陳衛(wèi)東,張玉霞,2*,張慶昕,劉庭玉,王顯國(guó),王東儒
(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)農(nóng)學(xué)院,內(nèi)蒙古 通遼 028041;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)飼用作物工程中心,內(nèi)蒙古 通遼 028000;3.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,北京 100193;4.呼和浩特市農(nóng)牧技術(shù)推廣中心種業(yè)發(fā)展科,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)
紫花苜蓿(Medicago sativa)作為優(yōu)質(zhì)的多年生豆科牧草,是我國(guó)種植面積最大的牧草之一,在我國(guó)畜牧業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[1-2]??茽柷呱车匚挥谥袊?guó)農(nóng)牧交錯(cuò)帶東段,頻繁的風(fēng)沙災(zāi)害加之不合理的人為活動(dòng)導(dǎo)致科爾沁沙地成為中國(guó)北方地區(qū)沙漠化最典型的地區(qū)之一[3-4]。近幾十年來(lái)農(nóng)耕界限不斷北移,大面積草原被開墾為農(nóng)田,昔日波狀起伏的疏林沙質(zhì)草原逐漸變?yōu)榻袢盏湫偷霓r(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)[5]。在“十三五”期間通過機(jī)械播種、切割壓扁摟曬、打捆機(jī)械化技術(shù)、節(jié)水灌溉體系,在科爾沁沙地穩(wěn)固地建立了700 hm2苜蓿生產(chǎn)基地[6]??茽柷呱车囟旧傺?,冬春土壤溫濕度變化劇烈[7-8],在科爾沁沙地種植苜蓿面臨嚴(yán)重的低溫冷凍和倒春寒問題[9-10]。凍害是限制這一地區(qū)苜蓿持續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)的關(guān)鍵問題,安全越冬是我國(guó)北方干旱地區(qū)實(shí)現(xiàn)苜蓿穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)的基礎(chǔ)。影響苜蓿越冬率的因素有很多,如氣溫、降水、土壤質(zhì)地與肥力、品種選擇、刈割制度、灌溉措施等,其中末次刈割時(shí)間是影響苜蓿越冬率的重要栽培管理因素之一[11-14],目前關(guān)于苜蓿的末次刈割時(shí)間,許多學(xué)者有不同見解,有學(xué)者認(rèn)為第1次“殺霜(氣溫首次降至-20℃)”之前4~6周是中、高維度地區(qū)苜蓿刈割秋季敏感期(fall critical period),此時(shí)期刈割將降低苜蓿草地的持久性和來(lái)年的草產(chǎn)量[15-16];也有一些學(xué)者的研究表明,如果苜蓿品種秋眠和抗病性強(qiáng)、土壤肥力高、刈割次數(shù)和生育時(shí)期(或間隔期)適宜,秋季刈割就不會(huì)造成草地持久性和產(chǎn)草量降低[17-18]。這種有關(guān)末次刈割做法的爭(zhēng)議,究竟孰是孰非,還是需要因地制宜,還有待于更多的研究去佐證。根系是植物吸收養(yǎng)分、轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要器官[19],研究表明,根頸中抗氧化系統(tǒng)與植物抗逆性存在密切關(guān)系[20]。孫浩等[21]研究表明,末茬秋季敏感期刈割導(dǎo)致阿魯科爾沁旗苜蓿越冬率降低,但未對(duì)苜蓿根頸中抗氧化系統(tǒng)做深入研究,苜蓿根系中的抗氧化酶活性在植物越冬期間存在怎樣的變化規(guī)律及其與越冬有無(wú)直接聯(lián)系還需進(jìn)一步探究。為此,開展末次刈割時(shí)間調(diào)控科爾沁沙地苜蓿越冬的生理機(jī)制研究,探究苜蓿根頸抗氧化系統(tǒng)變化,分析科爾沁沙地秋末是否應(yīng)該刈割及最佳刈割時(shí)期,對(duì)確定該地區(qū)適宜的末次刈割時(shí)間,確保苜蓿安全越冬,指導(dǎo)苜蓿生產(chǎn)具有重要意義,亦可為苜蓿抗寒越冬研究提供理論基礎(chǔ)。
