李 躍， 畢舒貽， 萬修福， 曹 婧， 栗振義， 萬里強， 李向林

( 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院北京畜牧獸醫(yī)研究所， 北京 100193)

近年來，隨著草牧業(yè)的大力發(fā)展，我國紫花苜蓿(MedicagosativaL.)的種植面積在不斷擴大[1]，然而種植苜蓿需要大量水源灌溉，我國又是水資源緊缺國家，加之全球氣候變暖的事實，研究紫花苜蓿對干旱的響應(yīng)，為提高苜蓿耐旱性具有重要意義。水分脅迫下，可以通過測量紫花苜蓿在葉片形態(tài)、根系特征、生理生化以及分子層面上發(fā)生的改變來衡量其耐旱性。在形態(tài)學(xué)方面，苜蓿的耐旱性更傾向于用根冠比、葉面積、相對含水量以及比葉面積等指標(biāo)來衡量[2-3]，這與小麥(TriticumaestivumL.)和棉花(Gossypiumspp)等作物以干重產(chǎn)量來衡量抗旱性不同[4-6]。原因是紫花苜蓿與小麥等作物在生長特性和利用方式上都有極大的差異。紫花苜蓿是多年生植物，因此在進行抗旱評價時不僅要考慮產(chǎn)量，還要考慮其生長的持久性，根冠比增大有利于苜蓿的持續(xù)生長和提高存活率。小麥等糧食作物多為一年生，因此無需考慮其生產(chǎn)性能的持久性。另外，小麥等作物收獲的是種子，而苜蓿的收獲物是營養(yǎng)體，因此在進行抗旱評價時要著重考慮營養(yǎng)體的形態(tài)響應(yīng)。根據(jù)翟春梅[2]對21個紫花苜蓿品種進行的抗旱評價研究表明，葉長、葉寬、根冠比脅迫指數(shù)等指標(biāo)可作為紫花苜?？购佃b定的綜合評價指標(biāo)。水分脅迫下紫花苜蓿地下與地上生物量分配的變化，即根冠比的變化，可反映品種抗旱性的強弱[2]。根冠比升高有助于維持植物體內(nèi)水分平衡，使其度過脅迫時期，保證個體的存活。植物器官中葉片對干旱最為敏感[7]，水分脅迫下葉片形態(tài)的變化也是植物對缺水環(huán)境適應(yīng)的結(jié)果。一般而言，植物葉片越短、越窄，水分散失越少，抗旱能力越強[2,8]。比葉面積是用來表征植物葉片厚度的一個指標(biāo)，被認(rèn)為可能是指示紫花苜?？购敌缘闹匾笜?biāo)[9]。水分脅迫下比葉面積會發(fā)生變化，且具有物種特異性，即不同物種的比葉面積在水分脅迫下的變化趨勢可能不同[10]。在其他植物上的研究結(jié)果表明，干旱脅迫下比葉面積越小的品種耐旱性越強[10]，因為在同化產(chǎn)物，即干物質(zhì)相同的情況下，葉面積越小，水分散失也越小。葉片保水力也與植物抗旱性密切相關(guān)，葉片保水力強，植物的抗旱能力一般也較強。植物葉水勢變化和葉片相對含水量的變化在一定程度上可以表征葉片的保水能力[8]。

目前，有關(guān)紫花苜蓿形態(tài)對水分脅迫響應(yīng)的研究較多，如張曦等[2]研究了不同生育時期隴東苜蓿葉性狀對干旱的響應(yīng)；趙大華和溫智鵬[11]研究了干旱脅迫對正道苜蓿幼苗生長的影響，考察了生物量、葉片形態(tài)及氣孔特征等指標(biāo)。然而，以上研究都只是針對單一的紫花苜蓿品種進行的考察。李文嬈等[12]研究了‘隴東’和‘阿爾岡金’兩個紫花苜蓿品種對水分脅迫的響應(yīng)，但僅對根系形態(tài)進行了研究。翟春梅[1]雖然對多個品種進行了抗旱性研究，但是只設(shè)置了正常供水(最大田間持水量的75%～80%)和水分脅迫(最大田間持水量的40%～45%)兩組處理，難以闡明紫花苜蓿對水分脅迫的動態(tài)響應(yīng)。本研究考察了3個紫花苜蓿品種的生長和葉片形態(tài)學(xué)特征對輕度、中度和重度水分脅迫的響應(yīng)。對3個遺傳差異較大的紫花苜蓿品種，即‘敖漢’、‘中苜 1號’和‘三得利’，進行了不同程度的水分脅迫處理，并測量了根冠比、比葉面積等多個形態(tài)學(xué)指標(biāo)。本研究旨在探究不同品種紫花苜蓿的形態(tài)學(xué)特征對水分脅迫的差異響應(yīng)，同時確定參試紫花苜蓿品種的抗旱性差異，為下一步研究苜蓿耐旱機理奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與方法

