干旱胁迫对不同根型苜蓿内源激素含量的影响

汪 堃，南丽丽，李景峰，梁鹏飞，陈 洁，魏少萍，刘 鑫

(甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室， 甘肃 兰州 730070)

干旱是制约植物生产力的主要因素之一，对植物生长、发育和农艺产量均有不利影响[1]。植物内源激素在调节植物对生物及非生物胁迫响应中具有重要作用，主要包括脱落酸(ABA)、玉米素(ZT)、生长素(IAA)、赤霉素(GA3)等。干旱胁迫下，植株各部位ABA含量均会增加，影响植物对干旱胁迫的抗性[2]；ZT能够促进植物细胞的分裂，阻止叶绿素和蛋白质的降解，延缓植株衰老，减慢植株呼吸作用，保持细胞活力；IAA可以促进细胞生长及侧根和不定根的发生[3-4]；GA3主要促进植物茎节的伸长生长和花芽分化，并参与根系发育[5]。植物对逆境的响应不是由单一激素的绝对含量决定，而是与各种植物激素的综合调控有关[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，其发挥的作用也不同[7]。因此，研究植物体不同部位在干旱胁迫下的内源激素变化将有助于深入了解植物激素的作用机制及植物的耐旱机理。

苜蓿(Medicagosativa)是畜牧业生产中不可或缺的植物蛋白资源，也是我国当前草地农业和生态建设工程中应用最为广泛的草种[8]。然而，日益加剧的干旱对苜蓿的种植面积和产量构成了严重威胁。苜蓿的根系类型可划分为直根型、侧根型、根蘖型和根茎型4类[9]。直根型苜蓿基因源主要来自于紫花苜蓿，根茎型、侧根型和根蘖型苜蓿不同程度地具有野生黄花苜蓿的基因，其对干旱、严寒的抵抗力较强[10]。目前对不同根型苜蓿的根颈变化特征[11]、根系发育能力[12]、根系与产量的关系[13]、抗逆性[14-15]进行了较为丰富的研究，干旱胁迫下各根型苜蓿内源激素变化却鲜见报道。本研究对播种当年和生长第2年各根型苜蓿进行不同梯度干旱胁迫处理，测定地上、地下部各根型苜蓿IAA、GA3、ZT和ABA等4种主要内源激素含量的变化，旨在进一步理解各根型苜蓿的耐旱机理，为不同根型苜蓿生产管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试苜蓿有：根茎型‘清水’紫花苜蓿(Rhizomatous rootedM.sativacv. ‘Qingshui’，QS)，系野生栽培驯化品种，兼具突出的生态地被和优质饲用价值；直根型“陇东”紫花苜蓿(Tap rootedM.sativacv. ‘Longdong’，LD)，系地方品种，耐旱性较强；根蘖型“公农4号”杂花苜蓿(Creeping rootedM.variacv. Martin ‘Gongnong No.4’，GN)，其根系强大，扩展性强。GN的种子由吉林省农科院提供，其余均由甘肃农业大学草业学院提供。

1.2 试验设计

试验于2020—2021年在甘肃农业大学草业学院植物生长室进行。采用沙培盆栽试验，选用40 cm(高)×20 cm(盆底直径)塑料盆为试验用盆，取13 kg沙子用去离子水洗净，置于105℃恒温干燥箱烘48 h后装入盆中，播种饱满、均匀、无病虫害的苜蓿种子，播种后每2 d浇灌500 mL Hoagland营养液，待长出两片真叶时间苗。试验采用二因素完全随机设计，因素A为3个不同根型苜蓿品种，因素B为不同水分处理，分别为对照(CK)、中度(M)和重度(S)水分胁迫，通过称重法每天补充水分使每桶含水量分别在河沙最大持水量的65%～75%、45%～55%和25%～35%胁迫范围内，每个处理重复4次。在播种当年和生长第2年中待各根型苜蓿生长至分枝期(株高45 cm左右)时分别进行干旱胁迫处理，处理20 d后采集各根型苜蓿的叶、茎和根系，用蒸馏水冲洗干净，叶和茎、根系分别剪碎混匀，装入锡箔纸袋，液氮速冻后于-80℃超低温冰箱保存，用于各项指标测定。

1.3 测定方法

采用烘干法测定10株苜蓿的地上、地下部干物质量并取平均值。将冷冻的地上、地下部样品在液氮中快速研磨成粉末，用10 mL 80%色谱甲醇(超纯水配制)分3次洗入15 mL离心管中，在4℃冰箱中浸提24 h，用高速冷冻离心机(4℃，10 000 r·min-1)离心15 min。吸取上清液用旋转蒸发仪在40℃下浓缩除去甲醇，得到约2 mL的浓缩液，用50%的甲醇冲洗蒸发瓶瓶壁，最后定容至10 mL，用一次性针管吸取2 mL过0.22 μm有机膜，装入1.5 mL离心管于四元梯度超快速液相色谱仪Waters Arc-2998 PDA Waters(沃特世公司，美国)进样测定IAA、ABA、GA3、ZT含量[16-17]。

