外源硅添加對模擬干旱脅迫下垂穗披堿草苗期根系形態(tài)的影響

楊 智，陳仕勇，周青平，汪 輝，陳有軍，胡 健

（1. 西南民族大學(xué)生命與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041；2. 西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041）

干旱是自然界最主要的非生物脅迫之一，地球上大約1/3的土地處于干旱或半干旱區(qū)域，我國的干旱半干旱區(qū)域約占國土面積的1/2，非干旱區(qū)域也常會出現(xiàn)階段性或季節(jié)性的干旱[1]，干旱嚴(yán)重制約著我國農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展。當(dāng)土壤干旱時，根系首先受到干旱脅迫，其形態(tài)結(jié)構(gòu)、分型模式會發(fā)生相應(yīng)的變化，以適應(yīng)干旱的土壤[2-3]。根是植物重要的組成部分，同時也是植物適應(yīng)不同環(huán)境條件的功能器官[4]。根系的生長情況關(guān)系到植物對水分、養(yǎng)分的吸收。根系形態(tài)是描述植物根系適應(yīng)環(huán)境變化的重要指標(biāo)，植物根系形態(tài)特征參數(shù)主要有根系生物量、總長度、表面積、平均直徑等[5]。干旱脅迫會抑制根系直徑的增大[6]，根系的伸長生長受到抑制，總根長變短[7]。當(dāng)植物遭受干旱脅迫時，根系通過膨壓變化和生物膜受體感知信號，并傳遞至植物地上部分，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，降低蒸騰作用減少水分流失，同時自身也通過形態(tài)、結(jié)構(gòu)和生理的變化來適應(yīng)外界環(huán)境的變化[8]。

硅在地殼中含量很大，約占地殼的28%[9]。硅是植物生長發(fā)育的有益元素，更是一種對生態(tài)環(huán)境友好的元素[10]。近年來有關(guān)外源硅添加提高植物抗逆性、促進植物生長的研究成為熱點。研究表明，外源硅添加能提高植物對干旱[11]、鹽[12]、重金屬[13]、紫外線[14]、病原物[15-16]等有害因子的抗性。陳偉等[17]研究顯示，外源硅添加能促進單子葉植物干物質(zhì)的積累，提高其地上生物量，并且能夠促進其生長發(fā)育，提高其對逆境脅迫的抗性[18-19]。劉慧霞等[20]研究發(fā)現(xiàn)，硅可以促進紫花苜蓿(Medicago sativa)側(cè)根的分化，從而增加了根系生物量。Hameed等[21]通過聚乙二醇(PEG-6000)模擬干旱脅迫，對干旱脅迫下的小麥(Triticum aestivum)幼苗添加外源硅，研究結(jié)果表明，外源硅添加促進小麥幼苗生長且顯著增加幼苗的根長。硅添加顯著緩解干旱脅迫對水稻(Oryza sativa)根系的傷害，提高水稻總根長、根系表面積和根系體積[22]。

垂穗披堿草(Elymus nutans)為禾本科披堿草屬多年生牧草，廣泛地用于青藏高原等高寒地區(qū)天然草地恢復(fù)和栽培草地建植，有著優(yōu)良的經(jīng)濟價值和生態(tài)價值。在青藏高原地區(qū)，垂穗披堿草的種植方式主要是旱作，水分是影響其生長發(fā)育的主要因素，根系又是水分吸收的主要器官。綜上，探究垂穗披堿草根系形態(tài)對干旱脅迫及外源硅添加的響應(yīng)，對垂穗披堿草的生產(chǎn)應(yīng)用具有重要的意義。本研究以垂穗披堿草為材料，探討添加不同濃度硅對干旱脅迫下其幼苗根系生物量、總根長、根系表面積、根系體積等指標(biāo)的影響，旨在為后期垂穗披堿草的推廣利用提供重要的參考，也為硅添加緩解植物干旱脅迫的機理及抗旱生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為西南民族大學(xué)牧草創(chuàng)新團隊選育的垂穗披堿草新品系“康南”垂穗披堿草，由四川省抗逆牧草種質(zhì)創(chuàng)新及生態(tài)修復(fù)工程實驗室提供。

