王晶晶, 閆海冰, 王紫瑄, 解甜甜, 楊秀清
(山西農(nóng)業(yè)大學林學院,山西 太谷 030801)
根系是土壤與植物的動態(tài)界面。作為植物與外界物質(zhì)能量交換并穩(wěn)定植株的重要器官[1-2],根系質(zhì)量(根系生長狀況和活力水平)直接影響植物營養(yǎng)狀況及生物量的構(gòu)成,在植物生長發(fā)育和生物量累積過程中起重要作用[3]。對植物根系質(zhì)量進行表征時,根系構(gòu)型、根系形態(tài)、根系活力以及根系吸收與儲存相關(guān)生理生態(tài)特性是重要的衡量指標,可反映根系在土壤的空間排列形式,是植物對土壤養(yǎng)分利用策略的體現(xiàn)。由于根系中的細根(直徑<2 mm)具有一定的可塑性,同時也是植物響應環(huán)境變化最敏感和最活躍的部分,植物可以通過改變根系分支模式來響應生境變化,通過形成發(fā)達根系提高其對土壤養(yǎng)分的有效利用,從而維持植物正常生長發(fā)育以及抵抗不良環(huán)境[4-6]。目前來看,生長素是影響根系發(fā)育的重要因素,尤其是來源于初生根頂端的生長素對側(cè)根繼續(xù)發(fā)育和生長必不可少[7-8]。當新的側(cè)根穿過根系表皮層時,分生組織被認為發(fā)生了激活,而側(cè)根分生組織具有產(chǎn)生生長素的能力,但尚不清楚原基在哪個階段從初生根獲得獨立的生長素供應[9]。
沙冬青(Ammopiptanthus mongolicus)為豆科沙冬青屬,是我國荒漠地區(qū)十分珍貴的常綠闊葉灌木,也是第三紀的孑遺植物[10],具有較高生態(tài)、經(jīng)濟及研究價值[11],應用前景廣闊,許多獨特及優(yōu)良的利用價值亟待開發(fā),備受國內(nèi)外研究人員的關(guān)注[12-14]。沙冬青繁殖方式常以播種育苗為主,自然更新慢,種質(zhì)資源匱乏。由于沙冬青屬于直根系植物,主根長且深根性強,側(cè)根形成很少,根系分支程度極低[15],無性繁殖育苗生根困難,移栽育苗及出土造林極難成活,這已成為目前繁育和發(fā)展沙冬青亟待解決的瓶頸問題[16-17]。基于根系結(jié)構(gòu)可塑性[18-19],可通過一定培育措施改善根系結(jié)構(gòu),促進側(cè)根形成,提高苗木水分、養(yǎng)分的吸收效率[20],以解決沙冬青移栽育苗及出土造林成活率低的技術(shù)難題。鑒于此,本研究擬采用不同長度斷根措施,并配合添加不同濃度IBA,探討斷根與IBA 處理對沙冬青根系質(zhì)量及幼苗生長的影響,為解決沙冬青育苗及造林技術(shù)提供基礎(chǔ)理論依據(jù)。
供試材料為甘肅民勤當年成熟后采集的蒙古沙冬青種子。
選取顆粒飽滿、外形完好、均勻一致的沙冬青種子,經(jīng)0.5‰高錳酸鉀浸泡2 h,蒸餾水清洗3~4次,于37 ℃水浴鍋中水浴24 h 待種子裂嘴露白后,整齊置于育苗盤中進行發(fā)芽。
待種子萌發(fā)的第3、4、5 天,胚根發(fā)育長度分別達1.5~2.0 cm、3.0~4.0 cm、4.5~6.0 cm 時對其進行斷根尖0.5 cm、斷根長1/2、留根長2 cm 不同組合強度斷根處理,以各發(fā)育階段不進行斷根處理為對照(分別為F1、S1、T1)。依據(jù)預實驗結(jié)果選擇斷根后根系發(fā)育較好的處理(根長達1.5~2.0 cm,斷根尖0.5 cm)同時做斷根+激素(IBA)組合處理,以不添加任何濃度IBA 處理為對照(F2),以進一步探討斷根與激素處理對沙冬青根系質(zhì)量及幼苗生長的影響。試驗共設(shè)置13 個處理(表1),每個處理3 個重復,每個重復30粒種子。
表1 沙冬青種子不同斷根及IBA處理Tab.1 Different root cutting and IBA hormone treatment of Ammopiptanthus mongolicus seeds
