黑果枸杞根系構型對干旱脅迫的響應機制

張金菊，郭有燕，2*，田青，包新光，張惠云

（1甘肅農業大學林學院，甘肅蘭州 730070；2河西學院鄉村振興研究院，甘肅張掖 734000；3河西學院經濟管理學院，甘肅張掖 734000；4甘肅省白龍江林業生態監測和調查規劃院，甘肅蘭州 730030）

0 引言

【研究意義】根系是植物最先感受土壤逆境脅迫的部位（朱廣龍等，2018）。在逆境中，植物的生長存活與其根系分布密切相關，根系通過改變其形態和分布以適應不利環境（劉瑞香等，2018）。水分是影響干旱半干旱區植物生長的重要因素之一，探究植物對干旱環境的適應性一直是生態學專家研究的熱點問題。黑果枸杞（Lycium ruthenicum）作為我國西北干旱區水土保持、荒漠化治理及土壤改良的多棘刺灌木，具有抗旱、耐鹽堿、防風固沙的特性，其果實富含的花青素具有清除自由基、抗氧化的功能，藥用、保健價值遠高于普通紅枸杞（丁玉靜等，2017）。野外調查發現，黑果枸杞結實量大，但實生苗數量少，干旱可能是限制黑果枸杞幼苗生長發育和定居的關鍵因素（郭有燕等，2016）。因此，研究干旱脅迫下黑果枸杞根系特征的變化，對探尋黑果枸杞對干旱脅迫適應機制及荒漠區植被恢復和生態建設有重要意義。【前人研究進展】相關研究表明，干旱或鹽漬化條件下，耐性植物通常會增加比根長、根冠比等主動拓展根系分布范圍以適應逆境環境，且隨著脅迫程度的增加，根系分支逐漸向魚尾分支模式發展。牛素貞等（2017）研究得出隨著干旱脅迫程度的加強，禿房茶（Camellia gymnogyna）、大廠茶（Camellia tachangensis）、茶（Camellia Sinensis）和大理茶（Camellia taliensis）等4種茶樹幼苗根冠比、根系總表面積、根系總體積、根系平均直徑和根系活力等指標均有不同程度的變化趨勢；楊振亞等（2018）研究發現杉木幼苗根系在不同徑級的分布長度受干旱脅迫影響顯著，且隨脅迫時間的延長不斷變化；徐立清等（2020）對不同生境胡桃楸的研究表明，由林緣到林隙再到林冠下，胡桃楸根系不斷減少次級分支和根系間的重疊，根系構型由叉狀分支向鯡魚骨形分支發展。當前有關干旱脅迫下黑果枸杞的研究主要集中在地上部分。郭有燕等（2017）對黑果枸杞種子萌發和幼苗生長受干旱脅迫影響的研究表明，適度干旱脅迫有利于幼苗生長；且黑果枸杞幼苗葉片的葉綠素和類胡蘿卜素含量等均隨著干旱脅迫的增加顯著下降（郭有燕，2016）。趙晶忠等（2017）研究結果顯示輕度干旱脅迫對黑果枸杞種子和低溫層積的果實出苗無影響。韓多紅等（2020）研究表明，干旱脅迫下，黑果枸杞幼苗葉片抗氧化酶活性受0.3%稀土微肥（REE）的影響，通過增加滲透調節物質積累等可緩解干旱脅迫帶來的損害。鹽旱逆境下，適宜濃度水楊酸可提高黑果枸杞葉內滲透調節物質含量及抗氧化酶活性，不同氮磷比施肥量能顯著提高黑果枸杞葉片非結構性碳總含量（馬永慧等，2020；朱亞男等，2020）。馬興東等（2022）研究證明干旱脅迫下適量施氮有利于增強黑果枸杞的抗旱性。【本研究切入點】目前有關黑果枸杞根系構型方面的研究則鮮有報道。開展黑果枸杞根系構型的研究有助于分析土壤空間中根系的分支模式和延伸策略在不同逆境中的適應性。【擬解決的關鍵問題】以盆栽黑果枸杞幼苗為材料，設置正常供水、輕度脅迫、中度脅迫、重度脅迫和極重度脅迫5個脅迫梯度，探究黑果枸杞根系的分支模式和延伸策略在不同逆境中的適應性，闡明干旱脅迫條件下黑果枸杞幼苗根系構型的變化規律，為黑果枸杞的種植、種群恢復和合理利用提供科學理論依據，同時為其他旱生植物研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗設置在甘肅省張掖市河西學院農學實驗基地（北緯37°28′43″，東經97°20′16″），所在地區屬大陸性氣候，年平均氣溫6℃，年日照時數3106 h，年太陽輻射量6140～6270 mJ/m2，年平均降水量113～120 mm，年蒸發量為2291 mm。黑果枸杞的種源來自張掖市甘州區老寺廟。采用優勢木對比法，選取優良母樹，采集果實，帶回實驗室獲取種子，并對種子進行低溫沙藏處理。

