干旱胁迫对红豆草根系生长及生理特性的影响

陈洁，温素军，梁鹏飞，李景峰，魏少萍，刘鑫，南丽丽

（甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，甘肃省草业工程实验室，中-美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃 兰州 730070）

红豆草（Onobrychis viciaefolia）是豆科多年生草本植物，因其富含蛋白质、氨基酸、粗脂肪和矿物质，被誉为“牧草皇后”［1］，可用于青饲、青贮、放牧、晒制青干草、加工草粉、配合饲料和多种草产品，因茎叶含有单宁，可沉淀在瘤胃中形成大量泡沫性的可溶性蛋白质，故反刍家畜在青饲、放牧时不易发生膨胀病。

我国干旱和半干旱地区的面积约占国土面积的52.5%［2］，干旱胁迫对农作物造成的损失在所有非生物胁迫中占首位［3］。我国审定登记的红豆草品种数量较少［4］，培育和应用抗旱红豆草品种能使干旱地区的红豆草增产、稳产。红豆草对病害［5］、干旱［6］、盐渍［7］、霜冻［8］、低磷［9］等逆境均有较好耐受性，但不同品种之间抗性差异较大。当出现干旱胁迫时，根系能最先感知土壤中的水分亏缺并做出相应反应［10］，其中根系形态结构及生理特性反映了植物抗旱的形态基础和生理基础［11-13］。为此，本试验以5份红豆草为试验材料，利用PEG-6000模拟干旱环境，研究干旱胁迫对红豆草根系生长及生理特性的影响，以期筛选出抗旱性较强的红豆草材料以及与抗旱密切相关的指标，为红豆草抗旱育种提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

利用杂交选育的3个红豆草品系，编号分别为P1，P2，P3［14］，对照为甘肃红豆草（O.viciaefoliacv.Gansu，CK1）和蒙农红豆草（O.viciaefoliacv.Mengnong，CK2）。

1.2 试验设计

试验采用PEG-6000（聚乙二醇6000）模拟干旱条件。将500 g消毒后的细沙装入塑料杯，经H2O2溶液消毒后的供试红豆草种子播种在塑料杯，每隔2 d浇灌50 mL Hoagland营养液；待幼苗生长至第42天，设 置6个 水 势 梯 度：0（对 照，CK）、-0.4、-0.8、-1.2、-1.6和-2.0 MPa，并于处理7 d后采集红豆草幼苗测定相关生理指标，每个处理5次重复。

1.3 测定指标与方法

采用烘干法分别测定每盆植株地下部分（根系）、地上部分（茎、叶）的干物质量并计算根冠比（根干物质量/地上部干物质量）。将各处理的根系用蒸馏水冲洗干净，采用台式扫描仪对根系进行扫描并将图像存入电脑，扫描仪的分辨率为300 dpi。采用Win-RHIZO根系分析系统软件对根系图像进行分析，获得根系总长度（Root length，RL）、根系总表面积（Total root surface，TRS）、根系平均直径（Average root diameter，ARD）、根 体 积（Root volume，RV）和 根 尖 数（Root tip number，RTN）等特征参数。

生理指标测定参考邹琦［15］的方法，其中根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法测定，可溶性糖（Soluble sugar，SS）含量采用蒽酮比色法测定，可溶性蛋白（Soluble protein，SP）含量采用考马斯亮蓝G-250染色法测定，丙二醛（Malondialdehyde，MDA）含量采用硫代巴比妥酸法测定；叶片相对含水量（Relative water content，RWC）采用饱和称重法测定；游离脯氨酸（Proline，Pro）含量采用酸性茚三酮比色法测定；超氧化物歧化酶（Superoxide dismutase，SOD）活性采用氮蓝四唑光化还原法测定；过氧化物酶（Peroxidase，POD）活性采用愈创木酚法测定。

1.4 统计分析

用Excel整理数据，SPSS 16.0统计软件进行方差分析、聚类分析和主成分分析，不同处理之间用Duncan方法进行多重比较。应用Fuzzy数学中隶属度函数法进行综合评判，与抗旱性呈正相关的参数如RWC、SS、Pro、SP、SOD、POD和根系活力计算公式为：

对与抗旱性呈负相关的MDA计算公式为：

式中：Fij为i品种j性状测定的具体隶属值；Xij为i品种j性状测定值；Xjmin为j性状中测定的最小值；Xjmax为j性状中测定的最大值。

权重应用客观赋权法进行计算：

式中，Ij是一个无量纲数，表示某评价指标在干旱胁迫下的测定值相对于对照组的比值。Cj为第j个指标正常组的测定值，Sj为第j个指标在某个胁迫处理下所测定的平均值。如果是负相关，计算式为：

