烏日娜, 石鳳翎, 徐 舶

直立型扁蓿豆對干旱脅迫和復(fù)水的響應(yīng)及適應(yīng)策略*

烏日娜, 石鳳翎**, 徐 舶

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院/草地資源教育部重點實驗室(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學) 呼和浩特 010000)

以直立型扁蓿豆[(L.) Sojak. cv. Zhilixing]為材料, 于苗期連續(xù)干旱處理12 d后復(fù)水4 d, 研究直立型扁蓿豆幼苗形態(tài)結(jié)構(gòu)特征、生理代謝及生物量分配對干旱脅迫及復(fù)水的響應(yīng), 揭示直立型扁蓿豆對干旱脅迫及復(fù)水的適應(yīng)策略。結(jié)果表明: 隨著干旱脅迫時間延長, 直立型扁蓿豆葉片氣孔開放率逐漸降低, 處理9 d后氣孔及表皮細胞密度比正常澆水處理(CK)分別增加48.5%和36.6%, 形成小而密的表皮細胞和氣孔。生理上, 除MDA含量隨脅迫時間的延長逐漸增加外, 其余指標均先升高后降低, 干旱脅迫9 d時達最高, SOD、POD、葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸分別較CK提高88.9%、111.2%、86.7%、140.5%、147.8%和124.6%。同時, 生物量隨脅迫時間的延長先增大后減小, 于干旱脅迫9 d達最大值, 比CK增加16.4%, 總的分配格局表現(xiàn)出地上生物量投資高于地下, 地下生物量投資比例隨脅迫時間的延長逐漸增加, 而地上生物量變化與其相反。復(fù)水后各指標均能恢復(fù)至CK水平或超過CK, 表現(xiàn)出極強的復(fù)水敏感性和潛在恢復(fù)能力。該品種扁蓿豆對干旱脅迫及復(fù)水的適應(yīng)主要分為3個時期: 主動適應(yīng)期, 其生理參數(shù)的可塑性指數(shù)為形態(tài)參數(shù)的1.33倍, 主要通過抗氧化及滲透調(diào)節(jié)來減少水分散失增加水分吸收、緩解氧化傷害以適應(yīng)干旱逆境; 被動適應(yīng)期, 其形態(tài)參數(shù)的可塑性指數(shù)為生理參數(shù)的1.31倍, 主要采用犧牲生物量的生存策略以及降低色素含量減少光吸收的光保護機制來提高逆境下的生存能力; 復(fù)水恢復(fù)期, 根冠比、氣孔開放率、氣孔及表皮細胞密度比CK分別增加25.9%、29.7%、24.2%和16.3%, 其較高的根冠比和葉片較高的氣孔開放率及小而密的氣孔及表皮細胞特征, 保證了直立型扁蓿豆吸水能力以及水分運輸效率的迅速恢復(fù)。綜上, 直立型扁蓿豆抗旱能力較強, 能夠通過形態(tài)生理的改變以及調(diào)整不同器官的生物量分配來應(yīng)對與適應(yīng)干旱逆境及復(fù)水, 且在不同處理階段采取不同的適應(yīng)策略以達到生存目的。

直立型扁蓿豆; 干旱脅迫; 復(fù)水; 形態(tài); 生理; 適應(yīng)策略; 葉片表皮細胞; 氣孔密度

我國干旱脅迫對農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)造成的損失巨大, 因此, 研究植物對干旱的形態(tài)生理響應(yīng)和適應(yīng)策略極為重要。植物對干旱的適應(yīng)體現(xiàn)在2個方面, 一方面是干旱脅迫下的生存能力, 另一方面是復(fù)水后迅速恢復(fù)的能力[1]。干旱脅迫和復(fù)水條件下, 植物會在生長、形態(tài)及生理生態(tài)特征上進行調(diào)整, 植物葉片的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物量積累與分配以及生理代謝等均會受到影響而發(fā)生一系列的適應(yīng)性變化。

扁蓿豆[(L.)]是一種生態(tài)適應(yīng)性廣、抗旱、抗寒、耐鹽堿的豆科草本植物, 廣泛分布于我國北方地區(qū), 在黑鈣土、栗鈣土和中度鹽堿土上均能良好生長[2-3], 可以用于建植人工草地、改良天然草地、防風固沙及水土保持, 對于恢復(fù)鹽堿環(huán)境具有較高的利用價值[4-5]。同時, 其營養(yǎng)價值高, 適口性好, 與苜蓿(L.)相比不含皂素, 家畜過量采食不會發(fā)生鼓脹病, 是一種優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)飼料, 但其莖斜臥且草產(chǎn)量和種子產(chǎn)量均較苜蓿低, 限制了扁蓿豆的開發(fā)利用。因此, 培育草產(chǎn)量及種子產(chǎn)量高的扁蓿豆品種以滿足生產(chǎn)需求, 對生態(tài)建設(shè)和畜牧業(yè)發(fā)展均具有重要的現(xiàn)實意義。而由內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學利用多次混合選擇法培育而成, 并于1992年12月審定通過登記為育成品種的直立型扁蓿豆[(L.) Sojak. cv. Zhilixing]除具有飼用價值高、抗性較強等優(yōu)良特性外, 相比野生型扁蓿豆, 該品種還具有較高的草產(chǎn)量和種子產(chǎn)量[6-10], 且植株直立便于打草刈割利用。該品種耐旱、抗寒、耐瘠薄、耐風沙、耐鹽堿, 水分利用效率高, 青綠期可達180~200 d, 適合北方干旱寒冷地區(qū)栽培利用。石鳳翎等[7]對其抗旱形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)進行了觀察分析, 發(fā)現(xiàn)其葉片為長橢圓形, 邊緣鋸齒狀, 上表皮疏被短柔毛, 而下表皮毛較上表皮多。氣孔下陷程度較苜蓿深, 且氣孔密度、柵欄組織與海綿組織排列的緊密程度以及柵欄組織的層數(shù)較苜蓿高, 利于光合作用, 在干旱時能夠阻止水分蒸散。其葉脈也較苜蓿明顯且密集, 輸導(dǎo)組織發(fā)達, 胞間隙小, 從形態(tài)解剖學上分析證實直立型扁蓿豆較苜蓿更為抗旱。此外, 李鴻雁等[8]將扁蓿豆與其他抗性較強的豆科牧草進行比較, 發(fā)現(xiàn)葉片的柵欄組織和海綿組織厚度、柵欄組織結(jié)構(gòu)緊密度以扁蓿豆最高, 其抗旱性能不僅優(yōu)于苜蓿, 也強于百脈根(L.)、黃花苜蓿(L.)、二色胡枝子(Turcz.)、野火球(L.)等抗性優(yōu)良的牧草。

直立型扁蓿豆所具備的上述優(yōu)良特性使其可以作為育種的優(yōu)質(zhì)親本用于苜蓿品種抗性改良及苜蓿新品種培育。Shu等[11]對5種非生物脅迫(ABA、鹽脅迫、滲透脅迫、4 ℃、-8 ℃)下的直立型扁蓿豆進行轉(zhuǎn)錄組測序, 鑒定出2 721個非生物應(yīng)激反應(yīng)基因, 可以為利用基因工程改良苜蓿屬牧草及其他牧草抗逆性的研究提供優(yōu)質(zhì)基因資源。因此, 對直立型扁蓿豆的研究及開發(fā)利用具有極其重要的意義。然而近年來, 對直立型扁蓿豆的研究多集中在組織培養(yǎng)、引種及多倍體誘導(dǎo), 僅有少數(shù)學者對直立型扁蓿豆的抗旱性進行研究, 主要在篩選抗旱鑒定指標并與其他材料進行抗旱性比較方面[12-13], 鮮有學者對不同程度干旱脅迫及復(fù)水條件下直立型扁蓿豆形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)、生理代謝及生物量分配規(guī)律進行研究。因此, 本研究擬通過對直立型扁蓿豆幼苗在不同干旱脅迫強度及復(fù)水處理下的形態(tài)結(jié)構(gòu)、生物量積累與分配以及生理代謝等方面的階段性變化進行研究, 了解該品種扁蓿豆對干旱逆境及復(fù)水的形態(tài)及生理響應(yīng), 并進一步探討直立型扁蓿豆應(yīng)對干旱脅迫及復(fù)水的階段性響應(yīng)策略, 為提高苜蓿的抗旱性提出新的思路, 也為干旱半干旱地區(qū)草產(chǎn)業(yè)發(fā)展和區(qū)域植被建設(shè)提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

