Aboveground and belowground phenotypic characteristics of Cynodon dactylon lines differing in drought resistance and endogenous hormone response to drought stress

doi:10.11686/cyxb2022129

Abstract

Abstract:

This study investigated the effects of drought stress on Cynodon dactylon lines varying in drought resistance， in order to identify patterns in morphological and ecophysiological traits and endogenous hormone levels correlated with drought resistance. It was anticipated this research would enhance understanding of drought resistance in C. dactylon and thereby provide a theoretical basis for use of exogenous hormones to regulate drought resistance in industry practice. Plants were established in pots made from PVC pipes then subjected to predetermined levels of water deficit for 10 days. The relative water content， relative conductivity， endogenous hormones ［indole acetic acid （IAA）， abscisic acid （ABA）， gibberellin A₃ （GA₃）， zeatin riboside （ZR）， brassinolide （Br）］， leaf characteristics （leaf length， leaf width， leaf area）， root characteristics （total root length， root surface area， root volume， root average diameter， root dry weight， longest root length and root activity） were measured. The changes in endogenous hormone levels in leaves and roots of C. dactylon with different drought resistance and the correlations between phenotypic characteristics and hormones were analyzed. The results showed that with increased intensity of drought stress， leaf length， leaf width， leaf area and root average diameter of both drought-tolerant and intolerant C. dactylon were reduced， while the growth and development of roots was promoted. The content of ABA in leaves and roots was increased， and the contents of IAA， GA₃， ZR and Br were decreased， and IAA∶ABA and GA₃∶IAA ratios were inversely correlated with leaf indexes and root indexes. This showed that the leaf and root systems of C. dactylon root adopted contrasting survival strategies under drought stress： promotion of underground growth and reduction in aboveground growth. Drought-resistant C. dactylon exhibited comparatively better adaption to a water deficit stress environment by maintaining some growth， larger leaf area， a more developed root system and higher ZR∶ABA， GA₃∶ABA， IAA∶ABA and Br∶ABA ratios under the same level of water deficit stress.

Key words: drought stress, Cynodon dactylon, phenotypic characteristics, endogenous hormone, differentiated response strategy

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Figures/Tables 13

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编号Code	采集地点Collection site	抗旱类型Drought resistance type
C₁₀	莎车县Shache County	敏旱型Drought sensitive
C₃₂	托克逊县Tuokexun County	敏旱型Drought sensitive
C₁₁₈	莎车县Shache County	抗旱型Drought resistant
C₁₃₈	疏勒县Shule County	抗旱型Drought resistant
Tifway	南京农业大学赠予Donated by Nanjing Agricultural University	抗旱型Drought resistant

编号Code	采集地点Collection site	抗旱类型Drought resistance type
C₁₀	莎车县Shache County	敏旱型Drought sensitive
C₃₂	托克逊县Tuokexun County	敏旱型Drought sensitive
C₁₁₈	莎车县Shache County	抗旱型Drought resistant
C₁₃₈	疏勒县Shule County	抗旱型Drought resistant
Tifway	南京农业大学赠予Donated by Nanjing Agricultural University	抗旱型Drought resistant

