不同非生物胁迫对紫花苜蓿WL712幼苗生长和生理特性的影响.pdf

第 46 卷 第 1 期Vol.46 No.1 2024 年 1 月Jan.2024中 国 草 地 学 报Chinese Journal of Grassland不同非生物胁迫对紫花苜蓿 WL712幼苗生长和生理特性的影响沈英英1，杨雨薇1，李晓彤1，卢俊峰1，王琳1，2，刘大林1，*（1.扬州大学动物科学与技术学院，江苏 扬州 225000；2.扬州大学农业科技发展研究院，江苏 扬州 225000）摘要：紫花苜蓿 WL712为美国引入品种，在我国南方地区已有一定范围的种植，具有高产量和高品质的优点，但该品种对部分非生物胁迫具有较差的耐受性。为了探究该品种对南方地区不同胁迫的响应，本研究以生长 21 d的WL712幼苗为试验材料，对其模拟了 5种南方常见的胁迫，分别为高温、低温、干旱、渍水以及盐胁迫，通过测定生长指标及叶绿素含量、可溶性糖含量、可溶性蛋白含量、相对电导率、丙二醛（MDA）含量、过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）和过氧化氢酶（CAT）活性共 8个生理指标来分析其综合生理抗逆性。结果表明，南方地区的 5种胁迫皆对紫花苜蓿的生长生理造成了显著的抑制作用（P0.05），其中高温、低温及渍水胁迫下，WL712的生长情况相对其他两种胁迫更差，其株高、根长和生物量受到严重抑制，渗透调节物质（可溶性糖和可溶性蛋白）在胁迫下的提升效果相对较弱；其叶绿素含量的积累则在低温和渍水胁迫下受到严重抑制，叶片和根系中 3 种抗氧化酶（POD、SOD和 CAT）对活性氧的清除能力相对较弱。综上所述，WL712自身具有相对较差的耐热性、耐寒性以及耐渍水能力，其中对低温和渍水尤其敏感，因此在南方地区进行种植时，应尽量避开低温潮湿和高热多雨的地区，或在种植前预处理并做好相应的管理措施，以保证该品种的产量和品质。关键词：紫花苜蓿 WL712；非生物胁迫；抗逆性中图分类号：S541.9 文献标志码：A 文章编号：1673-5021（2024）01-0078-09紫花苜蓿（Medicago sativa L.）是国内外重要的优质牧草，被广泛用作饲草和绿肥，其营养丰富，适口性好，因此被称作“牧草之王”1。我国江苏南部、安徽南部、浙江、上海等南方地区地理位置优越，气候适宜，面积辽阔，非常适合作物种植。近年来，在南方地区已开展了大规模的苜蓿引种筛选工作，并已筛选出部分适宜品种23，使紫花苜蓿在南方地区的种植面积逐年扩大。而作为引种的重要依据，苜蓿的秋眠性则十分关键4。研究表明，在南方地区可以种植半秋眠和非秋眠型紫花苜蓿，一般选择秋眠级 7级以上的品种5。WL712是紫花苜蓿优质品种之一，该品种原产于美国，秋眠级 10.2，为非秋眠型品种。该品种已在南方地区种植，具有较高的产量和品质，但对部分逆境较为敏感。随着全球气候变化加剧、人类活动频繁和土壤破坏等，南方地区的环境胁迫日益严重6，极端温度、涝害、干旱、盐碱胁迫等均会威胁苜蓿的产量和品质，影响可持续发展。其中温度是影响紫花苜蓿生长发育的重要因素。紫花苜蓿不耐湿热，在生长季内易受南方夏季高热影响，造成蛋白质变性，引起一系列生理生化反应，导致产量和品质下降7，韩瑞宏等8发现紫花苜蓿的生长被高温胁 迫 所 抑 制，叶 片 出 现 明 显 枯 萎 失 绿 的 现 象；Misganaw 等9发现高温胁迫显著降低了紫花苜蓿的生物量、相对含水量以及叶绿素含量；而低温则会导致紫花苜蓿生长缓慢，造成有害物质积累，甚至死亡10，李佳奇等11研究发现紫花苜蓿的细胞通透性遭到低温胁迫破坏，加剧膜脂过氧化并导致植物体内抗氧化酶活性上升。在我国南方广大红黄壤地区，常出现梅雨渍害、地下水水位上升等，过于潮湿的环境严重影响紫花苜蓿的生长，尤其是根系，导致其吸收养分能力变差，进而限制植物地上部生长12。另外，由于南方地区降雨量的季节分布不均匀以及水资源匮乏引起的干旱则是最不可预测和不受控制的环境胁迫之一，其限制紫花苜蓿种子萌发、生长发育等阶段，造成水分亏欠，降低光合性能，影响品质和产量1314。