姚 瑤，秦 艷，寶音陶格濤，閆志堅(jiān)，王育青

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010021；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

?

干旱脅迫對臭柏細(xì)根解剖結(jié)構(gòu)的影響

姚 瑤1，秦 艷2*，寶音陶格濤1，閆志堅(jiān)2，王育青2

(1.內(nèi)蒙古大學(xué)，內(nèi)蒙古呼和浩特 010021；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所，內(nèi)蒙古呼和浩特 010010)

摘要[目的]探討干旱脅迫對臭柏細(xì)根解剖結(jié)構(gòu)的影響。[方法]采用石蠟切片，比較干旱40 d后臭柏細(xì)根解剖結(jié)構(gòu)與正常灌水對照組的差異。[結(jié)果]干旱處理40 d后，臭柏細(xì)根一級、二級解剖結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，其導(dǎo)管、維管束和根直徑不斷增加，次生組織不斷完善，促使其抵御外界脅迫的能力增強(qiáng)，從而更好地適應(yīng)環(huán)境。同時(shí)，隨著根系的增加，干旱對導(dǎo)管、維管束、根直徑和維根比的影響逐漸降低。由此可見，臭柏一級根適應(yīng)干旱環(huán)境的能力更強(qiáng)。[結(jié)論]該研究可為完善臭柏細(xì)根生物學(xué)理論和細(xì)胞生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞干旱脅迫；臭柏；細(xì)根；解剖結(jié)構(gòu)

Effect of Drought Stress on the Anatomical Structure ofSabinavulgarisFine Roots

YAO Yao1, QIN Yan2*, BAOYIN Taogetao1et al

(1.Inner Mongolia University, Hohhot, Inner Mongolia 010021; 2. Grassland Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Science, Hohhot, Inner Mongolia 010010)

Abstract[Objective] The aim was to discuss effects of drought stress on anatomical structure ofSabinavulgarisfine roots. [Method] Using paraffin section, the difference of anatomical structure ofSabinavulgarisfine roots under drought stress 40 d with that in normal irrigation control group was compared. [Result] After 40 days drought stress, the primary root and secondary root obviously changed and the diameter of catheter, vascular bundle and root grow thick. What’s more, the secondary tissue improved constantly, the ability was enhanced to resist external stress. Meanwhile, with the increment of roots, effects of drought on catheter, vascular bundle, ratio of vascular bundle diameter to root diameter gradually decreased. The primary root ofSabinavulgarishad better ability to adapt to drought environment. [Conclusion] The study can provide theoretical basis for perfectingSabinavulgarisfine roots biological theory and cytoecology research.

Key wordsDrought stress;Sabinavulgaris; Fine roots; Anatomical structure

細(xì)根在植物生長中占有重要作用，其主要生理功能是吸收植物所需水分和養(yǎng)分，支持樹木生長。同時(shí)，細(xì)根也具有重要的指示作用，其生長、死亡、分解和周轉(zhuǎn)不僅可以反映樹木或生態(tài)系統(tǒng)水平的健康狀況，也可以反映環(huán)境變化。早期的研究中大多按直徑的大小來定義和劃分細(xì)根，大量研究表明直徑小于2 mm的根為細(xì)根[1]，小于0.5 mm為十分細(xì)小根[2]。在根系分支結(jié)構(gòu)中，生長在根系先端的較低級別的根(如一級根、二級根)主要承擔(dān)著吸收水分和養(yǎng)分的生理功能[3]，是典型的吸收根，其死亡分解速率快，壽命較短，但在生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)、養(yǎng)分循環(huán)中和資源吸收中扮演著重要角色。干旱是制約植物生長的重要因素，通過對臭柏一級、二級細(xì)根結(jié)構(gòu)的解剖來研究干旱脅迫對細(xì)根的影響，對于理解臭柏細(xì)根結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、預(yù)測臭柏根系壽命、揭示臭柏細(xì)根對干旱環(huán)境的適應(yīng)結(jié)構(gòu)特征具有重要意義。

