供试草种为5种禾本科牧草, 包括蒙古冰草(Agropyron mongolicum)、蒙农杂种冰草(A. cristatum× A. desertorum)、沙生冰草(A. desertorum)、新麦草(Psathyrostachys juncea)和无芒雀麦(Bromus inermis)。其中, 蒙古冰草、新麦草和蒙农杂种冰草种子由内蒙古农业大学草地资源教育部重点实验室提供, 沙生冰草和无芒雀麦种子由北京克劳沃草业技术开发中心提供。

采用盆栽控水法, 取质量和湿度一致的沙壤土过筛并拌入适量有机肥, 同时取样测定土壤含水率以保证花盆中干土重量一致。按照每盆2 kg干土称取土壤, 装入无孔塑料花盆(高12.5 cm、底径12.0 cm、口径15.5 cm)。每盆播种50粒经过消毒的、成熟饱满的供试禾本科牧草种子, 出苗期间按田间最大持水量的80%左右定时浇水^[13]。每盆保留30株健壮幼苗, 待长出45片真叶时统一停止浇水。分别在胁迫开始后的0、5、10、15、20 d时采集植物叶片带回实验室测定各项生理生化指标, 胁迫期间观察并记录牧草生长状况, 每个处理重复3次。

叶片相对含水量(relative water content, RWC)和水分饱和亏缺(water saturation deficit, WSD)采用烘干法测定^[14]; 叶绿素含量采用95%乙醇提取法测定^[15]; 细胞膜透性采用电导率法测定, 以细胞膜外渗来表示细胞膜透性的变化^[16]; 脯氨酸含量采用酸性茚三酮法测定^[17]; 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)活性采用氮蓝四唑光还原法测定^[16]; 过氧化物酶(peroxidase, POD)活性采用愈创木酚法测定^[16]; 过氧化氢酶(catalase, CAT)活性采用紫外吸收法测定^[17]; 丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量采用三氯乙酸-硫代巴比妥酸显色法测定^[18]。

采用隶属函数法对5种禾本科牧草幼苗期的抗旱性进行综合评价。计算公式为:

μ (X_ij)= Xij-XjminXjmax-Xjmin; (1)

μ (X_ij)=1- Xij-XjminXjmax-Xjmin= Xjmax-XijXjmax-Xjmin。 (2)

式中:μ (X_ij)为i品种的j指标的隶属函数值, X_ij为i品种的j指标的平均值, X_jmin为各品种j指标均值的最小值, X_jmax为各品种j指标均值的最大值。当j指标与抗旱性正相关时用公式(1); 当j指标与抗旱性负相关时用公式(2)。

采用Microsoft Excel 2010进行基础数据处理和制图, 采用DPS 7.05软件进行单因素方差分析, 采用最小显著差数法进行多重比较。

随着干旱胁迫时间的延长, 5种牧草的生长速率均呈先升高后下降的趋势(图1)。干旱胁迫前期(0-10 d), 牧草生长速度较快, 5种牧草形态特征未表现出明显变化; 至胁迫10 d时生长速率最快, 其中无芒雀麦生长速率高达0.95 cm· d^-1; 自胁迫10 d开始, 5种牧草生长速率迅速降低, 至胁迫15 d时, 蒙农杂种冰草、沙生冰草和无芒雀麦生长速率已不足0.10 cm· d^-1, 且叶片开始出现枯黄、倒伏。胁迫20 d时, 5种牧草均停止生长, 大部分植株已经死亡。方差分析表明, 胁迫5、10和15 d时牧草的生长速率存在显著差异(P< 0.05)。

图1

Fig. 1

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	图1 干旱胁迫对牧草生长速率的影响Fig. 1 Effect of drought stress on growth rate of herbage

2.2.1 干旱胁迫下5种禾本科牧草苗期叶片水分状况的变化 随干旱胁迫时间的延长, 5种牧草的RWC逐渐下降, 而WSD逐渐上升(图2)。在胁迫初期(0-5 d), 5种牧草RWC和WSD的变化幅度较小; 胁迫5-15 d, 不同牧草的RWC和WSD变化较快, 尤其蒙古冰草、蒙农杂种冰草和新麦草变幅在60%以上; 至胁迫20 d时, 5种牧草的RWC和WSD均达到极值; 干旱胁迫期间沙生冰草RWC和WSD变幅最小, 胁迫15 d时, 蒙古冰草和蒙农杂种冰草的WSD值显著高于其他3种牧草(P< 0.05)。

