外源一氧化氮及不同修剪高度对高羊茅根形态特征的影响

马艳芳， 张旭虎， 孟雯雯， 柴 睿， 祁彦文， 许岳飞

(西北农林科技大学 动物科技学院 草业科学系， 陕西 杨凌 712100)

草坪深入人们的生产和生活，对人类赖以生存的环境起着美化、保护和改善的良好作用。高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)是一种重要的冷季型多年生牧草和草坪草，其根系深，植株强健，具有良好的耐热性和较强的抗旱、抗寒和抗病虫害能力。近年来，高羊茅已被广泛应用在园林绿化，城市绿地和水土保持等领域。

修剪是重要的草坪管理措施之一。修剪可增加草坪草分蘖数，从而增加草坪草密度[1]，减少杂草入侵[2]，提高草坪草的抗病性[3]及外观和使用质量。合理修剪还可以控制草坪草高度，使草坪保持平整美观，颜色一致，提高草坪的均一性，抑制杂草的生长，促进草坪草的生长，增加草坪的耐践踏性和弹性。但是，不合理修剪会对草坪草正常生长造成破坏，使草坪植物光合器官损伤，生长中心破坏，从而影响草坪植物的正常生长发育[4]。因此在水肥热适宜情况下，修剪就成为控制草坪植物生长及其种群特征的主导因子[5]。不同修剪高度和修剪频率对高羊茅生长期的生长状况和草坪质量的影响不同，例如南京地区高羊茅管理上应该采用6～9 cm修剪高度和1～2周修剪频次[6]。

目前，一氧化氮(NO)作为重要的信号分子广泛存在于植物细胞内和细胞间，调节并参与许多植物根系生长发育的生理过程[7-8]。我们前期研究了外源NO和Ca2+对不同光强下高羊茅抗氧化系统的调控效应[9-10]，研究发现外源NO对不同光照强度下高羊茅根系有一定调节作用，关于外源NO对修剪胁迫下植物根系调控的研究未见报道。因此本试验以高羊茅为材料，研究外源NO对不同修剪高度下高羊茅根系形态特征的影响，探讨NO对高羊茅不同修剪高度下的调节作用，旨在为草坪科学管理和草坪草新品种分子设计、选育和遗传改良提供技术支持和科学基础。

1 材料与方法

1.1 材料培育与试验设计

供试材料为高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb. )的‘Arid3’品种，由北京克劳沃草业技术开发中心提供。种子经0.1%次氯酸钠溶液表面消毒，蒸馏水冲洗数次后，置于直径17 cm，高21 cm的装有石英砂基质的黑塑料盆中萌发，每盆3株，培养条件为：16 h光期/8 h暗期；光强：100/0 μmol·m-2·s-1；相对湿度：60%；温度：25±2℃，采用Hoagland营养液培养，幼苗每3 d浇1次。培养28 d后对植株进行修剪处理和NO处理。修剪高度(也称留茬高度)分别为0 cm，1 cm，3 cm，5 cm和7 cm，以不修剪为对照(CK)，同时采用0.1 mM硝普钠(sodium nitroprusside，SNP)浇灌法对高羊茅进行外源NO添加。试验设计12个处理，分别为： 0 cm，0 cm + SNP，1 cm，1 cm + SNP，3 cm，3 cm + SNP，5 cm，5 cm + SNP，7 cm，7 cm + SNP，CK(对照)和CK + SNP，每个处理3次重复，7 d后进行相关指标的测定。

1.2 测定项目及方法

用根扫描仪(PerfectionV700Photo，Epson，Japan)对根系进行扫描，扫描时将根系轻轻放入特制的透明托盘中，并且加入3～5 mL水以避免根系分支的相互缠绕影响数据的准确度，扫描后保存图像，采用WinRHIZOPro 2012分析程序对图像进行分析，得到总根长，根表面积，总体积，根平均直径，根尖数，分支数，交叉数等指标。

1.3 数据分析

采用SPSS 18.0对不同修剪高度下高羊茅根系形态指标的数据进行One-way ANOVA单因素方差分析，若有显著性差异，应用Duncan′s法对平均值进行多重比较，利用SigmaPlot 12.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 一氧化氮对不同修剪高度下高羊茅总根长的影响

