喬 潔,劉元和,姚永華,婁玉杰

(1.黑河市畜牧獸醫(yī)局,吉林黑河 164300;2.吉林農業(yè)大學,吉林長春 130118)

我國東北地區(qū)冬季寒冷,氣溫較低,全年無霜期90～120 d。年降水的60%集中在6～8月,春旱、秋霜凍為主要自然災害。多年生牧草的越冬安全性問題一直是人們關注的首要問題。低溫通過致命或非致命的凍害使多年生牧草生長分布也不同[1-6]。在我國北方部分地區(qū),普遍存在著苜蓿等牧草越冬率低,容易發(fā)生凍害和死亡現(xiàn)象。研究報道,在冬季最低氣溫為-10～-15℃時,大多數(shù)牧草品種能夠安全越冬,在最溫度超過-20℃的地區(qū),苜蓿等牧草越冬不穩(wěn)定[7]。多年生牧草越冬抗寒研究方面,對苜蓿研究的較多,而對其他牧草的研究較少。本研究以吉林地區(qū)的主要豆科牧草為研究對象,研究紫花苜蓿(Medicago satira)、鷹嘴紫云英(Astragaluscicer)、紅豆草(Onobrychisvicii folia)、百脈根(Lotus corniculatus)4種多年生豆科牧草越冬、返青期形態(tài)生理指標變化規(guī)律及對低溫的適性,同時探索越冬力室內鑒定方法,為北方地區(qū)生態(tài)引種及抗寒性鑒定提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 自然概況

試驗區(qū)位于吉林省長春市,吉林農業(yè)大學牧草飼料作物園 ,位居 E 124°18′～ 127°2′,N 43°5′～ 45°15′。氣候界于東部山地濕潤與西部平原半干旱區(qū)之間的過渡帶,屬溫帶大陸性半濕潤季風氣候類型。年平均氣溫4.8 ℃。最冷月(12、1月)和最熱月(7、8月),平均氣溫為-11.2℃和23.1℃,最高氣溫39.5℃,最低氣溫-39.8℃;初霜期9月下旬,終霜期4月下旬,年平均日照為2 866 h,無霜期為140 d。封凍期10月下旬翌年3月下旬為130 d,最大凍土深度221 cm,,4月土壤晝融夜凍,平均降水量為567.0 mm。

1.2 供試牧草品種

試驗牧草及種子選自吉林農業(yè)大學牧草飼料作物園多年定植品種(表1)。試驗田中4種多年生豆科牧草,自然生長,每年秋季刈割,采集的樣本均為生長3年以上。采樣地每種牧草由磚鋪成0.5 m的甬道隔開。

表1 供試牧草品種及來源Table 1 Forage species for test

1.3 田間和實驗室試驗

1.3.1 田間試驗 試驗區(qū)牧草自然生長,春季深耕除雜草,除紫花苜蓿8月、10月進行2次刈割外,其他牧草8月刈割1次。于越冬前分別在2007年9月 10日、9月 30 日、10月 20 日、11月 9日 、11 月29 日采樣5次,2008年3月 1日、3月 11日、3月 21日、3月 31日、4月9日早春采樣5次。

1.3.2 實驗室試驗 室內用4種牧草種子培育幼苗,并模擬入凍及早春(11～4月)處理。種子來源為吉林農業(yè)大學草地教研室上年收獲草子。容器塑料花盆上下直徑27 cm和20 cm,高17 cm。土壤取試驗田表層土,混合均勻,等量放入盆中。選大小一致,無病蟲害的種子,0.5%次氯酸鈉消毒,后用自來水洗播種,盆播種30粒,每品種3盆。為縮短牧草生長周期,將牧草盆放入HP1000GS型智能人工氣候箱培養(yǎng),設定3:00～19:30:光照度 10 000 lx,溫度37 ℃,濕度 50%;19:30～3:00,光照度0 lx,溫度20 ℃,濕度50%(恒溫波動度≤±0.7℃,溫度均勻性≤±2℃,濕度波動≤7%)。等苗齊后間苗,每盆留長勢均勻的健壯苗10株。出苗2周從氣候箱取出,做降溫受冷處理。根據(jù)天氣記錄,拿到室外做變溫處理(表2),用溫度計測試溫度,溫度波動范圍±1℃,每溫度處理時間3 d。模仿早春溫度冷暖交替(T1～T5)及入冬降溫(T6～T10)進行降溫處理,2個階段共計取樣10次,進行相關形態(tài)、生理指標的測定[8,9]。

