不同載畜率下短花針茅分蘗數(shù)量對內(nèi)源激素濃度的響應(yīng)

賈麗欣,楊 陽,張 峰,喬薺瑢,趙萌莉,*

1 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010010 2 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草地資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 呼和浩特 010010

植物在不同的生長發(fā)育階段具有不同的生理功能和環(huán)境適應(yīng)能力,而內(nèi)源植物激素是調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的開關(guān)[1]。內(nèi)源激素是在植物體根、莖、葉等部分器官中合成、轉(zhuǎn)移到體內(nèi)其他器官后能影響生長和分化的微量有機(jī)物質(zhì),植物個體發(fā)育中,不論是種子發(fā)芽,還是營養(yǎng)生長和繁殖器官形成,以及整個成熟過程,都由激素控制[2]。短花針茅作為葛根塔拉草原主要的建群種和優(yōu)勢種,其營養(yǎng)繁殖的重要方式就是分蘗[3]。分蘗與株高不僅影響短花針茅的株型,且直接影響短花針茅的產(chǎn)量[4]。而生長素(IAA)、細(xì)胞分裂素(CTK)等內(nèi)源激素是影響株高、分蘗等性狀的關(guān)鍵因子。生長素(IAA)是植物體內(nèi)分布最廣泛的激素,它與質(zhì)膜上一個受體結(jié)合后,活化質(zhì)膜上的H+泵ATP酶,引起H+往質(zhì)外體釋放,H+排出膜外后,細(xì)胞質(zhì)膜內(nèi)產(chǎn)生負(fù)電勢,于是K+、IAA和糖都進(jìn)入細(xì)胞,引起代謝作用活躍；在離子進(jìn)入細(xì)胞、水勢降低時,水也進(jìn)入細(xì)胞,促進(jìn)細(xì)胞擴(kuò)大,使細(xì)胞壁的可塑性增大,細(xì)胞伸長生長的速度加快[5]。細(xì)胞分裂素(CTK)使核糖核酸酶、脫氧核糖核酸酶、蛋白酶及肽酶等活性減弱,從而抑制核酸與蛋白質(zhì)降解,促進(jìn)細(xì)胞分裂與擴(kuò)張,延衰與保綠；在組織培養(yǎng)中與生長素(IAA)協(xié)同調(diào)控細(xì)胞與器官分化,推動形態(tài)建成；還可促進(jìn)側(cè)芽生長,打破頂端優(yōu)勢[6]。生長素(IAA)和細(xì)胞分裂素(CTK)在植物分蘗芽的發(fā)生及伸長等發(fā)育過程中起著關(guān)鍵作用。有研究表明,生長素(IAA)合成于植物莖尖與幼嫩的葉中,自上而下主動運(yùn)輸,并直接輸送到分蘗芽中,抑制分蘗芽的生長發(fā)育[7]。細(xì)胞分裂素(CTK)合成于根中,在植物失去頂端優(yōu)勢后,受外源生長素抑制[8]。細(xì)胞分裂素通過蒸騰作用在木質(zhì)部中向上運(yùn)輸,對腋芽施加外源的細(xì)胞分裂素,能夠直接促進(jìn)腋芽的生長[9]。而放牧對植物分蘗生長的干擾影響多表現(xiàn)為,隨載畜率的增加,生殖枝的分化率降低[3]。

