全 文 ：高羊茅和钝叶草对土壤缓慢水分胁迫的响应差异
葛晋纲1 , 2 , 蔡庆生1＊ , 刘国华2
(1.南京农业大学生命科学学院 , 江苏南京 210095 , 2.江苏省农林职业技术学院 , 江苏 句容 212400)
摘要:以草坪草高羊茅(Festuca arundinacea)和钝叶草(Stenotaphrum secundatum)为材料 ,研究了盆栽条件下 2 种
草的叶片和根系的质膜透性 、抗氧化酶活性及膜脂过氧化产物丙二醛(MDA)含量等生理性状对土壤缓慢干旱胁迫
(生长 60 d , 覆盖率达 95%以上后断水处理)的响应。结果表明 ,在干旱胁迫下 , 高羊茅的土壤含水量下降比钝叶草
更为迅速 ,相对电导率和 MDA含量的增加幅度也相应高于钝叶草。 SOD、POD、CAT 3 种抗氧化酶活性均表现出
先升后降的变化 , 高羊茅抗氧化酶活性的下降时期出现的比钝叶草早。 在相同程度的干旱胁迫下 , 由于植物失水
速度差异所引起的植物细胞受伤害程度 、体内膜脂过氧化物含量及活性氧保护酶活性出现下降时期上的差异可能
是 2 种草坪草抗旱性机制差异的一个重要原因。
关键词:高羊茅;钝叶草;抗氧化酶;丙二醛;相对含水量;质膜透性
中图分类号:S688.4;Q945.78　　文献标识码:A　　文章编号:1004-5759(2004)04-0029-05
　草坪巨大的灌溉需水量和水资源匮乏现状是限制草坪业发展的重要原因。草坪草抗旱途径的研究 ,特别是
在水分亏缺下草坪草维持生长发育 、保持草坪质量的生理机制的研究 ,将能为草坪草抗旱育种及草坪管理提供理
论依据。一般而言 ,成坪后的暖季型草坪草需水量低于冷季型草坪草 ,前者的水分利用率 、抗旱性高于后者[ 1 , 2] ,
然而也有研究报道冷季型草坪草高羊茅比暖季型草坪草更能从土壤深处吸收水分[ 3 , 4] ,可见 ,不同类型草坪草的
抗旱机理较为复杂。本研究旨在弄清暖季型草坪草钝叶草和冷季型草坪草高羊茅对干旱胁迫的适应机理 ,为不
同类型草坪草的抗旱品种的选育及其生产管理提供理论依据。
1　材料与方法
1.1　材料 、处理及取样
采用下蜀系黄棕壤过筛(Ф4 mm)表土与河砂(1∶1)充分混合 ,在直径为 25 cm 、高 25 cm 的 PVC盆内装入同
体积的混合土。选用高羊茅“Houndog”品种饱满种子播种 、钝叶草健壮匍匐茎节扦插 ,密度分别为 18株/盆和 13
茎节/盆 ,每3 d灌水 1次至盆底溢出 。生长60 d左右 ,2种草坪草盆钵覆盖度达 95%以上时 ,取其中一半材料作
自然断水胁迫处理 ,另一半继续每 3 d灌水 1次作为对照。处理期间环境温度在 20 ～ 30℃。断水后第 3天开始
取样 ,此后每 4 d取 1次样 ,至植株出现严重萎蔫 ,隔 2 d后(即第18 d)取最后1次样。每次取样在上午9 ～ 11时
之间 ,高羊茅叶片取倒二叶 ,钝叶草取均匀一致 、外观大小形态相同的功能叶。根样经粗洗 、过筛(50目),拣出根
系并剪取根系的尖端部分 ,去离子水洗净吸干表面水后供作相关测定 。提酶的样品称重后迅速投入液氮罐。
1.2　测定
相对电导率 、酶液提取 、SOD 、CAT 和 POD活性 、丙二醛(MDA)含量及蛋白质含量的测定依次参照文献
[ 5 ～ 11] 。
2　结果与分析
2.1　土壤体积含水量的变化
经过 11 d的断水处理 ,种植有高羊茅和钝叶草盆钵内的土壤体积含水量皆急速下降 ,其中高羊茅的下降速
度明显高于钝叶草 ,其土壤含水量分别为对照的 27.0%和 44.7%(图 1)。断水处理 11 d之后 , 2种草的土壤体
积含水量下降幅度趋缓 ,这可能与地上部出现一定程度的萎蔫 、经叶片蒸腾和地表蒸发的水量少有关。从 2种草
第 13 卷　第 4 期
Vol.13 , No.4
草　业　学　报
ACTA PRATACULTURAE SIN ICA
　　29-33
8/ 2004
收稿日期:2003-05-26
基金项目:教育部留学回国人员科研启动基金项目(G9812)。
作者简介:葛晋纲(1972-),男 ,安徽绩溪人 ,讲师 ,硕士研究生。 E-mail:www.gjg2728@jsafc.net
＊通讯作者。E-mail:qscai@njau.edu.cn
的土壤体积含水量在断水干旱胁迫处理下的差异看 ,
在同样缺水的环境条件下 ,冷季型草坪草高羊茅根系
周际的水分缺乏状况比暖季型草坪草钝叶草的更为严
重。
2.2　叶片与根系相对电导率的变化
随着断水的持续 ,高羊茅和钝叶草的叶片和根系
的相对电导率皆呈上升趋势(图2 A ,C),在断水7 ～ 11
