甘农1号小黑麦的田间抗旱性研究

陈丽霞，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/中-美草地畜牧业可持续研究中心， 甘肃 兰州 730070)

干旱属于世界性农业气象灾害之一[1]。尤其是在我国北方地区,连续多年长时间的干旱对生态系统和环境的影响极其严重[2]。水分条件是制约植物生长分布的重要环境因子之一，影响植物形态、生理生化代谢及地理分布，同时水分胁迫是各种逆境胁迫中最普遍、最常见的胁迫因子[3]。作物的抗旱性是指在干旱条件下，作物能够忍耐或抵御水分胁迫而使其自身生长、发育和繁衍后代受到最小抑制的能力，他是由多基因控制的数量遗传性状，受基因型和水分胁迫双重影响[4]。水分胁迫会造成不同程度减产,因此，筛选优质高产、抗旱和适应性强的植物品种在干旱和半干旱地区已成为农业可持续发展的主要途径。

小黑麦(Triticalewittmack)是小麦属(Triticum)和黑麦属(Secale)经属间有性杂交和染色体加倍而成的，不仅保持了小麦的高产性，而且还结合了黑麦抗病、抗逆、适应性广、赖氨酸含量高和营养品质好等特点[5-6]。由于小黑麦具有黑麦抗旱性强的特点，因此在不同干旱胁迫条件下产量的稳定性较好。据内蒙古拉布拉林农场的试验资料，干旱年份小黑麦的种子产量显著高于小麦，增产幅度达44.6%～109.4%[7]。孔广超等[8]研究表明，在旱地栽培条件下‘新小黑麦1号’种子产量为3 300～5 250 kg·hm-2，表现了较强的抗旱性。Royo等[9]研究表明，小黑麦在开花前或籽粒成熟期具有较强的抗旱性，主要是因为其抽穗较早、根系发达[10]。魏亦农等[11]通过测定小黑麦旗叶的叶绿素荧光诱导动力学参数，表明其具有较强的抗旱能力，和小麦根系中与抗旱性相关生理生化指标的变化相比，叶片中相关生理指标的变化更具有稳定性和规律性，且测定更加方便、简洁。李德全等[12]研究表明，在干旱胁迫条件下，抗旱性强的小麦品种渗透调节能力明显强于抗旱性弱的小麦品种，可溶性糖对渗透调节的贡献大于脯氨酸，可溶性糖含量高者其抗旱性较强。不同大麦品种间脯氨酸累积有明显差异，脯氨酸累积与抗旱性成正相关[13]。丙二醛(MDA)是细胞质膜过氧化的主要产物，在干旱条件下，抗旱性强品种的丙二醛含量低于抗旱性弱品种[14]。水分胁迫下SOD与CAT的变化趋势相似，与抗旱性成正相关，而 POD活性变化较复杂，一般认为，干旱条件下抗旱品种叶片 POD 活性上升或维持较高水平，并随干旱处理的持续和程度增强而增加[15]。抗旱性越强的作物其叶片中SOD、POD和CAT活性越大[16]。在植物生长抗旱性研究中，由于植物本身抗旱机理的复杂性和植物对干旱条件适应的多样性，采用单一指标不能全面反映植物抗旱性，因此采用多指标综合评价法才能更加客观地评价植物抗旱性强弱。

植物在干旱胁迫下的产量是评价不同品种抗旱性强弱的最根本、最直接的指标[17]。‘甘农1号’小黑麦为甘肃省审定登记的第1个小黑麦品种，其在不同生境条件下种子产量波动较大[18]。本研究以‘甘农1号’小黑麦为试验材料，以国家草品种审定委员会规定的小黑麦区域试验统一对照‘石大1号’和‘中饲1048’小黑麦为对照，采用遮雨棚控制水分的方法，在大田条件下研究不同小黑麦品种可溶性糖含量、脯氨酸含量、丙二醛含量、SOD、POD和CAT活性等生理生化指标对干旱胁迫的响应，利用隶属函数法对3个小黑麦品种的抗旱性进行综合评价，并根据综合抗旱系数给出相应抗旱等级，为‘甘农1号’小黑麦在西北干旱半干旱雨养农业区种植提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验在甘肃农业大学牧草试验站进行，E 103°34′，N 36°05′，海拔1 520 m。年降水量349 mm，年均温9.0℃，无霜期171 d，年有效积温(≥10℃)3 200 ℃。试验地土壤为灰钙土类，肥力均匀，地势平坦，有灌溉条件，前茬作物为小黑麦。

