黑果枸杞根系构型对干旱胁迫的响应机制

2022-11-09张金菊郭有燕田青包新光张惠云

南方农业学报 2022年8期

张金菊，郭有燕，2*，田青，包新光，张惠云

（1甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070；2河西学院乡村振兴研究院，甘肃张掖 734000；3河西学院经济管理学院，甘肃张掖 734000；4甘肃省白龙江林业生态监测和调查规划院，甘肃兰州 730030）

0 引言

【研究意义】根系是植物最先感受土壤逆境胁迫的部位（朱广龙等，2018）。在逆境中，植物的生长存活与其根系分布密切相关，根系通过改变其形态和分布以适应不利环境（刘瑞香等，2018）。水分是影响干旱半干旱区植物生长的重要因素之一，探究植物对干旱环境的适应性一直是生态学专家研究的热点问题。黑果枸杞（Lycium ruthenicum）作为我国西北干旱区水土保持、荒漠化治理及土壤改良的多棘刺灌木，具有抗旱、耐盐碱、防风固沙的特性，其果实富含的花青素具有清除自由基、抗氧化的功能，药用、保健价值远高于普通红枸杞（丁玉静等，2017）。野外调查发现，黑果枸杞结实量大，但实生苗数量少，干旱可能是限制黑果枸杞幼苗生长发育和定居的关键因素（郭有燕等，2016）。因此，研究干旱胁迫下黑果枸杞根系特征的变化，对探寻黑果枸杞对干旱胁迫适应机制及荒漠区植被恢复和生态建设有重要意义。【前人研究进展】相关研究表明，干旱或盐渍化条件下，耐性植物通常会增加比根长、根冠比等主动拓展根系分布范围以适应逆境环境，且随着胁迫程度的增加，根系分支逐渐向鱼尾分支模式发展。牛素贞等（2017）研究得出随着干旱胁迫程度的加强，秃房茶（Camellia gymnogyna）、大厂茶（Camellia tachangensis）、茶（Camellia Sinensis）和大理茶（Camellia taliensis）等4种茶树幼苗根冠比、根系总表面积、根系总体积、根系平均直径和根系活力等指标均有不同程度的变化趋势；杨振亚等（2018）研究发现杉木幼苗根系在不同径级的分布长度受干旱胁迫影响显著，且随胁迫时间的延长不断变化；徐立清等（2020）对不同生境胡桃楸的研究表明，由林缘到林隙再到林冠下，胡桃楸根系不断减少次级分支和根系间的重叠，根系构型由叉状分支向鲱鱼骨形分支发展。当前有关干旱胁迫下黑果枸杞的研究主要集中在地上部分。郭有燕等（2017）对黑果枸杞种子萌发和幼苗生长受干旱胁迫影响的研究表明，适度干旱胁迫有利于幼苗生长；且黑果枸杞幼苗叶片的叶绿素和类胡萝卜素含量等均随着干旱胁迫的增加显著下降（郭有燕，2016）。赵晶忠等（2017）研究结果显示轻度干旱胁迫对黑果枸杞种子和低温层积的果实出苗无影响。韩多红等（2020）研究表明，干旱胁迫下，黑果枸杞幼苗叶片抗氧化酶活性受0.3%稀土微肥（REE）的影响，通过增加渗透调节物质积累等可缓解干旱胁迫带来的损害。盐旱逆境下，适宜浓度水杨酸可提高黑果枸杞叶内渗透调节物质含量及抗氧化酶活性，不同氮磷比施肥量能显著提高黑果枸杞叶片非结构性碳总含量（马永慧等，2020；朱亚男等，2020）。马兴东等（2022）研究证明干旱胁迫下适量施氮有利于增强黑果枸杞的抗旱性。【本研究切入点】目前有关黑果枸杞根系构型方面的研究则鲜有报道。开展黑果枸杞根系构型的研究有助于分析土壤空间中根系的分支模式和延伸策略在不同逆境中的适应性。【拟解决的关键问题】以盆栽黑果枸杞幼苗为材料，设置正常供水、轻度胁迫、中度胁迫、重度胁迫和极重度胁迫5个胁迫梯度，探究黑果枸杞根系的分支模式和延伸策略在不同逆境中的适应性，阐明干旱胁迫条件下黑果枸杞幼苗根系构型的变化规律，为黑果枸杞的种植、种群恢复和合理利用提供科学理论依据，同时为其他旱生植物研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验设置在甘肃省张掖市河西学院农学实验基地（北纬37°28′43″，东经97°20′16″），所在地区属大陆性气候，年平均气温6℃，年日照时数3106 h，年太阳辐射量6140～6270 mJ/m2，年平均降水量113～120 mm，年蒸发量为2291 mm。黑果枸杞的种源来自张掖市甘州区老寺庙。采用优势木对比法，选取优良母树，采集果实，带回实验室获取种子，并对种子进行低温沙藏处理。