試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古通遼市開魯縣東風(fēng)鎮(zhèn)林輝草業(yè)公司(43°37′N,121°34′E),年平均氣溫為6.2 ℃,最低氣溫為-30~-25 ℃,>10 ℃年活動(dòng)積溫為3137 ℃,<0 ℃的天數(shù)為86~98 d,年平均日照時(shí)數(shù)為3000 h,無(wú)霜期為135~145 d,年平均降水量為376.1 mm,蒸發(fā)量是降水量的4.8 倍,年平均風(fēng)速為3.1~4.3 m·s-1,為典型的溫帶大陸性季風(fēng)氣候。試驗(yàn)田土壤為沙土,新開墾沙化草地,0~20 cm 土層土壤理化性質(zhì)為:pH 值8.2,有機(jī)質(zhì)含量6.3 g·kg-1,全氮含量 0.37 g·kg-1,堿解氮含量 36.17 mg·kg-1,速效鉀含量 76.78 mg·kg-1,速效磷含量 3.68 mg·kg-1。
試驗(yàn)材料為公農(nóng)1 號(hào)紫花苜蓿品種,來(lái)自吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原所。于2019 年7 月30 日進(jìn)行播種,播種量22.5 kg·hm-2,條播行距15 cm,試驗(yàn)小區(qū)面積為16 m2(4 m×4 m),3 次重復(fù),共設(shè)30 個(gè)小區(qū),小區(qū)之間設(shè)0.5 m過道。施肥量為 75 kg·hm-2K2O,100 kg·hm-2P2O5,翌年再次施入 150 kg·hm-2K2O 與 200 kg·hm-2P2O5,K2O 分兩次施入,分別為 4 月 3 日和 6 月 3 日各施入 75 kg·hm-2,P2O5于 4 月 3 日一次性施入,磷肥為過磷酸鈣(P2O5含量為44%),鉀肥為氯化鉀(K2O 含量為60%),所有小區(qū)分別于2020 年5 月1 日和7 月3 日進(jìn)行第一與二茬刈割。采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),于 2020 年 8 月 25 日-11 月 5 日,每 10 d 一個(gè)刈割時(shí)間,分別為 8 月 25 日,9 月 5、15、25 日,10月5、15、25 日,11 月5 日,共設(shè)置8 個(gè)刈割時(shí)間,以未刈割為對(duì)照(CK)。紫花苜蓿生長(zhǎng)過程中進(jìn)行適時(shí)噴灌、除草、防治病蟲害等田間管理。于封凍前期(11 月15 日)挖取紫花苜蓿越冬材料(苜蓿根系),每個(gè)小區(qū)挖取90 株(粗細(xì)均勻一致),平均分成6 份。將其中1 份越冬材料放在4 ℃冰箱進(jìn)行低溫冷藏處理,剩余5 份于可程式恒溫恒濕試驗(yàn)箱(東莞市昊昕?jī)x器設(shè)備有限公司)模擬低溫冷凍處理,處理時(shí)將根系先用脫脂棉包裹,加適量水,再用錫紙包裹,注明編號(hào),處理溫度分別為-10,-15,-20,-25 和-30 ℃,以 0 ℃為起點(diǎn),4 ℃·h-1的速率降溫,到達(dá)預(yù)設(shè)溫度后保持6 h,再以4 ℃·h-1的速率升溫至0 ℃,取出置于4 ℃下保持12 h。低溫處理結(jié)束后,分別切取根頸(根頸及根頸下主根1 cm),測(cè)定相對(duì)電導(dǎo)率及抗氧化特性。
