干旱胁迫对红宝石海棠根系形态及生理特性的影响

郑淼, 郭毅, 王丽敏

(山西林业职业技术学院园林系, 太原 030009)

红宝石海棠(Malusmicromaluscv. ‘Ruby’)是蔷薇科苹果属落叶小乔木，因其枝、叶、花、果均呈红宝石色，因此又名“红叶海棠”。红宝石海棠枝条发出的新叶呈红色，嫩芽更红，果实呈鲜红，极具观赏性，可以作为观赏花木栽培；果实成熟后酸甜适口，营养丰富，也可以作为名优水果栽培；其树冠修剪简单，容易造型，树形优美，亦可作为盆景栽培。红宝石海棠具有较强的适应性，喜光不耐阴，耐瘠薄、耐寒冷、耐轻度盐碱[1]，且对SO2的抗性较强，非常适合作为城市道路绿化的行道树，是我国北方城市道路绿化的主要优良树种。

关于红宝石海棠的研究报道较少。刘晓芳等[1]研究了适应于新疆的红宝石海棠栽培的整地、移栽、嫁接及快速育苗等技术；张文军[2]介绍了红宝石海棠的嫁接育苗及苗木管理技术；刘兴旺等[3]对红宝石海棠的生物学特性、适生区域、引种繁育技术及其应用进行了研究。刘晓芳等[4]通过抗寒性、抗旱性、耐盐碱性、观赏性等指标来建立生长适应性评价体系。也有部分学者就红宝石海棠枝叶颜色的影响因子[5]及遗传特性[6]等方面开展了研究，为进一步提升其观赏性提供了技术支持。红宝石海棠作为北方城市的主要行道树种被广泛应用，但是由于对其抗旱性能及机理未见报道，关于其根系对干旱环境的适应性能了解不够，给城市绿化管理带来了极大的不便。基于此，本文研究了不同程度干旱胁迫对红宝石海棠根系形态特征及其生理特性的影响，探讨其耐旱机理，为红宝石海棠的栽培管理和推广应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015年在山西省太谷县小白乡白燕村绿美苗木基地开展，采用盆栽控水法，材料为株高、长势一致的一年生红宝石海棠实生苗。盆栽用盆为塑料花盆，规格为330 mm×230 mm×250 mm(上口直径×底部直径×高)。每盆装自制营养土10 kg，营养土配比为土壤：农家肥：粗砂=6∶3∶1(质量比)。于2015年秋季移栽，每盆1株，移栽时苗木茎高约25 cm。栽后置于日光温室内进行常规管理。

1.2 试验设计

试验设置5个水分梯度，各处理土壤相对含水量分别为85%±5%(CK)、70%±5%(T1)、55%±5%(T2)、40%±5%(T3)、25%±5%(T4)，每个处理3次重复，每个重复5株植株。移栽后正常水分管理，2016年4月10日开始控水处理，试验期间每天18：00称重(整盆)，补充消耗水分，保证各处理的土壤水分含量在设定区间内。控水60 d后，选择代表性植株，将根系冲洗干净用于测定根系形态特征，另取代表性植株根系测定根系活力等指标。

1.3 测定指标及方法

参照李合生[7]方法测定以下指标：游离脯氨酸(proline, Pro)含量采用酸性茚三酮比色法；可溶性蛋白质(soluble protein, SP)含量采用考马斯亮蓝法；丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)法；可溶性糖(soluble sugar, SS)含量采用蒽酮比色法；过氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈创木酚法；过氧化氢酶(catalase，CAT)活性采用紫外分光光度法。参照张志良等[8]采用TTC还原法测定根系活力。利用Epson Expression 1680扫描仪(Japan)和Win Rhizo Pro 2004根系分析软件(Canada)测定总根系长度(cm) 、表面积(cm2)、总体积(cm3)和根尖数等根系形态指标。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2003进行数据处理和图表制作，方差分析采用SPSS 19.0进行。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对根系形态特征的影响

不同程度干旱胁迫的根系形态特征结果见表1。可知，干旱胁迫影响红宝石海棠的根系形态特征，随干旱胁迫强度增加，根系的总长度、表面积、总体积和根尖数均呈逐渐增加后降低的趋势。根系的总长度、表面积、总体积均以T3处理最大，分别较CK增加了27.08%、70.82%和61.07%；胁迫强度继续增加(T4)后，这些值又下降至低于CK的值(分别较CK降低1.29%、15.49%和16.64%)。根尖数以T2处理最多(较CK增加50.38%)，T4最少(较CK降低26.91%)。

