孫昌法 王懋林 胡尚連

(西南科技大學(xué)，綿陽，621010)

In order to investigate the effect of different soil water content during the vegetative reproduction period of Bambusa emeiensis on its matter accumulation, a pot experiment was conducted to study stem coarse, fresh weight, fiber morphology, cellulose content, and lignin content of the bamboo under different water condition. Three treatment were set: relative soil water content was 20%-40% (T1), relative soil water content was 50%-70% (T2), and relative soil water content was more than 80% (T3). The number of bamboo shoots, fresh weight and cell size of T1 was reduced significantly compared with T2. And the plants of T3 were similar to T2 in both organ scale and cell scale. But the results of cellulose and lignin content showed no significant difference between the three treatments. Therefore, the low soil water content during the growth of bamboo shoot has bad and irreversible impacts cell division, and cell elongation and large, and the effects on cell wall components is little after rewatering.

水分是構(gòu)成植物的必要成分，也是植物賴以生存的必不可少的因子之一[1]。眾所周知，可用水的減少會(huì)導(dǎo)致植物生長(zhǎng)速率的減緩。植物生長(zhǎng)依賴于細(xì)胞分裂和細(xì)胞伸長(zhǎng)2個(gè)過程，其中細(xì)胞伸長(zhǎng)是對(duì)水分虧缺極為敏感的涉及生物物理、生物化學(xué)的復(fù)雜過程[2]。我國(guó)有1/3的耕地處在干旱或半干旱地區(qū)，水資源嚴(yán)重不足且分布不均，具有明顯的季節(jié)性差異[3]。季節(jié)性的干旱及水澇對(duì)植物生長(zhǎng)造成了嚴(yán)重的影響。當(dāng)植物受到水分脅迫后，會(huì)產(chǎn)生一系列的形態(tài)和生理生化變化[4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)植物響應(yīng)水脅迫的研究大多集中在形態(tài)變化(包括葉面積、比葉重、株高、分枝特性等)、生理指標(biāo)(光合速率、氣孔導(dǎo)度、葉綠素含量[5-7]等)及生化指標(biāo)(氧化脅迫相關(guān)酶活、滲透調(diào)節(jié)物含量[8]等)，隨著分子技術(shù)的發(fā)展，水脅迫下基因的響應(yīng)表達(dá)[9]也成為研究的熱點(diǎn)。然而在不同降水條件下，對(duì)植物細(xì)胞形態(tài)的建成影響的相關(guān)研究較少。

竹為禾本科植物，其竹材利用的主要部分為竹稈，竹稈的生長(zhǎng)分為竹筍的地下生長(zhǎng)、竹筍—幼竹的生長(zhǎng)、成竹生長(zhǎng)3個(gè)生長(zhǎng)階段[10]。竹類植物沒有次生生長(zhǎng)，高生長(zhǎng)完成的同時(shí)粗生長(zhǎng)也已經(jīng)完成。因此竹類的高生長(zhǎng)主要取決前兩個(gè)階段，第3階段則與材質(zhì)生長(zhǎng)相關(guān)[11]。在細(xì)胞水平上，前兩個(gè)階段為細(xì)胞的增殖、分裂、以及細(xì)胞伸長(zhǎng)期，在這兩個(gè)階段完成細(xì)胞形態(tài)建成。而在第3個(gè)階段則是細(xì)胞次生壁加厚、木質(zhì)化的時(shí)期。由于竹子的這種生長(zhǎng)特性，水分在竹子的營(yíng)養(yǎng)生殖期即竹筍發(fā)生及生長(zhǎng)時(shí)期起著重要的作用，直接決定著其細(xì)胞形態(tài)的建成及生物量的大小。因此,本研究采用在慈竹生殖生長(zhǎng)期進(jìn)行土壤含水量進(jìn)行控制方法，以探究低土壤含水量及高土壤含水量相對(duì)正常土壤含水量對(duì)竹筍生物形態(tài)及物質(zhì)積累的影響。