1.1 紫花苜蓿品種及其培養(yǎng)

選取飽滿的紫花苜蓿種子，經(jīng)75%乙醇和次氯酸鈉消毒后，置于培養(yǎng)皿內(nèi)的濕潤濾紙上催芽。種子發(fā)芽后，將其移植到高20 cm，直徑15 cm的花盆中，每盆20株。培養(yǎng)基質(zhì)為營養(yǎng)土：泥炭(1:1，V/V)。盆栽置于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院廊坊試驗基地日光溫室中培養(yǎng)，自然光照，溫度控制在25℃。種子移栽4周后，間除弱小的幼苗，留10株健壯且長勢一致的幼苗。繼續(xù)培養(yǎng)4周后，對分枝期苜蓿植株進行干旱脅迫處理。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置了4個水分脅迫梯度，即充分供水(CK)，85%田間持水量；輕度水分脅迫(LS)，65%田間持水量；中度水分脅迫(MS)，45%田間持水量；重度水分脅迫(SS)，25%田間持水量。采用稱重法控制不同干旱處理盆栽內(nèi)的含水量，每個品種的每個處理重復(fù)3次，干旱處理2周后，同時進行取樣和各項指標(biāo)的測量。

1.3 指標(biāo)測量

1.3.1葉片水勢和相對含水量的測量 葉片相對含水量的測量采用Antolín等[13]的方法，將植株最頂端完全展開的葉片摘下，共摘取30片復(fù)葉，稱重為W1；然后將葉片用濕潤的紗布包裹復(fù)水30 min后稱重為W2；最后將葉片用65℃烘箱烘干，稱其干重為W3。葉片相對含水量(RWC)=(W2- W1)/(W2-W3)。葉水勢測量采用psypro水勢測量系統(tǒng)(Beijing Channel Scientific Instruments Co., Ltd.)，對不同水分脅迫處理的植株最頂端完全展開的葉片進行測量。

1.3.2葉長、葉寬和葉面積的測量 將苜蓿植株的所有葉片摘下，展平后用掃描儀掃描成圖片，然后用Scion Image圖像處理軟件測量葉片的長度和寬度，測得復(fù)葉中間小葉的長度為葉長，測得復(fù)葉中間小葉的最寬處為葉寬，用Photoshop軟件測量葉面積[14]。

1.3.3比葉面積的計算 比葉面積=葉面積/葉干重。

1.3.4葉干重、莖干重和根干重的測量 將紫花苜蓿葉片、莖稈和根系分別收獲，稱重后裝入牛皮紙袋中，于110℃殺青0.5 h之后，在65℃烘箱中烘干48 h至恒重。

1.3.5脅迫指數(shù)的計算 試驗測量的脅迫指數(shù)包括根系含水量脅迫指數(shù)、葉片含水量脅迫指數(shù)以及比葉面積脅迫指數(shù)。脅迫指數(shù)=脅迫植株的測量值/對照植株的測量值[1]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用SAS 9.0軟件進行處理間和品種間的差異顯著性分析，用Microsoft office EXCEL軟件進行相關(guān)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 水分脅迫對紫花苜蓿生物量的影響

不同苜蓿品種的生物量對水分脅迫的響應(yīng)不同。如圖1所示，隨著水分脅迫程度的增大，參試的3個品種的莖干重呈下降趨勢；‘敖漢’和‘中苜1號’的根干重變化不明顯，‘三得利’的根干重呈先升高后下降的趨勢；‘敖漢’和‘中苜1號’的葉干重呈下降趨勢，‘三得利’的葉干重呈先升高后下降的趨勢；‘敖漢’和‘中苜1號’的根冠比呈上升趨勢，而‘三得利’的根冠比則先上升后下降。

