張翠梅，師尚禮，吳芳

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干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種根系生長及生理特性影響

張翠梅，師尚禮，吳芳

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室/甘肅省草業(yè)工程實驗室/中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心 蘭州 730070）

【目的】研究干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種根系生長特征及生理特性的影響，明確不同抗旱性苜蓿品種響應(yīng)干旱脅迫的生長及生理差異，為進一步闡明紫花苜?？购档姆肿訖C理、提高紫花苜蓿耐旱性和水分利用效率提供理論依據(jù)。【方法】采用營養(yǎng)液沙培法，選用強抗旱的隴中苜蓿（L. cv. Longzhong）、中抗旱的隴東苜蓿（L. cv. Longdong）和弱抗旱的甘農(nóng)3號紫花苜蓿（L. cv. Gannong No.3）為試驗材料，在幼苗期對其進行6種不同水勢（0、-0.4、-0.8、-1.2、-1.6和-2.0 MPa）的PEG-6000人工模擬干旱脅迫，研究干旱脅迫對供試苜蓿根系生長特征（根系總長度、根系總表面積、根系平均直徑、根體積、根尖數(shù)和根系干重）、根系活力、游離脯氨酸（Pro）含量、可溶性蛋白（SP）含量、可溶性糖（SS）含量，丙二醛（MDA）含量、質(zhì)膜相對透性、活性氧（H2O2、OH·和O2?-）含量，抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性、還原型抗壞血酸（AsA）和還原型谷胱甘肽（GSH）含量的影響。并用逐步回歸分析建立最優(yōu)回歸方程，進而篩選出不同脅迫程度下對不同抗旱性苜蓿品種抗旱性影響較為顯著的指標。【結(jié)果】干旱脅迫會顯著影響苜蓿的根系生長特征及生理特性。隨著干旱脅迫的加劇，供試苜蓿的根系總長度、Pro含量、MDA含量、質(zhì)膜相對透性、活性氧（H2O2、OH·和O2?-）含量及CAT活性不斷增加；根系干重、根系活力、SS含量和GSH含量先增加后下降。此外，隨脅迫程度增加，隴中苜蓿的根系平均直徑、根體積、根尖數(shù)、POD活性及SOD活性均呈先增加后下降的變化趨勢，AsA含量不斷增加；隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的根系平均直徑、根體積、根尖數(shù)、POD活性及根系總表面積則呈不斷下降的趨勢，而AsA含量呈先增加后下降的變化趨勢。整體而言，隴中苜蓿的根系總長度、根系總表面積、根系干重顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號，H2O2含量和O2?-含量顯著低于甘農(nóng)3號；隴中苜蓿和隴東苜蓿的SP含量、SS含量和MDA含量顯著低于甘農(nóng)3號。-1.2 MPa至-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿的H2O2和OH·含量顯著低于隴東苜蓿。-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿的POD活性、AsA和GSH含量均顯著高于甘農(nóng)3號。逐步回歸分析表明，根系活力、根體積、根系總長度、MDA和AsA是對隴中苜?？购敌杂绊戄^為顯著的指標；根尖數(shù)、根系平均直徑、根系總表面積、根系干重、O2?-、GSH和CAT是對隴東苜?？购敌杂绊戄^為顯著的指標；根系活力、根尖數(shù)、Pro、SS、MDA、質(zhì)膜相對透性和GSH是對甘農(nóng)3號紫花苜?？购敌杂绊戄^為顯著的指標?！窘Y(jié)論】不同抗旱性苜蓿品種在形態(tài)特征和生理特性上對干旱脅迫存在相同和不同的生長及生理響應(yīng)策略。輕度和中度脅迫（0 MPa至-1.2 MPa）下，抗旱苜蓿品種主要通過增加根系總長度、根體積和根尖數(shù)及降低膜脂過氧化程度來適應(yīng)干旱，弱抗旱苜蓿品種則通過改變細胞膜穩(wěn)定性、根系活力及滲透調(diào)節(jié)能力來適應(yīng)干旱；重度脅迫（-1.2 MPa至-2.0 MPa）下，不同抗旱性苜蓿品種均可通過改變根系生長特征和啟動抗氧化系統(tǒng)來抵御干旱，其中強抗旱苜蓿品種主要通過增加根長和AsA含量來適應(yīng)干旱，而中等抗旱和弱抗旱苜蓿品種主要通過增加根尖數(shù)和GSH含量來適應(yīng)干旱。

