根際高溫對德欽苜蓿形態(tài)特征及水分狀況的影響

李孟南，張譽(yù)穩(wěn)，畢玉芬，趙雁

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)園林園藝學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

土壤溫度影響植物根系物理、化學(xué)及生物過程，是土壤呼吸最重要的驅(qū)動因子[1-2]。氣溫和土溫存在較強(qiáng)的相關(guān)性[3]，0-20cm土層溫度易受大氣溫度的影響[4]，5cm深的土溫與1m、7m和38m高處的氣溫呈正相關(guān)(R2=0.96-0.97)[5-6]。0-25cm土層的根際溫度[7]超過25±時，將影響植株的生長[8]。研究表明，與地上部分相比，根系對溫度變化更敏感[9]，根際高溫比空氣高溫對植物的影響更大[10]。根際高溫影響小麥(Triticumaestivum)、黃瓜(Cucumissativus)、蘋果(Maluspumila)、匍匐翦股穎(Agrostisstolonifera)等多種植物的生長發(fā)育[11]、光合作用[12]、呼吸作用[13]、離子吸收[14]、抗氧化酶活性[15]和激素水平[16]。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是優(yōu)質(zhì)的豆科(Leguminosae)牧草[17]，具有抗性強(qiáng)、花期長、低養(yǎng)護(hù)和根系發(fā)達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，在南方四季常綠，觀賞價值較高，是理想的園林景觀地被植物和生態(tài)護(hù)坡植物[18-19]，但南方高溫天氣制約了紫花苜蓿的推廣和應(yīng)用。由于紫花苜蓿約78%的側(cè)根發(fā)生于0-20cm的土層[20]，60%-90%的根系生物量分布于0-30cm的土層[21]，其根系的生長發(fā)育受氣溫影響較大。前人對空氣高溫影響紫花苜蓿地上部分生長發(fā)育進(jìn)行了探索[22-25]，但鮮見根際高溫影響紫花苜蓿生長的研究報(bào)道。本研究以云南地方品種德欽苜蓿(‘Deqin’)為材料，分析不同根際溫度對其形態(tài)特征和水分狀況的影響，為德欽苜蓿進(jìn)一步推廣利用以及開展紫花苜蓿耐熱性評價和育種工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

材料為德欽苜蓿。

1.2 幼苗培養(yǎng)和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用紙培法將消毒的德欽苜蓿種子浸種萌芽后，移栽至花盆，栽培基質(zhì)為滅菌泥炭土，置于人工氣候箱中，在溫度為25/20℃(晝溫/夜溫)、光周期為16h/8h(白天/黑夜)、相對濕度為65%、光照強(qiáng)度為400μmol/m2s的條件下栽培12周，每2d澆霍格蘭營養(yǎng)液200mL，上下左右移動花盆位置。將健康、長勢一致的植株移入根際溫度為18/16℃(CK)的20孔水培箱，箱外用錫箔紙和聚乙烯氣泡墊包裹，箱內(nèi)安置增氧泵24h運(yùn)作。適應(yīng)7d后，水培箱底放置加熱棒進(jìn)行脅迫處理。

采用二因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，用恒溫和變溫2種方式對德欽苜蓿進(jìn)行根際高溫脅迫，各設(shè)5個溫度梯度，恒溫為18/18℃(晝溫/夜溫，對照，CK1)、25/25℃、30/30℃、35/35℃、40/40℃，變溫為18/16℃(對照，CK2)、25/22℃、30/27℃、35/32℃、40/37℃。其余生長條件不變。取樣時間設(shè)5個水平，脅迫0h、12h、24h、48h、72h后取樣測定相關(guān)指標(biāo)。所有處理均重復(fù)3次，每次取樣不少于3株苗。

1.3 測定方法

1.3.1 形態(tài)指標(biāo)

根據(jù)處理時間進(jìn)行觀察，記錄樣株的生長狀況，分別測定葉寬[26]、葉片與主莖夾角[27]、總?cè)~數(shù)[28]、株高[26]、根系長度及根毛新生數(shù)[29]。

1.3.2 生理指標(biāo)

