圍欄封育和自由放牧對伊犁絹蒿生長規律和內源激素的影響

侯鈺榮,柯 梅,李 超,蘭吉勇,康 帥,靳俊鵬,魏鵬

(新疆畜牧科學院草業研究所,烏魯木齊 830000)

0 引 言

【研究意義】伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)是蒿屬荒漠草地主要建群種植物之一[1-2]。如長期過度放牧,伊犁絹蒿形態發生變化,逐漸出現矮化、小型化、老化,在群落中的占有率也越來越少,甚至消失,取而代之的是角果藜(CeratocarpusarenariusL.)和叉毛蓬(Petrosimoniasibirica(Pall.)Bunge)等一年生植物[3-4],草場質量等級大幅度降低,草場的有效利用率大大減小[5]。草地植物表型除了受植物自身基因表達以外,放牧對其有直接性影響。因此,對比分析長期自由放牧和圍欄封育的伊犁絹蒿其形態特征和內源激素含量變化,分析圍欄封育效果,對退化的蒿屬荒漠草地生態系統中植被恢復有重要意義。【前人研究進展】重度放牧使糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)的株高和葉長顯著降低,使其莖粗顯著增加[6]。隨著放牧強度的增加,冰草(Agropyroncristatum)的株高和生物量降幅最大,其次是根長和根表面積[7]。在重度放牧條件下,克氏針茅(Stipakrylovii)株高變矮、葉片數和分蘗數變少、葉片變短變窄,植株基部莖粗與葉片厚度減小[8]。植物表型特征往往與植物體外源激素和內源激素也密切相關[9-10]。目前,針對外源激素對牧草產量影響的相關報道較多[11-13],與之相關的內源激素報道較少[14-15]。植物內源激素是微量的、自然產生的物質,具有特異性的化學性質和結構,這些化合物通過復雜的信號轉導途徑調節植物生長發育,表現出控制細胞分化和增殖的網絡反饋調節[16]。牧草生長發育和種子打破休眠同樣受內源激素調控[17],脫落酸(ABA)可提高羊草的產量和品質[18],土壤鹽堿化程度與羊草葉片生長素和赤霉素含量[19]呈顯著負相關關系,與羊草葉片脫落酸含量呈顯著正相關關系[20]。種子解除休眠后,體內生長素(IAA)含量改變[21]。【本研究切入點】圍欄封育是目前退化草地治理最有效、最廣泛的措施之一[22],在促進植被自然更新[23]、改變草地植物群落結構[24]、提高土壤養分[25]、增加草地固碳能力[26-27]和提高生產力等占據絕對優勢[28]。需研究圍欄封育和自由放牧對伊犁絹蒿生長規律和內源激素水平的影響。【擬解決的關鍵問題】分析圍欄封育(4年)和長期自由放牧(165只綿羊/hm2)的伊犁絹蒿的表型特征、葉片、莖、根系內源激素的變化特征及二者之間的相互關系,研究圍欄封育對伊犁絹蒿恢復生長的影響以及各指標與內源激素的關系及圍欄封育效果,為退化的蒿屬荒漠草地生態系統中植被恢復研究提供理論參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗樣地設置于新疆畜牧科學院草業研究所的荒漠草地固定監測站(E 86°07′19.41″,N 44°02′23.32″),海拔940～990 m,年平均氣溫4.7℃,最高氣溫35℃,最低氣溫-30℃左右。年降水量為240 mm,蒸發大,降雨少,無霜期163 d,主要土壤類型為栗鈣土。建群種為伊犁絹蒿,伴生種為木地膚(Kochiaprostrata)、叉毛蓬和角果藜等,主要用于春秋放牧利用[29]。試驗地于2016年8月圍欄封育。圍欄封育前,放牧家畜為綿羊,放牧強度為165只羊/hm2,利用時間為每年春季和秋季各2個月,利用方式為長期放牧,伊犁絹蒿株數為5～9株/m2,株高平均13 cm,分枝數3～8個/株。自由放牧樣地延續傳統放牧制度,放牧強度和利用時間與圍欄封育前保持一致。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