而在南方沿海和山区还存在着盐碱地，土壤盐碱化已是世界农业发展面临的一个重要难题，它会导致渗透胁迫、离子毒害及离子失衡，引起植物失水，破DOI：10.16742/j.zgcdxb.20230057*通信作者，E-mail：收稿日期：2023-03-06；修回日期：2023-07-19基金项目：江苏现代农业（奶牛）产业技术体系专项JATS（2020）446作者简介：沈英英（1999-），女，江苏苏州人，在读硕士生，主要从事牧草栽培与生理研究，E-mail：.78沈英英 杨雨薇 李晓彤等 不同非生物胁迫对紫花苜蓿 WL712幼苗生长和生理特性的影响坏细胞代谢，影响苜蓿生长15。紫花苜蓿是我国一种常见的牧草，具有较强的抗逆性，但生长地区和品种不同时，其抗逆性也不尽相同，所以在不同地区对品种抗逆性的研究能有效提高其产量和品质。因此，本试验通过模拟南方地区不同的逆境胁迫来分析 WL712对胁迫的响应，以探究该品种的种植敏感地区，为后期避开相关区域或在种植前做好预处理及抗逆管理措施以提高紫花苜蓿产量和品质提供一定依据。1材料与方法1.1试验材料及生长条件本 试 验 选 用 购 于 北 京 正 道 种 业 有 限 公 司 的WL712紫花苜蓿品种，试验地点为扬州大学动物科学与技术学院草学智能温室。本试验采用盆栽法，挑选 40粒大小相近且无病虫害的 WL712种子，播种于装有 1.6 kg沙壤土的花盆中（高 15 cm，直径 12 cm），共 18 盆。培养 10 d 后进行间苗，每盆保留 20 株长势较好的紫花苜蓿幼苗。所有花盆均保持在 25/18 C（日/夜）的温室中，光照为 14 h，每盆每隔 2 d浇一次 Hoagland营养液，共生长 21 d。1.2试验设计生长 21 d 后，对 WL712 幼苗进行不同处理，共分为 6 个处理组，分别为对照组：浇 Hoagland 营养液；高温胁迫：置于 38/35 昼/夜的培养箱中，浇Hoagland 营养液；低温胁迫：置于 4 的培养箱中，浇 Hoagland营养液；干旱胁迫：使用自然干旱法，即处理期间不浇水，共持续 14 d，土壤相对含水量为30%；渍水胁迫：使用浸盆法，即将花盆浸于水盆中，使水位没过花盆土面；盐胁迫：浇含有 250 mM NaCl的 Hoagland营养液，每组 3个重复。6个处理组的光照时间皆为 14 h，除干旱和渍水组，其余组每隔 2 d浇 80 ml处理液，继续培养 14 d后采样，分别测定各项指标。1.3测定指标及方法1.3.1形态学指标的测定形态学指标主要包括株高、根长以及根茎叶的干鲜重。每盆随机挑选 5 株完整的植株，用清水洗净根部。测量株高及根长后，称量根茎叶的鲜重，然后将称完的根茎叶放于 105 的烘箱中杀青 15 min，再调至 65 烘至恒重后称量干重。1.3.2生理指标的测定叶绿素（Chlorophyll）含量测定参考施海涛16的方法，采用酒精浸提法；可溶性糖（Soluble sugar，SS）测定参考施海涛16的方法，采用硫酸-蒽酮法；可溶性蛋白（Soluble protein，SP）测定参考邹琦17的方法，采用考马斯亮蓝染色法；相对电导率（Relative electrical conductivity，REC）采用 DDS-11A 型电 导 率 仪 进 行 测 定；丙 二 醛（Malondialdehyde，MDA）含量测定参照 Li等18的方法，采用硫代巴比妥 酸 法；超 氧 化 歧 化 酶（Superoxide dismutase，SOD）活性测定参考刘新19的方法，采用氮蓝四唑显色法；过氧化氢酶（Catalase，CAT）、过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性分别采用相应的试剂盒（南京建成生物工程研究所）测定。1.4数据处理本试验使用 SPSS 27.0软件对试验数据进行统计分析，Graphpad Prism 9软件进行图形绘制。2结果与分析2.1不同胁迫对 WL712幼苗生长指标的影响如表 1所示，WL712在不同胁迫下，其生长均受到影响。与对照组相比，高温、低温、干旱、渍水及盐胁迫均显著抑制了 WL712 的株高（P0.05），并降低根、茎、叶的干鲜重，但不同胁迫对其的抑制程度不尽相同。从株高、根、茎、叶的干鲜重来看，WL712 对高温、低温以及渍水胁迫的抗性较差，对盐胁迫的耐受能力相对较强；从根长来看，低温和渍水胁迫同样显著抑制了 WL712根系的伸长，但其他胁迫对根长的影响则不显著。