外源激素處理對三峽消落帶落羽杉扦插生根的影響

陳春樺, 陳雪梅, 楊治華, 袁中勛, 李昌曉,*

1 西南大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育重點實驗室,重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點實驗室, 重慶 400715 2 西南山地生態(tài)循環(huán)農(nóng)業(yè)國家級培育基地, 重慶 400715

三峽水庫建成并運(yùn)行后,由于冬蓄夏排的水位調(diào)度方式,形成了水位落差30 m、面積近400 km2的消落帶[1]。三峽庫區(qū)消落帶垂直落差大、淹水時間長、季節(jié)性水淹等特點,使得庫區(qū)植被遭到破壞,土壤侵蝕強(qiáng)烈,生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重干擾[2- 3]。植被作為消落帶生態(tài)服務(wù)功能的提供主體,具有增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性、凈化水質(zhì)、維持和增強(qiáng)消落帶生物生產(chǎn)力和生物多樣性等諸多功能[4]。因此,如何重建消落帶植被已成為研究關(guān)注的熱點問題。目前,已成功篩選出了一些具有較強(qiáng)耐淹性的喬木樹種,如落羽杉(Taxodiumdistichum)[5]、池杉(Taxodiumascendens)[6]、柳樹(Salixbabylonica)[7]、楓楊(Pterocaryastenoptera)[8]等。落羽杉生長迅速,具有較強(qiáng)的耐淹性和耐旱性,在歷經(jīng)多年反復(fù)水淹后仍表現(xiàn)出較好的生長適應(yīng)性,被列為三峽庫區(qū)消落帶人工植被重建的優(yōu)良物種。落羽杉為杉科落羽杉屬(TaxodiumRich.)落葉喬木,原產(chǎn)于北美東南部,現(xiàn)已廣泛引種到世界各地,我國江蘇、浙江、安徽、湖北、江西、福建、四川、河南、山東和陜西等省均有大面積人工林[9]。目前,用于三峽庫區(qū)消落帶植被修復(fù)與重建的落羽杉主要是從外地調(diào)運(yùn)的實生苗,使得栽種成本增加,且調(diào)運(yùn)的苗木病蟲害偏多,不一定適應(yīng)當(dāng)?shù)氐奈h(huán)境和小氣候。因此,落羽杉適應(yīng)性繁殖技術(shù)的研究對三峽庫區(qū)消落帶植被的修復(fù)與重建具有重要意義。

落羽杉不同種源和個體對多種脅迫的耐受力存在差異,因此選擇高抗性個體進(jìn)行造林是十分必要和可行的[10]。落羽杉種子具有休眠現(xiàn)象,自然條件下發(fā)芽率很低[11- 12],而扦插繁殖作為無性繁殖的一種方式,與播種繁殖相比,能夠很好地保留母體優(yōu)良性狀,此外還具有繁殖速度快、成本低、取材方便、操作方法簡單等優(yōu)點[13- 14]。截至2018年,忠縣汝溪河消落帶植被修復(fù)示范基地的落羽杉林經(jīng)歷了6 a的反復(fù)水淹,仍表現(xiàn)出良好的生長特性[15]。因此,有必要以該落羽杉林為插穗來源,對其進(jìn)行扦插繁殖技術(shù)的研究。目前,國內(nèi)外對落羽杉扦插繁殖技術(shù)的研究主要集中在外源激素的選擇、基質(zhì)、插穗的質(zhì)量和外源激素的使用方法等方面,研究多以1—2 a生實生苗枝條為扦插材料,插穗經(jīng)激素處理后的生根效果顯著提高[16-21]。吳落軍[19]系統(tǒng)地探究了不同外源激素種類、外源激素濃度及處理時間對落羽杉1 a生實生苗萌生條扦插的影響,結(jié)果表明,這三種因素均對插穗生根效果產(chǎn)生顯著影響,但濃度和處理時間的設(shè)置上仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。目前,對于落羽杉大齡母樹枝條的扦插技術(shù)還缺乏系統(tǒng)研究,因此,本研究將在上述已有研究的基礎(chǔ)上,采用擬水平正交試驗設(shè)計,探究不同外源激素種類、激素濃度及處理時間對三峽庫區(qū)消落帶原位生長的9 a生落羽杉扦插生根的影響,并采用隸屬函數(shù)法,對各生根指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。本研究旨在篩選出最佳激素、濃度與時間的處理組合,以期提高消落帶落羽杉的扦插繁殖技術(shù),培育大量優(yōu)質(zhì)的落羽杉幼苗以滿足三峽庫區(qū)消落帶植被修復(fù)重建的需要。