臭柏(Sabinavulgaris)是柏科(Cupressaceae)圓柏屬(Sabina)的一種旱中生植物，具有凈化空氣和防風(fēng)固沙的重要作用。筆者在半干旱沙地生態(tài)環(huán)境條件下研究固沙灌木臭柏的細(xì)根壽命，分析根對風(fēng)沙土成土的貢獻(xiàn)，探討干旱脅迫對細(xì)根衰老的影響，探索根系衰老過程中細(xì)根解剖結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，從機(jī)理上探明根衰老的本質(zhì)，評價(jià)固沙灌木臭柏細(xì)根在維持群落穩(wěn)定性中重要的作用，以揭示細(xì)根衰老在臭柏生長發(fā)育、死亡分解、林分的生產(chǎn)力以及沙地生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)中的重要意義，為完善臭柏細(xì)根生物學(xué)理論、細(xì)胞生態(tài)學(xué)領(lǐng)域(特別是細(xì)根周轉(zhuǎn)方面)研究提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況研究區(qū)設(shè)在鄂爾多斯沙地草原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市達(dá)拉特旗境內(nèi)，地處庫布齊沙漠東，平均海拔高度在1 100 m左右，年均氣溫6 ℃，四季溫差較大，1月最冷，最低溫度為-32.3 ℃；7月最熱，最高溫度為38.3 ℃；年平均降水量在310 mm左右，年平均蒸發(fā)量2 600 mm，平均無霜期156 d。研究區(qū)位于半干旱地帶，沙化風(fēng)蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重，同時(shí)具有較高的地下水位，丘間洼地土質(zhì)、水源較好；土壤種類多樣，為各類風(fēng)沙土[4]。

1.2試驗(yàn)材料及其處理以2年生臭柏幼苗為試驗(yàn)材料，在溫室大棚盆栽培育3個(gè)月后開始抗旱試驗(yàn)，分為對照組和試驗(yàn)組，待干旱處理40 d后開始取樣。采樣時(shí)分別從試驗(yàn)組和對照組中選取5株苗木，將根去土后帶回實(shí)驗(yàn)室清洗，按照根序分級方法(即根系最先端定義為一級根，一級根所著生的根為二級根)區(qū)分一級根、二級根，從以上根系中隨機(jī)切取若干一級根、二級根根樣，直接置于FAA固定液中。

1.3試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理采用石蠟切片技術(shù)技術(shù)制作一級根、二級根橫切片，并通過番紅-固綠進(jìn)行染片。一級根和二級根采用石蠟切片；木質(zhì)化、栓質(zhì)化和角質(zhì)化的細(xì)胞壁及細(xì)胞核多數(shù)被染成紅色，具有纖維素的細(xì)胞壁和細(xì)胞質(zhì)均被染成綠色。取5個(gè)根樣做重復(fù)試驗(yàn)，每個(gè)根樣選取10張切片，每級根共50張切片，記錄每張切片的根直徑、維管柱直徑和導(dǎo)管直徑，并計(jì)算維根比(V/R)[維管柱直徑(V)與根直徑(R)的比值]。

使用農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測儀測量土壤水分含量，使用OLYMPUS DP72觀察一、二級細(xì)根橫切片，使用cellSens Dimension軟件拍照并進(jìn)行指標(biāo)測量與分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2007軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分析，并繪圖進(jìn)行比較與測量。

2結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，正常澆水的對照組土壤水分含量為46.22%；其他條件不變的情況下，干旱處理40 d后的土壤水分含量為13.36%。在此條件下，進(jìn)一步研究干旱脅迫對臭柏1～2級細(xì)根的影響。