苜蓿；根系；PEG 脅迫；根系特征；生理特性；差異化響應(yīng)策略

0 引言

【研究意義】干旱是限制植物生長、發(fā)育和分布的重要環(huán)境脅迫之一，其對農(nóng)作物造成的損失在所有非生物脅迫中占首位[1-3]。紫花苜蓿（L.）為多年生豆科牧草，地下根系發(fā)達，在改善生態(tài)環(huán)境、水土保持方面具有天然的優(yōu)勢；紫花苜蓿同時具有高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)性強、分布廣等優(yōu)點，已經(jīng)成為中國種植面積最大、利用非常廣泛的一種飼草作物[4-5]。然而，日益加劇的干旱對紫花苜蓿的種植面積和產(chǎn)量構(gòu)成了嚴重威脅，干旱地區(qū)的旱作苜蓿產(chǎn)量只有通過抗旱苜蓿品種的培育和應(yīng)用才能達到增產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)[6-7]。根系發(fā)育能力和生理生態(tài)特性與苜蓿的抗旱性關(guān)系十分密切。不同抗旱性苜蓿品種的根系對不同的環(huán)境條件表現(xiàn)出不同的適應(yīng)特性，主要體現(xiàn)在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能、物質(zhì)代謝以及基因和蛋白表達等多方面[3]，因此，探明干旱逆境下不同抗旱性苜蓿品種根系適應(yīng)性變化的潛在機制，可為提高苜蓿耐旱性和水分利用效率提供理論依據(jù)?！厩叭搜芯窟M展】根系作為土壤-植株-大氣水循環(huán)過程中的關(guān)鍵一環(huán)，在植物適應(yīng)干旱缺水環(huán)境中發(fā)揮著重要作用[8]。干旱脅迫后，植物根系從生長發(fā)育、形態(tài)解剖結(jié)構(gòu)、根系生物量、生理生化代謝等方面發(fā)生一系列變化以適應(yīng)干旱逆境。植物根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)及生理特性反映了植物抗旱的形態(tài)基礎(chǔ)和生理基礎(chǔ)[9-12]。干旱脅迫下，根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)是植物生長發(fā)育水平和適應(yīng)外界環(huán)境能力的直接體現(xiàn)[3]。以往研究認為根長、根系干重、根系體積、根系總吸收面積與品種抗旱性密切相關(guān)，抗旱性較強的品種能夠保持更龐大的根系、更大的根-土交互面和更強的根系吸收能力[9-10]。此外，干旱脅迫下，植物根系的水分狀況、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累、細胞膜透性、活性氧產(chǎn)生速率、抗氧化系統(tǒng)的防御能力等常被用來判斷其抵御干旱脅迫的能力[2, 13]。紫花苜蓿具有強大的根系系統(tǒng)，能夠高效吸收利用深層土壤水分，被認為是其抗旱的主要原因之一[14]。前人對干旱脅迫下紫花苜蓿形態(tài)結(jié)構(gòu)變化[15-19]、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累[20-21]、膜結(jié)構(gòu)與功能的變化[20, 22]、活性氧產(chǎn)生與清除[22]、酶促及非酶促抗氧化防御系統(tǒng)[22]、耐旱相關(guān)基因克隆及轉(zhuǎn)化[23]、響應(yīng)干旱的基因表達分析[20]、蛋白質(zhì)組學(xué)[24]等方面進行了相關(guān)研究。郭正剛等[15]研究發(fā)現(xiàn)，不同紫花苜蓿品種間的根系發(fā)育能力差異顯著，根系發(fā)育能力強的苜蓿品種吸收養(yǎng)分和水分的能力較強。李文嬈等[14, 25]研究表明，干旱脅迫會顯著抑制紫花苜蓿主根的伸長生長但同時促進側(cè)根伸長生長，顯著增加側(cè)根數(shù)、根系總長度和根系總表面積；且根系總長度、根系生物量及根冠比與苜蓿水分利用效率（WUE）間具有顯著的相關(guān)性。Erice等[16]研究發(fā)現(xiàn)，輕度干旱脅迫對適應(yīng)于不同氣候條件的苜蓿品種的生物量或水分狀況未產(chǎn)生影響；中度干旱脅迫下，適應(yīng)地中海氣候的苜蓿品種主要通過改變?nèi)~面積比（LAR），比葉面積（SLA）來適應(yīng)干旱，而適應(yīng)海洋性氣候的苜蓿品種主要通過改變?nèi)~重比（LWR）來適應(yīng)干旱；重度干旱脅迫總體增加了根冠比，但不同苜蓿品種的抗旱能力差異不顯著。HAMIDI等[19]研究表明，隨脅迫程度增加，6個紫花苜蓿品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽長、胚根長和活力指數(shù)均顯著降低，而胚根/胚芽比值顯著增加，不同苜蓿品種在種子萌發(fā)期的抗旱性差異顯著，且抗旱性強的品種具有較高的發(fā)芽率和發(fā)芽勢。QUAN[20]，BOLDAJI[22]和KANG[26]等研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，相比弱抗旱苜蓿品種，強抗旱的苜蓿品種表現(xiàn)出較低的膜脂過氧化水平，較高的脯氨酸、可溶性糖和抗壞血酸的積累，較高的抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性。KANG等[26-27]研究表明，不同抗旱性苜蓿品種（Wisfal和Chilean）幼苗根系和地上部分對干旱脅迫響應(yīng)策略相似，但在生理及分子水平（尤其是活性氧產(chǎn)生與清除相關(guān)基因表達）的差異反應(yīng)表明Wisfal具有強的耐旱性。綜上所述，不同抗旱性苜蓿品種在形態(tài)、生理、生化及分子水平對干旱脅迫表現(xiàn)出相似的響應(yīng)策略，但抗旱能力的強弱則與品種本身潛在的適應(yīng)能力有關(guān)?！颈狙芯壳腥朦c】紫花苜蓿根系與地上部的生長、形態(tài)建成密切相關(guān)，強大的根系優(yōu)勢是其高產(chǎn)、抗旱的重要生理基礎(chǔ)[28]。以往關(guān)于苜?？购敌螒B(tài)、生理及分子機制的研究主要集中在地上部[20-27]，而有關(guān)干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種根系形態(tài)特征及生理特性影響的比較研究還很缺乏，研究不同抗旱性苜蓿根系響應(yīng)干旱脅迫的潛在機制能更好地揭示苜?？购敌缘谋举|(zhì)。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究選用不同抗旱性苜蓿品種，對其幼苗根系進行模擬干旱脅迫處理，通過綜合比較干旱脅迫對其根系生長特征、滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量、膜穩(wěn)定性、活性氧含量、抗氧化系統(tǒng)中相關(guān)生理生化指標的影響，明確不同抗旱性苜蓿品種根系響應(yīng)干旱脅迫的生長及生理差異，為進一步闡明紫花苜?？购档姆肿訖C理奠定生理基礎(chǔ)，也為提高紫花苜蓿抗旱性和水分利用效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用3個不同抗旱性的紫花苜蓿品種為試驗材料，即隴中苜蓿（L. cv. Longzhong）、隴東苜蓿（L. cv. Longdong）和甘農(nóng)3號紫花苜蓿（L. cv. Gannong No.3）。隴中苜蓿系地方品種，適宜生長在年均降雨量200—400 mm，年蒸發(fā)量1 531 mm，年平均氣溫6.3℃，年日照時數(shù)2 500 h，無霜期平均為140 d的黃土高原隴中干旱區(qū)域，具有強抗旱性[29]；隴東苜蓿系地方品種，適宜生長在年均降雨量400—600 mm，年蒸發(fā)量1 400—1 600 mm，年平均氣溫 8.7℃，年日照時數(shù)2 491.4 h，無霜期平均為156 d的黃土高原隴東地區(qū)，耐旱性較強[14, 25]；甘農(nóng)3號紫花苜蓿系育成品種，株型緊湊直立，莖枝多，高度整齊，葉片中等大小，葉色濃綠，花紫色，春季返青早，初期生長快，適應(yīng)于西北內(nèi)陸灌溉農(nóng)業(yè)區(qū)和黃土高原地區(qū)，為灌區(qū)豐產(chǎn)品種，對干旱環(huán)境的耐受性較差[30]。供試苜蓿種子由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室提供。

