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7种十字花科绿肥作物对干旱胁迫的生理应答及抗旱性评价

花匠小妙招
2025-05-22 22:54

关键词：干旱胁迫；十字花科绿肥；光合特性；生理特征；主成分分析

我国绿肥作物栽培利用历史悠久，是传统农耕文明的精华，也是目前耕地质量培育提升和可持续利用的重要技术措施之一[1]。在20 世纪40 年代，我国绿肥作物种植面积达140 万hm2；20 世纪60—70年代，绿肥种植面积提高了90%[2]；但自从20 世纪80 年代，随着化肥的推广，绿肥种植面积迅速减少；21 世纪初，绿肥种植面积仍不断减少[3]。近十几年来，随着现代生态农业发展和绿色生态理念不断深入，绿肥作物种植和应用面积逐年增加，从2007年的200 万hm2 增加到2022 年的412 万hm2[1]，在减少化肥投入[4]、提升土壤肥力[5]、提高耕地生产力[6]等方面发挥着积极作用，对于保障国家粮食安全和资源环境可持续发展[7]、促进优质农产品生产和农民增产增收[8]具有重要意义。

陕西省属典型的大陆性季风气候，降雨主要集中于夏秋两季，降水时空分布极为不均。随着全球气候变化，近5 年陕西省在6 月和8 月干旱事件频发[9]，这对于该区域该时段绿肥作物生长带来一定的负面影响。频繁的干旱胁迫会导致一些绿肥作物苗期形态特征、光合特性、渗透调节等一系列生理生化特征发生变化[10]，进而影响其生长发育和养分获取能力。前期相关研究表明，干旱胁迫会抑制十字花科绿肥油菜种子发芽[11−12]，导致叶片净光合速率和蒸腾速率均显著下降[13−14]，严重影响其光合效率，最终降低油菜的根长和生物量[15]。干旱胁迫条件下，叶片会积累大量活性氧，造成丙二醛等有害物质增加，细胞膜过氧化作用加重，对叶片造成损伤，使植物的抗旱能力减弱[10， 13]。油菜为了避免自身受氧化胁迫的危害，会提高抗氧化酶活性来清除植物体内过量的活性氧[11]；同时，也能通过改变渗透调节物质含量（如脯氨酸），来维持细胞膨压和降低渗透势，使其在干旱胁迫下仍能获取维持正常生理活动所需的水分[10， 13]。前期在植物抗旱性研究方面，生理生化特征（过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、过氧化物酶、脯氨酸、丙二醛）、农艺性状（发芽率、根长、生物量）及其光合特征（净光合速率、蒸腾速率、胞间CO2 浓度）常被用作评价植物抗旱性的重要测定指标[16]。

作物抗旱性较为复杂，除品种自身特点外还会受到多种生理过程的调控[8]。近年来，国内外研究学者对小麦[17−18]、玉米[19]、水稻[20−21]等作物的抗旱性品种筛选和评价已进行系统深入的研究，然而关于不同十字花科绿肥作物品种对干旱胁迫的生理应答机制及其抗旱性综合评价的研究还鲜见报道。因此，本研究以搜集整理的7 种十字花科绿肥作物作为研究对象，通过盆栽控制灌水的方式模拟不同干旱胁迫环境，探究水分亏缺对供试十字花科绿肥作物的光合参数及生理生化特性的影响，并采用主成分分析法进一步评价供试7 种绿肥作物品种抗旱性差异和抵御干旱胁迫的能力，最终筛选出抗旱能力较强的十字花科绿肥作物品种，为旱地绿肥产业恢复发展和抗旱型绿肥作物品种的选育提供一定的理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的7种十字花科绿肥作物品种（表1）为：青杂11 号、秦优10号、中绿油1号、中绿油2号、中油肥1 号、紫芥和矮早箩1 号，其中中油肥1号、中绿油1 号、中绿油2 号、矮早箩1号、紫芥5个品种均由中国农业科学院油料作物研究所提供，秦优10 号和青杂11 号分别由杨凌农业高科技发展股份有限公司和青海省农林科学院春油菜研究所提供。

