围栏封育和自由放牧对伊犁绢蒿生长规律和内源激素的影响

侯钰荣,柯 梅,李 超,兰吉勇,康 帅,靳俊鹏,魏鹏

(新疆畜牧科学院草业研究所,乌鲁木齐 830000)

0 引 言

【研究意义】伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)是蒿属荒漠草地主要建群种植物之一[1-2]。如长期过度放牧,伊犁绢蒿形态发生变化,逐渐出现矮化、小型化、老化,在群落中的占有率也越来越少,甚至消失,取而代之的是角果藜(CeratocarpusarenariusL.)和叉毛蓬(Petrosimoniasibirica(Pall.)Bunge)等一年生植物[3-4],草场质量等级大幅度降低,草场的有效利用率大大减小[5]。草地植物表型除了受植物自身基因表达以外,放牧对其有直接性影响。因此,对比分析长期自由放牧和围栏封育的伊犁绢蒿其形态特征和内源激素含量变化,分析围栏封育效果,对退化的蒿属荒漠草地生态系统中植被恢复有重要意义。【前人研究进展】重度放牧使糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)的株高和叶长显著降低,使其茎粗显著增加[6]。随着放牧强度的增加,冰草(Agropyroncristatum)的株高和生物量降幅最大,其次是根长和根表面积[7]。在重度放牧条件下,克氏针茅(Stipakrylovii)株高变矮、叶片数和分蘖数变少、叶片变短变窄,植株基部茎粗与叶片厚度减小[8]。植物表型特征往往与植物体外源激素和内源激素也密切相关[9-10]。目前,针对外源激素对牧草产量影响的相关报道较多[11-13],与之相关的内源激素报道较少[14-15]。植物内源激素是微量的、自然产生的物质,具有特异性的化学性质和结构,这些化合物通过复杂的信号转导途径调节植物生长发育,表现出控制细胞分化和增殖的网络反馈调节[16]。牧草生长发育和种子打破休眠同样受内源激素调控[17],脱落酸(ABA)可提高羊草的产量和品质[18],土壤盐碱化程度与羊草叶片生长素和赤霉素含量[19]呈显著负相关关系,与羊草叶片脱落酸含量呈显著正相关关系[20]。种子解除休眠后,体内生长素(IAA)含量改变[21]。【本研究切入点】围栏封育是目前退化草地治理最有效、最广泛的措施之一[22],在促进植被自然更新[23]、改变草地植物群落结构[24]、提高土壤养分[25]、增加草地固碳能力[26-27]和提高生产力等占据绝对优势[28]。需研究围栏封育和自由放牧对伊犁绢蒿生长规律和内源激素水平的影响。【拟解决的关键问题】分析围栏封育(4年)和长期自由放牧(165只绵羊/hm2)的伊犁绢蒿的表型特征、叶片、茎、根系内源激素的变化特征及二者之间的相互关系,研究围栏封育对伊犁绢蒿恢复生长的影响以及各指标与内源激素的关系及围栏封育效果,为退化的蒿属荒漠草地生态系统中植被恢复研究提供理论参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验样地设置于新疆畜牧科学院草业研究所的荒漠草地固定监测站(E 86°07′19.41″,N 44°02′23.32″),海拔940～990 m,年平均气温4.7℃,最高气温35℃,最低气温-30℃左右。年降水量为240 mm,蒸发大,降雨少,无霜期163 d,主要土壤类型为栗钙土。建群种为伊犁绢蒿,伴生种为木地肤(Kochiaprostrata)、叉毛蓬和角果藜等,主要用于春秋放牧利用[29]。试验地于2016年8月围栏封育。围栏封育前,放牧家畜为绵羊,放牧强度为165只羊/hm2,利用时间为每年春季和秋季各2个月,利用方式为长期放牧,伊犁绢蒿株数为5～9株/m2,株高平均13 cm,分枝数3～8个/株。自由放牧样地延续传统放牧制度,放牧强度和利用时间与围栏封育前保持一致。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