采用DDS-302 電導(dǎo)率儀(產(chǎn)地:成都)測(cè)定電導(dǎo)率[22],采用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定丙二醛(malondialdehyde,MDA)含量[22],采用愈創(chuàng)木酚比色法測(cè)定過氧化物酶(peroxidase,POD)活性[22],采用氮藍(lán)四唑比色法測(cè)定超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性[22],采用紫外吸收法測(cè)定過氧化氫酶(catalase,CAT)活性[22]。
采用Microsoft Excel 2010 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、作圖和制作表格,結(jié)果用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示,各低溫處理下的相對(duì)電導(dǎo)率數(shù)據(jù)使用 SPSS 17.0 軟件擬合 Logistic 回歸方程[23-24]:y=k/(1+ae-bx),其中y為相對(duì)電導(dǎo)率值,x為處理溫度,k為當(dāng)x趨于無(wú)窮大時(shí)的值,a 與b 為方程參數(shù),相對(duì)電導(dǎo)率的極大值與極小值的中位數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度為低溫半致死溫度(semi-lethal temperature,LT50)。
不同末次刈割時(shí)間的苜蓿受不同低溫脅迫后相對(duì)電導(dǎo)率擬合Logistic 回歸方程均不同,差異顯著水平均小于0.05(表 1)。結(jié)果顯示,在未刈割、8 月 25 日、9 月 5 日、9 月 15 日、9 月 25 日、10 月 5 日、10 月 15 日、10 月 25 日、11 月5 日進(jìn)行末次刈割時(shí),半致死溫度分別為-18.03、-17.61、-17.03、-16.59、-15.80、-15.82、-16.83、-16.34、-17.12 ℃。由此說明,在不同末次刈割時(shí)間的苜??购芰?qiáng)弱為:未刈割>8 月25 日>11 月5 日>9月 5 日 > 10 月 15 日 > 9 月 15 日 > 10 月 25 日 > 10 月 5 日 > 9 月 25 日 。
表1 不同末次刈割時(shí)間苜蓿根頸相對(duì)電導(dǎo)率擬合Logistic回歸方程及LT50Table 1 The Logistic regression equation and LT50 of relative conductivity of alfalfa root-neck under different last cutting time
隨著溫度的降低,苜蓿根頸的MDA 含量呈逐漸升高的變化趨勢(shì)(表2),在-30 ℃下MDA 含量最高,且均與-20℃及以上溫度處理差異顯著(P<0.05)。除9月5日刈割時(shí)間處理下-30與-25℃處理差異不顯著外(P>0.05),其他刈割時(shí)間處理二者均差異顯著(P<0.05),由此說明在低溫脅迫下,苜蓿根頸會(huì)受到傷害,且低溫脅迫溫度越低,苜蓿根頸受傷害程度越大,說明MDA含量可以評(píng)價(jià)苜蓿受傷害程度。
表2 不同末次刈割時(shí)間苜蓿根頸在低溫處理下MDA含量的變化Table 2 Changes of MDA content in alfalfa root-neck at different last cutting times under low temperature treatment(nmol·g-1 FW)
