干旱脅迫對不同根型苜蓿根系構型的影響

汪 堃,南麗麗,*,郭全恩,姚宇恒,何海鵬,夏 靜,馬 彪

1 甘肅農業大學草業學院/草業生態系統教育部重點實驗室,蘭州 730070 2 甘肅省農業科學院土壤肥料與節水農業研究所,蘭州 730070

苜蓿(Medicagosativa)是畜牧業生產中不可或缺的植物蛋白資源,也是我國當前草地農業和生態建設工程中應用最為廣泛的草種[1]。據不完全統計,僅2019年全國新增苜蓿種植面積為8×1010hm2,主要集中在西北地區甘肅河西走廊、內蒙古阿魯科爾沁、寧夏河套灌區等[2]。然而,干旱對西北地區苜蓿的種植面積和產量構成了嚴重威脅,成為限制苜蓿生長和分布的重要因素之一[3]。

根系是植物與外界環境進行物質和能量交換的關鍵器官之一[4],其在土壤中的分布特征主要表現為根系構型[5],具有可塑性,由遺傳和許多環境因子調控,其可塑性是表征植物對生長環境適應能力的重要指標。根系構型包括平面幾何構型和立體幾何構型[6],其平面幾何構型主要包括根系總根長、總體積、總表面積、平均直徑、根尖數、根干重、比根長、比表面積等,主要反映根系的形態和功能[7]；根系立體幾何構型通過根系拓撲構型反映,包括兩種極端模式,即魚尾形分支和叉狀分支[8]。通常叉狀根系次級分支多,根系密集,內部競爭強,其分布范圍小于魚尾形分支,不利于營養空間的占有,而魚尾形分支則相反,其更適應干旱貧瘠的生境[9]。分形維數和分形豐度是根系分形結構的兩個重要參數,分形維數反映植物根系的發育程度和對脅迫環境的適應策略,分形豐度反映根系分布范圍、密度及資源競爭力等[10],二者密切相關。拓撲結構和分形特征能夠反映根系的分支模式和功能特點,二者結合能更準確的反映根系構型特征和生態適應策略。

苜蓿的根系類型可劃分為直根型、側根型、根蘗型和根莖型4類[11]。直根型苜蓿基因源主要來自于紫花苜蓿,根莖型、側根型和根蘗型苜蓿都不同程度地具有野生黃花苜蓿的基因,其對干旱、嚴寒的抵抗力較強[12]。干旱脅迫對羊草(Leymuschinensis)和大針茅(Stipagrandis)[4]、多年生黑麥草(Loliumperenne)[13]、紅砂(Reaumuriasongarica)和白刺(Nitrariatangutorum)[14]、杉木(Cunninghamialanceolata)[15]、糙毛以禮草(Kengyiliahirsuta)[16]、直根型紫花苜蓿[17]等植物根系構型的影響已有研究,有關干旱脅迫對不同根型苜蓿根系構型的影響少見報道。本研究以根莖型清水紫花苜蓿、直根型隴東紫花苜蓿和根蘗型公農4號雜花苜蓿為供試材料,對干旱脅迫下播種當年和生長第2年3種根型苜蓿的根系平面、立體幾何構型及拓撲結構進行研究,從根系構型特征方面揭示各根型苜蓿對干旱生境的適應策略,為苜蓿抗逆育種提供新思路和實踐指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試苜蓿為根莖型“清水”紫花苜蓿(rhizomatous rootedM.sativa‘Qingshui’,QS)、直根型“隴東”紫花苜蓿(tap rootedM.sativa‘Longdong’,LD)、根蘗型“公農4號”雜花苜蓿(creeping rootedM.variaMartin ‘Gongnong’ No.4,GN),其中GN的種子由吉林省農科院提供,QS和LD的種子由甘肅農業大學草業學院提供[18]。