1.2 试验设计

选用高28 cm、上口径32 cm、下口径23 cm的塑料盆，每盆装入等量风干的混合土（土壤∶砂质土∶腐殖土=1∶1∶2）10 kg，即土壤2.5 kg、砂质土2.5 kg、腐殖土5 kg。于2021年4月3日开始播种育苗，每盆播10粒种子，待出苗后进行间苗，每盆预留3株健壮幼苗，共50盆。待幼苗高度基本一致，开始干旱胁迫试验。2021年7月8日开始干旱胁迫试验，每10盆为一组，共分为5组：第1组为对照（CK），土壤含水量为（20.97±0.49）%，每天下午通过称重法补充水分，持续28 d；第2组为极重度干旱胁迫，当天浇透水后（盆底有溢出为标准）不再浇水，持续胁迫28 d，土壤含水量为（1.45±0.04）%；第3组为重度干旱胁迫，正常浇水（参照CK，下同）6 d，第7 d浇透水后不再浇水，持续胁迫21 d，土壤含水量为（2.35±0.44）%；第4组为中度干旱胁迫，正常浇水13 d，第14 d浇透水后不再浇水，持续胁迫14 d，土壤含水量为（3.42±0.21）%；第5组为轻度干旱胁迫，正常浇水20 d，第21 d浇透水后不再浇水，持续胁迫7 d，土壤含水量为（15.51±0.87）%。试验结束时，将5个处理分别取样，每个处理取3株苗作为3次重复。

1.3 指标的测定和计算

取样时先将地上部分与地下部分用剪刀分开，再将根系整体从花盆中取出，小心抖落根系上的土壤，避免伤害根系构型，将地上部分和根系放入自封袋中编号封存后，放入冰盒中迅速带回实验室，用清水将根系清洗干净。同时，取样后，从每盆土壤中间取出一定量土壤迅速装进自封袋中编号带回实验室，称其鲜重后，装入铝盒中，放置于85℃的烘箱中烘干至恒重，然后计算出每盆土壤的含水量。

1.3.1 根系形态指标采用扫描仪（Epson Perfection V800 Photo，Indonesia）对根系进行扫描，用WinRHIZO根系图像分析系统软件对根系扫描图像进行定量分析，并记录相关数据，包括根系内部连接（2个分支点间称内部链接）数量、外部连接（分支与分生组织之间称外部连接）数量、根系连接长度、根长、平均根系直径、总根表面积、总根体积等。扫描后将地上部分和根系置于105℃烘箱中杀青30 min，再在80℃下烘干至恒重，获得地上部分干重和根系干重，并算出黑果枸杞的根冠比、比根长和比表面积。计算公式如下：

比表面积=根表面积/根干重

1.3.2 根系拓扑参数本研究运用Fitter（1986）的根系拓扑结构及Oppelt等（2005）的修正拓扑参数。Fitter（1986）提出的根系拓扑结构有2个极端模式，即叉状分支和鱼尾形分支模式（图1），并提出根系拓扑指数：

式中，A为最长根系通道内部连接总数，M为根系所有外部连接总数，TI的值越趋近于1.0，根系分支越少，根系结构越接近于鱼尾形分支；TI的值越趋近于0.5，根系分支越多，根系便接近于叉状分支模型。