表1 干旱胁迫对红宝石海棠根系形态特征的影响Table 1 Effect of drought stress on root morphological characteristic of M. micromalus cv. ‘Ruby’

说明红宝石海棠在土壤相对含水量为40%～55%时最有利于根系的生长发育，相对含水量持续降低则引起根系的生长受阻、新根发生减少。

2.2 干旱胁迫对根系活力的影响

植物根系对水分胁迫较为敏感，水分亏缺将加速根系衰老，导致其活力下降，进而降低吸收水分和养分的能力。由图1可知，干旱胁迫影响红宝石海棠的根系，随干旱胁迫程度增加，根系活力呈先升高后降低的趋势。T1处理的根系活力最强，极显著高于CK处理，较CK提高15.46%；T3、T4处理的根系活力极显著低于CK处理，分别较CK降低39.67%和151.96%。说明当土壤相对含水量维持在55%以上时，红宝石海棠可保持较强的根系活力，降低将会导致根系活力下降。

注：不同大写字母表示不同处理间差异在P<0.01水平具有统计学意义。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.图1 干旱胁迫对红宝石海棠根系活力的影响Fig.1 Effect of drought stress on the root activity of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.3 干旱胁迫对渗透调节物质的影响

游离脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白是植物应对干旱胁迫的重要渗透调节物质。不同干旱胁迫处理的红宝石海棠根系脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量结果见图2。可知，随干旱胁迫程度的增加，根系内脯氨酸和可溶性糖含量均呈逐渐上升趋势。T2、T3、T4处理的脯氨酸含量均较CK处理极显著升高；处理T1、T2、T3、T4的可溶性糖含量均较CK处理极显著升高。随干旱胁迫强度增加可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趋势，T1、T2处理极显著高于CK处理，分别提高18.76%和31.77%，二者差异不显著，T4处理的可溶性蛋白含量极显著低于CK处理，降低了20.26%。说明当红宝石海棠遭遇干旱胁迫时，可通过自身调节提升游离脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等渗透调节物质的含量，以降低细胞渗透势和水势、保护膜系统，维持细胞代谢正常。

注：不同大写字母表示不同处理间差异在P<0.01水平具有统计学意义。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.图2 干旱胁迫对红宝石海棠根系的游离脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影响Fig.2 Effect of drought stress on the content of Pro, SS and SP of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.4 干旱胁迫对MDA含量的影响

当植物处于逆境胁迫时，细胞内累积的活性氧可直接攻击膜系统中的不饱和脂肪酸，导致膜脂发生过氧化而产生丙二醛，进而导致生物膜的结构和功能受到损伤或破坏[9]。因此，丙二醛含量的高低可在一定程度上反映细胞膜结构的受害程度[10]。由图3可知，随干旱胁迫程度增强红宝石海棠根系的丙二醛含量呈持续增高趋势，处理T1、T2、T3、T4较CK处理分别增加32%(T1)、93%(T2)、138%(T3)和182%(T4)，各处理间极显著差异。作为膜脂过氧化产物，丙二醛含量随着干旱胁迫程度增强而升高，说明干旱胁迫导致的红宝石海棠根系膜系统受损程度随胁迫强度增加而加重。因此，在管理过程中尽量避免因过度干旱造成的根系损伤。

注：不同大写字母表示不同处理间差异在P<0.01水平具有统计学意义。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.图3 干旱胁迫对红宝石海棠根系MDA含量的影响Fig.3 Effect of drought stress on MDA content of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.5 干旱胁迫对过氧化物酶和过氧化氢酶活性的影响

不同程度干旱胁迫对过氧化物酶和过氧化氢酶活性的影响结果见图4。可以看出，随着干旱胁迫强度的增加，红宝石海棠根系的POD活性呈逐渐增强的趋势，与CK相比，干旱胁迫处理的POD活性分别提高了37.25%(T1)、92.89%(T2)、128.25%(T3)和135.36%(T4)；除T3与T4外，POD活性在处理间呈显著差异。CAT活性随干旱胁迫强度增加呈先升高后降低的趋势，CAT活性以CK最低，T2最高；CK与T1间、T3与T4间差异未达到极显著水平。T2的CAT活性显著高于其他处理，比CK提高了51.61%。由此可知，持续增强干旱胁迫强度后，POD活性也随之增加；但CAT活性在土壤相对含水量降至55%(T2)时达最高，如果再降低土壤含水量则CAT活性持续降低，这可能导致活性氧不能被及时有效清除，造成膜脂过氧化而伤害根系。

注：不同大写字母表示不同处理间差异在P<0.01水平具有统计学意义。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.图4 干旱胁迫对红宝石海棠根系的过氧化物酶和过氧化氢酶活性的影响Fig.4 Effect of drought stress on POD and CAT activities of M. micromalus cv. ‘Ruby’

