水分脅迫下氮形態對水稻根系孔隙度及水分吸收的影響

楊秀霞，燕 輝，周春火，郭世偉

(1.江西農業大學國土資源與環境學院，江西 南昌 330045；2.南京農業大學資源與環境科學學院，江蘇 南京 210095)

水稻作為農業中的耗水大戶，每年灌溉用水量約占農業用水量的70%[1]，而其中大量的灌溉水在地表蒸發或者滲漏流失，水資源浪費現象十分嚴重。隨著我國水資源的日益緊缺，開展水稻抗旱生理研究受到越來越多的重視[2-3]。通過對水稻水分代謝的研究，證明除了生態用水浪費嚴重外，水稻的生理用水水分利用效率也十分低下。究其原因，主要是由于水稻葉片氣孔開放程度很高[4]，根系及木質部的水流導度又很低造成的[5]。

根系最主要的功能是為地上部的生長提供養分和水分[6]。在大氣-植物-土壤連續體中，根系也是水流的最大阻力所在，水分從根系表面到根系木質部的流速可以通過根系的水流導度和水勢梯度來估算[7]。根系形態和解剖結構與根系對水分和養分的吸收關系非常密切，除了被認為是根系水流阻力主要來源的凱氏帶外，根系內皮層的細胞數量、內皮層或外皮層中的木栓層、根直徑、皮層寬度和通氣組織都可引起根系水流導度的變化[8-9]。

在通氣良好的培養溶液中，當溶液中缺氮或磷營養時，在水稻不定根中能觀察到發達的通氣組織[10-11]。研究表明根系皮層中通氣組織的發育有利于增強玉米的抗旱性，主要是由于通氣組織的形成降低了根系呼吸消耗。通氣組織一般認為是根系水分吸收與運輸的主要障礙，其發育程度與植物水分密切相關。前期研究表明，在水分脅迫條件下，供應銨態氮營養可以增強水稻的抗旱性和保持其較高的水分吸收能力[12-15]。而水分脅迫條件下，供銨態氮水稻根系所具有的較高水分吸收能力是否也與根系通氣組織的增加有關仍不清楚。

為此，本試驗采用室內營養液培養及PEG6000模擬水分脅迫的方法進一步研究不同氮素形態和水分條件對水稻根系孔隙度(通氣組織)的影響，以及與根系水流導度和傷流液的關系，試圖探明在不同氮素形態和水分條件下，造成不同基因型水稻根系水分吸收能力差異的原因。

1 材料與方法

1.1 材料與試驗設計

1.2 測定項目

1.2.1 傷流液的收集 從19∶00開始到次日7∶00結束，距根部2 cm處剪去地上部，用套有保鮮膜的脫脂棉包裹莖基部準確收集傷流液12 h。傷流液流量通過差減稱量法計算[17]。

1.2.2 根系孔隙度測定 為定量檢測水稻根系通氣組織在水分脅迫條件下的發育程度，每個處理選取5株水稻，分別對不同處理水稻根系孔隙度進行測定。基本原理是比較浸入蒸餾水中的水稻根系組織在抽真空前后的重量差異，若根組織內有孔隙，則在抽真空過程中孔隙中的空氣將逐漸被水所代替，最后導致抽真空后根系組織重量產生差異，差異的大小即反映孔隙度的高低[18-19]。

每個處理組隨機選取3株水稻，洗凈、擦干、稱量根系樣品的鮮重(Wr)。將抽真空12 h的蒸餾水注入50 ml的比重瓶，室溫下稱量水加比重瓶的重量(Wwb)，將稱重后的根系樣品置于注水的比重瓶中，稱重(Wwbr)后將其放入真空干燥箱中抽真空至無氣泡產生，最后將抽真空的根樣轉回到盛滿水的比重瓶中稱重(Wwbra)。孔隙度按以下公式計算：

孔隙度%=[(Wwbra-Wwbr)/(Wwb+Wr-Wwbr)]×100

1.2.3 根系水分吸收速率測定 10% PEG模擬水分脅迫處理結束后，通過稱重差減法測定2 h內(9∶00-11∶00)水稻水分吸收量，結束后稱量根系鮮重。同時在另一批對應處理的營養液中加入預先配好的HgCl2溶液(HgCl2是水通道蛋白的專一性抑制劑，向營養液中加入0.1 mmol·L-1HgCl2能夠抑制水通道蛋白的活性[20])，使營養液中HgCl2終濃度為0.1 mM，通過稱重差減法測定2 h內水稻幼苗的水分吸收速率。

1.3 數據處理

所有數據運用JMP10.0(SAS Institute, Cary, NC, USA, 2011)和Microsoft Excel 2010進行統計分析，采用LSD方法進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 氮素形態及水分條件對根系傷流液流速的影響