1.4 数据分析

用Excel 2007进行试验数据处理并作图，用SPSS 16.0统计软件进行方差分析和相关分析，不同处理之间的差异采用Duncan’s方法进行比较。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对不同根型苜蓿地上、地下部内源激素含量的影响

由表1可知，在播种当年及生长第2年，随干旱胁迫程度加剧，QS、LD、GN地上、地下部IAA和ZT含量均显著降低(P<0.05)，在重度胁迫下，播种当年LD地上、地下部IAA、ZT含量均高于GN和QS，而生长第2年QS地上、地下部IAA含量均大于LD和GN，ZT含量在各根型苜蓿间差异不明显，IAA、ZT的下降幅度地下部均大于地上部。播种当年QS、LD、GN地上、地下部GA3含量随胁迫程度加剧显著下降(P<0.05)，且GN地上部GA3含量显著大于QS(P<0.05)，重度胁迫下LD地下部GA3含量显著大于QS和GN(P<0.05)；生长第2年QS和GN在中度胁迫下GA3含量达到最高，且QS的地上、地下部GA3含量在重度胁迫下均显著大于GN(P<0.05)；LD在重度胁迫下GA3含量达到峰值，其值显著大于QS和GN(P<0.05)；GA3在播种当年的下降幅度和生长第2年的增加幅度均表现为地下部大于地上部。QS、LD、GN地上、地下部ABA含量随胁迫程度加剧显著上升(P<0.05)，播种当年各根型苜蓿在重度胁迫下最高，且QS地上、地下部ABA含量显著高于GN和LD(P<0.05)；生长第2年QS和GN在中度胁迫下最高，且QS地上、地下部ABA含量显著高于GN(P<0.05)，LD在重度胁迫下ABA含量最大，其地上、地下部ABA含量均显著小于QS但大于GN(P<0.05)。

表1 干旱胁迫对不同根型苜蓿地上、地下部内源激素含量的影响/(ng·g-1)

2.2 干旱胁迫对不同根型苜蓿地上、地下部内源激素比例的影响

由表2可知，QS、LD、GN播种当年及生长第2年的IAA/ABA比值表现为地下部大于地上部，而不同部位间的GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值无明显规律。随胁迫程度加剧，播种当年IAA/ABA、GA3/ABA、(IAA+GA3+ZT)/ABA比值显著降低(P<0.05)，生长第2年IAA/ABA比值显著降低(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，亦表现为先增加后降低。同一干旱处理下，不同品种间，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA、(IAA+GA3+ZT)/ABA的比值基本表现为QS

2.3 干旱胁迫对不同根型苜蓿地上、地下部生物量的影响

由图1可知，在播种当年及生长第2年，随干旱胁迫程度增加，各根型苜蓿地上部干质量受到不同程度影响，与CK相比，重度胁迫下干质量下降，播种当年QS、LD、GN的地上部干质量较CK分别降低了28.55%、15.57%和31.99%，生长第2年较CK分别减少了49.25%、37.36%和20.25%；重度胁迫下，各根型苜蓿地下部干质量较CK变化趋势有所差异，播种当年及生长第2年中，QS较CK分别下降了23.80%、23.63%，LD较CK分别增加了4.54%、28.65%，GN播种当年较CK降低了43.04%、生长第2年较CK上升了41.43%。

注：不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。

2.4 各根型苜蓿内源激素含量的相关性分析

由表3可知，播种当年和生长第2年中，各根型苜蓿地上、地下部ABA含量与IAA、GA3(生长第2年与GA3呈负相关但不显著)、ZT、地上部干质量、地下部干质量呈显著或极显著负相关(P<0.05或P<0.01)；地上部IAA含量与GA3、播种当年地上部干质量呈极显著或显著正相关(P<0.05或P<0.01)；地下部IAA含量与播种当年GA3、ZT、地下部干质量呈极显著或显著正相关(P<0.05或P<0.01)；地上、地下部GA3含量与ZT、地上部干质量、地下部干质量呈极显著或显著正相关(P<0.05或P<0.01)；地上、地下部ZT含量与地上部干质量、播种当年地下部干质量呈极显著(P<0.01)正相关。