1.2 試驗方法

2017年3月，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院采用營養(yǎng)液沙培法，選用消毒后的細沙（121℃，高溫滅菌26 min），裝入口徑為9 cm，高度為11 cm的營養(yǎng)缽中，擺放在長×寬×高為25 cm×15 cm×10 cm的水培盒中，置于光照培養(yǎng)室（每天光照14 h，光通量密度400 μmol·m-2·s-1，晝夜溫度分別為（25±1）℃和（20±1）℃，相對濕度60%左右）。將經(jīng)HgCl2溶液消毒后的供試苜蓿種子播種在營養(yǎng)缽，出苗后間苗，每缽保留生長一致、分布均勻的幼苗10株，每隔2 d澆灌300 mL Hoagland營養(yǎng)液，保證幼苗正常生長。參考Boldaji[22]，穆懷彬[31]和Nagy等[32]PEG模擬干旱脅迫的方法，幼苗生長至第45天，設(shè)置0、-0.4、-0.8、-1.2、-1.6和-2.0 MPa 6個水勢梯度。處理后每隔2 d每盒澆灌300 mL不同水勢的含 PEG-6000的Hoagland營養(yǎng)液以維持溶液濃度，以僅含Hoagland營養(yǎng)液（水勢為0 MPa）的處理為對照，連續(xù)脅迫處理7 d后采集根系測定各項指標，3次重復(fù)。不同水勢所需PEG-6000溶液的量依據(jù)Michel公式[33]計算：

Ψs=-(1.18×10-2)×C-(1.18×10-4)×C2+(2.67×10-4)×C ×T+(8.39×10-7)×C2×T

式中，Ψs為溶液的水勢（MPa）；C為PEG-6000溶液的濃度（g·kg-1）；T為溫度（℃）。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 根系生長特征及根系干重測定 將各處理的根系用去離子水沖洗干凈，采用臺式掃描儀（Epson Experssion）對根系進行掃描并將圖像存入電腦，掃描儀的分辨率為300 dpi。掃描時，把根系放入透明托盤內(nèi)，并注入10—15 mm深的蒸餾水，整理根系，防止根系分枝互相纏繞。采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件（Regent Instruments，Inc.，Quebec，Canada）對根系的圖像進行分析，獲得根系總長度、根系總表面積、根體積、根尖數(shù)和根系平均直徑等特征參數(shù)。

根系干重采用烘干法測定。處理結(jié)束后，將各處理的苜蓿幼苗以去離子水沖洗干凈，按地上部和地下部分開，取苜蓿幼苗根系，擦干水分，105℃殺青15 min，70℃烘干至恒重后稱重。

1.3.2 生理生化指標測定 根系活力采用氯化三苯基四氮唑（TTC）法測定[34]；游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法測定[34]；可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[34]；可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[34]；丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法測定[34]。質(zhì)膜相對透性測定參照李錦樹的方法[35]；雙氧水（H2O2）含量采用KI顯色法測定[36]；羥自由基（OH·）濃度采用2-脫氧-D-核糖顯色法測定[37]；超氧陰離子自由基（O2·-）產(chǎn)生速率采用對氨基苯磺酸法測定[38]。粗酶液的制備參考De Azevedo Neto的方法[39]，超氧化物歧化酶（SOD）活性測定參考Giannopolitis等的方法[40]，過氧化氫酶（CAT）活性測定參考Beers等的方法[41]。過氧化物酶（POD）活性參考De Azevedo Neto等方法測定[39]；還原型抗壞血酸（AsA）含量采用4,7-二苯基-1,10-菲咯啉（BP）顯色法測定[42]；還原型谷胱甘肽（GSH）含量采用5,5-二硫代雙-2-硝基苯甲酸（DTNB）顯色法測定[43]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

用Microsoft Excel軟件整理數(shù)據(jù)，SPSS19.0軟件進行單因素方差（ANOVA）統(tǒng)計分析，Duncan法多重比較，差異顯著性定義為＜0.05，所有數(shù)據(jù)均為3個重復(fù)的平均值±標準誤（±SE）。

2 結(jié)果

2.1 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種幼苗根系生長的影響

隨著脅迫程度增加，供試苜蓿的根系總長度顯著增加；而隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的根系總表面積則不斷降低（圖1-A，B）。-0.4 MPa脅迫時，隴中苜蓿，隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的根系總長度均開始顯著增加；且在-2.0 MPa脅迫時增至最高值，增幅分別為17.42%，12.50%和6.89%（＜0.05）。-0.8 MPa至-2.0 MPa脅迫時，隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的根系總表面積顯著降低，且在-2.0 MPa脅迫降至最低值，降幅分別為9.14%和7.60%（＜0.05）。除0 MPa和-1.2 MPa外，隴中苜蓿的根系總長度在其他脅迫處理時均顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號。-0.8 MPa至-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿的根系總表面積均顯著大于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號（＜0.05）。

圖內(nèi)數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。不同大寫字母表示同一脅迫水勢下不同品種間的差異顯著（＜0.05）；不同小寫字母表示同一品種在不同脅迫水勢下的差異顯著（＜0.05）。下同

Values are mean±SE. Different capital letters indicate significant difference of different alfalfa varieties in the same water potential treatment at 0.05 level; Different small letters indicate significant difference of the same different alfalfa varieties in the different water potential treatment at 0.05 level. The same as below

圖1 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種幼苗根系生長特征的影響

Fig. 1 Effects of drought stress on root growth characteristics of different drought-tolerant alfalfa varieties

隨脅迫程度增加，根系平均直徑，根體積和根尖數(shù)在隴中苜蓿中呈先增加后下降的趨勢，而在隴東苜蓿和甘農(nóng)3號中則呈不斷下降的趨勢（圖1-C，D，E）。-0.4 MPa至-0.8 MPa脅迫時，根系平均直徑，根體積和根尖數(shù)在隴中苜蓿顯著增加，而在隴東苜蓿和甘農(nóng)3號顯著降低。-1.2 MPa脅迫時，隴中苜蓿，隴東苜蓿和甘農(nóng)3號以上各指標均開始顯著下降，且在-2.0 MPa脅迫時降至最低值，其中根系平均直徑的降幅為9.98%、21.52%和34.43%；根體積的降幅為43.97%、51.06%和65.55%；根尖數(shù)的降幅為 29.21%、39.82%和53.33%（＜0.05）。0 MPa脅迫時，隴中苜蓿的根系平均直徑顯著低于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號，而在-0.4 MPa至-1.2 MPa脅迫時，隴中苜蓿的根系平均直徑顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號。-1.6 MPa至-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿的根系平均直徑和根尖數(shù)顯著高于甘農(nóng)3號（＜0.05）。