相對含水量(RWC)和相對電導(dǎo)率(EL)的測定參照趙雁等[30]的方法。

1.3.3 高溫脅迫指標(biāo)

高溫脅迫期間被測指標(biāo)的相對增長率=(測量值-對照值)/對照值×100%，正值表示增加，負(fù)值表示下降[22]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2012進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)和SPSS 18.0進(jìn)行多重比較和方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 根際高溫對德欽苜蓿植株形態(tài)的影響

根際高溫影響德欽苜蓿植株形態(tài)，但恒溫和變溫兩種處理的影響并無明顯差異。處理72h后，在恒溫25/25℃和變溫25/22℃處理?xiàng)l件下，德欽苜蓿植株外形無明顯變化；溫度升至恒溫30/30℃和變溫30/27℃時，部分植株的下部葉片開始出現(xiàn)葉尖黃化、葉緣焦枯的現(xiàn)象；在恒溫35/35℃和變溫35/32℃脅迫下，多數(shù)植株葉片褪綠黃化、葉緣焦枯；植株在恒溫40/40℃和變溫40/37℃脅迫下受害嚴(yán)重，上部葉片失水萎靡、反卷，下部葉片完全黃化、焦枯，葉片開始脫落，根系變軟且呈現(xiàn)暗褐色。

2.2 根際高溫對德欽苜蓿地上部分生長的影響

在恒溫和變溫條件下，溫度因子顯著影響德欽苜蓿株高、總?cè)~數(shù)、葉寬、葉片與主莖夾角(P<0.01)。時間因子對株高、總?cè)~數(shù)、葉寬無影響，對葉片與主莖夾角影響顯著(P<0.01)。僅恒溫下溫度與時間因子對葉片與主莖夾角存在互作(P<0.01)，其余溫度與時間之間無交互作用(表1)。

株高在恒溫25/25℃和變溫25/22℃時，顯著低于對照(表2)；在恒溫40/40℃和變溫40/37℃時，株高累計(jì)增長率最低，分別為對照的2.89%和4.84%?？?cè)~數(shù)在恒溫25/25℃和變溫30/27℃時顯著降低，但在變溫25/22℃時有小幅上升。溫度繼續(xù)升高，恒溫處理的德欽苜蓿出現(xiàn)不同程度落葉，恒溫40/40℃時總?cè)~數(shù)為負(fù)。葉寬在恒溫30/30℃和變溫30/27℃時顯著降低，僅分別為對照的19.84%和18.99%，在恒溫40/40℃和變溫40/37℃時降到最低，累計(jì)增長率分別為-10.86%和-9.84%。葉片與主莖夾角在變溫30/27℃時夾角顯著增加，40/37℃時累計(jì)增長率最大，達(dá)62.98%；在恒溫40/40℃時葉片與主莖夾角累計(jì)增長率最大，達(dá)73.52%。