直立型扁蓿豆種子采集于內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學牧草試驗地(2008年)。該品種為軸根型, 根系發(fā)達, 入土深度可達2 m以上, 主根不明顯, 莖直立, 高90~110 cm, 分枝多, 每株分枝數(shù)平均30~50個。葉量大、開花整齊、飼草品質(zhì)好、產(chǎn)草量高, 每公頃鮮草產(chǎn)量37 500~45 000 kg, 種子產(chǎn)量150~180 kg。比野生種增產(chǎn)50.6%, 種子硬實率由30%~60%下降至10%左右。

1.2 試驗處理

挑選飽滿、均勻一致的種子進行試驗, 由于扁蓿豆種子存在硬實現(xiàn)象, 所有種子均用濃H2SO4浸泡5~8 min, 在20 ℃恒溫條件下進行萌發(fā), 發(fā)芽率87%, 待種子發(fā)芽后移入育苗盤(32穴盤, 上口徑58 mm, 底部20 mm, 深度110 mm)。每穴播種2粒, 種植基質(zhì)為購自中順園林機械公司的有機營養(yǎng)土。將育苗盤放置于溫室中, 濕度43%, 溫度25 ℃。苗期每天光照12 h, 定期定量供水。待幼苗生長到6~8葉期時進行連續(xù)干旱脅迫處理, 干旱處理前澆足水。試驗分為兩組: 對照(CK)組保持正常澆水; 處理組不澆水, 連續(xù)干旱脅迫處理12 d幼苗葉片發(fā)生萎蔫變黃脫落后開始復(fù)水, 給予充分水分, 復(fù)水4 d后植株恢復(fù)正常生長。CK組和處理組均設(shè)3個重復(fù)。

1.3 測定指標及方法

1)生理生化指標測定方法

分別于干旱脅迫9 d、12 d及復(fù)水4 d的上午10:00對CK、干旱脅迫處理的植株取樣, 每個處理30株, 每株取第4或5片完全展開葉片, 共獲得12個樣品。用于測定葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸、丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化物酶(POD)活性。參照李合生[14]的方法測定各項生理指標。其中, 葉綠素用無水乙醇提取, 可溶性糖采用苯酚法測定, 可溶性蛋白采用考馬斯亮藍染色法測定, 游離脯氨酸采用酸性茚三酮法測定, MDA采用硫代巴比妥酸法測定, SOD活性采用NBT光化還原法測定, POD活性采用愈創(chuàng)木酚法測定。

2)掃描電鏡觀察葉片方法

按上述方法選取長勢一致的第4或第5片完全展開葉迅速投入2.5%戊二醛固定液中, 用日立S-3400N型掃描電鏡放大400~3 000倍觀察葉片表皮形態(tài), 測定其形態(tài)指標。

氣孔長寬: 每個樣品隨機選擇30個氣孔, 測定氣孔橫軸及縱軸。氣孔密度: 每個樣品各選取3個單位面積, 統(tǒng)計氣孔數(shù)量, 換算1 mm2氣孔個數(shù), 求均值。氣孔開放率: 單位面積開放數(shù)/單位面積總個數(shù)。表皮細胞長寬: 每個樣品隨機選擇10個表皮細胞, 測定細胞長寬。表皮細胞密度: 每個樣品各選取3個單位面積, 統(tǒng)計表皮細胞數(shù)量, 換算1 mm2表皮細胞個數(shù), 求均值。

3)各處理單株生物量測定

取CK、干旱脅迫9 d、12 d及復(fù)水后4 d的苗期植株各15株, 共12個樣品, 測定其總生物量、地上生物量、地下生物量及根冠比。

各指標(參數(shù))可塑性指數(shù)(plasticity index, PI)=[(不同處理下某參數(shù)的最大值-最小值)/最大值][15](1)

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016對數(shù)據(jù)進行整理, 利用SPSS 19.0進行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫及復(fù)水條件下直立型扁蓿豆幼苗葉片表皮及氣孔特征變化

由圖1A和圖2A可知, 葉片上表皮細胞密度隨著干旱脅迫時間的延長先升高后降低, 復(fù)水后恢復(fù)并超過CK, 各處理之間差異顯著(0.05)。葉片下表皮細胞密度隨著干旱脅迫時間的延長逐漸降低, 在干旱脅迫12 d時葉片下表皮細胞密度大幅降低, 復(fù)水后恢復(fù)至CK水平(圖1A和圖2B)。干旱脅迫9 d時, 上表皮細胞密度比CK增加36.6%。隨著脅迫時間的延長, 上下表皮細胞均破裂干癟, 密度降低, 分別比CK減少52.3%和29.4%。復(fù)水后細胞恢復(fù)生長, 使上下表皮細胞密度分別比CK增加16.3%、3.1%。此外, 相比于葉片下表皮, 上表皮對干旱的反應(yīng)更靈敏, 除干旱脅迫12 d外, 其余各處理上表皮細胞密度均顯著高于下表皮(0.05), 且上表皮的變化幅度大于下表皮。

圖1 不同處理條件下直立型扁蓿豆幼苗葉片表皮細胞及氣孔

CK為正常水分處理; 9d和12d為干旱脅迫9 d和12 d, Rewater為復(fù)水后4 d。不同小寫字母表示CK及各處理間差異顯著(0.05), *表示上下表皮間差異顯著(0.05)。CK is the control of normal water condition. 9d and 12d are 9 and 12 days of drought stress. Rewater is rehydration for 4 days after drought stress. Different lowercase letters indicate significant differences among CK and different treatments at<0.05 level. * indicate significant difference between epicuticle and lower epidermis at<0.05 level.

由圖1B、1C和圖2A、2B可知, 上表皮細胞長度和寬度在干旱脅迫條件下逐漸減小, 下表皮細胞變化與其相反, 干旱脅迫及復(fù)水處理間沒有顯著差異。脅迫9 d、12 d, 上表皮細胞長度分別比CK減少22.4%和23.3%(<0.05), 寬度分別比CK減少25.1%和27.2%(<0.05); 下表皮細胞長度分別比CK增加11.5%和12.6%(<0.05), 寬度分別比CK增加13.9%和15.1%(<0.05)。復(fù)水后, 表皮細胞長度和寬度沒有發(fā)生明顯變化。除CK上下表皮細胞長度和寬度差異不顯著外, 其余處理上表皮細胞長度和寬度均顯著低于下表皮(0.05)。

由圖1D可知, 上下表皮氣孔開放率均隨脅迫的加重而減小, 復(fù)水后均可恢復(fù), 且上表皮氣孔開放率高于下表皮氣孔開放率(<0.05)。與CK相比, 脅迫9 d和12 d上表皮氣孔開放率降低顯著, 分別比CK減少25.9%和57.7%(<0.05)。干旱脅迫9 d上表皮氣孔開放率明顯下降而下表皮氣孔開放率無明顯變化, 表明直立型扁蓿豆主要通過上表皮氣孔開放率的調(diào)節(jié)緩解干旱對植株造成的損傷。干旱脅迫12 d表皮氣孔開放率降至最低, 能阻止水分蒸散, 保護光合器官, 有利于復(fù)水后光合功能的恢復(fù)。復(fù)水后上表皮氣孔開放率恢復(fù)至CK水平, 而下表皮氣孔開放率比CK增加29.7%(<0.05), 有利于光合恢復(fù)。