d期间 ,高羊茅根系的相对电导率大幅度增加 ,表现出
与图 1所示的土壤体积含水量急剧下降的高度一致 ,
高羊茅叶片相对电导率的大幅度上升则滞后于根系 ,
出现在断水处理 11 d之后(图 2 A)。与高羊茅相比 ,
在相同的干旱胁迫处理下 ,钝叶草的相对电导率无论
在增加幅度上还是在增加时间上 ,都低于或滞后于高
羊茅 ,在断水 15 ～ 19 d期间 ,才出现一定程度的提高
(图 2 C)。相关分析发现 ,这 2种草的相对电导率的
变化或差异与土壤含水量呈极显著负相关(r =
-0.7361＊＊)。不同草种和不同器官对于干旱胁迫的
响应在相对电导率上存在着差异 ,在叶片中 ,高羊茅断
水后第15 d比第 11 d升高了近 1倍 ,而钝叶草几乎没
有变化 ,只是在第 19 d 才出现明显变化。在根系中 ,
高羊茅在断水后 7 ～ 11 d内电导率增加了 4.2倍 ,而
钝叶草只增加了 46%。由此可以看出干旱胁迫会较
早地导致高羊茅的质膜透性加大 ,其膜伤害明显早于
钝叶草 ,即高羊茅对于干旱胁迫可能比钝叶草表现得
更为敏感 。
2.3　丙二醛(MDA)含量的变化
随着断水的持续 ,高羊茅和钝叶草的叶片和根系
中 MDA含量都呈上升趋势(图 2 B ,D),在断水 11 d
后 ,高羊茅叶片内的 MDA 含量大幅度增加 ,而根系内
的 MDA 含量的上升则滞后于叶片 ,其增加幅度也低
于叶片(图 2 B)。与高羊茅相比 ,在相同的干旱胁迫
处理下 ,钝叶草的 MDA 含量无论在增加幅度还是在
增加时间上 ,都低于或滞后于高羊茅 ,在断水 15 d后 ,
才出现一定程度的增加(图 2 D)。在干旱胁迫下 ,高
羊茅和钝叶草叶片中的 MDA 含量变化要明显高于根
系的。从总体上看 ,这 2种草的 MDA 含量的变化或
差异与土壤含水量的变化趋势保持一致 。分别对高羊
茅和钝叶草的叶片和根系的 MDA含量和相对电导率
作相关分析发现 ,两者之间皆呈现极显著正相关(r
值分别为0 .9 3 9 0＊＊ 、0 .9 0 5 5＊＊ 、0 .9 9 0 5＊＊和
高羊茅 F.arundinacea:-□-处理 T reatment　-◆-对照 Cont rol
钝叶草 S.secu ndatum :-○-处理 T reatm ent　-★-对照 Cont rol
　
图 1　干旱胁迫下 2种草坪草土壤体积含水量的变化
Fig.1　Changes of soil volumetric water content
for two turfgrasses under drought stress
叶片 Leaves:-□-处理 T reatment　-◆-对照 Cont rol
根系 Roots:-○-处理 Treatment　-★-对照 Cont rol
　
图 2　干旱胁迫下高羊茅(A、B)和钝叶草(C、D)
叶片与根系的质膜透性和MDA含量的变化
Fig.2　Effects of water stress on electrolyte
leakage(%)and MDA content of leaves and roots of
F.arundinacea (A , B)and S.secundatum(C ,D)
30 ACTA PRATACULTURAE SINICA(Vol.13 , No.4) 8/2004
0.9459＊＊),说明干旱胁迫导致植物组织的膜系统受到伤害 ,同时表现在膜脂过氧化物的增加和膜结构的破坏 、
膜选择透性的丧失等方面 。并且高羊茅的受伤害程度高于钝叶草。
2.4　SOD 、POD和 CAT 等抗氧化酶活性的变化
短期干旱胁迫下 ,SOD 、POD和CAT 等抗氧化酶活性的变化均表现出不同程度的先升后降的趋势(图 3)。
其中 ,高羊茅叶片和根系的 SOD酶活性在断水后的第 11 d达到最大值(图 3 A),而钝叶草叶片中的 SOD酶活性
在断水后的第 15 d达到最大值(图 3 D)。CAT
酶活性变化较为复杂 ,高羊茅叶片在断水后第
11 d 、根系在第 7 d 该酶活性增加到最大值 ,分
别比对照增加了 104%和 267%,此后其活性出
现急剧下降(图 3 B),钝叶草的叶与根分别在
胁迫后第 15 和 11 d增加至最大值 ,分别比对
照增加 117%与 67%,此后出现下降(图 3 E)。
在干旱胁迫下 ,钝叶草根系中的 SOD 和 CAT
活性的下降 ,以及高羊茅根系的CAT 活性皆明
显早于叶片 ,此外值得注意的是 ,高羊茅叶片中
这 2种酶活性出现下降的时间都早于钝叶草 。