表1 根際高溫脅迫下德欽苜蓿形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)方差分析

注：**表示差異極顯著(P<0.01)，*表示差異顯著(P<0.05)。

表2 根際高溫脅迫下德欽苜蓿地上部分形態(tài)指標(biāo)增長率的變化

續(xù)表2

形態(tài)指標(biāo)根際溫度/℃根際溫度脅迫處理時間/h0h12h24h48h72h累計(jì)增長率/%葉寬18/180.00±0.001.42±0.962.70±1.383.97±0.324.71±1.1812.80±1.40 c25/250.00±0.001.26±0.401.82±0.653.50±0.184.15±0.7910.73±1.89 c30/300.00±0.000.22±0.200.34±0.240.95±0.221.03±0.312.54±0.30 b35/350.00±0.000.11±0.080.00±0.00-0.43±0.19-0.72±0.21-1.04±0.58 b40/400.00±0.00-0.64±0.31-1.53±0.43-3.83±1.29-4.86±0.37-10.86±1.18 a0.00±0.00 A2.37±0.00 B3.33±0.00 B4.61±0.00 C4.31±0.00 C18/160.00±0.001.45±0.872.72±0.733.81±1.214.55±0.5412.53±0.93 c25/220.00±0.001.21±0.231.77±0.633.17±1.423.91±1.1710.06±1.16 c30/270.00±0.000.13±0.020.52±0.230.82±0.440.91±0.222.38±0.16 b35/320.00±0.000.10±0.060.00±0.00-0.42±0.24-0.64±0.37-0.96±0.25 b40/370.00±0.00-0.71±0.54-1.66±0.11-3.02±0.49-4.45±0.70-9.84±1.21 a0.00±0.00 A2.18±0.00 B3.35±0.00 C4.36±0.00 D4.28±0.00 D葉片與主莖夾角18/180.00±0.000.00±0.004.01±1.154.34±2.174.63±1.9412.98±3.23 a25/250.00±0.002.05±1.064.16±2.086.13±0.076.82±3.4619.16±4.34 a30/300.00±0.003.61±1.826.04±2.849.08±1.0312.56±1.6431.29±3.52 a35/350.00±0.003.63±1.806.62±1.099.64±0.8913.29±1.8233.18±1.57 a40/400.00±0.005.16±2.8610.30±2.5723.22±2.6434.84±2.9673.52±4.12 b0.00±0.00 A14.45±1.43 B31.13±2.01 C52.41±1.87 D72.14±2.54 E18/160.00±0.000.00±0.004.10±1.104.12±2.404.81±1.1513.03±1.18 a25/220.00±0.001.43±0.133.55±1.194.23±1.174.90±1.2514.11±1.21 a30/270.00±0.001.32±0.193.24±1.076.57±1.258.46±3.0719.59±2.69 b35/320.00±0.002.44±0.816.74±2.367.90±1.0110.35±0.9827.43±1.87 b40/370.00±0.004.76±0.9811.77±3.0820.03±3.6926.42±2.3962.98±1.85 c0.00±0.00 A9.95±0.6919.40±2.31 C42.85±1.58 D 54.94±1.96 E

注：小寫字母表示橫向差異顯著(P<0.05)；大寫字母表示縱向差異顯著(P<0.05)，下同。

德欽苜蓿株高分別在恒溫處理48h以及變溫處理24h時顯著上升。總?cè)~數(shù)在處理24h后顯著增加。在恒溫和變溫脅迫下，12h后葉寬、葉片與主莖夾角顯著變化。

2.3 根際高溫對德欽苜蓿地下部分生長的影響

在恒溫和變溫條件下，溫度和時間因子均顯著影響根毛新生(P<0.01)，溫度與時間存在互作(P<0.01)。溫度因子對根長影響顯著(P<0.01)，時間因子對根長無影響，溫度與時間無交互作用(表3)。

隨根際溫度的升高，根長和新生根毛量的變化趨勢為先上升后下降(表3)。根長和新生根毛量在恒溫30/30℃和變溫30/27℃時顯著高于其余根際溫度(P<0.05)。此后，溫度升高抑制根的伸長生長和新根產(chǎn)生，在恒溫40/40℃和變溫40/37℃時降至最低(P<0.05)，根長累計(jì)增長率僅分別為-0.8%和-0.1%，并且沒有新生根毛。在恒溫和變溫脅迫下，12h后根毛新生數(shù)顯著上升；24h后根長顯著增加(P<0.05)。

2.4 根際高溫對德欽苜蓿相對含水量(RWC)的影響

在恒溫和變溫條件下，溫度和時間均顯著影響葉片和根系的RWC(P<0.01)，僅葉片RWC在溫度與時間因子間存在互作(P<0.01)(表1)。德欽苜蓿葉片和根系在同一溫度下，隨著時間的延長，其RWC均呈下降趨勢，而隨溫度的上升，下降幅度增大。相比根系，葉片RWC下降幅度更大。在恒溫和變溫脅迫下，12h后葉片和根系的RWC均顯著降低(P<0.05)；72h后RWC均降至最低。在恒溫25/25℃和變溫25/22℃處理72h時，葉片RWC分別比對照下降了7.06%和5.63%，根系RWC降幅僅為4.16%和3.00%(圖1，A、B、C、D)。在恒溫40/40℃和變溫40/37℃脅迫72h后，葉片RWC降到最低，降幅分別為11.57%和9.45%；此時根系RWC也降到最低，降幅分別為8.01%和6.76%(圖1，A、B、C、D)。

