水曲柳不同顏色細(xì)根生理功能變化

衛(wèi) 星，湯園園，王 婧

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

根系生理功能變化是根系代謝、能量轉(zhuǎn)化和生長(zhǎng)發(fā)育等生命現(xiàn)象的直接表現(xiàn)。細(xì)根是吸收養(yǎng)分和水分的重要器官，在不同階段發(fā)育，細(xì)根表皮和皮層組織細(xì)胞的形態(tài)變化及內(nèi)含物的積累會(huì)導(dǎo)致細(xì)根顏色發(fā)生改變［1］。不同顏色細(xì)根生理功能存在著一定的差異。Cruz等［2］研究角豆樹(Ceratonia siliqua)發(fā)現(xiàn)，白色細(xì)根吸收氮的速率是黃色根的1.0倍、棕色根1.5 倍，細(xì)根顏色越深，吸收速率越低［2］。Comas等［3］也發(fā)現(xiàn)，白色細(xì)根呼吸速率最強(qiáng)，其次是棕色細(xì)根，褐色皺縮細(xì)根呼吸速率最低。筆者在之前的研究中也發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下水曲柳苗木不同顏色細(xì)根隨根序升高，顏色加深，根系活力下降，質(zhì)膜透性增加［4］。可見(jiàn)細(xì)根顏色與生理功能具有明顯的相關(guān)性，研究不同顏色細(xì)根的生理功能對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)價(jià)細(xì)根壽命及其在生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)中的作用具有重要的意義。

水曲柳(Fraxinus mandshurica)是東北地區(qū)主要的造林和用材樹種。了解其復(fù)雜的根系系統(tǒng)對(duì)研究我國(guó)北方森林生態(tài)系統(tǒng)地下物質(zhì)和能量流動(dòng)具有重要的意義。雖然目前已經(jīng)開展了水曲柳細(xì)根生物量［5－6］、死亡和周轉(zhuǎn)［7］、壽命［8］、土壤呼吸［9］、細(xì)根形態(tài)［10］、細(xì)根構(gòu)型［11］以及細(xì)根分解［12－13］等方面的研究，但多數(shù)研究均以直徑或級(jí)別定義細(xì)根，忽略了不同顏色細(xì)根的生理功能差異，不利于準(zhǔn)確估計(jì)細(xì)根的生態(tài)效益。該研究對(duì)23年生水曲柳不同顏色細(xì)根全氮含量、質(zhì)膜透性、呼吸速率和根活力的變化進(jìn)行分析，以期為準(zhǔn)確定義不同顏色水曲柳細(xì)根的生理功能提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 取樣地點(diǎn)位于東北林業(yè)大學(xué)帽兒山實(shí)驗(yàn)林場(chǎng)尖砬溝森林培育實(shí)驗(yàn)站(127°30'～127°34'E，45°21'～45°25'N)，該地屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，林分為23年生水曲柳人工林。2008年9月上旬，用內(nèi)徑為60 mm的根鉆鉆取土芯樣品，用恒溫箱低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室分析根樣。按照Pregitzer等［14］的方法先將水曲柳1～3級(jí)根不同顏色的細(xì)根分開，再進(jìn)行生理指標(biāo)分析。

1.2 研究方法 全氮含量分析采用Foss全自動(dòng)凱氏定氮儀進(jìn)行測(cè)定;呼吸速率采用氣相氧電極法(model LD 2/3，Hansatech，England)測(cè)定［15］;質(zhì)膜透性采用相對(duì)電導(dǎo)率法［16］測(cè)定;根系活力采用TTC染色法［17］測(cè)定。