2.2不同胁迫对 WL712幼苗叶绿素含量的影响由图 1-A 发现，除干旱胁迫使叶绿素 a 含量显著上升（P0.05）外，其余 4种胁迫皆使叶绿素 a含量显著降低（P0.05），其中低温和渍水胁迫对其影响最明显。图 1-B 表明叶绿素 b含量在干旱胁迫处理下显著高于对照组（P0.05），高温胁迫和盐胁迫下叶绿素 b 含量降低，与对照组相比分别降低6.0%和 13.2%；低温和渍水胁迫下叶绿素 b含量则显著降低（P0.05），分别降低 46.1%和 49.9%。从图 1-C发现，与对照组相比，除干旱胁迫使 WL712总叶绿素含量显著（P0.05）升高外，其余 4种胁迫皆对叶绿素总含量的积累有显著抑制作用（P0.05），其中低温和渍水胁迫的抑制效果最为明显，使总叶绿素含量分别降低了 45.9%和 48.4%。总之，从叶绿素含量结果可以看出，WL712 对低温及渍水胁迫的抗性最差。79中国草地学报 2024 年 第 46 卷 第 1 期2.3不同胁迫对 WL712幼苗叶片和根系中可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响可溶性糖和可溶性蛋白含量是两种重要的渗透调节物质。由图 2发现，与对照组相比较，不同胁迫下WL712叶片和根系中的可溶性糖和可溶性蛋白含量均显著提高（P0.05）。由图2-A和图2-B看出高温、低温、干旱、渍水和盐胁迫下，叶片中可溶性糖含量分别上升了 25.2%、17.6%、68.0%、30.0%和41.1%；根 系 中 可 溶 性 糖 分 别 上 升 了 18.1%、13.2%、48.1%、14.6%和 39.0%。可以看出，无论不同字母表示对应指标之间差异显著（P0.05），下同。Significant differences between the corresponding indicators were marked with distinct letters at 0.05 levels，the same as below.图 1不同胁迫对 WL712幼苗叶绿素含量的影响Fig.1Effect of different stresses on chlorophyll content of WL712 seedings表 1不同胁迫对 WL712幼苗株高、根长以及根茎叶干鲜重的影响Table 1Effects of different stresses on plant height，root length，fresh and dry weight of roots，stems and leaves of WL712 seedings处理Treatment对照高温胁迫低温胁迫干旱胁迫渍水胁迫盐胁迫株高（cm）Plant height（cm）21.340.74a8.950.25c8.640.38c11.460.09b9.610.51c12.341.02b根长（cm）Root length（cm）16.050.94a12.280.90ab10.070.52bc15.051.91a8.020.90c14.621.81a叶鲜重（g）Leaf fresh weight（g）2.100.21a0.300.03c0.320.03c0.580.09b0.370.03c0.980.16b茎鲜重（g）Stem fresh weight（g）1.930.25a0.300.03c0.260.02c0.530.06bc0.400.02bc0.810.11b根鲜重（g）Root fresh weight（g）0.810.04a0.170.03c0.150.04c0.420.13b0.150.01c0.480.05b叶干重（g）Leaf dry weight（g）0.310.02a0.050.01d0.030.00d0.120.01c0.050.01d0.160.02b茎干重（g）Stem dry weight（g）0.240.03a0.050.00c0.030.00c0.110.00bc0.070.01c0.140.02b根干重（g）Root dry weight（g）0.070.01a0.020.00c0.010.00c0.050.01ab0.020.00c0.060.00a注：不同字母表示不同处理间存在显著差异（P0.05）。