全 文 ：第 16 卷 第 2 期
Vol. 16 No . 2
草 地 学 报
ACTA AGRESTIA SINICA
2008 年 3 月
Mar . 2008
结缕草属植物抗旱生理机理
胡化广1, 2 , 刘建秀1* , 周志芳1, 3, 程晓丽1, 3
( 1. 江苏省中国科学院植物研究所(南京中山植物园) , 南京 210014;
2. 盐城师范学院生命科学与技术学院, 江苏 盐城 224002; 3. 南京农业大学园艺学院, 南京 210095)
摘要 : 选择抗旱种源 Z125 和干旱敏感种源 Z098, 对其干旱胁迫期间的叶片相对含水量、SOD 酶活性、脯氨酸和可
溶性总糖含量的变化进行研究,同时观察叶片的萎蔫情况, 结果表明: 随着干旱胁迫时间的延长, 叶片相对含水量
呈逐渐下降的趋势,开始时缓慢, Z125 在干旱胁迫到第 12 d, Z098 在第 9 d,下降趋势增加;可溶性总糖的含量逐渐
增加,在 15 d 期间, Z125始终高于 Z098; 脯氨酸含量逐渐增加,大部分时间内 Z125 均大于 Z098; SOD 酶活性先增
加后降低,不同种源出现峰值的时间不同, Z125 在第 12 d, 而 Z098 在第 9 d, 前 15 d 中, Z125 都高于 Z098;干旱胁
迫下,结缕草( Zoy s ia Willd. )水分平衡的保持、SOD 酶活性的增加以及渗透调节物质(脯氨酸和可溶性总糖 )的积
累,是结缕草抗旱的重要生理机制。
关键词: 结缕草; 种质资源; 叶片含水量; SOD 酶活性; 脯氨酸含量; 可溶性总糖含量
中图分类号: S688. 4 文献标识码: A 文章编号: 1007-0435( 2008) 02-0141-04
Physiological Mechanisms of Drought Resistance of Zoysia Willd.
HU Hua-guang
1, 2
, L IU Jian-x iu
1*
, ZHOU Zh-i fang
1, 3
, CHENG Xiao- li
1, 3
( 1. Inst itute of Botany, Jiangsu Province and Chinese Academ y of S cien ces, Nanjing Botanical Garden,
Nanjing, Jiangsu Province 210014, China;
2. C ol lege of Life S cien ces and Biotechn olongy, Yanch eng Normal U nivers ity, Yan cheng, Jian gsu Pr ovin ce 224002, Ch ina;
3. College of H ort iculture, Nanjin g Agricultural University, Nanjing, Jiangsu Province 210095, China)
Abstract: In order to study physiolog ical mechanisms of drought r esistance o f Zoy sia Willd. spp. , the leaf
w ater content, SOD activity, content of proline ( Pro) , total soluble car bohydrates ( T SC) , and the charac-
ter of leaf w ilt ing w ere investig ated under w ater st ress by compar isons betw een the drought- resistant
germplasm material Z125 and drought-sensit iv e germplasm material Z098 of Zoy sia Willd. The r esults
show as follow ing: leaf w ater content w as declined as w ater st ress pr olonged w ith slow descent at the be-
g inning periods, but sharp fall w as observ ed for Z125 on 12
th
day and Z098 on 9
th
day; content o f T SC w as
increasing as w ater st ress pro longed, Z125 show ed consistent higher TSC content than Z098 dur ing 15 days
of drought str ess; content of Pro w as incr easing as w ater st ress pro longed, Pro content o f Z125 w as higher
than that of Z098 at most time of drought str ess; SOD act ivity increased at f irst then declined, dif ferent ac-
cessions had dif ferent appearance t ime of peak value w ith Z125 on 12th day and Z098 on 9 th day , SOD act iv-i
ty of Z125 w as higher than that o f Z098 at most t ime of drought st ress. In summar y, the ability to keep
w ater balance, increased SOD act iv ity, and accumulat ion of osmot ic adjustment mater ials ( PRO and T SC)
could be the physio logical mechanism of dr ought resistance for Zoy sia Willd.