供試苜蓿的根系干重均隨脅迫程度加劇呈先增加后下降的趨勢（圖1-F）。-0.4 MPa下，隴中苜蓿和隴東苜蓿的根系干重增至最大，增幅分別為31.42%和25.36%（＜0.05），而甘農(nóng)3號的根系干重變化差異不顯著。-0.4 MPa至-1.6 MPa脅迫時，隴中苜蓿的根系干重顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號（＜0.05）；而在-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿的根系干重僅顯著高于甘農(nóng)3號。

2.2 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種根系活力和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響

供試苜蓿的根系活力均隨脅迫程度加劇先增加后下降（圖2-A）。-0.4 MPa下，隴中苜蓿、隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的根系活力增至最大值，增幅分別為60.66%、30.02%和18.45%（＜0.05）。0 MPa至-0.8 MPa脅迫時，甘農(nóng)3號的根系活力顯著高于隴中苜蓿和隴東苜蓿；-1.2 MPa至-1.6 MPa脅迫時，供試苜蓿的根系活力變化差異不顯著。-2.0 MPa脅迫時，隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的根系活力顯著降低，分別較0 MPa下降了20.96%和69.38%（＜0.05），而隴中苜蓿與0 MPa相比差異不顯著。

干旱脅迫顯著增加了供試苜蓿根系的游離脯氨酸（Pro）含量（圖2-B）。0 MPa脅迫時，隴中苜蓿根系的Pro含量顯著低于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號（＜0.05）。-0.4 MPa脅迫時，隴中苜蓿、隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的根系Pro含量均顯著增加，增幅分別為631.66%、104.91%和86.31%（＜0.05）。-0.4 MPa至-2.0 MPa脅迫時，供試苜蓿根系的Pro含量均顯著增加，但品種間差異不顯著。

隨脅迫程度的增加，隴中苜蓿根系的可溶性蛋白（SP）含量先增后降，隴東苜蓿的SP含量僅在-2.0 MPa脅迫時顯著降低，而甘農(nóng)3號的SP含量未發(fā)生顯著變化（圖2-C）。隴中苜蓿根系的SP含量在-0.8 MPa脅迫時增至最高值，增幅為117.39%（＜0.05）。除-1.2 MPa外，隴中苜蓿和隴東苜蓿根系的SP含量均顯著低于甘農(nóng)3號。

圖2 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿根系活力、游離脯氨酸、可溶性蛋白和可溶性糖含量的影響

供試苜蓿根系的可溶性糖（SS）含量隨脅迫程度加劇先增后降（圖2-D）。-0.4 MPa脅迫時，隴中苜蓿、隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系的SS含量均顯著增加，且后兩者增至最大值，增幅分別為126.57%和67.11%（＜0.05）；隴中苜蓿根系的SS含量在-1.6 MPa脅迫時增至最大，增幅為316.97%（＜0.05）。除-1.2 MPa和-1.6 MPa外，隴中苜蓿和隴東苜蓿根系的SS含量均顯著低于甘農(nóng)3號。

2.3 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種根系MDA含量和質(zhì)膜相對透性的影響

干旱脅迫顯著增加了供試苜蓿根系的MDA含量和質(zhì)膜相對透性（圖3-A，B）。隴中苜蓿、隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的MDA含量和質(zhì)膜相對透性在-0.4 MPa下開始顯著增加，且在-2.0 MPa脅迫時增至最大值，增幅分別為158.32%、101.06%和143.60%（＜0.05）。除-1.6 MPa脅迫外，隴中苜蓿的MDA含量均顯著低于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號。隴中苜蓿的質(zhì)膜相對透性在-0.4 MPa、-0.8 MPa和-2.0 MPa脅迫時均顯著低于隴東苜蓿（＜0.05）；而與甘農(nóng)3號差異不顯著（＞0.05）。

圖3 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿根系MDA含量和質(zhì)膜相對透性的影響

2.4 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種根系活性氧含量和抗氧化酶活性的影響

2.4.1 過氧化氫（H2O2）含量 供試苜蓿根系的H2O2含量隨脅迫程度加劇而不斷增加（圖4-A）。隴中苜蓿和甘農(nóng)3號根系的H2O2含量在-0.8 MPa脅迫時顯著增加；而隴東苜蓿的H2O2含量則在-1.2 MPa脅迫時顯著增加。-0.4 MPa至-0.8 MPa脅迫時，供試苜蓿根系的H2O2含量差異不顯著；而在-1.6 MPa至-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿根系的H2O2含量顯著低于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號（＜0.05）。

2.4.2 羥自由基（OH·）濃度 供試苜蓿根系的OH·濃度隨脅迫程度加劇而不斷增加（圖4-B）。-0.4 MPa至-2.0 MPa脅迫時，隴東苜蓿的OH·濃度均顯著增加，而甘農(nóng)3號的OH·濃度未發(fā)生顯著變化；隴中苜蓿根系的OH·濃度僅在-0.8 MPa顯著增加，增幅為65.60%（＜0.05）。除-0.8 MPa外，隴東苜蓿的OH·濃度在其他脅迫處理下均顯著高于隴中苜蓿和甘農(nóng)3號，而后兩者的OH·濃度差異不顯著。

2.4.3 超氧陰離子自由基（O2?-）產(chǎn)生速率 供試苜蓿根系O2?-產(chǎn)生速率隨脅迫程度增加而增加（圖4-C）。甘農(nóng)3號根系的O2?-產(chǎn)生速率在-0.4 MPa脅迫時顯著增加，而隴中苜蓿和隴東苜蓿則在-1.2 MPa脅迫時顯著增加。-0.4 MPa至-1.6 MPa脅迫時，隴中苜蓿根系的O2?-產(chǎn)生速率顯著低于甘農(nóng)3號，而與隴東苜蓿差異不顯著。-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿、隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系的O2?-產(chǎn)生速率均增至最大值，但品種間差異不顯著。