將各處理發(fā)育的幼苗進行水培,每隔7 d 補加營養(yǎng)液(營養(yǎng)液/水=1/500),保持水培液面深度淹沒根系與地上部分的臨界線。將水培材料放置在25 ℃光照培養(yǎng)箱中22000 Lux每天光照16 h進行培養(yǎng)。30 d 后各處理植株的苗高達2.5~5.6 cm,真葉數(shù)達4~5 片,斷根處理幼苗根系有明顯多主根及毛細根生長,根尖數(shù)大于12且不同處理間有差異表現(xiàn)時進行取樣和根系質(zhì)量分析評價。
1.5.1 根系形態(tài) 采用Epson Perfection V800 Photo掃描儀對沙冬青幼苗根系進行掃描,利用WinRHIZO2019 根系分析系統(tǒng)分析獲取根表面積、根長、根總投影面積、根平均直徑、根尖數(shù)、總根體積、交叉數(shù)以及分支數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。
1.5.2 幼苗生長及生理指標測定 促根培育后的幼苗用數(shù)顯游標卡尺測量苗高、地徑(水培液面臨界線處測量),將地上、地下部分分離,濾紙吸干根部表面水分,電子天平測量地上與根部鮮重,收集鮮樣用紫外吸收法測定可溶性蛋白含量和氯化三苯基四氮唑(TTC)法測定根系活性。將剩余部分按根、莖、葉分別裝入牛皮紙袋置于105 ℃烘箱殺青15 min 后,75 ℃烘至恒重以測定各部分干重(0.001 g)。烘干后的根、莖、葉干樣研磨后,過100目篩子,硫酸蒽酮法測定可溶性糖和淀粉含量,淋洗法測定根系陽離子交換量(CEC)。指標分析時,非結(jié)構(gòu)性碳水化合物(NSC)為可溶性糖和淀粉總和,苗木質(zhì)量指數(shù)=苗木總干重(g)/[苗高(cm)/地徑(mm)+莖生物量(g)/根生物量(g)]。
數(shù)據(jù)分析采用SPSS 22.0統(tǒng)計軟件進行,采用單因素方差分析(One-Way ANOVA)各性狀指標,Duncan 法檢驗數(shù)據(jù)顯著性,Pearson 法進行沙冬青幼苗根系形態(tài)及生理指標間相關(guān)性分析。
2.1.1 根系構(gòu)型分析 由圖1 可知,斷根明顯改變了幼苗主、側(cè)根的生長及根系整體構(gòu)型。無斷根處理(F1、S1、T1)的幼苗根系長,呈單一主根,毛細根少。斷根處理(F2、S2~S3、T2~T4)后根系具有多主根分支根系統(tǒng),有側(cè)根分布在主根上。斷根+IBA處理(P1~P4)后主根分支及側(cè)根數(shù)量較對照F2 明顯增加,根系變得粗壯,但根長變短。F1、S1、T1 處理的根系構(gòu)型呈鯡骨狀;F2、S2~S3、T2~T4、P1~P3 處理的根系構(gòu)型呈分支鯡骨狀,其中P3根系構(gòu)型呈很規(guī)則的分支鯡骨狀;P4 為簇狀。P3 側(cè)根量最多,P4主根量最多。
圖1 不同斷根與IBA處理的沙冬青幼苗根系形態(tài)Fig.1 Root morphology of Ammopiptanthus mongolicus seedlings under different root cutting and IBA hormone treatments
2.1.2 根系形態(tài)指標分析 由表2 表明,胚根發(fā)育不同時期(3個不同根長度下)斷根處理均引起側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)及分支數(shù)的增加,且各發(fā)育時期不同強度斷根對其影響有差異。其中F2(根長達1.5~2.0 cm時斷根尖0.5 cm)處理下,幼苗側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)及分支數(shù)顯著增加。同時,斷根后繼續(xù)培育的幼苗根長在各發(fā)育階段較對照均有所下降。不同強度斷根后根平均直徑、根表面積、總根投影面積和總根體積無明顯變化規(guī)律。斷根(F2 處理)+IBA 處理后,根系較對照的側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)、分支數(shù)、根平均直徑、根表面積、總根投影面積和總根體積均呈增加趨勢,但根長呈下降趨勢。比較IBA 梯度處理可得,P3(根長達1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.075 mg·L-1IBA)處理根系各形態(tài)指標均顯著高于其他濃度處理。此外,P4(根長達1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.125 mg·L-1IBA)處理較對照F2 的根平均直徑顯著增加(54.35%),根長顯著降低(65.39%),側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)、分支數(shù)及根表面積均顯著提高。
