曹 秀， 夏仁學(xué)*， 楊環(huán)宇， 張德健， 趙 禹

(1 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)教育部園藝植物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430070； 2 四川省資陽(yáng)市雁江區(qū)農(nóng)業(yè)局， 四川資陽(yáng) 641399)

根系是樹(shù)體生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，對(duì)于多年生木本果樹(shù)的生長(zhǎng)發(fā)育尤為重要[1]。近年來(lái)，隨著研究方法的改進(jìn)和現(xiàn)代根系定量分析技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)根系在土壤中的空間分布已進(jìn)行了大量研究[2]。特別是20世紀(jì)90年代以后，人們?cè)噲D應(yīng)用拓?fù)鋵W(xué)理論將三維根構(gòu)型分解成二維根構(gòu)型, 進(jìn)而通過(guò)測(cè)定有關(guān)的拓?fù)鋵W(xué)參數(shù)對(duì)根構(gòu)型給予定量描述[3-4]。二維根構(gòu)型參數(shù)測(cè)量方法中的根系圖像分析系統(tǒng)因具備不受根形狀等因素的限制、 測(cè)量速度快、 人為因素干擾少、 精度高等優(yōu)點(diǎn)而成為植物根系構(gòu)型定量研究的有力工具[5]。目前，多數(shù)研究果樹(shù)根系的學(xué)者主要從植物營(yíng)養(yǎng)、 根系生態(tài)、 根際微生物等角度探討其與土壤環(huán)境的相互關(guān)系[6,7]，但是由于果樹(shù)根系龐大、 分布錯(cuò)綜復(fù)雜，對(duì)根系構(gòu)型和空間分布等的研究相對(duì)較少。一般來(lái)說(shuō)，根系的生長(zhǎng)狀況除受遺傳特性的影響之外，土壤環(huán)境尤其是土壤養(yǎng)分狀況、 水分和溫度等的影響也是不可忽視的因素。果樹(shù)根系雖然按照遺傳特性發(fā)生, 但其生長(zhǎng)習(xí)性受環(huán)境影響較大[1]，其中土壤養(yǎng)分的有效性高低和分布狀況對(duì)根系的形態(tài)構(gòu)型有一定的調(diào)節(jié)控制作用。例如磷對(duì)主根的生長(zhǎng)和側(cè)根形成與生長(zhǎng)有較大影響[8, 9]，鉀[10, 11]、 鐵[12]、 硼[13]等養(yǎng)分對(duì)植物根系構(gòu)型也有顯著的影響。

柑橘為多年生常綠木本植物，多以枳(Poncirustrifoliata)為砧木?；谥白髡叩妊芯堪l(fā)現(xiàn)的磷、 鉀、 鈣等礦質(zhì)養(yǎng)分對(duì)枳根系的生長(zhǎng)發(fā)育影響較大[14]，故本研究在沙培條件下，對(duì)枳實(shí)生幼苗分別進(jìn)行缺磷、 鉀、 鈣處理，利用計(jì)算機(jī)掃描及圖像分析軟件觀測(cè)其根系總長(zhǎng)、 總體積和總表面積等二維形態(tài)參數(shù)，分析不同粗度根系的生長(zhǎng)發(fā)育特征，并用原子吸收法測(cè)定不同處理植株內(nèi)的養(yǎng)分濃度，以探討3種營(yíng)養(yǎng)元素虧缺對(duì)枳根系形態(tài)的影響，以及根系形態(tài)變化對(duì)植株養(yǎng)分吸收的影響及其與植株生長(zhǎng)間的關(guān)系，以期為深入了解柑橘砧木枳對(duì)不良土壤環(huán)境的適應(yīng)性及提高其對(duì)土壤養(yǎng)分的利用率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)為單因素設(shè)計(jì)，共設(shè)4個(gè)處理，每處理3次重復(fù)。即以全素營(yíng)養(yǎng)液(1/2Hoagland營(yíng)養(yǎng)液)為對(duì)照，缺素處理分別為缺P、 K和Ca(表1)。處理后8個(gè)月采樣，每重復(fù)選取長(zhǎng)勢(shì)較一致的9株植株進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

表1 試驗(yàn)處理及其配方

1.2 取樣和測(cè)定方法

1.2.1 生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)定 每重復(fù)取樣6株，用常規(guī)方法測(cè)定株高、 莖粗、 主根長(zhǎng)度、 主根直徑、 地上部和根系鮮重等生長(zhǎng)指標(biāo)。然后所有材料被封裝后置于65℃烘箱中干燥至衡重(約24 h)，稱量其干樣質(zhì)量。

