基于生命信息的春灌提高紫花苜?？购宰饔醚芯?/h1>

2016-03-23 03:53:55鄔佳賓苗恒錄孫亞楠水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所呼和浩特0000內(nèi)蒙古大學(xué)呼和浩特000

中國農(nóng)村水利水電訂閱 2016年9期 收藏

關(guān)鍵詞：春灌抗寒抗寒性

鄔佳賓，苗 澍，焦 瑞，苗恒錄，孫亞楠(. 水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所， 呼和浩特 0000；. 內(nèi)蒙古大學(xué)， 呼和浩特 000)

農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)中低溫脅迫是影響作物產(chǎn)量和品質(zhì)的主要非生物脅迫，尤其對于牧草，低溫對牧草越冬期造成的寒害是導(dǎo)致牧草低產(chǎn)的關(guān)鍵因素。牧草的抗寒性主要受2個方面因素影響，分別是環(huán)境條件與牧草自身性能，前者主要包括水分、溫度和光周期，后者主要是牧草的抗氧化能力、生長時期、發(fā)育水平等[1]。紫花苜蓿越冬期低溫造成的凍害是生產(chǎn)上的一大威脅，不僅影響草地的持續(xù)高效利用，同時限制了栽培區(qū)域的發(fā)展。根系的抗寒性是決定紫花苜蓿安全越冬的首要因素之一，冷脅迫下植物可積累更多的可溶性糖、脯氨酸等營養(yǎng)物質(zhì)，而這些生理指標(biāo)與植物抗寒性關(guān)系密切[2]。研究表明，抗寒性強的紫花苜蓿品種受凍返青前可溶性糖升高而淀粉含量降低，說明苜蓿通過根部淀粉向糖的轉(zhuǎn)化來提高自身的抗寒能力，因此可將可溶性糖作為評價抗寒能力的依據(jù)，游離脯氨酸含量的變化與可溶性糖類似[3]。不同品種紫花苜蓿抗寒能力的強弱同樣表現(xiàn)于可溶性糖、游離脯氨酸含量等相關(guān)抗寒生理指標(biāo)的高低，申曉慧等通過對不同紫花苜蓿品種抗寒生理特性的比較研究，確定了6種紫花苜蓿抗寒能力的大小[4]。即使同一品種苜蓿，由于處理的不同也會表現(xiàn)出抗寒性的差異，陳梓健等以紫花苜?！癢L525”為試驗材料，采用低溫處理，表明MDA、POD、可溶性糖、相對電導(dǎo)率4個生理指標(biāo)與該品種紫花苜蓿的抗寒性有密切聯(lián)系，紫花苜蓿通過增加POD和可溶性糖的質(zhì)量濃度來調(diào)節(jié)低溫對其造成的傷害[5]。

作為一種抗寒性較強的植物品種，當(dāng)紫花苜蓿受到低溫脅迫時，其滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)等生命信息都會發(fā)生明顯變化，而春灌可以改善苜蓿返青期根區(qū)環(huán)境，對于緩解低溫脅迫的影響，幫助作物規(guī)避低溫脅迫具有作用。早春土地開始解凍后，及時灌水，保持土壤濕潤可以降低土溫，延遲發(fā)芽萌動與返青，避免倒春寒危害，并能保證作物返青期的土壤墑情。春灌無疑改善了紫花苜蓿越冬期的環(huán)境條件，同時不同春灌條件下紫花苜蓿自身的抗寒性能也發(fā)生了變化。實踐證明，通過灌水，增加紫花苜蓿關(guān)鍵生育期的土壤含水量能明顯減輕苜蓿凍害程度，提高其越冬率[6,7]。本研究采用苜蓿返青期春灌這一簡單易行的田間管理措施，試驗測定紫花苜蓿返青期的生理生化指標(biāo)，并結(jié)合產(chǎn)量等生命信息，分析和研究春灌條件下紫花苜蓿抗寒性變化，旨在探明春灌改善牧草越冬期低溫脅迫的作用與機理，以期利用春灌改善紫花苜蓿生境條件，提高苜?？购蕉芰?，增加其返青率，實現(xiàn)農(nóng)牧業(yè)水資源的高效利用。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2014-2015年在中國水科院牧區(qū)水科所草地水土保持生態(tài)監(jiān)測基地進行，行政區(qū)歸屬于包頭市達爾罕茂明安聯(lián)合旗東南部的希拉穆仁鎮(zhèn)，地理位置為東經(jīng)111°12′、北緯41°21′，海拔1 600 m。屬大陸性季風(fēng)氣候，具有冬季漫長嚴(yán)寒，夏季短促溫涼，寒暑變化強烈，晝夜溫差大的特點，多年平均降雨量284 mm，且主要集中于7-9月，多年平均蒸發(fā)量2 305 mm；年平均氣溫2.5 ℃，多年平均日照時數(shù)3 100 h，無霜期83 d，多年平均風(fēng)速4.5 m/s。