Note：Different letters indicated that the plant had significant differences between different treatments at 0.05 levels.80沈英英 杨雨薇 李晓彤等 不同非生物胁迫对紫花苜蓿 WL712幼苗生长和生理特性的影响在叶片中还是根系中，高温、低温及渍水胁迫下，WL712对可溶性糖含量的积累效果不如干旱和盐胁迫。从图 2-C 和图 2-D 看出，高温、低温及渍水胁迫下，WL712叶片和根系中的可溶性蛋白含量积累效果同样低于其他胁迫。总体来说，从渗透调节方面来看，WL712对高温、低温和渍水胁迫的抗性较差。2.4不同胁迫对 WL712 幼苗叶片相对电导率、叶片和根系中 MDA含量的影响由 图 3-A 可 知，与 对 照 组 相 比，不 同 胁 迫 下WL712叶片中相对电导率显著升高（P0.05），同时图 3-B 和图 3-C 也说明不同胁迫皆使叶片和根系中的 MDA 含量显著升高（P0.05）。与其他胁迫相比，低温胁迫下叶片中相对电导率的增幅最明显，高温胁迫次之。叶片中 MDA 的含量则在高温胁迫下最高，根系中MDA含量同样在高温下被明显提高。2.5不同胁迫对 WL712幼苗叶片和根系中抗氧化酶活性的影响由图 4-A发现，各胁迫对 WL712叶片中 SOD活性的影响程度相差不大，但由图 4-B则发现，与对照相比，低温胁迫使根系中 SOD 活性仅提高 27.1%，而高温、干旱和盐胁迫则使其分别提高了 86.4%、82.3%和 81.2%。从 图 4-C 和 图 4-D 可 以 看 出，WL712在干旱胁迫下，叶片中 CAT活性与其他胁迫相比增幅较大，渍水胁迫增幅最小；根系中各胁迫则对 CAT 活性影响相差不大。由图 4-E 和图 4-F 可知，与对照组相比，低温胁迫下 WL712 叶片和根系中 POD活性皆增幅较小，分别为 7.5%和 16.1%。3讨论植物在生长过程中不可避免地会遭到很多环境图 2不同胁迫对 WL712幼苗叶片和根系中可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响Fig.2Effect of different stresses on soluble sugar and soluble protein content in leaves and roots of WL712 seedings81中国草地学报 2024 年 第 46 卷 第 1 期条件的影响，在胁迫条件下植物生长的各个方面都可能受到影响。本研究对国外引入紫花苜蓿品种WL712模拟开展了 5 种不同的逆境胁迫，分别为高温、低温、干旱、渍水和盐胁迫，结果发现不同胁迫下 WL712 幼苗生长均受到抑制，其株高、根长及根茎叶的干鲜重均受到不同程度的抑制，其中高温、低温和渍水胁迫下 WL712生长发育受到严重抑制，这说明 WL712 在南方高温多雨及寒冷潮湿地区种植时，要及时做好应对工作。植物的生长离不开光合作用，而叶绿素则是参与光合作用的关键色素，并与植物的抗逆性强弱有关20。本研究结果表明，干旱胁迫使 WL712叶绿素含量显著升高，这可能是由于随着水分的逐渐减少，植株的叶面积减小，而叶绿素在一定程度上被浓缩，造成叶绿素含量数值上的升高21。但其他 4种胁迫则使 WL712叶绿素含量显著降低，这可能归因于逆境导致了WL712叶绿素的降解或是抑制了叶绿素的生物合成22。WL712叶绿素含量的显著降低代表着其光合能力的下降，其中低温和渍水胁迫影响最显著，表明该品种对低温和渍水胁迫具有较差的抗性，在南方寒冷涝害地区应谨慎种植。张汉林23研究也发现渍水胁迫使紫花苜蓿叶绿素含量显著减少。为进一步分析 WL712对不同胁迫的响应，本研究测定了不同胁迫条件下 WL712 渗透调节物质的变化。渗透调节是植物适应非生物胁迫的一种重要的调节机制，而在渗透调节物质中，可溶性糖和可溶性蛋白含量受胁迫影响较大。Wassie 等24研究表明当紫花苜蓿处于胁迫下，其可以通过积累可溶性糖来维持膜稳定性及细胞水平衡，从而保护植物免受胁迫诱导的损害，而可溶性蛋白通过细胞结构的水合作用来抵御胁迫，其含量越高，细胞保水能力和结构稳定性则越强25。本研究发现不同胁迫皆使叶片和根系中可溶性糖和可溶性蛋白含量上升，但高温、低温和渍水胁迫下的提升少。