淹水脅迫對絲瓜和苦瓜幼苗形態及不定根解剖結構的影響

于　斌　朱　進*　周國林　彭玉全

（1長江大學園藝園林學院，湖北荊州 434025；2武漢市農業科學技術研究院蔬菜科學研究所，湖北武漢 430065）

近年來，我國強降雨次數增加，農作物的洪澇災害面積不斷增大（楊衛忠 等，2017），洪澇災害導致土壤處于缺氧狀態（Sairam et al.，2008）。研究表明，缺氧會造成植物乙醇等有害物質積累，礦物質吸收受到阻礙，代謝紊亂等（Geigenberger，2003；Kaelke & Dawson，2003；Visser et al.，2003），最終嚴重影響植物的生長發育。不定根的形成是植物適應淹水環境的一個重要改變（Lin et al.，2004），不定根內發達的通氣組織是植物具有耐淹水能力的重要指標之一，通氣組織不僅為缺氧狀態下的根呼吸提供輸送氧氣的通道，而且可以把植物根系組織中積累的乙醇、二氧化碳、甲烷等揮發性化合物從根部向上運輸（Vartapetian & Jackson，1997）。如水芹不定根內有發達的裂生型輪輻狀通氣組織（張霞 等，2016）；白茅不定根皮層細胞溶解形成了發達的溶生型通氣組織（楊朝東 等，2015a）等。除通氣組織外，不定根質外體屏障結構也可以保護植物各種生理代謝過程在穩定的環境中進行（吳小琴 等，2002；楊朝東 等，2013）。研究表明，天胡荽（楊朝東 等，2015b）、狗牙根和雙穗雀稗（張霞 等，2013）的不定根均有具凱氏帶且栓質化的內皮層、栓質化的外皮層等。這些屏障結構能有效阻礙進入中柱的氧氣、離子、水等回流到皮層，有效阻礙通氣組織內的氧氣向根外擴散，為生命活動提供更多的氧氣和離子（吳小琴 等，2002；楊朝東 等，2013）。因此，通氣組織和屏障結構是耐淹水植物適應淹水環境的兩個重要的原因。

絲瓜（Luffa cylindricaRoem.）和苦瓜（Momordica charantiaL.）同屬葫蘆科（Cucurbitaceae），營養豐富、藥用價值高，隨著近年來人們保健意識的增強，絲瓜和苦瓜的需求量逐年增多，因此栽培面積逐漸增大（Leehuang et al.，1995；Grover & Yadav，2004；Manikandaselvi et al.，2016），有關耐澇性的研究也越來越受到重視。前人研究表明，絲瓜幼苗經過淹水脅迫后根系總表面積、總長度等顯著提高，且MDA含量差異不顯著，說明絲瓜比較耐澇（朱進，2014）。但苦瓜幼苗經淹水脅迫后，株高、葉片數顯著降低，MDA含量顯著升高，其耐淹水能力有限（朱進和趙莉莉，2016）。本試驗在前人研究的基礎上，采用組織化學染色技術，利用普通光學顯微鏡及熒光顯微鏡技術對絲瓜和苦瓜不定根的通氣組織和屏障結構的特征進行研究，旨在明確絲瓜、苦瓜幼苗適應和忍耐淹水環境的解剖結構基礎，為今后以絲瓜為砧木嫁接苦瓜提高苦瓜的耐淹水能力提供理論依據。

1　材料與方法

1.1　試驗材料

供試絲瓜品種為荊州本地絲瓜，苦瓜品種為香帥5號，均由福州金盛新種子有限公司生產。

1.2　試驗方法

試驗于2016年4月在長江大學玻璃溫室和園藝植物生理實驗室進行，采用雙因素完全隨機設計，因素一為絲瓜、苦瓜2種瓜類蔬菜，2個水平；因素二為淹水和不淹水2個水平；共4個處理，每處理50株幼苗，3次重復。

將絲瓜、苦瓜種子曬種，并用溫水浸種12 h，置于30～33 ℃的恒溫箱中催芽，待種子發芽后進行穴盤育苗。選取大小均一的二葉一心幼苗移至直徑為20 cm、高15 cm的培養盆中進行容器育苗，直至幼苗大部分長至四葉一心時進行淹水處理（水面與子葉齊平）。在淹水0、4、8、12、16 d后，每處理隨機取10株幼苗測定各項形態指標，并取完整不定根用75%酒精固定進行切片試驗。

1.3　項目測定

1.3.1形態指標的測定采樣前，用卷尺測量植株的株高，用游標卡尺測量子葉以下1 cm處莖粗（淹水部位）。采樣后，用電子天平測定植株鮮質量。

1.3.2解剖結構的觀察切片制作使用徒手切片法：在可調節放大倍數的解剖鏡下，用雙面刀片在距根尖20、40、60 mm處分別切片。采用甲苯胺藍（TBO）（胡露潔 等，2016）、蘇丹7B（Brundrett et al.，1991）及硫氫酸黃連素-苯胺蘭對染（Brundrett et al.，1988）3種染色方法處理切片。