最后通过归一化，计算出每个评价指标的权重：

综合评价值：

2 结果与分析

2.1 红豆草材料间根系形态特征的差异

供试红豆草根冠比、根表面积和根尖数均随水势梯度的增加呈先增加后减小趋势（P＜0.05），且在-0.8 MPa时达到最大值，与0 MPa相比，CK1的根冠比、CK2的根表面积及材料P2的根尖数增幅较大；除CK1的根冠比在0 Mpa时最小外，供试红豆草的根冠比、根表面积和根尖数均在-2.0 MPa时最小。供试红豆草根直径和根体积随胁迫程度加剧呈显著下降趋势（P＜0.05），在-2.0 MPa下，P1、P2、P3、CK1和CK2的根直径和根体积均降至最小值。干旱胁迫显著增加供试红豆草根长（P＜0.05），且在-2.0 MPa时增至最大值（图1）。

图1 干旱胁迫下红豆草的根系形态特征Fig.1 Effects of drought stress on root morphological characteristics of sainfoin

2.2 红豆草材料间生理特性的差异

2.2.1RWC、SP、SS和Pro含量的变化由图2可知，供试红豆草RWC随胁迫程度加剧呈不断下降趋势。-2.0 MPa处理下，其RWC降至最小值，且材料P1、P2的RWC显著高于其他材料（P＜0.05）；除材料P2外，其余材料的SP含量均随胁迫程度加剧先增加后下降。-2.0 MPa处理下，P2的SP含量增至最大值，其余材料均在-0.8 MPa处理下，SP含量增至最大值，而-2.0 Mpa处理下，SP含量均降至最低，且材料P1的SP含量显著低于其他材料（P＜0.05）；除材料P2、CK2外，其余材料的SS含量均随胁迫程度加剧先增加后下降。-2.0 MPa下，材料P2、CK2的SS含量增至最大值，分别为0 MPa的1.47、1.49倍（P＜0.05），其余材料均在-0.8 MPa下其SS含量增至最大，-2.0 MPa下其SS含量均降低，且CK1的SS含量显著低于其他材料（P＜0.05）；供试红豆草Pro含量均随胁迫程度加剧先增加后下降。-1.6 MPa处理下，材料P2的Pro含量增至最高，增幅为226.21%（P＜0.05），其余材料均在-1.2 MPa处理下其Pro含量增至最大，-2.0 MPa处理下Pro含量均下降但均高于0 MPa。

图2 干旱胁迫下对红豆草叶片的相对含水量和渗透调节物质含量Fig.2 Relative water content and contents of osmotic adjustment substances in sainfoin leaf under drought stress

2.2.2SOD和POD活性变化供试红豆草SOD和POD活性均随胁迫程度加剧先升高后降低（图3）。-0.8 MPa胁迫下，供试红豆草的SOD活性均增至最高，-2.0 MPa胁迫下其SOD活性均降至最低，且CK2的SOD活性显著低于其他材料（P＜0.05）；材料P1、P2和P3的POD活性均在-1.2 MPa胁迫下增至最大，而CK1和CK2的POD活性均在-0.8 MPa胁迫下达到峰值，增幅分别为13.92%和10.90%，-2.0 MPa胁迫下供试红豆草POD活性均降至最小，且材料间差异不显著。

图3 干旱胁迫下红豆草的抗氧化酶活性Fig.3 SOD and POD activities in sainfoin under drought stress

2.2.3MDA和根系活力变化干旱胁迫显著增加了供试红豆草的MDA含量（P＜0.05），在-2.0 MPa胁迫下均增至最大，P1、P2、P3、CK1和CK2的增幅分别 为241.60%、158.31%、168.28%、62.98%和265.18%；随水势梯度增加供试红豆草根系活力呈先增加后减小趋势，-0.8 MPa时均达到最大，与0 MPa相比，P1、P2、P3、CK1和CK2的根系活力增幅分别为83.97%、76.02%、122.67%、78.31%和102.02%；除CK2的根系活力在-1.6 MPa胁迫下最小外，其余材料均在-2.0 MPa胁迫时其根系活力降至最小（图4）。

图4 干旱胁迫对红豆草MDA含量和根系活力的影响Fig.4 Effects of drought stress on MDA content and root activity in sainfoin

2.3 性状相关性分析

除根长与根冠比、根直径、根体积、根表面积、根尖数均呈负相关外，各根系形态指标两两间均呈正相关；除根长与MDA含量呈极显著正相关、与其他生理指标基本呈负相关外，各根系形态指标与各生理指标基本均呈正相关，各生理指标两两间基本均呈正相关（表1）。

2.4 主成分分析

前3个主成分的贡献率分别为53.999%、19.753%、8.710%，累计贡献率为82.461%。其中第1、2、3主 成 分 各 自 的 特 征 值 分 别 为7.560、2.765、1.219，对应较大的特征向量分别是根直径、Pro、SS含量，因此这3个指标可以作为红豆草抗旱性筛选与评价的重要指标（表2-3）。