2.4.4 超氧化物歧化酶（SOD）活性 隨脅迫程度加劇，隴中苜蓿和隴東苜蓿根系的SOD活性先升后降，而甘農(nóng)3號則呈“降-升-降”的變化趨勢（圖4-D）。-0.4 MPa脅迫時，隴東苜蓿根系的SOD活性開始顯著增加，而隴中苜蓿和甘農(nóng)3號根系的SOD活性未發(fā)生顯著變化。-1.2 MPa脅迫時，隴中苜蓿，隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系的SOD活性均增至最高值，增幅分別為137.40%、51.79%和23.14%（＜0.05）。-1.6 MPa至-2.0 MPa脅迫時，和對照（0 MPa）相比，隴中苜蓿根系的SOD活性仍顯著增加，而隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系的SOD活性差異不顯著。

2.4.5 過氧化物酶（POD）活性 隨脅迫程度加劇，隴中苜蓿根系的POD活性先升后降，而隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系的POD活性不斷下降（圖4-E）。甘農(nóng)3號根系的POD活性在-0.8 MPa脅迫時顯著下降；而隴中苜蓿和隴東苜蓿根系的POD活性則在-1.2 MPa脅迫時顯著下降（＜0.05）。除-1.2 MPa和-1.6 MPa處理外，隴中苜蓿根系的POD活性在其他脅迫條件下均顯著高于甘農(nóng)3號。-2.0 MPa下，隴中苜蓿根系的POD活性分別較隴東苜蓿和甘農(nóng)3號高出7.55%和4.70%（＜0.05）。

2.4.6 過氧化氫酶（CAT）活性 供試苜蓿根系的CAT活性隨脅迫程度加劇均不斷升高（圖4-F）。-0.4 MPa脅迫時，隴東苜蓿根系的CAT活性顯著增加，且在-1.6 MPa時增至最高值，增幅為239.36%（＜0.05）。-1.2 MPa脅迫時，隴中苜蓿和甘農(nóng)3號根系的CAT活性顯著增加，且在-2.0 MPa時增至最高值，增幅分別為599.60%和424.16%（＜0.05）。0 MPa至-0.8 MPa脅迫時，隴東苜蓿根系的CAT活性顯著高于隴中苜蓿和甘農(nóng)3號；而在-1.2 MPa和-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿根系的CAT活性則顯著高于隴東苜蓿。

2.5 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種根系還原型抗壞血酸（AsA）和還原型谷胱甘肽（GSH）的影響

隨脅迫程度加劇，隴中苜蓿根系的AsA含量不斷增加，而隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系的AsA含量先增后降（圖5-A）。-0.4 MPa脅迫時，甘農(nóng)3號根系的AsA含量開始顯著增加。-1.6 MPa脅迫時，隴中苜蓿，隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系的AsA含量增至最大值，增幅分別為426.69%、364.47%和223.79%（＜0.05）。-0.4 MPa至-0.8 MPa脅迫時，甘農(nóng)3號根系的AsA含量顯著高于隴中苜蓿和隴東苜蓿；而在-2.0 MPa脅迫時，卻顯著低于隴中苜蓿和隴東苜蓿。

供試苜蓿根系的GSH含量隨脅迫程度增加呈先增加后下降的趨勢（圖5-B）。-0.4 MPa脅迫時，隴中苜蓿、隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系的GSH含量均顯著增加，且在-1.6 MPa脅迫時增至最大值，增幅分別為47.67、28.99和28.16倍（＜0.05）。隴中苜蓿根系的GSH含量在-1.2 MPa脅迫時分別較隴東苜蓿和甘農(nóng)3號高出44.78%和34.01%（＜0.05）；而-2.0 MPa脅迫時，僅較甘農(nóng)3號高出93.12%（＜0.05）。

圖5 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種根系還原型抗壞血酸 (AsA)和還原型谷胱甘肽 (GSH) 含量的影響

2.6 不同抗旱性苜蓿品種生長及生理指標與脅迫程度的逐步回歸分析

如表1所示，采用逐步回歸分析不同脅迫程度下對供試苜蓿品種抗旱性影響較為顯著的指標。輕度脅迫（0 MPa至-0.4 MPa）下，根體積和根系活力是對隴中苜?？购敌杂绊戄^顯著的指標（2=0.999）；根尖數(shù)是對隴東苜?？购敌杂绊戄^顯著的指標（2=0.985）；MDA、GSH和質(zhì)膜相對透性是對甘農(nóng)3號抗旱性影響較顯著的指標（2=1.000）。中度脅迫（-0.4 MPa至-1.2 MPa）下，MDA最能反映隴中苜蓿的抗旱能力（2=0.867）；根系平均直徑、O2?-、根系總表面積和CAT是對隴東苜?？购敌杂绊戄^顯著的指標（2=1.000）；根系活力、可溶性糖和游離脯氨酸是對甘農(nóng)3號抗旱性影響較顯著的指標（2=0.991）。重度脅迫（-1.2 MPa至-2.0 MPa）下，根系總長度和AsA是對隴中苜?？购敌杂绊戄^顯著的指標（2=0.984）；根尖數(shù)、GSH、CAT和根系干重是對隴東苜?？购敌杂绊戄^顯著的指標（2=0.999）；根尖數(shù)和GSH是對甘農(nóng)3號抗旱性影響較顯著的指標（2=0.989）。

表1 不同抗旱性苜蓿品種生長及生理指標與脅迫程度的逐步回歸分析

Y代表不同脅迫程度。X代表所測定的不同抗旱性苜蓿品種根系生長及生理參數(shù)，包括根系干重（X1）、根系總長度（X2）、根系總表面積（X3）、根系平均直徑（X4）、根體積（X5）、根尖數(shù)（X6）、根系活力（X7）、游離脯氨酸（X8）、可溶性蛋白（X9）、可溶性糖（X10）、MDA（X11）、質(zhì)膜相對透性（X12）、過氧化氫（H2O2）含量（X13）、羥自由基（OH?）濃度（X14）、超氧陰離子自由基（O2?-）產(chǎn)生速率（X15）、SOD（X16）、POD（X17）、CAT（X18）、還原型抗壞血酸（AsA）含量（X19）和還原型谷胱甘肽（GSH）含量（X20）。**表示在＜0.01差異顯著

The letter Y represented different degrees of stress. The letter X represented growth and physiological parameters in roots of different drought-tolerant alfalfa varieties, including root dry weight (X1), total root length (X2), total root surface area (X3), average root diameter (X4), root volume (X5), root tip number (X6), root activity (X7), free proline (X8), soluble protein (X9), soluble sugar (X10), MDA (X11), relative permeability of plasma (X12), H2O2(X13), OH?(X14), O2?-(X15), SOD (X16), POD (X17), CAT (X18), AsA (X19), and GSH (X20). ** represents significantly different at＜0.01

