Evaluation of physiological characteristics and cold resistance of 10 alfalfa varieties under low temperature stress

doi:10.11686/cyxb2023353

Abstract

Abstract:

This research elucidated the physiological responses of 10 alfalfa （Medicago sativa） varieties from diverse regions to low temperature stress in order to identify highly cold-resistant varieties. Twelve physiological indexes of the alfalfa seedlings were measured under low temperature conditions of 4 °C， and the cold tolerance was assessed using correlation analysis， principal component analysis and membership function evaluation methods. Simultaneously， the cold resistance of the 10 alfalfa varieties was verified by a semi-lethal temperature （LT₅₀）. The key findings were： 1） Under a low temperature of 4 °C， the leaf transpiration rate of the 10 alfalfa varieties exhibited varying degrees of reduction compared to the control group. Decreased transpiration was accompanied by an increase in relative conductivity， as well as in the levels of proline （Pro）， soluble sugar， soluble protein （SP）， superoxide dismutase （SOD） and peroxidase （POD） activity. 2） The multivariate cold tolerance ranking of the 10 alfalfa varieties using the membership function method was as follows： Longmu 801 （highest）>Zhaodong>Bara 520 YQ>Gongnong 1>Baimu 401>Aohan>Challenger>Dongnong 1>Knights and finally， Xinmu 4. Further measurement of the LT₅₀ for the leaves of each variety confirmed that Longmu 801 and Xinmu 4 were the varieties with the lowest and highest LT₅₀ values respectively， thus corroborating the result of the membership function evaluation. 3） Regression analysis was used to establish an evaluation model for the cold resistance of alfalfa seedlings， and its multiple-parameter evaluation value （D） was： 0.138+0.178×SP+0.203×POD+0.170×Pro， highlighting SP， POD， and Pro as pivotal physiological indicators of cold resistance in alfalfa seedlings. Overall， this research provides fundamental insights into the mechanism of low-temperature adaptation in alfalfa seedlings and will facilitate the selection of cold-resistant alfalfa varieties.

Key words: alfalfa, cold resistance, low temperature stress, comprehensive evaluation

Min WANG, Li LI, Rong JIA, Ai-ke BAO. Evaluation of physiological characteristics and cold resistance of 10 alfalfa varieties under low temperature stress[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(6): 76-88.

