紫穗槐幼苗根系生理特性和解剖結(jié)構(gòu)對PEG-6000模擬干旱的響應(yīng)

王競紅,張秀梅,陳 艾,周蘊(yùn)薇,陳 鵬,江遠(yuǎn)芳

東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院,哈爾濱 150040

黑龍江省地處我國東北部,屬于北方的寒地季凍型土壤地區(qū),具有典型的季風(fēng)性氣候特點(diǎn)。在高等級公路修建過程中,原有地應(yīng)力平衡、地下水徑流平衡和地表植被的破壞以及土壤凍融過程,導(dǎo)致公路兩側(cè)邊坡經(jīng)常發(fā)生滑塌現(xiàn)象,因此公路邊坡維護(hù)成為該地區(qū)公路建設(shè)中的重要問題。采用植物護(hù)坡具有較強(qiáng)的生態(tài)效益、穩(wěn)定的固坡效果和較強(qiáng)的景觀性,近年來被廣泛應(yīng)用。

紫穗槐(Amorphafruticosa)是豆科(Leguminosae)紫穗槐屬的一種叢生灌木,環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng),兼具觀賞價(jià)值和一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,是東北地區(qū)公路綠化的常用樹種,也是黑龍江省公路護(hù)坡綠化的優(yōu)良樹種[1]。對紫穗槐的研究主要集中在干旱、鹽堿脅迫背景下紫穗槐種子萌發(fā)和幼苗地上部分的生理響應(yīng),對紫穗槐的種子進(jìn)行藥劑處理和加熱處理直接影響紫穗槐種子的發(fā)芽率、結(jié)瘤率和地上生物量[2- 3]；施加鹽堿脅迫處理后,紫穗槐種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、胚芽和胚根的生長均呈下降趨勢[4- 5],葉片中SOD活性、脯氨酸、MDA含量、光合色素增加[6- 7]；而施用一定濃度的CaCl2能有效地緩解NaCl單鹽對紫穗槐幼苗的侵害[8]；在干旱逆境脅迫條件下,紫穗槐通過改變?nèi)~片外部形態(tài)、內(nèi)部解剖構(gòu)造和生理功能來適應(yīng)干旱環(huán)境[9]。目前,對紫穗槐幼苗根系的生理和微觀結(jié)構(gòu)則鮮有關(guān)注。本文采用PEG-6000模擬干旱脅迫處理,測定紫穗槐幼苗根系的生理指標(biāo)和內(nèi)部解剖結(jié)構(gòu)對模擬干旱脅迫的響應(yīng),旨在認(rèn)識紫穗槐幼苗對土壤水分脅迫的適應(yīng)能力,為將紫穗槐更好地應(yīng)用于寒地公路邊坡綠化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

紫穗槐(Amorphafruticosa)種子購自哈爾濱和平綠化公司,采用紙上發(fā)芽法(TP法)自行萌發(fā)后栽植到6×12穴孔的育苗穴盤中。一個(gè)月后選取長勢一致的紫穗槐幼苗移植到直徑15cm、高20cm的花盆中(園土∶蛭石=3∶1),每盆1株,輔以1/2 Hoagland營養(yǎng)液澆灌,用于干旱脅迫處理試驗(yàn)。

1.2 干旱脅迫處理

2014年5月開始干旱脅迫處理試驗(yàn)。以1/2 Hoagland營養(yǎng)液為溶劑配制不同濃度(50、100、150、200、250g/L)的PEG-6000溶液,分別處理前述準(zhǔn)備的紫穗槐幼苗,并以1/2 Hoagland營養(yǎng)液作為對照,每濃度處理8盆。各濃度PEG-6000溶液每12d澆透一次,期間適量補(bǔ)水,并將滲出到花盆托中的處理液回倒入花盆中。處理60d后取樣測定。

1.3 紫穗槐幼苗根系生理特性測定

參照李合生[10]、王學(xué)奎[11]等的方法測定紫穗槐幼苗根系的生理指標(biāo),可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍(lán)法,可溶性糖含量采用蒽酮法,脯氨酸含量采用酸性茚三酮法,丙二醛含量采用硫代巴比妥法,超氧化物歧化酶(SOD)活性采用氮藍(lán)四唑法,過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法。