3 讨论

植物受到干旱胁迫时，根系首先感受胁迫并发出信号，使整个植株对干旱做出相应反应以适应干旱环境[11]。当胁迫程度加剧或胁迫时间持续时，植物根系的形态特征和生理特性将产生变化以适应并缓解干旱，直至发生不可逆的死亡。本研究显示，适度干旱胁迫可促进红宝石海棠根系生长发育，增加根系的总长度、表面积、总体积和根尖数；但持续增强干旱胁迫后，根系的总长度、表面积、总体积和根尖数呈极显著下降趋势。这主要是因为干旱条件下植物通过延长根系长度、增加根系数量来实现在较大范围内吸收土壤水分以缓解干旱对其自身造成的伤害，但干旱胁迫强度超过根系耐受范围时将限制根系生长发育。研究者们在玉米[12]、杉木[13]、顶果木[14]、苹果[15]的研究也得到了类似结果。

根系是植物吸收水分和矿质营养的主要器官，根系活力的大小反映吸收能力的强弱。水分胁迫时会影响根系的吸收能力[16]。本研究中，轻度干旱提高了红宝石海棠的根系活力，这与侯梦圆等[17]研究结果一致；持续增加干旱胁迫强度后根系活力则持续下降，这与王智威等[18]的研究结果一致。这主要是因为植物根系对干旱胁迫的忍耐能力是有限的，超过这个限度后就会对根系造成伤害[19]。

渗透调节是植物适应水分胁迫的重要调节机制之一[20]。当植物受到干旱胁迫时，细胞主动生成渗透调节物质来提高细胞液浓度、降低其渗透势从而增强植物保水能力[21]。本研究显示，随干旱胁迫程度增强，红宝石海棠根系的可溶性糖和游离脯氨酸含量呈逐渐升高趋势，且处理间存在极显著差异。研究者们对珠美海棠[22]和八棱海棠[23]的研究也得出类似结果。本研究发现，随干旱胁迫强度增加，根系可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趋势。这主要是因为轻度干旱促进细胞维持较高浓度的可溶性蛋白质来抵抗干旱胁迫伤害[24]，但干旱胁迫过强又抑制了蛋白质的合成并诱导蛋白质降解，从而降低总蛋白质含量[25]。本研究中，干旱胁迫增强极显著地诱导根系MDA含量升高，主要是因为干旱胁迫增强导致细胞内积累的活性氧增多，造成膜脂发生过氧化产生更多MDA。学者们在研究干旱胁迫对山核桃[26]、桂花[27]等植物的影响时也得到类似结果。

干旱胁迫导致植物细胞活性氧代谢失衡，活性氧累积进而伤害细胞[28]。POD和CAT具有清除细胞内过剩活性氧的功能，是植物清除活性氧的关键保护酶[29]。本研究显示，干旱胁迫在一定程度上提高了红宝石海棠根系的POD和CAT活性，随干旱胁迫强度增加，POD活性呈逐渐增强趋势，而CAT活性呈先升高后降低的趋势。张桂霞等[22]报道，珠美海棠实生苗遭遇干旱胁迫时，其叶片的CAT活性也呈逐渐升高的趋势。也有报道显示，干旱胁迫下将导致西府海棠实生苗、贴梗海棠实生苗和贴梗海棠扦插苗的POD活性升高[30]。邓胜兴等[31]在研究干旱胁迫与柑橘叶片酶活性时发现，随干旱胁迫增强，POD活性呈先升高后降低的趋势，而CAT活性则呈降低趋势。高兴国等[32]发现，随干旱胁迫程度加剧，叶片中的POD与CAT酶活性均先上升后下降。这主要是因为，植物在受到水分胁迫时，细胞内将产生过剩的活性氧自由基，导致膜脂过氧化而伤害膜系统。为了降低这种损害，植物体内的保护酶(如：CAT、POD等)含量升高以清除自由基，从而起到保护植物的作用[33]。

综上所述，适度干旱可促进红宝石海棠根系的生长发育，提升根系的吸收能力；根系可以通过调整保护酶活性(POD、CAT)和可溶性物质含量(SS、SP和Pro)来提高其对干旱胁迫的抵抗能力，从而有效防止因膜脂过氧化而对根系造成的伤害。综合考虑各指标认为，土壤相对含水量为55%为红宝石海棠的最适灌水阀值，当土壤相对含水量降低至55%以下将对根系造成伤害，此值可作为红宝石海棠栽培水分管理的依据。