干旱脅迫對不同根型苜蓿內(nèi)源激素含量的影響

汪 堃，南麗麗，李景峰，梁鵬飛，陳 潔，魏少萍，劉 鑫

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

干旱是制約植物生產(chǎn)力的主要因素之一，對植物生長、發(fā)育和農(nóng)藝產(chǎn)量均有不利影響[1]。植物內(nèi)源激素在調(diào)節(jié)植物對生物及非生物脅迫響應(yīng)中具有重要作用，主要包括脫落酸(ABA)、玉米素(ZT)、生長素(IAA)、赤霉素(GA3)等。干旱脅迫下，植株各部位ABA含量均會增加，影響植物對干旱脅迫的抗性[2]；ZT能夠促進(jìn)植物細(xì)胞的分裂，阻止葉綠素和蛋白質(zhì)的降解，延緩植株衰老，減慢植株呼吸作用，保持細(xì)胞活力；IAA可以促進(jìn)細(xì)胞生長及側(cè)根和不定根的發(fā)生[3-4]；GA3主要促進(jìn)植物莖節(jié)的伸長生長和花芽分化，并參與根系發(fā)育[5]。植物對逆境的響應(yīng)不是由單一激素的絕對含量決定，而是與各種植物激素的綜合調(diào)控有關(guān)[6]。同一激素在植物不同部位，其含量及作用不同；并且在植物的相同部位，激素含量不同，其發(fā)揮的作用也不同[7]。因此，研究植物體不同部位在干旱脅迫下的內(nèi)源激素變化將有助于深入了解植物激素的作用機(jī)制及植物的耐旱機(jī)理。

苜蓿(Medicagosativa)是畜牧業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的植物蛋白資源，也是我國當(dāng)前草地農(nóng)業(yè)和生態(tài)建設(shè)工程中應(yīng)用最為廣泛的草種[8]。然而，日益加劇的干旱對苜蓿的種植面積和產(chǎn)量構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。苜蓿的根系類型可劃分為直根型、側(cè)根型、根蘗型和根莖型4類[9]。直根型苜?；蛟粗饕獊碜杂谧匣ㄜ俎?，根莖型、側(cè)根型和根蘗型苜蓿不同程度地具有野生黃花苜蓿的基因，其對干旱、嚴(yán)寒的抵抗力較強(qiáng)[10]。目前對不同根型苜蓿的根頸變化特征[11]、根系發(fā)育能力[12]、根系與產(chǎn)量的關(guān)系[13]、抗逆性[14-15]進(jìn)行了較為豐富的研究，干旱脅迫下各根型苜蓿內(nèi)源激素變化卻鮮見報(bào)道。本研究對播種當(dāng)年和生長第2年各根型苜蓿進(jìn)行不同梯度干旱脅迫處理，測定地上、地下部各根型苜蓿IAA、GA3、ZT和ABA等4種主要內(nèi)源激素含量的變化，旨在進(jìn)一步理解各根型苜蓿的耐旱機(jī)理，為不同根型苜蓿生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試苜蓿有：根莖型‘清水’紫花苜蓿(Rhizomatous rootedM.sativacv. ‘Qingshui’，QS)，系野生栽培馴化品種，兼具突出的生態(tài)地被和優(yōu)質(zhì)飼用價(jià)值；直根型“隴東”紫花苜蓿(Tap rootedM.sativacv. ‘Longdong’，LD)，系地方品種，耐旱性較強(qiáng)；根蘗型“公農(nóng)4號”雜花苜蓿(Creeping rootedM.variacv. Martin ‘Gongnong No.4’，GN)，其根系強(qiáng)大，擴(kuò)展性強(qiáng)。GN的種子由吉林省農(nóng)科院提供，其余均由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020—2021年在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院植物生長室進(jìn)行。采用沙培盆栽試驗(yàn)，選用40 cm(高)×20 cm(盆底直徑)塑料盆為試驗(yàn)用盆，取13 kg沙子用去離子水洗凈，置于105℃恒溫干燥箱烘48 h后裝入盆中，播種飽滿、均勻、無病蟲害的苜蓿種子，播種后每2 d澆灌500 mL Hoagland營養(yǎng)液，待長出兩片真葉時(shí)間苗。試驗(yàn)采用二因素完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，因素A為3個(gè)不同根型苜蓿品種，因素B為不同水分處理，分別為對照(CK)、中度(M)和重度(S)水分脅迫，通過稱重法每天補(bǔ)充水分使每桶含水量分別在河沙最大持水量的65%～75%、45%～55%和25%～35%脅迫范圍內(nèi)，每個(gè)處理重復(fù)4次。在播種當(dāng)年和生長第2年中待各根型苜蓿生長至分枝期(株高45 cm左右)時(shí)分別進(jìn)行干旱脅迫處理，處理20 d后采集各根型苜蓿的葉、莖和根系，用蒸餾水沖洗干凈，葉和莖、根系分別剪碎混勻，裝入錫箔紙袋，液氮速凍后于-80℃超低溫冰箱保存，用于各項(xiàng)指標(biāo)測定。

