3个小黑麦品种苗期抗旱性评价

时间：2024-08-31

王伟强，田新会，杜文华

(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃兰州 730070)

干旱是制约中国可持续发展尤其是农业发展的主要障碍之一[1]。它是影响中国农业最为严重的气象灾害，造成的损失也相当严重[2]。干旱对植物的危害主要体现在使其水分丧失，导致植物细胞内外渗透失衡，进而影响植物正常的生命活动[3]。

小黑麦(×Triticosecale)为一年生禾本科植物，是黑麦(Secale)和小麦(Triticum)经属间有性杂交和染色体加倍繁育而成的新物种，它不仅表现出小麦的丰产性和籽粒饱满的优良品质，还保持了黑麦抗逆性强的特点，是一种性状优良的粮饲兼用型作物[4]。甘肃地处青藏、蒙新和黄土高原交汇地带，分属黄河、长江、内陆河3大流域，东南远离海洋，西北紧靠世界屋脊，有着特殊的地理位置，地形地貌复杂多样，气候干燥，降水量稀少，农业发展受到严重制约[5]。因此，筛选抗旱、稳产、高效的饲草作物及品种，是当前农业结构调整中亟待解决的问题。

目前国内有关植物抗旱性的研究主要集中在形态学、产量、农艺性状及生理生化指标方面，如株高、根系、叶片形态、产量、水分生理、光合速率、气孔导度、Pro，SS，SP，Chl，MDA含量、SOD，POD和CAT活性等，生理生化指标的变化可以反映植物对干旱胁迫适应的程度，并最终决定饲草的产量。魏添梅等[6]研究表明，在旱地条件下，小麦(Triticumaestivum)的株高与干旱程度显著相关。顾亚峰等[7]试验表明，前期的干旱可降低春小麦地上、地下部干重和单株叶面积，影响灌浆期旗叶同化产物的分配。当水分胁迫解除后，根系的干物重累计迅速增加。任丽花等[8]研究表明，在中度、重度和极度干旱的情况下植物叶片细胞中线粒体内外膜破裂，叶绿体膜断裂。陈彩虹等[9]研究表明在各生育期，不同程度干旱都会影响水稻的产量。任丽花等[10]结果表明，随着土壤干旱胁迫梯度的增加，植物叶片相对含水量、叶片失水率、净光合速率以及Chl含量均呈下降趋势。王金玲[11]试验表明，Pro的积累能力与抗旱性呈正相关，随着胁迫时间的延长，抗旱性强的小黑麦Pro含量积累高。常丽等[12]试验表明，干旱胁迫下可促进SS、SP的积累。曾晓琳等[13]研究表明随着干旱程度增加结缕草(Zoysiajaponica)的MDA含量、SOD，POD和CAT活性显著增强。甘农4号小黑麦为2019年青海省审定的小黑麦品种，但截至目前，有关其抗旱性研究方面的报道较少。本试验采用防雨棚隔雨法模拟干旱胁迫，研究了不同干旱胁迫天数下不同小黑麦品种叶片的生理生化指标的变化，并结合隶属函数法对其苗期抗旱性进行评价，以确定其抗旱性。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验在甘肃农业大学(N 36°03′，E 103°53°，海拔1 580 m)育种温室内进行，年均温9.0 ℃，年均降水量350 mm，降水主要集中在6-8月，无霜期153 d，年均降水量1 665 mm，试验区有灌溉条件，土壤类型为黄绵土。

1.2 试验材料

参试小黑麦品种为甘肃农业大学培育的甘农4号，石河子大学培育的石大1号，中国农业科学院作物研究所培育的中饲1048。

1.3 试验设计

本试验采用裂区设计，主区为干旱胁迫时间，设7个水平(0，7，14，21，28，35和42 d)；副区为小黑麦品种，设3个水平，分别为甘农4号(A1)，石大1号(A2)，中饲1048(A3)。挑选籽粒饱满无痕，大小均匀的小黑麦种子为播种材料，播种前在试验地0.5 m深处铺双层防水塑料布，试验小区的面积为3 m×5 m，每个小黑麦品种分别种3行(行长2 m)，点播，株距5 cm，行距20 cm，播种深度4～5 cm。播种前和出苗期施氮50 kg/hm2，并及时人工清除杂草。出苗期前灌水，在灌水后的0，7，14，21，28，35和42 d采集叶片，测定叶片的生理指标。每个对照品种种于相邻的试验地，进行正常灌水。试验期间及时人工除草。播种时间为2020年8月25日。

