苜蓿不同留茬高度對(duì)低溫脅迫的響應(yīng)及抗寒能力評(píng)價(jià)

王 偉，賈玉山*，格根圖，降曉偉，尹 強(qiáng)

(1. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院 農(nóng)業(yè)部飼草栽培、加工與高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010018；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，呼和浩特 010010)

紫花苜蓿(MedicagosativeL)為多年生豆科牧草，因其產(chǎn)量高、品質(zhì)好、適應(yīng)性強(qiáng)而被廣泛種植，對(duì)我國(guó)北方草產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了舉足輕重的作用[1-3]。我國(guó)北方地理位置和氣候特殊，紫花苜蓿普遍存在越冬率低、根頸部易受凍害死亡的問題[4]。適度刈割會(huì)提高苜蓿越冬率，延長(zhǎng)其青綠期。刈割過高會(huì)造成草產(chǎn)量的損失，刈割過低則會(huì)損傷根頸部，如何確定其適宜留茬高度，是擺在苜蓿生產(chǎn)面前的一道難題[5]。遭受低溫脅迫時(shí)，根部會(huì)積累大量的脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖等，積累滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量不但可以降低植物細(xì)胞的水勢(shì)，增強(qiáng)細(xì)胞持水能力，還會(huì)在植物返青時(shí)提供一定的能量和物質(zhì)[6-8]；保護(hù)酶活性也是影響抗寒能力的因素，與越冬率有密切的關(guān)系[9-10]。

目前，有關(guān)根型、品種、播種方式等因素對(duì)苜?？购芰Φ挠绊懸延写罅垦芯縖11-13]，但對(duì)苜蓿末茬不同留茬高度和抗寒能力之間關(guān)系的研究還鮮有報(bào)道。因此，本試驗(yàn)參照當(dāng)?shù)胤N植常用 “金皇后”、“準(zhǔn)格爾”、“WL323”3個(gè)苜蓿品種為材料，分析測(cè)定不同刈割留茬高度處理下根內(nèi)滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、細(xì)胞膜質(zhì)過氧化和保護(hù)酶活性的變化，結(jié)合以上抗寒指標(biāo)的變化趨勢(shì)，采用隸屬函數(shù)法對(duì)3個(gè)品種末茬不同刈割留茬高度處理的抗寒能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為末茬苜蓿適宜留茬高度提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古包頭市九原區(qū)哈林格爾鎮(zhèn)西南部，地理位置為110°37′～110°25′E，40°3′～40°15′ N。試驗(yàn)地北部與蒙古國(guó)東戈壁省接壤，南臨黃河，東西接土默川平原和河套平原，陰山山脈橫貫中部。試驗(yàn)地屬半干旱中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年風(fēng)大雨少，年平均風(fēng)速1.2 m·s-1，年降水總量421.8 mm。全年平均氣溫為7.2 ℃，7月份平均溫度24.2 ℃，1月份平均溫度-9.8 ℃，無霜期為170 d，年日照時(shí)數(shù)2 882.2 h。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

“金皇后”、“準(zhǔn)格爾”和“WL323”苜蓿種子均由內(nèi)蒙古自治區(qū)草原站提供，3個(gè)苜蓿品種均為2012年5月20日種植，土壤類型相同，條播，播種量為12 kg·hm-2，播種前未施加任何底肥，播種后用機(jī)器鎮(zhèn)壓。人工除雜草，苜蓿返青期、現(xiàn)蕾期和入冬前分別灌溉1次，小區(qū)之間設(shè)置1 m保護(hù)帶。所選苜蓿種植年限為3年，均按完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為9 m2(3 m×3 m)。參照當(dāng)?shù)刎赘罴夹g(shù)，設(shè)置A0(0 cm)、A1(5 cm≥A1>0 cm)、A2(10 cm≥A2>5 cm)、A3(15 cm≥A3>10 cm)4個(gè)處理，3次重復(fù)。

1.3 取樣和測(cè)定方法

2015年8月20日進(jìn)行最后一次刈割，參照當(dāng)?shù)剀俎Ｊ斋@間隔(30 d左右)，于2015年9月至2016年4月，每月20日挖取試驗(yàn)材料根部，分析各項(xiàng)生理指標(biāo)值。

參照酸性茚三酮法分析脯氨酸含量，參照考馬斯藍(lán)G-250染色法測(cè)定可溶性蛋白含量，參照蒽酮比色法測(cè)定可溶性糖含量，參照硫代巴比妥酸法測(cè)定丙二醛含量，參照高錳酸鉀法分析過氧化氫酶活性，參照氮藍(lán)四唑光化還原法分析超氧化物歧化酶活性[14]，3次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2013和SAS 9.1處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。利用Fuzzy隸屬函數(shù)法[13]進(jìn)行綜合評(píng)定，公式：

式中，S(Xijk)為第i個(gè)品種第j個(gè)溫度第k項(xiàng)指標(biāo)的隸屬度，Xijk第i個(gè)品種第j個(gè)溫度第k項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定值，Xmin、Xmax分別為所有測(cè)試材料中第k項(xiàng)指標(biāo)的最小值和最大值。

