根际高温对德钦苜蓿形态特征及水分状况的影响

李孟南，张誉稳，毕玉芬，赵雁

(1.云南农业大学园林园艺学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学动物科学与技术学院，云南 昆明 650201)

土壤温度影响植物根系物理、化学及生物过程，是土壤呼吸最重要的驱动因子[1-2]。气温和土温存在较强的相关性[3]，0-20cm土层温度易受大气温度的影响[4]，5cm深的土温与1m、7m和38m高处的气温呈正相关(R2=0.96-0.97)[5-6]。0-25cm土层的根际温度[7]超过25±时，将影响植株的生长[8]。研究表明，与地上部分相比，根系对温度变化更敏感[9]，根际高温比空气高温对植物的影响更大[10]。根际高温影响小麦(Triticumaestivum)、黄瓜(Cucumissativus)、苹果(Maluspumila)、匍匐翦股颖(Agrostisstolonifera)等多种植物的生长发育[11]、光合作用[12]、呼吸作用[13]、离子吸收[14]、抗氧化酶活性[15]和激素水平[16]。

紫花苜蓿(MedicagosativaL.)是优质的豆科(Leguminosae)牧草[17]，具有抗性强、花期长、低养护和根系发达的优点，在南方四季常绿，观赏价值较高，是理想的园林景观地被植物和生态护坡植物[18-19]，但南方高温天气制约了紫花苜蓿的推广和应用。由于紫花苜蓿约78%的侧根发生于0-20cm的土层[20]，60%-90%的根系生物量分布于0-30cm的土层[21]，其根系的生长发育受气温影响较大。前人对空气高温影响紫花苜蓿地上部分生长发育进行了探索[22-25]，但鲜见根际高温影响紫花苜蓿生长的研究报道。本研究以云南地方品种德钦苜蓿(‘Deqin’)为材料，分析不同根际温度对其形态特征和水分状况的影响，为德钦苜蓿进一步推广利用以及开展紫花苜蓿耐热性评价和育种工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

材料为德钦苜蓿。

1.2 幼苗培养和试验设计

采用纸培法将消毒的德钦苜蓿种子浸种萌芽后，移栽至花盆，栽培基质为灭菌泥炭土，置于人工气候箱中，在温度为25/20℃(昼温/夜温)、光周期为16h/8h(白天/黑夜)、相对湿度为65%、光照强度为400μmol/m2s的条件下栽培12周，每2d浇霍格兰营养液200mL，上下左右移动花盆位置。将健康、长势一致的植株移入根际温度为18/16℃(CK)的20孔水培箱，箱外用锡箔纸和聚乙烯气泡垫包裹，箱内安置增氧泵24h运作。适应7d后，水培箱底放置加热棒进行胁迫处理。

采用二因素随机区组设计，用恒温和变温2种方式对德钦苜蓿进行根际高温胁迫，各设5个温度梯度，恒温为18/18℃(昼温/夜温，对照，CK1)、25/25℃、30/30℃、35/35℃、40/40℃，变温为18/16℃(对照，CK2)、25/22℃、30/27℃、35/32℃、40/37℃。其余生长条件不变。取样时间设5个水平，胁迫0h、12h、24h、48h、72h后取样测定相关指标。所有处理均重复3次，每次取样不少于3株苗。

1.3 测定方法

1.3.1 形态指标

根据处理时间进行观察，记录样株的生长状况，分别测定叶宽[26]、叶片与主茎夹角[27]、总叶数[28]、株高[26]、根系长度及根毛新生数[29]。

1.3.2 生理指标

相对含水量(RWC)和相对电导率(EL)的测定参照赵雁等[30]的方法。

1.3.3 高温胁迫指标

高温胁迫期间被测指标的相对增长率=(测量值-对照值)/对照值×100%，正值表示增加，负值表示下降[22]。

1.4 数据分析

所有试验数据采用Excel 2012进行初步统计和SPSS 18.0进行多重比较和方差分析。

2 结果与分析

2.1 根际高温对德钦苜蓿植株形态的影响

根际高温影响德钦苜蓿植株形态，但恒温和变温两种处理的影响并无明显差异。处理72h后，在恒温25/25℃和变温25/22℃处理条件下，德钦苜蓿植株外形无明显变化；温度升至恒温30/30℃和变温30/27℃时，部分植株的下部叶片开始出现叶尖黄化、叶缘焦枯的现象；在恒温35/35℃和变温35/32℃胁迫下，多数植株叶片褪绿黄化、叶缘焦枯；植株在恒温40/40℃和变温40/37℃胁迫下受害严重，上部叶片失水萎靡、反卷，下部叶片完全黄化、焦枯，叶片开始脱落，根系变软且呈现暗褐色。

2.2 根际高温对德钦苜蓿地上部分生长的影响

在恒温和变温条件下，温度因子显著影响德钦苜蓿株高、总叶数、叶宽、叶片与主茎夹角(P<0.01)。时间因子对株高、总叶数、叶宽无影响，对叶片与主茎夹角影响显著(P<0.01)。仅恒温下温度与时间因子对叶片与主茎夹角存在互作(P<0.01)，其余温度与时间之间无交互作用(表1)。