1.2 試驗設計

選用高28 cm、上口徑32 cm、下口徑23 cm的塑料盆，每盆裝入等量風干的混合土（土壤∶砂質土∶腐殖土=1∶1∶2）10 kg，即土壤2.5 kg、砂質土2.5 kg、腐殖土5 kg。于2021年4月3日開始播種育苗，每盆播10粒種子，待出苗后進行間苗，每盆預留3株健壯幼苗，共50盆。待幼苗高度基本一致，開始干旱脅迫試驗。2021年7月8日開始干旱脅迫試驗，每10盆為一組，共分為5組：第1組為對照（CK），土壤含水量為（20.97±0.49）%，每天下午通過稱重法補充水分，持續28 d；第2組為極重度干旱脅迫，當天澆透水后（盆底有溢出為標準）不再澆水，持續脅迫28 d，土壤含水量為（1.45±0.04）%；第3組為重度干旱脅迫，正常澆水（參照CK，下同）6 d，第7 d澆透水后不再澆水，持續脅迫21 d，土壤含水量為（2.35±0.44）%；第4組為中度干旱脅迫，正常澆水13 d，第14 d澆透水后不再澆水，持續脅迫14 d，土壤含水量為（3.42±0.21）%；第5組為輕度干旱脅迫，正常澆水20 d，第21 d澆透水后不再澆水，持續脅迫7 d，土壤含水量為（15.51±0.87）%。試驗結束時，將5個處理分別取樣，每個處理取3株苗作為3次重復。

1.3 指標的測定和計算

取樣時先將地上部分與地下部分用剪刀分開，再將根系整體從花盆中取出，小心抖落根系上的土壤，避免傷害根系構型，將地上部分和根系放入自封袋中編號封存后，放入冰盒中迅速帶回實驗室，用清水將根系清洗干凈。同時，取樣后，從每盆土壤中間取出一定量土壤迅速裝進自封袋中編號帶回實驗室，稱其鮮重后，裝入鋁盒中，放置于85℃的烘箱中烘干至恒重，然后計算出每盆土壤的含水量。

1.3.1 根系形態指標采用掃描儀（Epson Perfection V800 Photo，Indonesia）對根系進行掃描，用WinRHIZO根系圖像分析系統軟件對根系掃描圖像進行定量分析，并記錄相關數據，包括根系內部連接（2個分支點間稱內部鏈接）數量、外部連接（分支與分生組織之間稱外部連接）數量、根系連接長度、根長、平均根系直徑、總根表面積、總根體積等。掃描后將地上部分和根系置于105℃烘箱中殺青30 min，再在80℃下烘干至恒重，獲得地上部分干重和根系干重，并算出黑果枸杞的根冠比、比根長和比表面積。計算公式如下：

比表面積=根表面積/根干重

1.3.2 根系拓撲參數本研究運用Fitter（1986）的根系拓撲結構及Oppelt等（2005）的修正拓撲參數。Fitter（1986）提出的根系拓撲結構有2個極端模式，即叉狀分支和魚尾形分支模式（圖1），并提出根系拓撲指數：

式中，A為最長根系通道內部連接總數，M為根系所有外部連接總數，TI的值越趨近于1.0，根系分支越少，根系結構越接近于魚尾形分支；TI的值越趨近于0.5，根系分支越多，根系便接近于叉狀分支模型。

