干旱脅迫下BR與N、P、K配合對羊草生長及抗旱性的影響

宋吉軒，呂俊，宗學(xué)鳳，何秀娟，徐宇，吳瀟，王三根*

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所，貴州 貴陽 550006；2.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶400715)

羊草(Leymuschinensis)又名堿草，為禾本科賴草屬植物，是草甸草原和典型草原的重要建群種之一，具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)及耐牧等特點，是我國具有優(yōu)勢的禾本科多年生牧草和生態(tài)草[1]。近年來由于受全球變化的影響，我國草原區(qū)溫度和降水格局變化顯著[2],草原區(qū)面臨著干旱脅迫的威脅，在一定程度上限制了羊草生產(chǎn)力的提高。

干旱脅迫是影響植物生長和代謝的主要逆境因素之一[3-4]，它會使植物體內(nèi)產(chǎn)生一系列的生理生化變化，從而影響到植物正常的生長發(fā)育。羊草雖具有較強的抗旱性，但當其生境嚴重缺水時，其生長發(fā)育、產(chǎn)量及品質(zhì)也會受到嚴重的影響[5]。利用外源物質(zhì)對植物進行處理，是提高植物抗逆性簡便、可行的方法之一[6]。而油菜素內(nèi)酯(brassinolide, BR)作為一種新型的植物生長調(diào)節(jié)劑在植物生長發(fā)育中具重要的作用，它可參與細胞伸長和分裂、維管束分化、葉形態(tài)和衰老等調(diào)控，同時它還能提高植物產(chǎn)量、品質(zhì)及抗性[7-9]。通過采取不同的措施可以緩解或減輕干旱脅迫對植物的傷害，如用植物生長調(diào)節(jié)劑與葉面營養(yǎng)等處理[10]。在促進植株生長后，葉面營養(yǎng)氮、磷、鉀(nitrogen, N; phosphorus, P; potassium, K)的快速補充尤為重要[11]。葉面補充N、P、K具有養(yǎng)分吸收快、肥效好，養(yǎng)分利用率高、用量少、環(huán)境污染風(fēng)險小等優(yōu)點[12]。N、P、K由于其快速地補充營養(yǎng)，對植物生長有很好的效果，還能增強其抗性[13]。干旱脅迫下，以羊草作為材料單獨噴施BR前期已進行了報道[14]，在而后的研究中發(fā)現(xiàn)，當利用BR緩解干旱脅迫后，其生長往往因為營養(yǎng)不足而有滯后現(xiàn)象。本研究在干旱脅迫下，對羊草幼苗進行BR與N、P、K處理，研究其對羊草的生長、滲透調(diào)節(jié)及相關(guān)酶特性的影響規(guī)律，解析其生理效應(yīng)，為在生產(chǎn)實踐中利用BR與N、P、K配合提高羊草的抗旱性提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

試驗于2016年4-7月進行。盆栽試驗所用羊草種子來自內(nèi)蒙古錫林郭勒草原中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所野外試驗地。首先對羊草種子進行發(fā)芽處理[15]，以培養(yǎng)出來的羊草幼苗為試驗材料。以土壤相對含水量80%為對照(CK1)，土壤相對含水量50%(CK2)作干旱脅迫處理。當羊草幼苗生長至18～21 cm時，分別在正常(CK1)和干旱脅迫(CK2)下選取最佳處理濃度的BR與N、P、K進行處理，正常(CK1)情況下，尿素(1%)+磷酸二氫鉀(1%)(T1)、BR(0.10 mg·L-1)(T2)和尿素(1%)+磷酸二氫鉀(1%)+BR(0.10 mg·L-1)(T3)；干旱(CK2)情況下，尿素(1%)+磷酸二氫鉀(1%)(T4)、BR(0.10 mg·L-1)(T5)和尿素(1%)+磷酸二氫鉀(1%)+BR(0.10 mg·L-1)(T6)，共計6種處理。每個處理40株幼苗，3次重復(fù)。為避免光照對BR的效果造成影響，處理時間均為傍晚，連續(xù)3 d。處理15 d后取樣測定，取樣時選取植株中等大小的功能葉片測定相應(yīng)的指標。

1.2 測定指標

株高量取植株莖基部到頂葉尖端的絕對距離；去除羊草表面雜物用水沖洗干凈，晾干后稱量整株重即鮮重；然后在105 ℃烘箱中殺青15 min，在65 ℃恒溫下干燥至恒重，最后稱重即干重。