株高在恒温25/25℃和变温25/22℃时，显著低于对照(表2)；在恒温40/40℃和变温40/37℃时，株高累计增长率最低，分别为对照的2.89%和4.84%。总叶数在恒温25/25℃和变温30/27℃时显著降低，但在变温25/22℃时有小幅上升。温度继续升高，恒温处理的德钦苜蓿出现不同程度落叶，恒温40/40℃时总叶数为负。叶宽在恒温30/30℃和变温30/27℃时显著降低，仅分别为对照的19.84%和18.99%，在恒温40/40℃和变温40/37℃时降到最低，累计增长率分别为-10.86%和-9.84%。叶片与主茎夹角在变温30/27℃时夹角显著增加，40/37℃时累计增长率最大，达62.98%；在恒温40/40℃时叶片与主茎夹角累计增长率最大，达73.52%。

表1 根际高温胁迫下德钦苜蓿形态指标和生理指标方差分析

注：**表示差异极显著(P<0.01)，*表示差异显著(P<0.05)。

表2 根际高温胁迫下德钦苜蓿地上部分形态指标增长率的变化

续表2

形态指标根际温度/℃根际温度胁迫处理时间/h0h12h24h48h72h累计增长率/%叶宽18/180.00±0.001.42±0.962.70±1.383.97±0.324.71±1.1812.80±1.40 c25/250.00±0.001.26±0.401.82±0.653.50±0.184.15±0.7910.73±1.89 c30/300.00±0.000.22±0.200.34±0.240.95±0.221.03±0.312.54±0.30 b35/350.00±0.000.11±0.080.00±0.00-0.43±0.19-0.72±0.21-1.04±0.58 b40/400.00±0.00-0.64±0.31-1.53±0.43-3.83±1.29-4.86±0.37-10.86±1.18 a0.00±0.00 A2.37±0.00 B3.33±0.00 B4.61±0.00 C4.31±0.00 C18/160.00±0.001.45±0.872.72±0.733.81±1.214.55±0.5412.53±0.93 c25/220.00±0.001.21±0.231.77±0.633.17±1.423.91±1.1710.06±1.16 c30/270.00±0.000.13±0.020.52±0.230.82±0.440.91±0.222.38±0.16 b35/320.00±0.000.10±0.060.00±0.00-0.42±0.24-0.64±0.37-0.96±0.25 b40/370.00±0.00-0.71±0.54-1.66±0.11-3.02±0.49-4.45±0.70-9.84±1.21 a0.00±0.00 A2.18±0.00 B3.35±0.00 C4.36±0.00 D4.28±0.00 D叶片与主茎夹角18/180.00±0.000.00±0.004.01±1.154.34±2.174.63±1.9412.98±3.23 a25/250.00±0.002.05±1.064.16±2.086.13±0.076.82±3.4619.16±4.34 a30/300.00±0.003.61±1.826.04±2.849.08±1.0312.56±1.6431.29±3.52 a35/350.00±0.003.63±1.806.62±1.099.64±0.8913.29±1.8233.18±1.57 a40/400.00±0.005.16±2.8610.30±2.5723.22±2.6434.84±2.9673.52±4.12 b0.00±0.00 A14.45±1.43 B31.13±2.01 C52.41±1.87 D72.14±2.54 E18/160.00±0.000.00±0.004.10±1.104.12±2.404.81±1.1513.03±1.18 a25/220.00±0.001.43±0.133.55±1.194.23±1.174.90±1.2514.11±1.21 a30/270.00±0.001.32±0.193.24±1.076.57±1.258.46±3.0719.59±2.69 b35/320.00±0.002.44±0.816.74±2.367.90±1.0110.35±0.9827.43±1.87 b40/370.00±0.004.76±0.9811.77±3.0820.03±3.6926.42±2.3962.98±1.85 c0.00±0.00 A9.95±0.6919.40±2.31 C42.85±1.58 D 54.94±1.96 E

注：小写字母表示横向差异显著(P<0.05)；大写字母表示纵向差异显著(P<0.05)，下同。

德钦苜蓿株高分别在恒温处理48h以及变温处理24h时显著上升。总叶数在处理24h后显著增加。在恒温和变温胁迫下，12h后叶宽、叶片与主茎夹角显著变化。

2.3 根际高温对德钦苜蓿地下部分生长的影响

在恒温和变温条件下，温度和时间因子均显著影响根毛新生(P<0.01)，温度与时间存在互作(P<0.01)。温度因子对根长影响显著(P<0.01)，时间因子对根长无影响，温度与时间无交互作用(表3)。

