不同飼用高粱品種苗期抗旱生理特性研究

張玉霞，李 珍，朱愛民，郭 園

（1.內(nèi)蒙古民族大學 農(nóng)學院，內(nèi)蒙古 通遼 028043；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程中心，內(nèi)蒙古 通遼028043；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 草原與資源環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010011）

高粱（Sorghum bicolor（L.）Moench）是禾本科一年生草本植物，在我國南北方地區(qū)均有種植，是重要的糧食及飼料作物，同時也是全球種植面積排名第五的谷類作物［1］.高粱具有很強的抗旱、抗鹽堿和抗病性以及耐澇、耐貧瘠、耐低溫、耐高溫、耐肥水等能力［2-5］，但其生長受干旱影響較大.內(nèi)蒙古通遼市位于自治區(qū)東部，氣候干旱少雨，是我國北方水資源短缺區(qū)，地處半干旱地帶，植物生長發(fā)育常年受到干旱的威脅.干旱脅迫是造成農(nóng)作物產(chǎn)量減少的主要因素之一［6］.據(jù)相關數(shù)據(jù)顯示，世界級干旱問題導致的農(nóng)作物產(chǎn)量減少超過了其他因素所引起的總和［7］.為了解決干旱地區(qū)水資源不足的問題，應該積極發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、旱地農(nóng)業(yè)［8］.因此，選出抗旱性強的優(yōu)質(zhì)高粱品種至關重要.

本試驗采用15%的聚乙二醇（PEG）溶液對8個飼用高粱品種進行模擬干旱脅迫，研究干旱脅迫對高粱生理特性的影響，同時對不同品種的高粱作出抗旱評價，篩選具有較高抗旱性的高粱品種，為干旱地區(qū)及科爾沁沙地高粱品種的種植及選育提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 供試材料

選取了8 個高粱品種，分別為1220，1230，2180，SU9002，N52K1009，N5212274，BJ0602，BJ0603.均由北京佰青源畜牧業(yè)科技發(fā)展有限公司提供.

1.2 試驗方案設計

本試驗采用盆栽方法.首先，選用規(guī)格大小一致的花盆（10 cm×10 cm）且標好對應名稱，套入保鮮袋，分別放入等量混合均勻的園土和蛭石，每盆加500 g沙土和蛭石按照容積比2∶1混合培養(yǎng)基質(zhì).選擇大小均一、飽滿無殘缺且品質(zhì)優(yōu)良的高粱種子，分別用70%的酒精消毒10 min，蒸餾水沖洗干凈.每個品種設置正常水對照和15%PEG溶液模擬干旱脅迫2個處理，共18個處理，每個處理均設置3次重復，每次重復50粒種子.將種子均勻撒入花盆中，覆土厚度3 cm，每個花盆澆200 mL 溶液.將花盆放置于光照充足，通風良好的環(huán)境中.每天定時觀察種子的發(fā)芽情況及生長狀況.

1.3 測定指標及方法

質(zhì)膜透性：采用相對電導率法測定.可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定［9］；游離脯氨酸含量采用茚三酮比色法測定；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定［10］.超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑光化還原法測定［11］.丙二醛含量（MDA）：采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量［9］.

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

用抗旱系數(shù)（抗旱系數(shù)=不同濃度處理下測定數(shù)值/對照測定數(shù)值［12］）評價不同材料各性狀的抗旱性；用模糊數(shù)學隸屬法［13］對8個飼用高粱苗期抗旱性進行綜合分析，在進行抗旱隸屬值計算時，利用下列公式進行標準化處理：

式中，Xj表示第j個指標值，Xmin表示第j個指標的最小值，Xmax表示第j個指標的最大值；然后按照公式（1）計算標準差系數(shù)Vj，按照公式（2）計算權(quán)重系數(shù)Wj，按照公式（3）計算隸屬函數(shù)值（D），最后再將每一品種各個指標的隸屬值累加求其平均值.D值越大，表示抗旱性越強.

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003分析，利用SAS 9.0對數(shù)據(jù)進行方差分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對飼用高粱生物膜透性的影響

如圖1 所示，對照飼用高粱品種中相對電導率最大的是1220，為47.43%；相對電導率最小的是SU9002，為11.48%，2180、SU9002兩個品種與其他品種有顯著差異；經(jīng)過PEG脅迫處理后，高粱各品種相對電導率均比對照有所增加，其中最大的是BJ0603，為51.93%，較對照增加了13.55%；最小的是2180，為15.15%，2180、SU9002和N52K1009與其他品種有顯著差異；2180和N5212274兩個品種的高粱對照與處理間存在顯著差異.