1.3 數(shù)據(jù)分析 每個(gè)指標(biāo)采用SPSS軟件包(v11010，SPSS Inc，Chicago，Illinois，USA)進(jìn)行方差分析，然后進(jìn)行 LSD 檢驗(yàn)，采用SigmaPlot(Version 9101，USA)軟件進(jìn)行示圖制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同顏色細(xì)根的全氮含量變化 水曲柳細(xì)根隨著根序升高，全氮含量下降，不同顏色的細(xì)根全氮含量存在較大差異(圖1)。在1級(jí)根中，細(xì)根全氮含量是隨著顏色加深而呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，褐色根全氮含量最高，其次是皺縮根，白色根含量最低。褐色根和褐色皺縮根含量的變化不顯著。在2級(jí)根中，褐色根全氮含量也是最高，皺縮根含量最低，4種顏色根全氮含量之間差異顯著(P＜0.05)。在3級(jí)根中，細(xì)根全氮含量隨著顏色的加深逐漸下降，但褐色根和褐色皺縮根的下降趨勢(shì)變緩，兩者之間差異不顯著(P＞0.05)，白色和黃色根之間差異顯著(P＜0.05)。

2.2 不同顏色細(xì)根的質(zhì)膜透性 質(zhì)膜透性表征細(xì)胞結(jié)構(gòu)的完整性。研究發(fā)現(xiàn)，同一級(jí)別內(nèi)各顏色根質(zhì)膜透性均差異極顯著(P＜0.01)。隨顏色的加深，根系的質(zhì)膜透性極顯著增加(P＜0.01)，1～3級(jí)根表現(xiàn)了相似的變化規(guī)律。在同一根序中，白色根質(zhì)膜透性最小，皺縮根質(zhì)膜透性最大，為白色根的4～5倍。但不同級(jí)別中相同顏色根質(zhì)膜透性差異不顯著(P ＞0.05)。

圖1 水曲柳不同顏色細(xì)根全氮含量的變化

圖2 水曲柳不同顏色細(xì)根質(zhì)膜透性的變化

2.3 不同顏色細(xì)根的呼吸作用 根系通過(guò)呼吸作用為根生物量合成、維持和離子吸收等提供能量。研究發(fā)現(xiàn)1級(jí)細(xì)根皺縮根呼吸速率最低，其次是褐色根，黃色根呼吸速率最高(圖3)。在2種溫度條件下都具有相同的變化規(guī)律。相同的溫度條件下，皺縮根呼吸速率與其他3種顏色根的呼吸速率之間差異顯著(P＜0.05)，但是，白色根、黃色根和褐色根之間差異不顯著(P＞0.05)。

圖3 水曲柳不同顏色1級(jí)根呼吸速率

2.4 不同顏色細(xì)根的根系活力 根系活力降低是細(xì)根衰老死亡的最早生理表現(xiàn)形式之一。研究發(fā)現(xiàn)，1級(jí)根活力隨其顏色的加深呈現(xiàn)出先升高后下降的趨勢(shì)(圖4)。不同顏色根系活力具有顯著的差異(P＜0.05)，其中黃色細(xì)根活力顯著高于其他顏色細(xì)根(P＜0.05)，為皺縮根的7倍左右，白色根活力也顯著高于皺縮根(P＜0.05)，約為褐色根的4倍。皺縮根的細(xì)根活力最低，但是與褐色根之間差異不顯著(P＞0.05)。

3 結(jié)論與討論

圖4 水曲柳不同顏色1級(jí)細(xì)根活力

(1)顏色是根系形態(tài)發(fā)育的主要外在表現(xiàn)之一。目前關(guān)于根系顏色加深的原因主要有2種觀點(diǎn)。1種觀點(diǎn)認(rèn)為顏色加深是細(xì)根成熟的標(biāo)志，細(xì)胞完整性沒(méi)有破壞，深色的根上仍然會(huì)長(zhǎng)出新的根［18］;另1種觀點(diǎn)則認(rèn)為細(xì)根顏色加深是衰老死亡的外在表現(xiàn)，根細(xì)胞大量解體［19］。隨著細(xì)根生理生態(tài)功能研究的深入，發(fā)現(xiàn)在細(xì)根發(fā)育的不同階段，可能存在這2種顏色變化機(jī)理。筆者曾研究干旱脅迫下水曲柳苗木細(xì)根顏色變化時(shí)發(fā)現(xiàn)細(xì)根從白色變化到黃色，根內(nèi)部結(jié)構(gòu)形態(tài)完整，是成熟的表現(xiàn);根系顏色從黃色到褐色乃至黑色時(shí)，細(xì)胞程序化死亡，是細(xì)根衰老的表現(xiàn)［4］。

