水分胁迫和根瘤菌对豇豆农艺性状的影响及其生理机制

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全球气候变化、干旱胁迫的增加以及植物在不同生长阶段遭受多种非生物胁迫,都可能导致作物产量的下降。在豆科植物中,干旱胁迫不仅会影响它们的生长,还会影响它们与根瘤菌的共生。然而,土壤水分状况对接种根瘤菌的豇豆的生理反应和水分利用效率(WUE)的影响还不明确。干旱锻炼对后期干旱胁迫的影响已经在一些作物品种中得到了研究。但是,干旱锻炼及对后期不同水分胁迫的响应机理还需要在豇豆中进一步研究。因此,了解豇豆耐旱机制对维持豇豆或维持粮食产量和生产力具有重要意义。本研究的目的是:(i)研究水分胁迫和根瘤菌接种对叶片气体交换,植物水分关系,水分利用效率以及碳氧同位素组成(δ13C,δ18O)的影响,(ii)确定豇豆早期生长期干旱锻炼的生理反应,干旱信号和生长后期对干旱胁迫响应以及对WUE的影响机制。盆栽试验于2017年和2018年在中国农业科学院(CAAS)的温控玻璃温室进行。为了研究水分胁迫和根瘤菌接种对叶片气体交换,植物水分关系,水分利用效率以及碳氧同位素组成(δ13C,δ18O)的影响,在三种不同土壤水分条件下接种豇豆根瘤菌。处理包括三个水平的土壤水分状况(土壤持水量(SWHC)的90%,70%和50%)和两种接种形式(接种和未接种根瘤菌)。结果表明,在接种处理中,减少的土壤水分状况抑制了叶片的气孔导度(gs)和光合作用(An),然而,与An的下降相比,gs的减少更为明显。因此,在较低的土壤水分条件下,处理的内在水分利用效率(WUEi)得到提高。当土壤含水量降低时,作物WUE增加,例如叶片δ13C和δ18O增加,表明作物WUE增强主要归因于gs的下降。由于根瘤菌对不同土壤水分状况具有不同响应,土壤水分状况与根瘤菌处理对根水势(RWP),叶水势(LWP)和gs存在显著的交互作用。接种可以改善作物水分状况,并且在70%和90%SWHC下相比,50%SWHC根瘤菌接种对植株具有不利影响。对于豇豆生产,建议采用适度的土壤水分状况,以获得较高的WUE,并且不显著影响生物量。此外,在田间施用根瘤菌株之前,应研究根瘤菌株的接种效率及其与种植作物的土壤环境的关系。为了研究豇豆早期生长阶段干旱胁迫对生理过程的影响以及后期生长阶段随后干旱胁迫对WUE的调控,研究使用了两个对干旱胁迫(V1和V2)具有差异的豇豆品种。在生长前期通过停止灌水12天,使植株进行干旱锻炼,在水分恢复后进行不同水分胁迫处理(80%,60%和40%SWHC)。结果表明,在随后的干旱胁迫下,与两种品种的未干旱锻炼植株相比,锻炼植株的光合速率,气孔导度,叶绿素含量,WUE,N含量和植物水分状况均较高。结果表明,预先干旱锻炼的豇豆获得了干旱效应,减轻了在后期生长阶段中发生的后续干旱胁迫的影响,例如通过锻炼改善植物的生物量。后期生长阶段的干旱胁迫导致两种植物的茎δ13C和叶片δ13C显著增加,然而,与未干旱锻炼的植株相比,在60%SWHC下,使植株保持较低的茎δ13C(更多的负值)。对于V1,植株在40%和60%的SWHC下也显著降低叶片的δ13C,而对于V2,与未干旱锻炼的植株相比,干旱锻炼的植株具有更高的叶片δ13C(较小的负值)。研究还表明,在生长后期的干旱胁迫下,与未干旱锻炼的植株相比,经过干旱锻炼的植株具有更好的水分状况,使植株保持较低的叶片ABA和较高的叶片IAA,Ga3和ZR。结果表明,豇豆早期生长期的干旱锻炼可以抑制干旱胁迫下叶片ABA增加。因为水分胁迫下叶片ABA增加会降低气孔开度,从而降低了光合作用,导致产量损失大。与未干旱锻炼的植株相比,干旱锻炼的植株V1和V2分别节省了32%和24%的用水量,因此显著提高了WUE,同时降低了植株的WUEi。这表明在早期生长阶段的干旱锻炼可以用作节约灌溉用水的策略,同时改善缺水地区作物的WUE。研究结果可用于豇豆抗旱育种。然而,大多数植株干旱锻炼和胁迫记忆的研究包括我们的研究都是在与大田条件的不同环境中进行的,应该进一步研究比较大田环境与控制试验的结果。
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