隨著干旱脅迫程度的加深, 葉片上表皮氣孔密度先升高后降低(圖1E)。與CK相比, 干旱脅迫9 d, 氣孔密度增加48.5%, 干旱12 d, 葉片受到嚴重影響, 氣孔密度降至CK水平。復(fù)水后, 葉片恢復(fù)生長, 上表皮氣孔密度顯著增加24.2%。下表皮氣孔密度在各處理之間無顯著差異。上表皮氣孔密度顯著高于下表皮。

由圖1F和圖1G可知, 葉片上表皮氣孔長度和寬度在干旱脅迫及復(fù)水條件下顯著降低(<0.05), 而相互間無顯著差異。相比CK, 脅迫9 d、12 d及復(fù)水條件下, 上表皮氣孔長度分別減少17.8%、24.2%和20.1%(<0.05), 上表皮氣孔寬度分別減少13.0%、14.1%和12.6%(<0.05)。脅迫12 d和復(fù)水4 d, 下表皮氣孔長度分別比CK減少11.2%和9.76%(<0.05), 寬度分別比CK減少9.3%和7.1%(<0.05)。脅迫9 d時下表皮長、寬度與CK處理差異不顯著。表明干旱脅迫造成氣孔縮短, 即使復(fù)水也不再伸長。除CK外, 其余處理下表皮氣孔長度和寬度均明顯高于上表皮(<0.05)。

圖2 不同處理條件下直立型扁蓿豆幼苗葉片上表皮(A)和下表皮(B)的顯微結(jié)構(gòu)

2.2 干旱脅迫及復(fù)水處理條件下直立型扁蓿豆幼苗生理指標的變化

干旱脅迫下, 除MDA含量不斷升高外, 其余生理指標均隨著干旱脅迫時間的延長先升高后降低, 復(fù)水4 d后能夠恢復(fù)(表1)。水分脅迫導(dǎo)致葉綠素合成受阻, 葉綠素a、b、a/b及葉綠素總量在干旱脅迫第9 d達最大值, 分別比CK增加103.6%、48.9%、37.3%和86.7%。隨著干旱脅迫時間的延長, 葉綠素合成受到的阻力增強或分解加速, 導(dǎo)致干旱脅迫12 d葉綠素a、b、a/b及葉綠素總量分別比CK減少20.5%、13.3%、7.7%和19.0%, 其中葉綠素b含量相比于另外三者變化幅度較小。說明葉綠素總量及a/b的變化主要由葉綠素a的變化引起。復(fù)水后葉綠素a、b、a/b及葉綠素總量均恢復(fù)至對照水平。干旱脅迫下, 植物為消除體內(nèi)過氧化物的積累, 使SOD及POD活性在脅迫第9 d達最大值, 分別較CK提高88.9%和111.2%。此后隨著時間的延長, 抗氧化酶活性逐漸降低, 并在脅迫第12 d降至最低且分別比CK減少26.6%和43.4%。復(fù)水4 d后, 葉片SOD及POD活性逐漸恢復(fù)至CK水平。為抵御干旱逆境, 植物體內(nèi)大分子物質(zhì)分解, 葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量在脅迫第9 d顯著增加到最大值, 分別比CK增加140.5%、147.8%和124.6%。隨著時間的延長, 植物功能遭到破壞, 物質(zhì)含量在脅迫第12 d顯著降低, 分別比CK減少40.5%、45.2%和31.5%。隨著復(fù)水時間的延長, 葉片可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸含量恢復(fù)至CK水平。干旱脅迫12 d, MDA含量迅速增加, 比CK增加126.4%。復(fù)水后MDA含量下降, 仍高于CK。

表1 干旱和復(fù)水條件下直立型扁蓿豆生理指標的變化

同行不同小寫字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level among different treatments.

2.3 干旱脅迫及復(fù)水處理對扁蓿豆幼苗生物量積累與分配的影響

不同干旱脅迫強度下扁蓿豆生物量積累發(fā)生明顯改變(表2)。干旱脅迫9 d, 同化物增加了向根部的分配以增強植物對水分及養(yǎng)分的吸收能力, 用以地上部分的生長, 使得總生物量、地下生物量和地上生物量均顯著增加(<0.05), 分別比CK增加16.4%、27.5%和11.9%。干旱脅迫12 d, 隨著脅迫的增強, 總生物量下降，顯著低于脅迫9 d。地上生物量雖然比CK減少5.80%, 但地下生物量比CK增加38.6%，漲幅較大，因此其單株生物量仍高于CK。復(fù)水后, 總生物量、地下生物量和地上生物量顯著增加, 分別比CK增加24.8%、46.3%和16.2%。

干旱脅迫9 d, 地上生物量比重降低而地下生物量比重升高, 導(dǎo)致根冠比顯著增加(<0.05), 比CK增加13.9%, 這表明地下生物量的增長幅度大于地上, 總生物量的增長主要由地下生物量的增加所致。干旱脅迫12 d, 地上生物量比重較CK減少12.0%, 而根冠比及地下生物量比重明顯增加, 分別比CK增加47.2%和29.5%, 表現(xiàn)出較強的同化物分配能力。復(fù)水后, 地上生物量比重比CK減少6.92%, 地下生物量比重和根冠比分別比CK增加17.24%、25.9%。地上、地下生物量比重及根冠比在干旱脅迫下發(fā)生明顯變化, 表明嚴重的干旱脅迫會對生物量的分配產(chǎn)生影響。

表2 干旱和復(fù)水條件下直立型扁蓿豆生物量分配

不同小寫字母表示不同脅迫天數(shù)之間差異顯著，*表示不同處理與其對照間差異顯著(<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level among different days of stress. * indicate significant differences between control and stress treatments on the same day at<0.05 level.

2.4 干旱脅迫對直立型扁蓿豆形態(tài)及生理參數(shù)可塑性指數(shù)的影響

干旱脅迫9 d, 生理參數(shù)可塑性指數(shù)均值為形態(tài)參數(shù)的1.33倍(表3)。生理參數(shù)中, 以SOD、POD及脯氨酸的可塑性指數(shù)值最大, MDA及葉綠素的可塑性指數(shù)最低, 表明直立型扁蓿豆主要通過調(diào)整生理水平的變化適應(yīng)干旱環(huán)境; 在形態(tài)參數(shù)中, 以氣孔密度及開放率的可塑性指數(shù)較高, 對該品種扁蓿豆抵御干旱脅迫的作用較大, 而生物量及根冠比的可塑性指數(shù)最低, 作用相對較弱。干旱脅迫12 d, 形態(tài)參數(shù)的可塑性指數(shù)的均值大于生理參數(shù), 為生理參數(shù)的1.31倍。形態(tài)參數(shù)中, 以根冠比及生物量的可塑性指數(shù)最大, 表明直立型扁蓿豆主要通過生物量的變化來適應(yīng)該階段的脅迫; 生理參數(shù)中, 以脯氨酸、可溶性糖及可溶性蛋白的可塑性指數(shù)最高, 表明在嚴重干旱脅迫下, 生理代謝調(diào)節(jié)過程中, 滲透調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)揮主要功能, 而抗氧化系統(tǒng)次之。

3 討論

3.1 直立型扁蓿豆對干旱脅迫及復(fù)水的形態(tài)及生理響應(yīng)

