外施生长素对陆生型空心莲子草不定根生长发育的影响

芦旭然，杨 霞，陈中义

(长江大学园艺园林学院 长江大学植物生态与环境修复研究所，湖北 荆州 434025)

空心莲子草(Alternantheraphiloxeroides)是一种水陆两栖的外来入侵植物，在我国广泛扩散，对我国的生物多样性、农业生产及淡水生态系统造成了不利的负面影响[1-2]。空心莲子草在水陆环境中具有显著的形态可塑性，陆生型和扎根挺水型空心莲子草的不定根常膨大形成贮藏根(宿根)，这种贮藏根是其越冬、繁殖和扩散的重要基础[3]。娄远来[4]研究发现，空心莲子草贮藏根具有由形成层分化产生的三生结构，可以贮藏大量的水分及营养物质，为无性繁殖形成新个体提供基础[5]。有研究发现，内源生长素(IAA)在陆生型空心莲子草不定根膨大形成贮藏根的过程中可能发挥了重要的调节作用[6]。

生长素是植物根系生长发育的重要调控因子，可单独或与其他激素相互作用于植物根系的发育过程。生长素与植物体内特定受体结合，通过调控特定基因的表达对植物根系生长发育以及营养物质的合成产生影响[7-8]。研究发现，外施IAA可促进烟苗(Nicotianatabacum)侧根数增多、地上及地下生物量积累，有效提高了根系活力及代谢能力[9]。在植物不定根的形成过程中，IAA激活血红素加氧酶(HO)的活性，并增加一氧化碳(CO)的含量，经过一系列信号转导作用于不定根原基和分生组织[10]。植物根系的发育是一个复杂且可被多种基因、代谢、激素信号转导等途径调控的过程，加之环境条件不同，使根系在构型、功能及特性上存在显著差异[11]。

为此，本研究通过对空心莲子草叶片喷施不同浓度的外源IAA，从空心莲子草不定根膨大形成贮藏根过程中根形态、蛋白质及蔗糖含量、蔗糖合成和降解相关酶活性及内源激素[包括脱落酸、生长素、油菜素内酯、赤霉素、茉莉酸、玉米素核苷(ABA、IAA、BR、GA、JA、ZR)]含量的变化，进一步揭示IAA对空心莲子草不定根膨大的作用机理，不仅有助于阐明该外来植物入侵的生理生态学机制，而且对有效防治其入侵具有重要指导意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

于2017年6月8日，在荆州市西郊田间沟渠采集生长健壮的空心莲子草地上茎，剪取茎段中部直径0.3～0.4 cm、长度为4 cm的地上茎片段(带有一节，以节为中心，两边长度各2 cm)若干，作为本研究扦插育苗材料。

1.2 试验处理

河沙(沙土)和菜园土壤(壤土)经暴晒、过筛，1∶1均匀混合后，装入塑料杯(上内径9 cm、下内径5.5 cm、高度14.5 cm)中，作为土壤基质，置于长江大学温室大棚棚架上。将空心莲子草茎段倾斜插入已浇透水的基质中，保证节间接触到土壤，每盆1株。每24 h浇灌1次，保持湿生生境，土壤含水量为75%～85%。尽量保持棚内光照、温度、通风等条件与野外一致，每3 d随机移动一次塑料杯的位置，避免边缘效应。在扦插苗生长10 d，长出4～6片叶片时，用小型手持式喷雾器分别喷施浓度为10、50和100 mg·L-1的IAA生长素，每天早晚在同一时段各重复喷施3次，每次喷施程度以叶片水滴不滴落为准，叶片充分吸收后再进行重复喷施。每天每种浓度喷施125 mL，连续4 d，共500 mL，同时设置清水对照组。试验共4个处理，每个处理50个重复，共种植200盆。

1.3 测量方法与数据分析

1.3.1根形态分析 分别在空心莲子草茎段扦插生长20 d(膨大前期)、70 d(膨大期)取样，每组处理每次随机取样数为5盆，共取样2次。本试验将扦插苗根中直径(根最粗部分的横径)<0.15 cm的根称为不定根或须根；直径≥0.15 cm的根称为贮藏根或宿根。将每株空心莲子草从塑料杯中取出，洗净土，观察并统计一级根和宿根数量。采用根系扫描仪[Epson Perfection V700 Photo Dual Lens System(J221A，Indonesia)]对根系进行扫描，记录指标包括根系体积、根系表面积、宿根体积，宿根表面积。使用游标卡尺(精度0.01 mm)测量宿根最粗部分的横径(简称宿根直径)以及宿根长度。最后，将每株植株分为地上茎叶、不定根、宿根放入烘箱中，于80 ℃下烘至恒重(约24 h)，用电子精密天平[METTLER TOLEDO PL303-IC(精度0.001 g)]分别称量其干重，计算根冠比。

