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抗旱保水劑對草坪草抗旱性的影響

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摘要:以草坪草黑麥草(Lolium perenne L.)為試材,采用室內培養的方法,研究在干旱環境條件下保水劑(Super absorbent polymer,SAP)對草坪草生理生化指標的影響。結果表明,隨著脅迫強度和時間的增加,無論添加保水劑與否,草坪草葉片的超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)活性持續降低,過氧化物酶(POD)活性呈先升高后降低的趨勢,丙二醛(MDA)、脯氨酸(Pro)含量和相對電導率持續上升,而根系活力持續降低;與未添加保水劑的相比,添加保水劑后,SOD、CAT、POD活性和Pro含量及根系活力均明顯升高,MDA含量和葉片相對電導率均明顯降低。
  關鍵詞:草坪草(Lolium perenne L.);抗旱性;保水劑

我國水資源短缺,人均水資源占有量不足世界的1/4,且南北分布不均。據水利部2011年中國水資源公報,北方冬麥區、長江中下游和西南地區接連出現三次大范圍嚴重干旱,說明我國干旱情況比較嚴重。干旱脅迫是限制草坪草生長的重要環境因子。隨著草坪面積的不斷增加,草坪耗水量也日益增加,加劇了缺水矛盾。因此,研究植物的抗旱機理,提高植物抗旱性就顯得尤為重要。
  抗旱保水劑是一種高效吸水性樹脂,施入土壤后能夠快速吸收和保持相當于其自身重量百倍甚至千倍的水并形成凝膠,水不易析出,具有良好的吸水和保水性能,而且其穩定性和可逆性好,可多次重復利用[1]。由于保水劑特殊的化學成分、物理結構和吸水性能,被廣泛應用于工業、農業、醫學等領域,但在草坪草上的使用較少,且多數研究均是關于出苗和幼苗的生長[2,3]。已有關于草坪草與溫度[4]、干旱脅迫[5]、不同基質和不同鹽分濃度間的相互關系[6]的報道,發現草坪草有一定的抗脅迫能力,而且這種能力可以因脅迫強度和草坪草品種的變化而變化。本研究鑒于草坪草抗性差、耗水嚴重的現狀,通過試驗探究保水劑對草坪草抗旱性的影響,以期為提高草坪草抗性、減少耗水量提供理論依據。
  1 材料與方法
  1.1 試驗材料
  供試種子為多年生黑麥草(Lolium perenne L.),品種為愛神特2號,由北京布萊特草業有限公司提供。保水劑為沃特(丙烯酰胺與凹凸棒土有機無機復合),由勝利油田長安控股集團有限公司提供。土壤取自蘇州大學獨墅湖校園,其基礎肥力為有機質14.42 g/kg,速效磷136.5 mg/kg,速效鉀374.8 mg/kg,pH 7.59。試驗所用試劑均為分析純。
  1.2 試驗設計與方法
  挑選健康飽滿的種子,用蒸餾水洗凈,用濾紙吸干,干凈紗布包好,放入70%乙醇中泡30 s,用1%的高錳酸鉀消毒,然后用蒸餾水反復沖冼干凈,在無菌水中浸泡24 h。在已消毒的培養皿中放置無菌濾紙3張,將處理后的種子均勻地鋪在濾紙上,催芽48 h。先將土以及保水劑混勻裝入營養缽中,對照中不加保水劑,將飽滿萌動的種子撒播于土表,覆蓋0.5 cm風干土,在光照培養箱中培養,培養溫度為20 ℃,光周期12 h/d。播種后,每天稱重補水,待草坪草成坪后(約60 d)進行干旱脅迫處理。開始時土壤含水量設定為最大田間持水量,然后停止補水令土壤含水量自然下降到最大田間持水量的60%、50%、40%、30%,每天稱重補水。各項指標每5天測定1次,共測定4次,每個處理3次重復。對照的土壤含水量維持在最大田間持水量(21%)。   1.3 樣品測定
  細胞膜透性采用電導率法測定[7];脯氨酸(Pro)含量采用磺基水楊酸法測定;根系活力采用TTC法測定,超氧化物歧化酶(SOD)采用NBT法測定,過氧化氫酶(CAT)采用紫外吸收法測定,過氧化物酶(POD)采用愈創木酚法測定[8-10]。
  1.4 數據分析
  數據處理和繪圖采用Microsoft Excel 2003、SPSS 17.0軟件。
  2 結果與分析
  2.1 保水劑對草坪草葉片細胞膜透性的影響
  葉片細胞膜受傷害的程度可通過電導率值反映,其值的大小與抗旱性有關[11]。由圖1可知,無論添加保水劑與否,在干旱脅迫下草坪草的相對電導率均隨脅迫時間的延長而逐漸增大。在30%最大田間持水量脅迫下,第3、6、9、12 天添加保水劑處理的相對電導率比對照下降了8.75、8.01、5.34和4.94個百分點,其中除第12 天處理差異不顯著外,其余處理差異均顯著。在40%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理相對電導率比對照下降了2.22、6.94、3.66和6.79個百分點,第3和第12 天處理差異顯著。在50%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照下降了3.80、2.32、3.25和1.22個百分點,第3和第9天處理差異顯著。在60%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照下降了3.17、2.20、1.53和3.08個百分點,第3和第6 天處理差異顯著。
