车轩,梁宗锁,2,吴珍

（1.西北农林科技大学生命科学学院,陕西杨凌 712100；2.中国科学院水土保持研究所,陕西杨凌 712100；3.商洛学院,陕西 商洛 726000）

土壤干旱是对人类生产生活危害极大的自然灾害之一,尤其是特大干旱造成的损失之大、时间之长、范围之广是其他自然灾害所无法比拟的[1]。黄土高原丘陵区是世界上水土流失最严重的地区之一,严重的土壤侵蚀和频繁的干旱同时发生,是这一地区生态环境的一个重要特点,而天然植被、栽培草地和种植业则是该地区具有代表性的土地利用方式[2]。草地植被建设是黄土高原生态建设的重要内容,而选择适宜的草种则直接关系到生态建设的成功与否。

近年来在研究植物对干旱胁迫的生理生化响应时,活性氧伤害、抗氧化体系及渗透调节物质的变化已有较多研究[3]。祁娟等报道披碱草（Elymusspp.）在受到干旱胁迫后,其丙二醛（MDA）与脯氨酸均随干旱胁迫的加强呈上升趋势[4]；胡化广等的研究表明,结缕草（Zoysia japonica）在干旱胁迫期间脯氨酸与可溶性糖均有所积累,并且超氧化物歧化酶（SOD）活性增加[5]；倪郁等对紫花苜蓿（Medicago sativa）、百脉根（Lotus corniculatus）及白三叶（Tri f olium repens）3种牧草的研究显示,干旱胁迫下3种牧草脯氨酸、可溶性糖含量以及SOD活性均有不同程度的升高[6]。红豆草（Onobrychis viciaefolia）和变异小冠花（Coronilla varia）均为多年生草本植物,具有耐旱、耐贫瘠且产量高的特点,均是优良的人工牧草[7-8]。目前,对这2种牧草的研究集中于引种、水分利用以及高产栽培研究等方面[9-12],而对其生理抗旱特性则鲜有报道。本研究采用盆栽控水试验对2种牧草的抗旱生理特性进行了研究,以阐明其生理抗旱特性,并采用模糊隶属函数法对2种牧草的抗旱性进行了综合评价,以便为黄土高原草地重建中草种的选择、退耕还草生态工程以及经济的持续健康发展提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料供试材料种子红豆草和变异小冠花均购于陕西杨凌金道种业有限公司。

1.2 干旱胁迫处理方法2种牧草种子于2009年3月底种于高27 cm、上口径35 cm、下口径22 cm的塑料桶中,桶中均装满过筛垆土,田间最大持水量为28%。盆栽桶放置于中国科学院水土保持研究所的可移动防雨棚下,雨天用防雨棚遮雨,晴天露地生长。种子萌发后,充足供水条件下生长2个月,待植物进入分枝期后进行土壤水分胁迫处理,根据设计的土壤含水率计算出各水分处理每桶的质量,作为各水平的标准桶质量。不浇水待土壤水分自然消耗至设定标准后,用电子秤称量法将土壤含水量控制在设定范围内,并补充其水分消耗,准确记录加水量,连续进行控水处理1个月后测定各项生理指标。试验共设3个水分处理:（1）适宜水分处理（CK）,为田间最大持水量的70%～75%；（2）中度胁迫处理（MD）,为田间最大持水量的50%～55%；（3）重度胁迫处理（SD）,为田间最大持水量的35%～40%。每个水分处理均重复4次,每桶5～6株,并设置对照桶（裸土）,以扣除土面蒸发。

1.3 抗旱生理指标测定方法水分饱和亏采用烘干法；脯氨酸含量采用磺基水杨酸法；可溶性糖含量采用蒽酮比色法；MDA含量采用硫代巴比妥酸比色法；超氧阴离子自由基采用对氨基苯磺酸和α-萘胺显色法；SOD活性采用NBT光化还原法测定；过氧化氢酶（CAT）活性采用过氧化氢比色法测定；抗坏血酸过氧化物酶（APX）活性采用过氧化氢比色法测定。上述各指标具体测定方法参见《植物生理学实验技术》[13]及《植物生理学研究技术》[14]。