Key words: Zoy sia Willd. ; Germplasm resource; Leaf w ater content ; SOD act ivity; Content o f proline;
Total soluble carbohydrate
草坪草是生存于自然界中的开放植物体系,
同其他植物一样, 常遭受不良环境的影响, 其中干
旱胁迫就是限制草坪草生长的不利环境因子之
一。干旱对植物体的伤害主要表现在使细胞膜脱
水,膜系统破坏, 活性氧的产生和清除系统的平衡
失调以及光合速率下降, 呼吸速率增加等[ 1] 。但是
收稿日期: 2007-05-14; 修回日期: 2007-06-21
基金项目: 国家自然科学基金项目( 30371011)和科技部 863项目( 2002AA241061)资助
作者简介: 胡化广( 1979-) ,男,河南濮阳市人,助教,硕士研究生,主要从事暖季型草坪草逆境生理研究, E-mail: hhg joy @ yah oo. com. cn ;
* 通讯作者 Auth or for correspon dence, E-m ail : turfunit@ yahoo. com. cn
草 地 学 报 第 16卷
植物体内也有内源保护体系, 使植物体适应短期的
干旱胁迫,这些保护措施包括植物体在遭受干旱胁
迫时一些保护酶( SOD, POD, CAT 等)的活性增加,
以增强活性氧的清除能力, 以及在遭受干旱细胞内
主动积累一些渗透调节物质(脯氨酸, 可溶性糖以及
甜菜碱等)以减少细胞内的水分流失。
近年来在研究草坪草适应干旱胁迫的生理生化
机制时,活性氧伤害理论和渗透调节理论已经有较
多的应用。干旱胁迫下, 地毯草 SOD 活性持续升
高, POD活性降低, CAT 活性短暂升高而后下降。
矮生狗牙根和沟叶结缕草的 SOD 活性先升后降,
CA T 和 POD 活性则维持在较高水平[ 2]。Fu and
Huang
[ 3]研究发现: 当给予草地早熟禾和高羊茅表
层 20 cm 土壤干旱而下层 20 cm 土壤供水处理后,
植物体内 SOD活性提高,植物体不受伤害, 说明抗
氧化保护系统参与了草坪草对干旱的适应。研究表
明,干旱胁迫下,矮生狗牙根、地毯草及沟叶结缕草
3种草坪草均积累脯氨酸, 耐旱性弱的地毯草中脯
氨酸的积累对干旱更敏感,积累的量更大,脯氨酸的
积累与植物受伤害程度成显著正相关[ 2]。孙彦等 [ 4]
在研究 8种草坪草种苗期干旱胁迫时发现这些草坪
草干旱时脯氨酸含量均增加。王世杰等[ 5] 在 PEG
模拟干旱胁迫下研究了冰草叶片中游离脯氨酸的变
化,结果表明:在干旱胁迫下, 冰草叶片内游离脯氨
酸含量增加。葛晋刚 [ 6]在研究高羊茅和钝叶草在干
旱条件下的可溶性总糖的变化时发现, 这两种草坪
草随着干旱时间的延长, 体内可溶性总糖的含量逐
渐增加。到目前为止, 抗旱性机理研究多是针对不
同类型草坪草有限生理生化指标的比较, 尚未见到
同一类草种不同抗旱性代表种源在不同水分胁迫下
的生理响应的系统研究。
本试验基于抗旱性鉴定结果 [ 7] , 选择最抗旱的
Z125和最不抗旱种源之一 Z098, 通过测定活性氧
清除体系中的关键酶 SOD活性、渗透调节物质脯氨
酸、可溶性糖含量, 并结合叶片相对含水量的变化,
来探讨结缕草耐旱的生理生化机制。
1 材料与方法
1. 1 试验地概况
试验地设在江苏省中国科学院植物研究所, 该
所位于南京市紫金山南麓 (北纬 3201, 东经 118
48) ,海拔 55m, 属于亚热带季风温暖湿润气候, 年
最高气温 40. 7 , 最低气温零下 14 , 年均气温
15. 3 ,年均降水量 1013 mm。
以最抗旱的 Z125 和最不抗旱种源之一 Z098
为试验材料。将待试材料的草皮块种植于高 22 cm、
盆口直径为 25 cm 的圆柱体塑料盆中, 底部有圆孔
以排水;栽培基质为壤土 垃圾土= 4 1, 基质的
pH= 7. 58,含有机质 3. 52%、全氮 0. 17%、有机碳
2. 04%、速效钾87. 17 mg kg- 1、速效磷 42. 90 mg
kg- 1。每份材料种植 6盆, 共 12盆,待各材料的盖
度达到 85%以上移入塑料大棚, 地面铺有10 cm厚
的石子与土壤隔绝,除施肥浇水外,不做其他管理。
1. 2 试验处理
每份材料设两个处理, 每个处理 3次重复, 处理
一为每天正常浇水(对照) , 处理二为控水处理(一直
不浇水) ,分别在控水后 3、6、9、12和 15 d时取叶片
测定以下生理指标。
1. 2. 1 叶片相对含水量的测定 取不同干旱处理
和对照的结缕草叶片, 除去表面灰尘,称其鲜重, 然
后置于烘箱中, 105 杀青 15 m in, 80 烘干24 h,称
其干重,按下列公式计算其含水量:
叶片相对含水量( %) = [ (鲜重- 干重) /鲜重]
100%