大量研究表明, 生境的改變勢必會導(dǎo)致葉片形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化, 其變化特征能很好地體現(xiàn)環(huán)境因子的影響或該植物對生境變化的適應(yīng)能力[16]。本試驗中, 干旱脅迫9 d直立型扁蓿豆葉片上表皮細胞及氣孔密度均隨著干旱時間的延長先升高后降低, 與Fraser等[17]的研究結(jié)果一致, 即適度的干旱可增加葉片氣孔密度, 而過度干旱則使葉片氣孔密度下降。較大的氣孔密度有利于短時間內(nèi)充分利用有效水分進行光合作用, 有助于散熱, 可避免熱害使葉綠體和原生質(zhì)體發(fā)生變性。與CK相比, 此時的葉片表皮細胞密度增大而細胞長、寬變小, 表明干旱脅迫抑制了細胞的增大而促進了表皮細胞的分裂, 這樣的結(jié)構(gòu)增大了細胞的外表面積, 增加了水分蒸發(fā)的阻力, 減緩水分散失, 而且較小的細胞可以避免嚴重脫水時細胞體積變化過大而產(chǎn)生的機械損傷, 葉片的自我保護能力得到提高。同時, 細胞越小, 排列越緊密, 植物的光能利用率越高。至干旱脅迫12 d,扁蓿豆幼苗失水嚴重導(dǎo)致葉片表皮細胞扭曲起伏重疊及失水破裂, 氣孔形成受到抑制, 導(dǎo)致表皮細胞及氣孔密度的下降。然而, 也有氣孔密度隨著干旱脅迫程度的增加而增加的情況, 如赤皮青岡[(Blume) Oerst]幼苗[18], 這可能是由于試驗設(shè)置的干旱脅迫未能達到破壞植物細胞的程度。另外, 研究結(jié)果顯示, 干旱脅迫下, 受旱時間不一, 均造成直立型扁蓿豆氣孔器變短, 長、寬減小, 抗旱性增強, 與砂生槐[(Benth.) Baker][19]、赤皮青岡[18]等干旱區(qū)植物對干旱脅迫的響應(yīng)一致, 表明直立型扁蓿豆抗旱性較強。本試驗中上、下表皮氣孔開放率均隨著干旱脅迫的加劇逐漸下降, 表明直立扁蓿豆能夠通過調(diào)節(jié)氣孔開放率來減少水分散失確保在干旱環(huán)境下的生存, 與前人的研究結(jié)果一致[20-21]。復(fù)水后顯著高于CK的表皮細胞及氣孔密度、氣孔開放率以及顯著增加的下表皮氣孔開放率, 可能有利于扁蓿豆抗旱能力的提高, 以及光合恢復(fù)和植物的補償性生長。

表3 干旱條件下直立型扁蓿豆葉片形態(tài)及生理參數(shù)的可塑性指數(shù)

上、下表皮相比, 上表皮氣孔開放率、表皮細胞及氣孔密度明顯高于下表皮, 與石鳳翎等[7]的研究結(jié)果一致, 表明上表皮對土壤水分的變化更為敏感, 這可能是由于葉片上表皮受到的光照更多, 更利于水分蒸騰散失。因此, 直立型扁蓿豆主要通過調(diào)節(jié)上表皮氣孔開放率、表皮細胞及氣孔密度, 形成小而排列緊密的表皮細胞及氣孔, 增強控制氣體與水分的進出能力以減少水分散失, 有利于其快速響應(yīng)環(huán)境變化[22-23]。復(fù)水后, 與CK相比, 上表皮細胞仍保持小而密的狀態(tài), 而下表皮細胞大小仍維持在高于CK的水平, 這樣的形態(tài)特征可能提高了扁蓿豆的抗旱性, 有利于植物及時應(yīng)對干旱逆境。直立型扁蓿豆能夠以形態(tài)的變化來應(yīng)對與適應(yīng)干旱環(huán)境。

與直立型扁蓿豆葉片氣孔長、寬在干旱脅迫下減小的表現(xiàn)不同, 抗旱性強的苜蓿品種葉片氣孔的長、寬隨著脅迫的持續(xù)先增加后減少, 氣孔產(chǎn)生疏而大的適應(yīng)特征, 維持正常生理活動。進一步脅迫后,苜蓿氣孔長、寬減小, 但復(fù)水后, 氣孔保衛(wèi)細胞吸水, 氣孔增大[24]。而直立型扁蓿豆氣孔的長、寬在干旱脅迫下減小, 復(fù)水后也不再恢復(fù), 表明其為適應(yīng)干旱環(huán)境形成了特定的氣孔特征, 與苜蓿相比, 抗旱性更強, 更有利于及時應(yīng)對再次的逆境脅迫。

植物不僅通過表觀形態(tài)改變來適應(yīng)干旱, 滲透調(diào)節(jié)以及抗氧化酶活性增加也是植物應(yīng)對干旱的重要途徑。本研究結(jié)果表明, 干旱脅迫下除MDA外, 其余指標均呈先升高后降低的變化趨勢, 表明扁蓿豆幼苗只能在某一特定的干旱時長下通過提高自身抗氧化酶活性、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及葉綠素含量來抵御傷害, 與Selote等[25]、Szabados等[26]、Slama等[27]的研究結(jié)果一致。脅迫前期(0~9 d), 葉片生長受到抑制, 而葉綠素合成受阻相對較小或分解較少, 活性氧(ROS)的積累以及細胞水解酶類活性的提高使得扁蓿豆幼苗葉綠素含量、抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在干旱脅迫前期升高。同時研究發(fā)現(xiàn)可溶性糖及脯氨酸積累愈多, 膜透性增加愈小, 說明除作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外, 這兩者還可以保護和維持膜的穩(wěn)定性[28-29], 以適應(yīng)干旱逆境。至干旱脅迫12 d, 抗氧化酶合成受到抑制且降解加快, 導(dǎo)致活性降低, 與前人研究結(jié)果一致[30]。滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)一部分用于維持生命活動的消耗, 一部分向根系運輸促進根系對土壤水分的吸收[31]; 同時, 酶活性降低導(dǎo)致自由基大量積累, MDA含量迅速升高[32-33], 膜透性增加, 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)大量流失, 上述原因綜合導(dǎo)致扁蓿豆葉片滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量在脅迫后期不斷降低。此時, 葉片氣孔關(guān)閉, 阻礙CO2向葉綠體的供應(yīng), 影響其生物合成并加速其分解[34], 導(dǎo)致葉綠素含量下降。復(fù)水后葉綠素含量、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及抗氧化酶活性均能夠恢復(fù)至CK水平, 表現(xiàn)出較好的復(fù)水敏感性和潛在恢復(fù)能力。而耐滲透脅迫型的苜蓿復(fù)水后其滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)變化較慢[35], 恢復(fù)能力較弱。另外, 本試驗中幼苗葉片葉綠素b含量相比于另外3個葉綠素指標的變化并不明顯, 說明葉綠素總量和葉綠素a/b的變化主要由葉綠素a的顯著變化所引起,與Viljevac等[36]、張丹等[37]的研究結(jié)果一致, 表明干旱對葉綠素a的抑制大于對葉綠素b的抑制。

與直立型扁蓿豆相同, 苜蓿[38]、百脈根[39]在干旱脅迫下能夠通過增加滲透調(diào)節(jié)含量以及增強抗氧化酶活性來響應(yīng)逆境。然而與直立型扁蓿豆抗氧化酶活性先升高后降低的變化趨勢不同, 苜蓿SOD活性隨干旱脅迫的持續(xù)而增強, POD活性則逐漸降低[28], 表明苜蓿抗氧化防御系統(tǒng)中SOD活性發(fā)揮主要作用;而在直立型扁蓿豆中SOD、POD均能發(fā)揮重要作用。同時, 直立型扁蓿豆葉綠素含量先升高后降低, 苜蓿葉綠素含量下降[40], 難以通過提高葉綠素含量的方式提高其抗旱能力, 這可能是直立型扁蓿豆抗旱性強于苜蓿的原因之一。復(fù)水后直立型扁蓿豆?jié)B透調(diào)節(jié)物質(zhì)及酶活性均明顯減小, 但在百脈根中, SOD、POD和CAT活性仍較對照高, 這表明干旱脅迫使百脈根酶活性增強, 從而提高了百脈根對干旱的適應(yīng)性, 有利于其再次應(yīng)對干旱逆境[39]。