Figures/Tables 13

References 33

1	Soualiou S， Duan F， Li X， et al. Crop production under cold stress： an understanding of plant responses， acclimation processes， and management strategies. Plant Physiology and Biochemistry， 2022， 190： 47-61.
2	Hasegawa T， Sakurai G， Fujimori S， et al. Extreme climate events increase risk of global food insecurity and adaptation needs. Nature Food， 2021， 2（8）： 587-595.
3	Ministry of Emergency Management. The ministry of emergency management released the basic situation of natural disasters in China in 2022. Overview of Disaster Prevention， 2023（1）： 26-27.
	应急管理部. 应急管理部发布2022年全国自然灾害基本情况. 防灾博览， 2023（1）： 26-27.
4	Yan X D， Zhuang N S. A review on the research of plant-cold-resistant breeding. Tropical Agricultural Science & Technology， 2006， 29（2）： 18-22， 27.
	严学东，庄南生. 植物抗寒育种研究进展简述. 热带农业科技， 2006， 29（2）： 18-22， 27.
5	Le Y， Hannoufa A， Yu P. The use of gene modification and advanced molecular structure analyses towards improving alfalfa forage. International Journal of Molecular Sciences， 2017， 18（2）： 298.
6	Wang X， Kang W， Wu F， et al. Comparative transcriptome analysis reveals new insight of alfalfa （Medicago sativa L.） cultivars in response to abrupt freezing stress. Frontiers in Plant Science， 2022， 13： 798118.
7	Yu S. Analysis of market supply and demand and industry operation status of China’s alfalfa industry in 2022. 08-24. ［2023-11-26］. https：//www.chyxx.com/industry/1123206.html.
	余思. 2022年中国苜蓿草行业市场供需及产业运行现状分析. 08-24. ［2023-11-26］. https：//www.chyxx.com/industry/1123206.html.
8	Wang X L. Identification of cold tolerance and screening of cold tolerant germplasm of alfalfa. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2021.
	王晓龙. 苜蓿抗寒性鉴定及耐寒种质筛选. 呼和浩特：内蒙古农业大学， 2021.
9	Yu R G， Wang X J， Wang G L， et al. Analysis of salinity-tolerance and screening evaluation indicators to salinity-tolerance in Medicago sativa seedlings. Acta Agrestia Sinica， 2022， 30（7）： 1781-1789.
	余如刚，王雪茄，王国良，等. 紫花苜蓿品种苗期耐盐性分析及评价指标筛选. 草地学报， 2022， 30（7）： 1781-1789.
10	Yang Y W， Wang L， Lu J F， et al. Evaluation of membership function on heat tolerance of 10 alfalfa varieties. Grassland and Turf， 2021， 41（4）： 81-88.
	杨雨薇，王琳，卢俊峰，等. 应用隶属函数法评价10个紫花苜蓿品种的耐热性. 草原与草坪， 2021， 41（4）： 81-88.
11	Wang F， Wang Q， Zhang X Y. Research progress of phenotype and physiological response mechanism of plants under low temperature stress. Molecular Plant Breeding， 2019， 17（15）： 5144-5153.
	王芳，王淇，赵曦阳. 低温胁迫下植物的表型及生理响应机制研究进展. 分子植物育种， 2019， 17（15）： 5144-5153.
12	Jia X， Duo J G S， Zhao A M， et al. Comprehensive evaluation of cold resistance of 4 species of gramineae at seedling stage. Acta Agrestia Sinica， 2020， 28（5）： 1372-1378.
	贾祥，多吉格桑，赵爱民，等. 4种禾本科牧草苗期抗寒性综合评价. 草地学报， 2020， 28（5）： 1372-1378.
13	He H P， Nan L L， Ma B， et al. Screening and evaluation of seedling stage cold tolerance in different sainfoin varieties. Chinese Journal of Grassland， 2023， 45（5）： 41-49.
	何海鹏，南丽丽，马彪，等. 红豆草种质苗期耐寒性筛选及评价. 中国草地学报， 2023， 45（5）： 41-49.
14	Zhao M L， Guo Y T， Sun S Y， et al. Evaluation of cold resistance of four Jerusalem artichoke （Helianthus tuberosus） under low temperature stress. Plant Physiology Journal， 2020， 56（7）： 1419-1431.
	赵孟良，郭怡婷，孙世英，等. 低温胁迫下4种菊芋的耐寒性评价. 植物生理学报， 2020， 56（7）： 1419-1431.
15	He Y T， Hu Y， Duan H R， et al. Advance of evaluation indexes on stress resistance of Elymus plants in China. Chinese Journal of Grassland， 2022， 44（8）： 96-108.
	何永涛，胡宇，段慧荣，等. 我国披碱草属植物抗逆性评价指标研究进展. 中国草地学报， 2022， 44（8）： 96-108.
16	Liu L B， Sun W C， Liu Z G， et al. Genetic analysis of traits related to cold resistance in winter rapeseed （Brassica rapa L.）. Scientia Agricultura Sinica， 2016， 49（21）： 4085-4095.
	刘林波，孙万仓，刘自刚，等. 白菜型冬油菜抗寒相关性状的遗传分析. 中国农业科学， 2016， 49（21）： 4085-4095.
17	Hao J J， Kang Z L， Yu Y. Experimental techniques in plant physiology. Beijing： Beijing Chemical Industry Press， 2007： 98-112.
	郝建军，康宗利，于洋. 植物生理学实验技术. 北京：北京化学工业出版社， 2007： 98-112.