根系指标 Root index	处理 Treatment	供试材料Test material
根系指标 Root index	处理 Treatment	C₁₀	C₃₂	C₁₁₈	C₁₃₈	Tifway
总根长Total root length （cm）	CK	9797.20±214.63Aa	4244.08±401.26Bb	9643.99±542.48Ba	9797.20±526.84Ba	11568.62±695.84Ba
	MD	10460.93±607.69Ab	8454.88±188.83Ac	10474.40±428.00ABb	11870.69±378.37Aa	12837.27±528.35Aa
	SD	10873.72±966.95Ab	9216.38±615.68Ac	11175.76±668.37Ab	12316.42±350.52Aab	13741.82±361.89Aa
根表面积Root surface area （cm²）	CK	1015.12±29.05Ab	507.81±66.43Bc	1037.02±151.35Ab	1018.72±101.60Bb	1298.00±116.13Ba
	MD	1038.87±72.45Ac	928.18±41.73Ad	1069.35±19.36Ac	1200.51±15.66Ab	1381.93±73.58ABa
	SD	1095.98±38.00Ab	1049.31±164.92Ab	1139.33±64.45Ab	1324.85±103.30Aab	1498.63±249.29Aa
根体积Root volume （cm³）	CK	12.38±3.02Bb	7.54±1.17Bc	14.65±1.53Aab	14.05±1.72Bab	17.16±2.29Ba
	MD	13.54±3.86ABbc	11.14±1.17ABc	15.54±1.67Ab	16.46±2.75ABb	23.14±1.84Aa
	SD	15.94±2.71Ab	12.45±2.76Ac	16.37±2.76Ab	19.12±2.85Aab	23.43±4.17Aa
根平均直径Root mean diameter （mm）	CK	0.36±0.01Aa	0.32±0.01Aa	0.37±0.05Aa	0.35±0.01Aa	0.38±0.03Aa
	MD	0.33±0.02ABb	0.30±0.01Bb	0.36±0.04ABa	0.34±0.01Aa	0.35±0.00Aa
	SD	0.31±0.01Bb	0.30±0.01Bc	0.34±0.02Ba	0.33±0.02Bab	0.35±0.01Aa
最长根长Longest root length （cm）	CK	55.33±3.13Ba	42.57±3.17Bc	57.30±2.45Ba	57.87±2.12Ba	49.77±2.15Bb
	MD	66.07±2.86Aa	53.27±2.40Ac	61.27±3.14ABb	67.47±7.52ABa	60.53±6.90Ab
	SD	68.90±6.31Ab	60.27±6.25Ac	67.40±6.65Ab	76.00±4.55Aa	69.60±5.75Ab
根干重Root dry weight （g）	CK	2.43±0.25Bc	1.13±0.09Bd	2.19±0.25Bc	3.35±0.31Ba	2.95±0.10Cb
	MD	2.79±0.16Ab	2.26±0.16Ac	2.66±0.17ABb	3.58±0.29ABa	3.62±0.26Ba
	SD	2.89±0.46Ab	2.51±0.25Ac	2.91±0.34Ab	4.41±0.64Aa	4.08±0.23Aa
根系活力Root activity （μg·g^-1·h^-1）	CK	229.00±28.28Bc	198.12±19.55Bd	279.29±25.37Bb	308.71±24.54Ba	321.65±17.89Ba
	MD	385.76±26.20Ac	322.24±27.04Ad	480.76±18.30Ab	462.24±21.21Ab	510.18±22.46Aa
	SD	172.82±19.55Bd	144.88±18.30Be	203.12±18.30Cc	361.35±16.64Bb	313.12±28.28Ba

根系指标 Root index	处理 Treatment	供试材料Test material
根系指标 Root index	处理 Treatment	C₁₀	C₃₂	C₁₁₈	C₁₃₈	Tifway
总根长Total root length （cm）	CK	9797.20±214.63Aa	4244.08±401.26Bb	9643.99±542.48Ba	9797.20±526.84Ba	11568.62±695.84Ba
	MD	10460.93±607.69Ab	8454.88±188.83Ac	10474.40±428.00ABb	11870.69±378.37Aa	12837.27±528.35Aa
	SD	10873.72±966.95Ab	9216.38±615.68Ac	11175.76±668.37Ab	12316.42±350.52Aab	13741.82±361.89Aa
根表面积Root surface area （cm²）	CK	1015.12±29.05Ab	507.81±66.43Bc	1037.02±151.35Ab	1018.72±101.60Bb	1298.00±116.13Ba
	MD	1038.87±72.45Ac	928.18±41.73Ad	1069.35±19.36Ac	1200.51±15.66Ab	1381.93±73.58ABa
	SD	1095.98±38.00Ab	1049.31±164.92Ab	1139.33±64.45Ab	1324.85±103.30Aab	1498.63±249.29Aa
根体积Root volume （cm³）	CK	12.38±3.02Bb	7.54±1.17Bc	14.65±1.53Aab	14.05±1.72Bab	17.16±2.29Ba
	MD	13.54±3.86ABbc	11.14±1.17ABc	15.54±1.67Ab	16.46±2.75ABb	23.14±1.84Aa
	SD	15.94±2.71Ab	12.45±2.76Ac	16.37±2.76Ab	19.12±2.85Aab	23.43±4.17Aa
根平均直径Root mean diameter （mm）	CK	0.36±0.01Aa	0.32±0.01Aa	0.37±0.05Aa	0.35±0.01Aa	0.38±0.03Aa
	MD	0.33±0.02ABb	0.30±0.01Bb	0.36±0.04ABa	0.34±0.01Aa	0.35±0.00Aa
	SD	0.31±0.01Bb	0.30±0.01Bc	0.34±0.02Ba	0.33±0.02Bab	0.35±0.01Aa
最长根长Longest root length （cm）	CK	55.33±3.13Ba	42.57±3.17Bc	57.30±2.45Ba	57.87±2.12Ba	49.77±2.15Bb
	MD	66.07±2.86Aa	53.27±2.40Ac	61.27±3.14ABb	67.47±7.52ABa	60.53±6.90Ab
	SD	68.90±6.31Ab	60.27±6.25Ac	67.40±6.65Ab	76.00±4.55Aa	69.60±5.75Ab
根干重Root dry weight （g）	CK	2.43±0.25Bc	1.13±0.09Bd	2.19±0.25Bc	3.35±0.31Ba	2.95±0.10Cb
	MD	2.79±0.16Ab	2.26±0.16Ac	2.66±0.17ABb	3.58±0.29ABa	3.62±0.26Ba
	SD	2.89±0.46Ab	2.51±0.25Ac	2.91±0.34Ab	4.41±0.64Aa	4.08±0.23Aa
根系活力Root activity （μg·g^-1·h^-1）	CK	229.00±28.28Bc	198.12±19.55Bd	279.29±25.37Bb	308.71±24.54Ba	321.65±17.89Ba
	MD	385.76±26.20Ac	322.24±27.04Ad	480.76±18.30Ab	462.24±21.21Ab	510.18±22.46Aa
	SD	172.82±19.55Bd	144.88±18.30Be	203.12±18.30Cc	361.35±16.64Bb	313.12±28.28Ba