與充分供水相比，輕度水分脅迫下‘三得利’的莖干重和葉干重變化不明顯，‘中苜1號’和‘敖漢’的莖干重和葉干重顯著下降(P<0.05)，莖干重分別下降了27.6%和32%，葉干重分別下降了29.6%和33.3%；‘三得利’的根干重顯著升高，而‘中苜1號’和‘敖漢’的根干重?zé)o明顯變化；3個品種紫花苜蓿的根冠比均顯著升高(P<0.05)。對品種間進行差異顯著性分析，結(jié)果顯示：輕度水分脅迫下，‘三得利’的莖干重、根干重和葉干重最高，‘中苜1號’次之，‘敖漢’最低；3個品種的根冠比無明顯差異。中度水分脅迫下，3個品種與對照的差異情況以及品種間的差異情況與輕度水分脅迫基本相同。

與充分供水相比，重度水分脅迫下‘三得利’的莖干重變化仍然無顯著變化，葉干重下降顯著，降低了33.3%，‘中苜1號’和‘敖漢’的莖干重和葉干重都顯著降低，莖干重分別下降了27.6%和32%，葉干重分別下降了48.1%和54.2%。3個紫花苜蓿品種的根干重與各自的對照差異均不顯著?！熊?號’和‘敖漢’的根冠比繼續(xù)升高，分別達到對照的1.63倍和1.71倍，而‘三得利’的根冠比則開始下降。品種間的差異顯著性分析顯示：‘三得利’和‘中苜1號’之間的根干重和莖干重?zé)o明顯差異，且二者的根干重和莖干重都高于‘敖漢’；3個品種間的葉干重?zé)o明顯差異；‘敖漢’和‘中苜1號’的根冠比此時已經(jīng)明顯高于‘三得利’。

2.2 水分脅迫對紫花苜蓿水分狀態(tài)的影響

由表1可知，隨著水分脅迫程度增大，3個品種紫花苜蓿的葉水勢均呈下降趨勢；輕度水分脅迫下，‘中苜1號’紫花苜蓿的葉水勢已經(jīng)顯著低于對照(P<0.05)，其他兩個品種紫花苜蓿的葉水勢與對照相差不顯著。但總體而言，3個品種紫花苜蓿的葉水勢變化比較相似，品種之間的差異并不明顯。

表1 水分脅迫對紫花苜蓿葉片水勢和相對含水量的影響Table 1 Effects of water stress on alfalfa leaf water potential and RWC

注：同列不同小寫字母表示相同品種不同水分脅迫處理之間差異顯著(P<0.05)，同行不同大寫字母表示相同的水分處理下不同品種之間差異顯著(P<0.05)

Note: The different lower case letters in the same column indicate significant differences between treatments of the same variety at the 0.05 level, and different uppercase letters indicate significant differences between varieties under the same treatment at the 0.05 level

輕度水分脅迫下，‘中苜1號’紫花苜蓿的葉片相對含水量顯著低于對照(P<0.05)，其他兩個品種與對照相差不顯著，這一結(jié)果與葉水勢的結(jié)果相似?！綕h’苜蓿的葉片相對含水量隨著水分脅迫程度的增強并未出現(xiàn)顯著的下降。品種間比較的結(jié)果顯示：輕、中、重度水分脅迫下，‘敖漢’的相對含水量均顯著高于‘中苜1號’和‘三得利’(P<0.05)。

圖1 水分脅迫對紫花苜蓿生物量的影響Fig.1 Effects of water stress on alfalfa biomass注：不同小寫字母表示相同品種不同水分脅迫處理之間差異顯著(P<0.05)，不同大寫字母表示相同的水分處理下不同品種之間的 差異顯著(P<0.05)，下同Note: Different lowercase letters indicate significant difference between treatments of the same variety at the 0.05 level, and different uppercase letters indicate significant difference between varieties under the same treatment at the 0.05 level. The same as below

圖2所示為不同水分脅迫處理下3個紫花苜蓿品種的根系和葉片含水量脅迫指數(shù)的變化情況。隨著水分脅迫程度的增大，參試的3個品種的根系含水量脅迫指數(shù)均呈下降趨勢。與充分供水相比，輕度水分脅迫下的‘敖漢’根系含水量脅迫指數(shù)無明顯變化，其他兩個品種則顯著降低。中度和重度水分脅迫下3個品種的根系含水量脅迫指數(shù)均顯著低于對照(P<0.05)。