2.1干旱脅迫對臭柏一級、二級細(xì)根導(dǎo)管直徑的影響從圖1可以看出，在干旱脅迫下一級、二級根導(dǎo)管直徑均有所增加，干旱處理40 d后，一級根導(dǎo)管直徑比對照組增加了2.29%，二級根導(dǎo)管直徑比對照組增加了0.43%。這表明在其他條件一致的情況下，干旱脅迫促使導(dǎo)管直徑增加，有利于臭柏在土壤水分不足的條件下吸收更多的水分和無機(jī)鹽，加強(qiáng)植物與外界水分和物質(zhì)的交流，促使植物本身能夠更好地適應(yīng)干旱環(huán)境，增強(qiáng)抗旱能力。一般而言，植物的抗旱能力越強(qiáng)，其導(dǎo)管直徑就越大[5]。趙祥等[6]研究表明導(dǎo)管大有利于植物的莖輸導(dǎo)更多的水分來抵御干旱缺水的不良環(huán)境條件。同時(shí)，研究表明二級根的增長幅度明顯低于一級根，一級根對干旱環(huán)境較為敏感，在干旱條件下根系導(dǎo)管直徑生長劇烈，更易獲取所需物質(zhì)。

圖1　干旱脅迫對臭柏一級、二級細(xì)根導(dǎo)管直徑的影響Fig.1　Effects of drought stress on primary and secondary root vessel diameter of Sabina vulgaris

2.2干旱脅迫對臭柏一級、二級細(xì)根維管束直徑的影響從圖2可以看出，干旱脅迫使一級、二級細(xì)根直徑明顯增加。干旱處理40 d后，臭柏一級、二級細(xì)根維管束直徑均有較大增長，一級根比對照增加了35.48%，二級根比對照增加了28.67%。干旱促進(jìn)了一級、二級細(xì)根維管束的生長，使得維管束不斷加粗，不僅增加了植物對水分和養(yǎng)分的吸收，而且很好地支持了植物本身，提高植物對干旱環(huán)境脅迫的適應(yīng)能力，促使臭柏更好地適應(yīng)干旱環(huán)境。同時(shí)，隨著根序的增大，干旱對維管束的影響降低，一級根著生于二級根上，更易受周圍環(huán)境的影響，其生長更為明顯。研究表明，一級根生長態(tài)勢明顯優(yōu)于二級根，適應(yīng)干旱能力更強(qiáng)。

圖2　干旱脅迫對臭柏一級根和二級根維管束直徑的影響Fig.2　The effects of drought stress on primary and secondary root vascular bundle diameter of Sabina vulgaris

2.3干旱脅迫對臭柏一級、二級細(xì)根直徑的影響從圖3可以看出，干旱脅迫對一級、二級細(xì)根直徑的影響明顯。干旱處理40 d后，一級、二級細(xì)根直徑均有所增加，一級根的直徑比對照組增長了20.67%，二級根直徑比對照組增長了18.58%。這表明干旱處理對細(xì)根直徑的生長產(chǎn)生了較大影響，促進(jìn)了細(xì)根的生長。干旱處理40 d后，干旱脅迫并未影響臭柏的生長，而且與澆水對照組相比，得到了更好的生長發(fā)育，使得根系直徑不斷加粗，其支持作用不斷加強(qiáng)，從而增強(qiáng)臭柏對逆境的適應(yīng)性。同時(shí)，在干旱脅迫過程中，一級根較為敏感，感受干旱能力較強(qiáng)，所以受影響程度較大，為了更好發(fā)育、適應(yīng)干旱環(huán)境，一級根直徑不斷增長；二級根感受干旱能力較弱，受影響程度較小。該試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著根序的增大，臭柏細(xì)根直徑生長緩慢。

圖3　干旱脅迫對臭柏一級、二級細(xì)根直徑的影響Fig.3　The effects of drought stress on primary and secondary root diameter of Sabina vulgaris

2.4干旱脅迫對臭柏一級、二級細(xì)根維根比的影響從圖4可以看出，在干旱脅迫下一級、二級細(xì)根維根比均有所增加。干旱處理40 d后，一級根比對照增加了9.77%，二級根比對照增加了9.15%，維根比明顯增長表明維管束所占比重不斷增加，其次生結(jié)構(gòu)不斷趨于完善。周智彬等[7]研究表明根維管柱比例越大，則植物輸導(dǎo)組織越發(fā)達(dá)、輸水能力越強(qiáng)，表明維根比影響植物的抗旱性，維根比的高低決定植物抵御干旱不良環(huán)境能力的強(qiáng)弱。同時(shí)，隨著根序的增大，干旱對一級、二級根維根比的影響降低，說明二級根發(fā)育晚于一級根，其次生結(jié)構(gòu)的完善程度低于一級根，所以隨著根序的增長，微根比逐步降低。