图2

Fig. 2

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图2 干旱胁迫对牧草叶片水分状况的影响 GP-1:蒙古冰草 Agropyron mongolicum; GP-2:蒙农杂种冰草 A. cristatum× A. desertorum; GP-3:沙生冰草 A. desertorum; GP-4:新麦草 Psathyrostachys juncea; GP-5:无芒雀麦 Bromus inermis。不同小写字母表示同一胁迫时期不同牧草之间差异显著(P< 0.05), 下同。Fig. 2 Effect of drought stress on water status of herbage leaves Different lowercase letters for the same stress days indicate significant difference among different forage grass at the 0.05 level; similarly for the following figures.

2.2.2 干旱胁迫下5种禾本科牧草苗期叶片叶绿素含量的变化 随着胁迫时间的延长, 5种牧草叶片叶绿素含量表现为先增加后减少(图3)。胁迫初期, 幼苗受干旱胁迫影响较小, 仍能保持较快生长, 体内叶绿素含量增加, 说明轻度胁迫能够促进植物体内叶绿素含量的积累。除新麦草外, 其他4种牧草叶绿素含量在胁迫10 d时均达到峰值, 胁迫10 d后, 由于干旱胁迫加重, 牧草正常生理功能受限, 叶绿素分解加快, 至胁迫20 d时5种牧草叶绿素含量均降至最低。在胁迫的不同时期, 牧草叶绿素含量以无芒雀麦较高, 在胁迫5和15 d时, 显著高于除新麦草外的其他3种牧草(P< 0.05); 整个胁迫期间, 胁迫0和5 d时, 蒙农杂种冰草的叶绿素含量在5种牧草中最低, 胁迫15和20 d时, 蒙古冰草的叶绿素含量在5种牧草中最低。

图3

Fig. 3

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	图3 干旱胁迫对牧草叶绿素含量的影响Fig. 3 Effect of drought stress on chlorophyll content in herbage

2.2.3 干旱胁迫下5种禾本科牧草幼苗叶片细胞膜透性的变化 5种牧草叶片相对电导率随胁迫时间的延长而上升(图4)。在胁迫初期(0-5 d), 5种牧草叶片相对电导率增幅缓慢; 胁迫10 d时, 各牧草相对电导率显著增加, 此阶段以无芒雀麦相对电导率最高, 显著高于新麦草和沙生冰草, 新麦草电导率值最低, 显著低于其他4种牧草(P< 0.05); 胁迫20 d时, 5种牧草电导率值都增至最大。这表明, 和另外4种牧草品种相比, 新麦草具有更强的抗旱性。

图4

Fig. 4

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	图4 干旱胁迫对牧草叶片相对电导率的影响Fig. 4 Effects of drought stress on relative conductivity in leaves of herbage

2.2.4 干旱胁迫下5种禾本科牧草脯氨酸含量的变化 5种牧草的脯氨酸含量在干旱胁迫的前10 d增加缓慢(图5), 其中, 蒙古冰草和新麦草在胁迫的前5 d较其他3种牧草增加幅度大; 胁迫10 d后, 5种牧草叶片脯氨酸含量急剧增加, 除新麦草外, 其他4种牧草至胁迫15 d时达峰值, 此阶段蒙古冰草脯氨酸含量显著高于其他牧草(P< 0.05); 胁迫20 d时, 新麦草脯氨酸含量达到峰值, 其他牧草则较胁迫15 d时有所下降, 但均高于胁迫10 d时的脯氨酸含量。

图5

Fig. 5

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	图5 干旱胁迫对牧草脯氨酸含量的影响Fig. 5 Effect of drought stress on proline content in herbage