1.4 测定项目与方法

田间持水量采用环刀法测定。土壤含水量采用烘干称重法测定。生理生化指标的测定，脯氨酸(Pro)含量：采用茚三酮比色法测定；可溶性糖(SS)含量：采用蒽酮比色法测定；可溶性蛋白(SP)含量：采用考马斯亮蓝G-250染色法测定；叶绿素含量(Chl)含量：采用95%乙醇法测定；丙二醛(MDA)含量：采用硫代巴比妥酸法测定；超氧化物歧化酶(SOD)活性：采用氮蓝四唑光化还原法测定；过氧化物酶(POD)活性：采用愈创木酚法测定；过氧化氢酶(CAT)活性：采用KMnO4滴定法测定[14]；以上指标测定均3次重复。

1.5 数据统计

运用Microsoft Excel 2016进行数据整理及作图，利用SPSS 19.0进行差异显著性分析。如果差异显著，则分别利用Duncan法进行多重比较。试验结果以“平均数±标准误”表示。用隶属函数法对各参试的小黑麦品种的抗旱性进行综合评价。

1.6 生理生化指标相对值的计算

由于各项生理生化指标的差异和自身遗传特性带来的影响，本试验将采用各生理生化指标的相对值来计算，计算公式如下：

式中，Xd代表干旱处理生理生化值，Xw代表对照处理生理生化值[15]。

1.7 综合评价

在模糊的数学当中，1个评估因子指标的测量值属于某一级别的程度称为隶属度，隶属度是介于0和1之间的值。数值越接近1，隶属于这一级别程度越大。每个评估因子指标的测量值对应1个隶属度，这种对应关系称为隶属函数。隶属函数值法的计算公式如下：

MDA的增加，破坏了细胞膜的选择性。通常来讲，MDA的增加认为是植物不抗旱的表现。所以，相对MDA含量的隶属函数值法的计算公式如下：

式中，Xj表示各品种第j个生理生化指标的相对值；Xjmax表示各品种j生理生化指标相对值的最小值；Xjmax表示各品种j生理生化指标相对值的最大值。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量

本试验测得田间持水量为25.93%，土壤体积含水量占田间持水量80%以上时为正常水平，50%～70%为轻度干旱，30%～50%为中度干旱，低于30%为重度干旱[16](表1)。

表1 不同干旱胁迫天数下土壤相对含水量及干旱程度

2.2 小黑麦品种间、干旱胁迫天数间及品种×干旱胁迫天数交互作用间生理生化指标相对值的方差分析

除相对Pro含量外，品种间相对SS，SP，Chl，MDA含量及相对SOD，POD和CAT活性均无显著差异(P>0.05)(表2)。干旱胁迫天数及品种×干旱胁迫天数间除相对SP含量无显著差异外，其余生理生化指标的相对值均存在极显著差异(P<0.01)，需对上述存在显著差异的指标进行多重比较。

表2 干旱胁迫下小黑麦各生理生化指标相对值的方差分析

2.3 小黑麦品种间生理生化指标相对值的差异

3个小黑麦品种，A1在不同干旱胁迫下叶片的平均相对SS，SP，Chl和MDA含量及相对SOD，POD和CAT活性与A2和A3品种无显著差异(P>0.05)；相对Pro含量显著低于A3(P<0.05)，与A2无显著差异(P>0.05)(表3)。

表3 小黑麦品种间生理生化指标相对值

2.4 干旱胁迫天数间小黑麦生理生化指标相对值的差异

随着干旱胁迫时间的增加，3个小黑麦品种叶片相对Pro，SS含量和相对SOD活性有上升趋势，重度干旱(35 d)时达到最大，之后开始下降；相对CAT活性有上升趋势，中度干旱(28 d)时达到最大，之后开始下降；相对SP，MDA含量和相对POD活性均呈上升趋势，干旱胁迫到42 d(重度干旱)时达到最大；相对Chl含量呈下降趋势，干旱胁迫7 d(轻度干旱)时达到最大(表4)。