表2 不同斷根與IBA處理的沙冬青幼苗根系形態(tài)指標Tab.2 Root morphological indexes of Ammopiptanthus mongolicus seedlings under different root cutting and IBA hormone treatments
斷根處理較不斷根對照均引起多主根發(fā)生,以及側(cè)根和根總量的增加,以F2處理最好。斷根后激素的促根生長作用更為明顯,以P3、P4 處理效果顯著。
由表3 可以得出,3 個時期的斷根處理較對照(F1~F2;S1~S2、S3;T1~T2、T3、T4)均引起地徑、地上部分鮮重、根鮮重、根冠比、根干重的增加,但上述指標除F2 處理下根干重顯著增加(較對照增加133%,P<0.05)外,其余處理較對照增加并不顯著,各發(fā)育時期的不同強度斷根處理間也未呈顯著差異。除S2、T2 外,其余處理下的幼苗苗高生長呈增加趨勢。地上部分干重隨處理無明顯變化規(guī)律。斷根后F2處理不僅引起幼苗生長,且苗木質(zhì)量指數(shù)達到斷根處理的峰值。斷根(F2 處理)+IBA 處理后,幼苗生長除苗高外,地徑、地上部分鮮重、根鮮重、根冠比、根干重、地上部分干重以及苗木質(zhì)量指數(shù)較對照(F2 處理)進一步增加。對比IBA 梯度處理可得,P4(根長達1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.125 mg·L-1IBA)處理最為理想,該處理下苗木質(zhì)量指數(shù)最高。
表3 沙冬青幼苗生長指標分析Tab.3 Analysis of growth index of Ammopiptanthus mongolicus seedlings
斷根處理在一定程度上促進幼苗生長,F(xiàn)2處理可顯著提高根干重和苗木質(zhì)量指數(shù)。斷根后激素的促生長作用進一步增加,其中P4處理對提升苗木質(zhì)量最為有效。
由圖2可知,胚根發(fā)育不同時期(即3個不同根長度下)斷根處理較對照(F1~F2;S1~S2、S3;T1~T2、T3、T4)均引起根系活力增加。比較各階段不同強度斷根處理,根長達1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm 處理(F2)較對照(F1)根系活力顯著提高137.70%(P<0.05),且高于其他胚根發(fā)育階段的各強度斷根處理。根長達1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm 同時添加IBA處理后,根系活力較F2進一步增加,不同IBA處理濃度以斷根尖0.5 cm+0.125 mg·L-1IBA處理(P4)效果最好,且該處理下根系活力顯著高于F2、P1、P2。
圖2 不同斷根與IBA處理的沙冬青幼苗根系活力Fig.2 Root activity of Ammopiptanthus mongolicus seedlings under different root cutting and IBA hormone treatments
斷根處理較不斷根對照幼苗根系活力增加,以F2 處理最好。斷根后激素的促根系活力作用更為顯著,以P4處理最好。