1.2 材料的培養(yǎng)

選擇成熟、飽滿、均勻、無病蟲害的種子，用0.1% HgCl2消毒5 min，之后先用自來水沖洗數(shù)次，再用蒸餾水反復(fù)沖洗4～5次，試驗選用高壓滅菌后的石英砂作為培養(yǎng)基質(zhì)，把石英砂裝入塑料培養(yǎng)盒(長 25 cm、寬 150 cm、高 15 cm)，每盆裝入 1.5 kg，然后將種子均勻的播種在石英砂上，置于智能溫室中：晝溫 (25 ± 1) ℃，夜溫 (18 ± 1) ℃，光照 16 h，黑暗8 h，相對濕度 70%，光照強度 850 μmol·(m2·s)-1。發(fā)芽后用Hoagland營養(yǎng)液培養(yǎng)，出苗后間苗，兩葉一心定株，每盆留生長一致、分布均勻的幼苗50株，每3 d更換一次營養(yǎng)液，保證幼苗正常生長。前期預(yù)試驗使用不同濃度(0、5%、10%、15%、20%、25%)的PEG-6000對披堿草幼苗進行了30 d的模擬干旱脅迫，結(jié)果表明，用15% PEG培養(yǎng)垂穗披堿草幼苗20 d后幼苗表型差異明顯，且在培養(yǎng)7、21 d時幼苗根系形態(tài)、生理指標(biāo)等也差異顯著 (P＜ 0.05)，所以本研究選用 15% PEG。待幼苗生長到三葉期，用15% PEG溶液模擬干旱脅迫。

1.3 試驗處理

試驗設(shè)置5個處理：對照(CK，不添加PEG和Si)、15% PEG(單一干旱脅迫，以“PEG”表示)、15% PEG +0.2 mmol·L-1Si(以“PEG + 0.2Si”表示)、15% PEG +0.5 mmol·L-1Si(以“PEG + 0.5Si”表示)和 15% PEG +1.0 mmol·L-1Si(以“PEG + 1.0Si”表示)處理。本研究采用硅酸鉀(K2SiO3)作為外源硅添加劑。處理期間每2 d更換一次營養(yǎng)液，營養(yǎng)液pH為5.6～6.0。處理7、21 d時采樣測定指標(biāo)，每個處理5次重復(fù)。

1.4 指標(biāo)測定

根系生物量：處理7、21 d時取出根系用流水清洗根系，然后用吸水紙吸干水分，最后在105 ℃下殺青20 min，75 ℃下烘干至恒重并稱量。

根系形態(tài)指標(biāo)：每盆隨機選取15株完整根系，洗凈后并用吸水紙吸干水分，利用Expression12000XL掃描后通過winRHIZO Arabido32-bit2017a根系圖像分析系統(tǒng)，統(tǒng)計不同處理垂穗披堿草幼苗總根長、根系表面積、根系平均直徑、根系分枝數(shù)、根尖數(shù)等形態(tài)指標(biāo)。按根系直徑將樣品分為3個徑級：0～0.5 mm(以“R1”表示)、0.5～1.0 mm(以“R2”表示)、＞ 1.0 mm(以“R3”表示)，并統(tǒng)計各徑級總根長、根系表面積、根系體積、根尖數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用 Excel 2016和 SPSS 22.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析和制作圖表，采用最小顯著法(LSD)進行根系生物量、總根長、根表面積、根尖數(shù)、分枝數(shù)和根系平均直徑的差異顯著性檢驗(P＜ 0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度硅對干旱脅迫下垂穗披堿草根系生物量的影響

