狭叶柴胡侧根发育过程及影响因素研究

段莎莎，徐冬梅，余 马，舒晓燕，唐志康，刘 丹，侯大斌

（西南科技大学生命科学与工程学院，四川 绵阳 621000）

侧根为植物地上部位提供营养及水分，在植物根部生长发育过程中发挥着极其重要的作用[1-2]。外源植物激素和营养物质可以调控内源生长素水平[3]，从而影响植物根部表型。外源生长素可促进植物根部中柱鞘细胞脱分化为侧根原基[4]，增加侧根数目，促进侧根形成。TIBA作为生长素极性运输的输出抑制剂，能抑制PIN蛋白从胞内到质膜的循环和移动[5]，通过结合生长素输出复合体来有效阻止IAA的极性运输[6]，从而导致IAA在细胞和组织的积累，可以刺激或者抑制根的生长。Ca2+作为第二信使，参与植物生长发育的各个阶段，促进植物根系发育。EDTA作为Ca2+螯合剂，阻止Ca2+在植物体内转运，抑制侧根形成。

柴胡以根入药，主要药用成分为皂苷类化合物[7-10]。在柴胡根部中，韧皮部总皂苷含量高于木质部。因此，侧根数目越多，比表面积越大，总根皂苷含量越高[11]。本研究选用狭叶柴胡审定品种川红柴1号，直根系，双子叶，地下部位表现为主根粗大，须根较少，产量相对偏低。针对这一问题，本实验研究了川红柴1号侧根发育动态过程，并讨论了生长调节物质IAA、TIBA、Ca2+及EDTA对川红柴1号侧根发育的影响，以明确川红柴1号侧根形成机理，为川红柴1号商品性改良提供理论基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

本研究供试材料为狭叶柴胡审定品种“川红柴1号”，该品种系四川德培源中药科技开发有限公司、中国医学科学研究院药用植物研究所、四川农业大学及西南科技大学共同选育，是通过四川省品种审定委员会审定的首个狭叶柴胡新品种。

1.2 研究方法

1.2.1 水培法

选取饱满柴胡种子，置于装有珍珠岩的纸杯中，每个杯子放置5颗种子，于恒温培养箱中发芽。待种子根长至3 cm左右，将幼苗胚轴轻夹于海绵空隙，漂浮在Hoagland营养液中，进行水培，并对根部进行遮光处理。培养条件：昼温（25±2）℃，夜温（22±2）℃，每日光照时间16 h，光照强度约为500 μmol/(m2·s)。

1.2.2 侧根原基发育过程观察

选取10株生长健壮的柴胡幼苗，对主根成熟区进行石蜡切片，经固绿染色后在倒置显微镜下观察与拍摄侧根原基发育动态图。

1.2.3 生长调节物质对侧根发育影响

幼苗在Hoagland营养液中培养10 d后，选取根部长势一致的幼苗进行生长素（IAA）、生长素抑制剂（TIBA）、Ca2+和 Ca2+螯合剂（EDTA）处理，处理浓度见表1，处理时间12 h，每种浓度处理15株。之后转入Hogland培养液中继续培养15 d后测定根系参数。培养过程中每3 d换1次营养液，每组处理均设置3次重复。

1.3 根系参数测定

将收获后的根系样品立即保存于25%的酒精溶液中，通过数字扫描仪（EPSON PERFECTIONV700 PHOTO）将完整的根系图像存入计算机，之后用WinRhizo根系分析系统软件对侧根数目、总根长度、根表面积及根体积进行定量测定。方差分析采用SPSS处理数据，多重比较方法为LSD法和Ducan法，置信区间为95%，使用Origin 8.0作图。

表1 各试剂处理浓度Table 1 Reagent concentrations in different treatments

2 结果与分析

2.1 川红柴1号侧根原基发育过程

2.1.1 侧根原基建成

由图1-A（Ⅰ）可知，中柱鞘细胞发生脱分化，进行细胞分裂，此时细胞分裂旺盛，细胞排列密集，且长度明显变短，细胞质变浓，细胞染色性增强。中柱鞘细胞经垂周分裂形成建成细胞（PFCs）；建成细胞又经平周和垂周分裂形成多细胞层侧根原基，细胞排列密集，细胞质变浓，染色加深，原基向外凸起形成拱形（图1-A-Ⅱ-Ⅲ，图1-B-Ⅱ）；多细胞层侧根原基经垂周分裂向外侧生长膨大，原基向外凸起形成圆锥形（图1-A-Ⅳ，图1-B-Ⅲ）；圆锥形侧根原基逐渐向外发育，不断挤压表皮，表皮层破碎，并出现明显裂痕（图1-A-Ⅴ，图1-B-Ⅳ）。