3個紫花苜蓿品種的葉片含水量脅迫指數(shù)對水分脅迫的響應(yīng)存在差異。輕度水分脅迫下，3個品種的葉片含水量脅迫指數(shù)變化不明顯；中度水分脅迫下，‘敖漢’和‘三得利’的葉片含水量脅迫指數(shù)與對照差異依然不明顯，‘中苜1號’則顯著低于對照(P<0.05)；重度水分脅迫下，3個品種的葉片含水量脅迫指數(shù)均顯著低于其他水分脅迫處理(P<0.05)。

圖2 水分脅迫對紫花苜蓿葉片以及根系含水量脅迫 指數(shù)的影響Fig.2 Effects of water stress on alfalfa stress index of leaf water content and root water content

2.3 水分脅迫對紫花苜蓿葉片形態(tài)的影響

與生物量不同，3個品種紫花苜蓿的葉片形態(tài)對水分脅迫的響應(yīng)比較一致。如圖3所示，隨著水分脅迫程度的增大，參試的3個品種的葉長、葉面積和比葉面積脅迫指數(shù)均呈下降趨勢，葉寬也略有下降，但下降程度不大。與充分供水相比，水分脅迫下，‘敖漢’的葉長下降了16.5%～20.9%，‘中苜1號’的葉長下降了11.7%～19.0%，‘三得利’的葉長下降了10.1%～21.5%；‘敖漢’的葉面積下降了25.3%～29.5%，‘中苜1號’的葉面積下降了17.6%～22.9%，‘三得利’的葉面積下降了15.7%～34.8%；‘敖漢’的比葉面積脅迫指數(shù)下降了27%～41%，‘中苜1號’的比葉面積脅迫指數(shù)下降了20%～28%，‘三得利’的比葉面積脅迫指數(shù)下降了10%～20%。

品種間比較的結(jié)果顯示：在對照、輕度和中度水分脅迫下，‘中苜1號’和‘三得利’的葉長和葉面積均顯著高于‘敖漢’(P<0.05)。輕度水分脅迫下，‘敖漢’的比葉面積脅迫指數(shù)最低，其次是‘中苜1號’，‘三得利’最高。中度水分脅迫下，3個品種間的比葉面積脅迫指數(shù)差異不顯著。重度脅迫下，‘敖漢’的比葉面積脅迫指數(shù)顯著低于‘中苜1號’和‘三得利’(P<0.05)。

圖3 水分脅迫對紫花苜蓿葉片形態(tài)的影響Fig.3 Effects of water stress on alfalfa leaf morphology

3 討論

由本試驗結(jié)果可知，水分脅迫對葉片的影響最大，其次是莖，對根的影響最小。不同紫花苜蓿品種的相同器官對水分脅迫的響應(yīng)也不同。輕、中度水分脅迫下‘三得利’苜蓿的莖、葉干重的變化不大，甚至還增加了根干重，沒有表現(xiàn)出御旱反應(yīng)；‘敖漢’和‘中苜1號’的莖、葉干重變化較大，御旱反應(yīng)明顯?！美匣ㄜ俎Ｔ谳p、中度水分脅迫下的根干重高于對照，這一結(jié)果與趙大華等[11]的結(jié)果相同，即‘正道’紫花苜蓿在干旱脅迫下的地上生物量上升。但是在其他很多研究[9,12]中都發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下紫花苜蓿的根干重是下降的，而這又和本試驗在‘敖漢’和‘中苜1號’苜蓿上取得的結(jié)果是一致的。產(chǎn)生這兩種結(jié)果的原因可能是不同紫花苜蓿品種對水分脅迫的響應(yīng)模式存在差異。