2020年8月,伊犁絹蒿營養生長停止,逐步進入開花期。在圍欄封育4年的樣地內和傳統自由放牧的樣地內分別設置3條固定樣線,每樣線長200 m,每樣線每隔5 m設置1個樣方,監測樣方內伊犁絹蒿、挖取單株、采集葉片、莖和根系樣品,密封袋貼標簽帶回實驗室。

1.2.2 指標測定

1.2.2.1 生長指標

高度(Plant height,PH):采用卷尺測量伊犁絹蒿的自然高度,每樣方測量5株,每處理測量600株,求其均值;

蓋度(Plant coverage,PC):采用蓋度框法測定,每處理測定120次,求其均值,取整;

密度(Plant density,PD):采用現場計數法,每樣方計數1次,每處理計數120次,求其均值,取整;

生物量(Biomass,B):采用現場將每樣方內的伊犁絹蒿齊地面刈割后,分別裝袋,帶回實驗室置80℃烘干至恒重,稱其干重;

一級分枝(Primary branch number,PBN):由伊犁絹蒿根部萌生的分枝。采用計數法,每樣方隨機計數5株,每處理計數120株,求其均值,取整;

二級分枝(Secondary branch number,SBN):在一級分枝上生長的枝條為二級分枝;單株葉片、莖和根系干重等。

每樣方挖取單株1株(根系挖取15×15×20 (cm3)),每處理挖取120株,分別裝入密封袋帶回實驗室,將葉片、莖、根(根系帶回后用流動水沖洗掉泥土,立即將根系)分別置80℃烘干至恒重,稱其干重。

1.2.2.2 內源激素指標

(1)內源激素取樣

在監測樣方的同時,在固定樣線上,每處理隨機選取10株單株,采集其葉片、莖和根系(根系挖取15×15×20 (cm3)),將同一處理同一部位的樣品混合后,分成3份,分別裝入保鮮袋中,根系用流動水沖洗干凈后與葉片和莖一起放入干冰中保存留用于內源激素測定。

(2)內源激素測定

測定指標包括:IAA、細胞分裂素(CTK)、赤霉素(GAs)、ABA、乙烯(ETH)。

樣品提取:稱取研磨好的樣品100 mg,加入氧化鋯珠,加入1 mL提取液(乙腈∶水=1∶1),提取液中加入少量抗氧化劑(二乙基二硫代氨基甲酸鈉),冰上提取4 h,4℃條件下12 000 r/min離心10 min,取上清。

樣品純化:MAX小柱活化:依次用4 mL甲醇、2 mL 0.1 mol氨水溶液活化小柱;上樣:樣品經真空濃縮后,加入0.1 mol氨水溶液定容至2 mL,過MAX小柱;淋洗:依次用2 mL 0.1 mol氨水溶液,2 mL 0.1 mol氨水60%甲醇溶液淋洗;洗脫:加入0.2 mL甲醇溶解,上機。

儀器色譜參數:色譜系統采用的是Waters超高效液相系統(AcQuity UPLC,Waters, USA),根據化合物的性質,采用Waters HSS T3(50 mm×2.1 mm,1.8 μm)液相色譜柱,進樣量為μL,柱溫為40℃;流動相0.1%乙酸-乙腈,流動相0.1%乙酸-水。

質譜參數:質譜系統采用的是美國Thermo公司的Q exactive高分辨質譜檢測系統,配有電噴霧(ESI)離子源和Xcalibur工作站。優化質譜分析條件如下:鞘氣40、輔助氣10、離子噴霧電壓-2 800 V、溫度350℃、離子傳輸管溫度320℃。

定量結果:樣品中各組分含量(ng/mg)=C×V/M,其中,C為儀器讀取的濃度;V為樣品提取液體積;M為樣品稱取總量。

1.3 數據處理

采用SPSS17.0進行數據處理,單因素方差分析采用Duncan 法多重比較兩處理間的差異顯著性(P<0.05或P<0.01);采用Excel2007制圖。

2 結果與分析

2.1 圍欄封育和自由放牧對伊犁絹蒿生長趨勢的影響

研究表明,圍欄封育和自由放牧條件下的伊犁絹蒿表型特征和生長趨勢差異極顯著(P≤0.01),圍欄封育的伊犁絹蒿株高與自由放牧株高相比,提高了2.57倍,生物量是自由放牧的29.73倍,一級分枝是自由放牧的7倍,葉片干重是自由放牧的7.87倍,莖干重是自由放牧的5.21倍,根系干重是自由放牧的5.64倍。表1