2.2 干旱脅迫對飼用高粱滲透調(diào)節(jié)的影響

2.2.1 干旱脅迫對飼用高粱可溶性糖含量的影響 如圖1 所示，經(jīng)過干旱脅迫后8 種飼用高粱的可溶性糖含量較未經(jīng)脅迫的高粱均有所增加.未經(jīng)干旱脅迫的高粱品種可溶性糖含量最大的是1230，為8.90 mg·g-1，最小的是N52K1009，為6.77 mg·g-1，1230、BJ0602與N52K1009有顯著差異，與其余品種無顯著差異.經(jīng)PEG 脅迫處理后，SU9002 品種的可溶性糖含量最大；BJ0603 變化最大，可溶性糖含量增加了4.80 mg·g-1，各品種間無顯著差異；經(jīng)過干旱脅迫后的8個高粱與對照間均存在顯著差異.

2.2.2 干旱脅迫對飼用高粱脯氨酸含量的影響 如圖1所示，干旱脅迫下8種高粱的脯氨酸含量較對照均有所增加.未處理的高粱品種脯氨酸含量最大的是N52K1009，為71.79 mg·g-1，最小的是2180，為28.87 mg·g-1；1230、N52K1009與2180有顯著差異，與其余品種無顯著差異；經(jīng)PEG脅迫處理后，SU9002品種的脯氨酸含量最大，同時也是變化最大的，比對照增加了6.57倍，且SU9002和BJ0603存在顯著差異，其余品種的高粱無顯著差異；經(jīng)干旱脅迫后，除N52K1009和BJ0603，其他品種與對照均有顯著差異.

2.2.3 干旱脅迫對飼用高粱可溶性蛋白含量的影響 如圖1所示，干旱脅迫下高粱的可溶性蛋白含量較對照均有所增加，個別品種變化不明顯.未經(jīng)過干旱脅迫的高粱品種可溶性蛋白含量最大的是1230為12.16 mg·g-1；最小的是SU9002，為1.29 mg·g-1；1220、2180與1230有顯著差異，SU9002和BJ0603與N5212274之間存在顯著差異；經(jīng)PEG脅迫處理后，1230品種的可溶性蛋白含量最大，SU9002可溶性蛋白含量最小，N52K1009變化最明顯，為6.27 mg·g-1，較對照增加了2.44倍，1220、1230、2180與SU9002、N52K1009存在顯著差異，其余3個品種無顯著差異；經(jīng)過干旱脅迫，僅N52K1009和BJ0603與對照間存在顯著差異，其他品種高粱無差異.

2.3 干旱脅迫對飼用高粱丙二醛含量的影響

如圖2 所示，干旱脅迫下高粱的丙二醛含量較對照均有所增加.未處理的高粱品種丙二醛含量最大 的 是N52K1009，為6.38 μmol·L-1；最 小 的 是BJ0603，為2.89 μmol·L-1；其中，1220、N52K1009 與N5212274、BJ0603有顯著差異，其他品種差異不顯著.經(jīng)PEG脅迫后，N52K1009的丙二醛含量仍然最大；N5212274的最??；1230的變化最大，較未處理增加了2.98 μmol·L-1；各品種間無顯著差異；經(jīng)過干旱脅迫后，僅N5212274與對照間存在顯著差異.

2.4 干旱脅迫對飼用高粱SOD酶活性的影響

根據(jù)圖2 可知，經(jīng)過干旱脅迫后，除1230 品種外，其他品種的SOD 酶活性均有所增加，但變化不大.未經(jīng)脅迫脅迫處理的SOD 酶活性最強的是N5212274；最弱的是SU9002；2180、SU9002 與N52K1009、N5212274、BJ0602存在顯著差異.經(jīng)過PEG脅迫后，2180品種的SOD酶活性變化最大，較對照增加34.73 U·g-1；N5212274與1230、1220、SU9002、BJ0803存在顯著差異；經(jīng)過干旱脅迫后，1220、2180、N5212274和BJ0602與對照間存在顯著差異.

表1 不同飼用高粱品種的隸屬函數(shù)Tab.1 Membership function of different feed sorghum varieties

2.5 不同飼用高粱品種抗旱性隸屬函數(shù)分析

通過對不同高粱品種的生理指標的計算得出隸屬函數(shù)值，對8個飼用高粱進行抗旱性綜合評價.由表1可知，不同品種的高粱表現(xiàn)出不同的抗旱性，綜合評價其抗旱性，SU9002的隸屬函數(shù)值最大，其抗旱性最強；BJ0603 的隸屬函數(shù)值最小，抗旱性最差.8 個飼用品種的抗旱性強弱為：SU9002＞2180＞N5212274＞1230＞1220＞N52K1009＞BJ0602＞BJ0603.