1 材料與方法

取1年生盆栽慈竹，去枝葉、保留莖稈30 cm左右進(jìn)行盆栽分兜，每盆裝干土8 kg，土壤最大持水量為44%。保持正常澆水至慈竹長(zhǎng)出第一批枝葉且未開始發(fā)筍之前。試驗(yàn)處理：處理一(T1)，控制土壤相對(duì)含水量在20%～40%；處理二(T2),控制土壤相對(duì)含水量在50%～70%；處理三(T3)，控制土壤相對(duì)含水量80%～100%。采用稱重法檢測(cè)土壤水含量，水分不足時(shí)補(bǔ)充適量的水。每個(gè)處理3個(gè)生物重復(fù)，每個(gè)重復(fù)3盆以上，連續(xù)處理3個(gè)月，然后進(jìn)行正常澆水。

莖稈生物量，用天平稱量去枝葉的新竹莖稈鮮質(zhì)量?；鶑剑褂糜螛?biāo)卡尺測(cè)量新竹基部外徑。株高，使用卷尺測(cè)量慈竹地上部高度。

纖維形態(tài)，使用高精度纖維形態(tài)分析儀測(cè)定纖維形態(tài)，樣品前處理，將取好的莖稈一部分切成火柴稈大小，至于10 mL離心管中，使用離析液(10%硝酸+10%鉻酸)浸沒樣品，室溫放置2 d。將離析后的樣品至于平皿中使用清水清洗至無色，然后進(jìn)行纖維形態(tài)測(cè)定，每個(gè)樣品重復(fù)3次，每次重復(fù)測(cè)定5 000根纖維。

纖維素木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使用FibertecTM1020 FOSS纖維素測(cè)定儀進(jìn)行測(cè)定。將烘干的慈竹莖稈使用粉碎機(jī)粉碎(0.2 mm孔徑篩網(wǎng))，通過酸性洗滌纖維(ADF)和酸性洗滌木質(zhì)素(ADL)法，測(cè)定樣品的纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，每個(gè)樣品技術(shù)重復(fù)3次，每組樣品運(yùn)行一個(gè)空白對(duì)照。

解剖形態(tài)，徒手切片，使用Leica DMI-3000倒置熒光顯微鏡下進(jìn)行觀察，在紫外熒光激發(fā)下進(jìn)行拍照。使用ImageJ圖像處理軟件統(tǒng)計(jì)導(dǎo)管直徑、薄壁細(xì)胞直徑、維管束密度以及薄壁細(xì)胞長(zhǎng)度。

用spss21軟件進(jìn)行單因素方差分析,使用最小顯著差數(shù)法(LSD法)進(jìn)行數(shù)據(jù)多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 筍期土壤含水量對(duì)慈竹生物形態(tài)及莖稈生物量的影響

在慈竹的發(fā)筍期土壤水含量的大小會(huì)對(duì)幼筍生長(zhǎng)造成不可逆的影響(表1)。相對(duì)與T2即正常的土壤相對(duì)含水量，T1即土壤水分虧缺會(huì)造成慈竹發(fā)筍期的延遲。T2處理的每盆即一個(gè)母兜發(fā)筍量為的3.6株，而T1處理平均每盆發(fā)筍量較T2下降40%僅為每盆2.2株，T3處理每盆發(fā)筍量為3.3株與T2無顯著性差異(表1)。而筍的相對(duì)基徑即筍的基徑比母株基徑，T2、T3處理的植株接近100%分別為96%和99%，而T1處理的植株，基徑較母株基徑下降明顯，僅為母株基徑的70%(表1)。同樣T1處理植株的株高和鮮重較T2分別下降38%和72%，且均達(dá)統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著水平，而T3處理與T2處理無明顯差異?？傮w看來，在盆栽慈竹的發(fā)筍期水分的虧缺會(huì)導(dǎo)致其生長(zhǎng)受到不可逆的抑制，可能由于植物抵抗干旱引起的氧化脅迫[12]造成能量消耗以及植物細(xì)胞膨壓的降低有關(guān)。而T3處理的植株在外形上與T2無明顯差異，說明了T3處理并未對(duì)慈竹的造成水澇脅迫。