修剪高度为0 cm和5 cm的高羊茅总根长与对照组差异达到显著水平(P<0.05)，与对照相比分别减少43.12%和27.76%。而修剪高度为1 cm，3 cm和7 cm的高羊茅总根长与对照差异没有达到显著水平(P>0.05)。另外，所有SNP处理下不同修剪高度的高羊茅的总根长均比未经NO处理的要大，而且对1 cm和3 cm效果最为显著，与对照相比分别增加28.61%和28.24%。结果表明，修剪高度为0 cm不利于植物生长发育，而施加SNP可以显著提高不同处理高羊茅的总根长(图1)。

图1 外源NO对不同修剪高度下高羊茅总根长的影响Fig.1 Effects of SNP on the total root length of tall fescue under different mowing height

2.2 一氧化氮对不同修剪高度下高羊茅根平均直径的影响

不同修剪高度对高羊茅根平均直径有较大影响，不同修剪高度下根平均直径变化规律为CK > 7 cm> 3 cm > 1 cm> 5 cm > 0 cm，其中7 cm和CK的差异未达到显著水平，并且0 cm，1 cm和5 cm的差异也未达到显著水平。施加SNP可以显著增加高羊茅根平均直径，并且减轻了不同修剪高度对高羊茅根平均直径的影响。这说明在一定修剪高度范围内，添加NO可以使高羊茅根系直径增加，促进根系生长(图2)。

图2 外源NO对不同修剪高度下高羊茅根平均直径的影响Fig.2 Effects of NO on the average root diameter of tall fescue under different mowing height

2.3 一氧化氮对不同修剪高度下高羊茅根表面积的影响

不同修剪高度对高羊茅根表面积的影响不同。由图3可知，修剪高度为1 cm和3 cm时高羊茅根表面积相比对照呈显著性差异(P<0.05)，分别增加了20.29%和19.82%。而修剪为0 cm和5 cm时高羊茅根表面积小于对照。施加NO后根表面积均增大，变化规律与不加SNP处理基本一致。

2.4 一氧化氮对不同修剪高度下高羊茅根体积的影响

由图4可知，不同修剪高度对根体积的影响较大，修剪高度为0，1，3，5和7 cm的高羊茅根体积与对照相比分别降低70.90%，42.71%，26.26%，58.82%，15.54%和26.09%。施加NO后不同修剪高度下高羊茅根体积均有所增加，与不加NO相比，高羊茅根体积分别增加了71.07%，119.25%，122.26%，132.73%，58.81%和39.17%。在CK+SNP处理下高羊茅根体积增加比例较小，说明NO对修剪后的高羊茅作用效果较为明显。

图3 外源NO对不同修剪高度下高羊茅根表面积的影响Fig.3 Effects of NO on the surface area of roots of tall fescue under different mowing height

图4 外源NO对不同修剪高度下高羊茅根体积的影响Fig.4 Effects of NO on the root volume of tall fescue under different mowing height

2.5 一氧化氮对不同修剪高度下高羊茅根尖数的影响

从图5可以看出修剪高度为5 cm和7 cm时高羊茅根尖数与CK相比差异不显著，修剪高度为0 cm，1 cm和3 cm时高羊茅根尖数显著低于CK，分别降低46.88%，26.73%，32.85%。施加NO后不同修剪高度下高羊茅根尖数增加明显，表明NO可以促进根代谢，提高根尖细胞活跃度。施加NO后修剪高度为0 cm时高羊茅根尖数显著低于1 cm和3 cm，与未加NO时规律不同，这表明修剪高度为0 cm时对高羊茅根系伤害较大，外源NO只能在一定修剪高度范围内起到调节保护作用。

2.6 一氧化氮对不同修剪高度下高羊茅分叉数的影响

由图6可以看出，修剪高度为5 cm的高羊茅分叉数最多，为425个，是CK的1.07倍。修剪高度为0 cm，1 cm和3 cm的高羊茅分叉数最少且显著低于CK，其分叉数大小顺序为3 cm>1 cm>0 cm。施加NO对修剪后的高羊茅分叉数有显著的促进作用，修剪高度为5 cm加NO的高羊茅分叉数高达1734个，是CK加NO的1.33倍。