在-15與-20℃處理下,9月25日末次刈割時(shí)間處理根頸的MDA含量最高,其中-15℃處理下均顯著高于其他刈割時(shí)間處理,-20℃處理下顯著高于未刈割、8月25日、9月5日、10月15日、11月5日刈割(P<0.05);在-25與-30℃低溫脅迫處理下,10月5日末次刈割時(shí)間處理根頸的MDA含量最高,且均顯著高于其他刈割時(shí)間(P<0.05),未刈割處理苜蓿根頸的MDA含量最低,除8月25日末次刈割時(shí)間處理外均顯著低于其他刈割時(shí)間處理(P<0.05);由此說明,不同刈割時(shí)間處理下的苜蓿根頸的MDA含量在低溫脅迫下存在明顯差異,9月25日與10月5日刈割處理MDA含量較高,未刈割、8月25日、9月5日、10月15日、11月5日刈割處理的MDA含量較低。由此進(jìn)一步說明,9月25日與10月5日刈割的苜??购暂^弱,與其在低溫脅迫下MDA含量較多有關(guān),反之未刈割、8月25日、9月5日、10月15日、11月5日刈割處理抗寒性較強(qiáng)與其在低溫脅迫下MDA含量較少密切相關(guān);因此,苜蓿根頸的MDA含量可以反映其抗寒性強(qiáng)弱。
隨著溫度的降低,苜蓿根頸的SOD活性呈逐漸升高的變化趨勢(shì)(表3),在-30℃低溫脅迫下SOD活性最強(qiáng),且均與-20℃及以上溫度處理差異顯著(P<0.05),除9月25日、10月25日、11月5日刈割處理-30與-25℃低溫脅迫處理差異不顯著外(P>0.05),其他刈割時(shí)間處理二者均差異顯著(P<0.05),由此說明在低溫脅迫下,苜蓿根頸受到傷害從而產(chǎn)生超氧陰離子,植株通過增強(qiáng)SOD活性,清除超氧陰離子,維持活性氧平衡,且在-30℃低溫冷凍脅迫處理下,仍具有較強(qiáng)的清除能力,由此說明SOD是苜蓿抵御低溫冷凍脅迫的抗氧化酶之一。
表3 不同末次刈割時(shí)間苜蓿根頸在低溫處理下SOD活性的變化Table 3 Changes of superoxide dismutase activity in alfalfa root-neck with different last cutting time under low temperature treatment(U·g-1 FW)
在-30~-15℃低溫脅迫下,9月25日末次刈割處理苜蓿根頸的SOD活性最弱,在-15℃低溫脅迫處理下顯著低于未刈割、8月25日刈割處理,-20℃處理下顯著低于其他刈割處理(P<0.05),-25℃處理下則顯著低于未刈割、8月25日、10月15日、11月5日刈割處理(P<0.05),-30℃處理下顯著低于除10月25日刈割外的其他處理(P<0.05),由此說明,不同刈割時(shí)間苜蓿根頸的SOD活性在低溫脅迫下存在明顯差異,9月25日刈割處理相對(duì)較弱,未刈割、8月25日、10月15日、11月5日刈割則相對(duì)較強(qiáng)。由此進(jìn)一步說明,9月25日刈割的苜??购暂^弱,與其在低溫脅迫下SOD活性較弱有關(guān),反之未刈割處理、8月25日、10月15日、11月5日刈割處理抗寒性較強(qiáng)與其在低溫脅迫下SOD活性較強(qiáng)密切相關(guān)。
隨著溫度的降低,苜蓿根頸的POD活性呈先升高后降低的變化趨勢(shì)(表4),在-25℃下POD活性最強(qiáng),其中未刈割、9月5日、9月25日、10月5日、10月25日、11月5日刈割處理均與其他低溫差異顯著(P<0.05),由此說明在低溫脅迫下,苜蓿根頸受到傷害會(huì)產(chǎn)生過氧化物,植株通過增強(qiáng)POD活性,清除過氧化物,維持活性氧平衡,且在-25℃處理下,清除能力最強(qiáng),在-30℃處理下,POD活性減弱,說明苜蓿根頸清除過氧化物的能力減弱,由此說明POD亦是苜蓿抵御低溫冷凍脅迫的抗氧化酶之一。
表4 不同末次刈割時(shí)間苜蓿根頸在低溫處理下POD活性的變化Table 4 Changes of peroxidase activity in alfalfa root-neck with different last cutting time under low temperature treatment(U·min-1·g-1 FW)