表2 各综合指标特征值及贡献率Table 2 Eigenvalue and contribution of each comprehensive index

2.5 红豆草苗期抗旱性综合评价

隶属函数分析克服了依靠单一指标评价的弊端，能对植物的抗逆性做出客观、合理、全面的评价。利用14项指标的隶属函数加权平均值对5份红豆草抗干旱能力进行综合评价，其中材料P1抗旱性最好，材料P3次之，CK2最差（表4）。

表4 红豆草幼苗期抗旱指标隶属值及综合评价Table 4 The membership value and comprehensive evaluation for drought resistance on sainfoin seedlings

3 讨论

根系是植物吸收水分和养分的主要部位，也是对干旱胁迫最先起反应的部位［12］。研究表明，干旱胁迫下根长、根系表面积和根体积较大，有利于植物大范围吸收土壤水分和养分［17］。厉广辉等［11］和Pirnajmedin等［18］研究认为，根系干重、根系体积、根系总吸收面积与品种抗旱能力呈显著正相关。Wang等［19］研究认为，干旱胁迫显著降低了高羊茅的根系生物量和根系总长度，而抗旱型品种的根系生物量和根系总长度降幅较小。本研究表明，-0.8 MPa胁迫时，供试红豆草的根冠比、根系总表面积、根系平均直径、根体积、根尖数和根系活力均显著增加；随胁迫程度增加（-0.8～-2.0 MPa胁迫），供试红豆草的根冠比、根系总表面积、根系平均直径、根体积、根尖数和根系活力均显著下降。重度胁迫下，材料P1的根体积、根表面积、根直径降幅最低，CK1的根冠比降幅最小，CK2的根系活力和根尖数降幅最低、根长最长。说明干旱胁迫下，根体积、根表面积、根直径较高可能是红豆草抗旱能力较强的重要原因。

表3 各因子载荷矩阵Table 3 Matrix of factor loading

植物抗旱性与植物的水分状况密切相关。本试验中，干旱胁迫显著降低了供试红豆草的RWC，且CK2的RWC降幅最大，说明CK2的叶片保水能力较其他供试红豆草差，对干旱环境的适应能力较弱。

可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸作为重要的渗透调节物质，干旱胁迫下其含量迅速增加，能降低渗透势，维持膨压，这是植物适应干旱胁迫的一种重要机制［20-21］。本研究显示，整个胁迫期间，材料P2的SP含量增幅最大，CK1的SS调节作用最强，P1、CK2的Pro含量增幅最大。说明干旱胁迫下，供试红豆草的渗透调节能力因材料不同而异，且不同材料对不同生理指标的敏感性亦不同。

植物在遭受环境胁迫时，活性氧会大大增加［22］，SOD、POD是有效的保护酶［23］。本研究发现，干旱胁迫显著增加了供试红豆草的MDA含量，说明供试红豆草的膜脂过氧化水平均随干旱胁迫程度增加而显著增加，这与以往的研究结果一致［24］；相比之下，材料P1的MDA含量低于其他供试材料，说明P1膜系统受到外界环境的伤害较小，能够保持较高的细胞膜相对完整性，间接地体现出较好的抗旱性。供试红豆草的SOD和POD活性随着干旱程度的增加先升高后降低，其SOD活性均在-0.8 MPa胁迫时显著增加，材料P1、P2、P3的POD活性则在-1.2 MPa胁迫时显著增加。说明在轻中度干旱条件下，植物能够促进抗氧化酶的合成，使抗氧化酶具有较高的活性，但随着干旱胁迫的增加，干旱胁迫强度超出植物忍受范围，植物体内抗氧化酶合成系统失调，导致抗氧化酶活性降低［25］。整个胁迫期间，材料P1的抗氧化酶（SOD、POD）活性最大，说明抗旱性强的材料其POD和SOD活性存有率高，这与前人研究结论一致［26］。本研究发现，供试红豆草根系活力随水势梯度的增加呈先增高后降低趋势，这与前人研究结论一致［27］。说明在轻度干旱胁迫下，植物体内调节促进了根系生长并提高了根系活力，在重度干旱条件下，植物内环境失调，植物难以促进根系生长，致使根系活力降低。

主成分分析表明第1、2、3主成分的累计贡献率为82.461%，主要特征值分别为根直径、Pro、SS含量，前面的分析也表明这3个指标与红豆草耐旱性关系密切，可作为红豆草耐旱性评价指标。

4 结论

采用营养液沙培法，以不同PEG-6000浓度模拟干旱胁迫，运用Fuzzy数学隶属函数综合评判法对5份红豆草的根系形态及生理指标进行综合分析，得出材料P1、P2、P3的抗旱性优于甘肃红豆草和蒙农红豆草，且P1抗旱性最好。干旱胁迫下，根直径、脯氨酸、可溶性糖可作为筛选耐旱红豆草的参考指标。本试验为培育抗旱红豆草新品种提供了理论依据。