根系活力采用TTC法測定[16]?？扇苄蕴呛坎捎幂焱壬y定[17]；可溶性蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍法測定[18]；葉片超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化物酶(peroxidase, POD)、過氧化氫酶(catalase, CAT)、抗壞血酸過氧化物酶(aseorbate peroxidase, APX)和谷胱甘肽還原酶(glutathione reductase, GR)活性采用李忠光等[19]的方法測定；植物營養(yǎng)元素氮含量采用凱氏定氮法測定[20]；磷含量采用濃硫酸消煮，鉬銻抗比色法測定[21]；鉀含量采用濃硫酸消煮，原子吸收分光光度法測定[22]；硝酸還原酶(nitrate reductase, NR)活性采用離體法測定[23]；酸性磷酸酶(acid phosphatase, ACP)活性采用比色法測定[24]；蘋果酸脫氫酶(malate dehydrogenase, MD)活性采用Sayre等[25]的方法測定。丙二醛(malonyldialdehyde, MDA)含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法測定[14]。脯氨酸含量采用水合茚三酮法測定[14]。葉片電導(dǎo)率(leaf conductivity, EC)采用電導(dǎo)儀測定[14]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

采用Excel和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。利用DPS 19.0軟件進行單因素方差分析，以Duncan’s 新復(fù)極差法比較各處理間的差異性。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下BR與N、P、K對羊草生長及營養(yǎng)代謝相關(guān)酶的影響

由表1可知，與正常土壤水分(CK1)相比，經(jīng)T1處理，其株高、鮮重、干重和根系活力分別增加了30.35%、72.88%、38.96%和10.04%，其中株高差異顯著；T2與CK1相比，株高、鮮重、干重和根系活力分別增加了23.65%、75.82%、38.96%和67.64%，其中鮮重差異顯著；T3處理與CK1相比，其株高、鮮重、干重和根系活力各個指標均達到最大值，分別增加39.26%、114.71%、54.55%和95.99%，且差異均達顯著水平。

表1 干旱脅迫下BR與葉面營養(yǎng)對羊草生長的影響Table 1 Effects of BR and foliar nutrition on the growth of L. chinensis under drought stress

注：同列不同字母表示差異達顯著水平(P<0.05)，下同。

Note: Different letters mean significant different at 0.05 level. The same below.

在干旱脅迫下(CK2)，羊草的株高、鮮重、干重和根系活力均降低，分別比CK1減少了3.72%、4.25%、5.19%和18.26%。T4與CK2相比，其株高、鮮重、干重和根系活力分別增加了16.20%、1.02%、36.99%和5.97%；T5與CK2相比，其株高、鮮重、干重和根系活力分別增加了4.55%、21.50%、43.84%和7.96%；T6與CK2相比，其株高、鮮重、干重和根系活力均有增加且達到最大值，分別增加28.96%、62.46%、45.21%和19.08%，且這些指標還達到甚至超過了正常土壤水分(CK1)的處理。

由表2可知，與正常土壤水分(CK1)相比，此時T1植株的硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性顯著增強，分別上升了12.76%和32.99%，而蘋果酸脫氫酶活性顯著減弱，下降了23.79%；T2與CK1相比，其硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性分別增強了1.72%和4.06%，蘋果酸脫氫酶活性降低了19.53%；T3與CK1相比，硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性分別增加44.48%和27.01%，蘋果酸脫氫酶活性則降低28.19%，3種酶活性與對照差異均達到顯著水平。

在干旱脅迫下(CK2)，羊草的硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性分別比CK1降低了45.86%和40.0%，且差異均達顯著水平，而蘋果酸脫氫酶活性則增加了10.28%。T4與CK2相比，硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性分別上升22.93%和49.75%，蘋果酸脫氫酶活性下降44.34%，3種酶活性與對照差異均達到顯著水平；T5與CK2相比，硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性分別上升18.47%和3.21%，蘋果酸脫氫酶活性下降38.48%，除酸性磷酸酶活性外其他兩個酶活性與對照差異達顯著水平；T6與CK2相比，其硝酸還原酶和酸性磷酸酶活性分別增加31.21%和40.44%，蘋果酸脫氫酶活性則下降44.61%，且3種酶活性與對照差異均達到顯著水平。

由表3可知，與正常土壤水分(CK1)相比，T1植株的N、P和K含量均增加，分別提高13.62%、182.09%和35.96%，且差異均顯著；T2與CK1相比N、P和K分別增加7.11%、19.40%和21.35%，其中N、K含量差異達顯著；T3與CK1相比，N、P和K含量均顯著增加，分別提高了18.70%、228.36%和26.97%，其中N與P含量達到了各處理的最大值。

在干旱脅迫下(CK2)，羊草的N、P和K含量比CK1分別降低了6.91%、14.93%和12.36%。T4與CK2相比，其N、P和K均有增加，分別為13.97%、215.79%和47.44%，差異均達到顯著水平；T5與CK2相比，N、P和K分別增加10.70%、92.98%和30.77%，且差異均顯著；T6與CK2相比，N、P和K分別增加20.74%、236.84%和42.31%，差異均達到顯著水平，且均高于CK1。