2.4.1 不同斷根與IBA處理沙冬青幼苗根系陽離子交換量 根系CEC 反映根系吸收利用礦質(zhì)元素有效營養(yǎng)成分的能力。由圖3 可知,胚根發(fā)育不同時期(3個不同根長度下)斷根處理后繼續(xù)培養(yǎng)的幼苗根系CEC 較對照(F1~F2;S1~S2、S3;T1~T2、T3、T4)均有所增加。其中,根長達4.5~6.0 cm(T時期)時斷根長1/2(T3)強度處理后根系CEC 達最大,較對照(T1)顯著增加386.47%(P<0.05)。斷根+IBA 處理后根系CEC 表現(xiàn)為P3(根長達1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.075 mg·L-1IBA)處理最高,P4(根長達1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.125 mg·L-1IBA)處理次之,且均顯著高于F2對照。
圖3 不同斷根及IBA處理沙冬青幼苗根系CECFig.3 Cation exchange capacity of Ammopiptanthus mongolicus seedlings under different root cutting and IBA treatments
2.4.2 不同斷根與IBA處理沙冬青幼苗根系養(yǎng)分含量 由圖4 可知,胚根發(fā)育不同時期(3 個不同根長度下)斷根處理后繼續(xù)培養(yǎng)的幼苗根中可溶性蛋白含量均有所增加,其中,根長達1.5~2.0 cm 和3.0~4.0 cm 時斷根尖0.5 cm(F2、S2)均可促進根中可溶性蛋白含量的顯著增加(較對照F1、S1 分別增加62.39%和95.29%,P<0.05)。斷根基礎(chǔ)上添加IBA濃度達0.125 mg·L-1(P4 處理)時,根可溶性蛋白含量高于對照,且達到所有處理下根可溶性蛋白含量峰值(13.27 mg·g-1)。
圖4 不同斷根及IBA處理沙冬青幼苗根系養(yǎng)分Fig.4 Root nutrient of Ammopiptanthus mongolicus seedlings under different root cutting and IBA treatments
根長達1.5~2.0 cm 和3.0~4.0 cm 兩個時期的斷根處理后,根中可溶性糖、NSC 含量減少,但可溶性糖:淀粉有所增加,其中S2、S3 較對照(S1)可溶性糖:淀粉分別顯著增加27.26%、26.48%(P<0.05)。根長達4.5~6.0 cm 時斷根后根中可溶性糖、NSC 含量未呈一致變化規(guī)律,可溶性糖:淀粉較對照有所下降。斷根+IBA 處理后,根中可溶性糖、NSC 含量表現(xiàn)出P3 處理較對照顯著增加(分別達26.04%、29.07%,P<0.05)。
對斷根與IBA 處理沙冬青幼苗根系形態(tài)指標與生理指標進行相關(guān)性分析表明,根系CEC 與總根投影面積、根表面積、總根體積以及根系活力呈顯著正相關(guān)(P<0.05),與側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)、分支數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);根NSC 與根系可溶性糖、根系可溶性糖:淀粉呈極顯著正相關(guān)(P<0.01);根可溶性蛋白與根系其他指標無顯著相關(guān)性??偢队懊娣e與根表面積、總根體積、側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)、分支數(shù)、根系活力均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),說明斷根能夠引起根系形態(tài)參數(shù)的增加,在一定程度上促進了根系活力及其對養(yǎng)分的吸收能力(表4)。
表4 沙冬青幼苗根系形態(tài)指標與生理指標間的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis between root morphological indexes and physiological indexes of Ammopiptanthus mongolicus seedlings