1.2 试验设计

盆栽试验于2023年7月至9月在西北农林科技大学资源环境学院科研网室进行。试验包括两个研究因素：1）人工模拟干旱胁迫环境，其中以40% 田间持水量为干旱胁迫处理，80% 田间持水量为对照处理；2）上述7 种不同的十字花科绿肥作物品种。共设14 个处理，每个处理重复4 次，随机排列并每隔10～15 天进行重新摆放。

试验选用规格为20.5cm×14 cm 的聚乙烯塑料盆钵，每盆装土2.5 kg。试验用土采自西北农林科技大学农作一站，其基本化学性质为：pH 7.92，铵态氮7.09 mg/kg，硝态氮6.84 mg/kg，速效磷3.73 mg/kg，速效钾159.3 mg/kg，有机质14.3 g/kg，全氮0.85 g/kg。为保证绿肥生长期间养分需求，种植绿肥前每盆施用0.5 g氮肥（尿素，46% N）和1g 磷肥（过磷酸钙，12% P2O5 ）。每盆精选成熟饱满且大小均一的种子15 粒，待培养7 天后，选留10株生长基本一致的健壮幼苗。绿肥作物整个生长期间，每天用称重法及时补水，以保证供试7种十字花科绿肥作物在整个培养期间分别处于持续性干旱胁迫和正常水分的状态，待绿肥作物生长至45天后终止生长并采样测定各项指标。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 光合参数采用光合测定仪（TP-PM-1，浙江托普云农科技股份有限公司）测定净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2 浓度（Ci）等光合参数。测定时间在上午9：00—11：00，每个处理选择第1 片叶进行测定（n=4），选取每个叶片的中部重复测定5 次。

1.3.2 农艺性状培养前7 天，每天晚上记录种子发芽数，在种子发芽第7 天时计算发芽率。培养至45 天后，用百分之一天平称植株地上部和根系鲜重，使用根系分析系统（WinRHIZO 2013e）测定植株根长。

1.3.3 生理生化指标待植株生长至第45 天时，采集供试7 种十字花科绿肥作物的中部叶片5 片，混匀后称取100 mg，加入1 mL 磷酸缓冲盐溶液（PBS）进行研磨，共研磨3 次，每次间隔30 s，经预处理后采用生化法测定各叶片组织中丙二醛（MDA）和脯氨酸（Pro）含量，过氧化物酶（POD）、过氧化氢酶（CAT）、超氧化物歧化酶（SOD）活性等生理生化指标，各指标重复测定4 次。

1.4 数据处理与分析

运用Excel 2010 进行数据处理并作图，利用SPSS 19.0 对数据进行T 检验、ANOVA 单因素和双因素方差分析、多重比较（LSD 法），采用主成分分析对测定的指标进行评价，最后综合评价7 种十字花科绿肥的抗旱性。其中主成分分析涉及的主要步骤如下[22]。

1）将原始数据标准化

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对十字花科绿肥光合参数的影响

在干旱胁迫条件下各十字花科绿肥作物叶片光合参数存在显著性差异（图1）。不同水分处理下，矮早箩1号Pn变化最大，从正常灌水的13.2μmol/（m2·s）降至干旱胁迫处理的6.6μmol/（m2 ·s），降幅100%（Plt;0.05）；其次是中绿油2号、中绿油1 号和中油肥1 号，降幅分别为57%、55% 和45% （Plt;0.05）；最后，水分亏缺也降低紫芥、青杂11号以及秦优10号净光合速率，降幅分别为6.5%、5.4% 和3.8%。蒸腾速率降幅从大到小依次为：秦优10号gt;中绿油2 号gt;中油肥1 号gt;矮早箩1号gt;中绿油1号gt;紫芥gt;青杂11 号；除青杂11号外，其他十字花科绿肥作物在干旱胁迫下叶片蒸腾速率均较正常灌溉显著降低。7种绿肥的Ci受水分影响变化趋势不同，矮早箩1 号在干旱胁迫条件下叶片Ci 较正常灌水显著增加，增幅为25% （Plt;0.05）；而紫芥和青杂11号则较正常灌水显著降低，降幅分别为44% 和32% （Plt;0.05）。

综上所述，干旱胁迫下，矮早箩1号叶片净光合速率降幅最大，秦优10号和青杂11号叶片净光合速率变化不明显；秦优10号和中绿油2号叶片蒸腾速率显著大幅度降低，青杂11 号降幅小并无显著变化；矮早箩1号和紫芥叶片胞间CO2浓度变化最大（Plt;0.05），中绿油1号、中绿油2号和秦优10号Ci变化较小（Pgt;0.05）。不同水分处理下7种十字花科绿肥作物在第15 天和第45天的长势见图2。

