水稻苗期根系形态特征与化感潜力的相关性研究

林舜贤, 李家玉, 张清旭, 汪 鹏, 张 奇, 何海斌

(福建省农业生态过程与安全监控重点实验室/福建农林大学生命科学学院，福建 福州 350002)

植物化感作用是指活体植物向环境中释放次生代谢物，从而能影响周围植物生长和发育的生态学现象.这些次生代谢物称为化感物质，根系分泌是化感物质释放到环境中的主要途径[1].根系分布范围对其它植物的化感作用影响最早见于“胡桃树下不长草”的研究，周围植株的死亡线和黑胡桃根系的分布线是一致的[2]，这主要是由于胡桃树叶片含有胡桃酚糖苷复合物，通过淋溶方式进入到胡桃树根际土壤后，分解为胡桃酚，进一步被氧化为毒性更强的胡桃醌[3].越来越多的研究证实植物的根部和根系分泌物在植株相互作用中非常重要[4-7].Azim et al[8]研究表明，狭叶山月桂(Kalmiaangustifolia)通过地下部根系竞争、根系分泌物和根系菌根三方面的联合作用影响了邻近植株黑云杉(Piceamariana)的生长，其中狭叶山月桂由于其两倍多的根系生物量而显著影响了黑云杉的生长.Czarnota et al[9]研究表明，化感物质高粱酮主要在高粱的根毛部位产生并释放.一些黄酮类物质主要积聚在白三叶草植物的根尖中，并从根冠细胞释放到土壤中介导植物化感作用[10].采用共聚焦显微成像技术，Zhu et al[11]也实时观察到萘醌类化感物质在E.plantagineum活性根毛的顶端聚集.

目前对于水稻根系在水稻化感作用中的直接作用所知甚少. Dilday et al[12]在土壤盆栽试验中，观察到化感水稻根系生物量高于非化感水稻品种.Gealy et al[13]利用13C同位素研究了11个水稻品种和2个杂草的根系分布规律与差异，研究表明，化感水稻在土壤表层中的根系总生物量高于非化感水稻且呈平面扩展型分布，这可能增强了水稻根系分泌化感物质以实现对杂草的抑制作用.水培试验表明[14]，化感水稻的根尖数和根系生物量显著低于非化感水稻，且根系主要以细根为主.这些研究结果说明，化感水稻与非化感水稻的根系特征存在显著差异，并可能对水稻的化感作用产生影响.本研究在土培条件下，分析了化感苗期水稻根系形态特征、化感潜力和总酚含量差异，探讨三者之间的相关性，为通过调控水稻根系生长以提高化感作用这一新途径提供研究基础.

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试品种为国际公认的化感潜力水稻PI312777(PI)、Taichung Native1(TN)和非化感水稻Lemont (LE)[15].采用自然环境条件下种植袋土壤种植.试验所用土壤事先挑除残根残枝，风干混匀，对土壤中的N、P、K含量进行测定[16].结果为：全氮508.0 mg·kg-1、速效氮46.5 mg·kg-1；全磷415.3 mg·kg-1、速效磷50.66 mg·kg-1；全钾463.0 mg·kg-1、速效钾118.31 mg·kg-1.pH值6.36.

1.2 试验设计

试验于2018年6—9月在福建农林大学室外网室中进行.取8 kg土壤于种植袋中(Φ14 cm×15 cm)，加水2 L并搅拌均匀，静置1 d.在种植袋中心播1颗预萌发的水稻种子，每天补水以保持土壤湿润，并拔除试验过程中长出的杂草.每个试验组设4个重复.待水稻长至3、4、5、6 叶期时，采用水流冲洗方式，分离出根系，冲洗过程注意保留根的完整性，用于根系形态特征测定.同时收集水稻地上部分，取水稻叶片1 g，剪成1 cm长的小段，加20 mL蒸馏水，20 ℃浸提10 h，浸提液过0.45 μm滤膜，用于后续试验.

1.3 测定内容与方法

1.3.1 水稻苗期根系形态特征的测定 参照Li et al[14]方法测定水稻苗期根系形态特征.将试验1.2收集的根系清洗干净后，用Epson Expression LA2400扫描仪(Seiko Epson Co., Nagano-ken, Japan)进行根系扫描得到一系列灰度图像.然后用WinRHIZO根系分析系统(Regent Instruments Inc., Quebec, Canada)分析得到根系图像，主要获得以下各根系形态参数：总根长、总表面积、总体积、根尖数和以0.01 mm为间距，分析0～2 mm范围内不同直径细根的根长、根表面积、根体积，每个样品4个重复.