根冠比=地下部分根干重/地上部分茎叶干重×100%。

1.3.2根生理指标 分别在空心莲子草茎段扦插生长20 d(膨大前期)、70 d(膨大期)、100 d(膨大后期)取样，每组处理每次随机取样数为10盆，共取样3次，进行各生理指标测量。每个指标取样重复3次，每次测定2次取平均值。可溶性蛋白质采用考马斯亮兰G-250染色法测定，具体方法参照孔祥生和易现峰的《植物生理学实验技术》进行[12]。蔗糖含量采用蒽酮比色法进行测定，具体方法参照西北农业大学植物生理生化教研组编的《植物生理学试验指导》[13]。蔗糖中性转化酶(NI)和酸性转化酶(AI)通过测定还原糖的生成量来表示其活性，蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)通过测定蔗糖的生成量来表示其活性，具体参照王惠聪等[14]的方法进行测定。内源激素含量采用植物激素酶联免疫吸附检测法(ELISA)进行测定，具体参照Chen等[15]的方法在中国农业大学作物化学控制研究中心测定。

1.3.3数据分析 采用Microsoft Excel 2003软件系统整理数据及图表制作，用SAS 8.0进行统计分析，利用单因素方差分析法(one-way ANOVA)进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 外施IAA对空心莲子草根形态指标的影响

在空心莲子草地上茎段扦插苗生长20 d，即不定根膨大前期，不同浓度IAA处理对空心莲子草根系的一级根数量、根系干重和根冠比的影响极显著(P<0.01)(表1)，对根平均直径、根系体积无显著影响(P>0.05)。10 mg·L-1IAA处理下茎叶干重显著大于其他处理及清水对照(P<0.05)；50和100 mg·L-1IAA处理下根冠比显著大于10 mg·L-1IAA处理及清水对照。

在空心莲子草地上茎段扦插苗生长70 d，即不定根膨大期，不同浓度IAA处理下对空心莲子草根系的根系体积、根系表面积和宿根干重影响极显著(P<0.01)(表2)，对宿根直径、根系干重及根冠比无显著性影响(P>0.05)。10和100 mg·L-1IAA处理下宿根条数相对于50 mg·L-1IAA处理和清水对照显著提高；50和100 mg·L-1IAA处理下根系体积、根系表面积显著高于10 mg·L-1IAA处理和清水对照。

表1 不同IAA处理对生长20 d空心莲子草根系生长相关性状指标的影响Table 1 Effect of different auxin (IAA) treatments on growth-related traits of alligator weed roots at 20 days growth

同行不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05)。*，P<0.05，**，P<0.01，ns表示无差异。下同。

Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level. *,P<0.05，**,P<0.01, ns indicates no difference. This information is the same for the following tables.

表2 不同IAA处理对生长70 d空心莲子草根系相关性状指标的影响Table 2 Effect of different IAA treatments on growth related traits of alligator weed roots at 70 days growth

综上所述，喷施IAA处理，能显著增加空心莲子草扦插苗一级根数量，从而增加不定根转化为贮藏根(宿根)的条数，高浓度IAA处理在一定程度上抑制贮藏根伸长，但贮藏根的直径没有受到IAA激素处理的影响。

2.2 外施IAA对空心莲子草根生理指标的影响

2.2.1外施IAA对空心莲子草根中营养物质含量及蔗糖相关酶活性的影响 不同浓度IAA对各时期空心莲子草根中蛋白质、蔗糖含量影响极显著(P<0.01)(表3)。在扦插苗生长20 d(膨大前期)，不同浓度IAA对空心莲子草根中性转化酶、酸性转化酶及蔗糖合成酶活性影响极显著(P<0.01)，对蔗糖磷酸合成酶活性无显著影响(P>0.05)；在扦插苗生长70 d(膨大期)，不同浓度IAA对空心莲子草根中酸性转化酶、蔗糖合成酶及蔗糖磷酸合成酶活性影响显著(P<0.05)，对中性转化酶活性无显著性影响(P>0.05)；在扦插苗生长100 d(膨大后期)，不同浓度IAA对空心莲子草根中中性转化酶、蔗糖磷酸合成酶影响极显著(P<0.01)，对酸性转化酶、蔗糖合成酶活性影响显著(P<0.05)。