1.3 測定方法

采用烘干法測定10株苜蓿的地上、地下部干物質(zhì)量并取平均值。將冷凍的地上、地下部樣品在液氮中快速研磨成粉末，用10 mL 80%色譜甲醇(超純水配制)分3次洗入15 mL離心管中，在4℃冰箱中浸提24 h，用高速冷凍離心機(jī)(4℃，10 000 r·min-1)離心15 min。吸取上清液用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀在40℃下濃縮除去甲醇，得到約2 mL的濃縮液，用50%的甲醇沖洗蒸發(fā)瓶瓶壁，最后定容至10 mL，用一次性針管吸取2 mL過0.22 μm有機(jī)膜，裝入1.5 mL離心管于四元梯度超快速液相色譜儀Waters Arc-2998 PDA Waters(沃特世公司，美國)進(jìn)樣測定IAA、ABA、GA3、ZT含量[16-17]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2007進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理并作圖，用SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)分析，不同處理之間的差異采用Duncan’s方法進(jìn)行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對不同根型苜蓿地上、地下部內(nèi)源激素含量的影響

由表1可知，在播種當(dāng)年及生長第2年，隨干旱脅迫程度加劇，QS、LD、GN地上、地下部IAA和ZT含量均顯著降低(P<0.05)，在重度脅迫下，播種當(dāng)年LD地上、地下部IAA、ZT含量均高于GN和QS，而生長第2年QS地上、地下部IAA含量均大于LD和GN，ZT含量在各根型苜蓿間差異不明顯，IAA、ZT的下降幅度地下部均大于地上部。播種當(dāng)年QS、LD、GN地上、地下部GA3含量隨脅迫程度加劇顯著下降(P<0.05)，且GN地上部GA3含量顯著大于QS(P<0.05)，重度脅迫下LD地下部GA3含量顯著大于QS和GN(P<0.05)；生長第2年QS和GN在中度脅迫下GA3含量達(dá)到最高，且QS的地上、地下部GA3含量在重度脅迫下均顯著大于GN(P<0.05)；LD在重度脅迫下GA3含量達(dá)到峰值，其值顯著大于QS和GN(P<0.05)；GA3在播種當(dāng)年的下降幅度和生長第2年的增加幅度均表現(xiàn)為地下部大于地上部。QS、LD、GN地上、地下部ABA含量隨脅迫程度加劇顯著上升(P<0.05)，播種當(dāng)年各根型苜蓿在重度脅迫下最高，且QS地上、地下部ABA含量顯著高于GN和LD(P<0.05)；生長第2年QS和GN在中度脅迫下最高，且QS地上、地下部ABA含量顯著高于GN(P<0.05)，LD在重度脅迫下ABA含量最大，其地上、地下部ABA含量均顯著小于QS但大于GN(P<0.05)。

表1 干旱脅迫對不同根型苜蓿地上、地下部內(nèi)源激素含量的影響/(ng·g-1)