不同濃度硅對干旱脅迫下垂穗披堿草幼苗生長狀況如圖1所示，PEG降低了垂穗披堿草幼苗的株高、株叢體積，但添加一定量的外源硅，緩解了PEG對幼苗生長的脅迫。根系生物量分析結(jié)果表明PEG顯著降低了垂穗披堿草幼苗的根系生物量(P＜ 0.05)，處理 7、21 d 的根系生物量分別為對照組的31.87%和30.67%(圖2)。添加一定量的外源硅顯著提高了干旱脅迫下根系干物質(zhì)的積累(P＜ 0.05)，緩解了干旱脅迫對苗期根系的影響。處理7 d時，隨著硅濃度的升高，根系生物量逐漸增大。處理21 d時，隨著硅濃度的升高，根系生物量呈先增加后減少的趨勢，其中PEG + 0.5Si的根系生物量顯著高于較其他兩個處理 (P＜ 0.05)。

圖1 硅對干旱脅迫下垂穗披堿草生長的影響Figure 1 Effects of silicon addition on the growing states of E. nutans seedlings under drought stress

圖2 不同濃度硅對干旱脅迫下垂穗披堿草幼苗根系生物量的影響Figure 2 Effects of silicon addition at different concentrations on root biomass of E. nutans seedlings under drought stress

2.2 不同濃度硅對干旱脅迫下垂穗披堿草根系形態(tài)指標(biāo)的影響

處理 7 d、21 d，與 CK 相比，PEG 處理顯著 (P＜0.05)降低根系的總根長、根系表面積、根系體積、根系平均直徑 (表1和圖3)。處理 7 d 時，PEG +1.0Si與 PEG + 0.2Si、PEG + 0.5Si根系總長度和根系表面積差異均顯著(P＜ 0.05)，且根系總長度隨著硅濃度的升高而增大；各處理間根系體積變化不顯著 (P＞ 0.05)。與 PEG 對比，PEG + 1.0Si的總根長、根系表面積、根系平均直徑增加最多。處理21 d時，總根長、根系表面積、根系體積、根系平均直徑隨著硅濃度的升高均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)硅濃度為 0.5 mmol·L-1Si時 4個指標(biāo)均達(dá)到除CK外的其他處理的最大值。

表1 不同濃度硅對干旱脅迫下垂穗披堿草根系形態(tài)指標(biāo)的影響Table 1 Effects of silicon addition at different concentrations on the morphological index of of E. nutans seedling roots under drought stress

圖3 不同濃度硅對干旱脅迫下垂穗披堿草處理不同時間的根系形態(tài)特征Figure 3 Effects of silicon addition at different concentrations and times on the morphological index of E. nutans seedling roots under drought stress

2.3 不同濃度硅對垂穗披堿草干旱脅迫下根系分枝數(shù)和根尖數(shù)的影響

干旱脅迫顯著降低了垂穗披堿草幼苗根系分枝數(shù)和根尖數(shù)(P＜ 0.05)，添加硅能不同程度提高干旱脅迫條件下垂穗披堿草幼苗根系分枝數(shù)和根尖數(shù)量 (圖4)。處理 7 d 時，PEG + 1.0Si的根系分枝數(shù)顯著高于其他添加處理(P＜ 0.05)，根尖數(shù)顯著高于 PEG(P＜ 0.05)。處理 21 d 時，垂穗披堿草幼苗根系分枝數(shù)和根尖數(shù)隨著硅濃度的增加呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，PEG + 0.5Si的根系分枝數(shù)和根尖數(shù)均達(dá)到最大 (P＜ 0.05)。

2.4 不同濃度硅對干旱脅迫下垂穗披堿草幼苗不同徑級根系指標(biāo)的影響

干旱脅迫下，幼苗不同徑級根的長度、表面積、根體積及根尖數(shù)均降低(表2)。外源硅添與PEG處理相比垂穗披堿草幼苗的根系長度在R1徑級變化顯著(P＜ 0.05)，表明在干旱脅迫條件下，添加硅后其幼苗的細(xì)根(0～0.5 mm)的分化更為明顯。處理7 d時，隨著硅濃度的增加，幼苗的R1根系長度、根尖個數(shù)呈現(xiàn)上升趨勢。處理21 d時，隨著硅濃度的增加，幼苗的R1的根系長度、表面積和根尖個數(shù)均先增加后減少。