表1 不同處理對(duì)慈竹生物形態(tài)及發(fā)筍量的影響

注：處理T1表示土壤相對(duì)含水量在20%～40%，T2表示土壤相對(duì)含水量在50%～70%，T3表示土壤相對(duì)含水量80%～100%；表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

2.2 慈竹細(xì)胞水平的形態(tài)差異

為進(jìn)一步探究不同土壤水含量對(duì)慈竹營(yíng)養(yǎng)生殖期細(xì)胞形態(tài)建成的影響，我們對(duì)不同處理植株的莖稈進(jìn)行了纖維細(xì)胞形態(tài)測(cè)定以及切片纖維觀察。纖維細(xì)胞形態(tài)測(cè)定顯示，T1處理的纖維細(xì)胞長(zhǎng)度較T2下降27%，差異極顯著(P<0.01)，而T1的纖維細(xì)胞寬度與T2無顯著性差異(表2)。T3與T2在纖維細(xì)胞長(zhǎng)度和寬度上都沒有明顯差別(表2)。

表2 不同處理對(duì)慈竹纖維細(xì)胞形態(tài)的影響

注：處理T1表示土壤相對(duì)含水量在20%～40%，T2表示土壤相對(duì)含水量在50%～70%，T3表示土壤相對(duì)含水量80%～100%；表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

另外T1處理的細(xì)小纖維(即長(zhǎng)度小于0.05 mm的纖維)含量較T2明顯增加。而T3的纖維細(xì)胞形態(tài)及細(xì)小纖維含量均與T2接近(表2)。這表明經(jīng)干旱處理造成了纖維機(jī)強(qiáng)度下降，在經(jīng)離析液解離以及機(jī)械擊打后更易破碎。

表3 解剖形態(tài)統(tǒng)計(jì)

注：處理T1表示土壤相對(duì)含水量在20%～40%，T2表示土壤相對(duì)含水量在50%～70%，T3表示土壤相對(duì)含水量80%～100%；表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，同列不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)。

莖稈解剖(圖1)顯示土壤含水率不僅影響纖維細(xì)胞的形態(tài)，還對(duì)導(dǎo)管細(xì)胞以及薄壁細(xì)胞即除維管束以外的基本細(xì)胞也有較大影響。在低土壤含水量下(T1)植株導(dǎo)管直徑及薄壁細(xì)胞直徑分別較中土壤含水量(T2)降低11%和25%，薄壁細(xì)胞長(zhǎng)度也下降21%(表3)。高土壤含水量(T3)下其導(dǎo)管直徑以及薄壁細(xì)胞直徑較T2有小幅度增大，薄壁細(xì)胞長(zhǎng)度也稍大于T2，推測(cè)這可能是因?yàn)楦咄寥篮渴沟眉?xì)胞膨壓增加，當(dāng)膨壓大于薄壁細(xì)胞及導(dǎo)管細(xì)胞的細(xì)胞壁的剛性則細(xì)胞發(fā)生伸長(zhǎng)及膨大。

圖1 莖稈解剖熒光照片

2.3 筍期土壤含水量對(duì)纖維素木質(zhì)素積累的影響

莖稈纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)顯示，筍期的不同處理對(duì)慈竹纖維素以及木質(zhì)素的積累無顯著性影響(表4)，說明細(xì)胞壁成分的積累受筍期含水量影響較小。

表4 纖維素和木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

注：處理T1表示土壤相對(duì)含水量在20%～40%，T2表示土壤相對(duì)含水量在50%～70%，T3表示土壤相對(duì)含水量80%～100%；表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