18	Ma L Y. Study on responses and memory effects of Arabidopsis thaliana to low temperature stress. Lanzhou： Lanzhou University， 2022.
	马丽亚. 拟南芥对低温胁迫的响应与记忆效应研究. 兰州：兰州大学， 2022.
19	Lai M， Chen J， Zhang J， et al. Research progress in plant response mechanism to low temperature stress and lmprovement of cold resistance. Molecular Plant Breeding， 1-11. ［2023-11-26］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/46.
	赖铭，陈佳，张军，等. 植物低温胁迫响应机制及提高抗冷性研究进展. 分子植物育种， 1-11. ［2023-11-26］. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/46.
20	Yamori W， Hikosaka K， Danielle A W， et al. Temperature response of photosynthesis in C₃， C₄， and CAM plants： temperature acclimation and temperature adaptation. Photosynthesis Research， 2014， 119（1/2）： 101-117.
21	Smallwood M， Bowles D J. Plants in a cold climate. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B-Biological Sciences， 2002， 357（1423）： 831-847.
22	Das K， Roychoudhury A. Reactive oxygen species （ROS） and response of antioxidants as ROS-scavengers during environmental stress in plants. Frontiers in Environmental Science， 2014， 2（53）： 1-13.
23	Anjum N A， Sharma P， Gill S S， et al. Catalase and ascorbate peroxidase-representative H₂O₂-detoxifying heme enzymes in plants. Environmental Science and Pollution Research， 2016， 23（19）： 19002-19029.
24	Deng X K， Qiao D R， Li L， et al. The effect of chilling stress on physiological characters of Medicago sativa. Journal of Sichuan University （Natural Science Edition）， 2005， 42（1）： 190-194.
	邓雪柯，乔代蓉，李良，等. 低温胁迫对紫花苜蓿生理特性影响的研究. 四川大学学报（自然科学版）， 2005， 42（1）： 190-194.
25	Quan W， Xue W T， Zhao T Y， et al. A review on the response mechanism of plant to low temperature stress. Journal of China Agricultural University， 2023， 28（2）： 14-22.
	权威，薛文通，赵天瑶，等. 植物对低温胁迫的响应机制研究进展. 中国农业大学学报， 2023， 28（2）： 14-22.
26	Li J Q， Liu X J， Yun X K， et al. Response of alfalfa to low temperatures at different growth stages and its cold resistance. Acta Agrestia Sinica， 2021， 29（11）： 2505-2512.
	李佳奇，刘晓静，运向凯，等. 不同生长时期的紫花苜蓿对低温的响应及其抗寒性研究. 草地学报， 2021， 29（11）： 2505-2512.
27	Luo X Y， Feng C J， Li H， et al. Study on changes of SOD and proline activity during low temperature stress on Medicago sativa L. cv. Zhaodong. Grassland of China， 2004， 26（4）： 79-81.
	罗新义，冯昌军，李红，等. 低温胁迫下肇东苜蓿SOD、脯氨酸活性变化初报. 中国草地， 2004， 26（4）： 79-81.
28	Chen W D， Zhang Y X， Cong B M， et al. Effects of cold stress on different alfalfa varieties’ physiological characteristics. Chinese Journal of Grassland， 2021， 43（7）： 115-120.
	陈卫东，张玉霞，丛百明，等. 低温胁迫对不同苜蓿品种生理特性的影响. 中国草地学报， 2021， 43（7）： 115-120.
29	Wu H， Hou L L， Zhou Y F， et al. Analysis of chilling-tolerance and determination of chilling-tolerance evaluation indicators in cotton of different genotypes. Scientia Agricultura Sinica， 2012， 45（9）： 1703-1713.
	武辉，侯丽丽，周艳飞，等. 不同棉花基因型幼苗耐寒性分析及其鉴定指标筛选. 中国农业科学， 2012， 45（9）： 1703-1713.
30	Xu Y， Chen Y， Chen F D， et al. Analysis of cold-tolerance and determination of cold-tolerance evaluation indicators in chrysanthemum. Scientia Agricultura Sinica， 2009， 42（3）： 974-981.
	许瑛，陈煜，陈发棣，等. 菊花耐寒特性分析及其评价指标的确定. 中国农业科学， 2009， 42（3）： 974-981.
31	Yang Y. Evaluation and analysis of weighting method in multi-index comprehensive evaluation. Statistics & Decision， 2006（13）： 17-19.
	杨宇. 多指标综合评价中赋权方法评析. 统计与决策， 2006（13）： 17-19.
32	Zhao Y H， Meng L D， Zhang X M， et al. Evaluation of physiological response and cold resistance of four alfalfa cultivars to low temperature stress. Pratacultural Science， 2021， 38（4）： 683-692.
	赵一航，孟令东，张晓萌，等. 4个紫花苜蓿品种对低温胁迫的生理响应及抗寒性评价. 草业科学， 2021， 38 （4）： 683-692.
33	Wang Y Y， Liu W D， He L， et al. Evaluation of low temperature freezing injury in winter wheat and difference analysis of water effect based on multivariate statistical analysis. Scientia Agricultura Sinica， 2022， 55（7）： 1301-1318.
	王洋洋，刘万代，贺利，等. 基于多元统计分析的小麦低温冻害评价及水分效应差异研究. 中国农业科学， 2022， 55（7）： 1301-1318.