表4 干旱胁迫天数间小黑麦叶片生理生化指标相对值

2.5 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间生理生化指标相对值的差异

2.5.1 相对Pro含量随着干旱胁迫天数的增长，参试小黑麦材料的相对Pro含量呈先上升后下降的趋势。在轻度干旱(7 d)时，A1的相对Pro含量高于A2，低于A3，但无显著差异(P>0.05)；在轻度干旱(14 d)和中度干旱时，A1的相对Pro含量显著低于A2和A3(P<0.05)；在重度干旱时，A1的相对Pro含量高于A2，显著低于A3(P<0.05)(图1)。

图1 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间相对Pro含量

2.5.2 相对SS含量随着干旱胁迫天数的增长，参试小黑麦品种的相对SS含量呈先上升后下降的趋势。在轻度干旱(7 d)时，A1的相对SS含量低于A2，高于A3，但无显著差异(P>0.05)；在轻度干旱(14 d)和中度干旱时，A1的相对SS含量高于A2和A3；但无显著差异(P>0.05)；在重度干旱时，A1的相对SS含量高于A2，低于A3(图2)。

图2 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间相对可溶性糖含量

2.5.3 相对SP含量

随着干旱胁迫天数的增长，参试小黑麦材料的相对SP含量呈上升趋势。在轻度干旱(7 d)时，A1的相对SP含量低于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)；在轻度干旱(14 d)时，A1的相对SP含量低于A2，高于A3，但无显著差异(P>0.05)；在中度和重度干旱时，A1的相对SP含量低于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)(图3)。

图3 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间相对SP含量

2.5.4 相对Chl含量随着干旱胁迫天数的增长，参试小黑麦材料的相对Chl含量呈下降趋势。在轻度干旱(7 d)时，A1的相对Chl含量低于A2，高于A3，但无显著差异(P>0.05)；在轻度干旱(14 d)和中度干旱(21 d)时，A1的相对Chl含量低于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)；在中度干旱(28 d)时，A1的相对Chl含量显著低于A3(P<0.05)，高于A2，但无显著差异(P>0.05)；在重度干旱(35 d)时，A1的相对Chl含量低于A3，但无显著差异(P>0.05)；在重度干旱(42 d)时，A1的相对Chl含量高于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)(图4)。

图4 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间相对Chl含量

2.5.5 相对MDA含量随着干旱胁迫天数的增长，参试小黑麦品种的相对MDA含量呈上升趋势。在轻度干旱(7 d)时，A1的相对MDA含量低于A2，高于A3，但无显著差异(P>0.05)；在轻度干旱(14 d)时，A1的相对MDA含量低于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)；在中度干旱(21 d)时，A1的相对MDA含量低于A2，高于A3，但无显著差异(P>0.05)；在中度干旱(28 d)时，A1的相对MDA含量高于A2和A3，与A2无显著差异(P>0.05)，与A3差异显著(P<0.05)；在重度干旱时，A1的相对MDA含量低于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)(图5)。

图5 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间相对MDA含量

2.5.6 相对SOD含活性随着干旱胁迫天数的增长，参试小黑麦品种的相对SOD活性呈先升后降的趋势。在轻度干旱(7 d)时，A1的相对SOD活性高于A2和A3，与A3无显著差异(P>0.05)，与A2有显著差异(P<0.05)；在轻度干旱(14 d)时，A1的相对SOD活性低于A2，高于A3，但无显著差异(P>0.05)；在中度干旱(21 d)时，A1的相对SOD活性低于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)；在中度干旱(28 d)时，A1的相对SOD活性高于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)；在重度干旱(35d)时，A1的相对SOD活性高于A2，低于A3，但无显著差异(P>0.05)；在重度干旱(42 d)时，A1的相对SOD活性低于A2和A3，但无显著差异(P>0.05)(图6)。

图6 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间相对SOD活性

2.5.7 相对POD活性随着干旱胁迫天数的增长，参试小黑麦材料的相对POD活性呈上升趋势。在轻度干旱(7 d)时，A1的相对POD活性高于A2，低于A3，但无显著差异(P>0.05)；在轻度干旱(14 d)时，A1的相对POD活性低于A2和A3，与A3差异显著(P<0.05)，与A2无显著差异(P>0.05)；在中度干旱时，A1的相对POD活性低于A2和A3；在重度干旱(35 d)时，A1的相对POD活性低于A2和A3，与A2差异显著(P<0.05)，与A3无显著差异(P>0.05)；在重度干旱(35 d)时，A1的相对POD活性高于A2，低于A3，但无显著差异(P>0.05)(图7)。