由于植物的根系構型總存在中間過渡形式，為了說明這一過渡形式，Oppelt等（2005）在此基礎上提出了修正拓撲參數。表達式為：

式中，a為最長通道連接總數，與Fitter模型中的A相同；b為平均拓撲長度，即與從基部到根系終端連接數量Pe有關，公式為b=Pe/v0；lbv0=lnv0/ln2，v0等同于Fitter模型中的M，qa和qb分別為a和b的修正值。其中，魚尾形分支中的qa=qb=1，叉狀分支中的qa=qb=0（單立山等，2012；徐立清等，2020）。

1.4 統計分析

利用SPSS 20.0對數據進行處理及方差分析，LSD法進行多重比較；采用Duncan法進行相關分析，使用Origin 2018制圖。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗根系拓撲指數與拓撲結構的影響

不同干旱脅迫下黑果枸杞根系拓撲結構的差異情況可通過其根系拓撲指數來反映。由表1可知，隨著干旱脅迫時間的延長，黑果枸杞根系修正拓撲指數qa、qb和拓撲指數TI均呈現出先減小后增大的變化趨勢，中度脅迫時，qa、qb和TI的值均最小（qa=0.12、qb=0.13、TI=0.71），TI靠近0.50，黑果枸杞屬于典型的叉狀分支模型，此時根系次級分支最多，根系最密集，其中原因是輕度干旱脅迫有利于黑果枸杞根系生長，故根系分支多，根系密集。而極重度脅迫時，qa、qb和TI的值均達最大值，根系生長因水分不足而受到抑制，故此時根系分支少，內部競爭小，拓撲指數逐漸增大，黑果枸杞根系隨著脅迫程度的增加由叉狀分支模型向魚尾型分支模型過渡的的趨勢。

表1 不同干旱脅迫下黑果枸杞幼苗根系拓撲結構參數Table 1 Root topological structure parameters of L.ruthenicum seedlings under different drought stress

2.2 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗生物量和根冠比的影響

受干旱脅迫的影響，黑果枸杞生物量和根冠比分配不同（表2）。隨著干旱脅迫程度的增加，黑果枸杞幼苗地上生物量、根生物量和總生物量均呈現先增加后減少的變化趨勢，且差異顯著（P＜0.05，下同）。與CK相比，輕度和中度脅迫時地上生物量分別增加81.63%和39.63%；而重度和極重度脅迫分別比CK減少33.71%和61.74%。根生物量在輕度脅迫時達最大值，說明輕度脅迫時有助于黑果枸杞幼苗正常生長，中度脅迫、重度脅迫和極重度脅迫下根生物量分別比CK增加54.12%、13.72%和3.17%。與CK相比，輕度和中度脅迫時總生物量分別增加82.47%和41.09%；重度和極重度脅迫時，總生物量分別減少28.92%和55.19%。說明黑果枸杞幼苗在中度和重度干旱脅迫下生長受到抑制，而輕度干旱脅迫下有利于其幼苗的生長。

表2 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗生物量分配的影響Table 2 Effects of drought stress on biomass distribution of L.ruthenicum seedlings

同時，隨著干旱脅迫程度的增加，黑枸杞的根冠比呈逐漸增加的變化趨勢。輕度和中度處理與CK差異不顯著（P＞0.05，下同），但重度和極重度與CK差異顯著。與CK相比，輕度、中度、重度和極重度的根冠比分別增加5.48%、10.33%、71.72%和169.69%。表明在干旱脅迫下，黑果枸杞幼苗將更多的生物量分配到根系以適應逆境。

2.3 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗根長、根表面積、比根長及比表面積的影響

隨著脅迫程度的增加，黑果枸杞幼苗根長和根表面積均呈現先增加后減小的變化趨勢（圖2）。輕度脅迫時，根長達到最大值，極重度脅迫時，根長最短，且CK與輕度和極重度脅迫處理間差異顯著。與CK相比，輕度和中度脅迫時根長分別增加78.13%和41.40%，重度和極重度脅迫的根長分別減少54.43%和75.66%。根表面積中，與CK相比，中度脅迫無顯著差異，而輕度、重度和極重度脅迫均存在顯著差異；輕度和中度脅迫的根表面積分別增加59.58%和10.42%，重度和極重度脅迫的根表面積分別減小65.50%和82.37%。

