氮、磷缺乏对草莓生长前期根系形态和植株内源激素的影响

蒋 薇，张 佳，贾志航，宋庆科，魏 猛*，张 婷

（1.江苏徐淮地区徐州农业科学研究所 铜山试验站,江苏 徐州 221114；2.江苏徐淮地区徐州农业科学研究所,江苏 徐州 221131）

中国是世界上最大的草莓生产大国，草莓栽培面积、产量和消费量均居世界第一位［1］。草莓的生长周期短、经济效益高等优点而使其成为各地发展农村经济、促进农民增收的重要经济作物之一［2］。根系是作物吸收养分、合成内源激素的重要器官，同时起固着和支撑作用。根系的形态和生长状况直接关系作物养分的吸收及植株地上部分的生长发育，养分的盈亏也会影响根系自身的生长［3-7］。氮和磷元素的缺乏会增加根系生物量，分配到地上部的生物量相对减少，导致根冠比增大［8］。季应明［9］对草莓缺素症状作出了初步诊断，但关于养分盈亏对草莓根系的影响鲜有报道。此外，养分对植物内源激素的合成也具有重要作用。细胞分裂素和生长素共同调控细胞的分裂和生长，鲍娟等［10］的研究表明，氮元素的缺乏能诱导生长素合成相关基因的表达，并促进生长素从地上部到地下部的运输，从而增加了根系中生长素的含量。细胞分裂素对植物根系生长的影响主要表现为抑制主根伸长，并促进侧根形成。不同植物在应对缺磷条件下根系中细胞分裂素信号具有不同的响应［4，11］。目前，关于养分对草莓生长前期植株内源激素含量及分布的影响鲜有报道。本文采用盆栽试验，研究全量营养液、缺氮和缺磷营养液培养对草莓生长前期根系形态和植株内源激素的影响，以期为草莓的养分管理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料准备

供试的草莓品种为圣诞红，清水洗净穴盘，并添加草莓幼苗的基质，留取3叶1芯及3～5 cm的短根，栽植前用吡噻菌胺1500倍液和多菌灵1000倍液混合液浸泡8 min。

河沙用清水洗净，与蛭石以1∶1的比例混合装入圆柱形盆钵内，每盆0.88 kg。盆钵规格为上口直径130 mm，下口直径110 mm，高90 mm。盆钵底部铺垫双层纱布，以防渗漏。

1.2 试验处理

盆栽试验于2021年9月8日至10月18日在江苏徐淮地区徐州农业科学研究所铜山试验站连栋温室内进行。设置全量、缺氮、缺磷营养液3个处理，每个处理各重复3次。营养液为改良的草莓山崎营养液配方，配制成10倍的母液，现配现用，调节pH值至5.5～6.5，详细配方如表1所示。选取长势一致的草莓幼苗，栽植前浇透底水，栽植完成后用遮阳网适当遮阳，以利缓苗，缓苗7 d后进行试验处理。9月16—22日浇灌1/2浓度的单位营养液，9月23日至10月2日浇灌3/4浓度的单位营养液，10月3日至采样浇灌1个浓度的单位营养液。浇灌时间为晴天下午的16:00，每盆浇灌100 mL营养液，每2～3 d一次，浇2次营养液后使用清水浇灌以防盐害。处理后30 d取样，取样时将盆钵倒扣，小心去除根系附着物，洗净后擦干水分，用根系扫描仪扫描，选取部分样品测定根系的活力，另一部分样品用液氮保存，用于测定激素含量。

表1 草莓山崎营养液改良配方

1.3 试验方法

根系形态用根系扫描仪（Epson Perfection V850 Pro，China）扫描获取根系图像后，用相关根系分析软件（Winrhizo2009，Canada）进行根系指标分析。根系活力的测定采用TTC氧化还原法［12］。植物生长素浓度和细胞分裂素含量均采用ELASA法定量检测试剂盒（睿信生物，福建）、Thermo MULTISKAN GO型酶标仪进行测定，使用ELASACclc软件绘制标准曲线。