在-30和-15℃處理下,10月5日刈割處理苜蓿根頸的POD活性最弱,在-15℃處理下顯著低于8月25日、9月5日、9月15日、10月25日刈割(P<0.05),但在-20和-25℃處理下與其他處理差異不顯著(P>0.05),在-30℃處理下顯著低于8月25日、9月5日、9月15日、9月25日刈割處理(P<0.05)。由此說明,在不同刈割時(shí)間處理下的苜蓿根頸的POD活性在-15和-30℃低溫脅迫下存在明顯差異,但在-20和-25℃間差異不明顯,說明POD活性在-20℃及以下溫度處理下對(duì)刈割時(shí)間的響應(yīng)不明顯。
隨著溫度的降低,苜蓿根頸的CAT活性呈先升高后降低的變化趨勢(shì)(表5),在-20℃下CAT活性最強(qiáng),且均與其他溫度處理差異顯著(P<0.05),由此說明在低溫脅迫下,苜蓿根頸受到傷害產(chǎn)生H2O2,通過增強(qiáng)CAT活性,清除H2O2,維持活性氧平衡,且在-20℃低溫脅迫下,清除能力最強(qiáng),在-20℃以下,CAT活性減弱,說明苜蓿根頸清除H2O2的能力減弱,由此說明CAT亦是苜蓿抵御低溫冷凍脅迫的抗氧化酶之一。
表5 不同末次刈割時(shí)間苜蓿根頸在低溫處理下CAT活性的變化Table 5 Changes of catalase activity in alfalfa root-neck with different last cutting time under low temperature treatment(U·min-1·g-1 FW)
在-25~-10℃低溫冷凍處理下,10月5日末次刈割時(shí)間處理苜蓿根頸的CAT活性最弱,在-10℃處理下顯著低于未刈割、8月25日、10月15日、10月25日刈割處理(P<0.05),-15℃處理則顯著低于未刈割、8月25日、9月5日、9月25日、10月15日、10月25日刈割處理(P<0.05),-20℃處理顯著低于未刈割、8月25日、9月5日、10月15日、10月25日刈割處理(P<0.05),-25℃處理下顯著低于未刈割、8月25日、9月5日、9月25日、11月5日刈割處理(P<0.05),但均與9月15日刈割處理差異不顯著(P>0.05)。由此說明,不同刈割時(shí)間處理下的苜蓿根頸的CAT活性在低溫脅迫下存在明顯差異,9月15日和10月5日刈割相對(duì)較弱,未刈割、8月25日、9月5日、10月15日、10月25日刈割則相對(duì)較強(qiáng)。由此進(jìn)一步說明,9月15日和10月5日刈割的苜??购暂^弱,與其在低溫脅迫下CAT活性較弱有關(guān),反之未刈割處理、8月25日、9月5日刈割處理抗寒性較強(qiáng)與其在低溫脅迫下CAT活性較強(qiáng)密切相關(guān)。
由表6可知,不同低溫脅迫下紫花苜蓿根頸的LT50均與MDA含量呈正相關(guān),且在-15℃及以下溫度呈顯著或極顯著正相關(guān),與抗氧化酶活性呈負(fù)相關(guān)(除-20℃的POD活性);紫花苜蓿根頸的半致死溫度與-10℃低溫條件下的POD活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與-20℃下的CAT活性呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),與-15、-20和-25℃條件下SOD活性呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。
表6 不同末次刈割時(shí)間苜蓿根頸的半致死溫度與其抗氧化系統(tǒng)的相關(guān)性Table 6 Correlation between the semi-lethal temperature of alfalfa root-neck and its antioxidant system in different last cutting times