2.2 干旱脅迫下BR與葉面營養(yǎng)對羊草膜脂過氧化及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

表2 干旱脅迫下BR與葉面營養(yǎng)對羊草營養(yǎng)代謝相關(guān)酶活性的影響Table 2 Effects of BR and foliar nutrition on the enzyme activities of nutritional metabolism in L. chinensis under drought stress

表3 干旱脅迫下BR與葉面營養(yǎng)對羊草植株氮、磷、鉀含量的影響Table 3 Effects of BR and foliar nutrition on N， P， K in L. chinensis under drought stress (%)

由表4可知，在正常土壤水分(CK1)下，T1可使丙二醛和葉片電導(dǎo)率分別降低2.35%和9.11%，而脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖分別增加3.02%、4.08%和1.35%；T2與CK1相比，其丙二醛和葉片電導(dǎo)率均分別降低1.10%和19.77%，脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量則分別增加41.16%、19.53%和3.96%，其中只有可溶性蛋白差異達到顯著水平；T3與CK1相比，丙二醛和葉片電導(dǎo)率分別降低10.97%和25.71%，兩項指標下降到最低值，脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖分別增加155.74%、27.22%和20.92%，且增加到最高值，其中脯氨酸和可溶性蛋白差異顯著。

在干旱脅迫下(CK2)，羊草的丙二醛、脯氨酸、可溶性蛋白、可溶性糖和葉片電導(dǎo)率均增加，與正常水分條件的CK1相比差異均顯著，分別增加60.89%、201.81%、34.32%、48.18%和78.15%。T4與CK2相比，其中的丙二醛和葉片電導(dǎo)率有所降低，分別下降33.01%和14.48%，而脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量進一步增加，分別上升2.53%、15.81%和3.80%，丙二醛與可溶性蛋白含量與CK2差異顯著；T5與CK2相比，其丙二醛和葉片電導(dǎo)率分別降低25.09%和50.33%，而脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量分別增加26.88%、16.30%和5.78%，除可溶性糖外，其他指標與CK2差異均顯著；T6與CK2相比，丙二醛和葉片電導(dǎo)率分別降低37.42%和55.79%，兩項指標下降到最低值，而脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量分別增加57.20%、22.82%和5.94%，且達到最高值，其中除可溶性糖外，其他指標與CK2差異均顯著。

表4 干旱脅迫下BR與葉面營養(yǎng)對羊草膜脂過氧化及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響Table 4 Effects of BR and foliar nutrition on membrane oxidation and osmotic adjustment substance in L. chinensis under drought stress

2.3 干旱脅迫下BR與葉面營養(yǎng)對羊草植株抗氧化酶活性的影響

由表5可知，在正常土壤水分(CK1)下，T1植株的POD、SOD、CAT、GR和APX活性分別增加136.48%、16.43%、33.37%、54.55%和163.64%，其中POD、CAT和GR三個酶活性差異達顯著水平；T2與CK1相比，5種抗氧化酶活性分別增加136.53%、6.08%、9.06%、245.45%和163.64%，其中POD、SOD和GR三個酶活性差異達顯著水平；T3與CK1相比，5種抗氧化酶活性分別增加156.86%、31.61%、40.24%、163.64%和9.74%，與對照(CK1)差異均達顯著水平。

表5 干旱脅迫下BR與葉面營養(yǎng)對羊草植株抗氧化酶活性的影響Table 5 Effects of BR and foliar nutrition on antioxidant enzyme activities in L. chinensis under drought stress (U·g-1·min-1)

在干旱脅迫下(CK2)，羊草的POD、SOD、CAT、GR和APX活性與正常水分條件的CK1相比，分別增加90.19%、4.75%、57.08%、172.73%和56.58%，除SOD外其他4種酶活性差異顯著。T4與CK2相比，5種抗氧化酶活性進一步增加，分別上升106.29%、30.01%、18.50%、2.63%和9.24%，且差異均達顯著水平；T5與CK2相比，5種抗氧化酶活性也進一步增加，分別上升86.15%、31.56%、22.78%、30.0%和10.59%，除APX外其他4種酶活性差異達顯著水平；T6與CK2相比，POD、SOD、CAT、GR和APX 5種抗氧化酶活性增加幅度最大，分別增加158.40%、38.15%、32.97%、30.0%和28.74%，不但與CK2差異均達顯著水平，而且在所有處理中這5種抗氧化酶活性都達到最大值。