斷根使植物主根頂端優(yōu)勢和向下生長的機能受到破壞,根分生能力增強,促進側(cè)根及須根的生長發(fā)育[21],進而改變植物根系構(gòu)型及根系形態(tài)。本試驗中,斷根引起沙冬青幼苗根系由毛細根少的單一主根向多主根分支根構(gòu)型轉(zhuǎn)變,同時導致側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)和分支數(shù)增加。在斷根試驗的同時進行激素添加,結(jié)果進一步引起了側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)及分支數(shù)的增加。由于斷根導致根分生組織被激活,而根分生組織具有產(chǎn)生生長素的能力,根分生組織最先感受斷根與IBA 的刺激信號產(chǎn)生根生長點,根生長點在人為添加生長激素IBA供應下快速形成初生根,進而產(chǎn)生新根。新根穿過根系表皮層,主動優(yōu)化調(diào)整根系構(gòu)型[22],增加側(cè)根數(shù)和根尖數(shù),并增大根系表面積[23-24]。
斷根與IBA 處理引起沙冬青根系構(gòu)型及根系形態(tài)的改變,直接影響沙冬青根的生長及幼苗發(fā)育[25]。試驗中,在斷根條件下,隨著添加IBA濃度的增加,沙冬青幼苗根系構(gòu)型由簡單變得復雜,0.075~0.125 mg·L-1IBA 濃度(P3、P4)處理下側(cè)根數(shù)、分支數(shù)及根總量等根系形態(tài)指標顯著增加,對應該處理下,苗木根鮮重、根冠比、根干重、根生物量顯著增加,苗木質(zhì)量指數(shù)顯著提高。這表明斷根并添加激素處理在一定程度上促進了根系代謝,并有助于苗木生長。斷根與IBA處理后引起的根尖數(shù)和根系表面積增加,使根系與生存環(huán)境接觸面積增大,導致根吸收點和吸收面積不斷增加[23-24],從而增大了根系吸收水分和養(yǎng)分空間的利用率,提高了根系生理活性[26],在促進根系生長的基礎(chǔ)上有效促進沙冬青幼苗生長。
然而,本試驗中斷根與激素處理下,沙冬青幼苗苗高、地徑、地上部分生長量并無顯著增加。這與試驗期幼苗發(fā)育狀況有關(guān),本次試驗生長量測定是在實生苗水培3~5 d 后斷根繼續(xù)培養(yǎng)30 d 進行,盡管斷根引起根系構(gòu)型及根系形態(tài)發(fā)生明顯變化,但此時苗木仍處于根系構(gòu)建及發(fā)育階段,由此導致根系對環(huán)境養(yǎng)分的吸收與消耗出現(xiàn)收支不平衡,根系積累的養(yǎng)分需優(yōu)先用于根系的自我健全,因此這個階段幼苗地下部分生長快而地上部分生長慢,并未達到苗木地上部分快速生長階段,因而對于各處理所表現(xiàn)出的差異并不顯著。
本試驗中,斷根處理較不斷根對照幼苗根系活力增加,斷根后激素的促根系活力作用更為顯著。其中,根長1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm 同時添加0.125 mg·L-1IBA(P4)處理根系活力最大并顯著高于其他處理。有研究表明,根系活力受根長密度影響較大[27],與根系新陳代謝密切相關(guān)[28]。P4處理下沙冬青幼苗根系呈明顯粗而密的生長勢,使其生長空間有更大比例的養(yǎng)分資源向根部供應,根系新陳代謝活動進一步增強,根系活力得到更大提升。
植物生長發(fā)育過程中,根系CEC是反映根系養(yǎng)分吸收能力的重要指標,而養(yǎng)分吸收能力最直接的表現(xiàn)是生物量累積,并通過其分配模式來調(diào)節(jié)適應環(huán)境[29]。本研究中,斷根并添加激素試驗發(fā)現(xiàn),P4(根長達1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.125 mg·L-1IBA)處理下根生物量分配較對照顯著增加,而地上部分生物量分配相對減少,苗木質(zhì)量指數(shù)顯著提高。同時,分析發(fā)現(xiàn)P4處理下根系CEC顯著高于對照。這表明,適當斷根與IBA 添加可在一定程度上提高沙冬青根系養(yǎng)分吸收能力以促進幼苗生物量累積,并通過對幼苗各組織器官生物量分配格局進行改變,進而提高苗木根系質(zhì)量和幼苗生長潛力[30-31]。