图5 外源NO对不同修剪高度下高羊茅根尖数的影响Fig.5 Effects of NO on the number of root tips of tall fescue under different mowing height

图6 外源NO对不同修剪高度下高羊茅分叉数的影响Fig.6 Effects of NO on the number of root forks of tall fescue under different mowing height

2.7 一氧化氮对不同修剪高度下高羊茅交叉数的影响

不同修剪高度对高羊茅交叉数的影响规律与分枝数基本一致(图7)。施加NO显著提升了不同修剪高度下高羊茅的交叉数。在施加NO的情况下，修剪高度为0 cm，1 cm和3 cm时高羊茅根部交叉数远低于修剪高度为5 cm时。

图7 外源NO对不同修剪高度下高羊茅交叉数的影响Fig.7 Effects of NO on the number of root crossings of tall fescue under different mowing height

3 讨论与结论

修剪是草坪管理中常见的手段之一，对其研究具有深远的理论和现实意义。修剪可以使草坪平整，均匀，使叶片加密，具有整齐性和美观性，提高草坪质量。另外修剪还可以减少枯草层的形成，延迟草坪的退化[11]。在我们前期研究中，从高羊茅根系抗氧化系统和植物激素的角度阐释了修剪后高羊茅的反应机制，发现不同修剪高度对高羊茅根系的生理变化的影响各不相同[12]，因此高羊茅根系形态也必然相应的呈现不同的变化。本试验中，通过根系扫描仪对不同处理的根系进行扫描后统计分析了总根长，根表面积，根体积，根平均直径，根尖数，分枝数和交叉数7个形态指标。通过数据分析发现不同修剪高度修剪对高羊茅根形态的影响较大，修剪强度不同，高羊茅根形态也具有较大的差异性,并且反映出修剪强度越高，对根形态产生的影响越大。

根长决定了根系吸收水分及养分的能力[13]。总根长越长则根的延展能力越强，因此，根系利用土体中的水分和养分的空间越大[14]。本试验中修剪高度为1 cm和3 cm时，高羊茅根长显著高于修剪高度为5 cm，这表明修剪高度为1 cm和3 cm时能够促进高羊茅根系的伸长生长，这可能是由于根系对修剪产生的适应性而产生了“补偿效应”[15]。而修剪高度为7 cm时高羊茅根系长度也大于修剪高度为5 cm的，这可能暗示着当修剪高度大于一定水平时根系长度与修剪高度正相关，这与以前的研究类似[16]。施加NO后，高羊茅根系长度明显增加，这表明NO可以缓解修剪带来的伤害，促进根系生长。根尖能很好的反映根系生理活性的活跃程度，并且是根系吸收水分，养分的作用指标[17]。据Hayashi等研究表明，根的代谢能力与根尖细胞的活跃度成正比[18]。本试验中修剪高度为5 cm，7 cm时根尖数与CK未呈显著性差异，而更低的修剪高度会造成根代谢活力下降，这可能是由于修剪过多对高羊茅植株造成了一定的损伤。施加外源NO后根尖数显著增加，这表明NO可以提高根系活力。关于NO如何提高根系活力的研究已经有所报道，如水稻受到铝胁迫时，硝酸还原酶途径(NR)是根尖内源NO产生的主要途径[19]，而在修剪后高羊茅NO如何合成并影响根尖数仍有待于进一步研究。

总之，不同修剪高度对高羊茅根形态的影响各不相同。外源NO对不同修剪高度下的高羊茅有修复根形态和促进根系生长的作用。试验结果表明影响高羊茅根形态的7个指标呈现的规律为：随着修剪高度的增加，根长、根表面积、根体积和根平均直径表现为先增加后减小再增加，修剪高度为1 cm和3 cm的高羊茅的根长和表面积最大；根尖数、交叉数、分枝数则随着修剪高度的增加而减小。外源NO对修剪后高羊茅的根尖数、交叉数和分枝数的促进作用远远大于对总根长、根体积、根表面积和根平均直径的促进作用。为更好阐释NO调控修剪后高羊茅根系形态的机制，需要从植物激素和抗氧化系统等其他角度进行更深一步研究。