图7 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间相对POD活性

2.5.8 相对CAT活性随着干旱胁迫天数的增长，参试小黑麦材料的相对CAT活性呈先上升后下降的趋势。在轻度干旱时，A1的相对CAT活性低于A2，高于A3；在中度和重度干旱时，A3的相对CAT活性低于A2和A3(图8)。

图8 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间相对CAT活性

2.6 小黑麦苗期抗旱性评价

采用隶属函数法对3个参试小黑麦品种的8项生理生化指标的相对值进行隶属函数值的计算，得出小黑麦品种隶属函数值的大小并对其进行排名，小黑麦品种苗期抗旱性排名依次为中饲1048(A3)>石大1号(A2)>甘农4号(A1)(表5)。

表5 不同品种小黑麦隶属函数值及排名

3 讨论

3.1 小黑麦品种间抗旱相关性生理生化指标相对值的差异及原因

通过研究不同小黑麦品种在干旱胁迫条件下生理生化指标相对值的变化，表明环境因子对小黑麦生理特性的影响主要由基因而定。方敏彦等[17]研究表明，Pro在植物受到干旱胁迫下会成倍的增加，Pro在干旱胁迫的积累下能够维持一段时间的植物细胞含水量，也是植物在干旱胁迫下正常生命活动的一种调控方式。本试验结果表明，A3的相对Pro含量较大，同时，也表现出较强的抗旱性。小黑麦品种在干旱胁迫35 d后相对Pro含量有不同程度的下降，总体表现为Pro含量与小黑麦品种抗旱性呈正相关。SS含量可反映植物的抗胁迫能力。SS含量越高，渗透调节作用越明显，植物的抗旱能力越强[18]。在相同的干旱胁迫环境下，抗旱性强的品种可能会产生更多的蛋白质，从而增加了细胞中的应答蛋白，以抵抗缺水对细胞带来的迫害[19]。本试验表明，A1的相对SS较高，但与A2和A3差异不显著。A2的相对SP含量高于A1和A3，对其抗旱的表达有一定的影响，所以抗旱性较弱。在干旱胁迫的环境中，Chl的合成受阻，分解加快，致使叶片发黄，在一定范围内，Chl的含量直接影响植物的光合作用。所以Chl含量对植物的生长发育具有十分重要的意义[20]。在本试验中，A3的相对Chl含量高于A1和A2，所以，A3的光合能力较强，生长发育能力迅速，抗旱性也较强。植物在遭受干旱胁迫时，MDA含量将快速升高，同时，自身将积累一些可溶性物质(如SS和Pro)进行渗透调节，以此适应干旱的环境[21]。在本试验中，A2相对MDA含量高于A1和A3，似乎与前人结论相悖。但是干旱胁迫使叶片的MDA含量升高的同时，也伴随着SS和Pro含量的上升，所以抗旱性也随之增强。反之，当叶片中MDA含量下降时，SS和Pro含量也随之减少，抗旱性也将变弱。SOD，POD和CAT是3种关键的抗氧化酶，其活性与植物抗性密切相关[22]。SOD，POD共同作用是消除因逆境环境中引起的活性氧对植物生长发育产生的不良影响，以增强植物自身的抗旱能力，为保证植物细胞能够进行正常的生理生化活动，植物体内会通过大量的SOD和POD进行酶促反应，来消除植物体内多余的活性氧，从而达到植物正常的代谢平衡，所以，牧草品种不同，对活性氧清除能力也有所不同，植物受到胁迫损伤因蛋白合成受阻而导致SOD活性的下降，在逆境条件下还能保持SOD活性，则该品种具有较高水平的抗逆性[23-24]。CAT活性清除植物体内H2O2，将有毒的物质分解为H2O和O2，阻止H2O2与氧自由基在铁螯合物作用下生成损害植物细胞的羟自由基。本试验结果表明，A1的相对SOD，POD和CAT活性较低，且增幅比A2和A3小，抗旱性较弱。这与梁新华[25]等研究结果一致。