表3 干旱胁迫下苜蓿内源激素含量相关性

3 讨 论

3.1 干旱胁迫对各根型苜蓿内源激素含量的影响及其与地上、地下部干物质积累的关系

植物内源激素是一类重要的生长调节物质。IAA、GA3和ZT是生长促进激素，干旱胁迫可使其含量降低，减缓植株生长速率，以缓解水分不足对植株正常生理活动的压力；品种抗旱性越强，自身调节能力越大，干旱胁迫下其含量合成越少[18]。ABA是抑制生长的激素，干旱胁迫下ABA含量增加，促进气孔关闭以降低蒸腾失水，同时促进根系吸水，增强植株的抗旱能力[19]；ABA 参与干旱胁迫下植物根系发育，是干旱条件下维持根系生长的必需激素[20]；ABA还可促进同化物向库的运输[21]。

本研究中，地上部干质量与叶茎GA3、IAA和ZT含量呈显著或极显著正相关(种植当年地上部干质量与IAA呈正相关但不显著)，说明干旱胁迫条件下，叶茎IAA和ZT含量下降导致叶茎生长减弱，光合作用下降，干物质积累降低；与叶茎ABA含量呈显著负相关，说明干旱条件下ABA含量增加使细胞代谢变缓，茎叶生长缓慢，干物质积累降低，进而减少水分过度消耗，是抵御干旱胁迫的应激反应。地下部干质量与根系GA3、IAA和ZT含量呈显著或极显著正相关(种植当年地下部干质量与ZT呈正相关但不显著)，说明IAA含量降低限制了光合产物向根系运输，ZT含量下降影响同化物向库器官运输；与根系ABA含量呈显著负相关，说明干旱胁迫下，ABA 作为一种信号物质，由根系迅速感知胁迫信号，以ABA的形式将干旱信息传递到地上部，使植株代谢活动减弱，进而在形态和生理等方面发生与胁迫相适应的变化，以提高自身的抗旱力，而中、重度胁迫下，QS、GN地下部ABA含量小于地上部，表明根茎型、根蘖型苜蓿有助于减缓植株衰老。

播种当年，干旱胁迫使各根型苜蓿地上、地下部GA3、IAA和ZT含量显著降低，这与张海燕等[22]对甘薯的研究结果一致；生长第2年干旱胁迫使各根型苜蓿地上、地下部IAA和ZT含量显著下降，而GA3含量显著升高，这与刘长海等[23]对苹果砧木、王霞等[24]对柽柳及满达等[25]对差巴嘎蒿的研究结果相一致。JACKSON等[26]认为在逆境胁迫下，GA3可作为植物生长的负调控信号，减缓植物生长，苜蓿为了更好地适应干旱胁迫，使得GA3含量增加。同一干旱条件下，各根型苜蓿地下部GA3、IAA、ZT的变化幅度大于地上部，因根系是植物最先感知土壤环境变化的器官，亦是多种植物激素的主要生物合成器官，说明这3种内源激素含量在根系中的变化规律较叶片更具代表性。

3.2 干旱胁迫对各根型苜蓿内源激素比值的影响

植物受到干旱胁迫时，其体内的激素之间存在着对抗、协同等特性，激素的比值反映了激素对植物的综合调控能力[27]。IAA/ABA的比值变化影响植物器官生长与脱落，GA3/ABA影响种子萌发、性别分化及植物休眠等生理活动，(ZT+IAA+GA3) /ABA可反映几种激素的平衡状态[9]。本研究中，播种当年各根型苜蓿地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA随干旱胁迫加剧呈降低趋势，表明各根型苜蓿各部位对干旱胁迫表现出一致的抵抗和耐受；生长第2年各根型苜蓿地上、地下部IAA/ABA随干旱胁迫程度增加呈下降趋势，而GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA基本呈先增加后降低趋势，表明干旱胁迫在各根型苜蓿内部建立新的激素间平衡，适应干旱胁迫并继续使其生长发育[28]；播种当年及生长第2年，同一干旱胁迫下，不同品种间GA3、IAA和IAA+GA3+ZT这3组激素与ABA的比值地上、地下部基本表现为QS

4 结 论

干旱影响内源激素的合成，抑制各根型苜蓿的生长。随干旱胁迫程度增加，播种当年及生长第2年中，根茎型、直根型、根蘖型苜蓿地上、地下部ABA含量均显著增加，IAA和ZT含量均显著降低；GA3含量播种当年显著下降而生长第2年显著增加。播种当年，随干旱胁迫加剧，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值及干质量均显著下降；生长第2年地上、地下部IAA/ABA比值显著降低，GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值基本呈先升高后降低趋势。ABA与GA3、IAA、ZT、地上、地下部干质量基本呈显著或极显著负相关。同一干旱胁迫下，地上、地下部IAA/ABA、GA3/ABA和(IAA+GA3+ZT)/ABA比值基本表现为根茎型苜蓿最低，直根型最高，综合表明直根型苜蓿较根茎型和根蘖型苜蓿在应对干旱胁迫时适应能力较差。