種子發(fā)芽后，更換為Hoagland全營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，之后每3 d更換1次培養(yǎng)液。待幼苗長(zhǎng)到兩葉一心期時(shí)，分別用添加0 %、5 %、10 %、15 %、20 %、25 %PEG溶液的Hoagland完全營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行干旱脅迫，另用不加PEG的Hoagland完全培養(yǎng)液繼續(xù)培養(yǎng)作為對(duì)照，每個(gè)處理3次生物學(xué)重復(fù)。分別在PEG脅迫的0、7和14 d采樣進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目和方法

1.3.1 葉片葉綠素含量的測(cè)定 稱取燕麥葉片0.2 g剪碎放入試管中，并加入80 %丙酮與95 %乙醇混合液(1∶1，V/V)20 mL，置于暗處，期間搖動(dòng)數(shù)次，當(dāng)葉片完全變白時(shí)傾出浸提液，分別測(cè)定663和645 nm處的吸光度(OD663和OD645)，利用Arnon公式計(jì)算葉綠素含量[13]，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.3.2 葉片相對(duì)含水量的測(cè)定 分別稱取各處理組，青燕1號(hào)燕麥幼苗葉片0.1 g的鮮樣(FW)；然后將稱取的樣品用紗布包住完全浸沒(méi)于蒸餾水中，4 ℃放置24 h，使組織充分吸水達(dá)到飽和后，將葉片從蒸餾水中取出，用吸水紙迅速吸去葉片表面的水分，稱取其飽和鮮重(SFW)；將葉片放于信封中，在烘箱中105 ℃下殺青60 min，然后70 ℃烘干48 h至恒重，稱取干重(DW)。根據(jù)公式RWC(%)=[(FW-DW)/(SW-DW)]×100計(jì)算得出[14]。

1.3.3 相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定 分別取燕麥幼苗葉片0.1 g，洗凈后用單層面紙包好放入試管中，加入20 mL去離子水使包好的樣品完全浸沒(méi)在水中，在25 ℃培養(yǎng)箱中放置24 h，震蕩混勻后用電導(dǎo)儀測(cè)定初電導(dǎo)率S1；然后在水浴鍋中煮沸至植物組織完全殺死后，冷卻至室溫后振蕩混勻，測(cè)定其終止電導(dǎo)率(S2)。相對(duì)電導(dǎo)率(EL)(100 %)=S1/S2×100 %計(jì)算得出[15]。

1.3.4 莖葉生長(zhǎng)量 每盆收集5株燕麥幼苗的地上部分(莖)稱其鮮重，烘干后測(cè)定其干重[16]，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

1.3.5 根生量 每盆收集3株燕麥幼苗的地下部分(根)稱其鮮重，烘干后測(cè)其干重[16]。每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。

表1 不同PEG濃度對(duì)燕麥幼苗葉綠素含量的影響

注：垂直方向的不同字母表示了每一個(gè)處理在不同濃度的PEG下差異顯著(P<0.05)。

Note:The different letters in the vertical direction indicate that each treatment has significant differences in PEG at different concentrations at 0.05 level.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel 2007對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和作圖，使用SPSS 18.0軟件中一般線性模型(GLM)程序進(jìn)行單因素方差分析，采用Duncan法對(duì)測(cè)定指標(biāo)進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)燕麥幼苗葉綠素含量的影響

由表1可知，隨著干旱脅迫程度的增加和干旱脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，燕麥幼苗葉片葉綠素a含量、葉綠素b含量和總?cè)~綠素含量均呈下降趨勢(shì)。這表明不同程度的干旱脅迫以及長(zhǎng)時(shí)間的干旱脅迫均影響了葉綠素含量。正常水分條件下(0 d)，各處理組燕麥幼苗葉片的葉綠素含量基本沒(méi)有差異。在干旱脅迫的第7 天時(shí)，與對(duì)照相比，5 %、10 %、15 %的PEG溶液顯著抑制了葉綠素a的含量，但三者間無(wú)顯著差異(P>0.05)，而PEG濃度達(dá)到20 %和25 % 時(shí)，葉綠素a含量進(jìn)一步顯著降低，分別比CK降低了58.93 %和72.45 %(P<0.05)，在干旱脅迫14 d時(shí)，各PEG處理葉綠素a含量進(jìn)一步顯著降低，但是不同處理間有差異。與葉綠素a相比，干旱脅迫對(duì)燕麥葉綠素b和總?cè)~綠素的含量影響較大，5 %和10 %PEG處理之間就已經(jīng)達(dá)到顯著差異。當(dāng)PEG濃度達(dá)到15 %時(shí)，在干旱脅迫的第7和14天，與CK相比，葉綠素b和總?cè)~綠素含量分別顯著降低了32.53 %、40.49 %和37.32 %和50.27 %(P<0.05)。