比根長與比表面積有相同的變化趨勢，均隨脅迫程度的增加呈減小的變化趨勢。與CK相比，輕度和中度脅迫的比根長分別減小7.73%和10.25%，比表面積分別減小17.59%和30.04%，且差異均不顯著；重度和極重度脅迫的比根長和比表面積均顯著減小，其中，比根長分別減小60.62%和77.09%，比表面積分別減小80.15%和83.40%。說明隨干旱脅迫程度的增加黑果枸杞的根系生長受到抑制，因此比根長和比表面積越來越小。

2.4 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗平均根系直徑、根體積的影響

隨干旱脅迫程度的加強，黑果枸杞幼苗的平均根系直徑表現出先減小后增大的趨勢（圖3）。與CK相比，輕度和極重度脅迫無顯著差異，但中度和重度脅迫的平均根系直徑顯著減小24.13%和27.89%。隨著脅迫程度的增加，根體積呈現出先增大后減小的變化趨勢，輕度脅迫時，黑果枸杞的根體積達最大值，比CK增加52.36%，并與其他脅迫處理間存在顯著差異。輕度干旱脅迫下，有利于黑果枸杞生長，根系生長較快、數量較多，總體積較大，此時根系較密集，根系的直徑擴展將受到限制，故根系平均直徑就會減小；反之，重度脅迫時，根系數量減少，根系總體積變小，平均根系直徑增大。

2.5 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗根系不同徑級根長、根表面積及根體積的影響

隨干旱脅迫程度的加劇，黑果枸杞幼苗不同徑級根長、根表面積及根體積也在發生變化，如圖4所示，隨著干旱脅迫程度的增強，不同徑級根長整體呈先增大后減小的變化趨勢，各徑級根長在輕度脅迫時均達最大值，與CK相比，輕度脅迫時，直徑0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0和2.0～2.5 mm徑級的根長分別增加84.43%、45.96%、56.23%、64.36%和84.70%。

黑果枸杞幼苗不同徑級根表面積和根體積均隨干旱脅迫程度的增加呈先增大后減小的變化趨勢。直徑0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0和2.0～2.5 mm徑級的根表面積在輕度脅迫時均達最大值，分別比CK增加66.52%、39.76%、60.05%、62.39%和83.87%；不同徑級根表面積排序依次為直徑0～0.5 mm＞0.5～1.0 mm＞1.0～1.5 mm＞1.5～2.0 mm＞2.0～2.5 mm。不同徑級根體積也在輕度脅迫時達最大值，與CK相比，各徑級根體積分別增加58.99%、33.81%、63.95%、60.55%和82.98%；此時不同徑級根體積排序依次為直徑0.5～1.0 mm＞1.0～1.5 mm＞0～0.5 mm＞1.5～2.0 mm＞2.0～2.5 mm。前期黑果枸杞幼苗各徑級均呈現增加的趨勢，這是因為輕度干旱脅迫有利于黑果枸杞生長；但隨脅迫程度的加劇，水分不斷減少抑制了黑果枸杞根系的生長，故后期各徑級均呈現下降的變化趨勢。

2.6 干旱脅迫下黑果枸杞幼苗根系生長狀況與土壤含水量的關系

通過對黑果枸杞幼苗根系各形態指標與土壤含水量的相關分析發現，總根表面積和平均根系直徑與土壤含水量間存在顯著正相關，總根體積、比根長、比表面積與土壤含水量間存在極顯著正相關（P＜0.01，下同），而根冠比與土壤含水量間呈極顯著負相關（表3），說明土壤水分充足時，黑果枸杞幼苗將更多的水分和營養輸送到地上部分，此時根系生長較地上部分緩慢。

表3 黑果枸杞幼苗根系生長狀況與土壤含水量的相關分析Table 3 Correlation analysis between root growth and soil water content of L.ruthenicum seedlings