随根际温度的升高，根长和新生根毛量的变化趋势为先上升后下降(表3)。根长和新生根毛量在恒温30/30℃和变温30/27℃时显著高于其余根际温度(P<0.05)。此后，温度升高抑制根的伸长生长和新根产生，在恒温40/40℃和变温40/37℃时降至最低(P<0.05)，根长累计增长率仅分别为-0.8%和-0.1%，并且没有新生根毛。在恒温和变温胁迫下，12h后根毛新生数显著上升；24h后根长显著增加(P<0.05)。

2.4 根际高温对德钦苜蓿相对含水量(RWC)的影响

在恒温和变温条件下，温度和时间均显著影响叶片和根系的RWC(P<0.01)，仅叶片RWC在温度与时间因子间存在互作(P<0.01)(表1)。德钦苜蓿叶片和根系在同一温度下，随着时间的延长，其RWC均呈下降趋势，而随温度的上升，下降幅度增大。相比根系，叶片RWC下降幅度更大。在恒温和变温胁迫下，12h后叶片和根系的RWC均显著降低(P<0.05)；72h后RWC均降至最低。在恒温25/25℃和变温25/22℃处理72h时，叶片RWC分别比对照下降了7.06%和5.63%，根系RWC降幅仅为4.16%和3.00%(图1，A、B、C、D)。在恒温40/40℃和变温40/37℃胁迫72h后，叶片RWC降到最低，降幅分别为11.57%和9.45%；此时根系RWC也降到最低，降幅分别为8.01%和6.76%(图1，A、B、C、D)。

表3 根际高温胁迫下德钦苜蓿地下部分形态指标增长率

图1 根际高温对德钦苜蓿叶片和根系相对含水量的影响

2.5 根际高温对德钦苜蓿相对电导率(EL)的影响

在恒温和变温条件下，温度和时间均显著影响叶片和根毛的EL值(P<0.01)，且因子间存在互作(P<0.01)(表1)。叶片和根系的EL都随着根际温度的上升及胁迫时间的延长而升高。在恒温和变温胁迫下，12h后叶片和根系的EL均显著升高(P<0.05)；72h后EL值升至最高。与对照相比，在恒温25/25℃和变温25/22℃胁迫72h后，叶片EL分别增加了81.94%、77.61%；在恒温40/40℃和变温40/37℃处理下增幅达115.06%、97.32%(图2，A、B)。根系EL在恒温30/30℃和变温30/27℃胁迫下分别比对照增加了120.89%和92.86%；在恒温40/40℃和变温40/37℃处理72h后增幅最大，达196.73%、185.58%(图2，C、D)。

图2 根际高温对德钦苜蓿叶片和根系相对电导率的影响

3 结论与讨论

3.1 根际高温对德钦苜蓿植株外形和生长的影响

形态变化是植物对高温胁迫最直接的反应[31]，根际高温对植株形态以及地上/地下部分的生长具有显著的影响[32]。德钦苜蓿在高于25℃根际高温条件下，地上部分生长受抑制，出现叶片发黄、卷曲、焦边、茎叶下垂等症状，叶宽、总叶数和株高增长急剧下降，这与生菜(Lactucasativa)[33]、辣椒(Capsicumannuum)[34]、冬小麦[35]等多数植物的研究结果一致。此外根际温度高于25℃，则匍匐翦股颖的根和新生根毛停止生长[36]，一品红(Euphorbiapulcherrima)根系停止活动[37]，番茄(Lycopersiconesculentum)根系的长度、表面积和体积均显著降低[38]。但德钦苜蓿在白昼根际温度为25-30℃时，根系的长度及新生根毛数却显著增加，这一现象在向日葵(Helianthusannuus)[39]、棉花(Gossypiumhirsutum)[40]、大豆(Glycinemax)[41]上有报道，根系并不是被动地受根际温度的影响，而是通过反馈调节系统，进行功能补偿作用对不良根际高温做出适应性反应，以减少伤害[42]，但德钦苜蓿的具体调节机制尚不清楚。在40℃的根际温度下，德钦苜蓿株高、总叶数、叶宽、根长和根毛新生几乎停止增长，这与郭传友等[43]对彩椒(Colorpepper)、冯玉龙等对番茄[44]和苋菜(Amaranthustricolor)的根际高温研究结果一致，40℃是德钦苜蓿生长的上限温度。

3.2 根际高温对德钦苜蓿植株水分状况的影响

根际高温加速根木质化，降低吸水面积和速率，影响植物水分吸收和体内水分运输[41]，进而影响细胞膜的稳定性导致细胞内电解质的渗漏[45]，这在番茄[46]、生菜[33,47]和黄瓜[10,48]等植物上已得到证实。根际高温处理后，德钦苜蓿的叶片与根系RWC均呈现下降趋势，同时EL增大，但叶片的RWC降幅大于根系，这可能是由于叶片蒸腾面积与根系吸水面积之比增大[10]或是因为根际高温改变根系细胞膜的生理生化代谢，影响根细胞的热稳定性，从而降低吸收水分的能力[49]。根际高温影响德钦苜蓿植株的水分状况。