1.4 数据分析

采用Excel 2007和SPSS 20.0软件对数据的整理和分析。采用单因素ANOVA分析（Duncan’s新复极差法）进行显著性差异比较（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 氮、磷缺乏对草莓生长前期根系活力的影响

经过30 d的营养液浇灌处理，观察到各处理间草莓根系存在显著差异（图1）。全量营养液处理的草莓植株根系发达，密生侧根；缺氮处理的草莓植株侧根较少，地上部生长不良；缺磷处理的草莓植株矮小，而根系长度增加，根系夹角变小。根系活力是衡量根系抵御逆境能力大小的一个重要生理指标，其活力的高低直接影响作物的生长发育［13-14］。试验结果表明，相较于全量营养液处理，缺氮和缺磷处理的根系活力明显下降，较全量处理分别下降17.0%和14.4%（图2）。

2.2 氮、磷缺乏对草莓生长前期植株干物质量及根冠比的影响

由表2可知，缺氮营养液处理植株的地上部干物质量较全量处理显著下降，下降达42.1%，地下部的干物质量较全量处理无显著差异，根冠比最高达0.63，表明了氮素缺乏会抑制植株地上部的生长。缺磷处理植株的地上部干物质量较全量处理下降了48.3%，地下部干物质量较全量处理下降了43.1%，表明了磷素缺乏会严重抑制植株的生长发育。

表2 氮、磷缺乏对草莓生长前期地上部及地下部干物质量的影响

2.3 氮、磷缺乏对草莓生长前期根系形态的影响

氮磷素的供应与根系的生长发育密切相关，根系形态及构型发育状况也影响着植株对养分的吸收能力［15-17］，因而对根系形态学特征的研究对揭示养分吸收利用具有重要意义。由表3可知，全量营养液处理的草莓植株根长、根表面积、根平均直径、根体积、根尖数和分枝数均高于缺素处理。缺氮和缺磷处理的根长较全量处理分别降低47.7%和61.9%；缺氮和缺磷处理的根表面积分别降低58.1%和64.7%；缺氮处理的根平均直径降低19.2%，缺磷处理的根平均直径与全量处理无明显差异；缺氮和缺磷处理的根体积分别降低66.6%和66.9%；缺氮和缺磷处理的根尖数分别降低40.1%和50.6%；缺氮和缺磷处理的分枝数分别降低41.2%和49.5%。综上所述，氮素、磷素的缺乏不利于草莓植株生长前期根系发育形态构建。

表3 氮、磷缺乏对草莓生长前期根系形态的影响

2.4 氮、磷缺乏对草莓生长前期根、茎、叶中细胞分裂素的影响

从图3可知，全量营养液处理的草莓植株根、茎和叶的细胞分裂素含量分别为4.54、4.74、5.12 ng/mL，根系分泌的细胞分裂素由地下部向地上部运输。缺氮处理的草莓植株根、茎和叶的细胞分裂素含量分别为4.72、4.60、5.01 ng/mL，与全量处理对比，细胞分裂素含量在根中升高，在茎和叶中下降，但差异不显著。缺磷处理的草莓植株根、茎和叶的细胞分裂素含量分别为4.39、4.76、4.58 ng/mL，缺磷处理在叶中的细胞分裂素含量显著低于全量处理。综上所述，缺氮对草莓生长前期的影响可能与细胞分裂素在植株体内的分布无关，而缺磷降低了草莓叶中的细胞分裂素的含量，从而抑制了地上部生长。