  2.2 保水劑對草坪草脯氨酸含量的影響
  由圖2可知,隨脅迫時間的延長草坪草Pro含量逐步升高。在30%最大田間持水量脅迫下,第3、6、9、12天添加保水劑處理的Pro含量比對照分別上升了6.10%、13.06%、21.91%和15.83%,第9和12 天處理差異顯著。在40%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理的Pro含量比對照分別上升了14.70%、19.14%、37.62%和34.17%,其中除第6 天處理差異不顯著外,其余處理的差異均顯著。在50%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理的Pro含量比對照分別上升了4.58%、25.73%、14.34%和32.72%,除第3 天處理差異不顯著外,其余處理差異均顯著。在60%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理的Pro含量比對照上升了67.88%、65.70%、56.49%和46.56%,各處理差異均顯著。
  2.3 保水劑對草坪草根系活力的影響
  由圖3可知,添加保水劑處理與不添加對照在干旱脅迫下草坪草的根系活力均呈下降趨勢。隨脅迫時間的延長,在30%最大田間持水量脅迫下,第3、6、9、12 天,添加保水劑處理的草坪草根系活力比對照分別上升了12.47%、15.48%、23.05%和58.86%,第9和12天處理差異顯著。在40%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理的草坪草根系活力比對照分別上升了37.54%、32.82%、48.37%和45.16%,各處理差異均顯著。在50%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了22.94%、21.69%、15.74%和39.67%,各處理差異均顯著。在60%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了18.44%、7.67%、10.31%和37.61%,第12 天處理差異顯著。
  2.4 保水劑對草坪草SOD活性的影響
  由圖4知,在干旱脅迫下草坪草的SOD活性隨脅迫時間的延長而逐步下降。隨脅迫時間的延長,在30%最大田間持水量脅迫下,第3、6、9、12天,添加保水劑處理的SOD活性比對照分別上升了14.96%、22.11%、12.47%和20.80%,第6和9天處理差異顯著。在40%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了11.58%、7.67%、11.67%和11.81%,除第3 天處理差異不顯著外,其余處理差異均顯著。在50%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了11.27%、12.19%、14.00%和20.17%,各處理差異均顯著。在60%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了11.07%、13.02%、7.46%和3.96%,除第12天處理差異不顯著外,其余處理差異均顯著。
  2.5 保水劑對草坪草CAT活性的影響
  干旱脅迫下草坪草CAT活性隨脅迫時間的延長而逐步下降(圖5)。在30%最大田間持水量脅迫下,第3、6、9、12天,添加保水劑的CAT活性比對照分別上升了33.73%、16.36%、5.99%和8.32%,各處理差異均顯著。在40%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了22.26%、7.52%、7.71%和14.24%,各處理差異均顯著。在50%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了12.64%、9.32%、13.24%和10.18%,除第12 天處理差異不顯著外,其余處理差異均顯著。在60%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了33.48%、21.96%、9.85%和8.84%,各處理差異均顯著。