3.2 干旱胁迫天数对小黑麦叶片生理生化指标相对值的差异及原因

蒋晋豫等[26]研究表明，当植物受到干旱胁迫后Pro含量整体呈先增加后下降趋势，而A2和A3的Pro含量变化较小。与本试验结果相比，干旱胁迫天数与小黑麦相对Pro含量差异极显著，说明其对干旱胁迫比较敏感，能尽快产生Pro来调节渗透平衡，与其研究结果基本相符。谭景晨等[27]研究表明，随着干旱胁迫程度的增加，SS含量呈先降低后上升的趋势。何耀峰等[28]研究表明，干旱胁迫下，植物对干旱胁迫条件有一定的限度，超过最大限度，植物叶片中蛋白质合成受阻，分解加强，SP含量急剧下降，下降幅度越小，抗旱性越强。本试验结果表明，干旱胁迫天数与小黑麦相对SS和SP含量差异极显著，随着干旱胁迫天数的增加，相对SS含量呈先升后降的趋势，相对SP含量持续下降。许彩丽等[29]研究表明，随着干旱胁迫时间的增加，植物的Chl含量变化从整体上看，先升后降，说明干旱胁迫会植物Chl含量发生变化，影响其生成。本试验结果表明，随着干旱胁迫时间的增加，小黑麦叶片中的相对Chl含量下降，说明在干旱胁迫后期，Chl含量积累缓慢，植物叶片发黄，甚至枯萎。通常情况下MDA含量也作为一种抗旱性指标[30]。随着干旱胁迫程度的加剧，植物体内MDA含量明显上升，表明植物细胞受伤害的程度明显加深[31]。随着干旱胁迫时间的延长，植物细胞膜结构和功能会发生一定程度地变化，胞间平衡将会被打破，若不能及时清除这些有害物质，会导致植物体内的正常生理生化代谢受阻，MDA含量就会相应地升高。本试验表明，随着干旱胁迫时间的加剧，相对MDA含量相应的上升，说明MDA含量在极度干旱环境下，上升迅速，与前人结论一致。通常情况下，SOD活性与植物体抗氧化能力呈正相关，干旱胁迫的初始，SOD活性开始升高，当过度干旱或胁迫时间继续延长时，SOD活性呈下降的趋势[32]。李瑞姣等[33]研究发现，干旱胁迫刚开始时，POD活性比SOD活性变化更为明显，说明POD对轻度干旱更加敏感，随着干旱胁迫时间的继续延长，SOD活性逐渐降低而POD活性大幅升高。本试验表明，小黑麦相对POD活性随着干旱胁迫天数的增加而上升，这是因为在植物遭受极度的干旱时，SOD活性发挥主要作用。CAT活性随着干旱胁迫时间的加长，呈先增后降的趋势，这与杨淑红等[34]研究结果相符。

3.3 小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间小黑麦叶片生理生化指标相对值的差异及原因

根据小黑麦品种×干旱胁迫天数交互作用间小黑麦抗旱性相关性生理生化指标可知，当干旱胁迫达到第35 d时，小黑麦品种相对Pro、SS和SP含量最大，但各小黑麦品种的变化幅度略有差异，Pro、SS和SP含量变化越大的小黑麦品种抗旱性越强[35]。这与胡晓健等[36]研究结论基本相符。干旱胁迫可使植物体内水分大量缺失，蛋白质逐渐降解，为缓解植物体过多的蛋白质的流失，机体将会开启自我防御功能[37]。当干旱胁迫达到42 d时，小黑麦品种相对MDA含量最大。当植物正处于干旱胁迫的状态下，细胞膜表面的质膜过氧化作用加强，导致MDA含量上升[38]。当干旱胁迫达到28 d时，小黑麦品种相对SOD和CAT活性最高，有可能是在极度干旱条件下，植物的缺水会激活相应的SOD和CAT的基因，从而导致其活性继续增强，当达到一定的阈值时，SOD和CAT活性又开始下降，这也是使自身膜系统免受伤害的生理调节机制[39]。当干旱胁迫达到42 d时，参试小黑麦品种相对POD活性最高，这表明在极度干旱情况下，植物可以改变酶活性来抵抗逆境对植物细胞带来的损害[40]。