1.2 试验材料

本研究以甘肃农业大学草业学院选育的‘甘农1号’小黑麦为试验材料，对照为国家草品种审定委员会规定的小黑麦区域试验统一对照‘石大1号’小黑麦(CK1)和‘中饲1048’小黑麦(CK2)。

1.3 试验方法

挑选籽粒饱满，大小均匀的小黑麦种子作为播种材料。小区面积2 m×5 m，每个品种分别种植3行(行长2 m)，播种行距20 cm，播种量225 kg·hm-2，播种深度4～5 cm，播种前施底肥50 kg N·hm-2，出苗期进行灌水和施肥(50 kg N·hm-2)。分蘖期采用遮雨棚控水法进行干旱胁迫处理，分别在干旱胁迫第7，14，21，28，35和42 d测定土壤含水量，并采集叶片测定其生理生化指标，直至小黑麦地上部分萎蔫至死亡。

1.4 测定项目及方法

田间持水量：采用环刀法[19]测定。

土壤含水量：烘干称重法[20]。设定土壤含水量占田间持水量80%以上为正常水分水平，50%～80%为轻度干旱，30%～50% 为中度干旱，低于30%为重度干旱[21-22]。

生理生化指标：可溶性糖含量用蒽酮法；脯氨酸含量用酸性茚三酮染色法；丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸(TBA)显色法；超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮蓝四唑光化还原法；过氧化物酶(POD)活性用愈创木酚法；过氧化氢酶(CAT)活性用紫外吸收法。各指标的测定方法参见文献[23]。

1.5 抗旱系数和隶属函数的计算

在模糊数学中，1个评价因素指标实测值隶属于某一级别的程度称为隶属度，为0～1之间的数值。该数值越接近1，隶属于这一级别的程度越大。每个评价因素指标实测值，就对应1个隶属度，这种对应关系称为隶属函数[24]。隶属函数值法的计算公式如下：

(1)

(2)

1.6 各指标抗旱系数的计算

由于各指标本身的差异性，抗旱系数采用不同的计算公式。在不同干旱胁迫条件下，脯氨酸和可溶性糖含量以及SOD、POD和CAT的酶活性都会增大，目的是增强细胞的渗透调节能力和清除自由基及MDA的含量，使植物具有更强的抗旱性[28]，所以采用下面公式计算。

(3)

干旱胁迫使MDA含量增加，破坏细胞膜的选择透性，MDA含量的增加为植株不抗旱的表现[29]。因此MDA的抗旱系数计算公式如下。

(5)

式中，n为指标性状数量，i为指标性状。

1.7 数据统计分析

利用Excel 2003整理数据并作图，用SPSS 19.0对土壤含水量和生理指标试验数据进行二因素显著性检验，采用隶属函数法对3个小黑麦品种的抗旱性进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对土壤含水量的影响

由图1可知，同一干旱胁迫天数下，0～20 cm土层的土壤含水量显著低于20～40 cm。随着干旱胁迫天数增加，0～20 cm和20～40 cm土层的土壤含水量均呈下降趋势，干旱胁迫0～14 d土壤含水量降幅较快，与对照(干旱胁迫0 d)差异显著(P<0.05)，21 d后土壤含水量下降速度减慢。