關(guān)于末次刈割處理對(duì)苜??购缘难芯恐饕捎锰镩g自然降溫脅迫處理的方法[25],通過測(cè)定翌年的越冬率衡量苜??购缘膹?qiáng)弱,抗氧化系統(tǒng)指標(biāo)通過越冬期不同自然降溫處理時(shí)期取樣測(cè)定,這種方法易受外界環(huán)境影響,且冬季取樣困難。近年來(lái),末次刈割處理對(duì)苜??购缘难芯块_始采用可程式恒濕恒溫試驗(yàn)箱人工模擬低溫處理的方法[26],利用半致死溫度衡量苜蓿的抗寒性強(qiáng)弱,這種方法能夠有效避免外部環(huán)境因素的影響,取樣測(cè)定抗寒生理指標(biāo)簡(jiǎn)單方便且更加準(zhǔn)確。為此,本試驗(yàn)通過大田培養(yǎng)紫花苜蓿材料,采用人工模擬低溫脅迫的方法,獲得半致死溫度判定不同末次刈割時(shí)間處理紫花苜??购缘牟町?。結(jié)果表明,不同末次刈割時(shí)間處理的紫花苜 蓿 抗 寒 性 強(qiáng) 弱 為:未 刈 割>8月25日>11月5日>9月5日>10月15日>9月15日>10月25日>10月5日>9月25日;因此,在科爾沁沙地9月5日之前與11月5日之后進(jìn)行末次刈割為相對(duì)安全期,9月5日-9月25日與10月5日-11月5日進(jìn)行末次刈割為相對(duì)危險(xiǎn)期,9月25日-10月5日進(jìn)行末次刈割為危險(xiǎn)期。
植物受到低溫脅迫時(shí),會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)活性氧增加[27-28],植物細(xì)胞膜系統(tǒng)在受到氧化傷害后產(chǎn)生MDA,其含量多少可反映細(xì)胞膜脂過氧化的程度,也常用來(lái)反映細(xì)胞膜受破壞的程度[29]。有研究表明,植物在逆境條件下,其細(xì)胞可通過多種途徑產(chǎn)生超氧陰離子、H2O2等活性氧,超氧陰離子和H2O2可進(jìn)一步反應(yīng)生成毒性更強(qiáng)的羥自由基(OH-),它能轉(zhuǎn)化脂肪酸為有毒的過氧化物,使得生物膜被破壞,造成MDA的累積[30]。本研究中,紫花苜蓿根頸的MDA含量隨著溫度的降低均增加,這與徐洪雨等[31]、程嘉惠等[32]的研究結(jié)果一致,且在-15、-20、-25與-30℃處理下,紫花苜蓿根頸在9月25日或10月5日末次刈割時(shí)MDA含量最高,表明此時(shí)紫花苜蓿根頸細(xì)胞膜破壞最嚴(yán)重,受傷程度最大,因此,此時(shí)刈割處于危險(xiǎn)期。
逆境脅迫下,植物會(huì)啟動(dòng)一系列生理響應(yīng)來(lái)應(yīng)對(duì)活性氧過量積累所形成的過氧化脅迫,有研究表明,SOD、POD、CAT等抗氧化酶在植物抵御低溫氧化損傷方面起著至關(guān)重要的作用[33-34]。李春燕等[35]研究表明,隨低溫脅迫持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng),小麥(Triticum aestivum)SOD、POD和CAT活性均呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。本試驗(yàn)表明,隨著溫度的下降,紫花苜蓿根頸的POD、CAT活性呈先升高后降低的變化趨勢(shì),而SOD活性呈一直增加的趨勢(shì),說明低溫脅迫可激發(fā)紫花苜蓿根頸中POD、CAT、SOD活性,SOD活性的一直升高可能是由于其在低溫冷凍下依然起到保護(hù)作用,這與亓春宇等[36]的研究結(jié)果一致。通過苜蓿根頸的半致死溫度與抗氧化系統(tǒng)的相關(guān)分析表明,在4與-10℃處理下,紫花苜蓿根頸的POD活性與其半致死溫度呈顯著負(fù)相關(guān),在-20℃處理下,紫花苜蓿根頸的CAT活性與其半致死溫度呈顯著負(fù)相關(guān),在-15、-20與-25℃處理下,紫花苜蓿根頸的SOD活性與其半致死溫度呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān),因此末次刈割時(shí)間通過調(diào)控苜蓿根頸的SOD、POD、CAT活性,協(xié)同作用清除活性氧、過氧化物、過氧化氫,降低膜脂過氧化程度,從而提高其抗寒性。