1 材料與方法

1.1 插床的準(zhǔn)備

插床位于西南大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室實驗基地的簡易大棚內(nèi)。扦插基質(zhì)為草炭+珍珠巖+紫色土(3∶3∶1),基質(zhì)厚度為20 cm。扦插前7 d用5%的多菌靈對土壤進(jìn)行消毒,并用塑料薄膜覆蓋,扦插前一天揭開備用。

1.2 插穗的采集與制備

2018年9月下旬在重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)共和村汝溪河流域的三峽消落帶植被恢復(fù)試驗示范基地,以165—175 m海拔之間的9 a生落羽杉實生苗為采穗母樹,選擇樹體中上部生長健壯、無病蟲害、無機(jī)械損傷的半木質(zhì)化枝條制備插穗。枝條在陰天采集,及時噴水保濕,并送回實驗室制備插穗。穗長10—12 cm,保留3—4個葉片,上端口于著生羽狀葉或脫落性小枝上方0.5—1.0 cm處平截,下端口于著生羽狀葉或側(cè)枝下方0.5 cm處單面斜切,并剪除插穗下部的葉片或側(cè)枝。將來自不同海拔的插穗按比例混合均勻,30株一捆。

1.3 試驗設(shè)計

試驗于2018年9月下旬進(jìn)行。采用L25(56)正交表進(jìn)行擬水平法的正交試驗設(shè)計,以清水浸泡處理作為對照,探討外源激素種類、激素濃度和處理時間對落羽杉扦插生根的影響。試驗共26個處理組合,每個處理3個小區(qū),即3個重復(fù),每個小區(qū)30株插穗。擬水平正交設(shè)計因素和水平見表1。

表1 落羽杉扦插正交試驗因素及水平

1.4 扦插方法及扦插后管理

插穗基部2 cm浸泡于外源激素溶液中,扦插前用細(xì)木棍在基質(zhì)上打孔,株行距4 cm×5 cm扦插深度為5—6 cm, 扦插后用兩手按實苗床,使插穗與插壤密接,隨即澆透水。根據(jù)天氣情況及時調(diào)整澆水時間,并及時除草。通過遮陽網(wǎng)將遮陽率控制在60%,扦插一個月后撤去遮陽網(wǎng)。

1.5 指標(biāo)調(diào)查及數(shù)據(jù)分析

2019年6月下旬對各處理插穗的存活率、生根率、平均根數(shù)、總根長、根表面積以及根體積進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計。存活率=存活株數(shù)/扦插總株數(shù)×100%；生根率=生根株數(shù)/扦插總株數(shù)×100%；平均根數(shù)=不定根總數(shù)/生根株數(shù)。數(shù)字化掃描儀(STD1600 Epson USA)掃描根系,win.Rhzo(Version 410B)根系分析系統(tǒng)軟件(Refent Instmment Inc,Canada)對所有生根插穗總根長、根表面積和根總體積進(jìn)行定量分析。

運(yùn)用SPSS 22.0對所有指標(biāo)進(jìn)行方差分析,Duncan檢驗法進(jìn)行多重比較。為了對各處理生根情況進(jìn)行綜合評價,對所有指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)值計算,隸屬函數(shù)計算公式為：

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中:Xj為某一處理的某一指標(biāo)值,Xmin、Xmax分別為所有處理在該指標(biāo)中的最小值和最大值[22]。數(shù)字取各處理下不同測定指標(biāo)隸屬函數(shù)值的平均值作為評價標(biāo)準(zhǔn),隸屬函數(shù)值越大,扦插效果越好。

2 研究結(jié)果

2.1 落羽杉嫩枝扦插的生根類型

本研究中,落羽杉插穗皮部和愈傷組織處均有不定根長出。實驗共有2340株插穗,其中產(chǎn)生愈傷組織的插穗有1205株,生根插穗共有345株,其中僅在皮部產(chǎn)生不定根的有206株,占總生根插穗的59.7%；僅在愈傷組織處產(chǎn)生不定根的有69株,占總生根插穗的20.0%；在皮部和愈傷組織處均有不定根產(chǎn)生的有70株,占總生根插穗的20.3%。生根插穗共產(chǎn)生593條不定根,其中皮部處的有379條,占不定根總數(shù)的63.9%,愈傷組織處有214條,占不定根總數(shù)的36.1%。