2.2.5 干旱胁迫下5种禾本科牧草保护酶活性的变化 5种牧草3种抗氧化酶活性变化趋势均为先升高后降低, 但趋势不完全相同(图6)。在干旱胁迫初期, 5种牧草SOD活性变化较为平稳; 胁迫10 d时, 除沙生冰草和新麦草外, 其他3种牧草SOD活性增幅较大且达到整个胁迫期的最大值, 沙生冰草和新麦草SOD活性峰值出现在胁迫15 d时。POD活性, 除蒙古冰草峰值出现在胁迫10 d外, 其他牧草均出现在胁迫15 d时, 胁迫5和10 d时, 无芒雀麦POD活性显著低于其他4种牧草(P< 0.05)。CAT活性, 蒙古冰草在整个胁迫过程中逐渐下降, 新麦草变化较平稳, 其他3种牧草至胁迫10 d或15 d时增至最大, 之后又有所降低。在干旱胁迫前15 d内, 5种牧草的CAT活性均达到显著水平(P< 0.05)。

图6

Fig. 6

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	图6 干旱胁迫对植物超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性的影响Fig. 6 Effect of drought stress on SOD, POD and CAT activity in plants

2.2.6 干旱胁迫下5种禾本科牧草丙二醛含量的变化 MDA含量是衡量膜透性发生胁迫性变化的重要生理指标之一, 当MDA含量大量增加时, 表明植物体内细胞受到较严重的破坏^[3]。5种牧草MDA含量随干旱胁迫时间的增加呈先上升后下降再上升的趋势(图7)。在胁迫0-5 d, 蒙农杂种冰草和沙生冰草MDA含量基本不变, 其他3种牧草MDA含量明显增加; 胁迫5-10 d时, 除蒙古冰草MDA含量明显降低外, 其他4种牧草变化平稳, 此阶段, 无芒雀麦MDA含量显著高于其他4种牧草(P< 0.05); 胁迫15 d时, 除蒙农杂种冰草外, 其他牧草均降至整个胁迫期的最低水平。无芒雀麦在整个胁迫期内变化幅度最大, 新麦草次之。

图7

Fig. 7

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	图7 干旱胁迫对牧草丙二醛含量的影响Fig. 7 Effect of drought stress on MDA content in herbage

2.3 5种禾本科牧草幼苗期抗旱性综合评价

以相对含水量、水分饱和亏缺、叶绿素、脯氨酸、丙二醛含量、细胞膜透性及3种保护酶活性9个生理生化指标, 借助隶属函数法对5种禾本科牧草幼苗期的抗旱性进行综合评价(表1), 其隶属函数平均值介于0.351 00.688 1, 5种牧草抗旱性由强到弱依次为沙生冰草、新麦草、蒙农杂种冰草、蒙古冰草、无芒雀麦。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 5种禾本科牧草幼苗期抗旱性综合评价 Table 1 Comprehensive evaluation of drought resistance of five gramineous grass in seedling stage 抗旱指标 Drought index 蒙古冰草 Agropyron mongolicum 蒙农杂种冰 A. cristatum× A . desertorum 沙生冰草 A. desertorum 新麦草 Psathyrostachys juncea 无芒雀麦 Bromus inermis 相对含水量 RWC 0.413 7 0.000 0 0.138 7 0.507 6 1.000 0 水分饱和亏缺 WSD 0.380 5 0.000 0 1.000 0 0.523 0 0.878 2 叶绿素 Chlorophyll 0.000 0 0.254 3 0.359 4 0.277 1 1.000 0 细胞膜透性 Membrane permeability 0.000 0 1.000 0 0.943 8 0.819 8 0.053 1 脯氨酸含量 Proline content 1.000 0 0.516 5 0.365 2 0.000 0 0.227 6 超氧化物歧化酶 SOD 1.000 0 0.940 5 0.665 8 0.491 6 0.000 0 过氧化物酶 POD 0.379 4 0.905 2 1.000 0 0.804 8 0.000 0 过氧化氢酶 CAT 0.328 2 0.160 8 0.783 5 1.000 0 0.000 0 丙二醛 MDA 0.544 6 1.000 0 0.936 1 0.419 0 0.000 0 均值 Mean 0.449 6 0.530 8 0.688 1 0.538 1 0.351 0 排序 Rank 4 3 1 2 5

表1 5种禾本科牧草幼苗期抗旱性综合评价 Table 1 Comprehensive evaluation of drought resistance of five gramineous grass in seedling stage