1.4 紫穗槐幼苗根系解剖結(jié)構(gòu)觀察

參照Green等[12]的方法制作石蠟切片觀察紫穗槐幼苗根系的解剖結(jié)構(gòu)。用流水洗凈根系樣品,濾紙吸干表面水分后切成0.5cm根段,以FAA固定液(90mL 50%乙醇+5mL甲醛+5mL冰乙酸)固定。徠卡輪轉(zhuǎn)式切片機(jī)(LEICA RM 2255)連續(xù)切片(厚8μm),番紅固綠雙重染色,徠卡生物顯微鏡(LEICA DM 2500)觀察、拍照,測算根系解剖結(jié)構(gòu)特征參數(shù)。每個(gè)處理重復(fù)10次,每張樣片選取5個(gè)視野。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 13.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性比較,采用Excel 2007繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫穗槐幼苗根系可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量對PEG-6000模擬干旱的響應(yīng)

可溶性糖是運(yùn)轉(zhuǎn)于植物器官或組織之間的碳水化合物,直接參與代謝過程并提供能量,為維持和調(diào)節(jié)胞內(nèi)滲透壓發(fā)揮作用,近年研究還發(fā)現(xiàn)可溶性糖類作為信號分子參與調(diào)控高等植物的生理代謝和生長發(fā)育。可溶性蛋白質(zhì)的主要組分則是參與細(xì)胞代謝的活躍酶類,因此可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)在一定程度上表征著細(xì)胞代謝水平,其含量的變化反映著植物組織、器官的代謝狀態(tài)以及對環(huán)境的響應(yīng)。

伴隨著PEG-6000模擬干旱脅迫濃度的逐漸加劇,紫穗槐幼苗根系中可溶性糖含量呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。在PEG-6000溶液濃度為200g/L時(shí),可溶性糖含量僅為0.121mg/g,達(dá)到最低點(diǎn),僅為對照組(1.02mg/g)的11.88%。當(dāng)PEG-6000溶液濃度進(jìn)一步增加到250g/L時(shí),紫穗槐幼苗根系中的可溶性糖含量則迅速回升到0.64mg/g,為對照組的63.37%(圖1)。說明低濃度模擬干旱脅迫致使紫穗槐根系的代謝活動減弱,隨著脅迫濃度的增加,植物根系中可溶性糖的含量增加,增加了細(xì)胞原生質(zhì)的濃度,進(jìn)而增強(qiáng)根系的抗脫水能力。

圖1 PEG-6000處理對紫穗槐幼苗根系可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量的影響Fig.1 Effect of PEG-6000 treatment on content of soluble sugar and protein in root of Amorpha fruticosa seedlings不同字母表示差異顯著(P<0.05)

與可溶性糖含量的變化規(guī)律有所不同,紫穗槐幼苗根系中的可溶性蛋白質(zhì)含量在低濃度PEG-6000溶液(50g/L)處理下即有明顯反應(yīng),下降到對照的61.5%,而后則是顯著上升,在PEG-6000溶液濃度為150g/L時(shí)甚至略微超越了對照水平(0.26mg/g),達(dá)到0.28mg/g。隨著PEG-6000溶液濃度的進(jìn)一步增加,可溶性蛋白含量則呈現(xiàn)波動性變化(圖1)。可溶性蛋白含量的波動變化,反映了紫穗槐根系細(xì)胞滲透勢的波動性變化,細(xì)胞滲透勢的增加有利于提高根系抵御逆境脅迫的能力。

2.2 紫穗槐幼苗根系丙二醛和脯氨酸含量對PEG-6000模擬干旱的響應(yīng)

丙二醛是膜脂過氧化的產(chǎn)物,反映膜系統(tǒng)受損害的程度,植物在環(huán)境脅迫下通常伴隨著丙二醛含量的增加。從圖2可以看出,在PEG-6000溶液濃度為100g/L至250g/L的處理中,紫穗槐幼苗根系的丙二醛含量均超過了對照植株的水平,而在250g/L處理下則達(dá)到了對照的1.6倍。丙二醛含量的增加表明PEG-6000模擬的干旱脅迫已經(jīng)對紫穗槐幼苗根系的膜系統(tǒng)造成了傷害,細(xì)胞的生理代謝將偏離正常水平。