与清水对照相比，100 mg·L-1IAA处理的空心莲子草在各个时期其根中可溶性蛋白质含量均显著高于清水对照组(图1)；喷施IAA处理的空心莲子草在各个时期根中蔗糖含量基本上显著高于清水对照组(P<0.05)。

与清水对照相比，在扦插苗生长20 d(膨大前期)，10、100 mg·L-1IAA处理对根中性转化酶及酸性转化酶活性显著抑制(P<0.05)，100 mg·L-1IAA处理对根中蔗糖合成酶活性显著促进，对蔗糖磷酸合成酶活性显著抑制；在扦插苗生长70 d(膨大期)，100 mg·L-1IAA处理对根中蔗糖合成酶活性显著促进，对酸性转化酶、蔗糖磷酸合成酶活性显著抑制；在扦插苗生长100 d(膨大后期)，10、50 mg·L-1IAA处理对根中酸性转化酶活性显著抑制(图2)。

2.2.2外施IAA对空心莲子草根中内源激素含量的影响 喷施IAA处理在各个时期对空心莲子草根系中内源激素均产生显著(P<0.05)或极显著(P<0.01)的影响(表4)。

表3 不同IAA处理下各时期空心莲子草根系中营养物质及相关酶活性的F值和显著性差异Table 3 F value and significance level of nutrients and related enzyme activities in alligator weed roots of different growing days under different IAA treatments

图1 不同IAA处理下空心莲子草根系中营养物质的含量Fig. 1 Nutrient content of alligator weed roots under different IAA treatments

不同小写字母表示相同生长时间不同IAA处理之间差异显著(P<0.05)。下同。

Different lowercase letters indicate significant differences among different IAA treatments on the same growth days at the 0.05 level; similarly for the following figures.

图2 不同IAA处理下空心莲子草根系中蔗糖相关酶活性Fig. 2 Sucrose-related enzyme activity of alligator weed roots under different IAA treatments

生长天数Growing days脱落酸(ABA)Abscisic acid生长素(IAA)Indoleacetic acid油菜素内酯(GA)Brassinolide赤霉素(GA)Gibberellin茉莉酸(JA)Jasmonic acid玉米素核苷(ZR)Zeatin riboside20 d838.48**243.44**219.77**70.15**79.91**153.63**70 d91.10**6.37*283.57**84.26**197.23**991.93**100 d79.58**237.88**432.40**117.85**152.30**174.26**

与清水对照相比，在扦插苗生长20 d(膨大前期)，喷施IAA处理的空心莲子草根中内源ABA、IAA含量显著高于对照组(P<0.05)；在扦插苗生长70 d(膨大期)，喷施IAA处理的空心莲子草根中内源ABA含量显著高于对照组；在扦插苗生长100 d(膨大后期)，喷施IAA处理的空心莲子草根中内源IAA及BR含量显著高于对照组，内源ZR含量显著低于对照组(图3)。

综合上述结果表明，喷施100 mg·L-1IAA处理能极显著增加空心莲子草扦插苗根中蛋白质、蔗糖含量。喷施IAA处理对空心莲子草根中蔗糖相关酶活性、内源激素产生显著影响，促进根内蔗糖的合成。

3 讨论与结论

植物生长素是根系生长发育的重要调节者[16]。本研究结果表明喷施IAA有利于促进空心莲子草一级根数量增多、贮藏根形成以及宿根条数增多，这与刘凤丽等[17]发现IAA可促进大豆(Glycinemax)不定根形成且数量增多的结果相似，但高浓度IAA处理在不同程度上对宿根伸长产生抑制作用，该结果与孟广目[18]研究发现施用外源IAA可抑制拟南芥(Arabidopsisthaliana)主根生长一致，而且这种抑制效应是IAA负调控伸长区细胞伸长的原因。本研究结果表明，喷施一定浓度的IAA可显著增加空心莲子草宿根干重、蛋白质及蔗糖含量，这可能是由于IAA可在一定程度上提高植物光合速率，从而促进碳水化合物积累有关[19]。

图3 不同IAA处理下空心莲子草根系中内源激素的含量Fig. 3 Endogenous hormone content of alligator weed roots under different IAA treatments

ABA，脱落酸；IAA，生长素；BR，油菜素内酯；GA，赤霉素；JA，茉莉酸；ZR，玉米素核苷。

ABA, abscisic acid; IAA, indoleacetic acid; BR, brassinolide; GA, gibberellin; JA, jasmonic acid; ZR, zeatin riboside.