1.2 試驗材料與方案設(shè)計

供試苜蓿品種為準(zhǔn)格爾，來源于內(nèi)蒙古自治區(qū)草原站。2014年春季完成苜蓿的播種，采用人工條播，行距30 cm，播種量15 kg/hm2，播深3cm，播后鎮(zhèn)壓。

春灌采用滴灌方式，灌溉次數(shù)為2次，灌水時間分別選擇于2015年5月6-7日、5月17-18日，同年5月下旬苜蓿返青。灌溉水量分為高(G)、中(Z)、低(D)水量灌溉，另設(shè)不灌溉(B)處理。對應(yīng)灌水量以田持的90%、70%、50%作為灌水上限。苜蓿其余生育期采用一致的田間管理措施，試驗苜蓿為大田種植，每種處理設(shè)3個重復(fù)，共設(shè)置12個試驗小區(qū)，每個小區(qū)面積為3.0 m×9.0 m，橫向隔離帶寬1.0 m，縱向隔離帶寬0.5 m。

1.3 測定項目及方法

灌溉小區(qū)管道出口均設(shè)有水表用來讀取春灌水量，并記錄灌水時間。試驗田苜蓿為第2年生，根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)經(jīng)驗，2015年分別于7月5日、9月20日收獲2茬，對不同處理分別進行測產(chǎn)。

2015年5月20日對不同灌水處理下苜蓿根系進行采樣分析，對其6項生理指標(biāo)進行測定，做5次重復(fù)。其中苜蓿根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)3項，組分及測定方法分別為游離脯氨酸含量測定采用茚三酮顯色法，可溶性糖測定采用苯酚-硫酸法，丙二醛(MDA)測定采用硫代巴比妥酸(TBA)分光光度計法。測定苜蓿根系保護性酶指標(biāo)2項，其中超氧化物歧化酶(SOD)采用氮藍四唑法測定，過氧化物歧化酶(POD)采用愈創(chuàng)木酚法測定。采用TTC法測定越冬期苜蓿根系活力作為根系生長指標(biāo)。

2 結(jié)果與分析

2.1 苜蓿根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)測定結(jié)果

在低溫脅迫環(huán)境下，苜蓿體內(nèi)積累各種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，使植株具有滲透調(diào)節(jié)的能力。植物在環(huán)境脅迫下，通過細(xì)胞內(nèi)代謝活動，合成某些對原生質(zhì)無傷害的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)從而降低水勢以平衡周圍環(huán)境的脅迫。在低溫脅迫下，細(xì)胞膜透性增大使細(xì)胞內(nèi)大量物質(zhì)滲出，此時苜蓿細(xì)胞內(nèi)代謝加強，合成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)降低細(xì)胞滲透勢從而減輕細(xì)胞傷害。

2.1.1游離脯氨酸

脯氨酸含量是一種衡量苜?？购缘闹匾砩笜?biāo)。處于低溫等逆境時，植物體內(nèi)會積累與抗逆性相關(guān)的游離脯氨酸。植物體內(nèi)的游離脯氨酸進行有效的滲透調(diào)節(jié)作用，維持原生質(zhì)與環(huán)境的滲透平衡，以保持細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的相對穩(wěn)定。苜蓿植株體內(nèi)脯氨酸的含量增加有利于提高其抗寒性[8]，并且隨著低溫脅迫時間的延長，苜蓿體內(nèi)游離脯氨酸絕對含量逐漸增加[9]。

苜蓿根系游離脯氨酸含量采用茚三酮顯色法在實驗室提取，首先通過實驗制作脯氨酸標(biāo)準(zhǔn)曲線，然后通過測定樣品測定液的吸光度值，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)曲線查出樣品測定液中脯氨酸的含量，并最終通過下式計算樣品中脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：

F=(CV)/(aW)

(1)