表1 圍欄封育和自由放牧下伊犁絹蒿生長趨勢變化

2.2 圍欄封育和自由放牧對伊犁絹蒿各器官內源激素含量的影響

研究表明,伊犁絹蒿屬于多年生半灌木植物,返青早,且在每年的7月營養生長達到旺盛時期,8月各器官的形態數量指標已達到年內峰值,體內激素水平相對處于較穩定狀態。圍欄封育和自由放牧對伊犁絹蒿葉片生長素(IAA)、赤霉素(GAs)和乙烯(ETH)含量差異不顯著,僅對細胞分裂素(CTK)和脫落酸(ABA)含量有影響,且差異顯著(P<0.05%)。圍欄封育和自由放牧對伊犁絹蒿莖內源激素含量影響較大,除了赤霉素(GAs)在兩個處理間差異不顯著以外,其他指標在兩個處理間差異均極顯著(P<0.01%),且IAA、CTK和ETH含量都是圍欄封育處于較高水平,僅有ABA含量是自由放牧處于較高水平。圍欄封育和自由放牧對伊犁絹蒿根系內源激素影響較小,僅ETH含量在二者之間差異顯著(P<0.05%)。雖然IAA、ABA、GAs和CTK含量在兩個處理間差異不顯著,但都是圍欄封育處理處于較高水平。圖1～3

注:不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05),不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。下同

圖2 圍欄封育和自由放牧下伊犁絹蒿莖內源激素變化

圖3 圍欄封育和自由放牧下伊犁絹蒿根系內源激素變化

2.3 伊犁絹蒿內源激素含量與植株生長趨勢數量指標的關系

2.3.1 葉片內源激素含量與植株生長趨勢數量指標的關系

研究表明,圍欄封育和自由放牧條件下,伊犁絹蒿高度、蓋度、密度、生物量和二級分枝均與內源激素相關性不顯著。一級分枝數與CTK含量和ABA含量密切相關,呈極顯著正相關性或顯著正相關性,與GAs呈顯著負相關。圖4

圖4 伊犁絹蒿葉片內源激素含量與植株生長趨勢關聯熱圖

2.3.2 莖內源激素含量與植株生長趨勢數量指標的關系

研究表明,圍欄封育處理下伊犁絹蒿的高度與ETH和IAA含量呈極顯著正相關,與GAs呈顯著負相關;ABA和CTK含量與一級分枝數量呈顯著正相關。自由放牧處理下伊犁絹蒿高度與內源激素指標含量相關性均不顯著,一級分枝數量與ETH、ABA和CTK含量均呈顯著正相關。不論是圍欄封育還是自由放牧,內源激素含量均與一級分枝數量表現出強的相關性,與葉片內源激素含量與伊犁絹蒿生長趨勢數量指標相關性表現出相似的規律。圖5

圖5 伊犁絹蒿莖內源激素含量與植株生長趨勢關聯熱圖

2.3.3 根系內源激素含量與植株生長趨勢數量指標的關系

研究表明,圍欄封育條件下,ETH含量與株高呈極顯著正相關性,GAs含量與株高呈顯著負相關性,ABA 含量與一級分枝數量呈顯著負相關性,CTK含量與一級分枝數量呈極顯著負相關性。自由放牧條件下,僅一級分枝數量與ETH含量呈顯著正相關性,ABA含量與一級分枝數量呈極顯著負相關性,GAs含量與一級分枝數量呈顯著負相關性。圖6