3 討論

3.1 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種幼苗根系生長特征的影響

根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要部位，也是對干旱脅迫最先起反應(yīng)的部位。根系感受逆境信號后，通過信號分子的轉(zhuǎn)導(dǎo)，調(diào)節(jié)細胞內(nèi)抗逆相關(guān)酶及蛋白的表達，進而調(diào)整自身的生理狀態(tài)；通過代謝途徑和方向的改變來影響碳同化產(chǎn)物在不同器官中的分配比例，最終又會影響根系生長，并從形態(tài)和分布上來適應(yīng)環(huán)境脅迫[44-45]。在干旱環(huán)境中，根系的下扎深度、根系分支和根毛的形成直接關(guān)系到作物對土壤水分的吸收和利用，較長的根系、較大的根系表面積和根體積有利于作物大范圍的吸收土壤水分和養(yǎng)分[4, 45]。厲廣輝等[10]和Pirnajmedin等[46]研究認為根系干重、根系體積、根系總吸收面積與品種抗旱能力呈顯著正相關(guān)。WANG等[11]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫顯著降低了高羊茅的根系生物量和根系總長度，而抗旱型品種的根系生物量和根系總長度降幅較小。丁紅等[45]研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫降低了干旱敏感型花生品種的根系總表面積，而增加了抗旱型花生品種的根系總表面積。李文嬈等[25]研究表明，干旱脅迫顯著增加了紫花苜蓿根系表面積。本研究表明，干旱脅迫下，隴中苜蓿和隴東苜蓿的根系總長度和根系干重顯著增加；隴東苜蓿和甘農(nóng)3號的根系總表面積顯著下降，而隴中苜蓿的根系總表面積未發(fā)生顯著變化。說明增加根部生物量和功能根長度是苜蓿適應(yīng)干旱脅迫的一種重要的根系生長機制，Erice等[16]，陳積山等[17]和王富貴等[18]研究也得出過相似的結(jié)果。-0.4 MPa脅迫時，供試苜蓿的根系活力和隴中苜蓿的根系平均直徑、根體積、根尖數(shù)均顯著增加；隨脅迫程度增加（-0.8 MPa至-2.0 MPa脅迫），供試苜蓿品種的根系活力、根系平均直徑、根體積和根尖數(shù)均顯著下降。以上結(jié)果說明低強度的干旱脅迫可能會提高苜蓿幼苗的根系活力，以彌補根系總表面積減小帶來的水分吸收的損失，從而促進根系生長；而重度脅迫則會抑制苜蓿根系的生長，這與馬富舉[47]等在小麥上的研究結(jié)果類似。整個脅迫期間，隴中苜蓿根系干重和根系總長度的增幅最高；重度脅迫下，供試苜蓿品種的根系平均直徑、根體積、根尖數(shù)和根系活力均顯著下降，但以隴中苜蓿的降幅最低，甘農(nóng)3號的降幅最高。說明干旱脅迫下，根系生物量和根系長度的增加、維持較大的根系平均直徑、根系表面積、根體積和較高的根系活力等可能是抗旱型苜蓿品種抗旱能力較強的重要原因。

3.2 干旱脅迫對不同抗旱性苜蓿品種幼苗根系生理特性的影響

植物根系對干旱脅迫的生理抗性主要包括滲透調(diào)節(jié)作用、啟動保護酶系統(tǒng)、活性氧（ROS）代謝、改變膜結(jié)構(gòu)與功能、產(chǎn)生抗逆蛋白以及合成根系生物活性物質(zhì)等[13]。滲透調(diào)節(jié)是植物在干旱脅迫下降低滲透勢、抵抗逆境脅迫的一種重要方式，植物通過主動積累溶質(zhì)來降低滲透勢，從而降低水勢，維持細胞膨壓[48]。脯氨酸作為生物體內(nèi)重要的滲透劑和有效的羥基自由基清除劑，能夠保護植物免受氧化脅迫的損傷[49]。干旱脅迫下，可溶性糖含量的增加主要是通過不溶性碳水化合物的降解及其轉(zhuǎn)化[50]。前人研究表明干旱脅迫下，苜?？赏ㄟ^重新分配葉片和根系中的可溶性糖和貯藏蛋白的含量，以保證具有光合活性的新葉的生長和發(fā)育[16]。Majid等[51]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，引進苜蓿品種Hunterfield和Hyb555根系中可溶性糖積累量高于地方品種Gabès，但相比之下，引進苜蓿品種葉片衰老速度和新葉產(chǎn)生難度增加。本研究發(fā)現(xiàn)，供試苜蓿根系的游離脯氨酸含量在干旱脅迫下均顯著增加，但品種間差異不顯著，說明脯氨酸可能是苜蓿在干旱脅迫時維持細胞膨壓所需的一種主要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，韓瑞宏等[21]和余玲等[52]研究也得出過類似的結(jié)論。此外，正常水分條件下，甘農(nóng)3號的可溶性糖和可溶性蛋白含量均顯著高于隴中苜蓿和隴東苜蓿；隨脅迫程度增加，隴中苜蓿和隴東苜蓿的可溶性糖和可溶性蛋白含量有所增加，而甘農(nóng)3號卻未發(fā)生顯著變化。說明干旱脅迫下，苜蓿品種的滲透調(diào)節(jié)能力因品種不同而異，隴中苜蓿和隴東苜蓿主要通過增強其根系的滲透調(diào)節(jié)能力抵御干旱；而甘農(nóng)3號根系本身具有較高的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量以適應(yīng)干旱脅迫，但根系中過多的可溶性糖和可溶性蛋白分配量可能會間接影響到其地上部的生長及植株適應(yīng)干旱的能力[51]。整體而言，-0.4 MPa至-1.6 MPa脅迫時，隴中苜蓿根系的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)（Pro，SP和SS）含量均低于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號，但增幅卻高于其他兩個苜蓿品種。說明較強的滲透調(diào)節(jié)能力是強抗旱隴中苜蓿根系適應(yīng)干旱脅迫的一種重要的生理機制。