2.2 干旱脅迫對(duì)燕麥幼苗葉片相對(duì)含水量的影響

由圖 1可知，在干旱脅迫下，燕麥幼苗葉片的相對(duì)含水量明顯下降。隨著PEG濃度的升高和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，燕麥幼苗的葉片相對(duì)含水量呈下降趨勢(shì)。在正常水分條件下，燕麥幼苗葉片含水量均達(dá)到80 %以上，在干旱脅迫第7天時(shí)，5 %的PEG處理就顯著降低了葉片的相對(duì)含水量(P<0.05)，當(dāng)PEG濃度達(dá)到20 %時(shí)燕麥相對(duì)含水量下降至對(duì)照組的1/4倍，且與20 %處理組無(wú)顯著差異(P>0.05)。在干旱脅迫的14 d，各處理燕麥幼苗相對(duì)含水量進(jìn)一步顯著降低，當(dāng)PEG濃度為15 %時(shí)，相對(duì)含水量與對(duì)照組相比下降了64.61 %，而25 %PEG脅迫組的燕麥相對(duì)含水量下降至最低為14.22 %，且與對(duì)照組相比下降了82.64 %，差異達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

2.3 干旱脅迫對(duì)燕麥幼苗相對(duì)電導(dǎo)率的影響

如圖2所示，隨著干旱脅迫的加劇和脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)燕麥幼苗相對(duì)電導(dǎo)率均呈上升趨勢(shì)。這說(shuō)明脅迫程度的增加以及時(shí)間的延長(zhǎng)都會(huì)使燕麥幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率升高，在正常水分條件下，燕麥幼苗相對(duì)電導(dǎo)率值均較低僅有11 %左右，但在干旱脅迫的第7和14天時(shí)，與對(duì)照組相比，各處理相對(duì)含水量均顯著增加(P<0.05)。在干旱脅迫的第7天時(shí)，5 %PEG處理組的相對(duì)電導(dǎo)率開始顯著高于對(duì)照組，15 %和20 %處理組相對(duì)電導(dǎo)率比對(duì)照組高76.65 %和82.53 %。在第14天，燕麥幼苗的相對(duì)電導(dǎo)率顯著升高，當(dāng)PEG濃度達(dá)到15 %時(shí)，相對(duì)電導(dǎo)率顯著高于對(duì)照組(P<0.05)，達(dá)到對(duì)照組的8倍。15 %脅迫組顯著高于5 %脅迫組，但PEG濃度大于15 %時(shí)，相對(duì)電導(dǎo)率仍顯著升高。

圖1 不同PEG濃度處理下3個(gè)時(shí)間點(diǎn)燕麥幼苗相對(duì)含水量的變化Fig.1 Changes of relative water content of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

圖2 不同濃度PEG處理下3個(gè)時(shí)間點(diǎn)燕麥幼苗相對(duì)電導(dǎo)率的變化Fig.2 Changes of relative electrolytic leakage of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

2.4 干旱脅迫對(duì)燕麥幼苗地上和地下生物量的影響

由圖3所示，在正常處理情況下，燕麥幼苗莖和根的鮮重、干重均隨時(shí)間增加呈上升趨勢(shì)，但隨著PEG處理濃度的升高，莖和根的鮮干重均明顯下降。表明干旱脅迫對(duì)燕麥幼苗的生長(zhǎng)均有明顯的抑制作用。在干旱脅迫第7天時(shí)，5 %PEG濃度就顯著抑制了燕麥幼苗莖葉和根的鮮重，而直到25 %的PEG才顯著抑制了莖葉的干重，且低濃度及中度干旱脅迫(5 %、10 %、15 %PEG)誘導(dǎo)了根干重的增加，分別比對(duì)照增高了38.46 %、30.78 %、15.38 %(P<0.05)。在第14 天時(shí)，所有PEG處理的根干重都顯著低于對(duì)照(P<0.05)。

3 討論與結(jié)論

植物的抗旱性是一個(gè)復(fù)雜的生理調(diào)控機(jī)制，受多種因素共同影響。植物在干旱條件下呈現(xiàn)衰老加速的趨勢(shì)，其主要原因是自由基和活性氧的濃度超過(guò)了傷害“閾值”，導(dǎo)致蛋白質(zhì)、核酸、酶結(jié)構(gòu)被氧化破壞，并進(jìn)一步促進(jìn)膜脂過(guò)氧化，使膜的透性增強(qiáng)，導(dǎo)致離子外滲，植株表現(xiàn)出生活力下降的現(xiàn)象[17]。研究發(fā)現(xiàn)，干旱對(duì)燕麥的傷害機(jī)制主要涉及形態(tài)、生理生化以及遺傳特性等方面。因此，本試驗(yàn)通過(guò)4項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估了燕麥種質(zhì)材料對(duì)干旱脅迫的響應(yīng)，以期探究燕麥對(duì)不同程度及長(zhǎng)時(shí)間干旱脅迫的適應(yīng)性反應(yīng)。