2020年8月,伊犁绢蒿营养生长停止,逐步进入开花期。在围栏封育4年的样地内和传统自由放牧的样地内分别设置3条固定样线,每样线长200 m,每样线每隔5 m设置1个样方,监测样方内伊犁绢蒿、挖取单株、采集叶片、茎和根系样品,密封袋贴标签带回实验室。

1.2.2 指标测定

1.2.2.1 生长指标

高度(Plant height,PH):采用卷尺测量伊犁绢蒿的自然高度,每样方测量5株,每处理测量600株,求其均值;

盖度(Plant coverage,PC):采用盖度框法测定,每处理测定120次,求其均值,取整;

密度(Plant density,PD):采用现场计数法,每样方计数1次,每处理计数120次,求其均值,取整;

生物量(Biomass,B):采用现场将每样方内的伊犁绢蒿齐地面刈割后,分别装袋,带回实验室置80℃烘干至恒重,称其干重;

一级分枝(Primary branch number,PBN):由伊犁绢蒿根部萌生的分枝。采用计数法,每样方随机计数5株,每处理计数120株,求其均值,取整;

二级分枝(Secondary branch number,SBN):在一级分枝上生长的枝条为二级分枝;单株叶片、茎和根系干重等。

每样方挖取单株1株(根系挖取15×15×20 (cm3)),每处理挖取120株,分别装入密封袋带回实验室,将叶片、茎、根(根系带回后用流动水冲洗掉泥土,立即将根系)分别置80℃烘干至恒重,称其干重。

1.2.2.2 内源激素指标

(1)内源激素取样

在监测样方的同时,在固定样线上,每处理随机选取10株单株,采集其叶片、茎和根系(根系挖取15×15×20 (cm3)),将同一处理同一部位的样品混合后,分成3份,分别装入保鲜袋中,根系用流动水冲洗干净后与叶片和茎一起放入干冰中保存留用于内源激素测定。

(2)内源激素测定

测定指标包括:IAA、细胞分裂素(CTK)、赤霉素(GAs)、ABA、乙烯(ETH)。

样品提取:称取研磨好的样品100 mg,加入氧化锆珠,加入1 mL提取液(乙腈∶水=1∶1),提取液中加入少量抗氧化剂(二乙基二硫代氨基甲酸钠),冰上提取4 h,4℃条件下12 000 r/min离心10 min,取上清。

样品纯化:MAX小柱活化:依次用4 mL甲醇、2 mL 0.1 mol氨水溶液活化小柱;上样:样品经真空浓缩后,加入0.1 mol氨水溶液定容至2 mL,过MAX小柱;淋洗:依次用2 mL 0.1 mol氨水溶液,2 mL 0.1 mol氨水60%甲醇溶液淋洗;洗脱:加入0.2 mL甲醇溶解,上机。

仪器色谱参数:色谱系统采用的是Waters超高效液相系统(AcQuity UPLC,Waters, USA),根据化合物的性质,采用Waters HSS T3(50 mm×2.1 mm,1.8 μm)液相色谱柱,进样量为μL,柱温为40℃;流动相0.1%乙酸-乙腈,流动相0.1%乙酸-水。

质谱参数:质谱系统采用的是美国Thermo公司的Q exactive高分辨质谱检测系统,配有电喷雾(ESI)离子源和Xcalibur工作站。优化质谱分析条件如下:鞘气40、辅助气10、离子喷雾电压-2 800 V、温度350℃、离子传输管温度320℃。

定量结果:样品中各组分含量(ng/mg)=C×V/M,其中,C为仪器读取的浓度;V为样品提取液体积;M为样品称取总量。

1.3 数据处理

采用SPSS17.0进行数据处理,单因素方差分析采用Duncan 法多重比较两处理间的差异显著性(P<0.05或P<0.01);采用Excel2007制图。

2 结果与分析

2.1 围栏封育和自由放牧对伊犁绢蒿生长趋势的影响

研究表明,围栏封育和自由放牧条件下的伊犁绢蒿表型特征和生长趋势差异极显著(P≤0.01),围栏封育的伊犁绢蒿株高与自由放牧株高相比,提高了2.57倍,生物量是自由放牧的29.73倍,一级分枝是自由放牧的7倍,叶片干重是自由放牧的7.87倍,茎干重是自由放牧的5.21倍,根系干重是自由放牧的5.64倍。表1