1.2.2 根系形態(tài)指標(biāo)測(cè)定 每重復(fù)另取3株生長(zhǎng)較一致的植株測(cè)量根系形態(tài)指標(biāo)。采樣后剪取植株根系用蒸餾水清洗干凈后置于愛(ài)普生數(shù)碼掃描儀(Expression 10000XL 1.0, Epson Inc. Japan)中掃描，并用WinRhizo Pro (S) v. 2004b軟件(Regent Instruments Inc., Canada)分析獲取根系形態(tài)相關(guān)指標(biāo)根長(zhǎng)、 平均根直徑、 根表面積和根粗度分級(jí)等數(shù)據(jù)。

1.2.3 植株?duì)I養(yǎng)元素濃度測(cè)定 將1.2.1中干樣研磨成粉末狀，過(guò)100目篩(孔徑0.15 mm)，每個(gè)樣品稱取0.3 g于500℃馬弗爐(Muffle)中干灰化6 h，用0.1 mol/L HCl溶解。用原子吸收光譜儀(SPECTR AA220)測(cè)定樣品K、 Ca、 Mg、 Fe、 Cu、 Zn的含量。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理和統(tǒng)計(jì)分析后，用SAS統(tǒng)計(jì)軟件的ANOVA程序進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，并對(duì)不同處理間差異進(jìn)行LSD法多重比較，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同缺素處理枳實(shí)生苗生長(zhǎng)發(fā)育狀況

枳實(shí)生苗生長(zhǎng)狀況統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表2)表明，在沙培條件下，缺磷顯著降低了地上部和根系的生長(zhǎng)量，對(duì)地上部的抑制作用強(qiáng)于根部，其中株高、 地上部干重和鮮重、 莖粗均顯著低于其他各處理，分別比對(duì)照降低了49.7%、 60.2%、 68.0%和22.2%； 根部鮮重降低了37.1%，但主根直徑顯著增加，比對(duì)照增加了13.0%，且顯著高于其他處理。缺鉀處理對(duì)地上部生長(zhǎng)影響較小，除地上部鮮重低于對(duì)照外，株高、 莖粗等與對(duì)照差異不顯著； 但其對(duì)根系生長(zhǎng)影響較大，與對(duì)照相比，缺鉀處理植株根系干重、 鮮重以及主根直徑均顯著降低。缺鈣使枳實(shí)生苗株高、 地上部鮮重和主根直徑顯著低于對(duì)照。

表2 缺素處理對(duì)枳實(shí)生幼苗地上部和根系生長(zhǎng)的影響

2.2 不同缺素處理對(duì)枳幼苗根系形態(tài)的影響

不同缺素處理對(duì)枳實(shí)生幼苗根系的總長(zhǎng)、 總表面積和總體積等形態(tài)結(jié)構(gòu)的影響不盡相同(圖1)。從圖1中可以看到，缺磷、 鉀以及鈣處理, 根系總長(zhǎng)、 總表面積和總體積均顯著減少, 其中缺磷處理減少幅度最大，與對(duì)照相比分別減少了41.7%、 29.1%和 16.8%； 但缺磷處理卻使根系平均直徑增加了16.6%，顯著大于其他處理，而缺鉀和缺鈣處理植株根系平均直徑與對(duì)照無(wú)顯著差異。

圖1 缺素處理對(duì)枳幼苗根系總長(zhǎng)度、 總表面積和總體積及根系平均直徑的影響Fig.1 Effect of nutrients deficiency on the average root diameter, total root volume, length and surface area of Poncirus trifoliata seedlings

沙培條件下，缺磷、 鉀、 鈣均不同程度地抑制了枳實(shí)生幼苗根系的生長(zhǎng)，使根系生物量顯著低于對(duì)照。其中缺磷除對(duì)主根直徑有增粗的作用外，對(duì)側(cè)根的發(fā)生和伸長(zhǎng)也有一定的促進(jìn)作用，這可能是因?yàn)槿绷滋幚硎垢档臋M向擴(kuò)展速率超過(guò)縱向伸長(zhǎng)速率所致； 缺鉀對(duì)主根長(zhǎng)度無(wú)顯著影響，但其主根直徑顯著小于對(duì)照，且側(cè)根數(shù)量和根系分枝顯著減少； 而缺鈣處理僅使根系分枝減少(圖2)。

2.3 缺素處理對(duì)枳實(shí)生幼苗不同直徑根系生長(zhǎng)的影響

圖2 不同缺素處理下枳實(shí)生幼苗的根系形態(tài)Fig.2 The root morphology of Poncirus trifoliata seedlings grown in different nutrients deficiency media