由于植物的根系构型总存在中间过渡形式，为了说明这一过渡形式，Oppelt等（2005）在此基础上提出了修正拓扑参数。表达式为：

式中，a为最长通道连接总数，与Fitter模型中的A相同；b为平均拓扑长度，即与从基部到根系终端连接数量Pe有关，公式为b=Pe/v0；lbv0=lnv0/ln2，v0等同于Fitter模型中的M，qa和qb分别为a和b的修正值。其中，鱼尾形分支中的qa=qb=1，叉状分支中的qa=qb=0（单立山等，2012；徐立清等，2020）。

1.4 统计分析

利用SPSS 20.0对数据进行处理及方差分析，LSD法进行多重比较；采用Duncan法进行相关分析，使用Origin 2018制图。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗根系拓扑指数与拓扑结构的影响

不同干旱胁迫下黑果枸杞根系拓扑结构的差异情况可通过其根系拓扑指数来反映。由表1可知，随着干旱胁迫时间的延长，黑果枸杞根系修正拓扑指数qa、qb和拓扑指数TI均呈现出先减小后增大的变化趋势，中度胁迫时，qa、qb和TI的值均最小（qa=0.12、qb=0.13、TI=0.71），TI靠近0.50，黑果枸杞属于典型的叉状分支模型，此时根系次级分支最多，根系最密集，其中原因是轻度干旱胁迫有利于黑果枸杞根系生长，故根系分支多，根系密集。而极重度胁迫时，qa、qb和TI的值均达最大值，根系生长因水分不足而受到抑制，故此时根系分支少，内部竞争小，拓扑指数逐渐增大，黑果枸杞根系随着胁迫程度的增加由叉状分支模型向鱼尾型分支模型过渡的的趋势。

表1 不同干旱胁迫下黑果枸杞幼苗根系拓扑结构参数Table 1 Root topological structure parameters of L.ruthenicum seedlings under different drought stress

2.2 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗生物量和根冠比的影响

受干旱胁迫的影响，黑果枸杞生物量和根冠比分配不同（表2）。随着干旱胁迫程度的增加，黑果枸杞幼苗地上生物量、根生物量和总生物量均呈现先增加后减少的变化趋势，且差异显著（P＜0.05，下同）。与CK相比，轻度和中度胁迫时地上生物量分别增加81.63%和39.63%；而重度和极重度胁迫分别比CK减少33.71%和61.74%。根生物量在轻度胁迫时达最大值，说明轻度胁迫时有助于黑果枸杞幼苗正常生长，中度胁迫、重度胁迫和极重度胁迫下根生物量分别比CK增加54.12%、13.72%和3.17%。与CK相比，轻度和中度胁迫时总生物量分别增加82.47%和41.09%；重度和极重度胁迫时，总生物量分别减少28.92%和55.19%。说明黑果枸杞幼苗在中度和重度干旱胁迫下生长受到抑制，而轻度干旱胁迫下有利于其幼苗的生长。

表2 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗生物量分配的影响Table 2 Effects of drought stress on biomass distribution of L.ruthenicum seedlings

同时，随着干旱胁迫程度的增加，黑枸杞的根冠比呈逐渐增加的变化趋势。轻度和中度处理与CK差异不显著（P＞0.05，下同），但重度和极重度与CK差异显著。与CK相比，轻度、中度、重度和极重度的根冠比分别增加5.48%、10.33%、71.72%和169.69%。表明在干旱胁迫下，黑果枸杞幼苗将更多的生物量分配到根系以适应逆境。

2.3 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗根长、根表面积、比根长及比表面积的影响

随着胁迫程度的增加，黑果枸杞幼苗根长和根表面积均呈现先增加后减小的变化趋势（图2）。轻度胁迫时，根长达到最大值，极重度胁迫时，根长最短，且CK与轻度和极重度胁迫处理间差异显著。与CK相比，轻度和中度胁迫时根长分别增加78.13%和41.40%，重度和极重度胁迫的根长分别减少54.43%和75.66%。根表面积中，与CK相比，中度胁迫无显著差异，而轻度、重度和极重度胁迫均存在显著差异；轻度和中度胁迫的根表面积分别增加59.58%和10.42%，重度和极重度胁迫的根表面积分别减小65.50%和82.37%。