圖2 PEG-6000處理對紫穗槐幼苗根系丙二醛和游離脯氨酸含量的影響Fig.2 Effect of PEG-6000 treatment on content of malondialdehyde and free proline in root of Amorpha fruticosa seedlings不同字母表示差異顯著(P<0.05)

在干旱、鹽堿等滲透脅迫下,一些植物會在細(xì)胞內(nèi)積累大量的游離脯氨酸參與滲透調(diào)節(jié),游離脯氨酸是重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。圖2的結(jié)果表明,在PEG-6000溶液濃度處于200g/L以下的處理中,紫穗槐幼苗根系中沒有出現(xiàn)游離脯氨酸的顯著積累,在PEG-6000溶液濃度達(dá)到200g/L時(shí)游離脯氨酸含量才略有增加,而在250g/L時(shí)則急劇增加,達(dá)到了對照的3.8倍。這意味著,在PEG-6000溶液濃度低于200g/L時(shí),紫穗槐幼苗根系中至少沒有啟動以游離脯氨酸為主的滲透調(diào)節(jié)過程,而在250g/L的PEG-6000模擬干旱脅迫濃度下,游離脯氨酸在紫穗槐幼苗根系的滲透調(diào)節(jié)中可能發(fā)揮著主要作用。

2.3 紫穗槐幼苗根系SOD和POD活性對PEG-6000模擬干旱的響應(yīng)

環(huán)境脅迫下植物細(xì)胞內(nèi)會產(chǎn)生超氧陰離子等活性氧類物質(zhì)造成氧化脅迫,嚴(yán)重影響細(xì)胞的生理代謝。植物體內(nèi)的抗氧化系統(tǒng)負(fù)責(zé)清除各種活性氧類物質(zhì)以維持細(xì)胞的代謝平衡,SOD和POD是酶促抗氧化系統(tǒng)的重要成員。從圖3可以看出,紫穗槐幼苗根系中SOD和POD活性對PEG-6000模擬干旱脅迫的響應(yīng)規(guī)律是類似的,均是對PEG-6000模擬干旱脅迫處理迅速響應(yīng)且活性增加,并在PEG-6000溶液濃度50至100g/L時(shí)達(dá)到峰值,而后活性下降,在PEG-6000溶液濃度200g/L時(shí)達(dá)到最小值,之后再上升。SOD活性的變化幅度較大,峰值和谷值相差6倍多,PEG-6000溶液濃度200g/L下的最低值顯著低于對照水平。POD活性的變化幅度相對小些,峰值和谷值相差不到1倍,PEG-6000溶液濃度200g/L時(shí)的最低值與對照組水平相當(dāng)。

2.4 紫穗槐幼苗根系解剖結(jié)構(gòu)對PEG-6000模擬干旱的響應(yīng)

解剖結(jié)構(gòu)觀察表明,60d的PEG-6000模擬干旱脅迫影響了紫穗槐幼苗根的發(fā)育(圖4)。總體上看,隨著PEG-6000模擬干旱脅迫程度的逐漸加劇,維管柱直徑逐漸增加,木質(zhì)部更加發(fā)達(dá)。從運(yùn)輸水分的導(dǎo)管來看,隨著PEG-6000模擬干旱脅迫的逐漸加劇,導(dǎo)管的管徑有逐漸變小的趨勢,而導(dǎo)管密度則呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。

圖3 PEG-6000處理對紫穗槐幼苗根系SOD和POD活性的影響Fig.3 Effect of PEG-6000 treatment on SOD and POD activity in root of Amorpha fruticosa seedlings 不同字母表示差異顯著(P<0.05)

圖4 PEG-6000處理下紫穗槐幼苗根的解剖結(jié)構(gòu)特征(×10,番紅-固綠對染色法)Fig.4 Root anatomical structure of Amorpha fruticosa seedlings under PEG-6000 treatment (×10, Safranine and fast green staining technique) Ep: 表皮; Pe: 周皮; Ph: 韌皮部; Ca: 形成層; Xy: 木質(zhì)部; Ve: 導(dǎo)管; Pi: 髓