2.2 干旱脅迫對不同根型苜蓿地上、地下部內(nèi)源激素比例的影響

由表2可知，QS、LD、GN播種當(dāng)年及生長第2年的IAA/ABA比值表現(xiàn)為地下部大于地上部，而不同部位間的GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值無明顯規(guī)律。隨脅迫程度加劇，播種當(dāng)年IAA/ABA、GA3/ABA、(IAA+GA3+ZT)/ABA比值顯著降低(P<0.05)，生長第2年IAA/ABA比值顯著降低(P<0.05)、GA3/ABA比值先增加后降低(P<0.05)、(IAA+GA3+ZT)/ABA比值除地下部LD和GN外，亦表現(xiàn)為先增加后降低。同一干旱處理下，不同品種間，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA、(IAA+GA3+ZT)/ABA的比值基本表現(xiàn)為QS

2.3 干旱脅迫對不同根型苜蓿地上、地下部生物量的影響

由圖1可知，在播種當(dāng)年及生長第2年，隨干旱脅迫程度增加，各根型苜蓿地上部干質(zhì)量受到不同程度影響，與CK相比，重度脅迫下干質(zhì)量下降，播種當(dāng)年QS、LD、GN的地上部干質(zhì)量較CK分別降低了28.55%、15.57%和31.99%，生長第2年較CK分別減少了49.25%、37.36%和20.25%；重度脅迫下，各根型苜蓿地下部干質(zhì)量較CK變化趨勢有所差異，播種當(dāng)年及生長第2年中，QS較CK分別下降了23.80%、23.63%，LD較CK分別增加了4.54%、28.65%，GN播種當(dāng)年較CK降低了43.04%、生長第2年較CK上升了41.43%。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4 各根型苜蓿內(nèi)源激素含量的相關(guān)性分析

由表3可知，播種當(dāng)年和生長第2年中，各根型苜蓿地上、地下部ABA含量與IAA、GA3(生長第2年與GA3呈負(fù)相關(guān)但不顯著)、ZT、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05或P<0.01)；地上部IAA含量與GA3、播種當(dāng)年地上部干質(zhì)量呈極顯著或顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01)；地下部IAA含量與播種當(dāng)年GA3、ZT、地下部干質(zhì)量呈極顯著或顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01)；地上、地下部GA3含量與ZT、地上部干質(zhì)量、地下部干質(zhì)量呈極顯著或顯著正相關(guān)(P<0.05或P<0.01)；地上、地下部ZT含量與地上部干質(zhì)量、播種當(dāng)年地下部干質(zhì)量呈極顯著(P<0.01)正相關(guān)。

表3 干旱脅迫下苜蓿內(nèi)源激素含量相關(guān)性

3 討 論

3.1 干旱脅迫對各根型苜蓿內(nèi)源激素含量的影響及其與地上、地下部干物質(zhì)積累的關(guān)系

植物內(nèi)源激素是一類重要的生長調(diào)節(jié)物質(zhì)。IAA、GA3和ZT是生長促進(jìn)激素，干旱脅迫可使其含量降低，減緩植株生長速率，以緩解水分不足對植株正常生理活動的壓力；品種抗旱性越強(qiáng)，自身調(diào)節(jié)能力越大，干旱脅迫下其含量合成越少[18]。ABA是抑制生長的激素，干旱脅迫下ABA含量增加，促進(jìn)氣孔關(guān)閉以降低蒸騰失水，同時(shí)促進(jìn)根系吸水，增強(qiáng)植株的抗旱能力[19]；ABA 參與干旱脅迫下植物根系發(fā)育，是干旱條件下維持根系生長的必需激素[20]；ABA還可促進(jìn)同化物向庫的運(yùn)輸[21]。