通氣組織的觀察使用甲苯胺藍（TBO）染色法：切片浸沒于0.05% TBO溶液中，染色2～3 min后，用蒸餾水清洗，蓋上蓋玻片，在萊卡光學顯微鏡（Leica DME）下觀察，用數碼相機（Nikon E5400，Japan）拍照記錄。

栓質化的觀察使用蘇丹7B染色法：切片浸沒于0.1%（m/V）蘇丹7B溶液1 h或過夜。切片用蒸餾水洗幾次，用吸水紙吸凈，滴加1滴蒸餾水，蓋上蓋玻片，在萊卡光學顯微鏡下觀察，用數碼相機拍照記錄。

凱氏帶的觀察使用硫氫酸黃連素-苯胺蘭對染法：切片浸沒于0.1%（m/V）硫氫酸黃連素溶液1 h后，用蒸餾水洗凈，滴加0.5%（m/V）苯胺蘭溶液0.5 h后，用蒸餾水洗凈，滴加1滴蒸餾水，蓋上蓋玻片，在熒光顯微鏡（Olympus Ⅸ71）藍色激發光下觀察并拍照記錄。

1.4　數據及圖片處理

試驗數據采用SAS 9.1軟件進行分析；圖片采用Photoshop 6.0軟件進行處理。

2　結果與分析

2.1　淹水脅迫對絲瓜和苦瓜幼苗生長指標的影響

從表1可以看出，絲瓜幼苗淹水脅迫12 d內，株高、葉片數及鮮質量與對照差異不顯著，淹水脅迫16 d后上述指標才顯著低于對照，其中株高下降了30.89%，葉片數下降了19.23%，鮮質量下降了20.73%。而苦瓜幼苗淹水脅迫下株高、葉片數及鮮質量均顯著低于對照，淹水脅迫4、8、12、16 d后株高分別比對照降低10.90%、30.94%、46.97%、54.77%，葉片數分別降低13.95%、13.33%、17.39%、43.02%，鮮質量分別下降了19.47%、47.66%、49.14%、71.95%。在同一時期，苦瓜幼苗株高、葉片數及鮮質量的下降率均高于絲瓜幼苗，說明淹水脅迫對苦瓜幼苗株高、葉片數及鮮質量的抑制程度明顯高于絲瓜。

淹水脅迫8、12、16 d后，絲瓜幼苗淹水部位莖粗顯著高于對照，分別增長了48.00%、37.58%、54.88%，而淹水脅迫下苦瓜幼苗淹水部位莖粗與對照差異不顯著。說明淹水脅迫使絲瓜幼苗淹水部位莖部變粗，但對苦瓜幼苗無明顯影響。

2.2　淹水脅迫對絲瓜和苦瓜幼苗不定根解剖結構及屏障結構的影響

圖1為距根尖20 mm處（不定根幼嫩部位）顯微結構。淹水脅迫16 d后，絲瓜幼苗不定根皮層細胞連接松散，存在大量裂生型氣腔，部分皮層細胞拉伸變長，產生大面積氣腔（圖1-A），但絲瓜對照皮層細胞未出現拉伸變長現象（圖1-D）；苦瓜幼苗淹水脅迫16 d與對照不定根皮層細胞連接均緊實，僅有少量細胞間隙存在（圖1-G、J）。與對照相比，淹水絲瓜幼苗不定根內皮層出現凱氏帶（圖1-B）且栓質化（圖1-C），而絲瓜對照內皮層不具凱氏帶（圖1-E），也未栓質化（圖1-F）。苦瓜幼苗淹水16 d后，不定根內皮層未出現凱氏帶（圖1-H），也未栓質化（圖1-I），與對照相同（圖1-K，L）。

圖2為苦瓜幼苗距根尖40 mm處不定根顯微結構。淹水苦瓜幼苗皮層與距根尖20 mm處無明顯變化（圖2-A），與對照相同（圖2-D）。與20 mm處相比，淹水苦瓜不定根內皮層具微弱凱氏帶（圖2-B），且輕微栓質化（圖2-C）；而對照內皮層不具凱氏帶（圖2-E），也未栓質化（圖2-F）。說明淹水苦瓜幼苗不定根在距根尖40 mm處才出現類似絲瓜幼苗距根尖20 mm處的內外側屏障結構。

圖3為距根尖60 mm處（不定根成熟部位）顯微結構，與對照相比，淹水絲瓜幼苗不定根表皮出現多處裂口，外皮層3～4層細胞全部向外拉伸變長形成發達的通氣組織（圖3-A），但對照未出現皮層細胞拉伸變長現象（圖3-D）；淹水苦瓜幼苗不定根仍未出現發達的通氣組織（圖3-G），與對照相同（圖3-J）。與對照相比，淹水絲瓜與苦瓜幼苗不定根內皮層均具明顯凱氏帶（圖3-B，H）且栓質化（圖3-C，I），而對照僅具微弱凱氏帶（圖3-E，K）且輕微栓質化（圖3-F，L）。說明淹水脅迫下絲瓜與苦瓜幼苗不定根成熟部位內側屏障結構均為內皮層具凱氏帶且栓質化；區別在于絲瓜不定根成熟部位皮層有發達的通氣組織，但苦瓜沒有。