3 討論

葉面營養(yǎng)可以快速地補充植株無機養(yǎng)分，對植物生長有很好的促進效果[26]。通過植物生長調(diào)節(jié)劑與葉面營養(yǎng)配合施用，可以克服因為植物激素促進生長而營養(yǎng)不足的情況，增加植物產(chǎn)量及提高植物品質(zhì)[27]。上述研究表明，適當濃度的植物生長調(diào)節(jié)劑或葉面營養(yǎng)對羊草的株高、鮮重、干重和根系活力均表現(xiàn)出很好的促進作用，變化趨勢跟劉美茹[28]在正常情況下采用BR噴施羊草幼苗結(jié)果一致。但本試驗結(jié)果進一步表明，二者配合施用時，效率更高，特別在干旱脅迫下，噴施尿素(1%)+磷酸二氫鉀(1%)+BR(0.10 mg·L-1)時，各指標均顯著增加且達到最大值。因此本試驗采用植物生長調(diào)節(jié)劑(BR)與葉面營養(yǎng)進行組合試驗，在生產(chǎn)實踐中具有重要的理論和實踐意義。

許多研究指出，葉面噴施營養(yǎng)物質(zhì)不僅可調(diào)節(jié)和平衡植物營養(yǎng)，而且還對相關(guān)代謝作用也有影響[29-30]。本試驗結(jié)果表明，葉面營養(yǎng)能有效提高羊草葉片N、P、K含量，超過對照組的50%，這與賴錦山[29]的結(jié)果一致。同時，本研究也表明，在植物生長調(diào)節(jié)劑(BR)與葉面營養(yǎng)配合施用后，不僅N、P、K含量進一步提高，而且與N、P、K代謝相關(guān)的酶活性也發(fā)生改變，包括硝酸還原酶、酸性磷酸酶和蘋果酸脫氫酶，這些酶活性的變化與氮、磷、鉀在植物營養(yǎng)中的功能多樣性相聯(lián)系[31-32]。硝酸還原酶與酸性磷酸酶是誘導(dǎo)酶，其活性受相關(guān)元素含量的影響，如磷能顯著提高植物中的酸性磷酸酶活性，是植物對缺磷脅迫的一種適應(yīng)性反應(yīng)[32-33]。蘋果酸脫氫酶在植物體內(nèi)廣泛存在，由于其細胞定位及輔助因子的不同等具有很多的同工酶形式，從而具有重要的生理作用，也與鉀代謝密切相關(guān)[34-35]。BR與葉面營養(yǎng)單獨或配合在促進生長與增加N、P、K含量的同時，也引起代謝相關(guān)酶活性的變化，其機理值得深入研究。

植物在干旱脅迫下的生長過程中形成相應(yīng)的適應(yīng)調(diào)控機制，滲透調(diào)節(jié)能力和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量有著密切的關(guān)系[10]。植物通過積累脯氨酸、可溶性糖等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，可提高細胞液濃度，降低細胞水勢，增加植物的吸水能力[36]?？剐詮姷闹参锟扇苄缘鞍缀吭黾用黠@，反之植物的抗性則降低[37]。本試驗研究表明，在干旱脅迫下羊草經(jīng)BR與葉面營養(yǎng)配合處理后，其體內(nèi)脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量等明顯增加，從而繼續(xù)保持了羊草較低的滲透勢，進而增加植株細胞內(nèi)溶質(zhì)的濃度，這樣就可明顯地緩解干旱脅迫對羊草帶來更多的傷害。與此同時，丙二醛和葉片電導(dǎo)率均降低，表明在逆境下BR與葉面營養(yǎng)配合處理對細胞有很好的保護作用，降低了膜脂的過氧化作用。

植物在長期進化過程中通過保護酶等方式以防氧毒性的形成，以保持植物活性氧離子代謝的平衡[38]。SOD、POD、CAT、GR和APX等協(xié)同作用，可有效地清除植物體內(nèi)過量的自由基，增強植物適應(yīng)干旱脅迫的能力[39-40]。本研究表明，羊草的5種保護酶活性在干旱脅迫時增加，經(jīng)BR與葉面營養(yǎng)配合處理后，這些酶活性進一步增強。聯(lián)系到上述丙二醛和葉片電導(dǎo)率的降低，可能配合處理進一步消除了干旱脅迫下植株體內(nèi)產(chǎn)生的大量活性氧自由基與膜脂過氧化作用，從而增加了羊草的抗旱性，促進了生長。

4 結(jié)論

適當濃度的BR與葉面營養(yǎng)配合可減輕干旱脅迫對植株造成的傷害，促進羊草生長與物質(zhì)積累，增強根系活力，增加可溶性糖、可溶性蛋白含量等，這與其能夠減緩膜質(zhì)過氧化作用，穩(wěn)定膜系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，維持較高的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，增強保護酶活性等生理效應(yīng)密切相關(guān)。