干旱脅迫和復(fù)水的影響最終由植物的生物量體現(xiàn), 在資源有限時, 為適應(yīng)環(huán)境變化通常會形成新的生物量分配模式。本研究結(jié)果表明, 直立型扁蓿豆總生物量隨著干旱脅迫時間的延長先增大后減小,生物量總的分配格局表現(xiàn)出地上部分生物量分配高于地下部分生物量分配, 地下部分生物量投資比例隨脅迫的持續(xù)而增大。干旱脅迫9 d, 一方面, 直立型扁蓿豆通過降低氣孔開放率減少水分散失, 并通過提高氣孔密度來增強植物進行氣體交換的能力, 進而提高了光合作用速率, 使生物量得以增加; 另一方面, 適度的干旱刺激, 導(dǎo)致生物量及根冠比的顯著增加, 表明直立型扁蓿豆通過調(diào)整源庫關(guān)系來適應(yīng)干旱環(huán)境。干旱脅迫12 d, 一方面氣孔開放率及氣孔密度下降, 干旱對氣孔的影響導(dǎo)致凈光合產(chǎn)物的減少, 植株生長受到抑制; 另一方面為抵御逆境所帶來的傷害, 前期積累的同化產(chǎn)物分解消耗, 導(dǎo)致生物量積累降低, 表明該品種扁蓿豆在嚴重干旱脅迫下可能通過減少或犧牲生物量的積累, 以更多的資源和能量來應(yīng)對傷害。與干旱9 d相比, 地上、地下生物量比重及根冠比在該階段的變化更加明顯, 這表明相比于程度較輕的干旱脅迫, 嚴重的干旱脅迫對生物量的分配比例影響較大。綜上, 直立型扁蓿豆的生物量分配在干旱脅迫下可塑性較強[41-42]。與直立型扁蓿豆不同, 干旱脅迫不僅降低了抗性強的苜蓿品種生物量[43-44], 也使紅豆草(Scop.)、百脈根、紅三葉(L.)、沙打旺(Pall.)、白三葉(L.)等豆科牧草的生物量下降[45]。與沙打旺在土壤水分條件改善后維持較小的根冠比[46]不同, 直立型扁蓿豆響應(yīng)干旱所形成的特征, 即小而密的氣孔及表皮細胞、較高的根冠比在復(fù)水后有利于地上部分快速的生長以彌補因脅迫減少的生物量。

3.2 直立型扁蓿豆對干旱脅迫及復(fù)水的適應(yīng)策略

在不同干旱脅迫程度下, 植物的適應(yīng)策略不同。本試驗中直立型扁蓿豆對干旱脅迫的適應(yīng)主要分為兩個時期, 即主動適應(yīng)時期和被動適應(yīng)時期。在主動適應(yīng)時期, 直立型扁蓿豆從維持水分吸收與散失的平衡, 發(fā)展到維持ROS產(chǎn)生和清除的平衡; 在被動適應(yīng)時期, 則從調(diào)整源庫關(guān)系, 發(fā)展到調(diào)整資源和能量在地上和地下部分的分配比例。

在主動適應(yīng)時期, 直立型扁蓿豆在形態(tài)上除了降低氣孔開放率外, 還通過形成小而密的氣孔及表皮細胞提高葉片保水力來減少水分散失, 并通過增加氣孔密度進行散熱, 可避免熱害使葉綠體和原生質(zhì)體發(fā)生變性。而苜蓿則通過增大氣孔形成大而疏的氣孔適應(yīng)特征來防止水分散失的同時吸收足量的CO2進行正常的光合作用并通過增大氣孔散熱降溫[46]。生理上, 通過提高滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及保護酶活性來緩解傷害, 降低細胞膜透性, 保護膜結(jié)構(gòu)。在干旱脅迫下降低氣孔開放率的同時增加氣孔密度, 保證了氣體交換, 減輕了對CO2吸收和固定的限制, 使得葉綠素含量升高, 從源頭上減少了ROS的產(chǎn)生, 減輕了氧化傷害, 該結(jié)果體現(xiàn)了直立型扁蓿豆葉片氣孔對干旱脅迫作出的積極響應(yīng)。與直立型扁蓿豆相同, 苜蓿、百脈根等在干旱脅迫下也采取通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量以及抗氧化酶活性減小膜系統(tǒng)受損害程度, 增強抗逆性的適應(yīng)機制, 不同的是其積累量和對逆境的敏感性[46]。此外, 直立型扁蓿豆為獲得更多的土壤水分而采取主動適應(yīng)對策, 進行源庫調(diào)節(jié), 使光合同化物優(yōu)先向根系分配, 促進根系生長, 增大根冠比, 有利于植物應(yīng)對更為嚴峻的干旱環(huán)境?？傮w來說, 僅依靠形態(tài)的改變來減少水分散失、增加水分吸收以及提高保水能力的主動適應(yīng)策略難以維持水分散失和吸收的平衡, 需啟動滲透調(diào)節(jié)和抗氧化等植物體的主動防御機制以及進行源庫調(diào)節(jié)調(diào)整生物量在地上及地下的分配來抑制或修復(fù)干旱脅迫造成的傷害, 維持干旱環(huán)境下的生長及生理活動。當少數(shù)葉片萎蔫變黃, 這預(yù)示著直立型扁蓿豆被動適應(yīng)階段的開始。

當植物生存受到干旱威脅時, 許多旱生植物會犧牲局部器官來維系生命, 這種方式即為植物的被動適應(yīng)策略。本研究結(jié)果顯示直立型扁蓿豆只能在一定范圍內(nèi)通過改變形態(tài)結(jié)構(gòu)特征, 提高葉綠素、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量及抗氧化酶活性來抵御傷害, 當超過這一臨界點, 表皮細胞及氣孔密度下降, 自身代謝紊亂, 葉綠素分解, 酶活性降低, 膜透性增加, 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)外滲, 此時, 其主動防御能力被削弱難以維持植物體內(nèi)的水分及ROS產(chǎn)生與清除的平衡。主動適應(yīng)階段由此結(jié)束, 啟動被動適應(yīng)策略。首先, 葉片氣孔關(guān)閉, 阻礙CO2向葉綠體的供應(yīng), 葉綠素合成受阻而分解加速, 減少光吸收實現(xiàn)光保護機制, 與Liu等[47]的研究結(jié)果一致。葉綠素降解使碳同化作用停止, 但葉片本身所含的營養(yǎng)物質(zhì)有利于植株其他部位的存活, 因而直立型扁蓿豆可以將有限的水分和養(yǎng)分用于幼嫩器官或組織來增加存活時間。其次, 積累的同化物進一步分解, 生物量下降, 滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)發(fā)揮的“吸水”作用有限, 更多的是用于保護蛋白及膜結(jié)構(gòu), 也可作為能量和碳、氮的來源, 便于復(fù)水后養(yǎng)分的集中供應(yīng), 有利于加速植物恢復(fù)進程[48], 此外, 根冠比也進一步增加。綜上所述, 在這一階段, 直立型扁蓿豆進一步調(diào)整植物源庫關(guān)系改變地上及地下生物量分配比例, 使內(nèi)部資源重新分配, 即使其發(fā)生轉(zhuǎn)移和再利用, 是一種以舍棄生物量為代價的生存策略。