目前對于牧草分蘗過程中植物激素動態(tài)變化及其與載畜率關(guān)系的研究較少。本研究利用葛根塔拉草原放牧試驗(yàn)地建群種短花針茅作為試驗(yàn)對象,比較分析不同載畜率下植物激素的變化差異,并初步分析兩種主要內(nèi)源激素對分蘗性狀的影響。探析植物激素在放牧干擾下的生理功能,以期更深入地了解植物激素對牧草分蘗調(diào)控的作用機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)位于陰山北麓,內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市西北部的葛根塔拉草原,四子王旗王府一隊(duì),內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院草原研究所荒漠草原實(shí)驗(yàn)基地(41°47′17″N,111°53′46″E)。地勢平坦開闊,海拔1450 m。該旗地處中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),具有干旱、少雨、多風(fēng)和蒸發(fā)量大的氣候特征。年均氣溫3.4℃,月平均溫度最高月為6—8月,年均氣溫分別為21.5、24.0℃和23.5℃,≥0℃積溫為2500—3100℃,≥10℃的年積溫為2200—2500℃。無霜期90—115天；平均日照時數(shù)為3117.7 h。年均降水量299.4 mm,且年際變化較大,降水主要集中在5—9月,這段時間的降水量占全年總降水總量的80%以上。年潛在蒸發(fā)量約2300 mm,遠(yuǎn)超過降水量,是降水量的7—10倍,高蒸發(fā)量致使空氣干燥,干旱嚴(yán)重。草地植被類型為短花針茅(Stipabreviflora)+冷蒿(Artemisiafrigida)+無芒隱子草(Cleistogenessongorica)。草層低矮,平均高度為8 cm,蓋度為15%—25%,植被較稀疏。植物群落由20多種植物組成,主要為多年生草本短花針茅、無芒隱子草、銀灰旋花(Convolvulusammannii)、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、冰草(Agropyroncristatum)、羊草(Leymuschinensis)、細(xì)葉蔥(Alliumtenuissimum)、蒙古蔥(Alliummongolicum)等；一、二年生草本有豬毛菜(Salsolacollina)、豬毛蒿(Artemisiascoparia)、櫛葉蒿(Artemisiapectinata)等。還有灌木小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、矮灌木狹葉錦雞兒(C.stenophylla)、半灌木駝絨藜(Ceratoideslatens)、小半灌木木地膚(Kochiaprostrata)、冷蒿等。土壤為淡栗鈣土,土層厚度大約為1 m,在40—50 cm深處有鈣積層,土體堅(jiān)硬且滲透能力差,有機(jī)質(zhì)含量較低。土壤微生物有好氣性細(xì)菌、放線菌和霉菌等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測定方法

1.2.1樣地概況

葛根塔拉草原放牧試驗(yàn)始于2003年6月,至今已有十四余年,完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)的采用,使得圍封的草地被劃分為3個區(qū)組,每個區(qū)組設(shè)置4個處理,分別為對照區(qū)(CK)、輕度放牧區(qū)(LG)、中度放牧區(qū)(MG)、和重度放牧區(qū)(HG),每個處理設(shè)置3個重復(fù),共計(jì)12個小區(qū)(圖1)。載畜率值的設(shè)定以多年研究調(diào)查以及實(shí)地勘測為依據(jù),依次設(shè)置為0、0.91、1.82和2.71 羊單位/公頃/每半年。每個區(qū)組內(nèi)的4個處理完全隨機(jī)排列,每個小區(qū)的面積約為4.4 hm-2,依次放羊0只(對照)、4只(輕度)、8只(中度)和12只(重度)。放牧種為當(dāng)?shù)爻赡昝晒鹏裳?體重約67.8公斤。每年6月1日開始至11月30日結(jié)束,進(jìn)行為期半年的放牧。每日6：00點(diǎn)將綿羊趕入各小區(qū)讓其自由采食,18:00點(diǎn)趕回圈內(nèi)飲水、休息,不進(jìn)行補(bǔ)飼。

圖1 實(shí)驗(yàn)小區(qū)示意圖Fig.1 Diagrammatic illustration of the experimental blockCK,對照control；LG,輕度放牧light grazing；MG,中度放牧moderate grazing；HG,重度放牧heavy grazing

1.2.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2017年8月3日在格根塔拉草原放牧樣地取樣,每個處理隨機(jī)采取9株植物樣品。分單株采集,大、中、小株叢徑的短花針茅各3株并測量其分蘗數(shù)量,其中,大株短花針茅的株叢徑大約為15 cm左右、中株短花針茅的株叢徑大約為10 cm左右、小株叢短花針茅的株叢徑大約為5 cm左右。隨后齊地面刈割裝入樣品盒,以冰盒冷凍保存,備測激素含量。

1.2.3激素含量測定

按照楊建昌等[10]的方法提取和純化樣品中IAA和CTK,其中CTK組分包含玉米素+玉米素核苷(Z+ZR)和異戊烯基腺嘌呤+異戊烯基腺嘌呤核苷(ip+ipR),采用酶聯(lián)免疫法測定其含量[11]。試劑盒購自中國農(nóng)業(yè)大學(xué),使用酶標(biāo)儀為Spectramax plus型。