比根长与比表面积有相同的变化趋势，均随胁迫程度的增加呈减小的变化趋势。与CK相比，轻度和中度胁迫的比根长分别减小7.73%和10.25%，比表面积分别减小17.59%和30.04%，且差异均不显著；重度和极重度胁迫的比根长和比表面积均显著减小，其中，比根长分别减小60.62%和77.09%，比表面积分别减小80.15%和83.40%。说明随干旱胁迫程度的增加黑果枸杞的根系生长受到抑制，因此比根长和比表面积越来越小。

2.4 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗平均根系直径、根体积的影响

随干旱胁迫程度的加强，黑果枸杞幼苗的平均根系直径表现出先减小后增大的趋势（图3）。与CK相比，轻度和极重度胁迫无显著差异，但中度和重度胁迫的平均根系直径显著减小24.13%和27.89%。随着胁迫程度的增加，根体积呈现出先增大后减小的变化趋势，轻度胁迫时，黑果枸杞的根体积达最大值，比CK增加52.36%，并与其他胁迫处理间存在显著差异。轻度干旱胁迫下，有利于黑果枸杞生长，根系生长较快、数量较多，总体积较大，此时根系较密集，根系的直径扩展将受到限制，故根系平均直径就会减小；反之，重度胁迫时，根系数量减少，根系总体积变小，平均根系直径增大。

2.5 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗根系不同径级根长、根表面积及根体积的影响

随干旱胁迫程度的加剧，黑果枸杞幼苗不同径级根长、根表面积及根体积也在发生变化，如图4所示，随着干旱胁迫程度的增强，不同径级根长整体呈先增大后减小的变化趋势，各径级根长在轻度胁迫时均达最大值，与CK相比，轻度胁迫时，直径0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0和2.0～2.5 mm径级的根长分别增加84.43%、45.96%、56.23%、64.36%和84.70%。

黑果枸杞幼苗不同径级根表面积和根体积均随干旱胁迫程度的增加呈先增大后减小的变化趋势。直径0～0.5、0.5～1.0、1.0～1.5、1.5～2.0和2.0～2.5 mm径级的根表面积在轻度胁迫时均达最大值，分别比CK增加66.52%、39.76%、60.05%、62.39%和83.87%；不同径级根表面积排序依次为直径0～0.5 mm＞0.5～1.0 mm＞1.0～1.5 mm＞1.5～2.0 mm＞2.0～2.5 mm。不同径级根体积也在轻度胁迫时达最大值，与CK相比，各径级根体积分别增加58.99%、33.81%、63.95%、60.55%和82.98%；此时不同径级根体积排序依次为直径0.5～1.0 mm＞1.0～1.5 mm＞0～0.5 mm＞1.5～2.0 mm＞2.0～2.5 mm。前期黑果枸杞幼苗各径级均呈现增加的趋势，这是因为轻度干旱胁迫有利于黑果枸杞生长；但随胁迫程度的加剧，水分不断减少抑制了黑果枸杞根系的生长，故后期各径级均呈现下降的变化趋势。

2.6 干旱胁迫下黑果枸杞幼苗根系生长状况与土壤含水量的关系

通过对黑果枸杞幼苗根系各形态指标与土壤含水量的相关分析发现，总根表面积和平均根系直径与土壤含水量间存在显著正相关，总根体积、比根长、比表面积与土壤含水量间存在极显著正相关（P＜0.01，下同），而根冠比与土壤含水量间呈极显著负相关（表3），说明土壤水分充足时，黑果枸杞幼苗将更多的水分和营养输送到地上部分，此时根系生长较地上部分缓慢。

表3 黑果枸杞幼苗根系生长状况与土壤含水量的相关分析Table 3 Correlation analysis between root growth and soil water content of L.ruthenicum seedlings