2.5 氮、磷缺乏对草莓生长前期根、茎、叶中生长素的影响

由图4可知，全量处理的草莓植株根、茎和叶的生长素含量分别为1.37、1.30、1.72 μmol/L。缺氮处理的含量分别为1.41、1.37、1.53 μmol/L，其根和茎中的生长素含量上升，而叶中的生长素含量下降，与全量处理没有显著差异。缺磷处理的草莓植株根、茎和叶的生长素含量分别为1.25、1.67、1.58 μmol/L，在根中，缺磷处理的生长素含量显著低于全量处理；而在叶中，缺磷处理的生长素含量显著高于全量处理。综上所述，缺氮对草莓生长前期的影响可能与生长素在植株体内的分布无关，而缺磷降低了草莓根中生长素的含量，从而抑制了侧根发育，提高了草莓茎中生长素的含量。

3 讨论

3.1 草莓生长前期根系对氮、磷缺乏的响应

根系是作物吸收养分、水分的主要器官，对大多数作物而言，生长前期是根系构建的关键时期，其为作物后期的健壮生长奠定基础［18］。作物根系的生长受作物品种、栽培措施、环境因子等多种因素影响，其中土壤养分是影响作物根系生长的主要环境因素［19］。大量研究阐明了养分对作物根系生长的影响，适量氮可促进根系的生长发育，而缺氮或过量氮对根系的生长不利［5，20-23］。本研究结果显示：相较于全量营养液，草莓在缺氮处理后的侧根少，根系活力下降，根系干物质质量和根系形态指标（根长、根表面积、根平均直径、根体积、根尖数、分枝数）均呈现显著下降趋势。这表明氮对草莓生长前期的根系发育具有重要作用。

磷对根系构型及光合产物在根、冠之间的分配起重要作用。大多数研究表明，生长前期缺磷可以促进根系的发育，从而提高作物的根冠比［24-26］。为适应低磷环境，作物往往通过增加总根尖数，增大根表面积、根体积及平均直径来提高对磷元素的获取能力［27］。在菜豆中，缺磷表现为基部根系生长角度变小［10］。本研究结果显示：相较于全量营养液，缺磷处理的草莓植株根系夹角变小，根系活力下降，除根平均直径外，其余根系形态指标均呈现下降趋势。这表明磷是影响草莓生长前期根系发育的主要因素之一，生长前期缺磷不利于草莓根系的生长发育。

3.2 内源激素含量与分布对草莓前期生长的调控作用

内源激素具有调控作物生长发育的作用，养分胁迫会影响内源激素的合成和转运［28-29］。陈开等［30］的研究表明，过表达生长素合成限速酶YUCCA会引起表达部位生长素含量的上升，从而促进不定根数目的增加，并抑制根系伸长。在水稻中生长素运输相关载体，例如AUX、LAX，对于侧根发育具有重要作用［31-32］。在大多数作物中，缺氮会提高作物根系生长素的含量［33-35］。施用氮肥则通过上调细胞分裂素合成关键酶IPT基因的表达，促进反式玉米素型细胞分裂素（tZ-CTK）的合成，从而增加木质部及冠层叶片中的tZ-CTK含量［36-38］。但植物也存在反馈抑制调节机制，外源施加细胞分裂素或过表达IPT基因均会显著抑制植物主根、侧根的发育［11，39］。低磷胁迫能诱导拟南芥茎尖合成大量的生长素并通过极性运输方式向下运输［40］。不同植物在应对缺磷条件下根中细胞分裂素信号具有不同的响应，大多数研究表明：细胞分裂素能够参与长距离信号系统控制磷缺乏反应的负调控，比如缺磷会导致荨麻根中细胞分裂素含量下降；但在拟南芥中，缺磷提高根中细胞分裂素含量［41-42］。本研究的结果显示：全量营养液处理的草莓植株不同器官细胞分裂素含量大小表现为根＜茎＜叶，且全氮处理根中细胞分裂素含量低于缺氮处理；缺氮处理草莓根中生长素含量上升。缺磷处理条件下，草莓根中细胞分裂素含量下降；草莓茎中生长素含量显著上升，但在根中生长素含量显著下降，抑制了侧根的发育，促进了根系的纵向生长。这表明氮和磷可能通过调节植株内源激素的含量与分布，从而影响草莓根系的生长。