1.2.4數(shù)據(jù)分析方法

采用SAS.V8在a=0.05顯著性水平下進(jìn)行單因素方差分析(One-way ANOVA),SigmaPlot.12.5相關(guān)分析繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 載畜率對短花針茅內(nèi)源激素濃度的影響

對小株、中株叢和大株叢短花針茅生長素(IAA)、細(xì)胞分裂素(CTK)濃度與載畜率進(jìn)行擬合發(fā)現(xiàn)：小株叢、中株叢短花針茅的生長激素濃度與載畜率之間呈正顯著相關(guān)關(guān)系(P=0.0054r2=0.55；P=0.02r2=0.43),表明大、小株叢短花針茅生長素含量隨著載畜率的增加而增加；

而大株叢短花針茅生長激素濃度與載畜率之間未表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系(P=0.135)(圖2)。小株叢、中株叢短花針茅細(xì)胞分裂素(CTK)濃度與載畜率之間呈正顯著相關(guān)關(guān)系(P=0.0018r2=0.64；P=0.0193r2=0.43),隨著載畜率的增加而增加,然而,大株叢短花針茅細(xì)胞分裂素(CTK)濃度與載畜率之間未表現(xiàn)出相關(guān)關(guān)系(P=0.1176)(圖2)。

圖2 載畜率對激素濃度的影響Fig.2 Effect of stocking rate on hormone concentrationP,顯著性水平；r2,決定系數(shù)

對不同載畜率下短花針茅生長素(IAA)濃度進(jìn)行差異性分析得知,小株叢短花針茅生長素(IAA)濃度在中度放牧區(qū)達(dá)到最大值為62.21 pmol/L,對照區(qū)小株叢短花針茅生長素(IAA)濃度顯著低于中度和重度放牧區(qū)(P<0.05；圖3)、中株叢短花針茅生長素(IAA)濃度在重度放牧區(qū)達(dá)到最大值為69.32 pmol/L,對照區(qū)中株叢短花針茅生長素(IAA)濃度顯著低于重度放牧區(qū)(P<0.05；圖3)、大株叢短花針茅生長素(IAA)濃度在不同載畜率處理下并未表現(xiàn)出顯著差異性。對不同載畜率下短花針茅細(xì)胞分裂素(CTK)濃度進(jìn)行差異分析得知,小株叢短花針茅細(xì)胞分裂素(CTK)濃度在重度放牧區(qū)達(dá)到最大值為40.55 pmol/L,對照區(qū)小株叢短花針茅細(xì)胞分裂素(CTK)濃度顯著低于中度和重度放牧區(qū)(P<0.05；圖3)、中株叢短花針茅細(xì)胞分裂素(CTK)濃度在重度放牧區(qū)達(dá)到最大值為39.97 pmol/L,對照區(qū)中株叢短花針茅細(xì)胞分裂素(CTK)濃度顯著低于輕度和重度放牧區(qū)(P<0.05；圖3)、大株叢短花針茅細(xì)胞分裂素(CTK)濃度在不同載畜率處理下并未表現(xiàn)出顯著差異性。

圖3 不同載畜率下激素的濃度Fig.3 Hormone concentration in different stocking rate不同小寫字母表示不同載畜率下激素濃度差異顯著(P<0.05)

2.2 載畜率對短花針茅分蘗數(shù)量的影響

放牧能夠在一定程度上影響短花針茅分蘗的數(shù)量(表1,P<0.05)。重度放牧是增加短花針茅分蘗數(shù)量最顯著的載畜率,這一現(xiàn)象在中、小株叢上體現(xiàn)的尤為明顯(圖4,P<0.01)。小株叢短花針茅是最易受放牧影響的株叢類型,中度、重度放牧均能夠使其分蘗數(shù)量增加(圖4,P<0.01)。而大株叢是穩(wěn)定性最好且最不易受放牧影響的株叢類型,與對照區(qū)相比,其余載畜率均未使大株叢短花針茅分蘗的數(shù)量受到干擾(圖4,P=0.98)。短花針茅基叢徑的大小是控制分蘗數(shù)量的主要原因(表1,P<0.001),放牧也是影響分蘗數(shù)量的原因之一(表1,P<0.05),然而基叢徑與載畜率之間并無交互作用(表1)。