2.2 正交試驗結(jié)果方差分析

落羽杉扦插正交試驗6個生根指標(biāo)的方差分析結(jié)果(表2)表明,外源激素種類對生根率、存活率、總根長、根表面積以及根體積的影響達(dá)到極顯著水平(P<0.01),對根數(shù)的影響不顯著(P>0.05)；外源激素濃度對所有指標(biāo)均無顯著影響(P>0.05)；外源激素處理時間對存活率、總根長和根表面積有極顯著影響(P<0.01),對生根率和根體積有顯著影響(P<0.05),對根數(shù)的影響不顯著(P>0.05)。由F值的大小可知,三個因素對六個生根指標(biāo)的影響主次順序為外源激素種類>處理時間>外源激素濃度,即外源激素種類的影響最大,其次是處理時間和生長素濃度。

表2 外源激素種類、濃度和處理時間對落羽杉扦插生根影響的方差分析

2.3 外源激素種類對落羽杉扦插生根性狀的影響

不同外源激素間生根指標(biāo)的Duncan多重比較結(jié)果(表3)表明,在生根率、根表面積和根體積方面,ABT的表現(xiàn)最差,分別為4.67%、3.77 cm2、0.067 cm3,IBA、NAA、IBA+NAA三個處理的表現(xiàn)差異不顯著(P>0.05)；在存活率方面,IBA+NAA處理和IBA處理的表現(xiàn)最佳,存活率分別為88.56%和85.56%,顯著高于ABT處理(81.33%),但與NAA處理(84.67%)的差異不顯著(P>0.05),ABT處理與NAA處理間的差異也不顯著(P>0.05)；在總根長方面,IBA+NAA處理和IBA處理的表現(xiàn)最佳,分別為35.41 cm和34.11 cm,NAA處理(23.53 cm)次之,ABT處理效果(12.66 cm)最差。綜合來看,使用IBA+NAA處理或IBA處理生根效果最好,ABT處理的生根效果最差。

表3 不同外源激素處理下扦插生根性狀的多重比較

2.4 外源激素濃度對落羽杉扦插生根性狀的影響

根據(jù)正交試驗方差分析結(jié)果(表2),5種外源激素濃度處理(50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L)對落羽杉插穗各生根指標(biāo)均無顯著影響(P>0.05)。

2.5 外源激素處理時間對落羽杉扦插生根性狀的影響

Duncan多重比較結(jié)果(表4)表明,在生根率方面,4 h處理的表現(xiàn)最好,為19.78%,顯著高于其他處理,2 h、6 h和8 h這三個處理間生根率并無顯著差異(P>0.05)；在存活率方面,表現(xiàn)最好的是4 h處理,其存活率顯著高于2 h處理和6 h處理,但與8 h處理的差異不顯著(P>0.05),6 h處理和8h處理之間的差異也不顯著(P>0.05)；在總根長方面,4 h處理的表現(xiàn)最好,顯著高于6 h和8 h處理,與2 h處理的差異不顯著(P>0.05)；在根表面積和根體積方面,表現(xiàn)最好的是4 h處理,顯著高于6 h處理,但與2 h處理和8 h處理間的差異不顯著(P>0.05)。綜上,隨著浸泡時間的延長,落羽杉插穗的各生根性狀大致呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,浸泡時間為4 h時插穗各生根性狀均為最好。

表4 不同處理時間下扦插生根性狀的多重比較

2.6 各處理組合下落羽杉扦插生根指標(biāo)的綜合評價

采用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)法,對26個處理組合的扦插生根指標(biāo)進(jìn)行綜合評價。根據(jù)隸屬函數(shù)公式U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin) 分別計算出各處理下生根指標(biāo)的隸屬函數(shù)值,將6個指標(biāo)的隸屬函數(shù)值進(jìn)行平均得到各處理的平均隸屬函數(shù)值,平均隸屬函數(shù)值越大,表明該處理條件下落羽杉插穗扦插生根的效果越好。由表5可知,150 mg/L IBA+NAA處理4h的生根效果最好,其平均隸屬函數(shù)值最大,為0.83,根表面積(13.63 cm2)在所有組合中最大,生根率(24.44%)、存活率(92.22%)、總根長(43.75 cm)和根體積(0.33 cm3)也都位列前三；250 mg/L NAA處理4h的生根效果次之,其平均隸屬函數(shù)值為0.82,生根率(31.11%)、存活率(94.44%)、根體積(0.37 cm3)在所有組合中最大,總根長(33.06 cm)、根表面積(12.52 cm2)的表現(xiàn)也較好；清水對照處理的生根效果最差,其平均隸屬函數(shù)值為最小,為0.05,存活率(77.78%)、根表面積(2.77 cm2)和根體積(0.03 cm3)在所有組合中表現(xiàn)最差,生根率(4.44%)、根數(shù)(1.25)、總根長(10.35 cm)的表現(xiàn)也較差。因此,落羽杉扦插生根的最優(yōu)組合為150 mg/L IBA+NAA處理4 h。