在干旱胁迫期间供试草种的 POD 活性虽也呈
现出先升后降的变化趋势(图 3 C 和 F),但与
SOD和 CAT 相比 ,其活性开始下降的时间明
显滞后 。根系中 POD活性高峰在断水后第 15
d ,高羊茅和钝叶草叶片中的 POD 活性高峰分
别出现在第 15和 19 d ,此后开始下降。
3　讨论
逆境胁迫因素可诱发植物组织细胞内产生
过量的H2O2等活性氧(Ros)。Ros过剩积累会
造成膜系统 、蛋白质和 DNA 分子结构等损伤 。
为抵御 Ros对细胞的毒害 ,植物细胞便启动一
些活性氧清除机制[ 12] 。大量研究表明 ,干旱引
起膜伤害是由于生物自由基引起膜中不饱和脂
肪酸过氧化和保护酶系统活性下降所至 。
SOD 、CAT 、POD 是植物体内清除活性氧的 3
种重要的保护酶类 ,其中 SOD活性的大小能反
映植物清除活性氧的总体能力 ,CAT 、POD 能
分解 H2O2 。它们的活性变化一方面可以反映
植物对干旱胁迫的适应性 ,另一方面反映细胞
内活性氧与其清除系统之间的平衡状态[ 6] 。在
轻度胁迫下 , SOD与CAT活性的增加可能是
植物对活性氧含量上升的一种适应性反应 ,在
叶片 Leaves:-□-处理 Treatment　-◆-对照 Cont rol
根系 Roots:-○-处理 Treatment　-★-对照 Control
图 3　干旱胁迫下高羊茅(A、B、C)和钝叶草(D、E、F)
叶片与根系中 SOD、CAT、POD活性的变化
Fig.3　Changes in activity of superoxide dismutase(SOD),
catalase(CAT)and peroxidase(POD)in roots and leaves of
F.arundinacea (A , B, C)and S.secundatum(D , E , F)
under drought stress
胁迫加重时 ,由于这 3种酶活性的下降而引起活性氧的积累反而破坏这两种酶 ,造成活性下降 。本试验 POD活
性不同于前 3种酶的变化 ,也不同于后种 POD活性随胁迫程度的增强而持续上升的报道[ 6 ,13] ,有些类似于卢少
云在水稻上的研究结果[ 14] ,这可能与植物的种类 、处理强度大小 、处理方式有关。另外 ,可能与 POD酶本身的性
31第 13 卷第 4 期 草业学报 2004 年
质有关 。POD通常被认为有 2种类型[ 15] ,一类是由通过 H2O2 氧化底物的过氧化物酶组成 ,其功能是生理性的
(如木质化);第二类由主要功能为清除 H2O2 的酶组成 ,包括谷胱甘肽 、细胞色素 C 与抗坏血酸过氧化物酶
(APX)。本试验中 POD活性变化可能是 POD这两种性质共同作用的结果 。总体上看 ,干旱胁迫过程中 ,高羊茅
体内 SOD 、CAT 和 POD抗氧化酶活性出现下降早于钝叶草 ,这一变化与高羊茅土壤含水量较早地出现大幅度下
降有关。根据本研究结果推测 ,干旱气候下 ,高羊茅土壤体积含水量的急剧下降可能是它的抗旱性比钝叶草差的
一个重要原因。在 5种草坪草的抗旱性比较中 ,韩建国等人[ 16]的研究也认为由于冷季型草坪草较大的蒸散量使
其体内含水量过早下降 ,是造成其抗干旱胁迫能力低于暖季型草的原因 。本试验中土壤体积含水量在干旱处理
下的变化差异与地上部水分蒸散率有关 ,对此有必要作进一步地深入研究 。另外 ,由于暖季型与冷季型草种根系
分布上的差异也会对抗旱性的评价造成影响[ 3] ,也将在今后进行进一步研究 。
根在逆境条件下发生形态 、生理 、解剖等多方面的适应性变化 ,对植物的生存和生活是非常重要的 ,尤其是土
壤干旱 、盐胁迫 、营养元素缺乏等逆境信号是通过根感知并传递的[ 17] 。同时 ,根系是最先感受干旱胁迫的器官 ,
它出现的膜伤害比叶片早 ,胁迫下根系通过信息物质的传递影响地上部 ,使植物做出适应性反应 ,受到干旱胁迫
后 ,根系吸收能力下降 ,这成为引起地上部伤害的直接原因 。叶片中由于含有叶绿体 ,在吸收和利用光能时更易
受活性氧伤害 ,因此 ,与根系相比 ,叶片本身有着更强的活性氧清除能力。本试验中 ,由于叶片内蛋白质的含量显
著高于根系(未反映数据),因而单位蛋白的保护酶活性在叶与根中差异不明显 。但在水分胁迫严重时(断水 12 d
后),叶片膜透性及过氧化水平皆高于根系(图 2),这从另一侧面反映了叶片在失去保护酶的活性后其受伤害程
度加重。
为了避免冷季型草与暖季型草的不同株型给试验带来的不便 ,在干旱胁迫处理前 ,做了预备试验 ,发现在