根系傷流液流速能夠反映根系活性的大小，同時也能夠反映根系吸水能力的強弱。由圖1可以看出，在正常水分條件下，不同氮素形態對水稻根系傷流強度的影響存在品種間差異。就秈稻品種(汕優63、揚稻6號)而言，在正常水分條件下銨態氮(A)和硝態氮(N)處理間根系傷流均沒有顯著差異；但粳稻品種86優8、武運粳7號在供硝態氮處理下根系傷流液流速分別較供銨態氮處理顯著提高60%和52%。水分脅迫條件下，汕優63、揚稻6號、86優8、武運粳7號在硝態氮加10%PEG6000處理(NP)后傷流液流速分別比正常水分條件下降低64%、76%、60%、70%，均達到顯著性差異。除86優8外，不同基因型水稻供銨態氮加10%PEG6000處理(AP)后傷流液流速也表現為降低的趨勢，與正常水分條件相比沒有顯著差異，但顯著高于NP處理(除武運粳7號外)。說明水分脅迫條件下供銨態氮營養有利于維持水稻較高的根系活力和水分吸收能力。

2.2 氮素形態及水分脅迫對水稻根系孔隙度的影響

從圖2可以看出，在正常水分條件下，供銨態氮處理水稻根系孔隙度均顯著高于供硝態氮處理(除揚稻6號外)；在水分脅迫條件下，供銨態氮處理水稻的根系孔隙度沒有顯著增加(除汕優63外)，而供硝態氮處理水稻根系孔隙度均顯著增加，即水分脅迫顯著刺激了硝態氮營養條件下根系通氣組織的形成。

注：A、N、AP、NP分別表示供銨態氮處理、供硝態氮處理、供銨態氮加10%PEG6000處理、供硝態氮加10%PEG6000處理。下同。Note: A, N, AP and NP mean the treatments with with 10% of PEG6000,with 10% PEG6000, respectively. The same below.圖1不同氮素形態和水分條件對不同水稻品種根系傷流液流速的影響Fig.1 Root xylem sap flow rate per unit fresh weight of different rice cultivars under different forms of N fertilizers and water stress

圖2 不同氮素形態和水分脅迫下不同水稻品種的根系孔隙度Fig.2 Root porosity of different rice cultivars under different forms of N fertilizers and water stress

從圖3可以看出，供銨態氮條件下，水稻單位根系鮮重的傷流液流速并未隨著根系孔隙度的增加發生顯著變化，二者之間沒有相關性(P>0.05)。在供硝態氮條件下，水分脅迫導致根系傷流液流速下降，水稻單位根系鮮重的傷流液流速與根系孔隙度之間呈顯著的線性負相關關系(P<0.01)。

2.3 氮素形態及水分脅迫對水稻根系水分吸收的影響

在正常水分條件下，供銨態氮和硝態氮營養水稻之間單位根系吸水量無顯著差異(除汕優63外)；模擬水分脅迫處理后，供銨態氮和硝態氮營養水稻根系水分吸收顯著下降，但不同供氮形態下降幅度不同(表1)。在供銨態氮營養條件下，汕優63、揚稻6號、86優8和武運粳7號根系水分吸收分別下降30%、23%、22%和26%，供硝態氮營養條件下則分別下降40%、44%、35%和40%。因此，水分脅迫條件下，供銨態氮營養可有效緩解水稻根系水分吸收能力的下降。

向營養液添加0.1 mmol·L-1HgCl2后，不同供氮形態和水分處理條件下水稻單位時間內單位根系水分吸收量均呈下降的趨勢(表1)。通過計算添加HgCl2后水稻根系水分吸收下降百分率可推測不同處理條件下水稻根系通過水通道蛋白跨膜運輸途徑吸收水分的比例[20]。從表1可以看出，在正常水分條件下添加HgCl2處理后，供銨態氮和硝態氮營養水稻根系水分吸收下降比例平均分別為67%和58%；在水分脅迫條件下添加HgCl2處理后，供銨態氮營養水稻根系水分吸收下降比例變化較小(平均為69%)，而供硝態氮營養水稻根系水分吸收下降比例顯著降低(除揚稻6號外，平均為28%)。據此可推測，水分脅迫條件下，供銨態氮營養可能有助于維持水稻根系較高的水通道蛋白活性。

圖3 水稻單位鮮重根系傷流液流速和根系孔隙度之間的關系Fig.3 Relationship between root porosity and root xylem sap flow rate per unit fresh weight of rice

表1 不同氮素形態和水分條件對水稻根系水分吸收的影響/(g·g-1·h-1)

注：表中數字為平均值±SD，同列中不同字母表示LSD檢驗5%水平差異顯著。

Notes: The number in the table is mean±SD. Different lowercase letters in the same column indicate significant difference atP<5% level byLSDtest.