1.4 抗旱性综合评价采用模糊隶属函数法对2个草种的抗旱性进行评价[14-16]:计算公式为:

式中,x为各草种的某一指标测定值,xmax、xmin分别为所有草种中此指标的最大值和最小值。与抗逆性负相关的指标用反隶属函数计算,公式为:

最后将每个草种各项指标的隶属值（xu）累加,取其平均值,根据各草种平均值的大小确定其抗旱性强弱。平均值越大,抗旱性越强。一般认为,抗旱性是一个受多种因素影响的复杂数量性状。不同植物对某一具体生理指标的抗旱性反应不尽相同。采用隶属函数值平均法,既消除了个别指标带来的片面性,又由于平均值是个[0,1]区间上的纯数,使各品种抗旱性差异具有可比性[17]。

1.5 数据处理所有数据采用Excel以及SPSS17.0 2003进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对2种牧草叶片水分饱和亏的影响红豆草与变异小冠花叶片水分饱和亏随土壤水分的减少而显著增高。其中2草种水分饱和亏（WSD）升幅间差异不大,变异小冠花略低于红豆草,但在各个处理间变异小冠花WSD均显著高于红豆草（表1）。

表1 干旱胁迫对2种牧草叶片水分饱和亏的影响 %

2.2 干旱胁迫对2种牧草渗透调节物质含量的影响2草种叶片脯氨酸含量均随干旱胁迫程度的增加而显著增加,尤其是红豆草脯氨酸含量增加的幅度较大。在CK下,红豆草叶片脯氨酸含量略低于变异小冠花,但差异并不显著；而在MD与SD下,则显著高于变异小冠花（表2）。

随着干旱胁迫程度的加剧,2草种叶片可溶性糖含量均呈增加趋势。2草种在SD下积累的可溶性糖含量均显著高于对照,但在MD下则与对照差异不显著。红豆草叶片可溶性糖含量的增幅大于变异小冠花。在CK下,变异小冠花叶片可溶性糖含量显著高于红豆草,但在MD与SD下均小于红豆草,但差异不显著（表2）。

表2 干旱胁迫对2种牧草叶片脯氨酸含量及可溶性总糖含量的影响 mg/g

2.3 干旱胁迫对2种牧草MDA及超氧阴离子自由基含量的影响2种牧草在受到干旱胁迫后,叶片MDA含量均有所增加。其中红豆草MDA含量在MD下略高于对照,但并不显著,在SD下则显著高于对照；变异小冠花叶片MDA含量在各个处理间则差异显著。在2草种间,变异小冠花MDA含量的增幅大于红豆草,在CK下,变异小冠花叶片MDA含量显著低于红豆草,但受到干旱胁迫后大幅上升,并在SD下显著高于红豆草（表3）。

2种牧草在干旱处理下超氧阴离子自由基含量显著高于对照,其中红豆草在MD与SD下均显著高于对照,但彼此间并不显著,且MD下其含量略高于SD；变异小冠花叶片超氧阴离子自由基则在各个处理间差异显著。变异小冠花超氧阴离子自由基含量在干旱胁迫后增幅较大,在各个处理间均显著高于红豆草（表3）。

表3 干旱胁迫对2种牧草MDA及超氧阴离子自由基含量的影响

2.4 干旱胁迫对2种牧草保护酶活性的影响2个草种的SOD、CAT、APX活性均随干旱胁迫程度的增加而显著增加（表4）。红豆草在SD下SOD活性显著高于CK,但在MD下与CK相比则不显著；变异小冠花SOD活性在各个处理间均差异显著。2草种的 SOD活性增幅无明显差异,各个处理间变异小冠花SOD活性均高于红豆草,但只有在CK下差异显著。

2种牧草的CAT活性随着干旱胁迫程度的加剧在处理间均差异显著。MD下红豆草CAT活性增幅大于变异小冠花,而SD下则与之相反,但红豆草CAT活性在各个处理间均显著高于变异小冠花（表4）。

与CAT活性相似,2种牧草的APX活性在各处理间差异显著。变异小冠花APX活性的增幅大于红豆草,但变异小冠花APX活性在各个处理间均小于红豆草,且在CK与SD下差异显著（表4）。