表2 變溫處理溫度Table 2 Treating temperature

1.4 形態(tài)觀測指標

大田自然生長牧草在越冬前和返青期,實驗室培育牧草在降溫處理前和處理后分別測定分枝、越冬前株高、單株重、根頸直徑、根頸入土深、越冬芽與長度、返青株高、越冬率等指標,從9月起至冰封土壤前每20 d測量1次,越冬幼苗自出芽起10 d/次。參照[10]的方法對4種凍害受凍與越冬率分析。

1.5 生理指標及數(shù)據(jù)分析

可溶性糖含量的測定—采用蒽酮比色法[11];過氧化氫酶(CAT)的測定—紫外吸收法[11];環(huán)境溫度;分別于入冬及早春用溫度計記錄氣溫變化。

試驗數(shù)據(jù)采用SAS6.12軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與分析

2.1 早春氣溫變化

4種牧草開始萌動在3月中下旬,早春氣溫的變化對牧草安全越冬的影響很大,從圖1可以看出,3月冷空氣活動頻繁,冷暖變化劇烈,氣溫變化呈現(xiàn)冷暖交替進行,最低-10℃,最高11℃,牧草根頸處于融凍交替過程中。

圖1 3月氣溫波動狀況Fig.1 Temperature change in March

2.2 形態(tài)指標與抗寒性關系

2.2.1 4種牧草越冬率與生長指標特征 大田牧草越冬率較高,而實驗室一年生牧草幼苗受凍程度比較高,不同返青品種所占比例比較大,表明一年生牧草耐寒性不穩(wěn)定,紫花苜蓿、百脈根不存在根頸和根全部受凍癥狀,相對來說抗寒能力也強(表3,4)。

各種牧草生長特征表現(xiàn)存在明顯的差異。越冬前各種牧草株高順序為紫花苜蓿＞鷹嘴紫云英＞紅豆草＞百脈根,單株重大小順序為紫花苜蓿＞紅豆草＞百脈根＞鷹嘴紫云英根。頸直徑差異明顯,這也與牧草屬有很大關系。不同種牧草在根頸入土深度上差異比較大,種間根頸入土深淺順序為紫花苜蓿＞百脈根＞紅豆草＞鷹嘴紫云英,越冬芽個數(shù)和長度各種牧草之間差異較大,但與牧草的科屬和分枝越冬前株高無必然聯(lián)系,返青株高則表現(xiàn)不規(guī)律。

由表4數(shù)據(jù)分析,越冬芽與處理前植株狀態(tài)有密切關系。培育當年的根頸的粗度、分枝數(shù)的多少、株高及單株重量,在不同品種之間差異顯著(P＜0.01)。各指標與品種間越冬率進行相關性分析發(fā)現(xiàn),越年生牧草越冬率與各牧草的根頸直徑、越冬芽數(shù)量成顯著正相關,相關系數(shù)0.568 4和0.364 5(P＜0.01),而培育初年相應的相關系數(shù)為0.649 1和0.432 6(P＜0.01);越冬芽長度與越冬率(存活率)之間具有一定的相關性,但相關系數(shù)較小,均未達到顯著水平。

2.3 生理指標與抗寒性關系

2.3.1 可溶性糖含量變化與抗寒性的關系 植物細胞內可溶性糖含量高,可以增加原生質濃度,降低細胞內含物的冰點,從而起到抗脫水作用及減少細胞內結冰的機會,對原生質、凍敏感蛋白質、偶聯(lián)因子等起到保護作用。低溫下植株中可溶性糖的積累是作為滲透調節(jié)物質和防脫水劑而起作用,在低溫脅迫下,可以降低細胞水勢,增強持水力(圖2、3)。從秋季到冬季,隨著季節(jié)溫度的降低,選取5個時間點測定4種牧草根頸中可溶性糖的變化。