正常情況下，植物細胞中具有有效的抗氧化系統(tǒng)，使得活性氧產(chǎn)生與清除能夠保持平衡；而在干旱脅迫下，當(dāng)細胞失水達到一定程度時，植物體內(nèi)產(chǎn)生的活性氧超出了活性氧清除系統(tǒng)的能力時，就會引起活性氧的大量積累。活性氧包括超氧自由基（O2?-）、H2O2、單線態(tài)氧（O21）和羥自由基（OH·），這些自由基的產(chǎn)生將導(dǎo)致生物膜脂過氧化、蛋白質(zhì)變性、核酸降解以及光合受阻等多種有害的細胞學(xué)效應(yīng)，從而使細胞膜透性增加，細胞功能失常，植物細胞遭受氧化脅迫[13, 50]。植物體內(nèi)的抗氧化防御系統(tǒng)是由一些清除活性氧的酶類和抗氧化物質(zhì)組成，如超氧化物歧化酶（SOD)、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）、還原型抗壞血酸（AsA）和谷胱甘肽（GSH）等[53]。SOD作為植物活性氧代謝的關(guān)鍵酶，負責(zé)催化植物體內(nèi)分子氧活化的第1個中間產(chǎn)物O2?-的歧化反應(yīng)而形成 H2O2和O2，而CAT和POD主要負責(zé)清除H2O2，從而保證較低的活性氧水平[54]。MDA含量和細胞膜相對透性反映了細胞膜脂過氧化的程度[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫顯著增加了供試苜蓿根系的MDA含量和質(zhì)膜相對透性，說明供試苜蓿的膜脂過氧化水平均隨干旱脅迫程度增加而顯著增加，這與以往的研究結(jié)果一致[20, 22]。此外，供試苜蓿根系的活性氧含量的變化規(guī)律與MDA含量、質(zhì)膜相對透性一致，說明活性氧產(chǎn)生與膜脂過氧化程度密切相關(guān)。相比之下，隴中苜蓿根系的MDA含量低于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號，說明隴中苜蓿根系膜系統(tǒng)受到外界環(huán)境的傷害較小，能夠保持較高的細胞膜相對完整性，間接地體現(xiàn)出較好的抗旱性。

抗旱品種的耐旱能力也與其體內(nèi)有效的酶促清除系統(tǒng)密切相關(guān)。干旱脅迫下，抗旱性強的苜蓿品種葉片中的CAT、POD和SOD活性存有率高[55]。Shahidi等[12]研究表明，重度干旱脅迫會顯著降低高羊茅和黑麥草的CAT活性和SOD活性，明顯減弱其清除體內(nèi)活性氧的能力。本研究發(fā)現(xiàn)，供試苜蓿根系活性氧的產(chǎn)生與清除系統(tǒng)的激活均因品種和脅迫程度不同而異。隴中苜蓿和隴東苜蓿的CAT活性及甘農(nóng)3號根系的O2?-產(chǎn)生速率均在-0.4 MPa脅迫顯著增加；而隴中苜蓿和隴東苜蓿根系的O2?-產(chǎn)生速率和甘農(nóng)3號根系的CAT活性則在-1.2 MPa脅迫時顯著增加。此外，干旱脅迫顯著增加了供試苜蓿根系的H2O2含量、SOD活性、AsA含量和GSH含量。重度脅迫（-1.6 MPa至-2.0 MPa）時，隴中苜蓿的H2O2含量顯著低于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號，而SOD活性增幅卻高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號。以上試驗結(jié)果說明干旱脅迫下，甘農(nóng)3號根系內(nèi)活性氧含量變化較敏感，而隴中苜蓿和隴東苜蓿則最先啟動抗氧化系統(tǒng)；當(dāng)超過一定脅迫程度（水勢低于-1.2 MPa）時，隴東苜蓿和甘農(nóng)3號根系抗氧化系統(tǒng)清除體內(nèi)多余活性氧的能力減弱，根系內(nèi)H2O2含量顯著增加，根系細胞的膜質(zhì)過氧化程度增加；而隴中苜蓿仍能維持較高的SOD活性和較低的H2O2含量。整個脅迫期間，隴中苜蓿的抗氧化酶（SOD、POD和CAT）活性和抗氧化劑（AsA和GSH）含量增幅均高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號。-2.0 MPa脅迫時，隴中苜蓿根系的POD活性和CAT活性顯著高于隴東苜蓿，隴中苜蓿根系的AsA含量和GSH含量顯著高于甘農(nóng)3號。說明干旱脅迫下，相比隴東苜蓿和甘農(nóng)3號，強抗旱隴中苜蓿具有較強的酶促及非酶促防御系統(tǒng)，能有效地清除活性氧，以保證體內(nèi)較低的膜脂過氧化程度。前人在其他植物的研究中[12, 37, 54, 56]也發(fā)現(xiàn)抗旱植物品種體內(nèi)具有較強的酶促及非酶促抗氧化系統(tǒng)以有效控制體內(nèi)活性氧的水平。

3.3 干旱脅迫下不同抗旱性苜蓿品種根系的階段性響應(yīng)策略

Hsiao[57]和安玉艷等[58]認為植物應(yīng)對干旱脅迫的反應(yīng)會因脅迫程度和脅迫時間呈現(xiàn)出明顯的階段性特點，不同階段植物抗旱策略的著重點不同。本研究發(fā)現(xiàn)，輕度脅迫（0 MPa至-0.4 MPa）下，強抗旱和中等抗旱苜蓿品種最先通過根系生長特征（如根體積和根尖數(shù)的變化）來適應(yīng)干旱脅迫；而弱抗旱苜蓿品種甘農(nóng)3號根系的膜系統(tǒng)的穩(wěn)定性最先遭到破壞，膜脂過氧化程度增加。中度脅迫（-0.4 MPa至-1.2 MPa）下，隴中苜蓿的MDA含量最先受到影響；隴東苜蓿通過改變根系生長特征（根系平均直徑和根系總表面積）及活性氧代謝相關(guān)指標（O2?-和CAT）來適應(yīng)干旱；而弱抗旱苜蓿品種甘農(nóng)3號主要通過改變根系活力及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的積累量來適應(yīng)干旱。重度脅迫（-1.2 MPa至-2.0 MPa）下，隴中苜蓿通過增加根系長度和AsA含量適應(yīng)干旱；隴東苜蓿主要通過增加根系生物量及啟動酶促及非酶促系統(tǒng)中的關(guān)鍵指標抵御干旱；而甘農(nóng)3號則通過增加根尖數(shù)及GSH含量來適應(yīng)干旱。說明重度脅迫下，抗氧化劑（AsA和GSH）在苜蓿根系的抗氧化代謝中發(fā)揮著重要作用，但其對苜蓿抗旱性的影響程度因品種不同而異。以上試驗結(jié)果表明，不同脅迫程度下，不同抗旱性苜蓿品種會啟動不同的防御機制以響應(yīng)干旱脅迫，而這些不同的防御機制的啟動可能是由于品種本身適應(yīng)或響應(yīng)干旱脅迫的生理及分子機制差異造成[9]。因此，有關(guān)不同抗旱性苜蓿品種響應(yīng)干旱脅迫的各生理指標間的相互作用機制及與不同生理特性相關(guān)的分子調(diào)控機制還需進一步深入研究。