2.52种牧草抗旱性综合评价采用模糊隶属函数法对2个草种相对含水量、脯氨酸、可溶性糖、MDA、超氧阴离子自由基含量以及 SOD、CAT、APX活性进行了综合评价。红豆草和变异小冠花各项生理指标隶属函数值的平均值分别为0.660和0.333（表5）。这说明,红豆草的抗旱性高于变异小冠花。

3 讨论与结论

植物生理抗旱特性是植物抗旱性的重要指标,蒋龙等的研究指出,抗旱性较强的牧草种有较强的保水能力[18],水分饱和亏越大说明水分亏缺越严重[19]。本试验中2种牧草水分饱和亏均随干旱胁迫的加剧而升高,变异小冠花的水分饱和亏在各个处理间均显著大于红豆草。这表明,红豆草比变异小冠花具有更强的保水能力,这也与抗旱性评价结果相一致。

表4 干旱胁迫对两种牧草抗氧化酶活性的影响

表5 干旱胁迫下不同牧草各测定指标的隶属函数值

植物受到非生物胁迫如干旱时会大量积累脯氨酸以抵御干旱胁迫[20]。王齐等[21]的研究表明,结缕草叶片游离脯氨酸的含量在水分胁迫期呈上升趋势,且随水分胁迫的增加而增大。本试验结果表明,随干旱胁迫程度的加剧,2种牧草叶片游离脯氨酸含量均呈增加趋势,且草种间存在显著差异,其中红豆草积累的脯氨酸量较多,并在各处理间显著高于变异小冠花,这与其抗旱性排序相一致。这也与宋海鹏等[22]报道的有关5种景天科属植物在干旱胁迫下脯氨酸的积累及抗旱性关系一致。Motoaki Seki等[23]认为,许多糖类物质与植物抗旱性均具有很强的相关性,可降低植物组织水势。本研究的结果也表明,2种牧草在干旱胁迫下均积累了较多的可溶性糖,这与吉增宝等[24]的研究结果相符,但草种间并无显著差异。

MDA含量则是用来检测膜脂受害程度的重要指标[25]。本试验中,干旱胁迫下2种牧草超氧阴离子自由基和MDA含量均有所增加,这与柯世省和金则新[26]在夏腊梅（Calycanthus chinensis）中的研究结论相一致。在抗旱性评价中抗旱性弱的变异小冠花的超氧阴离子和MDA含量在干旱处理下均显著高于红豆草。这说明变异小冠花在受到干旱胁迫时,容易受到干旱胁迫的影响而产生大量的·O2-,其膜脂过氧化程度也最高,从而对其自身造成伤害。与之相反,红豆草·O2-含量在干旱胁迫下与对照相比没有明显的变化,其MDA含量虽有增大,但增幅小于变异小冠花,说明红豆草有良好的抗旱性,这也与抗旱性评价结果一致。

SOD含量变化及活性高低可以反映机体内氧自由基的清除能力,而CAT与APX则反映机体对歧化反应产物H2O2的清除能力[27-28]。本研究结果表明,变异小冠花 SOD活性较高,但其·O2-含量依旧显著高于红豆草,同时变异小冠花CAT、APX活性显著低于红豆草,可以推测变异小冠花由SOD歧化反应所产生的H2O2不能得到及时清除,这可能是变异小冠花抗旱性低于红豆草的原因之一。这也说明,红豆草抗氧化酶系统的相互协调能力要好于变异小冠花,从而能更有效地清除有害的自由基和活性氧,进而表现出较强的抗旱性。

隶属函数分析可在多个测定指标的基础上对2种牧草的抗旱性予以评价,避免了单一指标的片面性。利用多指标对2草种进行综合评价本试验采用隶属函数法对盆栽控水下红豆草与变异小冠花水分饱和亏、脯氨酸含量、可溶性糖含量、超氧阴离子、MDA 含量、SOD、APX、CAT 活性等指标进行了综合评价,得出2种牧草抗旱性强弱为:红豆草＞变异小冠花。

以上研究结果是在盆栽试验条件下所得出的结论,而这2种牧草是否能适用于黄土高原植被恢复和栽培草地的建设的立地条件,仍需对其在不同水分条件下的水分利用特性作进一步的试验研究。

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