本研究中，地上部干質(zhì)量與葉莖GA3、IAA和ZT含量呈顯著或極顯著正相關(guān)(種植當(dāng)年地上部干質(zhì)量與IAA呈正相關(guān)但不顯著)，說明干旱脅迫條件下，葉莖IAA和ZT含量下降導(dǎo)致葉莖生長減弱，光合作用下降，干物質(zhì)積累降低；與葉莖ABA含量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明干旱條件下ABA含量增加使細(xì)胞代謝變緩，莖葉生長緩慢，干物質(zhì)積累降低，進(jìn)而減少水分過度消耗，是抵御干旱脅迫的應(yīng)激反應(yīng)。地下部干質(zhì)量與根系GA3、IAA和ZT含量呈顯著或極顯著正相關(guān)(種植當(dāng)年地下部干質(zhì)量與ZT呈正相關(guān)但不顯著)，說明IAA含量降低限制了光合產(chǎn)物向根系運(yùn)輸，ZT含量下降影響同化物向庫器官運(yùn)輸；與根系A(chǔ)BA含量呈顯著負(fù)相關(guān)，說明干旱脅迫下，ABA 作為一種信號物質(zhì)，由根系迅速感知脅迫信號，以ABA的形式將干旱信息傳遞到地上部，使植株代謝活動減弱，進(jìn)而在形態(tài)和生理等方面發(fā)生與脅迫相適應(yīng)的變化，以提高自身的抗旱力，而中、重度脅迫下，QS、GN地下部ABA含量小于地上部，表明根莖型、根蘗型苜蓿有助于減緩植株衰老。

播種當(dāng)年，干旱脅迫使各根型苜蓿地上、地下部GA3、IAA和ZT含量顯著降低，這與張海燕等[22]對甘薯的研究結(jié)果一致；生長第2年干旱脅迫使各根型苜蓿地上、地下部IAA和ZT含量顯著下降，而GA3含量顯著升高，這與劉長海等[23]對蘋果砧木、王霞等[24]對檉柳及滿達(dá)等[25]對差巴嘎蒿的研究結(jié)果相一致。JACKSON等[26]認(rèn)為在逆境脅迫下，GA3可作為植物生長的負(fù)調(diào)控信號，減緩植物生長，苜蓿為了更好地適應(yīng)干旱脅迫，使得GA3含量增加。同一干旱條件下，各根型苜蓿地下部GA3、IAA、ZT的變化幅度大于地上部，因根系是植物最先感知土壤環(huán)境變化的器官，亦是多種植物激素的主要生物合成器官，說明這3種內(nèi)源激素含量在根系中的變化規(guī)律較葉片更具代表性。

3.2 干旱脅迫對各根型苜蓿內(nèi)源激素比值的影響

植物受到干旱脅迫時(shí)，其體內(nèi)的激素之間存在著對抗、協(xié)同等特性，激素的比值反映了激素對植物的綜合調(diào)控能力[27]。IAA/ABA的比值變化影響植物器官生長與脫落，GA3/ABA影響種子萌發(fā)、性別分化及植物休眠等生理活動，(ZT+IAA+GA3) /ABA可反映幾種激素的平衡狀態(tài)[9]。本研究中，播種當(dāng)年各根型苜蓿地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA隨干旱脅迫加劇呈降低趨勢，表明各根型苜蓿各部位對干旱脅迫表現(xiàn)出一致的抵抗和耐受；生長第2年各根型苜蓿地上、地下部IAA/ABA隨干旱脅迫程度增加呈下降趨勢，而GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA基本呈先增加后降低趨勢，表明干旱脅迫在各根型苜蓿內(nèi)部建立新的激素間平衡，適應(yīng)干旱脅迫并繼續(xù)使其生長發(fā)育[28]；播種當(dāng)年及生長第2年，同一干旱脅迫下，不同品種間GA3、IAA和IAA+GA3+ZT這3組激素與ABA的比值地上、地下部基本表現(xiàn)為QS

4 結(jié) 論

干旱影響內(nèi)源激素的合成，抑制各根型苜蓿的生長。隨干旱脅迫程度增加，播種當(dāng)年及生長第2年中，根莖型、直根型、根蘗型苜蓿地上、地下部ABA含量均顯著增加，IAA和ZT含量均顯著降低；GA3含量播種當(dāng)年顯著下降而生長第2年顯著增加。播種當(dāng)年，隨干旱脅迫加劇，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值及干質(zhì)量均顯著下降；生長第2年地上、地下部IAA/ABA比值顯著降低，GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值基本呈先升高后降低趨勢。ABA與GA3、IAA、ZT、地上、地下部干質(zhì)量基本呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。同一干旱脅迫下，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值基本表現(xiàn)為根莖型苜蓿最低，直根型最高，綜合表明直根型苜蓿較根莖型和根蘗型苜蓿在應(yīng)對干旱脅迫時(shí)適應(yīng)能力較差。