干旱脅迫對不同根型苜蓿內源激素含量的影響

汪 堃，南麗麗，李景峰，梁鵬飛，陳 潔，魏少萍，劉 鑫

(甘肅農業大學草業學院，草業生態系統教育部重點實驗室， 甘肅 蘭州 730070)

干旱是制約植物生產力的主要因素之一，對植物生長、發育和農藝產量均有不利影響[1]。植物內源激素在調節植物對生物及非生物脅迫響應中具有重要作用，主要包括脫落酸(ABA)、玉米素(ZT)、生長素(IAA)、赤霉素(GA3)等。干旱脅迫下，植株各部位ABA含量均會增加，影響植物對干旱脅迫的抗性[2]；ZT能夠促進植物細胞的分裂，阻止葉綠素和蛋白質的降解，延緩植株衰老，減慢植株呼吸作用，保持細胞活力；IAA可以促進細胞生長及側根和不定根的發生[3-4]；GA3主要促進植物莖節的伸長生長和花芽分化，并參與根系發育[5]。植物對逆境的響應不是由單一激素的絕對含量決定，而是與各種植物激素的綜合調控有關[6]。同一激素在植物不同部位，其含量及作用不同；并且在植物的相同部位，激素含量不同，其發揮的作用也不同[7]。因此，研究植物體不同部位在干旱脅迫下的內源激素變化將有助于深入了解植物激素的作用機制及植物的耐旱機理。

苜蓿(Medicagosativa)是畜牧業生產中不可或缺的植物蛋白資源，也是我國當前草地農業和生態建設工程中應用最為廣泛的草種[8]。然而，日益加劇的干旱對苜蓿的種植面積和產量構成了嚴重威脅。苜蓿的根系類型可劃分為直根型、側根型、根蘗型和根莖型4類[9]。直根型苜蓿基因源主要來自于紫花苜蓿，根莖型、側根型和根蘗型苜蓿不同程度地具有野生黃花苜蓿的基因，其對干旱、嚴寒的抵抗力較強[10]。目前對不同根型苜蓿的根頸變化特征[11]、根系發育能力[12]、根系與產量的關系[13]、抗逆性[14-15]進行了較為豐富的研究，干旱脅迫下各根型苜蓿內源激素變化卻鮮見報道。本研究對播種當年和生長第2年各根型苜蓿進行不同梯度干旱脅迫處理，測定地上、地下部各根型苜蓿IAA、GA3、ZT和ABA等4種主要內源激素含量的變化，旨在進一步理解各根型苜蓿的耐旱機理，為不同根型苜蓿生產管理提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試苜蓿有：根莖型‘清水’紫花苜蓿(Rhizomatous rootedM.sativacv. ‘Qingshui’，QS)，系野生栽培馴化品種，兼具突出的生態地被和優質飼用價值；直根型“隴東”紫花苜蓿(Tap rootedM.sativacv. ‘Longdong’，LD)，系地方品種，耐旱性較強；根蘗型“公農4號”雜花苜蓿(Creeping rootedM.variacv. Martin ‘Gongnong No.4’，GN)，其根系強大，擴展性強。GN的種子由吉林省農科院提供，其余均由甘肅農業大學草業學院提供。

1.2 試驗設計

試驗于2020—2021年在甘肅農業大學草業學院植物生長室進行。采用沙培盆栽試驗，選用40 cm(高)×20 cm(盆底直徑)塑料盆為試驗用盆，取13 kg沙子用去離子水洗凈，置于105℃恒溫干燥箱烘48 h后裝入盆中，播種飽滿、均勻、無病蟲害的苜蓿種子，播種后每2 d澆灌500 mL Hoagland營養液，待長出兩片真葉時間苗。試驗采用二因素完全隨機設計，因素A為3個不同根型苜蓿品種，因素B為不同水分處理，分別為對照(CK)、中度(M)和重度(S)水分脅迫，通過稱重法每天補充水分使每桶含水量分別在河沙最大持水量的65%～75%、45%～55%和25%～35%脅迫范圍內，每個處理重復4次。在播種當年和生長第2年中待各根型苜蓿生長至分枝期(株高45 cm左右)時分別進行干旱脅迫處理，處理20 d后采集各根型苜蓿的葉、莖和根系，用蒸餾水沖洗干凈，葉和莖、根系分別剪碎混勻，裝入錫箔紙袋，液氮速凍后于-80℃超低溫冰箱保存，用于各項指標測定。

1.3 測定方法

采用烘干法測定10株苜蓿的地上、地下部干物質量并取平均值。將冷凍的地上、地下部樣品在液氮中快速研磨成粉末，用10 mL 80%色譜甲醇(超純水配制)分3次洗入15 mL離心管中，在4℃冰箱中浸提24 h，用高速冷凍離心機(4℃，10 000 r·min-1)離心15 min。吸取上清液用旋轉蒸發儀在40℃下濃縮除去甲醇，得到約2 mL的濃縮液，用50%的甲醇沖洗蒸發瓶瓶壁，最后定容至10 mL，用一次性針管吸取2 mL過0.22 μm有機膜，裝入1.5 mL離心管于四元梯度超快速液相色譜儀Waters Arc-2998 PDA Waters(沃特世公司，美國)進樣測定IAA、ABA、GA3、ZT含量[16-17]。

