水分脅迫下外源NO對(duì)苜蓿幼苗生長(zhǎng)的影響

蔡卓山,師尚禮,曹文俠， 王 棟，楊 濤

(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/甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅 蘭州 730070)

干旱作為世界三大自然災(zāi)害之一，對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育有巨大的影響，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所造成的損失超過(guò)了其他自然逆境傷害之和[1]。我國(guó)干旱、半干旱和半濕潤(rùn)易干旱地區(qū)約占全國(guó)土地面積的45%，水資源在時(shí)間和空間上分布不均勻，而我國(guó)水資源相對(duì)匱乏使得這一現(xiàn)狀更為嚴(yán)重，尤其對(duì)于北方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，如何減少水分脅迫對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響成為首要問(wèn)題。

苜蓿(Medicagosativa)被稱(chēng)為“牧草之王”，全世界種植面積已達(dá)3 330萬(wàn)hm2，是世界上栽培面積最廣、最主要的豆科牧草之一。我國(guó)苜蓿種植遍及北方14個(gè)省區(qū)，栽培面積己達(dá)200萬(wàn)hm2，并正以每年10萬(wàn)hm2以上的速度擴(kuò)展，對(duì)中國(guó)畜牧業(yè)發(fā)展起到了重要作用。許多因素制約著苜蓿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，其中，苜蓿品種的選擇和布局是首要解決的問(wèn)題之一，而提高苜蓿生態(tài)適應(yīng)性的重要性顯得尤為突出。尤其是對(duì)苜蓿品種抗旱性的研究，不僅能夠?yàn)檐俎？购灯贩N選育提供一定的理論依據(jù)，而且為干旱、半干旱地區(qū)推廣和擴(kuò)大苜蓿種植面積奠定一定的理論基礎(chǔ)。植物在水分脅迫下會(huì)在形態(tài)上表現(xiàn)出一系列的變化，以使個(gè)體能存活下去。水分脅迫下，植物形態(tài)指標(biāo)的改變程度、植株生長(zhǎng)狀況和形態(tài)學(xué)特征可以作為評(píng)價(jià)不同牧草及不同品種植物抗旱能力的重要參數(shù)。形態(tài)學(xué)指標(biāo)和標(biāo)記在苜?？购涤N中采用最多最早，至今仍占具一定地位，是長(zhǎng)期育種過(guò)程寶貴經(jīng)驗(yàn)的積累，具有簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)的特點(diǎn)。很多研究報(bào)道，植株的根、莖、葉的形態(tài)可作為估測(cè)品種抗旱能力的重要指標(biāo)[2]。因此，通過(guò)研究苜蓿在水分脅迫下形態(tài)指標(biāo)的改變程度、植株生長(zhǎng)狀況和形態(tài)學(xué)特征可以很好的比較不同苜蓿品種的抗旱能力。

一氧化氮(NO)是一種廣泛存在于生物體內(nèi)的活性分子，自發(fā)現(xiàn)NO可以作為植物抗病反應(yīng)的信號(hào)分子后，NO植物學(xué)的研究引起了國(guó)際植物學(xué)界的密切關(guān)注。在植物體中，NO對(duì)種子的萌發(fā)、幼苗主根生長(zhǎng)、側(cè)根發(fā)育、氣孔運(yùn)動(dòng)、光形態(tài)建成、呼吸作用、細(xì)胞凋亡、激素調(diào)控和各種脅迫響應(yīng)等許多重要的生理過(guò)程具有調(diào)節(jié)作用[3-6]。研究表明，外源NO對(duì)植物地上部和根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)都有促進(jìn)作用，而對(duì)地上部的促進(jìn)作用更明顯。有關(guān)外源NO對(duì)水分脅迫下苜蓿幼苗生長(zhǎng)影響的研究較少。因此，以抗旱型苜蓿品種苜蓿王和水分敏感型品種德寶為供試材料，以PEG-6000為模擬水分脅迫的滲透調(diào)節(jié)劑，研究外源NO對(duì)水分脅迫下苜蓿幼苗生長(zhǎng)的影響，以期為提高苜蓿在干旱、半干旱地區(qū)的種植和推廣提供一定的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

于2013年5～9月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，供試苜蓿品種為苜蓿王(Medicagosativacv.Emperor)和德寶(Medicagosativacv.Derby)，均為第3年種子，初始發(fā)芽率分別為90.11%和92.67%，亞硝基鐵氰化鈉( SNP，美國(guó)Sigama 公司)為NO供體，PEG(PEG-6000)為上?；瘜W(xué)試劑公司生產(chǎn)。試驗(yàn)所用藥品均為分析純。