3 討論

不定根能否形成決定著植物扦插苗能否成活。根據(jù)不定根發(fā)生過程中的插穗外部形態(tài),可將生根類型分為皮部生根型、愈傷生根型和混合生根型[23]。多種生根類型的樹種比單一生根類型的樹種有更多的生根部位,在其他外界環(huán)境條件相同的情況下,更容易促進(jìn)不定根的形成,扦插成活率就越高[24]。本研究發(fā)現(xiàn),落羽杉插穗皮部和愈傷組織處都有不定根的出現(xiàn),這與吳落軍[19]的研究結(jié)果相同,但在形成愈傷組織的1205株插穗里,僅有139株在愈傷組織處長出不定根。郭素娟[25]認(rèn)為,對大多數(shù)樹種來說,愈傷組織的形成和不定根的形成并不存在直接的相關(guān)性,不定根從愈傷組織中伸出,但其愈傷組織中沒有根原基的發(fā)生,兩者同時產(chǎn)生的原因可能是它們需要的內(nèi)外條件相同。愈傷組織可防止細(xì)菌侵入和插穗的物質(zhì)流失,還可以充當(dāng)營養(yǎng)物質(zhì)及水分等的運(yùn)輸橋梁,但如果愈傷組織過大,則會消耗插條內(nèi)過多的生根營養(yǎng)物質(zhì)而老化,反而導(dǎo)致插條不能生根[26- 28]。本研究只能初步驗證落羽杉扦插以皮部生根為主,三種生根類型均有,但其生根類型的確認(rèn)還需要進(jìn)一步的解剖學(xué)觀察。

植物扦插生根是一個復(fù)雜的生理、生態(tài)及解剖學(xué)過程,受植物生物學(xué)特性、生理年齡、插穗木質(zhì)化程度、外源激素的使用、扦插季節(jié)及基質(zhì)的綜合影響[25,29- 30]。在影響扦插生根率的外部因素中,植物生長調(diào)節(jié)劑起著比較重要的作用[31]。外源激素可通過調(diào)節(jié)插穗內(nèi)部與不定根生成相關(guān)的內(nèi)源激素和多種酶類,進(jìn)而促進(jìn)插穗生根[32- 35]。本研究發(fā)現(xiàn)外源激素種類是對落羽杉扦插的影響作用最大的因子,4種外源激素中,IBA+NAA(1∶1)和IBA處理的插穗生根效果最好,NAA處理次之,ABT處理效果最差。一般來說,兩種及兩種以上的激素混合處理比單一激素處理更具優(yōu)越性,其生根效果比單一激素好[36]。孫旭東等[37]研究了不同生根劑對色木槭扦插的影響,結(jié)果表明NAA和IBA混合劑處理效果高于NAA和IBA單獨(dú)處理效果。魏黔春[38]對側(cè)柏古樹的研究以及劉帥[39]對檉柳屬樹種的研究也得到類似的結(jié)果。本研究中,IBA+NAA(1∶1)處理的生根效果最好,但各項生根指標(biāo)與IBA處理并無顯著差異,這可能與IBA和NAA之間的配比有關(guān)。鄭健等[40]的研究發(fā)現(xiàn)IBA+NAA(10∶1)和IBA+NAA(5∶1)兩種處理對花楸扦插的促進(jìn)效果明顯優(yōu)于IBA+NAA(2∶1)和IBA+NAA(1∶1),朱錦心等[41]對紫萼龍吐珠扦插的研究中也發(fā)現(xiàn)較高IBA和NAA比值的混合液促進(jìn)生根效果優(yōu)于較低IBA和NAA比值的。王藝等[42]和廖偉彪等[43]的研究表明外源施加IAA的生根效果低于IBA處理和NAA處理。IBA 在植物體內(nèi)與葡糖酯結(jié)合較慢,高溫下比較穩(wěn)定,釋放出游離 IBA 較慢,而 IAA 與天冬氨酸結(jié)合較快,釋放游離 IAA也快；IAA 易受氧化酶氧化,而 IBA 不受此酶氧化[44]。ABT生根粉的有效成分主要是IAA和NAA,這可能是本研究中 ABT促進(jìn)生根效果較差的原因。