4 結(jié)論

干旱脅迫會顯著影響苜蓿的根系生長特征及生理特性。不同抗旱性苜蓿品種在形態(tài)特征和生理特性上對干旱脅迫存在相同和不同的生長及生理響應(yīng)策略。輕度和中度脅迫（0—-1.2 MPa）下，強抗旱和中抗旱苜蓿品種主要通過改變根系生長特征（根系總長度、根體積和根尖數(shù)）及降低膜質(zhì)過氧化程度來響應(yīng)干旱，弱抗旱苜蓿品種則通過改變細胞膜系統(tǒng)穩(wěn)定性、根系活力及滲透調(diào)節(jié)能力來適應(yīng)干旱；重度脅迫（-1.2—-2.0 MPa）下，不同抗旱能力苜蓿品種均可通過改變根系生長特征和啟動抗氧化系統(tǒng)來抵御干旱，其中強抗旱苜蓿品種主要通過增加根長和AsA含量來適應(yīng)干旱，而中等抗旱和弱抗旱苜蓿品種主要通過增加根尖數(shù)和GSH含量來適應(yīng)干旱。

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（責(zé)任編輯 楊鑫浩）

Effects of Drought Stress on Root and Physiological Responses of Different Drought-Tolerant Alfalfa Varieties

ZHANG CuiMei, SHI ShangLi, WU Fang

(College of Grassland Science, Gansu Agricultural University/Key Laboratory of Grassland Ecosystem, Ministry of Education/Pratacultural Engineering Laboratory of Gansu Province/Sino-US Centers for Grazingland Ecosystem Sustainability, Lanzhou 730070)

【Objective】This study aimed to understand the differential growth and physiological response in roots of different drought-tolerant alfalfa varieties to drought stress, and to provide theoretical basis for further clarifying the molecular mechanism of alfalfa against drought and for improving drought tolerance and water use efficiency in alfalfa.【Method】In a sand culture experiment, three different drought-tolerant alfalfa varieties, includingL. cv. Longzhong (strong drought-tolerant),L. cv. Longdong (moderate drought-tolerant), andL. cv. Gannong No.3 (drought-susceptible), weretreated with drought stress induced by polyethylene glycol-6000 (PEG-6000) solutions of different osmotic potentials (0.0, -0.4, -0.8, -1.2, -1.6 and -2.0 MPa). The root growth characters of total root length, total root surface area, average root diameter, root volume, root tip number and root dry weight, root activity, the contents of free proline, soluble protein, and soluble sugar, relative permeability of plasma (RPP), the levels of malondialdehyde (MDA) and reactive oxygen species (ROS), the activities of superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POD) and catalase (CAT), and reduced ascobate (AsA) and reduced glutathione (GSH) contents were measured at seedling stage. Moreover, stepwise regression analysis was used to establish the optimal regression equation that could select the influential indices for drought-tolerance of the alfalfa varieties under different drought stress levels.【Result】Drought stress has an obvious effect on growth and physiological traits of the alfalfa varieties.With increasing drought stress, the free proline contents, the levels of MDA, RPP and ROS (H2O2, OH· and O2?-), and CAT activity in roots of three alfalfa varieties were significantly increased, while root dry weight, root activity, and the contents of soluble sugar and GSH were firstly increased and then decreased. Additionally, as the osmotic potentials of solutions decreased, average root diameter, root volume, root tip number, POD and SOD activities of Longzhong increased first and then decreased, whereas the above first four indicators and total root surface area of Longdong and Gannong No.3decreased continuously. Moreover, with the increase of stress, the AsA content of Longzhong continuously increased but that of the other two varieties increased first and then decreased. Overall, total root length, total root surface area and root dry weight in roots of Longzhong were significantly greater than those of Longdong and Gannong No.3, while the H2O2and OH· levels in roots of Longzhong were significantly lower than those of Gannong No.3. The contents of soluble protein, soluble sugar and MDA in roots of Longzhong and Longdong were obviously lower than those of Gannong No.3. Underthe drought stress from -1.2 to -2.0 MPa, the H2O2and OH· contents in roots of Longzhong were significantly lower than those of Longdong. Under -2.0 MPa, the AsA and GSH contents and POD activity in roots of Longzhong were significantly higher than those of Gannong No.3. The result of stepwise regression analysis showed that root activity, root volume, total root length, MDA and AsA were the most influential indices for drought-tolerance of Longzhong; Root tip number, average root diameter, total root surface area, root dry weight, O2?-, GSH and CAT were the most influential indices for drought-tolerance of Longdong; and root activity, root tip number, free proline, soluble sugar, MDA, RPP and GSH were the most influential indices for drought-tolerance of Gannong No.3.【Conclusion】The alfalfa varieties with different drought-tolerance exhibit common and divergent responses to drought stress at the morphological and physiological levels. Under light and mild drought stress conditions (osmotic potentials decreased from 0 MPa to -1.2 MPa), drought-tolerant alfalfa varieties mainly adapted to drought by increasing the root length, root volume and root tip number and reducing the degree of membrane lipid peroxidation, while drought-susceptible alfalfa varieties adapted to drought by changing cell membrane stability, root activity and osmotic adjustment. Under severe drought stress (osmotic potentials declined from -1.2 MPa to -2.0 MPa), the alteration of root growth and activation of antioxidant system were common response mechanisms of tested alfalfa varieties. Furthermore, strong drought-tolerant alfalfa variety increased total root length and AsA content against drought stress, while moderate drought-tolerant and drought-susceptible alfalfa varieties increased root tip number and GSH content in response to drought stress.

alfalfa (L.); root system; PEG stress; root characteristics; physiological traits; differentiated response strategy

2017-07-14；

2017-12-06

牧草種質(zhì)資源保護與利用（NB2130135）

張翠梅，E-mail：Zhangcm1710@163.com。

師尚禮，E-mail：shishl@gsau.edu.cn