3 討論

3.1 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗根系拓撲指數與拓撲結構的影響

研究根系拓撲結構是探討不同生境條件下植物根系分支和延伸策略的重要手段（單立山等，2012）。干旱脅迫下，塔克拉瑪干怪柳根系呈叉狀分支構型（楊小林等，2008），本研究中，干旱脅迫下黑果枸杞根系構型也趨向于叉狀分支。但不同生境下，其根系的拓撲指數存在差異，中度脅迫時，黑果枸杞根系拓撲指數最小，此時根系次級分支最多，根系最密集，而極重度干旱脅迫時，根系生長因水分不足而受到抑制，故此時根系分支少，內部競爭小，拓撲指數逐漸增大，隨干旱脅迫程度的加劇，黑果枸杞由叉狀分支向魚尾形分支發展的趨勢，與單立山等（2012）對紅砂的研究結論相似。

3.2 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗生物量和根冠比的影響

在干旱條件下，耐性植物為適應逆境條件，通常會增加比根長和根冠比等來擴大根系分布范圍（張翠梅等，2019）。植物對土壤水分的利用情況可通過生物量和根冠比等指標進行評價。本研究發現，黑果枸杞地上生物量、根生物量和總生物量均隨干旱脅迫程度的加劇呈先增大后減小的趨勢，輕度脅迫下這3個指標均達最大值，說明黑果枸杞在受到一定干旱脅迫時，可通過調節根生物量的分配來實現增加水分吸收的目的，從而維持植株生長，但這種適應能力存在閾值。因此，隨著脅迫程度加劇，地上生物量、根生物量和總生物量均不斷減小，與李永潔等（2014）對黑果枸杞幼苗受干旱脅迫的研究結果一致，即輕度干旱脅迫有利于黑果枸杞幼苗生長。根冠比隨干旱脅迫程度的增加而增大，說明在干旱脅迫下，黑果枸杞幼苗將更多的生物量分配到根系，適應逆境，與單立山等（2017）、王浩等（2019）對土壤水分變化使植物根系形態有顯著影響的研究結果一致。

3.3 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗根長、根表面積、比根長、比表面積的影響

根系的生長發育狀況對植物吸收和運輸水分、營養物質的能力有直接影響（朱廣龍等，2018）。受干旱脅迫的影響，植物會將更多的資源分配到根系。本研究發現，根長隨脅迫程度的增加呈先增加后降低的變化趨勢，說明輕度干旱脅迫有利于黑果枸杞根系生長，隨脅迫程度的增加，黑果枸杞根系生長受到抑制，與楊彪生等（2021）對紅砂的研究結果相似。隨干旱脅迫程度的增加，土壤含水量超出黑果枸杞根系生長的適應范圍，根系生長受到抑制，故比根長和比表面積越來越小，其結果與Markesteijn和Poorter（2009）、白亞梅等（2020）的研究結果一致。

隨干旱脅迫程度的加劇，黑果枸杞不同徑級根長、根表面積均呈先增加后降低的變化趨勢，與程明圣等（2021）研究毛竹幼苗在低濃度鹽、PEG及二者交互處理時根長較對照組有顯著提升的結果相似，說明黑果枸杞幼苗根系通過增加根長縮短直徑的策略來增強吸水能力，維持植株正常生命活動（Khan and Ungar，2001）。

3.4 干旱脅迫對黑果枸杞幼苗平均根系直徑、根體積的影響

不同脅迫程度下，植物表現出不同的適應策略（羅海斌等，2020），可能與其根系的生長速率和水分利用效率有關（丁紅等，2013；陳麗等，2020）。根系直徑可反映根系在空間中發育情況，因輕度干旱脅迫有利于黑果枸杞幼苗根系的生長發育，該階段其細根數量較多，平均根系直徑較小，根體積較大。當極重度脅迫時，根系生長發育受到抑制，此時細根發育受阻，平均根系直徑增大，根體積減小，與張旭東等（2016）研究的玉米隨水分脅迫程度的增加，根長、根表面積、根體積等下降程度逐漸增大的變化趨勢大體相同，不同的是黑果枸杞為耐旱植物，輕度干旱脅迫對其無影響，故在輕度脅迫之后才開始逐漸下降。

4 結論

黑果枸杞的生長受干旱脅迫的影響，其根系不同形態指標及根系構型存在差異。隨干旱脅迫程度的增加，各生物量及根長、根表面積、根體積等均表現為先增大后減小的變化趨勢。總體來看，輕度干旱脅迫有利于黑果枸杞幼苗根系正常生長，但黑果枸杞的耐受程度存在閾值，土壤含水量為15.51%時生長最佳。