  2.6 保水劑對草坪草POD活性的影響
  由圖6可知,隨著干旱脅迫時間的延長,草坪草的POD活性呈先升高后降低的趨勢。隨脅迫時間的延長,在30%最大田間持水量脅迫下,第3、6、9、12天,添加保水劑處理的POD活性比對照分別上升了17.66%、21.21%、11.04%和19.30%,除第9天處理差異不顯著外,其余處理差異均顯著。在40%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了11.23%、12.52%、15.44%和21.59%,第6和12天處理差異顯著。在50%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了8.82%、11.73%、7.92%和11.01%,第6天處理差異顯著。在60%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別上升了8.33%、18.85%、16.89%和17.22%,第6和12 天處理差異顯著。   2.7 保水劑對草坪草MDA含量的影響
  由圖7可知,無論是否添加保水劑,草坪草的MDA含量隨干旱脅迫時間的延長逐漸升高。在30%最大田間持水量脅迫下,第3、6、9、12天,添加保水劑處理比對照分別下降了6.53%、3.62%、6.52%和6.01%。在40%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別下降了5.91%、12.19%、14.99%和13.06%,除第3 天處理差異不顯著,其余處理差異均顯著。在50%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別下降了6.19%、3.49%、8.81%和10.01%,第9和第12天處理差異顯著。在60%最大田間持水量脅迫下,添加保水劑處理比對照分別下降了5.93%、10.87%、14.86%和24.80%,除第3 天處理差異不顯著,其余處理差異均顯著。
  3 討論
  質膜是活細胞與環境之間的界面與屏障,各種不良環境因素對細胞的影響先作用于質膜,表現為透性增大。脅迫導致的質膜損傷與電解質溶質的流出有關,在水分脅迫期間從細胞中外滲的電解質可以用作抗脫水性的測定[12]。本試驗中發現,隨著脅迫強度和時間的增加,葉片細胞膜透性增大,在相同脅迫程度和時間下,添加保水劑處理的葉片細胞膜透性增幅小于不添加保水劑。
  在干旱脅迫下,植物細胞會主動形成滲透調節物質,提高溶質濃度,降低水勢,以利于從外界獲得水分,從而適應不良環境。本試驗中,在干旱脅迫下草坪草Pro含量迅速增加,且隨脅迫強度和時間的增加Pro含量逐步增加。在相同的脅迫程度和時間下,添加保水劑處理的草坪草Pro含量增幅大于不添加保水劑處理。
  干旱脅迫下,在養分和水分吸收方面根系活力的維持對草坪草的耐旱性很重要,其強弱對避旱性也有顯著影響,是植物抗旱性的重要生理指標[13]。本試驗中,隨著脅迫強度和時間的增加,草坪草根系活力下降。添加保水劑后,根系活力明顯增加。
  在干旱脅迫下,植物體內會產生大量的活性氧自由基,造成氧化損傷,從而對植物產生嚴重的危害。這些活性氧自由基是通過植物體自身代謝產生的一類自由基,它們會損傷蛋白質、質膜、葉綠素及其他細胞組分。當這些活性氧對細胞產生傷害時,細胞內還存在活性氧清除劑,如SOD、CAT和POD[14,15],來清除活性氧自由基,以減弱對細胞的損傷。本試驗中,隨著脅迫強度和時間的增加,草坪草的SOD、CAT活性逐步降低,POD呈先升高后降低的趨勢。但添加保水劑后,酶活性較未添加處理明顯增大。
  MDA是膜脂過氧化的產物,其含量的多少可代表質膜受損傷程度的大小,其含量增幅的大小能夠體現植物耐旱能力的強弱,其增幅與耐旱性呈反比。本試驗表明,添加保水劑后,草坪草體內的MDA含量明顯降低,MDA含量越低其抗旱性越強,這與劉國花[16]的研究一致。說明添加保水劑后,葉片細胞膜透性情況得到改善,但是因為脅迫時間不同,保水劑對其的影響效果有一定差異,說明保水劑能提高草坪草的抗旱能力。
  4 結論
  隨著干旱脅迫強度和時間的增加,無論添加保水劑與否,草坪草葉片的SOD、CAT活性持續降低,POD活性呈先升高后降低的趨勢,MDA、Pro含量和相對電導率持續上升,而根系活力持續降低。但在相同脅迫強度和時間下,與未加保水劑的相比,添加保水劑后草坪草的SOD、CAT、POD活性與Pro含量及根系活力均明顯升高,MDA含量和葉片相對電導率均顯著降低。說明保水劑對草坪植物的抗旱性有明顯作用。
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