根据不同干旱胁迫天数土壤含水量占田间持水量的比例(表1)，干旱胁迫7 d为轻度干旱，14～21 d为中度干旱，胁迫28 d为重度干旱。

图1 干旱胁迫对土壤含水量的影响Fig.1 Effects of drought stress on the soil moisture content注：不同小写字母表示不同土层、不同胁迫天数间差异显著(P<0.05)，下同Note: Different lowercase letters indicate significant difference between soil layers and different stress days at the 0.05 level, the same below

2.2 干旱胁迫对小黑麦生理生化指标的影响

小黑麦品种间、干旱胁迫天数间、品种×干旱胁迫天数交互作用间小黑麦叶片中可溶性糖、脯氨酸和MDA含量以及SOD、POD和CAT活性的差异显著性分析(表2)表明，除品种间和品种×干旱胁迫天数交互作用间MDA含量无显著差异外，品种间、干旱胁迫天数间以及品种×天数互作间其他指标均存在极显著差异(P<0.01)，需要进行多重比较。

表1 不同干旱胁迫天数土壤含水量占田间持水量的比例Table 1 Ratio of the soil moisture content to the field moisture capacity under different drought stress days/%

由图2可知，干旱胁迫0～21 d时3小黑麦品种叶片的可溶性糖含量无显著差异。干旱胁迫28 d时，‘甘农1号’小黑麦的可溶性糖含量显著高于CK1，35 d时显著高于CK1和CK2，42 d时显著高于CK2。

2.2.1干旱胁迫对小黑麦可溶性糖含量的影响 由表3可知，‘甘农1号’可溶性糖含量最高，与两个对照品种间差异显著(P<0.05)，CK2的可溶性糖含量高于CK1，但无显著差异。

随着干旱胁迫天数增加，可溶性糖含量表现为先增加后减少的倒“u”字形。正常灌水条件下(干旱胁迫0 d)小黑麦叶片的可溶性糖含量显著低于干旱胁迫，胁迫7 d后可溶性糖含量迅速升高，14 d和21 d的变化幅度不明显，干旱胁迫28 d后可溶性糖含量达到最高，之后又开始下降。各干旱胁迫天数间除7,14和35 d的可溶性糖含量无显著差异外，

其他干旱胁迫天数间均有显著差异(P<0.05)。

图2 干旱胁迫对小黑麦叶片可溶性糖含量的影响Fig.2 Effects of drought stress on the soluble sugar content of triticale leaves

表2 小黑麦叶片中可溶性糖、脯氨酸、MDA、SOD、POD、CAT的方差分析Table 2 Variance analysis of the soluble sugar, proline content, malondialdehyde, superoxide dismutase, peroxidase and catalase activities of triticale varieties

生理生化指标Physiological biochemical indexesF值可溶性糖含量Content of the soluble sugar/ mg·g-1脯氨酸含量Proline content/μg·g-1MDA含量Content of the malondialdehyde/μmol·g-1SOD活性Activityt of the superoxide dismutase/μ·g-1·min-1POD活性Peroxidase activity/μ·g-1·min-1CAT活性Catalase activity/u·g-1·min-1品种间Varieties8.91**57.40**2.6034.64**12.85**22.48**干旱胁迫天数间Drought stress days29.75**49.46**23.88**30.49**6.89**5.10**品种×干旱胁迫天数Varieties×Drought stress days3.60**5.12**1.347.43**8.89**5.42**

注：*表示差异达显著水平(P<0.05)，**表示差异达极显著水平(P<0.01)，下同

Note: * indicate significant difference at the 0.05 level;**indicate significant difference at the 0.01 level. The same as below

注：品种和干旱胁迫天数间同列不同字母表示差异显著(P<0.05)

Note: Different letters within the varieties and drought stress days indicate significant difference at the 0.05 level

2.2.2干旱胁迫对小黑麦脯氨酸含量的影响 干旱胁迫后，3个小黑麦品种间脯氨酸含量差异显著(P<0.05)，‘甘农1号’小黑麦的脯氨酸含量最高，其次为CK1，CK2的脯氨酸含量最低(表3)。