指标 Index	部位 Organ	处理 Treatment	供试材料Test material
指标 Index	部位 Organ	处理 Treatment	C₃₂	C₁₃₈
吲哚乙酸/脱落酸IAA/ABA	叶Leaf	CK	1.922±0.089Aa	1.710±0.017Ab
		MD	1.282±0.042Bb	1.615±0.134ABa
		SD	1.085±0.117Cb	1.502±0.102Ba
	根Root	CK	0.213±0.018Aa	0.186±0.018Ab
		MD	0.146±0.009Bb	0.163±0.007Aa
		SD	0.153±0.015Bb	0.172±0.005Aa
赤霉素/脱落酸GA₃/ABA	叶Leaf	CK	0.117±0.008Aa	0.092±0.002Bb
		MD	0.097±0.007Ba	0.089±0.005Ba
		SD	0.080±0.012Bb	0.107±0.010Aa
	根Root	CK	0.022±0.002Aa	0.022±0.001Aa
		MD	0.018±0.002Bb	0.019±0.001Ba
		SD	0.012±0.001Cb	0.018±0.001Ba
玉米素核苷/脱落酸ZR/ABA	叶Leaf	CK	0.209±0.005Aa	0.186±0.003Ab
		MD	0.142±0.010Bb	0.158±0.014Ba
		SD	0.131±0.014Bb	0.184±0.020Aa
	根Root	CK	0.030±0.002Aa	0.029±0.001Aa
		MD	0.025±0.001Bb	0.030±0.003Aa
		SD	0.016±0.002Cb	0.019±0.002Ba
油菜素内酯/脱落酸Br/ABA	叶Leaf	CK	0.124±0.010Aa	0.082±0.002Ab
		MD	0.085±0.006Ba	0.075±0.009Ab
		SD	0.066±0.010Cb	0.077±0.004Aa
	根Root	CK	0.021±0.001Aa	0.019±0.002Ab
		MD	0.017±0.001Ba	0.016±0.002ABa
		SD	0.010±0.001Cb	0.012±0.002Ba
赤霉素/吲哚乙酸GA₃/IAA	叶Leaf	CK	0.061±0.007Ba	0.054±0.001Bb
		MD	0.075±0.005Aa	0.055±0.001Bb
		SD	0.074±0.005Aa	0.071±0.002Aa
	根Root	CK	0.105±0.002Ba	0.118±0.014Aa
		MD	0.123±0.006Aa	0.117±0.004Aa
		SD	0.080±0.008Cb	0.106±0.004Aa
玉米素核苷/吲哚乙酸ZR/IAA	叶Leaf	CK	0.109±0.006Aa	0.109±0.001Ba
		MD	0.111±0.008Aa	0.098±0.003Ca
		SD	0.120±0.004Aa	0.122±0.006Aa
	根Root	CK	0.142±0.006Bb	0.157±0.013Ba
		MD	0.172±0.004Ab	0.183±0.009Aa
		SD	0.108±0.008Ca	0.110±0.012Ca