圖6 伊犁絹蒿根系內源激素含量與植株生長趨勢關聯熱圖

3 討 論

3.1圍欄封育的伊犁絹蒿一級分枝和二級分枝遠多余自由放牧的伊犁絹蒿個體,圍欄封育使伊犁絹蒿莖葉茂盛,向大型化生長,圍欄封育對伊犁絹蒿的恢復性生長起到積極作用。自由放牧條件下的伊犁絹蒿個體低矮、分枝少、生物量低,個體矮化、小型化。榮浩等[30]對四子王旗退化荒漠草原研究結果表明,松土補播、施肥復壯、草種包衣等修復措施與圍欄封育結合使用,退化草地植物恢復效果顯著,且在保持水土資源,增加群落穩定性等方面效益最好。胡金嬌等[31]以重度退化草地為對照,圍欄封育后,草地植物蓋度提高了13.5倍,生物量提高了13倍。研究結論與胡金嬌的研究結論[31]相似,圍欄封育和自由放牧條件下的伊犁絹蒿生長趨勢差異極顯著(P≤0.01),圍欄封育的伊犁絹蒿株高是自由放牧株高的2.57倍,生物量是自由放牧的29.73倍,覆蓋度是自由放牧的近45.0倍,一級分枝是自由放牧的7倍。

3.2研究結果表明,圍欄封育和自由放牧2個處理對伊犁絹蒿葉片、莖和根系的內源激素含量影響程度不同,從差異性分析來看,對莖內源激素含量影響更大。與自由放牧處理相比,圍欄封育IAA、CTK和GAs含量在根、莖和葉中的含量均處于較高水平,圍欄封育有利于伊犁絹蒿體內IAA、CTK和GAs含量的積累,IAA、CTK和GAs對伊犁絹蒿生長有促進作用,與劉泓言等[32]對草木樨幼苗生長的研究結論相似,其含量越高越有利于植株的伸長生長。一級分枝數與多個內源激素指標含量均呈現顯著或極顯著相關性。自由放牧條件下伊犁絹蒿被啃食后再生長,一級分枝數與圍欄封育相比減少很多,且大部分分枝生長緩慢,到秋季時,自由放牧處理的伊犁絹蒿二級分枝數幾乎為零,與韓召奮等[33]在反式玉米素合成基因促進煙草再生試驗結論相反。圍欄封育可以很好地改變伊犁絹蒿體內內源激素水平,使伊犁絹蒿形態特征、生長趨勢與自由放牧的小型化和矮化形成鮮明對比。

3.3葉片和莖內源激素各指標含量總體與伊犁絹蒿高度和一級分枝數關系較為密切,尤其是圍欄封育處理,原因與圍欄封育處理(消除放牧因素)有很大關系,圍欄封育為伊犁絹蒿生長提供了良好環境,體內內源激素水平處于正常狀態,從而參與生命體的生長、代謝、發育、繁殖、免疫及抗病蟲害等方面均具有廣泛的生理調節作用[34];當植物受到外界干擾脅迫時,其自身的代謝產物和生理調節物質發生變化[35],自由放牧處理的伊犁絹蒿由于受到放牧壓力的影響,體內內源激素水平失調,影響植株正常生長,表現出植株矮化、長勢弱。伊犁絹蒿葉片和莖的ETH、ABA和CTK含量與伊犁絹蒿一級分枝有密切關系,與自由放牧相比,圍欄封育條件下的伊犁絹蒿內源激素有更多指標與植株生長趨勢關系明顯。

4 結 論

圍欄封育使伊犁絹蒿形態特征、生長趨勢與自由放牧的小型化和矮化形成鮮明對比,圍欄封育4年,伊犁絹蒿株高、生物量和一級分枝分別是自由放牧的2.57倍、29.73倍和7倍;圍欄封育與自由放牧相比,圍欄封育對伊犁絹蒿莖內源激素的影響大于對葉片和根系的影響,莖在兩處理間中表現為ABA、ETH、IAA、CTK之間差異極顯著,僅GAs差異不顯著;圍欄封育條件下的葉片、莖和根系形態特征與內源激素指標間表現出更強的關聯性。圍欄封育不僅可以改變伊犁絹蒿形態特征和內源激素水平,而且對形態特征和內源激素含量之間的關聯性有較大影響。