3 結(jié)論與討論

植物要從土壤中吸收水分，根系水勢(shì)必須比土壤水勢(shì)要更低，植物莖的水勢(shì)稍低于根系水勢(shì)，而高于葉片水勢(shì)，因此能夠通過被動(dòng)運(yùn)輸將水分從根部一直運(yùn)輸?shù)饺~片[13-14]。土壤水勢(shì)的降低，可能是干旱脅迫下植物株高變矮的原因之一。細(xì)胞伸長(zhǎng)取決于兩個(gè)方面：一是膨壓產(chǎn)生的動(dòng)力，二是細(xì)胞壁的剛性產(chǎn)生的阻力[15]。Nonami et al[16]提出植物生長(zhǎng)速率取決與細(xì)胞膨壓與細(xì)胞壁機(jī)械特性的相互作用。植物生長(zhǎng)速率的減緩被認(rèn)為要么是因?yàn)榧?xì)胞膨壓的降低，要么是因?yàn)榧?xì)胞調(diào)節(jié)的細(xì)胞壁機(jī)械特性的下降[17-18]。細(xì)胞壁在維持植物細(xì)胞形態(tài)中其重要作用，細(xì)胞壁參與了多種細(xì)胞代謝活動(dòng)如細(xì)胞的生長(zhǎng)、分化、以及細(xì)胞識(shí)別，已不再被視為一種剛性的、無生命活力的機(jī)械支架[19]。在細(xì)胞的形態(tài)建成過程中，細(xì)胞壁的機(jī)械抗性和伸展性要協(xié)調(diào)一致，細(xì)胞伸展除了需要細(xì)胞壁松散伸展以及組分調(diào)整外，還需要膨壓產(chǎn)生動(dòng)力[20]，K+可保持細(xì)胞中的滲透勢(shì)以促進(jìn)細(xì)胞吸收水分，并產(chǎn)生細(xì)胞內(nèi)膨壓以驅(qū)動(dòng)細(xì)胞伸展[21]。在慈竹筍發(fā)生及生長(zhǎng)過程中過低的土壤含水量(T1)會(huì)使得其細(xì)胞能夠吸收的水分減少，會(huì)降低細(xì)胞膨壓[22]，從而使慈竹纖維細(xì)胞及薄壁細(xì)胞的伸長(zhǎng)受到抑制。植物可以通過H+-ATP酶等方式[23-24]調(diào)節(jié)細(xì)胞膨壓，通過局部增大膨壓進(jìn)而促進(jìn)細(xì)胞選擇性伸展[22]。細(xì)胞在分裂時(shí)通過調(diào)整局部膨壓可以產(chǎn)生不同形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的兩個(gè)子細(xì)胞，不同類型的細(xì)胞在植物體內(nèi)起著不同的作用，其膨壓調(diào)節(jié)能力也不相同，因此在應(yīng)對(duì)不同環(huán)境逆境時(shí)發(fā)生不同響應(yīng)。如慈竹纖維細(xì)胞其細(xì)胞直徑較小而長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其特殊的細(xì)胞形態(tài)使其在直徑方向上對(duì)水含量不敏感,而在細(xì)胞伸長(zhǎng)上卻受到較大影響，薄壁細(xì)胞則在直徑和長(zhǎng)度上在低土壤含水量時(shí)均減小。

另外本研究表明高土壤含水量(T3)并不能使得慈竹細(xì)胞膨大、伸長(zhǎng)得到顯著性增加。一方面可能時(shí)因?yàn)榧?xì)胞壁的剛性使得膨壓的小幅度增加并不能導(dǎo)致細(xì)胞體積的進(jìn)一步增加。另一方面，過大的細(xì)胞體積會(huì)使其比表面積降低，從而導(dǎo)致細(xì)胞間物質(zhì)運(yùn)輸效率下降，進(jìn)而限制了其細(xì)胞的生長(zhǎng)。

而細(xì)胞壁中的纖維素微纖絲被認(rèn)為是決定植物細(xì)胞壁特性的重要因素[25]。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重缺水時(shí)，細(xì)胞膨壓過低導(dǎo)致細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離，此時(shí)胞內(nèi)微管解聚，纖維素合成停止。隨著復(fù)水或者植物體自身的調(diào)整，胞內(nèi)微管會(huì)重新排列，CSCs復(fù)合體會(huì)重新沿著微管到達(dá)細(xì)胞膜進(jìn)行纖維素微纖絲的合成[22]。本研究在T1處理在經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間復(fù)水后纖維素質(zhì)量分?jǐn)?shù)與T2無差異，因此推測(cè)在其次生生長(zhǎng)過程中纖維素合成已經(jīng)得到完全恢復(fù)，相同的木質(zhì)素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也證實(shí)了這一推測(cè)。