1.4 數據分析

用Excel 2007進行試驗數據處理并作圖，用SPSS 16.0統計軟件進行方差分析和相關分析，不同處理之間的差異采用Duncan’s方法進行比較。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對不同根型苜蓿地上、地下部內源激素含量的影響

由表1可知，在播種當年及生長第2年，隨干旱脅迫程度加劇，QS、LD、GN地上、地下部IAA和ZT含量均顯著降低(P<0.05)，在重度脅迫下，播種當年LD地上、地下部IAA、ZT含量均高于GN和QS，而生長第2年QS地上、地下部IAA含量均大于LD和GN，ZT含量在各根型苜蓿間差異不明顯，IAA、ZT的下降幅度地下部均大于地上部。播種當年QS、LD、GN地上、地下部GA3含量隨脅迫程度加劇顯著下降(P<0.05)，且GN地上部GA3含量顯著大于QS(P<0.05)，重度脅迫下LD地下部GA3含量顯著大于QS和GN(P<0.05)；生長第2年QS和GN在中度脅迫下GA3含量達到最高，且QS的地上、地下部GA3含量在重度脅迫下均顯著大于GN(P<0.05)；LD在重度脅迫下GA3含量達到峰值，其值顯著大于QS和GN(P<0.05)；GA3在播種當年的下降幅度和生長第2年的增加幅度均表現為地下部大于地上部。QS、LD、GN地上、地下部ABA含量隨脅迫程度加劇顯著上升(P<0.05)，播種當年各根型苜蓿在重度脅迫下最高，且QS地上、地下部ABA含量顯著高于GN和LD(P<0.05)；生長第2年QS和GN在中度脅迫下最高，且QS地上、地下部ABA含量顯著高于GN(P<0.05)，LD在重度脅迫下ABA含量最大，其地上、地下部ABA含量均顯著小于QS但大于GN(P<0.05)。

表1 干旱脅迫對不同根型苜蓿地上、地下部內源激素含量的影響/(ng·g-1)

2.2 干旱脅迫對不同根型苜蓿地上、地下部內源激素比例的影響

由表2可知，QS、LD、GN播種當年及生長第2年的IAA/ABA比值表現為地下部大于地上部，而不同部位間的GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值無明顯規律。隨脅迫程度加劇，播種當年IAA/ABA、GA3/ABA、(IAA+GA3+ZT)/ABA比值顯著降低(P<0.05)，生長第2年IAA/ABA比值顯著降低(P<0.05)、GA3/ABA比值先增加后降低(P<0.05)、(IAA+GA3+ZT)/ABA比值除地下部LD和GN外，亦表現為先增加后降低。同一干旱處理下，不同品種間，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA、(IAA+GA3+ZT)/ABA的比值基本表現為QS

2.3 干旱脅迫對不同根型苜蓿地上、地下部生物量的影響

由圖1可知，在播種當年及生長第2年，隨干旱脅迫程度增加，各根型苜蓿地上部干質量受到不同程度影響，與CK相比，重度脅迫下干質量下降，播種當年QS、LD、GN的地上部干質量較CK分別降低了28.55%、15.57%和31.99%，生長第2年較CK分別減少了49.25%、37.36%和20.25%；重度脅迫下，各根型苜蓿地下部干質量較CK變化趨勢有所差異，播種當年及生長第2年中，QS較CK分別下降了23.80%、23.63%，LD較CK分別增加了4.54%、28.65%，GN播種當年較CK降低了43.04%、生長第2年較CK上升了41.43%。

注：不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。

2.4 各根型苜蓿內源激素含量的相關性分析

由表3可知，播種當年和生長第2年中，各根型苜蓿地上、地下部ABA含量與IAA、GA3(生長第2年與GA3呈負相關但不顯著)、ZT、地上部干質量、地下部干質量呈顯著或極顯著負相關(P<0.05或P<0.01)；地上部IAA含量與GA3、播種當年地上部干質量呈極顯著或顯著正相關(P<0.05或P<0.01)；地下部IAA含量與播種當年GA3、ZT、地下部干質量呈極顯著或顯著正相關(P<0.05或P<0.01)；地上、地下部GA3含量與ZT、地上部干質量、地下部干質量呈極顯著或顯著正相關(P<0.05或P<0.01)；地上、地下部ZT含量與地上部干質量、播種當年地下部干質量呈極顯著(P<0.01)正相關。