表3 根際高溫脅迫下德欽苜蓿地下部分形態(tài)指標(biāo)增長率

圖1 根際高溫對德欽苜蓿葉片和根系相對含水量的影響

2.5 根際高溫對德欽苜蓿相對電導(dǎo)率(EL)的影響

在恒溫和變溫條件下，溫度和時間均顯著影響葉片和根毛的EL值(P<0.01)，且因子間存在互作(P<0.01)(表1)。葉片和根系的EL都隨著根際溫度的上升及脅迫時間的延長而升高。在恒溫和變溫脅迫下，12h后葉片和根系的EL均顯著升高(P<0.05)；72h后EL值升至最高。與對照相比，在恒溫25/25℃和變溫25/22℃脅迫72h后，葉片EL分別增加了81.94%、77.61%；在恒溫40/40℃和變溫40/37℃處理下增幅達(dá)115.06%、97.32%(圖2，A、B)。根系EL在恒溫30/30℃和變溫30/27℃脅迫下分別比對照增加了120.89%和92.86%；在恒溫40/40℃和變溫40/37℃處理72h后增幅最大，達(dá)196.73%、185.58%(圖2，C、D)。

圖2 根際高溫對德欽苜蓿葉片和根系相對電導(dǎo)率的影響

3 結(jié)論與討論

3.1 根際高溫對德欽苜蓿植株外形和生長的影響

形態(tài)變化是植物對高溫脅迫最直接的反應(yīng)[31]，根際高溫對植株形態(tài)以及地上/地下部分的生長具有顯著的影響[32]。德欽苜蓿在高于25℃根際高溫條件下，地上部分生長受抑制，出現(xiàn)葉片發(fā)黃、卷曲、焦邊、莖葉下垂等癥狀，葉寬、總?cè)~數(shù)和株高增長急劇下降，這與生菜(Lactucasativa)[33]、辣椒(Capsicumannuum)[34]、冬小麥[35]等多數(shù)植物的研究結(jié)果一致。此外根際溫度高于25℃，則匍匐翦股穎的根和新生根毛停止生長[36]，一品紅(Euphorbiapulcherrima)根系停止活動[37]，番茄(Lycopersiconesculentum)根系的長度、表面積和體積均顯著降低[38]。但德欽苜蓿在白晝根際溫度為25-30℃時，根系的長度及新生根毛數(shù)卻顯著增加，這一現(xiàn)象在向日葵(Helianthusannuus)[39]、棉花(Gossypiumhirsutum)[40]、大豆(Glycinemax)[41]上有報(bào)道，根系并不是被動地受根際溫度的影響，而是通過反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，進(jìn)行功能補(bǔ)償作用對不良根際高溫做出適應(yīng)性反應(yīng)，以減少傷害[42]，但德欽苜蓿的具體調(diào)節(jié)機(jī)制尚不清楚。在40℃的根際溫度下，德欽苜蓿株高、總?cè)~數(shù)、葉寬、根長和根毛新生幾乎停止增長，這與郭傳友等[43]對彩椒(Colorpepper)、馮玉龍等對番茄[44]和莧菜(Amaranthustricolor)的根際高溫研究結(jié)果一致，40℃是德欽苜蓿生長的上限溫度。

3.2 根際高溫對德欽苜蓿植株水分狀況的影響

根際高溫加速根木質(zhì)化，降低吸水面積和速率，影響植物水分吸收和體內(nèi)水分運(yùn)輸[41]，進(jìn)而影響細(xì)胞膜的穩(wěn)定性導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)電解質(zhì)的滲漏[45]，這在番茄[46]、生菜[33,47]和黃瓜[10,48]等植物上已得到證實(shí)。根際高溫處理后，德欽苜蓿的葉片與根系RWC均呈現(xiàn)下降趨勢，同時EL增大，但葉片的RWC降幅大于根系，這可能是由于葉片蒸騰面積與根系吸水面積之比增大[10]或是因?yàn)楦H高溫改變根系細(xì)胞膜的生理生化代謝，影響根細(xì)胞的熱穩(wěn)定性，從而降低吸收水分的能力[49]。根際高溫影響德欽苜蓿植株的水分狀況。