2.2 干旱胁迫对十字花科绿肥农艺性状的影响

整体来看，干旱胁迫处理下7 种十字花科绿肥的根长和生物量均较正常灌水显著降低（表2）。青杂11 号种子在干旱胁迫和正常灌水处理下发芽率均最高，相较正常灌水，干旱胁迫下秦优10 号发芽率降幅最大（15%），中绿油2 号降幅最小（1.9%）；中绿油1 号在干旱胁迫和正常灌水处理下根长均较长，相较正常灌水，干旱胁迫下紫芥根长降幅最为明显（76%），中油肥1号降幅最小（33%）；与正常灌水相比，干旱胁迫引起生物量降幅依次为秦优10 号gt;青杂11 号gt;中绿油2号gt;中油肥1号gt;紫芥gt;矮早箩1 号gt;中绿油1 号，最高降幅为76%，最低为63%。干旱胁迫下，绿肥发芽率、根长和生物量分别平均比正常灌水降低6.1%、147% （Plt;0.05）和238% （Plt;0.05）。

2.3 干旱胁迫对十字花科绿肥叶片抗氧化酶活性的影响

干旱胁迫条件下，不同品种绿肥叶片的抗氧化酶活性变化特征有所不同（图3），且供试7 种十字花科绿肥间叶片的抗氧化酶活性差异多显著。干旱胁迫下，秦优10号叶片CAT 活性高于正常灌水，增加26% （Plt;0.05）；除矮早箩1 号外，中绿油1 号、中油肥1 号、中绿油2 号和紫芥叶片CAT活性均显著低于正常灌水。与正常灌水相比，水分亏缺导致秦优10 号叶片SOD活性显著增加；其次是青杂11号，增幅为48% （Plt;0.05）；而中绿油2号和中油肥1 号的SOD活性显著下降。7种绿肥在应对干旱胁迫时其叶片POD活性均升高，增幅由大到小依次为中绿油1 号（Plt;0.05）、矮早箩1号（Plt;0.05）、青杂11 号（Plt;0.05）、秦优10 号（Plt;0.05）、紫芥、中油肥1号和中绿油2号。

综上所述，当水分亏缺时秦优10号叶片过氧化氢酶活性增幅最大，表明其在干旱胁迫环境中能通过提升其过氧化氢酶活性有效清除叶片中H2O2；秦优10号和青杂11号超氧化物歧化酶活性显著增加，具有较强清除氧自由基的能力；中绿油1 号叶片过氧化物酶活性变化较大（Plt;0.05），因此含有较高的氧化还原酶活性，可以有效去除叶片中的活性氧。

2.4 干旱胁迫对绿肥叶片渗透调节能力的影响

由图4 可见，7 种绿肥叶片Pro、MDA 含量差异多达到显著水平。与正常灌水相比，干旱胁迫条件下，中绿油2 号、紫芥、秦优10 号和中油肥1 号的叶片Pro 含量显著增加，增幅分别为25%、22%、15% 和5.5%；而矮早箩1 号和青杂11 号叶片的Pro 含量显著降低。与正常灌水相比，缺水处理下，紫芥、中绿油1 号、中绿油2号的叶片MDA 含量显著减少，而中油肥1 号、矮早箩1号、青杂11号和秦优10 号叶片的MDA 含量不同程度增加，增幅分别为22%、8.2%、6.9% 和5.5%，除秦优10号外，其他绿肥叶片均较正常灌水差异显著。

综上所述，干旱胁迫下中绿油2号、紫芥、秦优10号的叶片脯氨酸含量显著增加，具有较强的抵御非生物逆境胁迫的能力；中油肥1 号和矮早箩1号叶片的丙二醛含量增幅较大，膜脂过氧化的程度较大，叶片的损伤较严重。