(2)質(zhì)膜透性能直接反映根細(xì)胞的完整性，當(dāng)細(xì)胞發(fā)生衰老死亡時(shí)質(zhì)膜透性明顯增加。該研究發(fā)現(xiàn)隨顏色加深，細(xì)根質(zhì)膜透性增加，黃色根質(zhì)膜透性雖然高于白色根，但黃色根仍然具有很高的根系活力和呼吸速率。由此可見(jiàn)黃色根是吸收功能完整、比白色根要成熟的根。

(3)根呼吸速率高低代表了根系生理活動(dòng)的強(qiáng)弱。根系呼吸速率高低代表其綜合生理代謝強(qiáng)弱［3，20］。Pregitzer等［15］在研究北美糖槭林(Acer saccharum)時(shí)發(fā)現(xiàn)，細(xì)根隨著組織氮濃度增加，呼吸速率呈線性關(guān)系(R2=0.69)。賈淑霞等［21］對(duì)水曲柳和落葉松前5級(jí)根研究也發(fā)現(xiàn)，細(xì)根呼吸速率與其氮含量線性相關(guān)(分別為R2=0.89和R2=0.97)。該研究發(fā)現(xiàn)褐色根和皺縮根呼吸速率和根活力均很低，說(shuō)明褐色及皺縮可能是根衰老死亡過(guò)程中的外在表現(xiàn)。這一分析可通過(guò)進(jìn)一步的細(xì)胞解剖結(jié)構(gòu)完整性研究加以論證。

(4)氮素是影響植物體代謝的重要元素之一，根組織氮素含量對(duì)維持呼吸發(fā)揮著重要的作用［20，22］。該研究發(fā)現(xiàn)水曲柳1級(jí)根氮含量最高，不同顏色之間的氮含量在前3級(jí)根中存在差異。在1級(jí)根中，白色和黃色根氮含量較低，而褐色和皺縮根較高，在2級(jí)根和3級(jí)根中，皺縮根氮含量最低。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因可能是:①在1級(jí)根中，白色根為新生出的根，功能還不完善，氮的吸收和同化能力不強(qiáng)。深色根出生時(shí)間較早，發(fā)育相對(duì)成熟，氮吸收和同化能力較高。Cruz等［2］研究發(fā)現(xiàn)，在養(yǎng)分豐富的條件下，黃色和褐色根吸收銨態(tài)氮速率較高。在該研究的林分中，土壤養(yǎng)分豐富，尤其是氮含量較高，這可能導(dǎo)致顏色較深的根全氮含量高于淺色的根。②菌根侵染通常會(huì)改變細(xì)根的顏色［3］。Cruz等［2］研究表明，被菌根侵染的細(xì)根氮含量是沒(méi)有被菌根侵染細(xì)根氮含量的1倍，磷含量差異更大。水曲柳1級(jí)白色根還沒(méi)有被真菌侵染，而顏色較深的根絕大多數(shù)可能被菌根侵染，菌根吸收氮的能力很強(qiáng)，因此，1級(jí)根中深色的根氮含量較高。③在2級(jí)根和3級(jí)根中，皺縮根皮層細(xì)根已經(jīng)死亡，出現(xiàn)單寧等物質(zhì)沉淀，主要剩下的是木質(zhì)部細(xì)胞，因此氮含量較低。以上解釋僅是從細(xì)根出生時(shí)間和菌根侵染等方面考慮，其解剖學(xué)和生理學(xué)機(jī)制還不清楚。

［1］WELLS C E，EISSENSTAT D M.Beyond the roots of young seedlings:the influence of age and order on fine root physiology［J］.Journal of Plant Growth Regulation，2003，21:324 －334.