1.3.2 水稻叶片浸提液化感潜力的测定 以莴苣为指示性受体，采用滤纸片生测法对不同叶期3种水稻叶片的化感潜力进行测定[17].分别取试验1.2中水稻叶片浸提液5 mL加到垫有滤纸的组培瓶中，挑选5颗预萌发莴苣种子均匀播于滤纸上，并盖好瓶盖.以5 mL的蒸馏水作为对照组，4次重复.培养瓶置于光照培养箱[(25±2) ℃,6:00—18:00,光照12 h]，3 d后测定莴苣的根长.以抑制率来评价水稻化感潜力，计算公式如下：IR/%=(1-TR/CK)×100.其中，IR：抑制率，TR：处理组测量值，CK：对照测量值.

1.3.3 水稻叶片浸提液总酚含量的测定 采用福林酚法测定水稻叶片浸提液的总酚含量[18].以没食子酸(浓度分别为0、1、3、6、9、12、15 mg·L-1)为标样绘制标准曲线.移取各溶液3.25 mL，加入0.5 mL福林酚试剂(国药集团公司，中国)和2.5 mL 1.0 mol·L-1Na2CO3，混匀后，于25 ℃避光放置40 min，再于770 nm波长下测定吸光度.4个平行重复.取试验1.2的水稻叶片浸提液，稀释10倍，按上述方法测定样品溶液吸光度.根据没食子酸标准曲线求算溶液总酚含量，以mg·g-1表示.

1.4 数据分析

数据利用DPS 2000软件采用单因素方差分析(one-way ANOVA)，显著性差异分析采用LSD法进行，其中ABC，表示1%显著水平；abc，表示5%显著水平，并采用相关性分析法分析不同化感潜力水稻根系形态与化感潜力的相关性.

2 结果与分析

2.1 不同化感潜力水稻苗期根系形态特征

根系扫描图像如图1所示，强化感水稻PI、TN与非化感水稻LE的不同叶期根系形态存在一定差异.根系图像分析结果表明(图2)：在5叶期时，PI和TN总根长显著大于LE；在4和6叶期时，PI和TN总根表面积均显著大于LE；在3和4叶期时，PI和TN的根体积均显著高于LE；无论水稻处于哪一个苗期，PI和TN的根尖数均显著高于LE.

A、B、C分别代表水稻PI312777、Taichung Native1和Lemont；1、2、3、4分别代表水稻3、4、5、6叶期.图1 3种水稻3～6叶期根系扫描图Fig.1 Scanning graphs of the roots of the 3 rice cultivars at 3-6 leaf stage

大小写字母分别表示不同品种在P<0.01和P<0.05水平差异显著.图2 不同化感潜力水稻3～6叶期总根系形态特征Fig.2 Root morphological traits of different allelopathic rice cultivars at 3-6 leaf stage

水稻苗期细根的形态特征差异性分析结果表明(表1)，在5叶期时，根直径为0～0.1 mm的根长、根表面积和根体积均显著高于LE.无论处于哪一个叶期，PI和TN根直径为0.1～0.7 mm的总根长均显著高于LE，总根表面积和总根体积也表现出同样的趋势，而在3、4和5叶期时，非化感水稻根直径为0.7～2.0 mm的根长、根表面积和根体积均显著高于强化感水稻.由此可见，不同化感潜力水稻苗期不同直径细根的形态特征存在一定的差异性.

表1 水稻 3～6 叶期不同直径根形态差异1)Table 1 Root diameter range of different allelopathic rice cultivars at 3～6 leaf stage

1)大小写字母分别表示不同品种在P<0.01和P<0.05水平差异显著.

2.2 水稻叶片浸提液的化感潜力评价

以水稻叶片浸提液对受体莴苣根长的抑制率来评价水稻的化感潜力，结果表明(图3)，在3～6叶期，不同化感潜力水稻叶片浸提液对莴苣根长的抑制率随着叶期先增后降，抑制率在五叶期最大，强化感水稻PI和TN叶片浸提液的抑制率分别为56.09%和58.14%，非化感水稻LE则为46.54%.不论处于哪个苗期，化感水稻PI和TN叶片浸提液对莴苣根长的抑制率均显著高于非化感水稻LE.