表1 載畜率對短花針茅分蘗數(shù)量影響的方差分析

T,載畜率,Stocking rate；R,基叢徑,Diameter of stem；*,P<0.05；***,P<0.001

圖4 載畜率對短花針茅分蘗數(shù)量的影響Fig.4 Effect of stocking rate on tiller 不同小寫字母表示不同載畜率下激素濃度差異顯著(P<0.05)

2.3 內(nèi)源激素濃度對分蘗數(shù)量的影響

短花針茅的分蘗數(shù)量與生長素(IAA)濃度之間存在一種極顯著相關(guān)的二次關(guān)系(P=0.0065,r2=0.263),滿足方程y=-0.0001x2+0.07x+49.92(圖5)。當(dāng)短花針茅體內(nèi)生長激素的濃度超過63 pmol/L后,短花針茅的分蘗數(shù)量將不會超過420個/株,說明過高濃度的生長素(IAA)會抑制短花針茅的分蘗數(shù)量(圖5)。而細(xì)胞分裂素(CTK)與短花針茅的分蘗數(shù)量之間不存在顯著相關(guān)關(guān)系(P=0.1126,r2=0.124)(圖5)。

圖5 分蘗與激素濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between hormone concentration and tiller

3 討論

3.1 放牧對短花針茅分蘗數(shù)量的影響

短花針茅通過有性繁殖產(chǎn)生實(shí)生苗的數(shù)量及其微少,小的實(shí)生苗在群落中難以成功存活所以其對種群數(shù)量的影響可以忽略不計(jì)[12]。因此通過無性繁殖產(chǎn)生分蘗,增加新的枝條才是增加種群個體數(shù)量的有效途徑,故探索分蘗對載畜率的響應(yīng)[13]。有研究表明:過度放牧干擾了小嵩草(Kobresiapygmaca)型草地及其原生植被優(yōu)勢種的生長生殖特征,使得原優(yōu)勢種的株叢數(shù),分蘗,分枝數(shù)均有不同程度的下降[14]。2016年古琛對短花針茅的繁殖策略進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)：輕度放牧區(qū)短花針茅的分蘗數(shù)要顯著高于中度、重度和不放牧區(qū)域[4]。本試驗(yàn)得到的結(jié)論與上述均不相同：即放牧能夠在一定程度上影響短花針茅植株個體的分蘗數(shù)量(P<0.05),重度放牧是增加短花針茅植株個體分蘗數(shù)量最顯著的載畜率。原因有一下幾點(diǎn)：(1)本試驗(yàn)為規(guī)避叢徑對分蘗造成的影響,特設(shè)定大、中、小三種叢徑范圍進(jìn)行取樣,比較不同載畜率下,同等叢徑大小植株的分蘗數(shù)量。與上述實(shí)驗(yàn)的測量方法不同。(2)上述文獻(xiàn)均為樣方取樣而本試驗(yàn)為單株取樣,樣方取樣比較的是群落差異,而單株取樣比較的是個體上的差異。

重度放牧能夠增加短花針茅個體的分蘗數(shù)量,卻不能增加種群的分蘗,最為顯著的一個原因是,重度放牧使短花針茅株體趨于小型化,小型短花針茅在重度放牧樣地占的比重相對較高[15]。并伴隨群落高度降低,使其形成了一種避食性的生態(tài)適應(yīng)對策[16]。但是草地植被表型特征的改變不是放牧單一作用的結(jié)果,它與牧草的遺傳特性、生理特性、氣候變化和土壤養(yǎng)分等因素都有密不可分的關(guān)聯(lián)[17]。有研究植被通過改變?nèi)~片角質(zhì)層的厚度或表皮細(xì)胞的面積大小影響植物葉片解剖結(jié)構(gòu)來適應(yīng)放牧脅迫,以恢復(fù)植株的光合作用能力、增加光合速率和繁殖的適應(yīng)性[18]。通過比較過牧和正常放牧條件下種群的形態(tài)特征和遺傳多樣性,發(fā)現(xiàn)過牧分割植物群體,降低草叢高度,增加營養(yǎng)枝的密度,減少繁殖枝的密度。但在兩個種群間未發(fā)現(xiàn)明顯的遺傳學(xué)差異。形態(tài)特征的差異可能是由于放牧條件下微環(huán)境的變化造成的[19]。2006年劉忠寬研究不同放牧強(qiáng)度草原休牧后土壤養(yǎng)分和植物群落變化特征時發(fā)現(xiàn)：植物群落的生物量、群落高度、群落密度與土壤養(yǎng)分分布均表現(xiàn)一致的正相關(guān)關(guān)系,但只有植物群落生物量和群落高度與土壤有機(jī)碳、全氮、無機(jī)氮、土壤有效磷和有效硫相關(guān)顯著(P<0.05)[20]。除了受環(huán)境因子、遺傳特性的影響還存在許多未被深入研究的因素,所以影響短花針茅分蘗的內(nèi)在機(jī)制還有待進(jìn)一步探索。