表1 围栏封育和自由放牧下伊犁绢蒿生长趋势变化

2.2 围栏封育和自由放牧对伊犁绢蒿各器官内源激素含量的影响

研究表明,伊犁绢蒿属于多年生半灌木植物,返青早,且在每年的7月营养生长达到旺盛时期,8月各器官的形态数量指标已达到年内峰值,体内激素水平相对处于较稳定状态。围栏封育和自由放牧对伊犁绢蒿叶片生长素(IAA)、赤霉素(GAs)和乙烯(ETH)含量差异不显著,仅对细胞分裂素(CTK)和脱落酸(ABA)含量有影响,且差异显著(P<0.05%)。围栏封育和自由放牧对伊犁绢蒿茎内源激素含量影响较大,除了赤霉素(GAs)在两个处理间差异不显著以外,其他指标在两个处理间差异均极显著(P<0.01%),且IAA、CTK和ETH含量都是围栏封育处于较高水平,仅有ABA含量是自由放牧处于较高水平。围栏封育和自由放牧对伊犁绢蒿根系内源激素影响较小,仅ETH含量在二者之间差异显著(P<0.05%)。虽然IAA、ABA、GAs和CTK含量在两个处理间差异不显著,但都是围栏封育处理处于较高水平。图1～3

注:不同小写字母表示差异显著(P<0.05),不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)。下同

图2 围栏封育和自由放牧下伊犁绢蒿茎内源激素变化

图3 围栏封育和自由放牧下伊犁绢蒿根系内源激素变化

2.3 伊犁绢蒿内源激素含量与植株生长趋势数量指标的关系

2.3.1 叶片内源激素含量与植株生长趋势数量指标的关系

研究表明,围栏封育和自由放牧条件下,伊犁绢蒿高度、盖度、密度、生物量和二级分枝均与内源激素相关性不显著。一级分枝数与CTK含量和ABA含量密切相关,呈极显著正相关性或显著正相关性,与GAs呈显著负相关。图4

图4 伊犁绢蒿叶片内源激素含量与植株生长趋势关联热图

2.3.2 茎内源激素含量与植株生长趋势数量指标的关系

研究表明,围栏封育处理下伊犁绢蒿的高度与ETH和IAA含量呈极显著正相关,与GAs呈显著负相关;ABA和CTK含量与一级分枝数量呈显著正相关。自由放牧处理下伊犁绢蒿高度与内源激素指标含量相关性均不显著,一级分枝数量与ETH、ABA和CTK含量均呈显著正相关。不论是围栏封育还是自由放牧,内源激素含量均与一级分枝数量表现出强的相关性,与叶片内源激素含量与伊犁绢蒿生长趋势数量指标相关性表现出相似的规律。图5

图5 伊犁绢蒿茎内源激素含量与植株生长趋势关联热图

2.3.3 根系内源激素含量与植株生长趋势数量指标的关系

研究表明,围栏封育条件下,ETH含量与株高呈极显著正相关性,GAs含量与株高呈显著负相关性,ABA 含量与一级分枝数量呈显著负相关性,CTK含量与一级分枝数量呈极显著负相关性。自由放牧条件下,仅一级分枝数量与ETH含量呈显著正相关性,ABA含量与一级分枝数量呈极显著负相关性,GAs含量与一级分枝数量呈显著负相关性。图6