由表3可知，随着干旱胁迫天数的增加，脯氨酸含量整体表现为增加的趋势。正常灌水(干旱胁迫0 d)小黑麦叶片脯氨酸含量显著低于干旱胁迫，与干旱胁迫7 d时无显著性差异，与其他胁迫天数间差异显著。干旱胁迫7～14 d脯氨酸含量上升较快，干旱胁迫14 d与21 d，28 d与35 d的脯氨酸含量无显著差异，干旱胁迫42 d时脯氨酸含量达到最大值，与其他天数间均有显著性差异(P<0.05)。

由图3可知，干旱胁迫0～7 d时，3个小黑麦品种叶片的脯氨酸含量无显著差异；干旱胁迫14，21和28 d时，‘甘农1号’的脯氨酸含量显著高于CK2，但与CK1无显著差异；干旱胁迫35 d时，‘甘农1号’小黑麦的脯氨酸含量最高，且显著高于CK1和CK2；干旱胁迫42 d时，3个小黑麦品种的脯氨酸含量无显著差异。

2.2.3干旱胁迫对小黑麦MDA含量的影响 品种间和品种×干旱胁迫天数交互作用间小黑麦MDA含量无显著差异，干旱胁迫天数间MDA含量的差异极显著(表2)。随着干旱胁迫天数增加，小黑麦叶片中MDA含量逐渐增加。干旱胁迫7 d时小黑麦叶片的MDA含量最低，且显著低于28，35和42 d的MDA含量；干旱胁迫7～21 d MDA含量上升幅度较慢，28 d后MDA含量上升较快，干旱胁迫42 d 时MDA含量达到最大值。

图3 干旱胁迫对小黑麦叶片脯氨酸含量的影响Fig.3 Effects of the drought stress on proline content in triticale leaves

2.2.4干旱胁迫对小黑麦SOD活性的影响 ‘甘农1号’小黑麦的SOD活性显著大于CK1和CK2，两对照间SOD活性无显著差异(表3)。

由表3可知，随着干旱胁迫天数增加，SOD活性先增加后减少，呈倒“u”字形。干旱胁迫14 d后SOD活性上升较快，28 d 后SOD活性达到最大值，之后又开始下降。除干旱胁迫7 d外，其他干旱胁迫天数的小黑麦叶片SOD活性均显著高于正常灌水条件(干旱胁迫0 d)(P<0.05)；其他干旱胁迫天数间小黑麦叶片SOD活性的差异如表3所示。

干旱胁迫0，7，35和42 d时3个小黑麦品种叶片的SOD活性无显著差异；干旱胁迫14 d时，‘甘农1号’的SOD活性显著高于CK1，但与CK2无显著差异；干旱胁迫21，28 d时，‘甘农1号’小黑麦的SOD活性显著高于CK1和CK2，其中干旱胁迫28 d时‘甘农1号’小黑麦SOD活性达到最高(图4)。

图4 干旱胁迫对小黑麦叶片SOD活性的影响Fig.4 Effects of drought stress on the activity of the superoxide dismutase of triticale leaves

2.2.5干旱胁迫对小黑麦POD活性的影响 ‘甘农1号’小黑麦的POD活性显著低于CK2(P<0.05)，与CK1之间无显著性差异(表3)。

由表3可知，不同干旱胁迫天数间小黑麦叶片POD活性的变幅较小。随着干旱胁迫天数增加，小黑麦叶片中POD活性逐渐增大，干旱胁迫28 d时POD活性最大，之后又开始下降。干旱胁迫28 d和7 d，14 d和42 d，35 d和7 d间POD活性差异显著，其他干旱胁迫天数间POD活性无显著差异。