3個品種紫花苜蓿的根冠比在充分供水狀態(tài)下差異不顯著，但是在重度水分脅迫下‘敖漢’和‘中苜1號’的根冠比顯著高于‘三得利’。因此，從根冠比的變化來看，‘敖漢’和‘中苜1號’的御旱性較強，‘三得利’較弱。同時該結(jié)果也說明在水分脅迫并不嚴(yán)重時，品種間抗旱性的差異可能不會很顯著，只有在脅迫達到一定程度時，品種間的抗旱性差異才可能顯現(xiàn)。與本研究結(jié)果不同，Erice等[9]的結(jié)果顯示不同品種紫花苜蓿的根冠比在輕度干旱脅迫下有的升高有的降低。這可能是由于干旱脅迫處理的方法造成的，Erice等[9]采用的是停水法，本研究采用的是稱重控水法。

隨著干旱脅迫程度增大，3個品種紫花苜蓿的葉水勢和葉片相對含水量均呈下降趨勢，但是‘敖漢’苜蓿的葉片相對含水量變化不明顯，該結(jié)果可能是由品種的差異造成的。對品種間進行相對含水量的比較發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下‘敖漢’的相對含水量總是最高的，其次是‘中苜1號’，最后是‘三得利’。根系和葉片含水量脅迫指數(shù)表示脅迫條件下根系和葉片的含水量相對于對照變化的幅度。輕、中度水分脅迫下，‘敖漢’的根系和葉片含水量脅迫指數(shù)最高，其次是‘三得利’，最后是‘中苜1號’；重度脅迫下，3個品種的根系含水量脅迫指數(shù)之間無顯著差異，‘敖漢’和‘三得利’的葉片相對含水量較高，‘中苜1號’最低。3個品種的根系和葉片含水量脅迫指數(shù)的排序情況與相對含水量的排序情況略有不同，‘敖漢’仍然是保水力最強的，‘中苜1號’和‘三得利’位置互換，這可能是因為‘中苜1號’與‘三得利’的葉片保水力比較相近，不易區(qū)分。綜合以上分析來看，‘敖漢’苜蓿的葉片保水力最強，‘中苜1號’和‘三得利’較弱。

水分脅迫下3個品種紫花苜蓿的葉片變短，葉面積變小。本研究中‘敖漢’苜蓿的葉面積最小，抗旱性強；‘中苜1號’和‘三得利’苜蓿的葉面積較大，抗旱性較弱。另外，該結(jié)果也說明水分脅迫下紫花苜蓿葉片的長度和葉面積的可塑性較強。本試驗中‘中苜1號’的葉寬對水分脅迫沒有明顯響應(yīng)，‘敖漢’和‘三得利’的葉寬顯著降低。同時值得注意的是，輕度水分脅迫下，苜蓿葉片的水勢和相對葉片含水量基本上都沒有顯著變化，但是葉長以及葉片面積均已顯著下降，說明葉水勢和相對含水量不是造成葉片變小的原因，而在輕度水分脅迫下，光合作用一般也不會受到顯著影響[2]，所以可能是膨壓變化導(dǎo)致了苜蓿葉片變小。

在充分供水條件下3個品種間的比葉面積差異較大，因此試驗中采用比葉面積脅迫指數(shù)來表征其變化程度。在3個不同水平的水分脅迫下，相對于其他兩個品種而言，‘敖漢’的比葉面積脅迫指數(shù)一直處于較低的水平，而‘三得利’一直處于較高的水平，‘中苜1號’居中。綜合葉長、葉面積和比葉面積的結(jié)果來看，依然是‘敖漢’苜蓿御旱性最強，‘中苜1號’次之，‘三得利’最弱。

因此，通過分析根冠比和比葉面積等耐旱指標(biāo)，‘敖漢’苜蓿是3個品種紫花苜蓿中最耐旱的，但是‘敖漢’的生物量最小，尤其是莖干重和根干重，這一結(jié)果和張曦等[3]的研究結(jié)果一致。由此可見，耐旱和產(chǎn)量通常是一對矛盾體，耐旱的植物往往是以犧牲產(chǎn)量為代價的，而生長過快也往往伴隨著大量耗水。

4 結(jié)論

綜上所述，根冠比和比葉面積可以作為篩選耐旱苜蓿品種的形態(tài)學(xué)指標(biāo)。根據(jù)這兩個指標(biāo)可以看出，水分脅迫下‘敖漢’的御旱性最好，‘中苜1號’次之，‘三得利’苜蓿御旱性最差。但是抗旱性強的品種往往產(chǎn)量較低，因此生產(chǎn)上可以選擇‘中苜1號’這種具有一定的耐旱性，同時產(chǎn)量又高的品種。