圖4　干旱脅迫對臭柏一級、二級細(xì)根維根比的影響Fig.4　The effects of drought stress on primary and secondary roots of Sabina vulgaris on ratio of vascular bundle diameter to root diameter

2.5干旱脅迫對臭柏一級、二級細(xì)根結(jié)構(gòu)的影響從圖5和圖6可以看出，干旱脅迫40 d后，根發(fā)育不僅未受影響，而且整體生長水平呈增長趨勢。與對照正常澆水組相比，導(dǎo)管、維管束以及根發(fā)育迅速，直徑生長水平大于對照組。于界芬等[5]研究表明導(dǎo)管直徑越大，數(shù)目越多，維管柱直徑也越大，以上解剖結(jié)構(gòu)的變化同時(shí)影響根直徑，促使根直徑不斷加粗。Smucker等[8]研究表明伴隨著土壤含水量降低，植物為了尋找更多的水源，從地上部分向地下根部運(yùn)輸?shù)耐镌黾?，根系生長加快，從而促進(jìn)了根系內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的發(fā)育、生長，表明臭柏通過調(diào)節(jié)自身地下根部形態(tài)結(jié)構(gòu)來適應(yīng)干旱脅迫。

注：A.干旱脅迫；B.對照。Note：A.Drought stress；B.CK.圖5　臭柏一級根的橫切面觀察(100×)Fig.5　Transverse sections of the primary roots of Sabina vulgaris(100×)

注：A.干旱脅迫；B.對照。Note：A.Drought stress；B.CK.圖6　臭柏二級根的橫切面觀察(100×)Fig.6　Transverse sections of the secondary roots of Sabina vulgaris(100×)

3討論與結(jié)論

對抗旱植物而言，適度干旱促進(jìn)植物生長，植物通過調(diào)整自身形態(tài)構(gòu)造和不同器官的生長速度來適應(yīng)干旱脅迫[9]。根系直徑的變化是內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)變化的外在表現(xiàn)，受導(dǎo)管、維管束等變化的綜合影響，一級根和二級根是初生根，皮層和維管組織是主要組成部分，所以皮層厚度和維管束直徑共同影響外在直徑[10-11]。該研究中在干旱脅迫下，隨著一級根、二級根維管束直徑和導(dǎo)管直徑的增加，根直徑也呈遞增趨勢。由此可見，在干旱脅迫的誘導(dǎo)下，根的維管束直徑和導(dǎo)管等內(nèi)在解剖結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致外在根直徑的變化。根系的解剖結(jié)構(gòu)直接體現(xiàn)了根系發(fā)育水平，與生理功能具有極為密切的聯(lián)系[12-13]，其木質(zhì)化程度和輸導(dǎo)組織等會影響植物對干旱不良環(huán)境的抵抗能力[14]。木質(zhì)部發(fā)達(dá)，輸導(dǎo)組織所占比例有增大趨勢，能更有效地輸送植物所需水分，韌皮部薄壁組織細(xì)胞的細(xì)胞壁強(qiáng)烈木質(zhì)化，能進(jìn)一步保證水分輸導(dǎo)的安全性[15]。該研究表明隨著干旱脅迫的發(fā)生，臭柏導(dǎo)管直徑增大，促進(jìn)了植株水分的運(yùn)輸，對適應(yīng)干旱環(huán)境和汲取所需物質(zhì)具有重要意義。Eissenstat等[10]研究表明根系的吸收與抵御外界脅迫的能力之間保持著一種動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)系。該試驗(yàn)中一級根、二級根無木栓層，其抵御干旱環(huán)境時(shí)次生結(jié)構(gòu)不斷完善，導(dǎo)管、維管束及根直徑越大，所起的固著與運(yùn)輸?shù)淖饔迷斤@著，從而加大植物對土壤水分和養(yǎng)分的利用率，延長壽命。但是，一級根、二級根的耐旱程度存在差異，隨著根序的增長，導(dǎo)管直徑、維管束直徑、根直徑及維根比的增長幅度均有所下降，說明一級根較易受到土壤干旱的影響，對干旱的反應(yīng)更為敏感，更易及時(shí)調(diào)整自身，抵御干旱脅迫，從而適應(yīng)干旱沙地環(huán)境。