植物復(fù)水后的第一要務(wù)是修復(fù)干旱對其造成的傷害。當前, 植物抗旱性的研究多集中于干旱期間植物的變化, 而關(guān)于植物經(jīng)歷干旱后復(fù)水的修復(fù)過程的研究相對薄弱。本試驗中干旱脅迫后復(fù)水, 一方面, 直立型扁蓿豆葉片在干旱下形成小而密的氣孔和表皮細胞特征及復(fù)水后較高的氣孔開放率、細胞膜結(jié)構(gòu)的迅速修復(fù), 大大提高了其光合作用的潛力和速率, 進而減輕了對CO2吸收和固定的限制, 從根源上減少ROS的產(chǎn)生, 有利于植物的水分平衡和ROS產(chǎn)生與清除平衡的再次形成。另一方面, 干旱脅迫下積累的可溶性糖、可溶性蛋白、脯氨酸等在復(fù)水后不僅可作為能量或碳、氮來源被迅速利用, 加快其恢復(fù)進程, 也可以發(fā)揮滲透調(diào)節(jié)作用來提高吸收水分的能力, 有助于葉片水勢及水分運輸效率的恢復(fù)。復(fù)水后直立型扁蓿豆?jié)B透調(diào)節(jié)物質(zhì)及酶活性均能恢復(fù), 百脈根的酶活性仍然較高, 表明其抗氧化能力提升, 有利于復(fù)水恢復(fù), 百脈根對干旱的適應(yīng)性得到提高, 有利于再次應(yīng)對干旱逆境。直立型扁蓿豆為應(yīng)對再次的干旱逆境形成了特定的形態(tài)特征, 而百脈根則形成了特定的生理特征。另外, 干旱脅迫下較高的根冠比也保證了直立型扁蓿豆在干旱脅迫解除后能夠迅速恢復(fù)吸水能力及水分運輸效率。與此不同, 研究表明沙打旺在脅迫后維持較小的根冠比, 主要通過其葉片較高的水分利用率來恢復(fù)地上部分的生長[45]。上述形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理代謝的變化和調(diào)整導(dǎo)致了同化物的最優(yōu)分配, 對直立型扁蓿豆體內(nèi)水分吸收及運輸效率產(chǎn)生影響, 從而出現(xiàn)補償反應(yīng), 這是生物保存自身的一種重要機能, 在一定程度上彌補了干旱對植物本身所產(chǎn)生的傷害。

4 結(jié)論

干旱脅迫下, 直立型扁蓿豆葉片上表皮氣孔開放率降低, 表皮細胞及氣孔密度比CK分別增加36.6%和48.5%, 形成了小而密的表皮細胞及氣孔, 控制氣體與水分的進出能力得到增強, 減少了水分散失; 復(fù)水后上表皮細胞仍保持小而密的狀態(tài), 而下表皮細胞較大利于儲水, 這樣的形態(tài)特征有利于植物及時應(yīng)對干旱逆境; 除MDA含量隨脅迫時間的延長逐漸增加外, 葉綠素含量、抗氧化酶活性及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量均先升高后降低, 在干旱脅迫9 d達最高, SOD、POD、葉綠素、可溶性糖、可溶性蛋白及脯氨酸分別較CK提高88.9%、111.2%、86.7%、140.5%、147.8%和124.6%, 隨后下降, 復(fù)水后恢復(fù)至CK水平, 表現(xiàn)出極強的復(fù)水敏感性和潛在恢復(fù)能力, 表明直立型扁蓿豆具有較強的干旱適應(yīng)性; 干旱脅迫下, 生物量隨著水分的減少先增大后減小, 于干旱脅迫9 d達最大, 比CK增加16.4%,復(fù)水后超過CK。生物量總的分配格局表現(xiàn)出地上部分生物量投資高于地下部分生物量投資, 地下部分生物量投資比例隨著水分的減少而增大。

干旱脅迫下, 直立型扁蓿豆通過形態(tài)結(jié)構(gòu)變化、抗氧化防御、滲透調(diào)節(jié)和同化物分配等策略適應(yīng)干旱逆境。主動適應(yīng)階段, 直立型扁蓿豆生理參數(shù)的可塑性指數(shù)為形態(tài)參數(shù)的1.33倍, 且其抗氧化酶的可塑性指數(shù)高于其他生理指標, 該品種主要依靠生理代謝調(diào)節(jié)中的抗氧化系統(tǒng)抵御脅迫, 滲透調(diào)節(jié)次之。隨著脅迫的加深, 直立型扁蓿豆進入被動適應(yīng)階段, 其形態(tài)參數(shù)的可塑性指數(shù)為生理參數(shù)的1.31倍, 主動防御系統(tǒng)被削弱, 采取犧牲生物量, 將有限的水分和養(yǎng)分用于保護幼嫩器官或組織來提高逆境下的生存能力。另外, 在該階段, 直立型扁蓿豆的葉綠素含量比CK降低19.0%, 因此, 也可以通過色素含量的降低來減少光吸收從而實現(xiàn)光保護機制。

復(fù)水后, 直立型扁蓿豆的根冠比、氣孔開放率、氣孔及表皮細胞密度比對照分別增加25.9%、29.7%、24.2%和16.3%, 其較高的根冠比和葉片較高的氣孔開放率及小而密的氣孔及表皮細胞特征, 保證了直立型扁蓿豆吸水能力以及水分運輸效率的迅速恢復(fù)。其次, 干旱脅迫下根系中積累的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)在復(fù)水后可以作為能量或碳、氮來源以加快植株的恢復(fù), 同時發(fā)揮滲透調(diào)節(jié)作用保障葉片水勢及水分運輸效率的恢復(fù)。

[1] XU ZZ, ZHOU GS, SHIMIZU H. Plant responses to droughtand rewatering[J]. Plant Signaling & Behavior, 2010, 5(6): 649–654

[2] YANG J Y, ZHENG W, TIAN Y, et al. Effects of various mixed salt-alkaline stresses on growth, photosynthesis, and photosynthetic pigment concentrations ofseedlings[J]. Photosynthetica, 2011, 49(2): 275–284

[3] GUAN B, ZHOU D, ZHANG H, et al. Germination responses ofseeds to salinity, alkalinity, and temperature[J]. Journal of Arid Environments, 2009, 73(1): 135–138

[4] AN S S, DARBOUX F, CHENG M. Revegetation as an efficient means of increasing soil aggregate stability on the Loess Plateau (China)[J]. Geoderma, 2013, 209/210: 75–85

[5] ZHAO L P, WU G L, SHI Z H. Post-fire species recruitment in a semiarid perennial steppe on theLoess Plateau[J]. Australian Journal of Botany, 2013, 61(1): 29–35

[6] 張雨桐, 石鳳翎, 喬雨, 等. EMS誘變對直立型扁蓿豆出苗和幼苗生長的影響[J]. 草原與草業(yè), 2019, 31(2): 24–31 ZHANG Y T, SHI F L, QIAO Y, et al. Effects of EMS mutated(L.) Sojak. cv. Zhilixing seeds on seedling emergence and seedling growth[J]. Grassland and Prataculture, 2019, 31(2): 24–31

[7] 石鳳翎, 郭曉霞, 李紅. 扁蓿豆抗旱形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)觀察與分析[J]. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2005, 23(2): 115–118SHI F L, GUO X X, LI H. Examination and analysis of drought-resisting morphology and anatomy of[J]. Agricultural Research in the Arid Areas, 2005, 23(2): 115–118

[8] 李鴻雁, 李志勇, 師文貴, 等. 6種豆科牧草葉片解剖性狀與抗旱性關(guān)系研究[J]. 西北植物學報, 2010, 30(10): 1989–1994 LI H Y, LI Z Y, SHI W G, et al. Leaf anatomic indexes and the relations with drought resistance of the six forage of[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2010, 30(10): 1989–1994

[9] 王璐, 石鳳翎, 卞曉燕, 等. 秋水仙素處理直立型扁蓿豆的誘變效應(yīng)分析[J]. 種子, 2013, 32(10): 50–53 WANG L, SHI F L, BIAN X Y, et al. Analyzing the mutative effects of(L.) Sojak. cv. Zhilixing treated by colchicine[J]. Seeds, 2013, 32(10): 50–53

[10] 李慧, 石鳳翎, 熊梅, 等.60Co-γ輻射對直立型扁蓿豆種子產(chǎn)量及構(gòu)成因子的影響[J]. 中國草地學報, 2013, 35(6): 9–13LI H, SHI F L, XIONG M, et al. Effect of60Co-γ ray irradiation on seed yields and component factors of(L.) Sojak. cv. Zhilixing[J]. Chinese Journal of Grassland, 2013, 35(6): 9–13