1.2 試驗設計

采用沙培盆栽試驗,選用40 cm(高)×20 cm(盆底直徑)塑料盆為試驗用盆,每盆裝用去離子水洗凈后的沙子10 kg(以便于取全根和對根系進行平面、立體幾何構型的測定),播種飽滿、無病蟲害的苜蓿種子,播種后每2 d澆灌650 mL Hoagland營養液,待長出兩片真葉時進行間苗。試驗采用兩因素完全隨機設計,因素A為3個不同根型苜蓿品種；因素B為不同水分處理,分別為對照、中度和重度水分脅迫,3個處理的土壤含水量分別為河沙最大持水量(經反復多次試驗得出,每桶澆灌650 mL營養液可使河沙含水量達到最大持水量)的65%—75%、45%—55%和25%—35%,通過稱重法每天補充水分使每桶含水量在相應的脅迫范圍內,每個處理重復4次。播種當年(2020)、生長第2年(2021)待各根型苜蓿生長至分枝期(株高45 cm左右)時分別進行干旱脅迫處理,播種當年、生長第2年分別處理20 d、30 d后采集各根型苜蓿根系,用蒸餾水沖洗干凈,用于各項指標測定。

1.3 測定方法

1.3.1根系平面幾何構型參數

用臺式掃描儀(型號：Epson Expression 1200XL,產地：中國上海)對各根型苜蓿根系進行掃描并將圖像存入電腦,用WinRHIZO根系分析系統軟件分析根系總體積(Root volume,RV)、總表面積(Total root surface area,RSA)、平均直徑(Root average diameter,AD)、總長度(Total root length,TRL)等根系平面幾何構型參數[18]。

采用烘干法測定根系干物質量,計算根系比根長(Specific root length,SRL)、比表面積(Specific root surface,SRS),其中SRL(cm/g)=TRL/根系生物量,SRS(cm2/g)=RSA/根系生物量。

1.3.2根系立體幾何構型參數

Fitter[19]指出,根系拓撲系數(Topological index,TI)

(1)

式中A為最長通道(連接最多的通道)的內部連接數,M為外部連接總數。若TI≈0.5,表明根系存在相對更多的外部連接,根系近似為叉狀分支；若TI≈1,表明A和M近似相等,即根系分支較少,根系近似為魚尾形分支。

Oppelt等[20]為說明根系拓撲結構的中間過渡形式,提出新拓撲參數。

(2)

圖1 根系拓撲結構示意圖 Fig.1 The schematic diagram of topological structure of root system

圖2 根系Strahler等級結構Fig.2 Strahler ordering system of the root system

1.3.3根系分支率

采用Berntson[21]和Strahler[22]方法確定根系總分支率和逐步分支率(圖2)。在根冠層內,由根尖向根基部,最外層的無其他側根的小根定義為1級根,若等級形同(i級)的兩根相遇,則表示為(i+1)級根,記錄每級根的數量(Ni),依此類推(如有不同根級相遇,取較高的作為根級)；以lgNi為縱坐標、i為橫坐標作圖,其回歸直線斜率的逆對數為根系總分支率；逐步分支率(Ri：Ri+1)為某級根系(Ri)與下級根系(Ri+1)分支數的數量之比[23]。

1.3.4分形參數

分形參數采用盒維數法確定。在根系俯視圖上繪制正方形,其邊長為18.4 cm,依次將其分成邊長為r=18.4/2n(n為0—5)的正方形,將每個邊長下根系穿過的正方形數目記為Nr,Nr和r存在對應關系。以lgNr為縱坐標、lgr為橫坐標做圖,其回歸方程為lgNr=-Dlgr+lgK,-D值即為分形維數(Fractal dimension,FD),1

1.4 統計分析

用Excel 2007對數據進行處理并作圖,用SPSS 20.0對數據進行方差分析、相關分析和主成分分析,用Duncan法對數據進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 根系平面幾何構型