斷根與IBA 處理后根系可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、NSC含量隨著斷根強度、激素濃度梯度的增加無明顯變化規(guī)律,與根系形態(tài)、根系活力指標相關(guān)性不顯著。斷根打破了沙冬青原有發(fā)育過程的動態(tài)平衡,斷根后,一方面,苗木體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)會優(yōu)先分配于根系用以完成根系重建;另一方面,原根系吸收容積被破壞,植株對養(yǎng)分的利用受到抑制。因此,斷根后根系重建對營養(yǎng)物質(zhì)的需求和自我恢復過程中植株的養(yǎng)分利用水平會由于斷根時期及斷根強度不同而產(chǎn)生差異[32],由此導致根系發(fā)育過程中養(yǎng)分收支平衡出現(xiàn)差異和養(yǎng)分存儲能力的不同。也有研究表明[33],斷根后植物根系存在生長補償效應,本試驗中,各斷根處理后根可溶性蛋白含量均高于對照,可解釋為斷根后沙冬青根系的生長補償效應能不同程度地促進幼苗根系對蛋白質(zhì)的儲存。但不同斷根處理間幼苗根系的養(yǎng)分儲存未呈規(guī)律性變化。關(guān)于斷根與IBA處理沙冬青幼苗根系養(yǎng)分存儲、養(yǎng)分在苗木體內(nèi)各器官間分配以及相關(guān)代謝過程的差異性還有待深入研究,以更好地探討沙冬青根系及幼苗生長的生理機制和育苗生根及移栽成活的關(guān)鍵技術(shù)。
(1)斷根處理較不斷根對照均引起沙冬青多主根的發(fā)生,以及側(cè)根、根總量、幼苗地上地下部分生物量和根冠比的增加,其中,根長達1.5~2.0 cm時斷根尖0.5 cm處理顯著促進側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)、分支數(shù)的增加及苗木質(zhì)量指數(shù)的提高。斷根后激素的促根生長和促進幼苗生長作用更為明顯,其中,根長1.5~2.0 cm時斷根尖0.5 cm+0.075 mg·L-1IBA/0.125 mg·L-1IBA 處理后側(cè)根數(shù)、根尖數(shù)、分支數(shù)、根平均直徑、根表面積、總根投影面積、總根體積增加最為顯著;根長1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.125 mg·L-1IBA 處理后幼苗鮮重、根干重、根冠比、苗木質(zhì)量指數(shù)達最高。
(2)斷根可引起幼苗根系活力和根系CEC 增加,其中,F(xiàn)2(根長達1.5~2.0 cm時斷根尖0.5 cm)處理較對照根系活力顯著提高137.70%(P<0.05),并高于其他根發(fā)育階段的各強度斷根處理;根系CEC以T3 斷根處理(根長達4.5~6.0 cm 時斷根長1/2)最佳。斷根+IBA處理后根系活力進一步提高,以根長1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm 同時添加0.125 mg·L-1IBA 處理效果最好。根系CEC 在添加0.075 mg·L-1IBA 和0.125 mg·L-1IBA 處理后顯著高于對照。相關(guān)性分析表明,適當斷根與IBA 添加均能引起根系構(gòu)型復雜化和各形態(tài)參數(shù)的增加,從而增加根系活力并提高根系的吸收功能。
(3)根長1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.075 mg·L-1IBA 處理下根中可溶性糖、NSC 含量較對照顯著增加(分別達26.04%、29.07%),根可溶性蛋白在根長1.5~2.0 cm 時斷根尖0.5 cm+0.125 mg·L-1IBA 處理下達峰值(13.27 mg·g-1)。相關(guān)分析表明,斷根與IBA添加可通過改變根系形態(tài)和提高根系活力在一定程度上促進沙冬青根系的養(yǎng)分存儲,進而提高根系質(zhì)量和幼苗生長潛力。