2 結(jié) 果

2.1 試驗(yàn)區(qū)季節(jié)溫度變化

如圖1所示，試驗(yàn)地日均最高、最低溫度從10月開始下降，1月降至最低值，5月上升至最高值，試驗(yàn)地溫度整體呈“V”型變化。1月日均最高溫度在0 ℃以下，其他月份均在0 ℃或以上；日均最低溫度從11月降至0 ℃以下，4月份溫度上升至0 ℃以上。

圖1 試驗(yàn)地溫度變化Fig.1 Temperature variation in experimental area

2.2 末茬苜蓿不同留茬高度根內(nèi)可溶性糖含量變化

由表1可知，3個(gè)苜蓿品種不同留茬高度處理根內(nèi)WSS含量均呈先升后降的變化趨勢(shì)，9月開始各品種根內(nèi)WSS含量上升，1月達(dá)到峰值；除3、4月份外，不同品種WSS含量多少依次為“準(zhǔn)格爾”>“金皇后”>“WL323”，且基本上同一品種A3處理WSS含量均高于其他處理。2月氣溫回升，WSS含量仍較高，說明越冬期間苜蓿根內(nèi)WSS含量維持在較高水平上。翌年4月天氣回暖，WSS作為再生資源被利用，含量下降。

2.3 末茬苜蓿不同留茬高度根內(nèi)脯氨酸含量變化

由表2 可知，各處理根內(nèi)Pro含量隨氣溫變化呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。11月氣溫降至零攝氏度以下，各品種不同處理根內(nèi)Pro含量受低溫脅迫的影響上升，其中，Pro含量以1月20日“準(zhǔn)格爾”A3處理最高，以9月20日“金皇后”A0處理最低。至翌年4月，溫度回升，苜蓿返青，各品種不同處理Pro含量大幅度下降。

2.4 末茬苜蓿不同留茬高度根內(nèi)可溶性蛋白含量變化

由表3可知，各處理SP含量隨溫度變化呈先上升后下降的變化趨勢(shì)。從9月開始，各品種SP含量開始上升，其中，“金皇后”各處理SP含量在12月20日升至最高，“準(zhǔn)格爾”和“WL323”各處理SP含量在1月20日升至最高；進(jìn)入翌年1月份，隨著外界氣溫的回暖，各品種不同處理SP含量逐漸下降，在4月20日降至整個(gè)生育期最低值。

2.5 末茬苜蓿不同留茬高度根內(nèi)SOD活性變化

由表4可知，各處理SOD活性整體呈上升-下降-上升-下降或上升-下降的變化趨勢(shì)。“金皇后”、“WL323”和“準(zhǔn)格爾”各處理SOD活性分別在12月20日、1月20日和12月20日上升至最大，SOD活性最低值為4月20日各品種A0處理。

2.6 末茬苜蓿不同留茬高度根內(nèi)CAT活性變化

由表5可知，隨著外界溫度的降低，CAT活性呈先上升后下降的趨勢(shì)。9月20日、10月20日和12月20日期間，同品種不同處理CAT活性不同，且不同處理間差異不顯著(P>0.05)；11月20日，“金皇后”和“WL323”品種A0和A1處理的CAT活性差異不顯著(P>0.05)，但與A2和A3處理差異顯著(P<0.05)，“準(zhǔn)格爾”品種A1和A2處理的CAT活性差異不顯著(P>0.05)，與A0和A3之間差異顯著(P<0.05)。翌年1～3月，各品種不同處理根內(nèi)CAT活性降低，4月份降至最低。

2.7 末茬苜蓿不同留茬高度根內(nèi)MDA含量變化

由表6可知，各處理MDA含量整體上呈先降低后升高的變化趨勢(shì)。“金皇后”品種A0和A1處理MDA含量在1月20日降至最低，且與同期A2、A3處理差異顯著(P<0.05)，A2和A3處理MDA含量在2月20日降至最低，與同期A0、A1處理差異顯著(P<0.05)。“準(zhǔn)格爾”品種A0、A3和A1、A2處理MDA含量在分別2月20日和1月20日降至最低。“WL323”品種各處理MDA含量在11月20日降至最低，其中，A1和A3處理之間差異不顯著(P>0.05)，與其他處理差異顯著(P<0.05)。

2.8 低溫環(huán)境下3個(gè)苜蓿品種不同留茬高度處理抗寒能力綜合評(píng)價(jià)

牧草在遭受低溫脅迫時(shí)，受多種因素交互作用，單一的以其中一種指標(biāo)來判定這個(gè)生理生化反應(yīng)過程，很難準(zhǔn)確的反映牧草真正的抗寒能力。因此，利用隸屬函數(shù)值法對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)定量轉(zhuǎn)換后進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，綜合評(píng)價(jià)值越高，說明其抗寒能力越強(qiáng)，反之則弱。低溫環(huán)境下3個(gè)苜蓿品種不同留茬高度抗寒見圖2。