1.2 試驗(yàn)方法

挑選飽滿(mǎn)均勻的苜蓿種子，用 0.1% HgCl2溶液消毒15 min，用蒸餾水沖洗數(shù)次，再用吸水紙吸干，置于墊有2層濾紙的培養(yǎng)皿中，在種子發(fā)芽箱中，光照強(qiáng)度70 μmol/(m2·s)，溫度25 ℃±1 ℃，相對(duì)濕度60%進(jìn)行催芽。種子萌發(fā)后，移入滅菌的蛭石培養(yǎng)缽，每缽定植25株，轉(zhuǎn)移至光照培養(yǎng)室。生長(zhǎng)條件設(shè)為：光暗周期12 h/12 h，光通量密度400 μmol/(m2·s)，晝夜溫度25 ℃/18 ℃，相對(duì)濕度60%，每3 d澆灌1次1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液，出苗后15 d間苗，每缽留10株，生長(zhǎng)30 d后進(jìn)行干旱處理。按照Michel(1973)的方法，使用PEG-6000和1/2 Hoagland配制在25℃下水勢(shì)分別為-0.6 MPa和-0.9 MPa的溶液，用來(lái)模擬中度和重度水分脅迫。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理(3種水分脅迫強(qiáng)度×2種SNP濃度)，其中，以0 MPa水勢(shì)不添加SNP作為CK，3種水分脅迫強(qiáng)度為(用溶液水勢(shì)代表PEG濃度)：0 MPa，-0.6 MPa和-0.9 MPa；2種SNP濃度為：0 SNP和100 μmol/L SNP；試驗(yàn)處理編號(hào)分別為：CK、S、6P、6PS、9P和9PS，其中，S代表添加100 μmol/L的SNP，P代表添加相應(yīng)濃度的PEG-6000， 6和9分別代表水勢(shì)-0.6 MPa和-0.9 MPa。試驗(yàn)以SNP為NO供體，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每處理10缽，重復(fù)3次，為保證處理濃度穩(wěn)定，每隔2 d更換1次處理液，選擇室外溫度25 ℃時(shí)間歇性通入空氣，處理7 d后取樣測(cè)定各項(xiàng)指標(biāo)。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

株高和含水量：每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗5株，用精度為0.1 mm的電子游標(biāo)卡尺測(cè)定其絕對(duì)高度(cm)；全株用蒸餾水沖洗后用干凈的濾紙吸取表面附著的多余水分，用電子天平秤量鮮重Wf，將樣品放入烘箱105 ℃烘6 h至恒重，測(cè)得植株干重Wd，并按公式計(jì)算含水量。

干重和根冠比：每個(gè)處理隨機(jī)選取3缽，收集每缽植株的地上和地下部分，洗凈后放入烘箱，95 ℃殺青10 min，65 ℃下烘干至恒重并稱(chēng)量記錄，計(jì)算平均值，5次重復(fù)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2010 軟件處理數(shù)據(jù)和繪圖，Spss18.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，方差齊性檢驗(yàn)用Duncan新復(fù)極差法進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同水分脅迫強(qiáng)度對(duì)苜蓿幼苗生長(zhǎng)的影響

2.1.1 不同水分脅迫強(qiáng)度對(duì)苜蓿幼苗株高的影響 水分脅迫顯著抑制苜蓿幼苗地上部分的生長(zhǎng)(圖1)。不同苜蓿品種在不同水分脅迫條件下地上部分生長(zhǎng)的表現(xiàn)不同，抗旱性較強(qiáng)的苜蓿王在中度和重度水分脅迫下苜蓿幼苗的株高分別較CK降低了11.24%和17.61%,且差異顯著(P<0.05)，但6P和9P處理下無(wú)顯著差異；德寶屬于灌區(qū)豐產(chǎn)品種，其株高隨著水分脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)而持續(xù)降低(P<0.05)，在重度水分脅迫下苜蓿幼苗的株高較CK降低了28.13%。

圖1 不同水分脅迫下的苜蓿幼苗株高

2.1.2 不同水分脅迫強(qiáng)度對(duì)苜蓿幼苗干重的影響 苜蓿干物質(zhì)的積累也能夠作為抗旱評(píng)比的重要指標(biāo)之一。隨水分脅迫強(qiáng)度的增強(qiáng)，苜蓿幼苗干重變化存在品種差異(圖2)。德寶苜蓿幼苗干重隨著水分脅迫增強(qiáng)而顯著降低(P<0.05)，在6P和9P處理下苜蓿幼苗干重較CK分別降低了24.70%和26.91%，但這兩個(gè)處理間無(wú)顯著差異；在重度水分脅迫下苜蓿王幼苗干重較CK下降14.23%，且差異顯著(P<0.05)，而在中度水分脅迫下幼苗干重與CK無(wú)顯著差異。