2.2.2 侧根原基突破表皮

侧根原基由内向外生长，突破表皮层，露出母体，形成真正意义上的侧根。新生侧根基部与母根中柱相连。（图1-A-Ⅵ）。

2.2 川红柴1号侧根发育影响因素

2.2.1 IAA和TIBA对川红柴1号侧根发育的影响

随IAA浓度增加，川红柴1号根系参数值整体表现出先升高后降低的趋势。其中，当IAA浓度为0.01 μmol/L时极显著促进侧根数目和根体积的增大，显著促进总根长和根表面积的增加，浓度超过10 μmol/L时抑制侧根生长。与对照组相比，低浓度TIBA促进根系发育，浓度过高则起抑制作用。其中，0.1 μmol/L TIBA浓度显著促进根系参数增加，浓度超过1 μmol/L时抑制根系发育，浓度达到1 000 μmol/L时完全抑制根系发育，导致植株死亡。

图1 川红柴1号侧根发育过程Figure 1 Lateral root development of“Chuanhongchai No.1”

2.2.2 Ca2+和EDTA对川红柴1号侧根发育的影响

随Ca2+浓度增加，川红柴1号根系参数整体表现为先升高后降低的趋势。其中，Ca2+浓度为1 μmol/L时根系参数值达到最大，极显著促进侧根数目、总根长和根表面积的增加；浓度超过1 μmol/L时对侧根数目、总根长、根表面积及根体积无显著影响。与对照组相比，施加Ca2+螯合剂EDTA，总体表现为抑制柴胡根系发育。其中，10 μmol/L EDTA浓度极显著抑制侧根数目发育，而对总根长、根表面积及根体积无影响；100 μmol/L EDTA浓度极显著抑制侧根数目、根体积增加，显著抑制总根长增加；超过100 μmol/L EDTA浓度极显著抑制侧根发育。

3 讨论

在拟南芥等双子叶植物中，侧根起始于原生木质部中柱鞘细胞[12]；在水稻、玉米等单子叶植物中，侧根起始于原生韧皮部中柱鞘细胞[13]。对川红柴1号研究表明，侧根原基起始于靠近原生木质部中柱鞘细胞，此发育模式与双子叶植物侧根发育模式一致，说明侧根起始位置在不同物种中既具有保守性，又具有差异性。

图2 侧根数目、总根长、根表面积及根体积随IAA浓度的变化Figure 2 Dynamic changes of lateral roots number,total root length,root surface area androot volumeof primary roots with the concentration gradient of IAA

图3 侧根数目、总根长、根表面积及根体积随TIBA浓度的变化Figure 3 Dynamic changes of lateral roots number，total root length，root surface area androot volumeof primary roots with the concentration gradient of TIBA

图4 侧根数目、总根长、根表面积及根体积随Ca2+浓度的变化Figure 4 Dynamic changes of lateral roots number，total root length，root surface area androot volumeof primary roots with the concentration gradient of Ca2+

图5 侧根数目、总根长、根表面积及根体积随EDTA浓度的变化Figure 5 Dynamic changes of lateral roots number，total root length，root surface area androot volumeof primary roots with the concentration gradient of EDTA

柴胡以根入药，主要药效成分为柴胡皂苷。TanX.[14]等人研究发现多支根柴胡侧根数目较单支根柴胡多，且皂苷含量高，因此培育多支根柴胡尤为重要。欧阳立明等人[15-16]对黄瓜幼苗施加生长素发现，适宜浓度生长素显著促进黄瓜主根伸长，增大根系比表面积；周索等[17-18]也发现适当浓度生长素可抑制拟南芥主根生长，促进不定根的生长发育。本研究发现0.01 μmol/L IAA可显著促进川红柴1号侧根数目和根表面积增加，增大根系比表面积。Ca2+作为第二信使，几乎参与所有植物细胞对激素及环境刺激的响应过程[19-20]。江玲等[21]对莴苣幼苗施加CaCl2发现，4 mg/L的CaCl2浓度有利于诱导莴苣幼苗侧根原基的发生。本研究发现，1 μmol/L Ca2+浓度可显著促进川红柴1号侧根数目增加。TIBA作为生长素输出抑制剂，可以刺激或者抑制侧根原基的发生。本研究发现，0.1 μmol/L TIBA浓度极显著促进侧根发育，这与H.A.Abdelgadir等[22-23]人研究结果基本一致；浓度高于1 μmol/L TIBA完全抑制川红柴1号侧根发育，在棉花[24]、大豆[25]、香石竹[26]中也起同样抑制作用。可能因为TIBA阻止了生长素的极性运输，导致生长素在细胞和组织的积累，从而刺激或者抑制侧根发育。EDTA作为Ca2+螯合剂，阻止Ca2+在植物体内转运，间接影响植物体内IAA浓度，来影响植物侧根发育[27]。本研究中EDTA对侧根发生主要起抑制作用。

综上所述，0.01 μmol/L IAA，1 μmol/L Ca2+及0.1 μmol/L TIBA浓度均促进柴胡侧根发育，因此适宜培育多支根型柴胡。此外在柴胡实际生产种植中，可因地适宜添加适当浓度的外源生长调节物质，刺激侧根发育，从而培育出多支根型柴胡。此外，本研究方法可还应用到人参、当归等以根入药的药用植物中，对调控中药材商品性具重大意义。

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