3 討 論

水分脅迫條件下，供應銨態氮營養的水稻具有較高的生物量、光合速率、水分利用率和水分吸收效率[13-15]。因此，供銨態氮可以改善水稻苗期水分吸收和利用能力，增強水稻的抗旱性[12]。然而，不同氮素形態及水分條件影響水稻水分吸收和運輸的機理還有待進一步研究。在本試驗中，我們主要揭示了不同氮素形態及水分條件對水稻根系通氣組織發育和木質部傷流液流速的影響。

3.1 水分脅迫下供銨態氮水稻具有較強的水分吸收能力

根系的水分吸收能力與根系木質部傷流液流速密切相關[21]。本試驗結果表明，與正常水分條件相比，水分脅迫條件下供硝態氮處理水稻根系傷流液流速顯著下降，而供銨態氮處理水稻無顯著差異。根系的水分吸收受根系自身物理和生理特性的調節[22]。由根系的復合運輸模型可知，水分主要通過以下3種途徑進入根系導管，即質外體途徑、共質體途徑和跨細胞途徑，其中后2種途徑又統稱為細胞-細胞途徑。根系細胞質膜上水通道蛋白的活性主要影響徑向水流運輸的細胞-細胞途徑[23-25]。很多研究表明，水通道蛋白在植物和水分的關系中起著非常重要的作用[26-29]。

汞作為水通道蛋白的專一性抑制劑，經汞處理后根系水分吸收會下降[30]。本試驗條件下，與未加汞對照相比，無論是在正常水分條件還是在脅迫水分條件下，供銨、硝態氮營養的水稻根系水分吸收均有所下降，且供應銨營養水稻的水分吸收量低于硝營養水稻。由此可以推測在水分脅迫條件下，銨營養水稻根系的水分可能主要通過對汞較敏感的水通道蛋白(細胞-細胞途徑)進行運輸，硝營養水稻則主要以質外體途徑為主。

3.2 水分脅迫和氮形態對水稻通氣組織的影響

通氣組織由植物根或莖皮層內充滿空氣的腔組成，主要形成于濕生植物和一些處于脅迫條件下的旱生植物的根系和莖稈中。植物感受環境脅迫信號后，傳遞原初信號進而誘導乙烯的合成，通過乙烯濃度變化引起級聯反應，誘導細胞死亡而形成通氣組織[31]。曹宛虹等[32]研究證明，水分脅迫可以誘導水稻中一種乙烯受體基因OSPK2的表達。水分脅迫后，銨態氮和硝態氮通氣組織的發育程度快慢可能也是由于乙烯促進通氣組織形成在氮素形態上所表現的不同所造成的。

通氣組織的形成與根系生長所處的環境條件存在密切關系。除了缺氧逆境脅迫外，其他環境脅迫如養分脅迫、機械障礙甚至干旱均可誘導植物通氣組織的形成[33-36]。本研究表明，在正常水分條件下，供銨態氮處理不同基因型水稻根系孔隙度均高于供硝態氮處理，而在水分脅迫條件下，供銨態氮處理水稻的根系孔隙度變化不大，供硝態氮處理水稻的根系孔隙度顯著增加，根系孔隙度較正常水分條件增加1～2倍。

根系的形態和結構是影響根系水流導度的重要因子[5]。本研究結果表明，硝態氮營養條件下水稻根系木質部汁液流速和根系孔隙度呈顯著的負相關關系，而銨態氮營養條件下無相關性(圖3)。這表明水稻根系通氣組織的發育并未抑制銨營養條件下根系水分吸收和運輸，而顯著抑制了硝營養下的水稻。究其原因可能與2種供氮形態下水稻水分運輸途徑發生變化有關。銨營養下水稻根系水分徑向運輸可能主要通過對Hg反應敏感的水通道蛋白進行，通氣組織的形成對其水分運輸不造成影響，而硝營養下水稻水分運輸則可能主要通過質外體途徑進行。不同氮素形態和水分脅迫條件下根系形成通氣組織的機理還不清楚，有待于進一步研究。

4 結 論

水分脅迫條件下，供銨態氮營養可有效緩解水稻根系水分吸收能力的下降，其中汕優63、揚稻6號、86優8和武運粳7號根系水分吸收分別下降30%、23%、22%和26%，供硝態氮營養條件下則分別下降40%、44%、35%和40%。在正常水分條件下，供銨態氮處理水稻根系孔隙度均顯著高于供硝態氮處理(除揚稻6號外)；在水分脅迫條件下，供銨態氮處理水稻的根系孔隙度沒有顯著增加(除汕優63外)，而供硝態氮處理水稻根系孔隙度均顯著增加，因此水分脅迫顯著刺激了硝態氮營養條件下根系通氣組織的形成。在供硝態氮條件下，水分脅迫導致根系傷流液流速下降，水稻單位根系鮮重的傷流液流速與根系孔隙度之間呈顯著的線性負相關關系(P<0.01)。