二倍體和四倍體西瓜幼苗根系形態差異比較

朱紅菊 趙勝杰 路緒強 何楠 劉文革

摘 ? ?要：多倍體植物由于染色體加倍，其形態特征與二倍體有明顯差異。以二倍體和其人工誘導的同源四倍體西瓜為材料，利用根系分析儀掃描和石蠟切片的方法比較7 d和3葉1心期不同倍性西瓜幼苗的根系形態差異。結果表明，在根系發育至7 d時，四倍體西瓜幼苗根系長度不及二倍體，但是平均直徑、投影面積、表面積和體積均大于其同源二倍體;在3葉1心期，四倍體西瓜幼苗的根系長度、平均直徑、投影面積、表面積和體積均顯著大于其同源二倍體;與二倍體西瓜相比，四倍體西瓜根部的后生木質部細胞較大，篩管和伴胞較多且大;四倍體西瓜幼苗根系鮮質量和干質量均大于其同源二倍體。因此，染色體加倍后，四倍體西瓜幼苗根系無論是細胞大小還是生物量均大于其同源二倍體，該結果可以為研究植物多倍體的形態變異和優勢機理提供一定的理論依據。

關鍵詞：西瓜;二倍體;同源四倍體;根系形態

中圖分類號：S651 文獻標志碼：A 文章編號：1673-2871（2020）11-018-04

Abstract： The morphological characteristics of polyploid plants are significantly different from that of diploid plants due to the genome duplication. Diploid and colchicine induced autotetraploid watermelon were used in this research， the seedlings at 7 days and three-leaf stage were used to investigate the root differnece， the root system was scanned by a root scanner， the cellular structure of the root was observed by paraffin section， and the biomass of the root was measured. The results showed that after cultured for 7 days the length of the tetraploid watermelon seedlings were shorter than that of diploid plants， but the average diameter， projection area， surface area and volume were larger than those of diploid ones. The length， average diameter， projection area， surface area and volume of the tetraploid watermelon seedlings were found a significant increase than those of diploid plants at three-leaf stage. Compared with diploid watermelon， the root of tetraploid watermelon showed larger metaxylem cells， more sieve tubes and cell partners. The fresh weight and dry weight of tetraploid watermelon seedlings were greater than their homologous diploid roots. The results can provide some theoretical basis for studying the morphological variation of plant polyploids.

Key words： Watermelon; Diploid; Autotetraploid; Root morphology

多倍化是高等植物基因組進化的顯著特征之一，植物多倍體在生物的進化中扮演了重要角色[1]。多倍體植物染色體加倍以后其外形特征與二倍體有明顯差別[2]，一般而言，同源多倍體植物植株高大、莖粗葉厚、葉面積增加、種子變大[3]。如同源四倍體蕎麥的外部形態特征與普通蕎麥比較，植株平均增高，莖稈變粗，葉片變厚增大，而且其保衛細胞長度和寬度分別增加50.9%和22.8%[4]。四倍體的水稻與其同源二倍體相比，株高、葉片長度、葉片寬度、花器官、種子等均增大[5]。擬南芥四倍體的體細胞、根細胞都較其原始二倍體增大[6]。四倍體西瓜的葉片大小、莖稈粗度、花器官大小都隨倍性的增加而增加[7]。

根系是植物水分和養分吸收、多種激素及氨基酸合成的重要器官[8]，是土壤養分的直接利用者和作物產量的重要貢獻者。植物的根系形態與植物的抗逆[9]和高產性[10]等有直接關系。抗旱型花生品種根系較發達，具有較大的根系生物量、總根長、總根系表面積，而鹽敏感型的花生則相反[9]。高產類型的水稻品種在根干質量、根體積、根系總吸收表面積等方面具有明顯優勢[10]。關于多倍體的根系，在南瓜、糜子、小麥等[11-13]作物上均發現了多倍體根系的生物量大于其二倍體，劉文革等[14]研究不同倍性西瓜發芽種子成苗過程中的耐鹽性發現，鹽脅迫下不同倍性西瓜之間的成苗率、下胚軸長、根長、側根數等指標有明顯差異。由于根土系統的非直觀性和根系研究方法的局限性，以往研究主要集中在生物量、酶活性、基因表達等方面，缺乏對多倍體根系形態的詳細描述。筆者利用二倍體及其同源四倍體西瓜為材料，研究不同倍性西瓜幼苗根系形態差異，為多倍體植物優勢機制研究提供一定的依據。