由图5可知，在正常灌水条件下(干旱胁迫0 d)和干旱胁迫35 d以及42 d时，‘甘农1号’小黑麦POD活性显著低于对照；干旱胁迫14 d时‘甘农1号’小黑麦POD活性显著高于CK1，但与CK2无显著差异；其他干旱胁迫天数间3个小黑麦品种POD活性无显著差异。

2.2.6干旱胁迫对小黑麦CAT活性的影响 3小黑麦品种中，‘甘农1号’小黑麦的CAT活性显著低于CK2，与CK1无显著差异(表3)。

由表3可知，随着干旱胁迫天数增加，7～14 d时小黑麦CAT活性迅速增加，14～28 d时缓慢增加，干旱胁迫28 d时达最大，之后开始下降，42 d时又开始升高。多重比较结果表明，干旱胁迫7 d时小黑麦CAT活性除与正常灌水(干旱胁迫0 d)和干旱胁迫35 d无显著性差异外，与其他干旱胁迫天数间存在显著差异。其他干旱胁迫天数间小黑麦CAT活性的差异如表3所示。

干旱胁迫0，7 和21 d时3个小黑麦品种间CAT活性无显著差异；干旱胁迫14，35和42 d时，‘甘农1号’小黑麦的CAT活性显著低于CK2，干旱胁迫28 d时显著高于CK1(图6)。

图5 干旱胁迫对小黑麦叶片和POD活性的影响Fig.5 Effects of drought stress on the activity of the peroxidase of triticale leaves

图6 干旱胁迫对小黑麦叶片CAT活性的影响Fig.6 Effects of drought stress on catalase activity of triticale leaves

2.3 小黑麦品种抗旱性综合评价

从上述水分胁迫下不同小黑麦品种各生理生化指标的变化可知，用单一指标不能客观评价参试小黑麦品种的抗旱性，也无法给出相应的抗旱等级。隶属函数法可以将各抗旱指标进行综合定量评价，能够更加全面地综合评价不同品种的抗旱性[23]。

本试验利用隶属函数法对3个小黑麦品种叶片中可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性和CAT活性进行综合分析。由于小黑麦品种间和品种×干旱胁迫天数交互作用间MDA含量无显著差异，综合评价时不宜将指标列入。由表4可知，3个小黑麦品种中‘甘农1号’、CK1和CK2的平均D值分别为0.63，0.26和0.37。依据D值大小，3个小黑麦品种的抗旱性强弱为‘甘农1号’>CK2>CK1，‘甘农1号’小黑麦属于中抗旱型，品种CK1和品种CK2为干旱较敏感型。

表4 不同时期干旱胁迫下各小黑麦品种的u(x)值、综合抗旱系数及抗旱性分级Table 4 Comprehensive drought resistance coefficient,u(x)value, drought-resistance classification for triticale variety treated with drought stress for different days

3 讨论

干旱对作物生长的影响是多方面的，但最根本的影响是由于土壤含水量减少，导致叶片光合作用得不到及时补偿，引起植物细胞原生质脱水，破坏细胞膜脂层分子排列，细胞透性增加[30]。由于缺水植物正常生理过程被破坏，合成受到抑制，加速分解，使植物生长减慢，叶片失水衰老、枯黄，直至死亡[31]。本试验在干旱胁迫42 d时，叶片枯黄萎蔫，大部分植株开始死亡。

植物的抗旱性与可溶性糖含量和脯氨酸含量成正相关[13]，可溶性糖和脯氨酸含量的积累对处于干旱胁迫条件下的作物具有保护作用，植物体内原生质的渗透势会随着细胞内可溶性糖含量的增加而下降，通过提高渗透压促使植物从外界吸收更多水分，以达到供自身生理活动需求[32]。本试验中，‘甘农1号’小黑麦在干旱胁迫条件下的可溶性糖含量和脯氨酸含量显著高于CK1和CK2，说明其抗旱性比较强。当植物体内SOD，POD，CAT以及不同过氧化物酶存在时，酶活性越高，会越快中断过氧化物与 H2O2的反应，保护作用更强[33]。干旱条件下，POD活性越大，表明作物抗旱性越强，也有研究表明，水分胁迫下 CAT 的变化趋势与 SOD 相似，与抗旱性成正相关[34]。本试验中，‘甘农1号’小黑麦的SOD活性显著高于对照，但其叶片中POD活性和CAT活性与CK1相近，显著低于CK2。说明‘甘农1号’叶片中可溶性糖含量、脯氨酸含量和SOD活性对其抗旱性有重要作用。