表1　淹水脅迫對絲瓜和苦瓜幼苗生長指標的影響

圖1　絲瓜與苦瓜幼苗距根尖20 mm處不定根顯微結構（標尺= 50 μm）

圖2　苦瓜幼苗距根尖40 mm處不定根顯微結構（標尺= 50 μm）

圖3　絲瓜與苦瓜幼苗距根尖60 mm處不定根顯微結構（標尺= 50 μm）

3　結論與討論

3.1　淹水脅迫對絲瓜與苦瓜幼苗形態的影響

許多植物淹水后生長受到抑制，耐淹水植物受到的生長抑制較小或不明顯（Thomas et al.，2005；Ahsan et al.，2007；Linet al.，2013；Yin & Komatsu，2015）。本試驗中，絲瓜幼苗淹水脅迫12 d內株高、葉片數及鮮質量與對照差異不顯著，淹水脅迫16 d才顯著低于對照，但苦瓜幼苗淹水脅迫4 d后株高、葉片數及鮮質量均顯著低于對照，且隨淹水時間的延長抑制程度逐漸加重，這與前人的研究結果一致（朱進，2014；朱進和趙莉莉，2016），說明絲瓜比苦瓜耐淹，淹水后絲瓜形成的不定根比苦瓜粗而密集。絲瓜幼苗淹水脅迫8 d后莖粗顯著高于對照，但苦瓜幼苗莖粗則與對照無顯著性差異，可能是由于絲瓜幼苗淹水后莖部形成通氣組織所致。

3.2　淹水脅迫對絲瓜與苦瓜幼苗不定根解剖結構的影響

不定根形成發達的通氣組織是耐淹植物適應淹水環境的重要原因之一（Vartapetian & Jackson，1997；潘瀾 等，2011）。據報道，絲瓜幼苗淹水后不定根皮層細胞拉伸變長，產生發達的通氣組織（Shimamura et al.，2007），本試驗中，淹水后絲瓜不定根中既出現裂生性氣腔，又出現皮層細胞拉伸變長產生的氣腔，并從根尖到基部方向細胞拉伸程度越來越大，且由此產生的氣腔逐漸占主導地位。這些氣腔形成絲瓜幼苗根系有氧呼吸的重要結構，既可以運輸氧氣，滿足絲瓜幼苗根系生理活動對氧氣的需求，還可以把根系組織中積累的乙醇、二氧化碳、甲烷等揮發性化合物從根部向上運輸（Vartapetian & Jackson，1997）。本試驗還發現，絲瓜幼苗不定根漂浮于水面，且表皮有大量裂口，這些裂口形成通氣組織與外界空氣進行氣體交換的快捷通道，進一步方便了絲瓜幼苗根系的氧氣獲取及有害氣體的排放。而苦瓜幼苗不定根最終未能形成發達的通氣組織，不具備較強的氧氣獲取及有害氣體釋放能力，因此絲瓜幼苗不定根內發達的通氣組織是絲瓜幼苗比苦瓜幼苗耐淹的主要原因之一。

3.3　淹水脅迫對絲瓜與苦瓜幼苗不定根屏障結構的影響

除通氣組織外，不定根質外體屏障結構也具有保護植物生理功能的作用，保證植物內部各種生理代謝過程在穩定的環境中進行（Armstrong et al.，2000；Soukup et al.，2007）。本試驗中：與對照相比，淹水后絲瓜與苦瓜幼苗不定根內的屏障結構均提前出現。這些屏障結構能有效阻礙進入中柱的氧氣、離子、水等回流到皮層，為生命活動提供更多的氧氣和離子（吳小琴 等，2002；楊朝東 等，2013）。不同之處在于，絲瓜不定根在距根尖20 mm處就出現了具有明顯凱氏帶和栓質化的內皮層，而苦瓜在距根尖40 mm處才出現具有微弱凱氏帶和栓質化的內皮層。絲瓜幼苗不定根在距根尖20～40 mm處擁有明顯的內側屏障結構，可以保證絲瓜不定根幼嫩部位（距根尖20～40 mm處）中柱內的氧氣、離子等不擴散出去，而苦瓜不定根同部位不具備此結構。說明絲瓜不定根距根尖20～40 mm處的內側屏障結構是絲瓜比苦瓜耐淹的主要原因之一。

3.4　小結

淹水脅迫下絲瓜與苦瓜幼苗的株高、葉片數、鮮質量等形態指標說明了絲瓜幼苗比苦瓜幼苗耐淹水的能力強。絲瓜幼苗不定根內發達的通氣組織與距根尖20～40 mm處屏障結構是絲瓜比苦瓜耐淹的兩個主要原因。

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