表3 干旱脅迫下苜蓿內源激素含量相關性

3 討 論

3.1 干旱脅迫對各根型苜蓿內源激素含量的影響及其與地上、地下部干物質積累的關系

植物內源激素是一類重要的生長調節物質。IAA、GA3和ZT是生長促進激素，干旱脅迫可使其含量降低，減緩植株生長速率，以緩解水分不足對植株正常生理活動的壓力；品種抗旱性越強，自身調節能力越大，干旱脅迫下其含量合成越少[18]。ABA是抑制生長的激素，干旱脅迫下ABA含量增加，促進氣孔關閉以降低蒸騰失水，同時促進根系吸水，增強植株的抗旱能力[19]；ABA 參與干旱脅迫下植物根系發育，是干旱條件下維持根系生長的必需激素[20]；ABA還可促進同化物向庫的運輸[21]。

本研究中，地上部干質量與葉莖GA3、IAA和ZT含量呈顯著或極顯著正相關(種植當年地上部干質量與IAA呈正相關但不顯著)，說明干旱脅迫條件下，葉莖IAA和ZT含量下降導致葉莖生長減弱，光合作用下降，干物質積累降低；與葉莖ABA含量呈顯著負相關，說明干旱條件下ABA含量增加使細胞代謝變緩，莖葉生長緩慢，干物質積累降低，進而減少水分過度消耗，是抵御干旱脅迫的應激反應。地下部干質量與根系GA3、IAA和ZT含量呈顯著或極顯著正相關(種植當年地下部干質量與ZT呈正相關但不顯著)，說明IAA含量降低限制了光合產物向根系運輸，ZT含量下降影響同化物向庫器官運輸；與根系ABA含量呈顯著負相關，說明干旱脅迫下，ABA 作為一種信號物質，由根系迅速感知脅迫信號，以ABA的形式將干旱信息傳遞到地上部，使植株代謝活動減弱，進而在形態和生理等方面發生與脅迫相適應的變化，以提高自身的抗旱力，而中、重度脅迫下，QS、GN地下部ABA含量小于地上部，表明根莖型、根蘗型苜蓿有助于減緩植株衰老。

播種當年，干旱脅迫使各根型苜蓿地上、地下部GA3、IAA和ZT含量顯著降低，這與張海燕等[22]對甘薯的研究結果一致；生長第2年干旱脅迫使各根型苜蓿地上、地下部IAA和ZT含量顯著下降，而GA3含量顯著升高，這與劉長海等[23]對蘋果砧木、王霞等[24]對檉柳及滿達等[25]對差巴嘎蒿的研究結果相一致。JACKSON等[26]認為在逆境脅迫下，GA3可作為植物生長的負調控信號，減緩植物生長，苜蓿為了更好地適應干旱脅迫，使得GA3含量增加。同一干旱條件下，各根型苜蓿地下部GA3、IAA、ZT的變化幅度大于地上部，因根系是植物最先感知土壤環境變化的器官，亦是多種植物激素的主要生物合成器官，說明這3種內源激素含量在根系中的變化規律較葉片更具代表性。

3.2 干旱脅迫對各根型苜蓿內源激素比值的影響

植物受到干旱脅迫時，其體內的激素之間存在著對抗、協同等特性，激素的比值反映了激素對植物的綜合調控能力[27]。IAA/ABA的比值變化影響植物器官生長與脫落，GA3/ABA影響種子萌發、性別分化及植物休眠等生理活動，(ZT+IAA+GA3) /ABA可反映幾種激素的平衡狀態[9]。本研究中，播種當年各根型苜蓿地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA隨干旱脅迫加劇呈降低趨勢，表明各根型苜蓿各部位對干旱脅迫表現出一致的抵抗和耐受；生長第2年各根型苜蓿地上、地下部IAA/ABA隨干旱脅迫程度增加呈下降趨勢，而GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA基本呈先增加后降低趨勢，表明干旱脅迫在各根型苜蓿內部建立新的激素間平衡，適應干旱脅迫并繼續使其生長發育[28]；播種當年及生長第2年，同一干旱脅迫下，不同品種間GA3、IAA和IAA+GA3+ZT這3組激素與ABA的比值地上、地下部基本表現為QS

4 結 論

干旱影響內源激素的合成，抑制各根型苜蓿的生長。隨干旱脅迫程度增加，播種當年及生長第2年中，根莖型、直根型、根蘗型苜蓿地上、地下部ABA含量均顯著增加，IAA和ZT含量均顯著降低；GA3含量播種當年顯著下降而生長第2年顯著增加。播種當年，隨干旱脅迫加劇，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值及干質量均顯著下降；生長第2年地上、地下部IAA/ABA比值顯著降低，GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值基本呈先升高后降低趨勢。ABA與GA3、IAA、ZT、地上、地下部干質量基本呈顯著或極顯著負相關。同一干旱脅迫下，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值基本表現為根莖型苜蓿最低，直根型最高，綜合表明直根型苜蓿較根莖型和根蘗型苜蓿在應對干旱脅迫時適應能力較差。