該試驗(yàn)結(jié)果表明，與對照相比，干旱脅迫對臭柏一級根、二級根的影響明顯，促使其導(dǎo)管、維管束、根直徑及維根比增長，次生結(jié)構(gòu)不斷完善，使得臭柏抵御外界脅迫的能力增強(qiáng)，從而更好地適應(yīng)環(huán)境。同時(shí)，隨著根序的增加，干旱對導(dǎo)管、維管束、根直徑及維根比的影響逐漸降低，說明一級根適應(yīng)干旱環(huán)境的能力更強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

[1] PERSSON H A.Root dynamics in a young scots pine stand in central Sweden[J].Oikos，1978，30：508-519.

[2] BOHM W.Methods of studying root system[M].Berlin：Spring-Verlag，1979.

[3] FITTER A H.Characteristics and functions of root systems[M]//WAISEL Y，ESHEL A，KAFKATI U，et al.Plant roots：The hidden half.New York：Marcel Dekker Inc.，1996：1-20.

[4] 農(nóng)業(yè)部鄂爾多斯沙地草原生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站[EB/OL].[2015-12-27].http：//www.caas.net.cn/ky/kjpt/ywtz/nybywtz/51780.shtml.

[5] 于界芬.樹木蒸騰耗水特點(diǎn)及解剖結(jié)構(gòu)的研究[D].南京：南京林業(yè)大學(xué)，2003.

[6] 趙祥，董寬虎，張垚，等.達(dá)烏里胡枝子根解剖結(jié)構(gòu)與其抗旱性的關(guān)系[J].草地學(xué)報(bào)，2011，19(1)：13-19.

[7] 周智彬，李培軍.我國旱生植物的形態(tài)解剖學(xué)研究[J].干旱區(qū)研究，2002，19(1)：38-40.

[8] SMUCKER A J M，AIKEN R M.Dynamic root response to water deficits[J].Soil science，1992，154：281-289.

[9] 徐飛，郭衛(wèi)華，徐偉紅，等.刺槐幼苗形態(tài)、生物量分配和光合特性對水分脅迫的響應(yīng)[J].北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，32(1)：24-32.

[10] EISSENSTAT D M，AEHOR D S.Anatomical characteristics of roots of citrus rootstoeks that vary in specific root length[J].New phytologist，1999，141：309-321.

[11] 陳海波.水曲柳苗木根系對氮脅迫的形態(tài)和生理反應(yīng)[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2008：37-39.

[12] 李魯華，李世清，翟軍海，等．小麥根系與土壤水分脅迫關(guān)系的研究進(jìn)展[J].西北植物學(xué)報(bào)，2001，21(1)：1-7.

[13] 王靜.不同品種春小麥種子根的解剖結(jié)構(gòu)和抗旱性的初步研究[J].西北植物學(xué)報(bào)，1995，15(8)：159-163.

[14] 閆江艷，張永清，馮曉敏，等．干旱脅迫及復(fù)水對不同黍稷品種根系生理特性的影響[J].西北植物學(xué)報(bào)，2012，32(2)：348-354.

[15] BLOKHINA O，VIROLAINEN E，F(xiàn)AGERSTEDT K.Antioxidants oxidative damage and oxygen deprivation stress：A review [J].Annals of botany，2003，91(2)：179-194.

中圖分類號S 718.47

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-019-03

收稿日期2016-02-16

作者簡介姚瑤(1990 -)，女，內(nèi)蒙古達(dá)拉特旗人，碩士研究生，研究方向：草地生態(tài)學(xué)。*通訊作者，副研究員，博士，碩士生導(dǎo)師，從事植物資源保護(hù)與利用研究。

基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31200540)；國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB1388011)；內(nèi)蒙古自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014MS0352)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1610332016015)；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD13B07)；國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-35-29)；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程項(xiàng)目(CAAS-ASTIP-IGR2015-04)。