1 材料與方法

1.1 材料

二倍體西瓜材料為中國農業科學院鄭州果樹研究所多倍體西瓜育種課題組選育的高代自交系‘中育9號。‘中育9號四倍體西瓜是用‘中育9號二倍體在2006年通過0.2%秋水仙素誘導幼苗生長點加倍所得，誘變方法參考趙勝杰等[15]的并稍作改動，誘變成功的四倍體西瓜連續自交7代，得到穩定的四倍體西瓜材料。用該四倍體西瓜和其原始二倍體單系作為試驗材料。

1.2 方法

2017年9月，將二倍體和四倍體種子分別進行人工破殼，溫水浸泡2 h，恒溫箱32 ℃催芽24 h，將種子分為3份備用。將其中一部分發芽后的種子播種到種子萌發袋中，放入光照培養箱中培養，培養條件為白天溫度（32±1）℃，夜晚溫度（22±1）℃，光照時間14 h，黑暗時間為10 h，濕度75%～85%，每隔1 d澆灌1/2 Hoagland營養液1次，培養7 d后測定西瓜幼苗根系。

將另一部分發芽的種子播種到沙土中，待子葉展平后，移至水培條件下，水培營養液為1/2 Hoagland營養液，每周更換1次，增氧泵每30 min通氧1次，每次5 min。水培西瓜幼苗放置在智能溫室培養，營養液和培養條件同上述光照培養箱條件，培養至3葉1心期時測定西瓜幼苗根系。試驗在中國農業科學院鄭州果樹研究所智能溫室中進行。

1.3 測定指標和方法

1.3.1 根系形態測定 選取在種子萌發袋培養7 d和在水培條件下培養至3葉1心期西瓜幼苗根系作為測定材料，采用中晶i800 plus根系掃描儀對根系進行掃描，萬深LA-S系列植物根系分析系統對根系進行分析，測定指標包括根系總長度、根系表面積、根系投影面積、根體積、根系平均直徑，每組材料設置3次重復。

1.3.2 根系普通顯微結構觀察 選取3葉1心期的西瓜幼苗根系，將主根切成1 cm長的小段，馬上放入FAA固定液中，用于石蠟切片。石蠟切片的制作方法參照朱紅菊[16]的方法，用Lica電子顯微鏡對根系結構進行觀察、拍照。

1.3.3 根系生物量測定 采集3葉1心期西瓜幼苗根系，吸干根系表面水分，每10株為1個重復，設置3次重復。先用電子天平（CP214，美國奧豪斯）稱量根系鮮質量，之后將根置于電熱恒溫培養箱（78-1，湖北黃石醫療器械廠）在105 ℃下殺青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒量，用電子天平（CP214，美國奧豪斯）稱量根系干質量。

1.4 數據處理

試驗數據均由SPSS 20.0處理，采用多重比較法進行分析。

2 結果與分析

2.1 二倍體和四倍體西瓜幼苗根系形態參數比較

比較二倍體和四倍體西瓜幼苗根系形態發現，西瓜幼苗長至7 d時，四倍體西瓜幼苗根系長度不及二倍體，但是平均直徑、投影面積、表面積和體積均大于其同源二倍體（表1，圖1）。在長至3葉1心期時，四倍體西瓜幼苗的根系長度、平均直徑、投影面積、表面積和體積均大于其同源二倍體，且較其同源二倍體差異顯著。