表3 4種豆科牧草越年生長指標特征Table 3 Growth index of different legumes forage in the second year

表4 4種豆科牧草一年生長特征Table 4 Growth characteristics of different legumes forage in one year cultivation

圖2 不同豆科牧草越年植株越冬前可溶性糖含量變化Fig.2 Variations of soluble sugar of biennia legume forage before over-wintering.

圖3 不同豆科牧草培育初年植株降溫處理可溶性糖含量變化Fig.3 Variations of soluble sugar under lower temperature treatment in the initial year cultivation

9月中旬到10月初,4種牧草根頸中可溶性糖含量不斷積累,紫花苜蓿、紅豆草根頸中可溶性糖含量分別增加了114.29%,116.7%。10月最低氣溫-6.3℃到-15℃,紫花苜蓿進入休眠,根頸中可溶性糖含量出現(xiàn)峰值,11月至最冷月1月,紫花苜蓿進入深休眠期間,根頸中可溶性糖含量有少許的波動,并呈緩慢下降的趨勢。其他牧草也呈相應變化?？扇苄蕴呛肯陆档脑蚴菑南哪┑缴钋锶~片進行光合作用,其產物向根中輸送,可溶性糖增加,從初冬到深冬為了抵抗寒冷低溫消耗可溶性糖。

從深冬到春季返青,由于溫度導致融凍的變化以及春季生長對自身養(yǎng)分的消耗,各牧草可溶性糖含量的變化呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢;越年生與初年生長植株表現(xiàn)一致(圖4,5)。

2.3.2 過氧化氫酶含量變化與抗寒性的關系 初冬和返青4種牧草根頸中的CAT酶活性隨著溫度的降低而呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,在初冬和返青融凍交替時達到頂峰,進入冬季,酶活性有一定的波動,且活性明顯下降。CAT能分解自由基H2O2防止膜脂過氧化對細胞起到保護作用,從而增強植物的抗逆性[12]。從CAT測定結果(圖6,7)可以看出,紫花苜蓿CAT活性相對較低,但在秋眠期各牧草間的差異不顯著。

CAT活性在低溫脅迫下增加的幅度和下降的幅度都相對較大,并在深冬和返青時時保持相對較高活性(圖6～9)。

圖4 4種豆科牧草越年返青時節(jié)可溶性糖含量變化Fig.4 Variations of soluble sugar of different biennia legumes forage in turning green period

圖5 4種豆科牧草培育初年變溫處理可溶性糖含量變化Fig.5 Variations of soluble sugar under change-temperature treatment of forage different legumes in the initial year cultivation

圖6 不同多年生豆科牧草越年植株越冬前過氧化氫酶含量變化Fig.6 Variations of hydrogen peroxidase of different biennia legumes forage before over-wintering

圖7 不同豆科牧草越年植株返青時節(jié)過氧化氫酶含量變化Fig.7 Variationsof hydrogen peroxidase of biennia elegumes forag in turning green period

圖8 不同豆科牧草培育一年降溫處理過氧化氫酶含量變化Fig.8 Variations of hydrogen peroxidase under lower temperature treatment in one year cultivation

圖9 不同豆科牧草培育一年變溫處理過氧化氫酶含量變化Fig.9 Variations of hydrogen peroxidase under change-temperature treatment of different legumes forage in one year cultivation

3 結論與討論

(1)紫花苜蓿、百脈根抗寒性能明顯高于紅豆草和鷹嘴紫云英,比較適宜在東北地區(qū)或相似氣候地區(qū)引種,另外,對于多年定植的品種則抗寒性能均較穩(wěn)定,因此,大批引種時應注意做好第1年越冬安全工作;室內模擬處理可作為抗寒引種的參考。