式中：F是樣品中脯氨酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；C是提取液中脯氨酸的質(zhì)量，μg，由標(biāo)準(zhǔn)曲線求得；V是提取液總體積，mL；a是測定時所吸取的體積，mL；W是樣品重，g。

測定結(jié)果詳見表1。

表1 苜蓿根系生理指標(biāo)測定結(jié)果

2.1.2可溶性糖

植物體受低溫脅迫初期，細(xì)胞內(nèi)可溶性糖含量的增加可幫助其適應(yīng)低溫環(huán)境[10]。伴隨環(huán)境溫度下降，苜蓿細(xì)胞內(nèi)大分子物質(zhì)發(fā)生水解從而增加可溶性糖，可溶性糖含量越大苜蓿的抗寒能力越強。苜蓿根及根莖中可溶性糖的積累與其抗寒及越冬性呈顯著的正相關(guān)[11]。

可溶性糖含量采用苯酚-硫酸法測定，其原理是多糖在硫酸的作用下先水解成單糖，并迅速脫水生成糖醛衍生物，然后與苯酚生成橙黃色化合物，再以比色法測定。主要的實驗步驟包括標(biāo)準(zhǔn)品溶液的制備、標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作、樣品中可溶性糖的提取和測定。

吸取0.5 mL樣品液于試管中，加蒸餾水0.5 mL，按順序分別加入1 mL的50 g/L苯酚溶液，5 mL濃硫酸，顯色并測定吸光度，有回歸方程求出葡萄糖的量，按照下列公式計算樣品中可溶性糖的含量。

(2)

式中：Ssc是可溶性糖含量，μg/g；C是回歸方程求得的葡萄糖含量，μg；VT是提取液定容體積，mL；V1是吸取樣品液體積，mL；M是稱取樣品的質(zhì)量，g。

測定結(jié)果詳見表1。

2.1.3丙二醛

苜蓿在逆境中受到傷害，伴隨發(fā)生膜脂過氧化作用，丙二醛(Malondialdehyde，MDA)是這一作用的最終分解產(chǎn)物，因此越冬期苜蓿根部的MDA含量能夠代表膜脂過氧化的程度，從而間接反映苜蓿抗寒能力的強弱。

采用硫代巴比妥酸(TBA)分光光度法測定，其原理是丙二醛(MDA)與TBA在酸性和高溫條件下反應(yīng)生成紅棕色的三甲川，并在532nm處有最大光吸收，在600 nm處有最小光吸收。但是糖與TBA顯色反應(yīng)產(chǎn)物在532 nm處也有吸收(最大吸收峰在450nm處)，測定植物組織中的MDA時會受可溶性糖等多種物質(zhì)的干擾，因此測定植物組織中MDA-TBA反應(yīng)物質(zhì)含量時一定要排除可溶性糖的干擾。已知蔗糖與TBA顯色反應(yīng)產(chǎn)物在450和532 nm波長下的比吸收系數(shù)分別為85.40和7.400；MDA在450 nm波長下無吸收，故該波長的比吸收系數(shù)為零，532 nm波長下的比吸收系數(shù)為155 000。根據(jù)雙組分分光度計法建立方程組如下。

c1=11.71A450

(3)

c2=6.45 (A532-A600)-0.56A560

(4)

式中：c1是可溶性糖的濃度，mmol/L；c2是MDA的濃度，μmol/L；A450、A532、A600分別代表450、532和600 nm波長下的消光度值。

通過上述方程組求得苜蓿根系樣品提取液中可溶性糖、MDA的濃度，根據(jù)植物組織的質(zhì)量計算測定樣品中MDA的質(zhì)量摩爾濃度：

MMDA=cN/W

(5)

式中：MMDA是MDA質(zhì)量摩爾濃度，μmol/g；c是MDA體積摩爾濃度，μmol/L；N是提取液體積，mL；W是植物組織鮮重，g。

測定結(jié)果詳見表1。

2.2 苜蓿根系保護酶的變化

低溫脅迫下，植物體內(nèi)超常積累活性氧自由基，引起膜脂過氧化導(dǎo)致冷傷害[12]。而植物體內(nèi)超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物歧化酶(POD)等保護酶系統(tǒng)具有清除活性氧自由基的功能，以減輕活性氧對植物的傷害[13]。測定苜蓿根系保護酶的含量，可以反映出其越冬期抵御低溫的能力。