3 討論

根系的生物量可以反映植物地下根系的生長情況以及干物質(zhì)的積累，生物量越高，根系生長越好。本研究表明，干旱脅迫下垂穗披堿草幼苗的生物量顯著 (P＜ 0.05)降低，添加外源硅顯著 (P＜ 0.05)提高了干旱脅迫下垂穗披堿草幼苗根系生物量。與王晨等[23]在硅添加對草地早熟禾(Poa pratensis)抗旱性的研究結(jié)果相同。垂穗披堿草幼苗在干旱脅迫下根系生長受到嚴(yán)重抑制，影響了干物質(zhì)在根系的合成與積累，而添加外源硅對植物干物質(zhì)的合成和積累有一定促進作用[24]。

圖4 不同濃度硅對垂穗披堿草幼苗干旱脅迫下根系分枝數(shù)和根尖數(shù)量的影響Figure 4 Effects of silicon addition at different concentrations on the number of branches and tips of the root system in E. nutans seedlings under drought stress

表2 不同濃度硅對干旱脅迫下垂穗披堿草幼苗不同徑級根系指標(biāo)的影響Table 2 Effects of silicon concentration on different root indexes of E. nutans seedlings under drought stress

植物根系對環(huán)境變化敏感，并能通過改變根系形態(tài)來適應(yīng)環(huán)境變化[25]。根系形態(tài)與植物吸收水分和養(yǎng)分關(guān)系密切，很大程度上決定了植物的環(huán)境適應(yīng)能力和產(chǎn)量[26-27]。本研究結(jié)果表明，在不同硅濃度 (0.2～1.0 mmol·L-1)處理 7 d 后，垂穗披堿草幼苗總根長、根系表面積、根系體積、根系直徑、根尖數(shù)、分枝數(shù)等形態(tài)指標(biāo)隨著硅添加的濃度增大而升高，然而21 d后垂穗披堿草幼苗根系形態(tài)指標(biāo)隨著硅添加的濃度增大而呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。與余群[28]在早熟禾的研究、蘇以榮[29]在水稻的研究以及宋銳等[30]在高羊茅(Festuca elata)的研究結(jié)果相似。這也表明對干旱脅迫下植物根系生長有一定的誘導(dǎo)作用，促進了根系的伸長和伸展，可以在一定程度下緩解干旱脅迫對植物根系形態(tài)的影響，提高植株的抗旱性。但植物幼苗對硅的吸收也存在一個閾值，超過這個閾值根系不再增加吸收量。隨著硅的添加，培養(yǎng)液的滲透壓也會相應(yīng)增大，會對根系生長產(chǎn)生抑制作用。也許添加一定濃度的外源硅刺激了水通道基因的表達(dá)，增加了水通道蛋白的活性[31]，增強了根系的吸水能力，提高了地上部分的蒸騰速率和凈光合速率[32]，光合產(chǎn)物向根系運輸，促進了根系生長發(fā)育；也可能添加一定濃度的外源硅提高了幼苗根系水力電導(dǎo)度，增加了根系的吸水速度[33]，但還需進一步驗證。

同時本研究表明，隨著硅濃度的增加，R1直徑范圍(0～0.5 mm)內(nèi)的根系總長、根系體積、根系表面積等指標(biāo)比R2、R3等變化更明顯。這表明垂穗披堿草幼苗通過分化細(xì)根，增加根系總長度、根系數(shù)量和根系表面積等根系的形態(tài)指標(biāo)，使幼苗根系構(gòu)型以適應(yīng)干旱脅迫的環(huán)境。

4 結(jié)論

干旱脅迫顯著抑制了垂穗披堿草幼苗根系的干物質(zhì)、根系形態(tài)指標(biāo)等指標(biāo)，添加外源硅可以不同程度地改善相關(guān)的指標(biāo)，緩解干旱脅迫影響。不同濃度的外源硅添加對一定干旱脅迫下能夠適當(dāng)提高垂穗披堿草的耐旱能力，并表現(xiàn)為低濃度促進生長高濃度抑制生長的趨勢。細(xì)根分化是垂穗披堿草幼苗抵御干旱脅迫的一個重要生理機制。