表5 各處理組合對落羽杉扦插生根指標(biāo)的影響及隸屬函數(shù)評價

前人研究發(fā)現(xiàn),低濃度激素處理有益于愈傷組織誘導(dǎo),中高濃度促進(jìn)插穗生根及根系生長,但過高的濃度則會對插穗組織造成傷害,影響生根和扦插苗生長[45]。吳落軍[19]對落羽杉1 a生實生苗嫩枝扦插的研究結(jié)果表明,激素濃度對各生根指標(biāo)具有顯著影響,整體表現(xiàn)為200 mg/L>150 mg/L>100 mg/L,本實驗結(jié)果有所不同,這可能是本研究的插穗來自于9 a生的落羽杉植株,其組織老化程度較大,插穗對外源激素敏感度小,而本研究中設(shè)置的濃度梯度過小引起的,今后還需要擴(kuò)大激素濃度范圍進(jìn)一步優(yōu)化實驗。激素浸泡時間也是影響插穗生根的一個重要因素,在一定范圍內(nèi),處理時間越長,生根效果越好,但時間過長則可能抑制生根[46]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著浸泡時間的增長,落羽杉插穗的各生根性狀大致呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,4 h處理的生根效果優(yōu)于2 h、6 h和8 h,張沛健等[47]對金蒲桃的研究也發(fā)現(xiàn)類似的趨勢。

本研究結(jié)果表明,外源生長激素對落羽杉扦插生根促進(jìn)作用,25個激素處理組合的生根性狀平均隸屬函數(shù)值均高于清水對照。本實驗中插穗的生根率變幅為2.22%—31.11%,黃利斌等[17]以6—7 a生不同種源的落羽杉進(jìn)行嫩枝扦插實驗,生根率變幅為21.67%—75%,吳落軍[19]以1 a生落羽杉實生苗的萌生條進(jìn)行不同的激素處理,生根率變幅為58.26%—99.18%,13 a生落羽杉不同種源嫩枝扦插的生根率變幅為2.60%—50%,可見落羽杉的扦插與母樹年齡密切相關(guān)。母樹年齡越大,木質(zhì)化程度越高,導(dǎo)致插穗含水量和營養(yǎng)物質(zhì)含量相對較低,使得插穗生根率下降,分生組織細(xì)胞的活性也受到母樹年齡的影響[48]。本實驗落羽杉嫩枝扦插生根與其他研究相比生根率較低,究其原因,除了母樹年齡不同外,可能與扦插基質(zhì)、氣候等環(huán)境原因有關(guān)。此外,本研究插穗的母樹經(jīng)歷了多年反復(fù)水淹,其生長和生理方面發(fā)生一定的變化[49- 50],這可能也是導(dǎo)致實驗差異的原因之一。

本試驗對外源激素這一因子進(jìn)行了初步研究,但從種苗繁育的生產(chǎn)實際來看,三峽消落帶原位生長的落羽杉插穗生根率和生根質(zhì)量有待進(jìn)一步提高,還需在本研究結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行更為系統(tǒng)、全面的研究。另外,對于三峽消落帶原位生長的落羽杉種子繁殖技術(shù)方面尚未見報道,今后可對打破落羽杉種子休眠,促進(jìn)種子萌發(fā)的措施以及扦插苗與實生苗對于三峽消落帶環(huán)境的適應(yīng)性比較開展進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

皮部生根是大齡落羽杉扦插的主要生根方式。植物生長調(diào)節(jié)劑的使用對落羽杉插穗生根具有一定的促進(jìn)效果,其中外源激素種類對插穗生根的影響最大；其次是處理時間；而外源激素濃度對插穗生根無顯著性影響。通過隸屬函數(shù)法對26個處理組合進(jìn)行綜合比較,發(fā)現(xiàn)(IBA+NAA)×150 mg/L×4 h和NAA×250 mg/L×4 h這兩種處理組合效果最好,是三峽庫區(qū)消落帶落羽杉大齡母樹插穗扦插的較佳處理方式。