圖2 不同水分脅迫下的苜蓿幼苗干重

2.1.3 不同水分脅迫強(qiáng)度對(duì)苜蓿幼苗根冠比的影響 植物的根冠比是衡量植物在某一特定環(huán)境下是否能正常生長(zhǎng)的重要標(biāo)志，也是顯示植物抗旱能力強(qiáng)弱的重要指標(biāo)之一，不同抗旱能力的苜蓿品種其根冠比在不同水分脅迫條件下表現(xiàn)不同。苜蓿王幼苗在水分脅迫強(qiáng)度增加時(shí)表現(xiàn)為先增高后降低(圖3)，且各處理間差異顯著(P<0.05)，在中度水分脅迫下其根冠比較CK增加了49.49%；德寶幼苗的根冠比隨著水分脅迫強(qiáng)度的增加而降低， 在中度和重度水分脅迫下其根冠比較CK降低了19.64%和22.67%(P<0.05)。

圖3 不同水分脅迫下的苜蓿幼苗根莖比

2.1.4 不同水分脅迫強(qiáng)度對(duì)苜蓿幼苗含水量的影響 水分脅迫能夠顯著降低2個(gè)苜蓿品種幼苗的絕對(duì)含水量，但抗旱性強(qiáng)的苜蓿王其幼苗含水量的降低幅度要小于德寶(圖4)。中度和重度水分脅迫下苜蓿王幼苗含水量較CK分別下降5.88%和6.14%(P<0.05)，而德寶較CK下降了15.38%和13.88%。

圖4 不同水分脅迫下的苜蓿幼苗含水量

2.2 外源NO對(duì)水分脅迫下苜蓿幼苗生長(zhǎng)的影響

2.2.1 外源NO對(duì)水分脅迫下苜蓿幼苗株高的影響 在中度水分脅迫下，外源NO能夠緩解水分脅迫對(duì)2個(gè)苜蓿株高的抑制作用(圖5)，苜蓿王和德寶幼苗株高分別比各自的6P處理提高了8.11%和20.39%。

圖5 外源NO在水分脅迫下的苜蓿幼苗株高

2.2.2 外源NO對(duì)水分脅迫下苜蓿幼苗干重的影響 水分脅迫條件下添加NO對(duì)不同苜蓿品種的幼苗干物質(zhì)積累存在品種差異(圖6)。經(jīng)NO處理能夠顯著提高水分脅迫下德寶苜蓿幼苗的干重，在中度和重度水分脅迫下分別較6P和9P處理提高了48.53%和37.88%。而對(duì)水分脅迫下苜蓿王幼苗干重?zé)o顯著影響(P>0.05)。

圖6 外源NO在水分脅迫下的苜蓿幼苗干重

2.2.3 外源NO對(duì)水分脅迫下苜蓿幼苗根冠比的影響 水分脅迫下,添加NO對(duì)2個(gè)苜蓿品種幼苗的根冠比影響不同(圖7)。正常水分條件和中度水分脅迫下，外源NO能顯著提高德寶幼苗的根冠比，分別較CK和6P處理提高了19.48%和17.80%(P<0.05)，而對(duì)重度水分脅迫處理下的苜蓿幼苗根冠比無(wú)顯著提高。

圖7 外源NO在水分脅迫下的苜蓿幼苗根冠比

2.2.4 外源NO對(duì)水分脅迫下苜蓿幼苗含水量的影響 添加NO可顯著提高中度和重度水分脅迫下德寶幼苗的含水量(P<0.05)，分別較6P和9P處理提高了8.38%和10.64%，以及9PS處理德寶幼苗的含水量較高(圖8)。

圖8 外源NO在水分脅迫下的苜蓿幼苗含水量

2.2.5 外源NO對(duì)相同水勢(shì)下苜蓿幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的促進(jìn)效應(yīng) 外源NO能夠不同程度提高相同水勢(shì)下2個(gè)苜蓿品種幼苗的生長(zhǎng)指標(biāo)，水分敏感型苜蓿德寶幼苗的各指標(biāo)相對(duì)增加量普遍高于抗旱性較強(qiáng)的苜蓿王幼苗，且添加外源NO對(duì)中度水分脅迫下2個(gè)苜蓿品種幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的促進(jìn)作用要高于重度水分脅迫下的苜蓿幼苗(表1)。

表1 外源NO對(duì)相同水勢(shì)下苜蓿幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)的促進(jìn)作用