2.2.1超氧化物歧化酶

超氧化物歧化酶(Superoxide dismutase，簡稱SOD)是植物抗氧化系統(tǒng)的第1道防線，是酶促清除系統(tǒng)的核心酶。逆境中的許多植物，其體內(nèi)SOD的活性都發(fā)生了變化[14]，當(dāng)然苜蓿也不例外。SOD的高活性避免了活性氧自由基的大量積累，有利于苜蓿細(xì)胞膜的穩(wěn)定，從而提高苜蓿的抗寒性。

超氧化物歧化酶采用氮藍四唑法測定，不同處理下超氧化物歧化酶活性測定結(jié)果詳見表1。

2.2.2過氧化物歧化酶

過氧化物歧化酶(POD)采用愈創(chuàng)木酚氧化法測定。測定結(jié)果詳見表1。

2.3 苜蓿根系活力的對比

根系是牧草重要的吸收與合成器官，根系的生長狀況及其活力水平直接影響牧草的品質(zhì)和產(chǎn)量。苜蓿作為宿根牧草，主要依賴根部的活力渡過越冬期，所以，苜蓿根系活力在很大程度上不僅能衡量其生長狀況，更能反映出植株抗寒性的強弱。研究表明，宿根花卉、野牛草、玉簪等植物在低溫脅迫下，根系活力均與植物抗寒性呈顯著的相關(guān)關(guān)系?？梢姼祷盍κ呛饬恐参锟购缘闹匾笜?biāo)。

研究中采用TTC法測定根系活力。氯化三苯基四氮唑(TTC)是可溶于水的氧化還原物質(zhì)，但被還原后即生成紅色而不溶于水的TTF，而TTF的還原量能表示脫氫酶活性，并作為根系活力的指標(biāo)。具體步驟主要包括定性測定和定量測定。定性測定首先確定苜蓿根系樣品有脫氫酶存在；定量測定則包括TTC標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作和四氮唑還原強度的計算，四氮唑還原強度可用來表示根系活力。四氮唑還原強度公式如下：

RA=CTTF/(1 000WRH)

(6)

式中：RA是根系活力，mg/(g·h)；CTTF是四氮唑還原量，μg；WR是根重，g；H是時間，h。

測定結(jié)果詳見表1。

研究結(jié)果顯示，融凍水灌溉條件下，苜蓿根系活力均有不同程度提高，其中以中水量灌溉處理，根系活力增加幅度最大。根系活力的測定結(jié)果說明采用融凍水灌溉措施可切實提高苜蓿抗寒性，當(dāng)以70%田持作為灌水量下限時根系活力獲得了較大幅度的提升。

2.4 苜蓿測產(chǎn)結(jié)果

2015年試驗田苜蓿為第2年生苜蓿，根據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)經(jīng)驗收獲2茬，第1茬收獲為2015年7月5日，第2茬收獲為2015年9月20日。對各處理分別進行測產(chǎn)，結(jié)果見表2。

表2 不同春灌條件下紫花苜蓿測產(chǎn)結(jié)果 kg/hm2

從表2可以看出，不同春灌處理下苜蓿均有一定程度的增產(chǎn)，其原因在于苜蓿返青期良好的土壤墑情提高了苜蓿的成活率，并促進了苜蓿苗期的生長發(fā)育。春灌的中灌與高灌兩種處理其最終產(chǎn)量較為接近，而中灌產(chǎn)量略高于高灌產(chǎn)量。

3 討論與結(jié)論

3.1 融凍水灌溉條件下苜?？购栽u價

融凍水灌溉后，苜蓿根系生理生化指標(biāo)發(fā)生一系列變化，根據(jù)植物生理學(xué)理論，指標(biāo)高低與苜?？购悦芮邢嚓P(guān)，但是各指標(biāo)之間具有相互協(xié)同作用，采用綜合打分來確定最優(yōu)灌水量，計分規(guī)則為以不灌水處理為對照，每一項指標(biāo)的變化方向符合植物抗寒性理論即可得分，不符合植物抗寒性理論不得分，按照組分的變化強度由強到弱依次得分3、2、1分。得分表見表3。

表3 苜蓿根系生理指標(biāo)綜合得分

注：①越高抗寒能力越強；②越低抗寒能力越強。

綜合比較可以看出，中水量灌溉對苜蓿抗寒性的提高效果最好，因此認(rèn)為融凍水灌水量應(yīng)以70%田間持水量為宜，實踐中，滴灌模式下，融凍水灌溉以2次為宜。