3 讨论

3.1 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗根系拓扑指数与拓扑结构的影响

研究根系拓扑结构是探讨不同生境条件下植物根系分支和延伸策略的重要手段（单立山等，2012）。干旱胁迫下，塔克拉玛干怪柳根系呈叉状分支构型（杨小林等，2008），本研究中，干旱胁迫下黑果枸杞根系构型也趋向于叉状分支。但不同生境下，其根系的拓扑指数存在差异，中度胁迫时，黑果枸杞根系拓扑指数最小，此时根系次级分支最多，根系最密集，而极重度干旱胁迫时，根系生长因水分不足而受到抑制，故此时根系分支少，内部竞争小，拓扑指数逐渐增大，随干旱胁迫程度的加剧，黑果枸杞由叉状分支向鱼尾形分支发展的趋势，与单立山等（2012）对红砂的研究结论相似。

3.2 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗生物量和根冠比的影响

在干旱条件下，耐性植物为适应逆境条件，通常会增加比根长和根冠比等来扩大根系分布范围（张翠梅等，2019）。植物对土壤水分的利用情况可通过生物量和根冠比等指标进行评价。本研究发现，黑果枸杞地上生物量、根生物量和总生物量均随干旱胁迫程度的加剧呈先增大后减小的趋势，轻度胁迫下这3个指标均达最大值，说明黑果枸杞在受到一定干旱胁迫时，可通过调节根生物量的分配来实现增加水分吸收的目的，从而维持植株生长，但这种适应能力存在阈值。因此，随着胁迫程度加剧，地上生物量、根生物量和总生物量均不断减小，与李永洁等（2014）对黑果枸杞幼苗受干旱胁迫的研究结果一致，即轻度干旱胁迫有利于黑果枸杞幼苗生长。根冠比随干旱胁迫程度的增加而增大，说明在干旱胁迫下，黑果枸杞幼苗将更多的生物量分配到根系，适应逆境，与单立山等（2017）、王浩等（2019）对土壤水分变化使植物根系形态有显著影响的研究结果一致。

3.3 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗根长、根表面积、比根长、比表面积的影响

根系的生长发育状况对植物吸收和运输水分、营养物质的能力有直接影响（朱广龙等，2018）。受干旱胁迫的影响，植物会将更多的资源分配到根系。本研究发现，根长随胁迫程度的增加呈先增加后降低的变化趋势，说明轻度干旱胁迫有利于黑果枸杞根系生长，随胁迫程度的增加，黑果枸杞根系生长受到抑制，与杨彪生等（2021）对红砂的研究结果相似。随干旱胁迫程度的增加，土壤含水量超出黑果枸杞根系生长的适应范围，根系生长受到抑制，故比根长和比表面积越来越小，其结果与Markesteijn和Poorter（2009）、白亚梅等（2020）的研究结果一致。

随干旱胁迫程度的加剧，黑果枸杞不同径级根长、根表面积均呈先增加后降低的变化趋势，与程明圣等（2021）研究毛竹幼苗在低浓度盐、PEG及二者交互处理时根长较对照组有显著提升的结果相似，说明黑果枸杞幼苗根系通过增加根长缩短直径的策略来增强吸水能力，维持植株正常生命活动（Khan and Ungar，2001）。

3.4 干旱胁迫对黑果枸杞幼苗平均根系直径、根体积的影响

不同胁迫程度下，植物表现出不同的适应策略（罗海斌等，2020），可能与其根系的生长速率和水分利用效率有关（丁红等，2013；陈丽等，2020）。根系直径可反映根系在空间中发育情况，因轻度干旱胁迫有利于黑果枸杞幼苗根系的生长发育，该阶段其细根数量较多，平均根系直径较小，根体积较大。当极重度胁迫时，根系生长发育受到抑制，此时细根发育受阻，平均根系直径增大，根体积减小，与张旭东等（2016）研究的玉米随水分胁迫程度的增加，根长、根表面积、根体积等下降程度逐渐增大的变化趋势大体相同，不同的是黑果枸杞为耐旱植物，轻度干旱胁迫对其无影响，故在轻度胁迫之后才开始逐渐下降。