大小写字母分别表示不同品种在P<0.01和P<0.05水平差异显著.图3 水稻3～6叶期叶片浸提液对莴苣根长的抑制率Fig.3 Inhibitory rate of the leaf extracts from rice cultivars at 3-6 leaf stage on the root length of lettuce

2.3 不同化感潜力水稻叶片浸提液的总酚含量分析

由图4可知，在3～6叶期，化感水稻PI、TN叶片浸提液中总酚含量均极显著高于非化感水稻LE(P<0.01).3种水稻叶片浸提液的总酚含量在五叶期含量最高，六叶期次之，趋势变化与抑草潜力的变化趋势一致.PI、TN和LE叶片浸提总酚含量最高分别为2.25、2.10和1.55 mg·g-1.

大小写字母分别表示不同品种在P<0.01和P<0.05水平差异显著.图4 水稻3～6叶期叶片浸提液总酚含量Fig.4 Total phenolic content of the leaf extracts of rice cultivars at 3-6 leaf stage

2.4 相关性分析

相关性结果表明(表2)，水稻叶片浸提液抑草潜力与叶片总酚含量、总根长、根尖数、细根根长、表面积和体积(根直径为0～0.1 mm)、细根根长和体积(根直径0.1～0.7 mm)呈极显著正相关(r=0.69～0.76,P<0.01)，同时与总根表面积、细根表面积(0.1～0.7 mm)存在正显著相关(r=0.59，0.68,P<0.05)；叶片总酚含量与根尖数和细根体积(根直径0.1～0.7 mm)呈极显著相关关系(r=0.72,P<0.01)，也与总根长、细根根长和根表面积 (根直径0.1～0.7 mm) 、细根体积 (根直径为0～0.1 mm)显著正相关(r=0.59～0.67,P<0.05).

3 讨论

国内外已有很多关于水稻化感作用研究的报道，前人的研究也表明，水稻的化感作用是通过水稻根系分泌化感物质来实现抑草作用[14,19-22]，水稻的根系形态可能与水稻的化感作用有关，本研究也证实这一推测.在土培条件下，不同化感潜力水稻苗期根系的生长形态存在很大差异.在化感作用最强的五叶期，化感水稻相对于非化感水稻具有明显更多的总根长、根尖数、总根表面积和总根体积以及直径更小的细根.这一结果与Gealy et al[13]研究一致，即与非化感水稻品种相比，化感水稻的根系在土壤表层中扩展性分布，表明化感水稻的根系形态和分布可能与其抑制杂草能力有关.本研究结果也表明，非化感水稻LE直径较大的细根根系比化感水稻多，这或许有利于其根系向底层土壤接触.

根系直径对不同种类、生长形态和生物群落植物的根性状变异有很大影响[23].细根介导了许多陆地植物的重要生物化学过程，传统上定义为直径≤2 mm的所有根[24]，但Iversen et al[25]研究表明，不同直径范围内的细根生长形态具有不同的功能，Li et al[14]研究表明，水培种植的化感水稻根系主要以更细的细根(根直径<0.2 mm)为主，且这个细根形态特征与水稻根系分泌物、化感潜力显著相关，本研究也得到类似的结果.尽管土培种植与水培种植方式下，同一种水稻的根系形态特征会有所不同，但是在水稻苗期 (3～6叶期),化感水稻的根尖数也显著高于非化感水稻，直径更小的细根根长显著比非化感水稻大，而且这些根系形态形状与水稻的的化感潜力和总酚含量之间存在显著的正相关关系，表明根尖数和直径更小的细根是影响水稻化感潜力的关键根系特征，对水稻发挥化感作用十分重要.化感水稻通过根系向土壤释放化感物质，从而抑制水稻杂草的生长[19,26].相关研究表明，大量的根系分泌物，包括酚酸，通常从植物的根毛中释放出来，根毛区是植物根尖组成的一部分[4,6,11,27].因此推断，在化感作用最强的苗期，化感水稻直径小的细根越长，根尖数越多，使得更多的化感物质从根毛中渗出和释放到土壤中，从而具有更强的化感潜力.

许多研究证实，通过改良植物的根系生长可以提高作物产量，增强植物对土壤营养成分的吸收和利用，增强作物的耐旱性等[28-31].通过基因敲除等方法，Uga et al[31]成功改变了水稻根系的生长方向，使其更向下生长，从而使水稻在干旱条件下增强了耐旱性而获得更高的产量.同样，也可以通过改变水稻根系的分布和形态特征，提高根系分泌能力和伸展空间，增强苗期化感作用以提高抑草效率，这是水稻化感作用应用的新思路.本研究结果为这种新思路提供了依据，但仍需要在田间条件下进一步探索.