3.2 基于產(chǎn)量的融凍水優(yōu)化灌溉模式評價

由測產(chǎn)結(jié)果可以看出，春灌條件下苜蓿的產(chǎn)量明顯高于對照處理，筆者認(rèn)為，春季土壤墑情較差，不利于苜蓿返青和成活率的提高，春灌恰恰能為苜蓿提供良好的生境條件。同時，試驗區(qū)5-6月冷空氣活動較為頻繁，苜蓿凍害時有發(fā)生，而苜蓿根系抗寒性生理指標(biāo)的測定結(jié)果表明，春灌條件下，苜蓿的抗寒性有較大幅度的增強，有助于苜蓿返青期的生長發(fā)育和抵御倒春寒。

3種春灌水量的產(chǎn)量對比可以看出，中水量(70%田持)和高水量(90%田持)春灌條件下產(chǎn)量較高，中水量春灌處理苜蓿產(chǎn)量略高于高水量春灌處理，結(jié)合苜?？购陨碇笜?biāo)得分，初步認(rèn)為春灌采用中水量灌溉為較優(yōu)模式。

3.3 結(jié)論與展望

春灌條件下，返青期苜蓿根系可溶性糖呈現(xiàn)出隨灌溉水量的增加而增加的趨勢，由于可溶性糖含量越大苜蓿的抗寒能力越強，說明融凍水灌溉增強了苜蓿的抗寒能力。MDA是苜蓿逆境傷害的產(chǎn)物，在融凍水灌溉條件下，返青期苜蓿根系中MDA含量下降，側(cè)面反映出融凍水灌溉有助于苜?？购缘奶岣?。在3種灌水處理下，根系活力均有提升，其中以中水量灌溉處理提升幅度最大，達到169.74%，更直接說明融凍水灌溉提高了苜蓿抗寒性。通過不同灌溉水平的融凍水灌溉試驗，從可溶性糖、丙二醛、根系活力3個方面證明，融凍水灌溉可以顯著提高苜蓿的抗寒性。研究結(jié)果表明，低、中、高3種灌溉水量處理中，以中水量灌溉效果最佳。

春灌采用中水量灌溉模式獲得了較高的產(chǎn)量，通過不同數(shù)據(jù)的綜合比較，初步確認(rèn)春灌中水量灌溉為是苜蓿春灌的較優(yōu)灌溉模式。在應(yīng)用過程中應(yīng)注意與當(dāng)?shù)剀俎Ｉ谙嘟Y(jié)合，融凍水灌溉不宜過早。

伴隨著我國農(nóng)牧業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整和種草畜牧業(yè)的迅速發(fā)展，紫花苜蓿的種植區(qū)域不斷擴大，這些區(qū)域地形復(fù)雜，氣候多樣，苜蓿越冬除需適應(yīng)低溫脅迫，還面臨干旱、鹽漬化等多種環(huán)境脅迫。要解決苜蓿安全越冬這一問題，就需要對其抗逆機理進行深入研究。多年來隨著對苜蓿抗寒性研究的逐步深入，對其適應(yīng)低溫脅迫的機理有了一定的認(rèn)識，但如何保證苜蓿安全越冬才是我們的目的所在。為了減輕凍害，有條件的地區(qū)可以通過灌水、覆土、調(diào)整種植制度等措施幫助苜蓿安全越冬。改良育種也是保證苜蓿安全生產(chǎn)的一項重要措施，在引進國外優(yōu)良苜蓿品種的同時，積極培育和改良適合我國地理環(huán)境的苜蓿品種。利用傳統(tǒng)育種技術(shù)，我國先后于育成了多種耐寒品種，但由于常規(guī)育種周期長、成本高，尚不能完全滿足苜蓿生產(chǎn)的需要。近年來分子生物學(xué)、生物化學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，為抗寒機理和改良育種提供了有效的技術(shù)支撐，盡管基因工程可迅速提高苜蓿的抗寒越冬能力，但是考慮到安全性、穩(wěn)定性等因素，轉(zhuǎn)基因苜蓿大多還停留在試驗階段，尚未進入生產(chǎn)應(yīng)用，同時常規(guī)育種與現(xiàn)代育種技術(shù)還未有機結(jié)合。在未來的研究中應(yīng)將多層次的方法、技術(shù)結(jié)合起來，充分關(guān)注并切實提高苜蓿的抗寒越冬能力。

□

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