轻度干旱(7 d)时，小黑麦叶片中脯氨酸含量和SOD活性略有增加(升高)，可溶性糖含量、MDA含量、POD活性和CAT活性略有降低，说明轻度干旱对参试小黑麦品种的影响较小。当小黑麦受到中度干旱胁迫(14～21 d)时，各生理生化指标不同程度升高，可溶性糖含量和脯氨酸含量上升速度较快，说明渗透调节物质的积累是抵抗干旱胁迫的重要机制[35]。重度干旱(28～42 d)时，小黑麦叶片中脯氨酸含量和MDA含量达到最大值；可溶性糖含量、SOD活性、POD活性和CAT活性均达到了最大值，之后降低。主要是因为，短期内可溶性糖和脯氨酸含量的升高起到渗透调节的作用，但是长时间的干旱胁迫会使植株内的糖含量消耗过多而降低[36]。MDA含量的高低反映质膜过氧化强弱和受伤害程度，其含量增加是因为细胞内自由基产生和清除之间的平衡受到破坏出现自由基累积[37]。细胞中的保护酶系统SOD，POD和CAT活性的增强，是细胞免于伤害或抗性加强的重要原因之一，说明适度干旱胁迫对小黑麦具有抗旱锻炼的效果，但长期重度干旱则会使植物酶失活，活性降低[38]。

当3个小黑麦品种受到轻度(7 d)和中度干旱胁迫(14～21 d)时，叶片中可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性和CAT活性没有显著差异(图2-6)，说明轻度和中度干旱胁迫时3个小黑麦品种的抗旱性相近。Singh 等[13]认为，在干旱胁迫下，抗旱性较强的大麦体内脯氨酸含量高于不抗旱品种。小麦抗旱性与干旱胁迫下SOD活性、POD活性和CAT活性呈正相关，抗旱性强品种的SOD活性较高，但当受到重度干早胁迫时保护膜系统酶活性降低，抗旱性强品种的SOD活性下降幅度较缓[39]。本试验中，当小黑麦受到重度干旱胁迫(28～42 d)时，‘甘农1号’小黑麦可溶性糖含量、脯氨酸含量和SOD活性显著或不显著高(强)于CK1和CK2，但其POD和CAT活性在干旱胁迫35和42 d时低于对照，说明‘甘农1号’的抗旱性主要来自于较高的可溶性糖含量、脯氨酸含量和SOD活性。

植物的抗旱性受自身遗传条件和环境共同调控，是一个比较复杂的生理调控机制，各个生理因子之间有着紧密联系[40]。本试验利用项目组前期研究[41]筛选出的，适宜于小黑麦抗旱性评价的6个生理生化指标评价3个小黑麦品种抗旱性时，各个指标表达的3小黑麦品种的抗旱性强弱并不相同，也无法给出相应的抗旱等级。文中采用综合隶属函数法对3个小黑麦品种叶片中可溶性糖含量、脯氨酸含量、SOD活性、POD活性和CAT活性进行综合分析，得出了3小黑麦品种的抗旱性强弱以及抗旱等级。

4 结论

轻度干旱对3个小黑麦品种的影响较小；中、重度干旱对小黑麦品种的影响较大。3个小黑麦品种的抗旱性强弱为：‘甘农1号’>CK2>CK1，‘甘农1号’属于中抗旱型，CK1和CK2为干旱较敏感型。