［2］CRUZ C，GREEN J J，WATSON C A，et al.Functional aspects of root architecture and mycorrhizal inoculation with respect to nutrient uptake capacity［J］.Mycorrhiza，2004，14:177 －184.

［3］COMAS L，ESSENSTANT D M，LAKSO A.Assessing root death and root system dynamics in a study of grape canopy pruning［J］.New Rhytologist，2000，147:171 －178.

［4］衛(wèi)星.干旱脅迫對(duì)水曲柳苗木細(xì)根衰老的影響［D］.哈爾濱:東北林業(yè)大學(xué)，2008.

［5］梅莉，王政權(quán)，韓有志，等.水曲柳根系生物量、比根長(zhǎng)和根長(zhǎng)密度的分布格局［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17(1):1 －4.

［6］劉金梁，梅莉，谷加存，等.內(nèi)生長(zhǎng)法研究施氮肥對(duì)水曲柳和落葉松細(xì)根生物量和形態(tài)的影響［J］.生態(tài)學(xué)雜志，2009，28(1):1 －6.

［7］史建偉，王政權(quán)，于水強(qiáng)，等.落葉松和水曲柳人工林細(xì)根生長(zhǎng)、死亡和周轉(zhuǎn)［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31(2):333 －342.

［8］于水強(qiáng)，王政權(quán)，史建偉，等.水曲柳和落葉松細(xì)根壽命的估計(jì)［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31(1):102 －109.

［9］賈淑霞，王政權(quán)，梅莉，等.施肥對(duì)落葉松和水曲柳人工林土壤呼吸的影響［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2007，31(3):372 －379.

［10］王向榮，王政權(quán)，韓有志，等.水曲柳和落葉松不同根序之間細(xì)根直徑的變異研究［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2005，29(6):871 －877.

［11］王向榮，谷加存，梅莉，等.水曲柳和落葉松細(xì)根形態(tài)及母根與子根比例關(guān)系［J］.生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，26(6):1686 －1692.

［12］宋森，谷加存，全先奎，等.水曲柳和興安落葉松人工林細(xì)根分解研究［J］.植物生態(tài)學(xué)報(bào)，2008，32(6):1227 －1237.

［13］張秀娟，吳楚，梅莉，等.水曲柳和落葉松人工林根系分解與養(yǎng)分釋放［J］.應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2006，17(8):1370 －1376.

［14］PREGITZER K S，DEFOREST J L，BURTON A J，et al.Fine root architecture of nine North American trees［J］.Ecological Monographs，2002，72:293－309.

［15］PREGITZER K S，LASKOWSKI M J，BURTON A J，et al.Variation in sugar maple root respiration with root diameter and soil depth［J］.Tree Physiology，1998，18:665 －670.

［16］李合生.植物生理生化實(shí)驗(yàn)原理和技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2000.

［17］STEPONKUS P L，LANPHEAR F O.Refinement of the triphenyl tetrazolium chloride method of determining cold injury［J］.Plant Physiology，1967，42:1423 －1426.

［18］WELLS C E，EISSENSTAT D M.Marked differences in survivorship among apple roots of different diameters［J］.Ecology，2001，82:882 －892.

［19］CHENG W，COLEMAN D C，BOX J E.Root dynamics，production and distribution in agroecosystems on the Georgia piedmont using minirhizotrons［J］.J Appl Ecol，1990，27:592 －604.

［20］RYAN M G，HUBBARD R M，PONGRACIC S，et al.Foliage，fineroot，woody-tissue and stand respiration in Pinus radiatain relation to nitrogenstatus［J］.Tree Physiology，1996，16(3):333 －343.

［21］賈淑霞，趙妍麗，丁國(guó)泉，等.落葉松和水曲柳不同根序細(xì)根形態(tài)結(jié)構(gòu)、組織氮濃度與根呼吸的關(guān)系［J］.植物學(xué)報(bào)，2010，45(2):174 －181.

［22］段永宏，徐程揚(yáng)，周睿智.林木根系呼吸及形態(tài)對(duì)氮的反應(yīng)研究概述［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(3):1010－1013.