(2)可溶性糖含量在隨著季節(jié)溫度下降的過程中變化規(guī)律性明顯,可以做為4種豆科牧草性鑒定的指標。

試驗對4個不同抗寒性的豆科牧草測定了不同低溫期間牧草的根頸中的可溶性糖、CAT活性等生理指標測定,探討隨著季節(jié)溫度的降低,從越冬前到越冬、返青前及正常返青在某一個時期測定某綜合指標,能夠更加準確的判斷各牧草品種的抗寒性。研究報道,可溶性糖等指標在隨著季節(jié)溫度下降的過程中變化規(guī)律性明顯,可以做為植物抗寒性鑒定的指標[13-16],本試驗結果也與此相符合。

對越冬率與不同測定時期的生理指標(可溶性糖、CAT)及形態(tài)學指標(分枝越冬前植株高度、單株重、根頸直徑、根頸入土深、越冬芽、返青株高等)做相關分析,結果表明,在越冬前和返青兩個時期,越冬率與CAT、分枝越冬前植株高度相關性不顯著,而在初冬時節(jié)越冬率與可溶性糖根頸粗存在顯著或極顯著相關性。由初冬時期測定的各項形態(tài)學指標的相關數(shù)據(jù)(表3、4)可以看出,牧草抗寒性與生長指標具有顯著相關性,可以做牧草抗寒性鑒定的輔助指標;CAT活性只與根頸直徑具有相關性,其不能作為單一指標來衡量牧草抗寒性的強弱。對不同抗寒性的牧草進行抗寒指標測定時發(fā)現(xiàn)鷹嘴紫云英這一抗寒性弱的品種,在低溫脅迫下可溶性糖含量的增加值反而大于抗寒性強的紅豆草品種,但變化幅度大小、與抗寒性一致。

CAT在低溫脅迫中所起的作用己經得到了證明。在正常條件下,植物體內的活性氧(O2-,H2O2,1O2等)的產生與清除處于平衡狀態(tài)[17-21]。在遭受冷害后,植物體內活性氧的產生能力大于清除能力,相對過量的活性氧在體內過度積累,從而對植物造成傷害。CAT可以分解過氧化氫將其還原成水[22,23]。苜蓿在9月中旬,可溶性糖含量迅速增加,本實驗結果與此相一致。實驗結果明顯看出,越冬率較低的牧草含糖不一定都高,可能是這一品種存活植株對當?shù)貧夂驐l件適應性的反應。本實驗研究結果表明,可溶性糖分含量是否可以做為牧草抗寒性鑒定的一項指標還有待確定。

(3)相關分析結果表明,與越冬率存在相關性的形態(tài)指標根莖直徑和越冬芽數(shù)量可以作為抗寒性鑒定的主要指標,且對吉林地區(qū)而言,在入冬時期進行抗寒性鑒定是最佳時期。

牧草間抗寒性鑒定主要關系到兩個方面的問題:一是抗寒性鑒定的時期,同一植物在不同的生長發(fā)育階段具有不同的抵抗低溫能力,紫花苜蓿在生長期抗寒性遠低于休眠期。抗寒性在秋季低溫短日照的誘導下才能表現(xiàn)出來。因此,紫花苜蓿的抗寒性應在休眠期鑒定才有一定的意義;二是抗寒性鑒定的生理指標。植物的耐寒性是植物在低溫脅迫下,通過自身的遺傳性和生理、生化等方面的反應,減弱低溫傷害的影響而維持正常生長發(fā)育的一種特性[24]。所以,牧草的抗寒性在不同作物和不同品種之間表現(xiàn)不同,也是可以遺傳,并能夠在低溫誘導過程中從植株相關的生理和生化指標上反映出來。因此,牧草耐寒性的鑒定,就是利用植株在低溫脅迫條件下,相關的生理生化指標的變化分析植物適應性,所以,必須根據(jù)具體植物和具體環(huán)境條件采用適宜的鑒定指標,才能獲得較好的試驗結果。

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