图6 伊犁绢蒿根系内源激素含量与植株生长趋势关联热图

3 讨 论

3.1围栏封育的伊犁绢蒿一级分枝和二级分枝远多余自由放牧的伊犁绢蒿个体,围栏封育使伊犁绢蒿茎叶茂盛,向大型化生长,围栏封育对伊犁绢蒿的恢复性生长起到积极作用。自由放牧条件下的伊犁绢蒿个体低矮、分枝少、生物量低,个体矮化、小型化。荣浩等[30]对四子王旗退化荒漠草原研究结果表明,松土补播、施肥复壮、草种包衣等修复措施与围栏封育结合使用,退化草地植物恢复效果显著,且在保持水土资源,增加群落稳定性等方面效益最好。胡金娇等[31]以重度退化草地为对照,围栏封育后,草地植物盖度提高了13.5倍,生物量提高了13倍。研究结论与胡金娇的研究结论[31]相似,围栏封育和自由放牧条件下的伊犁绢蒿生长趋势差异极显著(P≤0.01),围栏封育的伊犁绢蒿株高是自由放牧株高的2.57倍,生物量是自由放牧的29.73倍,覆盖度是自由放牧的近45.0倍,一级分枝是自由放牧的7倍。

3.2研究结果表明,围栏封育和自由放牧2个处理对伊犁绢蒿叶片、茎和根系的内源激素含量影响程度不同,从差异性分析来看,对茎内源激素含量影响更大。与自由放牧处理相比,围栏封育IAA、CTK和GAs含量在根、茎和叶中的含量均处于较高水平,围栏封育有利于伊犁绢蒿体内IAA、CTK和GAs含量的积累,IAA、CTK和GAs对伊犁绢蒿生长有促进作用,与刘泓言等[32]对草木樨幼苗生长的研究结论相似,其含量越高越有利于植株的伸长生长。一级分枝数与多个内源激素指标含量均呈现显著或极显著相关性。自由放牧条件下伊犁绢蒿被啃食后再生长,一级分枝数与围栏封育相比减少很多,且大部分分枝生长缓慢,到秋季时,自由放牧处理的伊犁绢蒿二级分枝数几乎为零,与韩召奋等[33]在反式玉米素合成基因促进烟草再生试验结论相反。围栏封育可以很好地改变伊犁绢蒿体内内源激素水平,使伊犁绢蒿形态特征、生长趋势与自由放牧的小型化和矮化形成鲜明对比。

3.3叶片和茎内源激素各指标含量总体与伊犁绢蒿高度和一级分枝数关系较为密切,尤其是围栏封育处理,原因与围栏封育处理(消除放牧因素)有很大关系,围栏封育为伊犁绢蒿生长提供了良好环境,体内内源激素水平处于正常状态,从而参与生命体的生长、代谢、发育、繁殖、免疫及抗病虫害等方面均具有广泛的生理调节作用[34];当植物受到外界干扰胁迫时,其自身的代谢产物和生理调节物质发生变化[35],自由放牧处理的伊犁绢蒿由于受到放牧压力的影响,体内内源激素水平失调,影响植株正常生长,表现出植株矮化、长势弱。伊犁绢蒿叶片和茎的ETH、ABA和CTK含量与伊犁绢蒿一级分枝有密切关系,与自由放牧相比,围栏封育条件下的伊犁绢蒿内源激素有更多指标与植株生长趋势关系明显。

4 结 论

围栏封育使伊犁绢蒿形态特征、生长趋势与自由放牧的小型化和矮化形成鲜明对比,围栏封育4年,伊犁绢蒿株高、生物量和一级分枝分别是自由放牧的2.57倍、29.73倍和7倍;围栏封育与自由放牧相比,围栏封育对伊犁绢蒿茎内源激素的影响大于对叶片和根系的影响,茎在两处理间中表现为ABA、ETH、IAA、CTK之间差异极显著,仅GAs差异不显著;围栏封育条件下的叶片、茎和根系形态特征与内源激素指标间表现出更强的关联性。围栏封育不仅可以改变伊犁绢蒿形态特征和内源激素水平,而且对形态特征和内源激素含量之间的关联性有较大影响。