由圖2可知，苜蓿品種抗寒能力順強(qiáng)弱為準(zhǔn)格爾>金皇后>WL323，留茬高度處理抗寒能力強(qiáng)弱為A3>A2>A1>A0。

圖2 3個(gè)苜蓿品種不同留茬高度處理抗寒能力綜合評(píng)判Fig.2 Comprehensive evaluation of cold-resistance of 3 alfalfa cultivars with different stubble heights

3 討 論

低溫脅迫下，根內(nèi)貯藏性物質(zhì)含量是植物能否安全越冬的重要保障，已發(fā)現(xiàn)植物內(nèi)其含量的積累與細(xì)胞滲透濃度有直接關(guān)系[11-12,15]。本試驗(yàn)中，隨著環(huán)境溫度的降低，苜蓿根內(nèi)Pro和WSS含量均不同程度增加，增強(qiáng)了細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)能力，一定程度上抑制了體內(nèi)活性氧的過氧化作用，有效的降低了因過氧化作用對(duì)活性氧、膜脂和蛋白質(zhì)的消耗[16-18]。SOD和CAT是苜蓿遭受外界環(huán)境脅迫時(shí)的保護(hù)酶[19]，在遭遇低溫脅迫后其活性會(huì)增加，通過協(xié)同作用清除體內(nèi)活性氧和自由基，對(duì)細(xì)胞起到了一定的保護(hù)作用[20-22]。第二年氣溫回暖，貯藏性物質(zhì)含量減少，這是植物為了增加細(xì)胞保水能力而采取的一種保護(hù)措施；此時(shí)恰逢返青，物質(zhì)和能量代謝加快，此階段根內(nèi)營(yíng)養(yǎng)由庫(kù)端變?yōu)樵炊薣23]。

光合作用是牧草體內(nèi)十分復(fù)雜的生理生化過程，牧草抗寒性也依賴于葉片光和效率的改善和光合速率的提高[24]。本試驗(yàn)證明，苜蓿不同留茬高度處理根內(nèi)貯藏性物質(zhì)含量不同，主要是由于適當(dāng)?shù)牧舨缈梢栽鰪?qiáng)苜蓿葉片的光合能力，維持高凈光合速率時(shí)間較長(zhǎng)，有利于光合產(chǎn)物的積累，說明苜蓿保持適當(dāng)?shù)牧舨纾梢哉T導(dǎo)內(nèi)部調(diào)節(jié)產(chǎn)生有利于抗寒能力提高的應(yīng)激性反應(yīng)[25]。留茬過低苜蓿葉片光合作用受到抑制，光合速率降低；而留茬過高容易造成苜蓿產(chǎn)量的降低。有研究表明，不同留茬高度處理根內(nèi)貯藏性物質(zhì)含量不同，通過適當(dāng)?shù)牧舨缈梢蕴岣吣敛菘购芰26]，與本研究結(jié)果相同，因?yàn)槿~量是苜蓿光能利用、干物質(zhì)積累與分配、產(chǎn)量形成的重要基礎(chǔ)，適當(dāng)留茬為功能葉片提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，葉片產(chǎn)生的有機(jī)物遭遇低溫脅迫時(shí)由地上部分向根部輸送碳水化合物，為根部越冬提供了物質(zhì)和能量基礎(chǔ)，減輕細(xì)胞膜在逆境下遭受的傷害，增強(qiáng)了細(xì)胞的保水和持水能力，表現(xiàn)為苜蓿越冬率提高[27-28]。

苜蓿的抗寒能力受本身遺傳特性、生理構(gòu)造及形態(tài)學(xué)指標(biāo)的綜合影響，不同苜蓿品種對(duì)低溫脅迫的反應(yīng)不同。因此，單純的以某一種抗寒指標(biāo)很難評(píng)價(jià)植物對(duì)寒冷的適應(yīng)能力。隸屬函數(shù)法是通過分析多種抗寒指標(biāo)后，對(duì)植物抗寒能力做出的綜合評(píng)價(jià)[29-30]。本試驗(yàn)利用隸屬函數(shù)法對(duì)根內(nèi)SOD、CAT活性和MDA、WSS、Pro、SP含量6項(xiàng)生理指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)后，得出3個(gè)苜蓿品種抗寒能力強(qiáng)弱為準(zhǔn)格爾>金皇后>WL323，這與陶雅等[31]的研究結(jié)果一致，說明不同苜蓿品種由于其生理結(jié)構(gòu)的差異，導(dǎo)致其抗寒能力不同。同一苜蓿品種末茬不同留茬高度抗寒能力強(qiáng)弱為A3>A2>A1>A0。

4 結(jié) 論

在自然環(huán)境下不同苜蓿品種抗寒能力不同，本研究結(jié)果顯示，3個(gè)苜蓿品種抗寒能力強(qiáng)弱為準(zhǔn)格爾>金皇后>WL323，為了提高苜蓿抗寒能力，建議末茬留茬高度應(yīng)為10～15 cm。

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