[11] SHU Y J, LI W, ZHAO J Y, et al. Transcriptome sequencing and expression profiling of genes involved in the response to abiotic stress in[J]. Genetics and Molecular Biology, 2018, 41(3): 638–648

[12] 魚小軍, 肖紅, 徐長林, 等. 扁蓿豆和苜蓿種子萌發(fā)期抗旱性和耐鹽性比較[J]. 植物遺傳資源學報, 2015, 16(2): 405–410 YU X J, XIAO H, XU C L, et al. Comparative study on drought resistance and salt tolerance ofandat seed germination period[J]. Journal of Plant Genetic Resources, 2015, 16(2): 405–410

[13] 郝建輝, 石鳳翎. 不同扁蓿豆材料抗旱性比較研究[J]. 中國草地學報, 2006, 28(3): 39–42 HAO J H, SHI F L. Study on drought resistance ofaccessions[J]. Chinese Journal of Grassland, 2006, 28(3): 39–42

[14] 李合生. 植物生理生化實驗原理和技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2000LI H S. Principles and Techniques of Plant Physiological Biochemical Experiment[M]. Beijing: Higher Education Press, 2000

[15] VALLADARES F, WRIGHT S J, LASSO E, et al. Plastic phenotypic response to light of 16 congeneric shrubs from a Panamanian rainforest[J]. Ecology, 2000, 81(7): 1925–1936

[16] 楊琴琴. 入侵植物香菇草()對水分的表型可塑性研究及其演變預(yù)測[D]. 杭州: 浙江農(nóng)林大學, 2013 YANG Q Q. The phenotypic plasticity of water and the forecast of evolution of invasive plant[D]. Hangzhou: Zhejiang A & F University, 2013

[17] FRASER L H, GREENALL A, CARLYLE C, et al. Adaptive phenotypic plasticity of: Response of stomatal density, leaf area and biomass to changes in water supply and increased temperature[J]. Annals of Botany, 2009, 103(5): 769–775

[18] 吳麗君, 李志輝, 楊模華, 等. 赤皮青岡幼苗葉片解剖結(jié)構(gòu)對干旱脅迫的響應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2015, 26(12): 3619–3626 WU L J, LI Z H, YANG M H, et al. Response of leaf anatomical characteristics ofseedlings to drought stress[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2015, 26(12): 3619–3626

[19] 姚衛(wèi)杰, 張艷福, 丹曲, 等. 砂生槐葉片氣孔特性對干旱和低溫脅迫的響應(yīng)[J]. 貴州農(nóng)業(yè)科學, 2015, 43(9): 23–29 YAO W J, ZHANG Y F, DAN Q, et al. Stomatal feature ofleaf under drought and cold stress[J]. Guizhou Agricultural Sciences, 2015, 43(9): 23–29

[20] WANG S G, JIA S S, SUN D Z, et al. Mapping QTLs for stomatal density and size under drought stress in wheat (L.)[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2016, 15(9): 1955–1967

[21] 可靜, 李進, 呂海英, 等. 不同條件下黑果枸杞葉片氣孔開度和超微結(jié)構(gòu)的變化[J]. 干旱區(qū)研究, 2017, 34(6): 1362–1370 KE J, LI J, LYU H Y, et al. Change of stomatal aperture and ultrastructure onMurr.leaves under different conditions[J]. Arid Zone Research, 2017, 34(6): 1362–1370

[22] DRAKE P L, FROEND R H, FRANKS P J. Smaller, faster stomata: Scaling of stomatal size, rate of response, and stomatal conductance[J]. Journal of Experimental Botany, 2013, 64(2): 495–505

[23] 夏振華, 陳亞寧, 朱成剛, 等. 干旱脅迫環(huán)境下的胡楊葉片氣孔變化[J]. 干旱區(qū)研究, 2018, 35(5): 1111–1117 XIA Z H, CHEN Y N, ZHU C G, et al. Stomatal change in leaves ofunder drought stress[J]. Arid Zone Research, 2018, 35(5): 1111–1117

[24] 趙雅麗, 熊浩, 畢玉芬, 等. 干熱脅迫對紫花苜蓿葉片氣孔大小的影響[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學學報, 2013, 28(3): 336–339 ZHAO Y L, XIONG H, BI Y F, et al. Effect of drought and heat stress on leaf stomata size in alfalfa[J]. Journal of Yunnan Agricultural University, 2013, 28(3): 336–339

[25] SELOTE D S, KHANNA-CHOPRA R. Antioxidant response of wheat roots to drought acclimation[J]. Protoplasma, 2010, 245(1): 153–163

[26] SZABADOS L, SAVOURé A. Proline: A multifunctional amino acid[J]. Trends in Plant Science, 2010, 15(2): 89–97

[27] SLAMA I, TAYACHI S, DEY A J, et al. Differential response to water deficit stress in Alfalfa () cultivars: Growth, water relations, osmolyte accumulation and lipid peroxidation[J]. African Journal of Biotechnology, 2011, 10(72): 16250–16259

[28] 權(quán)文利, 產(chǎn)祝龍. 紫花苜?？购禉C制研究進展[J]. 生物技術(shù)通報, 2016, 32(10): 34–41 QUAN W L, CHAN Z L. Research progress on drought resistance mechanism of alfalfa[J].Biotechnology Bulletin, 2016, 32(10): 34–41

[29] SANDERS G J, ARNDT S K. Osmotic adjustment under drought conditions[M]//AROCA R. Plant Responses to Drought Stress. Berlin, Heidelberg: Springer, 2012

[30] 趙宏偉, 王新鵬, 于美芳, 等. 分蘗期干旱脅迫及復(fù)水對水稻抗氧化系統(tǒng)及脯氨酸影響[J]. 東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2016, 47(2): 1–7 ZHAO H W, WANG X P, YU M F, et al. Effect of drought stress and rewatering on antioxidant system and proline in rice during tillering stage[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(2): 1–7

[31] 羅桑卓瑪, 辛福梅, 楊小林, 等. 干旱脅迫對香柏幼苗生長和生理指標的影響[J]. 西北農(nóng)林科技大學學報:自然科學版, 2015,43(5): 51–57 LUOSANG Z M, XIN F M, YANG X L, et al. Effect of drought stress on growth and physiological indicators ofvar.seedlings[J].Journal of Northwest A & F University: Natural Science Edition, 2015, 43(5): 51–57

[32] CHAKRABARTY A, ADITYA M, DEY N, et al. Antioxidant signaling and redox regulation in drought-and salinity-stressed plants[M]//HOSSAIN MA, WANI SH, BHATTACHARJEE S, et al. Drought Stress Tolerance in Plants, Volume 1. Cham: Springer International Publishing, 2016: 465–498

[33] ZHANG Q, MA C, XUE X, et al. Overexpression of acytosolic ascorbate peroxidase gene,, increases salt tolerance in transgenicAlfalfa[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2014, 13(11): 2500–2507

[34] EFEO?LU B, EKMEK?I Y, ?I?EK N. Physiological responses of three maize cultivars to drought stress and recovery[J]. South African Journal of Botany, 2009, 75(1): 34–42

[35] DJILIANOV D, DRAGIISKA R, YORDANOVA R, et al. Physiological changes in osmotically stressed detached leaves of alfalfa genotypes selected in vitro[J]. Plant Science, 1997, 129(2): 147–156

[36] VILJEVAC M, DUGALI? K, MIHALJEVI? I, et al. Chlorophyll content, photosynthetic efficiency and genetic markers in two sour cherry(L.) genotypes under drought stress[J]. Acta Botanica Croatica, 2013, 72(2): 221–235