圖3 缺素處理枳幼苗不同直徑根系的根長(zhǎng)、 根表面積、 根體積(A)及其所占總量比例(B)Fig.3 The volume, length, surface area (A) and the ratios (B) of root fractions of Poncirus trifoliata seedlings under different nutrient difficiency

2.4 不同缺素處理對(duì)枳幼苗根系和地上部營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響

從表3可以看出，與對(duì)照相比，缺磷條件下枳實(shí)生苗根系和地上部Ca含量顯著升高，根系Cu濃度升高而Fe濃度顯著降低，地上部Zn濃度顯著升高而K濃度顯著降低； 缺鉀時(shí)植株根系和地上部Ca、 Cu和Zn含量顯著高于對(duì)照而K和Fe含量顯著降低，根系Mg顯著高于對(duì)照； 缺鈣處理的枳實(shí)生苗根系和地上部Fe和Zn濃度顯著增加，根系Cu含量顯著降低，地上部K含量顯著增加而Ca含量顯著降低。

表3 不同缺素條件下枳實(shí)生幼苗根系和地上部營(yíng)養(yǎng)元素的濃度

3 討論

根系總體積由總表面積和平均直徑共同決定，而根系總長(zhǎng)和總表面積與其吸收能力關(guān)系密切[15]。磷、 鉀和鈣是保持植物正常生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素，在根區(qū)環(huán)境缺素時(shí)，根系生長(zhǎng)發(fā)育必然受到抑制。缺磷、 鉀、 鈣處理后，枳實(shí)生幼苗的根表面積、 根體積等根系參數(shù)與對(duì)照相比均顯著降低，根系構(gòu)型發(fā)生了不同程度的變化。從3種缺素處理的枳幼苗根系整體形態(tài)來(lái)看,其變化與枳植株整體生長(zhǎng)有較顯著的相關(guān)性。3種缺素處理的枳幼苗根系生長(zhǎng)受抑，其植株總生長(zhǎng)量也顯著低于對(duì)照。缺素處理植株根長(zhǎng)、 根系表面積和體積顯著降低，導(dǎo)致有效吸收面積和吸收范圍縮小，根系吸收能力下降，而對(duì)照苗根系相對(duì)發(fā)達(dá)，在基質(zhì)中分布較均勻，加強(qiáng)了對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收。缺磷、 缺鉀和缺鈣枳實(shí)生苗表現(xiàn)出缺素的特征，但三者對(duì)根系形態(tài)和生長(zhǎng)狀況的影響不盡相同。缺磷處理對(duì)枳幼苗地上部生長(zhǎng)抑制作用較根系強(qiáng)，缺鉀處理與之相反，對(duì)整個(gè)根系的生長(zhǎng)發(fā)育均有顯著的抑制作用，缺鈣對(duì)植株整體生長(zhǎng)的抑制作用較缺磷和缺鉀小。

根系形態(tài)可影響枳幼苗根系吸收養(yǎng)分的能力，從而影響植株的生長(zhǎng)。不同直徑根系的吸收能力存在差別， 一般認(rèn)為細(xì)根的吸收能力強(qiáng)于粗根[16]，缺磷處理不僅抑制了枳幼苗根系生長(zhǎng)，且使細(xì)根總量和比例降低，導(dǎo)致根系吸收能力降低進(jìn)而抑制了植株的生長(zhǎng)。結(jié)果表明，缺磷處理使枳實(shí)生苗地上部鋅濃度增高，這可能是由于缺磷導(dǎo)致地上部生物量的絕對(duì)下降，相對(duì)增加了Zn的濃度。植株地上部鋅濃度增高能促進(jìn)生長(zhǎng)素的合成，生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸使根部生長(zhǎng)素濃度顯著增加，從而促使地上部碳水化合物調(diào)運(yùn)至根部[17]，而且生長(zhǎng)素增加能促發(fā)根尖細(xì)胞周期蛋白基因的表達(dá)，驅(qū)動(dòng)側(cè)根發(fā)生和伸長(zhǎng)[17]，筆者之前的研究也發(fā)現(xiàn)缺磷和生長(zhǎng)素處理能促進(jìn)枳側(cè)根發(fā)生和根毛發(fā)育[14,18]，這可能是缺P脅迫對(duì)枳地上部生長(zhǎng)的抑制作用強(qiáng)于根系的原因之一。與缺磷相似的是缺鈣時(shí)植株地上部鋅濃度增高，這有利于光合產(chǎn)物向根部調(diào)運(yùn)，同時(shí)地上部和根系鐵濃度也顯著增加，這保證了植株光合作用的進(jìn)行，因此鐵和鋅濃度的增加可能是導(dǎo)致缺鈣(與缺磷和鉀相比)對(duì)枳生長(zhǎng)影響較小的原因。