表1的數(shù)據(jù)變化顯示,紫穗槐幼苗根系解剖結(jié)構(gòu)的變化趨勢與圖4表現(xiàn)基本一致。PEG-6000模擬干旱脅迫發(fā)生后,各濃度脅迫下的維管柱直徑變化與對照組差異顯著,當(dāng)PEG-6000溶液濃度達(dá)到250g/L時(shí),木質(zhì)部厚度比對照組增加了91.5%,導(dǎo)管密度比對照組增加了41.3%,這種根系的形態(tài)改變既有利于根系固土效用的發(fā)揮,更利于對水分的吸收。

3 討論與結(jié)論

丙二醛含量是反映植物膜系統(tǒng)受損狀況的重要指標(biāo),許多相關(guān)的研究工作都證實(shí)了這一點(diǎn)[13- 16]。從本文的測定結(jié)果看,當(dāng)PEG-6000溶液濃度超過50g/L以后,紫穗槐幼苗根的膜系統(tǒng)開始受到損傷,并在PEG-6000溶液濃度達(dá)到250g/L受損程度顯著增強(qiáng)(圖2),可溶性糖和可溶性蛋白質(zhì)含量及SOD、POD酶活性的變化均印證了膜系統(tǒng)受損所導(dǎo)致的胞內(nèi)生理代謝變化(圖1、圖3)。游離脯氨酸是植物細(xì)胞內(nèi)重要的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì),當(dāng)植物受到干旱、鹽堿等滲透脅迫時(shí),許多植物會在胞內(nèi)迅速積累大量的游離脯氨酸進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),防止細(xì)胞過度失水,盡量維持胞內(nèi)正常的生理代謝[17-20]。200g/L以內(nèi)濃度的PEG-6000處理強(qiáng)度下,紫穗槐幼苗根系內(nèi)未見游離脯氨酸的積累(圖2),這意味著盡管受到脅迫,但紫穗槐幼苗根系中至少沒有啟動以游離脯氨酸為主的滲透調(diào)節(jié)過程。當(dāng)PEG-6000溶液濃度達(dá)到200g/L時(shí),游離脯氨酸含量增加了數(shù)倍,滲透調(diào)節(jié)作用啟動。此時(shí)含量再度迅速增加的可溶性糖,很可能也成為了滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的一部分。

表1 PEG-6000處理對紫穗槐幼苗根系解剖結(jié)構(gòu)的影響

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=9),不同字母代表同一行數(shù)據(jù)之間差異顯著(P<0.05)

根是植物的吸水器官,也是水分脅迫發(fā)生時(shí)最先感應(yīng)到并做出相應(yīng)反應(yīng)措施的器官[21]。本文的試驗(yàn)結(jié)果表明,60d的PEG-6000模擬干旱脅迫已經(jīng)影響了紫穗槐幼苗根系的生長發(fā)育。根系解剖結(jié)構(gòu)是根系發(fā)育水平的直接體現(xiàn),與生理功能關(guān)系密切[22],其木質(zhì)化程度、輸導(dǎo)組織、表皮的附屬結(jié)構(gòu)等會影響植物抵抗逆境能力[23]。劉延吉等研究發(fā)現(xiàn),玉米(Zeamays)可通過根內(nèi)維管柱徑向加粗、木質(zhì)化程度加深,增加導(dǎo)管數(shù)量,以提高根的運(yùn)輸能力,適應(yīng)逆境脅迫[24]。隨著PEG-6000模擬干旱脅迫濃度的升高,紫穗槐幼苗根內(nèi)維管柱的直徑變大,導(dǎo)管管徑變小,但導(dǎo)管密度增加,這與趙祥等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[25]。研究表明PEG-6000模擬干旱脅迫處理下,紫穗槐幼苗根系的水分運(yùn)輸組織更加發(fā)達(dá),提高了根系的水分運(yùn)輸能力,保障干旱脅迫下向地上部分的有效供水。木質(zhì)部中的導(dǎo)管是植物體內(nèi)運(yùn)輸水分的重要組織,增加導(dǎo)管的數(shù)量和減小導(dǎo)管的直徑,可以提高水分的運(yùn)輸效率,從而緩解干旱環(huán)境對紫穗槐幼苗生長的影響,提高紫穗槐幼苗對干旱環(huán)境的適應(yīng)能力。

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