1. 2. 2 SOD 活性的变化 参照李合生 [ 8] 的方法,
稍加改动。
取 0. 5 g 左右叶片, 用去离子水洗净吸干, 加
5 mL酶提取液( 50 mmol/ L pH7. 80 PBS)冰浴研
磨, 4000 rpm, 4 离心 20 min后去上清液即为粗酶
提取液。利用 SOD抑制氮兰四唑( NBT )在光下的
还原作用的原理进行测定, 3 mL 的反应体系中含
有: 50 mmol/ L、pH7. 80 PBS 1. 5 mL, 130 mmo l/ L
met 0. 3 mL, 0. 75 mmol/ L NBT 0. 3 mol, 0. 1 mmol/ L
EDTA-Na2 0. 3 mL, 0. 02 mmol/ L的核黄素 0. 3 mL,
粗酶提取液 0. 05 mL,蒸馏水 0. 25 mol。以抑制NBT
光化反应的 50%作为 1个酶活性单位。
1. 2. 3 PRO含量的变化 参照李合生[ 8] 的酸性茚
三酮法。
准确称取 0. 5 g 结缕草叶片于试管中, 加入
5 mL, 3%的磺基水杨酸提取液,在沸水浴中提取 10
m in,过滤于干净的试管中, 即为粗提液。吸取提取
液 2 mL 于试管中,依次加入 2 mL 的冰乙酸, 2 mL
酸性茚三酮,加热 30 m in,冷却后准确加入 4 mL 甲
苯,震荡 30 s, 以甲苯为对照, 分层后取甲苯层在
520 nm 处比色。根据标准曲线计算出提取液中的
脯氨酸含量。
1. 2. 4 可溶性总糖的测定 参照李合生 [ 8]的蒽酮
比色法。
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第 2期 胡化广等:结缕草属植物抗旱生理机理
称取结缕草植物叶片 0. 2~ 0. 3 g, 放入试管中,
加入 5~ 10 mL 蒸馏水在沸水浴中提取 30 min(提
取 2次)。提取液过滤入 50 mL 容量瓶中, 反复漂
洗试管及残渣, 定容至刻度。吸取样品提取液 0. 5
mL 于刻度试管中, 依次加入 1. 5 mL 蒸馏水, 0. 5
mL 蒽酮乙酸乙酯和 5 mL 浓硫酸,充分震荡, 放入
沸水浴中准确保温 1 min,冷却至室温, 以空白作参
比,在 630 nm 测其吸光值, 根据所作的标准曲线求
出可溶性总糖含量。
1. 3 数据处理
采用Microsof t Excel和RCPSYS软件分析数据。
2 结果与分析
2. 1 叶片相对含水量变化
如图 1,对照组 Z125 和 Z098的叶片相对含水
量都在一个很小的范围内变化, 变化范围分别为
66. 17%~ 67. 67%和 69. 07% ~ 70. 64% ,而处理组
Z125和 Z098与对照相比叶片相对含水量的变化较
大,变化范围分别为 51. 36% ~ 65. 73%和 47. 40% ~
67. 52%。随着干旱胁迫天数的增加,两份种源的相
对含水量逐渐下降, 初期下降缓慢,但是 Z125 在第
12 d, Z098在第 9 d 后含水量下降的幅度加大。在
15 d的干旱胁迫期间, Z125的相对含水量共下降
21. 86%; 而 Z098 下降29. 85% , 说明 Z098 与 Z125
相比对水分亏缺更为敏感, 这与抗旱性鉴定的结果
一致 [ 7]。
图 1 种源 Z125 和 Z098 干旱胁迫期间叶片含水量的变化
F ig. 1 Dynamic of leaf w ater content of Z125 and Z098
dur ing drought stress
注: a. Z125 处理, A. Z125对照; b . Z098处理, B. Z098对照。下同
Note: a. Z125 tr eatm ent , A. Z125 comparison,
b. Z098 t reatment , B. Z098 comparison, th e same below
2. 2 可溶性总糖含量变化
对照组 Z125 和 Z098 叶片中可溶性总糖的含
量都处于很低的水平, 且差别不大;而两份处理种源
受干旱胁迫的影响均明显高于对照, 呈增加趋势,而
且随着干旱胁迫的加深, 含量不断上升; 在 15 d当
中, Z125始终高于 Z098(图 2)。
图 2 种源 Z125 和 Z098干旱胁迫期间可溶性总糖的变化
Fig. 2 Dynam ic of w at er soluble carbohydrate content o f
Z125 and Z098 during dr ought stress
2. 3 脯氨酸含量变化
对照组 Z125 和 Z098 叶片中脯氨酸含量都处
于很低的水平,且差别不大;而两份处理种源均受干
旱胁迫的影响而明显高于对照, 呈增加趋势,而且随
着干旱胁迫的加深,含量不断上升。除在干旱胁迫第
9 d Z098高于 Z125外,其他时间均小于 Z125(图 3)。