由表1可知,隨干旱脅迫加劇,播種當年和生長第2年QS、LD、GN的TRL、RSA、RV和AD逐漸減小,重度脅迫下,QS、LD、GN的TRL較CK下降了15.36%和12.73%、19.21%和6.24%、18.32%和31.74%(P<0.05),RSA較CK降低了4.00%和4.34%、1.34%和11.99%、0.47%和23.42%,RV較CK降低了40.77%和43.66%、10.96%和25.26%、46.95%和28.81%,AD較CK減少了22.14%和10.97%、11.57%和8.20%、2.72%和23.50%,且生長第2年GN的TRL、RSA和RV均顯著大于QS和LD(P<0.05)。

表1 干旱脅迫對不同根型苜蓿根系平面幾何構型的影響

由圖3可知,播種當年和生長第2年,各根型苜蓿的SRL、SRS分別在1380.66—3050.99 cm/g和887.48—3302.85 cm/g,114.16—270.17 cm2/g和34.75—115.74 cm2/g范圍內變動,重度脅迫下,QS、GN的SRL、SRS均大于LD。

圖3 干旱脅迫對不同根型苜蓿比根長和比表面積的影響Fig.3 Effects of drought stress on specific root length and surface area of different root-type alfalfa同柱不同小寫字母表示在0.05水平上差異顯著(P<0.05)

2.2 根系立體幾何構型

由表2可知,播種當年和生長第2年QS、LD、GN的TI在0.49—0.55、0.48—0.52范圍內變動,其值均較小,且qa和qb均接近于0,TI接近0.5,表明根系分支為叉狀分支結構；隨干旱脅迫程度加劇TI逐漸減小,說明干旱脅迫下各根型苜蓿根系分支結構較CK更復雜,次級分支相對較多；平均連接長度b隨干旱脅迫的增加不斷增大,且同一處理下,生長第2年的b值均大于播種當年,說明干旱條件下各根型苜蓿通過b將根系拓展到更深遠的空間去吸水。

2.3 根系分支率比較

由表3可知,播種當年及生長第2年QS、LD、GN的逐步分支率逐漸增大,總分支率隨脅迫程度加劇逐步升高,且同一處理條件下,各根型苜蓿第2年的總分支率均高于播種當年；重度脅迫下,各根型苜蓿的總分支率差異不顯著。

2.4 根系分形特征

由表4可知,播種當年和生長第2年,QS、LD、GN的根系具有很好的分形特征,其FD和FA分別在1.30—1.42和1.34—1.45,3.28—3.58和3.88—4.21范圍內變動,且二者均隨干旱脅迫程度增加逐漸減小,表明干旱脅迫下,各根型苜蓿根系發育程度降低、空間拓展能力減小,但中、重度脅迫下,各根型苜蓿間FD和FA差異不顯著。

2.5 相關分析

由表5可知,TRL、RSA、RV、FA、平均連接長度兩兩間均呈極顯著正相關,各指標與TI均呈極顯著負相關；TI與AD、SRL、SRS呈極顯著或顯著正相關；FD與RV、FA呈顯著或極顯著正相關,與平均連接長度、TI、SRL、SRS呈極顯著負相關；AD與FA呈顯著負相關；SRL與SRS呈極顯著正相關。

2.6 主成分分析

由表6可知,前3個主成分的特征值分別為5.92、1.37、1.03,貢獻率分別為59.21%、13.69%、10.29%,累計貢獻率為83.19%,可見前3個主成分可反映根系構型的基本特征,其中第1主成分與RSA、FA、TRL和RV呈高度正相關,第2主成分與FD呈高度正相關,第3主成分與SRL呈高度正相關,可以認為RSA、FA、TRL、RV、FD和SRL是各根型苜蓿根系構型的主要參數。