3 討論

許多研究表明,干旱脅迫抑制植物株高，降低干物質(zhì)的積累，改變干物質(zhì)分配比例[7-10]。

干旱脅迫能夠限制苜蓿地上部分的生長(zhǎng)，不同抗旱性苜蓿品種表現(xiàn)不同?？购敌暂^強(qiáng)的苜蓿幼苗株高隨著水分脅迫強(qiáng)度增加而降低，但其下降的幅度較水分敏感型苜蓿低，這與Timothy J T等[11]所得出的結(jié)論相同。添加外源NO能夠顯著的提高中等水分脅迫下2個(gè)苜蓿品種幼苗的株高，說(shuō)明NO是一種逆境信號(hào)，在干旱發(fā)生時(shí)才能夠激活苜蓿幼苗體內(nèi)的抗旱應(yīng)答機(jī)制，以提高苜蓿對(duì)水分虧缺條件的適應(yīng)。而當(dāng)水分脅迫強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，NO所激活的抗旱應(yīng)答機(jī)制無(wú)法減少干旱對(duì)其造成的生長(zhǎng)抑制作用，即外源NO對(duì)水分脅迫下苜蓿幼苗的緩解作用有限。

當(dāng)水分成為植物生長(zhǎng)的限制因子時(shí)，植物將更多的能量和營(yíng)養(yǎng)輸送至根部，促進(jìn)主根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)和根幅，以促進(jìn)其吸收土壤深層水分，適應(yīng)水分的虧缺[12]。結(jié)果表明，抗旱性強(qiáng)的苜蓿能更好的通過(guò)改變地上和地下生物量積累來(lái)降低水分脅迫對(duì)其造成的影響，干旱敏感型苜蓿由于碳向地下組織的分配收到限制，因此，其地上和地下部分的生長(zhǎng)均受到抑制，這與LI C[13]在研究桉樹(shù)苗水分利用效率得出的結(jié)論相同。在中度水分脅迫下，添加NO能夠提高水分敏感型苜蓿將營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)向根部分配的比重，促使幼苗主根伸長(zhǎng)和側(cè)根向周?chē)臻g擴(kuò)展，以便更有效的汲取水分和養(yǎng)分，而對(duì)抗旱型苜蓿無(wú)顯著影響；在重度水分脅迫下，添加外源NO對(duì)苜蓿幼苗根冠比無(wú)顯著作用。

水分脅迫可顯著降低苜蓿幼苗干物質(zhì)的積累量，抗旱型苜蓿幼苗的干重只在脅迫下顯著低于CK，這與在研究水分脅迫對(duì)油菜種子萌發(fā)影響時(shí)所得出的結(jié)論相同[14]。外源NO能夠顯著提高水分敏感型苜蓿在重度和中度水分脅迫下苜蓿幼苗干物質(zhì)的積累量，而對(duì)抗旱性較強(qiáng)的苜蓿王幼苗的干重?zé)o影響，說(shuō)明添加外源NO可作為提高非抗旱苜蓿品種在干旱和半干旱地區(qū)產(chǎn)量的一種有效手段。

抗旱性苜蓿幼苗的抗旱保護(hù)機(jī)制使其能夠更好地從周?chē)h(huán)境中汲取水分，在干旱脅迫下維持較高的含水量，保證植株的正常生理代謝[15]。水分脅迫下經(jīng)NO處理的苜蓿幼苗具有較高的相對(duì)含水量，表明外源NO能夠提高幼苗的持水能力，維持植株體內(nèi)正常的水分運(yùn)輸，對(duì)提高苜蓿的抗旱性有顯著作用。外源NO對(duì)不同抗旱苜蓿品種幼苗的含水量影響不同，NO能提高重度水分脅迫下的苜蓿王幼苗的相對(duì)含水量，但對(duì)于中度水分脅迫無(wú)影響，說(shuō)明在中度水分脅迫下抗旱性強(qiáng)的苜蓿品種可依靠自身抗旱系統(tǒng)保證其體內(nèi)較高的水分含量，外源NO能提高抗旱性較差的德寶幼苗相對(duì)含水量。

4 結(jié)論

水分脅迫能夠顯著降低苜蓿幼苗的株高、干重和含水量，表明苜蓿幼苗在水分脅迫下生長(zhǎng)受到抑制，抗旱型不同的苜蓿品種表現(xiàn)不同，抗旱性強(qiáng)的苜蓿幼苗株高、干重和含水量的降低幅度較水分敏感型的要低，且能夠通過(guò)增加地下部分生長(zhǎng)來(lái)提高根系對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收，減少脅迫對(duì)其造成的影響。添加外源NO能夠顯著緩解中度水分脅迫強(qiáng)度對(duì)苜蓿幼苗生長(zhǎng)的抑制作用，而對(duì)重度水分脅迫下苜蓿幼苗生長(zhǎng)無(wú)顯著影響，說(shuō)明水分脅迫下外源NO對(duì)苜蓿幼苗生長(zhǎng)的緩解作用是有限的，且添加NO對(duì)水分敏感型苜蓿的緩解作用好于抗旱型苜蓿。

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