[37] 張丹, 任潔, 王慧梅. 干旱脅迫及復(fù)水對紅松針葉和樹皮綠色組織光合特性及抗氧化系統(tǒng)的影響[J]. 生態(tài)學雜志, 2016, 35(10): 2606–2614 ZHANG D, REN J, WANG H M. Response of photosynthetic characteristics and antioxidant system in needles and bark chlorenchyma of Korean pine to drought stress and rehydration[J]. Chinese Journal of Ecology, 2016, 35(10): 2606–2614

[38] 姚曹, 周俊, 徐洋, 等. 不同苜蓿品種幼苗對干旱脅迫的生理響應(yīng)[J]. 安徽科技學院學報, 2017, 31(4): 30–33 YAO C, ZHOU J, XU Y, et al. Physiological responses of different alfalfa varieties seedlings to drought stress[J]. Journal of Anhui Science and Technology University, 2017, 31(4): 30–33

[39] 趙海明, 孫桂枝, 王學敏, 等. 百脈根種質(zhì)苗期抗旱性鑒定及綜合評價[J]. 草原與草坪, 2011, 31(6): 18–26ZHAO H M, SUN G Z, WANG X M, et al. Comprehensive evaluation and identification of drought resistance ofin seedling stage[J]. Grassland and Turf, 2011, 31(6): 18–26

[40] 張翠梅, 師尚禮, 陳建綱. 干旱脅迫對苜蓿幼苗葉綠素熒光特性和膜脂過氧化的影響[J]. 草原與草坪, 2019, 39(1): 16–27ZHANG C M, SHI S L, CHEN J G. Effects of drought stress on chlorophyll fluorescence parameters and lipid peroxodation in alfalfa seedlings[J]. Grassland and Turf, 2019, 39(1): 16–27

[41] 謝志玉, 張文輝. 干旱和復(fù)水對文冠果生長及生理生態(tài)特性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2018, 29(6): 1759–1767 XIE Z Y, ZHANG W H. Effects of drought and rewatering on growth and photosynthetic physioecological characteristics of[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2018, 29(6): 1759–1767

[42] 施欽, 殷云龍, 王芝權(quán), 等. 中山杉及其父母本幼苗對干旱脅迫和復(fù)水的響應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2016, 27(11): 3435–3443 SHI Q, YIN Y L, WANG Z Q, et al. Response in cuttings ofhybrid ‘Zhongshanshan’ and their parents to drought and re-hydration[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(11): 3435–3443

[43] 郭書嫄. 干旱脅迫及復(fù)水條件下紫花苜蓿的生理生態(tài)響應(yīng)[D]. 沈陽: 沈陽農(nóng)業(yè)大學, 2016 GUO S Y. Eco-physiological responses of alfalfa under drought stress and re-watering[D]. Shenyang: Shenyang Agricultural University, 2016

[44] 韓瑞宏, 蔣超, 董朝霞, 等. 47份苜蓿種質(zhì)材料抗旱性綜合評價[J]. 中國草地學報, 2017, 39(4): 27–35 HAN R H, JIANG C, DONG C X, et al. Comprehensive evaluation of drought resistance of 47 Medicago germplasm materials under drought stress[J]. Chinese Journal of Grassland, 2017, 39(4): 27–35

[45] 張薈薈, 楊鋼, 高洪文, 等. 10份豆科牧草的苗期抗旱性綜合評價[J]. 新疆農(nóng)業(yè)科學, 2013, 50(5): 938–943ZHANG H H, YANG G, GAO H W, et al. Comprehensive evaluation of drought resistance of ten legume forage seedlings[J]. Xinjiang Agricultural Sciences, 2013, 50(5): 938–943

[46] 徐炳成, 山侖, 李鳳民. 苜蓿與沙打旺苗期生長和水分利用對土壤水分變化的反應(yīng)[J]. 應(yīng)用生態(tài)學報, 2005, 16(12): 2328–2332 XU B C, SHAN L, LI F M. Responses ofandseedlings growth and water use to soil moisture regime[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2005, 16(12): 2328–2332

[47] LIU YB, LIU MT, CAO B. Effects of drought stress on antioxidant enzyme, photosynthetic pigment and flavonoid pathway in two desert shrubs[J]. Sciences in Cold and Arid Regions, 2011, 3(4): 332–338

[48] AN Y Y, LIANG Z S, ZHAO R K, et al. Organ-dependent responses ofto repeated dehydration and rehydration[J]. South African Journal of Botany, 2011, 77(2): 446–454

(L.) Sojak. cv. Zhilixing response and adaptation strategy to drought stress and rehydration*

WU Rina, SHI Fengling**, XU Bo

(College of Grassland, Resources and Environment, Inner Mongolia Agricultural University / Key Laboratory of Grassland Resources of Ministry of Education (Inner Mongolia Agricultural University), Huhhot 010000, China)

The effect of drought stress and rehydration on(L.) Sojak cv. Zhilixing morphological structures, physiological metabolism, and matter distribution were investigated to determine the adaptation strategy in an arid environment. Seedling-stage(with 6–8 leaves) were subjected to continuous drought stress for 12 days and then re-watered for 4 days; samples were collected from the control group (CK), after 9 and 12 days of drought stress, and 4 days after rehydration. Compared with the CK, the stoma opening rate decreased, while the stoma and epidermis cell densities increased by 48.5% and 36.6%, respectively. Smaller and denser epidermal cells formed. The malondialdehyde (MDA) content increased gradually during stress period. Superoxide dismutase activity (SOD), peroxidase activity (POD), and contents of chlorophyll, soluble sugar, soluble protein, and proline first increased and then decreased with prolonged drought. Total biomass also first increased then decreased, reaching the maximum after 9 days (0.433 7 g; 16.4% increase). The distribution of the above-ground biomass was higher than the under-ground biomass, and the under-ground biomass proportion increased with drought, while the opposite effect was observed with the above-ground biomass. After re-watering, all of the physiological and biochemical indexes recovered or exceeded those of the control, indicating strong rehydration sensitivity and resilience.adaptation to drought stress and rehydration was divided into three periods: active adaptation, passive adaptation, and re-watering. The physiological parameter plasticity index was 0.16, 1.33 times greater than the morphological parameter index, during the active adaptation period. Drought stress adaptation was achieved by altering the antioxidant and osmotic regulation systems to reduce water loss, improving water retention and absorption efficiency, and maintaining the water absorption and loss balance. The morphological parameter plasticity index was 0.24, 1.31 times greater than the physiological parameter index, during the passive adaptation period.sacrificed biomass and reduced pigments to aid survival. The root-shoot ratio (25.9%), stomatal opening rate (29.7%), and stomatal and epidermal cell density (24.2% and 16.3%, respectively) were higher than those in the CK during the re-watering period. These characteristics promoted rapid water recovery, absorption capacity, and water transport efficiency. Morphological and physiological changes allowedto adapt to drought stress and rehydration, contributing to its survival in arid conditions.

(L.) Sojak. cv. Zhilixing; Drought stress; Rehydration; Morphology; Physiology; Adaptive strategy; Epidermis cell of leaf; Stomatal density

Q945.78; Q944.53

10.13930/j.cnki.cjea.200308

烏日娜, 石鳳翎, 徐舶. 直立型扁蓿豆對干旱脅迫和復(fù)水的響應(yīng)及適應(yīng)策略[J]. 中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學報(中英文), 2020, 28(12): 1901-1912

WU R N, SHI F L, XU B.(L.) Sojak. cv. Zhilixing response and adaptation strategy to drought stress and rehydration [J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(12): 1901-1912

* 內(nèi)蒙古自治區(qū)科技計劃項目(2019GG244)資助

石鳳翎, 主要從事牧草遺傳育種研究。E-mail: sfl0000@126.com

烏日娜, 主要從事牧草遺傳育種研究。E-mail: caokundeyouxiang@126.com

2020-04-24

2020-07-04

* This study was supported by the Science and Technology Project of Inner Mongolia Autonomous Region in China (2019GG244).

, E-mail: sfl0000@126.com

Apr. 24, 2020;

Jul. 4, 2020