鉀雖然不參與細(xì)胞組成，但能夠調(diào)節(jié)與光合、 代謝作用等相關(guān)的多種酶的活性且在細(xì)胞滲透調(diào)節(jié)中有重要功能。缺鉀處理的枳幼苗K濃度顯著降低，鉀以離子形式存在于植物體內(nèi)，具有高度的移動(dòng)性[19]。已有研究表明，K影響根系生長(zhǎng)的作用機(jī)制與 N、 P 等不同, K濃度的改變能引起整個(gè)根系的系統(tǒng)響應(yīng)[20], 這可能與其高度移動(dòng)性有關(guān)。此外，低鉀脅迫對(duì)枳幼苗養(yǎng)分濃度有較大的影響(根系中所測(cè)的6種元素均與對(duì)照差異顯著)，其中根系和地上部Fe濃度均顯著降低。Fe、 K直接參與植物光合作用、 調(diào)節(jié)光合酶活性且與光合產(chǎn)物的運(yùn)輸密切相關(guān), Fe濃度降低使地上部分光合受阻[21],從而可能顯著降低了植株葉片光合產(chǎn)物合成和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，導(dǎo)致根系生長(zhǎng)受抑[22-23]。因此，缺鉀處理可能通過(guò)影響植株K、 Fe等的含量，調(diào)節(jié)光合產(chǎn)物的合成和運(yùn)輸以及一些相關(guān)酶的活性，改變枳幼苗根系形態(tài)進(jìn)而影響整個(gè)植株的生長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn):

[1] 束懷瑞, 羅新書(shū), 吳光林. 果樹(shù)栽培生理學(xué)[M].北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 1993.

Shu H R, Luo X S, Wu G L. Pomology cultivation physiology[M]. Beijing: China Agriculture Press, 1993.

[2] 馬獻(xiàn)發(fā), 宋鳳斌, 張繼舟. 根系對(duì)土壤環(huán)境脅迫響應(yīng)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2011, 27(5): 44-48.

Ma X F, Song F B, Zhang J Z. Advances of research of roots responses to environmental stress on soil[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2011, 27(5): 44-48.

[3] Armengaud P, Zambaux K, Hills Aetal. EZ-Rhizo: integrated software for the fast and accurate measurement of root system architecture[J]. The Plant Journal, 2009, 57(5): 945-956.

[4] Bot J L, Serra V, Fabre Jetal. DART: a software to analyse root system architecture and development from captured images[J]. Plant and Soil, 2010, 326 (1-2): 261-273.

[5] 梁泉, 廖紅, 嚴(yán)小龍. 植物根構(gòu)型的定量分析[J].植物學(xué)通報(bào), 2007, 24(6): 695-702.

Liang Q, Liao H, Yan X L. Quantitative analysis of plant root architecture[J]. Chinese Bulletin of Botany, 2007, 24(6): 695-702.

[6] Kroon H D, Hendriks M, Ruijven J Vetal. Root responses to nutrients and soil biota: drivers of species coexistence and ecosystem productivity[J]. Journal of Ecology, 2012, 100(1): 6-15.

[7] Remans T, Thijs S, Truyens Setal.Understanding the development of roots exposed to contaminants and the potential of plant-associated bacteria for optimization of growth[J]. Annals of Botany, 2012,110(2): 239-252.

[8] Péret B, Clément M,Nussaume Letal. Root developmental adaptation to phosphate starvation: better safe than sorry[J]. Trends in Plant Science, 2011, 16(8): 442-450.

[9] Sato A, Miura K. Root architecture remodeling induced by phosphate starvation[J]. Plant Signaling & Behavior, 2011, 6(8): 1122-1126.

[10] 張志勇, 王清連, 李召虎, 等.缺鉀對(duì)棉花幼苗根系生長(zhǎng)的影響及其生理機(jī)制[J].作物學(xué)報(bào), 2009, 35(4): 718-723.

純文學(xué)處境尷尬，意味著純文學(xué)一枝獨(dú)秀的時(shí)代早已終結(jié)，文學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)多聲部合唱。譬如陜西省合陽(yáng)縣路井鎮(zhèn)農(nóng)民侯永祿僅有初中文化程度，但他堅(jiān)持寫(xiě)了六十年日記，總計(jì)200余萬(wàn)字，真實(shí)記錄了自己和村民的生存經(jīng)歷，記錄了抗日戰(zhàn)爭(zhēng)到改革開(kāi)放等不同時(shí)代背景下的“三農(nóng)”問(wèn)題。經(jīng)過(guò)編輯處理，20余萬(wàn)字的《農(nóng)民日記》2006年由中國(guó)青年出版社出版后，數(shù)次再版。

Zhang Z Y, Wang Q L, Li Z Hetal. Effect of potassium deficiency on root growth of cotton (GossypiumhirsutumL.) seedlings and its physiological mechanisms involved[J]. Acta Agronomica Sinica, 2009, 35(4): 718-723.