2.2 二倍體和四倍體西瓜幼苗根系普通顯微結構比較

通過石蠟切片觀察，比較3葉1心期二倍體和四倍體西瓜幼苗根系的顯微結構，結果發現，二倍體和四倍體西瓜幼苗根系細胞在結構上沒有明顯差異，但在相同的放大倍數下，四倍體相對二倍體西瓜幼苗具有較大的細胞（圖2）。二倍體和四倍體西瓜根系細胞主要由維管束細胞組成，各維管束之間距離較大，呈放射狀排列，維管束由一系列的薄壁細胞和一部分厚壁組織組成。與二倍體西瓜相比，四倍體西瓜根系的后生木質部細胞較大，篩管和伴胞較多且大。

2.3 二倍體和四倍體西瓜幼苗根系生物量比較

比較每10株二倍體和四倍體西瓜幼苗3葉1心期時根系鮮質量和干質量發現，四倍體西瓜幼苗根系鮮質量和干質量均大于其同源二倍體，但是四倍體西瓜幼苗根系干鮮質量比小于其同源二倍體（表2）。這與前述四倍體西瓜幼苗根系長度、平均直徑、投影面積、表面積和體積均大于其同源二倍體的結果一致。

3 討論與結論

根系作為植物的三大營養器官之一，其形態變化可以直接影響根的生理功能，進而影響植物的生長發育、抗逆能力和產量形成。根系作用大小取決于根系生物量、生理特性及其空間分布。小麥的總根質量、根長密度和根體積均隨生育時期的推進呈先增后降的變化趨勢，這與小麥不同生育期所需要的水肥條件有很大關系[17]。玉米根系構型及時空分布對玉米吸收氮素影響很大，氮高效玉米品種發達且分布合理的根系保證了植株對氮素的吸收，有利于進行光合生產、獲得較高籽粒產量[18]。

四倍體西瓜種子、種胚較二倍體大[19]，這些可能是四倍體較二倍體根系粗壯的原因;四倍體西瓜具有發育遲緩的特點[20]，這就可以解釋為什么四倍體西瓜根系在發育初期較二倍體短。羊杏平等[21]分析播種后7 d、15 d和20 d的西瓜根系蛋白質的表達量，發現代謝相關、防御應答和GA信號途徑的蛋白在不同的發育時期表達量差異顯著，因此西瓜不同發育時期根系狀態可能與蛋白質的表達量有關。

一般認為，多倍體通過增加體細胞的大小來增加個體的大小。對不同倍性的擬南芥細胞結構進行分析，發現四倍體擬南芥葉片表皮細胞鋪板細胞和保衛細胞大小增加，數目減少，同時其細胞壁組分也發生了變化[22]。朱紅菊等[23]對不同倍性的西瓜葉片超微結構比較發現，多倍體西瓜相對于二倍體來說具有較多的葉綠體、線粒體，并且葉綠體較大，柵欄組織排列整齊，海綿組織松散。本試驗研究結果表明，四倍體西瓜幼苗根部的后生木質部細胞較大，篩管和伴胞較多且大。維管束在植物體內具有輸導水分、無機鹽和有機養料等的作用，張般般等[24]研究發現樹莓莖部的維管束結構與其耐旱能力直接相關，維管束數量越多、木質部導管數目越多、木栓層細胞壁越厚，樹莓的耐旱能力越強。何俊瑜等[25]研究水稻根系對鎘脅迫應答發現，在鎘脅迫下，鎘脅迫敏感的水稻品種根系總長、根表面積、根體積的受抑程度大于耐鎘脅迫的水稻品種。西瓜根系生長也受到各種環境條件的影響，如土壤、水分、鹽類、氧氣、土壤微生物等[26]，Zhu等[27]研究發現，四倍體西瓜幼苗因根系吸收離子能力較強而較其同源二倍體耐鹽，本試驗結果從根系形態結構的角度解釋了多倍體西瓜的耐鹽性機制。

本試驗是在水培條件下進行的，可以檢測到完好無損的二倍體和四倍體西瓜根系，因此準確性較高。同時，本研究還比較了不同發育時期的西瓜根系狀況，對研究西瓜抗逆性和西瓜根系生長發育具有一定的借鑒意義。

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