编号 Number	品种名称 Variety name	品种来源 Variety source
BM	佰苜401 Baimu 401	中国（北京） Beijing， China
BA	Bara 520 YQ	美国 America
XM	新牧4号 Xinmu 4	中国（新疆）Xinjiang， China
QS	骑士 Knights	美国 America
TZ	挑战者 Challenger	美国 America
GN	公农1号 Gongnong 1	中国（吉林） Jilin， China
ZD	肇东 Zhaodong	中国（黑龙江） Heilongjiang， China
DN	东农1号 Dongnong 1	中国（黑龙江） Heilongjiang， China
AH	敖汉 Aohan	中国（北京） Beijing， China
LM	龙牧801 Longmu 801	中国（黑龙江） Heilongjiang， China

编号 Number	品种名称 Variety name	品种来源 Variety source
BM	佰苜401 Baimu 401	中国（北京） Beijing， China
BA	Bara 520 YQ	美国 America
XM	新牧4号 Xinmu 4	中国（新疆）Xinjiang， China
QS	骑士 Knights	美国 America
TZ	挑战者 Challenger	美国 America
GN	公农1号 Gongnong 1	中国（吉林） Jilin， China
ZD	肇东 Zhaodong	中国（黑龙江） Heilongjiang， China
DN	东农1号 Dongnong 1	中国（黑龙江） Heilongjiang， China
AH	敖汉 Aohan	中国（北京） Beijing， China
LM	龙牧801 Longmu 801	中国（黑龙江） Heilongjiang， China

化学成分 Chemical component	浓度 Concentration （mmol·L^-1）	化学成分 Chemical component	浓度 Concentration （μmol·L^-1）
硝酸钾KNO₃	2.00	四水氯化锰MnCl₂·4H₂O	10.00
磷酸二氢钾KH₂PO₄	0.50	七水硫酸锌ZnSO₄·7H₂O	1.60
七水硫酸镁MgSO₄·7H₂O	0.50	硫酸铜CuSO₄	0.60
硝酸钙Ca（NO₃）₂·4H₂O	0.50	钼酸钠Na₂MoO₄·2H₂O	0.05
三水合柠檬酸铁Fe-citrate·3H₂O	0.06	硼酸H₃BO₃	50.00

化学成分 Chemical component	浓度 Concentration （mmol·L^-1）	化学成分 Chemical component	浓度 Concentration （μmol·L^-1）
硝酸钾KNO₃	2.00	四水氯化锰MnCl₂·4H₂O	10.00
磷酸二氢钾KH₂PO₄	0.50	七水硫酸锌ZnSO₄·7H₂O	1.60
七水硫酸镁MgSO₄·7H₂O	0.50	硫酸铜CuSO₄	0.60
硝酸钙Ca（NO₃）₂·4H₂O	0.50	钼酸钠Na₂MoO₄·2H₂O	0.05
三水合柠檬酸铁Fe-citrate·3H₂O	0.06	硼酸H₃BO₃	50.00

项目 Item	主成分1 Principal component 1	主成分2 Principal component 2	主成分3 Principal component 3	主成分4 Principal component 4
特征值 Eigenvalue	5.373	2.412	1.103	0.743
贡献率Rate of contribution （%）	44.777	20.096	9.190	6.195
累计贡献率Cumulative contribution rate （%）	44.777	64.873	74.063	80.258
特征向量 Eigenvector
相对电导率Relative electric conductivity	0.569	-0.474	0.193	0.050
丙二醛Malondialdehyde	0.500	-0.493	-0.343	0.410
脯氨酸Proline	0.708	0.529	0.327	0.160
可溶性糖Soluble sugars	0.578	0.683	0.104	0.119
净光合速率Net photosynthetic rate	-0.679	-0.017	-0.060	0.579
过氧化氢酶Catalase	-0.413	-0.135	0.767	0.036
可溶性蛋白Soluble protein	0.691	0.489	0.186	0.314
过氧化物酶Peroxidase	0.748	0.178	-0.291	-0.127
气孔导度Stomatal conductivity	-0.780	0.503	-0.209	0.132
超氧化物歧化酶Superoxide dismutase	0.785	0.278	-0.230	-0.027
蒸腾速率Transpiration rate	-0.896	0.283	-0.126	0.129
胞间二氧化碳浓度Intercellular CO₂ concentration	-0.516	0.705	-0.076	-0.216