表2 干旱脅迫對不同根型苜蓿根系立體幾何構型的影響

表3 干旱脅迫下不同根型苜蓿根系總分支率和逐步分支率

表4 干旱脅迫下不同根型苜蓿根系分形特征

表5 干旱脅迫下根系特征相關性分析

表6 各綜合指標特征根及貢獻率

3 討論

3.1 根系平面幾何構型

干旱脅迫下,植物通過改變根系構型形態以適應逆境,這與植物本身的避逆性有關[25],其機制可能與干旱脅迫導致根系可塑性變化不斷去適應環境的改變而有關[26]。SRL和SRS是決定根系吸收水分和養分能力的重要形態結構,其值與養分吸收效率成正比[27]。本研究顯示,與對照相比,隨脅迫程度加劇,播種當年及生長第2年各根型苜蓿的TRL、RSA、RV、AD均有一定程度的減少,這與李振松等研究結論一致[17],干旱脅迫使部分吸收根木栓化或干枯死亡,伴隨光合同化產物積累的減少,很大程度限制了根系的生長；生長第2年,重度脅迫下,根莖型、根蘗型苜蓿的TRL、RSA、RV、SRL和SRS均高于直根型苜蓿。研究表明[28- 31],干旱脅迫下TRL、RV、RSA、SRL、SRS與品種抗旱能力呈顯著正相關,說明根莖型、根蘗型苜蓿較直根型苜蓿抗旱能力強。

3.2 根系立體幾何構型

根系立體幾何結構與其對營養物質的競爭力密切相關。本研究表明,各根型苜蓿TI均較小,根系分支趨向于叉狀分支結構,其次級分支較多,能快速占領大量土壤空間,增加在土壤中吸收和競爭水分、營養的能力,且叉狀分支對碳投入的要求相對較少,更多的碳投入到地上部分進行光合作用,使植物快速生長[32]。根系連接長度關系到植物對資源的獲取能力[33]。播種當年及生長第2年,隨干旱脅迫程度加劇,各根型苜蓿根系連接長度均增大,以提高根系在土層中的分布范圍,避免根系重疊和對資源的競爭,使各根型苜蓿有足夠資源以滿足生存需求,這與紅砂、白刺[14,23]、毛竹(Phyllostachysedulis)[33]根系適應干旱脅迫環境的生態策略一致。

3.3 根系分支率及分形特征

根系分支率能直接反映根系的分支能力和對空間的利用程度[34]。本研究顯示,播種當年及生長第2年各根型苜蓿的總分支率均較小,并隨干旱脅迫加劇逐漸增大,且重度脅迫下,各根型苜蓿的總分支率差異不顯著,但逐級分支率差異顯著,總分支率較小而逐級根系分支率較大,有助于資源的快速獲取和促進主根的向下生長[35]。同一處理下,生長第2年各根型苜蓿的總分支和根級數均大于播種當年,表明各根型苜蓿的適應能力和資源需求均增加。

分形維數和豐度能對根系分支的復雜程度及其在土壤中的擴展能力做定量研究[36]。FD越大,根系越發達,分支越多,FD值越小表明根系的分生能力越弱[24,37]；根系FA越大,表明根系在土壤中所占體積范圍越大[38]。本研究顯示,播種當年及生長第2年各根型苜蓿根系FD較小、FA較大,各根型苜蓿通過簡單的分形結構來適應干旱脅迫生境。相關分析表明,FD與根系長度和面積的關系不明顯,這與Tatsumi報道一致[39]。

4 結論

干旱脅迫下,播種當年及生長第2年,直根型、根莖型、根蘗型苜蓿的根系總長度、總表面積、總體積及平均直徑均減小；各根型苜蓿根系均趨向于叉狀分支結構,使根系內部對水分和養分資源的競爭增強；各根型苜蓿根系總分支較小、逐級分支率較大,有助于資源的快速獲取和促進主根的向下生長；長的連接長度可避免根系重疊和對資源的競爭；各根型苜蓿根系較低的分形維數和較高的分形豐度,說明其根系發育程度較低,但空間拓展能力較強,有利于對營養空間的占有,且重度脅迫下,根莖型、根蘗型苜蓿的根系總長度、總表面積、總體積、比根長、比表面積及平均連接長度均優于直根型苜蓿,表明根莖型、根蘗型苜蓿對干旱生境的適應能力強于直根型苜蓿。