植物膜对各种非生物胁迫敏感，逆境胁迫会造成植物细胞膜脂过氧化和膜的选择性受损26，破坏细胞膜稳定性，造成细胞液外渗，使相对电导率上升。吴子亮27在对紫花苜蓿抗逆性研究中发现膜脂过氧化归因于逆境下活性氧的过度产生和积累，这使紫花苜蓿中 MDA 含量上升。所以常将 MDA 含量和相对电导率作为评判逆境下植物细胞膜受损程度的重要指标。MDA含量和相对电导率越高，证明其抗逆性越差。本研究发现，不同胁迫均使紫花苜蓿相对电导率和 MDA 含量显著上升，其中高温胁迫对WL712造成的损伤最严重，证明其对高温的耐性较差，在南方夏季高温时期种植要做好降温等措施。Li 等28研究同样发现高温胁迫下两个紫花苜蓿品种均受到损伤，其 MDA 含量和相对电导率均呈上图 3不同胁迫对 WL712叶片中相对电导率及对叶片和根系中 MDA含量的影响Fig.3Effect of different stresses on relative electrical conductivity in leaves of WL712 seedings and MDA content in leaves and roots of WL712 seedings82沈英英 杨雨薇 李晓彤等 不同非生物胁迫对紫花苜蓿 WL712幼苗生长和生理特性的影响升趋势。植物受到逆境胁迫在体内积累的大量活性氧，可以通过抗氧化酶系统来清除，抗氧化酶是清除植物活性氧的重要酶，主要包括 SOD、CAT 和 POD。细胞中的抗氧化酶可以相互配合，有效去除 O2和H2O2，以保护细胞膜免受损害并提高植物的抗逆性29。王慧等30在对苜蓿的研究中发现逆境下苜蓿可以通过诱导抗氧化酶活性的增强来有效清除过多的活性氧。本试验中同样发现不同胁迫下WL712叶片和根系中 SOD、CAT 和 POD 的活性均显著提高，但低温和渍水胁迫下抗氧化酶提升效果相对较低，表明 WL712自身对低温和渍水胁迫的缓解能力相对较差。综合各项生理指标发现，WL712对高温的耐性图 4不同胁迫对 WL712叶片和根系中 SOD、CAT和 POD活性的影响Fig.4Effect of different stresses on SOD，CAT and POD activities in leaves and roots of WL712 seedings83中国草地学报 2024 年 第 46 卷 第 1 期一般，对低温和渍水胁迫的耐性较差。4结论WL712 自身耐热性一般，耐寒、抗渍水能力较差。WL712 在南方地区种植时应尽量避免高温多雨及寒冷潮湿地区，或者在种植前做好相应管理措施，以保证该品种高产和高品质。参考文献（References）：1 孙延亮，赵宇哲，魏孔钦，等.不同秋眠级紫花苜蓿茎和叶的碳、氮、磷化学计量特征 J.中国草地学报，2022，44（5）：9-19.SUN Yanliang，ZHAO Yuzhe，WEI Kongqin，et al.Stoichiometric characteristics of carbon，nitrogen and phosphorus in stems and leaves of alfalfa with different fall dormancy levels J.Chinese Journal of Grassland，2022，44（5）：9-19.2 杜周和，冯礼斌，左艳春，等.川北地区紫花苜蓿品种筛选及栽培技术研究 J.草业科学，2012，29（3）：465-470.DU Zhouhe，FENG Libin，ZUO Yanchun，et al.Selection and cultivation of introduced alfalfa varieties in North-Sichuan region J.Pratacultural Science，2012，29（3）：465-470.3 张艳娟.南京地区紫花苜蓿速生品种的筛选及栽培技术的研究 D.南京：南京农业大学，2010.ZHANG Yanjuan.Studies on production of alfalfa for seasonal utilization in Nanjing D.Nanjing：Nanjing 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