2.5 主成分分析

为了更深入地探究不同绿肥各抗旱性指标的变异特征，对上述11个生理指标进行主成分分析（表3）。其中，主成分1、2、3 和4对抗旱指数的贡献率分别为39.0%、19.5%、14.5% 和12.5%，累计贡献率达到85.5%，表明主成分1至主成分4能代表绝大部分信息。生物量（0.93）、过氧化氢酶活性（0.94）、丙二醛含量（0.71）和过氧化物酶活性（0.64）分别为PC1、PC2、PC3 和PC4 的主要贡献因子。因此，将生物量、过氧化氢酶活性、丙二醛含量和过氧化物酶活性作为评估十字花科绿肥抗旱性的首选抗旱指标。

以主成分的特征值作为权重，将主成分得分和相应的权重进行线性加权求和，计算出各绿肥的抗旱性综合得分（表4），其综合得分越高表示该绿肥品种抗旱能力越强。由表4可知，7种十字花科绿肥综合抗旱能力由强到弱依次为中绿油1号gt;矮早箩1号gt;青杂11号gt;中绿油2号gt;紫芥gt;中油肥1号gt;秦优10号。

3 讨论

3.1 十字花科绿肥叶片光合特性对干旱胁迫的响应

水分是植物进行光合作用的必需物质之一，供水不足将诱发植物叶片光合参数（净光合速率、蒸腾速率和胞间CO2浓度）的改变[23−25]。胞间CO2浓度的变化趋势是判断引起光合速率降低原因的直接证据，当光合速率和胞间CO2浓度同时降低时，光合速率受到气孔限制因素的影响；相反，胞间CO2浓度升高则光合速率受到非气孔限制的影响[26]。本研究中，7种绿肥叶片净光合速率和蒸腾速率在干旱胁迫条件下均呈降低趋势，这与李素等[10]研究结果一致；其中与正常灌水相比矮早箩1 号、中油肥1 号、中绿油1 号和中绿油2号叶片的Ci 干旱处理下增加，而紫芥、青杂11号和秦优11号叶片的Ci 降低，其原因可能是干旱胁迫条件下矮早箩1号、中油肥1 号、中绿油1 号和中绿油2号的叶片光合速率受到了非气孔限制，而紫芥、青杂11 号和秦优10 号受到了气孔限制，绿肥植株内部水分无法从气孔排出，最终影响其蒸腾作用。同时，外界的CO2、O2和H2O 等无法通过气孔进出植物体，影响绿肥光合作用，进而不利于其后期生长。对比7 种十字花科绿肥的光合特性，发现不同绿肥品种间的光合能力对干旱胁迫的响应存在一定差异，这与各绿肥的耐旱能力有关。

3.2 十字花科绿肥农艺性状对干旱胁迫的响应

干旱胁迫条件下，植物种子萌发期的特性与植物抗旱性有密切联系，能通过发芽率等指标在一定程度上反映植物的生存能力和抗逆境能力。本研究结果表明，与正常灌水相比7种绿肥种子的发芽率在干旱胁迫处理中均呈降低趋势，这与前人[27]研究结果一致。此外，青杂11号整体发芽率最高，这可能与种子本身的发芽特性有关。从发芽率的变化幅度来看，干旱胁迫处理下中绿油2号种子的发芽率降幅最低，说明其承受干旱胁迫程度的阈值最高，侧面反映出其抗旱能力较强。

根长和生物量作为干旱胁迫响应的基本参数，在一定程度上可以反映种子在逆境下积累营养物质的能力。肖红艳等[27]研究结果发现，抗旱能力较好的品种在中度干旱胁迫下根长会增加，但在重度干旱胁迫下根长会显著缩短。本研究中，干旱胁迫导致7 种绿肥种子的根系生长受抑，根长较正常灌水显著缩短，这与前人[28]的研究结果一致，推测此时种子对营养物质的吸收与利用能力可能因严重的缺水环境而降低，最终出现根长生长受抑的现象。与其他6 种十字花科绿肥品种相比，中绿油1 号综合抗旱能力最强，具体表现在干旱胁迫下其根系生长较佳，较长的根系有利于抵抗干旱环境，受干旱胁迫的影响最小，这与张达斌等[29]研究结果一致。李素等[10]研究发现，水分亏缺导致油菜地上部分的营养分配比例降低，地下部分升高，最终总生物量降低。本研究认为水分亏缺对绿肥整体生物量的影响与对根长的作用效果一致，均表现为不同程度的降低，说明在干旱胁迫条件下绿肥作物生长发育过程受阻，不利于绿肥整体生物量的积累。