2.6 不同飼用高粱品種抗旱性聚類分析

對8個飼用高粱品種的抗旱系數(shù)進行聚類分析，可將8個飼用高粱品種劃分為3個類群，第一類：抗旱能力強的高粱品種為2180、SU9002、N5212274，占37.5%；第二類：抗旱能力中等的高粱品種為1220、1230、N52K1009、BJ0602，占50%；第三類：抗旱能力弱的高粱品種為BJ0603，占12.5%.

3 討論與結(jié)論

植物在逆境時，會影響體內(nèi)各項生理指標.大量試驗證明，在干旱脅迫條件下，植物體內(nèi)會積累一些滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，脯氨酸（Pro）、可溶性糖、可溶性蛋白是重要的滲透調(diào)節(jié)劑，可以使細胞保持適當?shù)臐B透勢［14-16］.可溶性蛋白質(zhì)和可溶性多糖作為小分子的有機化合物，在植物應對干旱脅迫時參與細胞的滲透調(diào)節(jié)，能有效彌補植物對于外界環(huán)境水分的需求［17］.本試驗中，干旱脅迫后可溶性蛋白、可溶性糖和Pro的含量均較對照有所增加，這可能與三者作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和信號物質(zhì)的雙重功能相關；可溶性糖和可溶性蛋白含量在未經(jīng)處理時，最多的均為1230品種的高粱.

相對電導率是研究生物膜透性的重要指標，電導率之間的差異大小反映出高粱不同品種在逆境脅迫下細胞膜受到損傷的程度，從而表現(xiàn)出不同的耐旱能力.在植物面臨干旱脅迫時，測定的數(shù)值越大，表明電解質(zhì)外滲的量越多，生物膜受損害的程度越深.因此，可以通過測量相對電導率來鑒定干旱脅迫的強弱.經(jīng)過干旱脅迫后，高粱的相對電導率有所增加，但不同品種間存在差異；經(jīng)干旱脅迫的8個飼用高粱的相對電導率均較對照有所增加，說明在干旱脅迫下，細胞內(nèi)的電解質(zhì)等出現(xiàn)了外滲的情況，細胞受到的傷害逐漸增大，這與辛慧慧等［18］對披堿草屬3種牧草耐鹽能力研究結(jié)果相一致.未經(jīng)處理的高粱品種中相對電導率最大的是1220，最小的是SU9002.經(jīng)過PEG脅迫處理后，相對電導率最大的是BJ0603，最小的是2180.

通常丙二醛含量的高低可以反映出細胞膜過氧化損傷的程度和植物對逆境條件的抵抗能力［19］.本試驗中，干旱脅迫下高粱的丙二醛含量均較對照有所增加.N5212274丙二醛含量增加較快，有顯著差異，其原因是該品種在經(jīng)過干旱脅迫后，體內(nèi)的丙二醛含量迅速積累，導致膜質(zhì)過氧化，損傷生物膜結(jié)構(gòu)，改變膜的通透性，使細胞內(nèi)的離子平衡失調(diào)，生長受到抑制，N5212274的丙二醛能夠大量積累，說明高粱苗期細胞膜傷害程度大；其余各品種葉片中丙二醛含量增加較緩慢，說明此時葉片中的膜脂過氧化程度較弱.

植物處于干旱脅迫條件下，會產(chǎn)生如SOD、POD、CAT等內(nèi)源酶保護系統(tǒng)防止受活性氧傷害，而SOD酶處于核心地位［20］.本研究中，SOD在干旱脅迫下，除1230品種外，其他品種較對照均有所提高，但總體變化不大，這使抗旱品種在脅迫下減少對膜系統(tǒng)傷害，8種飼用高粱產(chǎn)生了抗旱機制，能夠保持保護酶活性，使活性氧的代謝處于一定水平，從而減少了逆境條件給植物本身帶來的傷害［21］.1230品種的幼苗酶的活性出現(xiàn)下降的情況，說明高粱在干旱脅迫條件下可能通過調(diào)動滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，維持生物膜的穩(wěn)定性，使自己能夠適應逆境.

通過對品種間抗旱系數(shù)進行綜合評價知，SU9002的隸屬函數(shù)值最大，其抗旱性最強；BJ0603的隸屬函數(shù)值最小，抗旱性最差.本試驗結(jié)果表明，8 個飼用品種高粱的抗旱性強弱為：SU9002＞2180＞N5212274＞1230＞1220＞N52K1009＞BJ0602＞BJ0603.