3.2 載畜率對內(nèi)源激素的影響及其與分蘗的相關(guān)關(guān)系

家畜對草地采食踐踏等行為對植物構(gòu)成了一定程度的損傷,這使放牧過程中成為一種逆境條件。為了減輕植物損傷,細(xì)胞內(nèi)的內(nèi)源激素會做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)從而影響植物的生理代謝[21]。放牧強(qiáng)度過大導(dǎo)致克隆整合的能量投入遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于該特征的正向產(chǎn)出[22]。從表觀來看,植物能夠在草食動物采食之后能夠進(jìn)行補(bǔ)償性再生生長,彌補(bǔ)動物采食所造成的損失。事實(shí)上,植物的補(bǔ)償性效應(yīng)是與碳水化合物和氮素在植物體各部分之間的轉(zhuǎn)移,以及外界的環(huán)境干擾對植物體內(nèi)源激素的產(chǎn)生及傳遞直接相關(guān)的[23]。王靜研究放牧退化群落中冷蒿種群生物量資源分配的變化發(fā)現(xiàn)：載畜率的增加,可以使冷蒿體內(nèi)生長素(IAA)的含量下降,從而消弱頂端優(yōu)勢、抑制植物細(xì)胞的伸長,增強(qiáng)分蘗[24]。這與高瑩年模擬羊草種群放牧耐受性研究時得到的結(jié)論相反,即分蘗芽生長促進(jìn)型激素(IAA)在載畜率增加時增加[23]。本試驗(yàn)的研究結(jié)果與高瑩的研究結(jié)果一致,即放牧能夠顯著增加內(nèi)源激素的濃度(P<0.05),但這種相關(guān)只存在于中、小株叢的短花針茅中。這是由于植物激素是植物響應(yīng)環(huán)境脅迫的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的主要成員,當(dāng)植物受到放牧脅迫后,植物的生長和發(fā)育受到抑制,激素含量會發(fā)生變化,以緩解環(huán)境脅迫對植物的傷害[25]。如生長素(IAA)含量的增加抑制了花芽的分化作用以減少分蘗芽的生長。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明細(xì)胞分裂素(CTK)與短花針茅的分蘗數(shù)量之間尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)關(guān)系。但細(xì)胞分裂素(CTK)與水稻分蘗的相關(guān)研究多為：細(xì)胞分裂素(CTK)直接產(chǎn)生作用促進(jìn)水稻分蘗芽的發(fā)生[2]。此外劉楊在研究細(xì)胞分裂素對水稻分蘗相關(guān)基因表達(dá)的調(diào)控時發(fā)現(xiàn)：外界因素對分蘗芽生長的調(diào)控至少存在2條途徑,其中關(guān)鍵的一條就是通過調(diào)控節(jié)和芽中細(xì)胞分裂素(CTK)含量,進(jìn)而調(diào)控芽中OsTB1等基因表達(dá)[26]。

4 結(jié)論

放牧能夠在一定程度上影響短花針茅植株個體的分蘗數(shù)量(P<0.05),載畜率影響短花針茅植株個體分蘗數(shù)量,特別是重度放牧下。

內(nèi)源激素與載畜率之間存在顯著相關(guān)關(guān)系,放牧能夠顯著增加內(nèi)源激素的濃度(P<0.05),但這種相關(guān)只存在于中、小株叢的短花針茅中。

過高濃度的生長素(IAA)會抑制短花針茅的分蘗數(shù)量(P<0.01)。而細(xì)胞分裂素(CTK)與短花針茅的分蘗數(shù)量之間尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)關(guān)系。