蔗糖是植物的碳骨架和能量载体，对植物生长及其环境适应力至关重要[20]。蔗糖转化酶包括酸性转化酶和中性转化酶，可催化蔗糖降解。张玲等[21]研究发现，草莓(Fragaria×ananassa)中蔗糖转化酶家族基因的表达受IAA诱导，说明激素可能参与调节该基因家族的基因表达。本研究发现，喷施IAA处理，在空心莲子草根系膨大前期中性转化酶和酸性转化酶活性受到一定程度的抑制作用，但是在根系膨大中期，对中性转化酶活性并无显著影响，而酸性转化酶活性显著降低，蔗糖积累迅速积累。这与Kato和Kubota[22]发现酸性转化酶活性降低有利于蔗糖在植物中贮藏的结果一致。此外，喷施一定浓度IAA在空心莲子草根系膨大前期及膨大期可显著提高蔗糖合成酶活性。大量研究表明，蔗糖合成酶对保持蔗糖梯度及促进蔗糖积累产生一定积极作用，王永章和张大鹏[23]发现苹果(Malusdomestica)果实蔗糖代谢过程中蔗糖合成酶活性与蔗糖含量正相关。在本研究中根中蔗糖积累同样与蔗糖合成酶活性的增加相伴随。由此可见，酸性转化酶和蔗糖合成酶与空心莲子草根中蔗糖积累密切相关。本研究中，100 mg·L-1IAA处理在空心莲子草根系膨大前期及膨大期显著抑制酸性转化酶活性，增加蔗糖合成酶活性，从而促进空心莲子草根中蔗糖的积累。Hubbard等[24]研究果实时发现，蔗糖的合成、分解是由中性转化酶、酸性转化酶、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶之间的动态平衡决定。综上所述，生长素可能参与到蔗糖的合成或代谢途径，通过调节对蔗糖合成和降解相关酶活性，促进根内蔗糖的合成，为不定根膨大发育提供充足的养分。

植物激素在植物不定根转化为贮藏根过程中发挥着重要作用[25]。施用外源激素对植物根系内源激素分布及信号转导途径产生影响，使其或单独或与其他激素相互作用于植物主根、侧根、不定根及根毛的发育过程[26-27]。前人研究发现，内源ABA、ZR含量对甘薯(Dioscoreaesculenta)不定根膨大形成块根及其膨大速率具关键作用，与块根干重显著正相关，而叶面喷施壮丰安(ZFA)使甘薯源、库器官内源激素含量发生改变，提高块根内源ABA、IAA含量，增加块根鲜重[27-28]；杨永岗等[29-30]发现较高含量的内源GA促进胡萝卜(Daucuscarotavar. sativa)肉质根膨大，当叶面喷施GA时，显著降低肉质根内源GA、IAA含量，提高内源ZA的含量，对根系膨大产生抑制作用；地黄块根的起始分化受IAA及ZR的影响，在块根膨大前期JA含量显著提高，通过促进糖代谢过程促进块根的形成[31-32]。内源ABA和BR是空心莲子草根系膨大的关键激素，一定浓度的IAA可促进空心莲子草不定根和贮藏根的伸长生长[6]。本研究结果发现，叶面喷施IAA处理显著提高了空心莲子草根系膨大前期内源ABA、IAA、BR、JA、ZR的含量和根系膨大期内源ABA、JA的含量，有利于促进不定根和贮藏根形成，以及增加根系干重、蛋白质及蔗糖含量。解备涛等[33]研究发现在甘薯块根膨大前期叶面喷施DA-6可显著提高根系中IAA、GA3的含量，并通过抑制甘薯地上生物量合成，促进地上部同化物向块根转移，有利于地下生物量的积累，提高块根质量。根据本研究结果推测，空心莲子草通过茎叶吸收外源IAA并运输到根部，其内、外源激素相互作用对根系生长以及根系生物量产生影响，改变植物内各物质的含量，进而影响植物根系的发育和构型。

总体看来，施用外源生长素有利于促进空心莲子草贮藏根的形成，其作用机理可能在于生长素影响空心莲子草根内与蔗糖代谢相关酶活性及内源激素的含量，促进根内营养物质的合成，为根膨大发育提供充足的养分。该研究结果为进一步了解陆生型空心莲子草的不定根膨大机理和提出有效防控措施提供了一定的理论基础。