3.3 十字花科绿肥叶片生理生化特性对干旱胁迫的响应

通常情况下，叶片中CAT、SOD和POD等抗氧化酶在清除氧自由基等方面起着重要作用。当植物处于干旱逆境时，其叶片抗氧化酶活性随胁迫程度的增加而提高或呈先增加后降低的变化趋势[30]。本研究发现，除秦优10号和青杂11号外，其余绿肥叶片CAT 活性均显著下降，这与其他学者[31−32]的研究结果一致。这一现象可能与长期处于干旱胁迫环境下，绿肥叶片的抗氧化酶活性达到其阈值甚至超过其耐受范围，导致自我调节能力减弱、酶活性降低有关；推测在短时间干旱胁迫环境下，植物能通过维持叶片CAT活性处于正常水平来抵抗逆境危害。水分亏缺导致中绿油1号、秦优10号、青杂11号和紫芥叶片的SOD活性较正常灌水不同程度升高，7种绿肥叶片POD活性均呈现增加趋势，表明绿肥叶片的SOD和POD活性在长期干旱条件下仍能发挥作用，有助于提升绿肥作物抗旱能力。

干旱胁迫条件下，植物叶片MDA含量增加，会通过积累脯氨酸来进行渗透调节以便更好地应对干旱胁迫[33]。本研究发现，水分亏缺处理下秦优10号、紫芥、中绿油1 号、中绿油2 号的叶片Pro含量较正常灌水增加，表明以上4种绿肥能够在缺水环境下通过提升脯氨酸含量来应对干旱胁迫；紫芥、中绿油1 号、中绿油2号叶片MDA 含量显著低于正常灌水，与Pro含量的变化规律不一致，推测紫芥、中绿油1 号和中绿油2号对于干旱环境表现出一定的适应能力。

3.4 十字花科绿肥耐旱能力综合评价

在评价不同植物的抗旱性时，用单一指标来评估植物抗旱能力强弱不能全面反映出其真实的抗旱效果[34]，因此需要对绿肥作物的多种指标进行综合抗旱性分析。王宏信等[31]采用主成分分析对3 种野牡丹科植物进行综合评价，结果表明15个指标中有3个主成分可以评估其抗旱性大小，并最终筛选出抗旱能力最强的品种。邵勤等[35]研究不同PEG浓度对西兰花生理生化特性的影响，利用相关性分析和主成分分析筛选出能够抵抗中等干旱胁迫的幼苗。基于主成分分析，本研究发现决定十字花科绿肥抗旱性第一主成分因子包括Pn、Tr、Ci、生物量、SOD活性和Pro含量，以上指标主要与植株的光合作用、抗氧化能力、渗透调节及生长有关，因此将第一主成分归纳为“光合生长和渗透−抗氧化调节因子”；第二主成分主要包括根长和CAT 活性，反映出其根系活力和抗氧化调控能力；第三主成分包括发芽率和叶片MDA含量，这主要与种子萌发特性和膜脂过氧化作用有关，可归纳为“生长潜力和膜脂过氧化因子”；第四主成分主要为叶片POD活性。综合来看，绿肥生物量和叶片丙二醛含量、过氧化氢酶及过氧化物酶活性能够作为评估其生育期抗旱性的首选指标。前人[13， 35−36]研究认为，作物叶片的抗氧化能力和膜脂过氧化程度能反映出其抗旱能力强弱，因此将叶片MDA含量、POD和CAT活性作为作物抗旱性评价指标体系中的首选鉴选指标，与本研究结果相似。

由于室内模拟不能完全反映出绿肥作物对干旱胁迫的形态、生理和生化响应特征，无法准确解释田间自然环境下绿肥生长发育、光合特性、生理生化特性与干旱胁迫间的内在联系，因此今后要加强在田间条件下对已筛选的十字花科绿肥作物做进一步分析和评价。

4 结论

抗旱性强的十字花科绿肥能通过提高其叶片过氧化氢酶、过氧化物酶和超氧化物歧化酶活性进而增强其抗氧化能力，通过调节叶片丙二醛含量来提升其渗透调节能力，通过促进根系生长增加其生物量来应对水分亏缺带来的不利影响。中绿油1 号在供试7 种十字花科绿肥作物中综合表现最佳，适宜在黄土高原旱作区推广种植。