[11] 潘艷花, 馬忠明, 呂曉東, 等.不同供鉀水平對(duì)西瓜幼苗生長(zhǎng)和根系形態(tài)的影響[J].中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 20(5): 536-541.

Pan Y H, Ma Z M, Lv X Detal. Effects of different potassium nutrition on growth and root morphological traits of watermelon seedling[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2012, 20(5): 536-541.

[12] Schmidt W, Tittel J, Schikora A. Role of hormones in the induction of iron deficiency responses inArabidopsisroots[J]. Plant Physiology, 2000, 122(4): 1109-1118.

[13] Mei L, Sheng O, Peng S-Aetal. Growth, root morphology and boron uptake by citrus rootstock seedlings differing in boron-deficiency responses[J]. Scientia Horticulturae, 2011, 129(3): 426-432.

[14] 曹秀, 夏仁學(xué), 張德建, 等.水培條件下?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素對(duì)枳幼苗根毛發(fā)育及根生長(zhǎng)的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 24(6): 1525-1530.

Cao X, Xia R X, Zhang D Jetal. Effects of nutrients on the seedlings root hair development and root growth ofPoncirustrifoliataunder hydroponics condition[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2013, 24(6): 1525-1530.

[15] 林雅茹, 唐宏亮, 申建波. 野生大豆根系形態(tài)對(duì)局部磷供應(yīng)的響應(yīng)及其對(duì)磷吸收的貢獻(xiàn)[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2013, 19(1): 158-165.

[16] Sullivan W M, Jiang Z, Hull R J. Root morphology and its relationship with nitrate uptake inKentuckybluegrass[J]. Crop Science, 2000, 40(3): 765-772.

[17] 孫海國(guó), 張福鎖.小麥根系生長(zhǎng)對(duì)缺磷脅迫的反應(yīng)[J].植物學(xué)報(bào), 2000, 42(9): 913-919.

Sun H G, Zhang F S. Grouth response of wheat roots to phosphrus deficiency[J]. Acta Botanica Sinica., 2000, 42(9): 913-919.

[18] 張德建, 夏仁學(xué), 曹秀, 等.生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑和基質(zhì)對(duì)枳根毛發(fā)育的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22(6): 1437-1442.

Zhang D J, Xia R X, Cao Xetal. Effects of growth regulators and media on root-hair development ofPoncirustrifoliata[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(6): 1437-1442.

[19] 李俊林, 高南, 劉春生, 等.水稻鉀離子通道基因OsKAT1.1的克隆,表達(dá)載體的構(gòu)建及其電生理功能[J]. 基因組學(xué)與應(yīng)用生物學(xué), 2011, 30(4): 346-351.

Li J L, Gao N, Liu C Setal. Cloning, constraction of expression vectors and electrophysiological fonction of potassium channel geneOsKAT1.1 in rice[J]. Genomics and Applied Biology, 2011, 30(4): 346-351.

[20] 陳波浪, 盛建東, 蔣平安, 等.鉀營(yíng)養(yǎng)對(duì)水培棉花生長(zhǎng)發(fā)育的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào), 2008, 24(11): 267-271.

Chen B L, Sheng J D, Jiang P Aetal. Effect of potassium nutrition on growth of cotton in liquid culture[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2008, 24(11): 267-271.

[21] 劉延吉, 田曉艷, 曹敏建. 低鉀脅迫對(duì)玉米苗期根系生長(zhǎng)和鉀吸收特性的影響[J].玉米科學(xué), 2007, 15(2): 107-110.

Liu Y J, Tian X Y, Cao M J. The effects of low potassium stress on root growth and potassium absorption of maize seedling[J]. Journal of Maize Sciences, 2007, 15(2): 107-110.

[22] Zia-ul-Hassan, Arshad M. Cotton growth under potassium deficiency stress is influenced by photosynthetic apparatus and root system[J]. Pakistan Journal of Botany, 2010, 42(2): 917-925.

[23] Gerardeaux E, Jordan-Meille L, Constantin Jetal. Changes in plant morphology and dry matter partitioning caused by potassium deficiency inGossypiumhirsutumL.[J]. Environmental and Experimental Botany, 2010, 67(3): 451-459.