25 cm×25 cm的盆钵内高羊茅和钝叶草分别以 18株/盆和 13茎节/盆种植 ,常规管理生长 60 d左右 ,2 种草坪
草盆钵覆盖度可以基本达到一致 ,此后再进行干旱胁迫处理 ,这样增加了这 2种草的可比性 ,为系统地分析比较
不同类型草坪草的抗旱机制提供了保证 。
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Response differences to water stress of Festuca arundinacea and Stenotaphrum secundatum
GE Jin-gang1 ,2 , CAI Qing-sheng1 , LIU Guo-hua2
(1.College of Life Sciences , Nanjing Agricultural Universi ty , Nanjing 210095 , China;
2.Jiangsu Poly technic College of Ag riculture and Fo restry , Jurong 212400 , China)
Abstract:Changes in the plasma membrane permeability , the activity of three kinds of antioxidant enzymes , and the
malondialdehyde (MDA)content of leaves and roo ts under slowly increasing w ater st ress(plant watering stopped af-
ter plant coverage reached 95% or above)were studied for the cool-season turfgrass , Festuca arundinacea cv
Houndog and w arm-season turfg rass , Stenotaphrum secundatum cv Bit ter blue g row n in pots.The results show ed
that under w ater stress , the soil volumetric w ater content of tall fescue decreased more quickly than that of S .secun-
datum , and the plasma membrane permeability and MDA content of F.anundinacea had g reater increase.SOD ,
POD and CAT all showed an increase in activity in the early phase af ter w atering w as stopped and then a decrease in
activi ty w ith further increase in w ater st ress , and the activity decrease occurred sooner for F .anundinacea than S .
secundatum .It is suggested that under the same level of w ater st ress , dif ferences in speed of plant w ater loss af fect-
ing the level of cell damage , MDA content , and differences in the times of activity decrease of SOD , POD and CAT ,
may be an important reason for the dif ferences betw een the drought resistance mechanisms of the tw o turfg rasses.
Key words:Festuca arundinacea;S tenotaphrum secundatum ;antio xidant enzyme;malondialdehyde;relat ive w a-
ter content;plasma membrane permeability
33第 13 卷第 4 期 草业学报 2004 年