圖3 不同PEG濃度3個(gè)時(shí)間點(diǎn)燕麥幼苗生物量的變化Fig.3 Biomass changes of oat seedlings under different PEG concentration at three time points

葉綠素是光合作用的主要色素，在光能的吸收傳遞和轉(zhuǎn)換中起著至關(guān)重要的作用，葉綠素含量的高低密切影響著光合作用固碳的效率，也影響著植物抗旱性的強(qiáng)弱[18]。干旱脅迫會(huì)使植物體內(nèi)水分含量降低，當(dāng)植物細(xì)胞失水達(dá)到一定程度時(shí)，葉片葉綠體就會(huì)變形，并且片層結(jié)構(gòu)遭到破壞，葉綠素亦會(huì)發(fā)生降解，導(dǎo)致其含量下降[19]。很多研究表明，植物的葉綠素含量和葉綠素a/b的值與植物本身的抗旱性有很大關(guān)系，反映了植物對(duì)水分脅迫的敏感性[20-21]。一般認(rèn)為葉綠素a/b的值越大則植物的抗旱性越高。本試驗(yàn)中，隨著PEG濃度的升高和處理時(shí)間的增加燕麥幼苗細(xì)胞失水加劇，細(xì)胞的葉綠體結(jié)構(gòu)和葉綠素合成遭到破壞，導(dǎo)致葉綠素a、葉綠素b和葉綠素的總含量均呈下降趨勢(shì)，這與葉應(yīng)青[22]等人對(duì)毛竹幼苗生理特性的研究結(jié)果相似。

植物組織的實(shí)際含水量占組織飽和含水量的百分比常被作為水分虧缺程度的參數(shù)來(lái)反應(yīng)植物遭受水分脅迫時(shí)的缺水程度[23]。本試驗(yàn)中，隨著PEG干旱脅迫程度的加劇和處理時(shí)間的延長(zhǎng)，燕麥幼苗相對(duì)含水量呈明顯下降的趨勢(shì)，與干旱脅迫壓力呈負(fù)相關(guān)，而相對(duì)電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，與干旱脅迫壓力呈正相關(guān)。這是由于外界環(huán)境含水量低于植物細(xì)胞含水量，致使細(xì)胞不斷失水，相對(duì)含水量下降。在水分虧缺的情況下燕麥葉片細(xì)胞質(zhì)膜遭到破壞，細(xì)胞膜的破壞程度不斷增加，最終喪失選擇透過(guò)性導(dǎo)致胞內(nèi)電解質(zhì)外滲，相對(duì)電導(dǎo)率呈上升趨勢(shì)，這與萬(wàn)里強(qiáng)[24]等人對(duì)黑麥草、何淼[25]等人對(duì)中國(guó)芒的研究結(jié)果保持一致。

植物生長(zhǎng)是由根從外部環(huán)境中吸收養(yǎng)分和水分，同時(shí)依靠光合作用等代謝過(guò)程完成器官的發(fā)育和植物形態(tài)建成，植物生物量的積累可綜合反映植物受到環(huán)境傷害的程度。本試驗(yàn)中，燕麥幼苗莖的鮮干重、根的鮮重受到PEG濃度和脅迫時(shí)間的交互作用，呈降低趨勢(shì)，而根的干重在7 d時(shí)，低濃度PEG誘導(dǎo)其重量高于對(duì)照，但在14 d時(shí)，所有處理的根干重都顯著低于對(duì)照，這可能是由于低濃度干旱脅迫誘導(dǎo)植物激素等信號(hào)物質(zhì)發(fā)生變化，促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，這與張彥妮[26]等人對(duì)大花飛燕草幼苗生理特性的研究結(jié)果相似，一方面隨著干旱脅迫的加劇植株體內(nèi)積累的活性氧(ROS)過(guò)量，導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)被損害，抑制了光合作用，使碳同化減少，進(jìn)而抑制了燕麥的生長(zhǎng)，而另一方面，在干旱脅迫下根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和水分的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)和積累被抑制，這可能也是燕麥生長(zhǎng)受到抑制的原因之一。這與張娜[27-28]等人對(duì)燕麥的研究結(jié)果相似。

綜合上述結(jié)果，燕麥幼苗受到干旱脅迫時(shí)葉綠素含量、葉片含水量降低，膜脂損傷加劇以及生長(zhǎng)受到抑制，且5 %和10 % PEG濃度脅迫對(duì)其影響較小，燕麥幼苗依舊能維持相對(duì)平衡的態(tài)勢(shì)和生長(zhǎng)，說(shuō)明其有一定的耐旱能力，而15 % PEG濃度脅迫使燕麥幼苗受到中度傷害，對(duì)干旱脅迫響應(yīng)明顯，但能夠存活較長(zhǎng)的時(shí)間，因此，15 % PEG濃度可作為室內(nèi)研究燕麥對(duì)干旱脅迫生理生化響應(yīng)的最佳濃度。