图 3 种源 Z125 和 Z098 干旱胁迫期间脯氨酸含量变化
Fig . 3 Dynamic o f Pro content o f Z125 and Z098
during dr ought str ess
2. 4 SOD酶活性变化
对照组 Z125和 Z098的 SOD酶的活性较低,而
处理组 Z125和 Z098随着干旱胁迫时间的增加,都
表现出先增加后降低的趋势,但是不同种源变化过
程不一致, Z098在胁迫初期( 0- 6 d)呈缓慢增加趋
势,但是到第 9 d 其活性突然增加, 达到一个峰值,
超过了此时 Z125的活性,在第 12 d 和第 15 d又下
降; Z125在 0~ 12 d中 SOD酶活性一直增加,到第
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草 地 学 报 第 16卷
12 d 出现一个峰值, 然后又下降。15 d 中, 种源
Z125的 SOD酶活性在大部分时间内都高于种源
Z098(图 4)。
图 4 种源 Z125 和 Z098干旱胁迫期间 SOD活性变化
F ig. 4 Dynamic of SOD activit y of Z125 and Z098
dur ing drought stress
3 讨论与结论
可溶性总糖和脯氨酸是高等植物重要的渗透调
节物质,能够提高细胞的渗透调节能力,降低因渗透
失水造成的对细胞膜, 酶及蛋白质结构与功能的伤
害,在调节植物对环境胁迫的适应性,提高植物对各
种胁迫因子抗性等方面起着十分重要的作用 [ 9~ 11] ;
SOD是细胞抵御活性氧伤害的酶保护系统,在清除
超氧自由基、控制膜脂的过氧化作用,保护细胞膜正
常代谢方面起重要作用, 植物在正常环境生长下, 它
的活性很低,但是在逆境条件下,植物体内会积累活
性氧,而 SOD酶的活性也会增加, 提高对活性氧的
清除能力,从而减轻活性氧对细胞的伤害[ 12]。叶片
相对含水量是一个综合生理指标,它间接反映了各
生理指标的强弱。
从以上的分析可以看出, 抗旱种源 Z125在15 d
的干旱胁迫过程中, 叶片含水量较干旱敏感种源
Z098能较好的报持; 体内可溶性总糖的含量始终高
于 Z098;叶片内脯氨酸含量和 SOD 酶活性在大部
分时间内高于 Z098。抗旱种源 Z125与干旱敏感种
源 Z098生理上的差异可能是 Z125 比 Z098 更抗旱
的生理原因。两份种源在 15d 的干旱胁迫过程中,
体内可溶性总糖和脯氨酸含量较对照都有不同程度
的积累, SOD酶活性都不同程度的升高, 这可能是
结缕草抗旱的生理原因之一。
参考文献
[ 1] 潘瑞炽. 植物生理学( 第四版) [ M ] .北京,高等教育出版社,
2001. 279
[ 2] 卢少云,陈斯平,陈斯曼,等.暖季型草坪草脯氨酸含量和抗氧
化酶活性对干旱的反应[ J] .园艺学报, 2003, 30( 3) : 7-14
[ 3] Fu J, H uan g B R. In volvement of ant ioxidant and lipid perox-i
dat ion in th e adaptat ion of tw o coo-l season g rass es to localized
drought st ress [ J] . Environ. Ex periment . Botany, 2001, 45
( 2) : 105-114
[ 4] 孙彦,杨青川,张英华.不同草坪草种及品种苗期干旱性比较
[ J] .草地学报, 2001, 9( 1) : 16-20
[ 5] 王世杰,郭博. 水分胁迫下冰草体内脱落酸与游离脯氨酸的积
累关系[ J] .甘肃农业大学学报, 28( 1) : 36-40
[ 6 ] 葛晋刚. 高羊茅和钝叶草对干旱胁迫的适应性和生理响应
[ D] .南京农业大学硕士论文, 2004. 40
[ 7] 胡化广,刘建秀,宣继萍,等.结缕草属植物的抗旱性初步评价
[ J] .草业学报, 2007, 16( 1) : 45-51
[ 8] 李合生.植物生理生化试验原理和技术[ M ] .北京,高等教育出
版社, 2000
[ 9] 李新梅,孙丙耀,谈建中.甜菜碱与植物抗逆性关系的研究进展
[ J] .农业科学研究, 2006, 27( 3) : 66-70
[ 10] 胡化广,刘建秀,马克群,等. 结缕草属植物蒸散量评价[ J] . 草
地学报, 2006, 14( 3) : 206-209
[ 11] 孙强,韩建国,姜丽,等. 草坪蒸散量及水分管理的研究[ J] . 草
地学报, 2004, 12( 1) : 51-56
[ 12] 邵艳军,山仑.植物耐旱机制研究进展[ J] .中国生态农业学报,
2006, 14( 4) : 16-20
(责任编辑 梁艳萍)
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