干旱脅迫對水曲柳苗木細根顏色和直徑的影響

衛(wèi)星　湯園園　張國珍

摘要 [目的]分析干旱脅迫下細根形態(tài)反應(yīng)及其與根序發(fā)育的關(guān)系。[方法]對干旱脅迫下水曲柳苗木1～3級根顏色和直徑變化進行了研究。[結(jié)果]①干旱脅迫下水曲柳苗木細根主要有白色、黃色、褐色及白色黑尖4種類型，較對照顏色復(fù)雜（對照僅有白色和黃色2種類型）。隨脅迫時間延長，水曲柳苗木1～3級根中，1級根顏色變化最多（白色、黃色、褐色及白色黑尖），數(shù)量變化也最明顯；2級根有3種顏色（白色、黃色、褐色），數(shù)量變化趨勢與1級根相似；3級根僅有黃色和褐色2種顏色，與對照相比少了白色根，多了褐色根，隨脅迫時間延長，褐色根比例明顯增加。②干旱脅迫下1～3級根平均直徑顯著低于對照，1級根直徑隨脅迫時間延長降低最顯著（P<0.05），2、3級根直徑也呈下降趨勢，但只在脅迫30 d和40 d時顯著小于對照（P<0.05）。對照各級根直徑變化均不顯著。在脅迫過程中不同顏色細根直徑變化趨勢也有所差異。與對照相比，白色1級根直徑隨脅迫時間延長減小最為明顯（P<0.05）。2級3種顏色根直徑到脅迫30 d時才顯著小于對照（P<0.05）。3級根黃色根在脅迫過程中直徑變化不大。[結(jié)論]干旱脅迫下水曲柳苗木1～3級細根的顏色和直徑均發(fā)生了比較明顯的變化。

關(guān)鍵詞 干旱脅迫；根序；水曲柳

中圖分類號 S728.2 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）08-02361-04

Effect of Drought Stress on Root Color and Root Diameter of Fraxinus mandshurica Seedlings

WEI Xing，ZHANG Guozhen et al

（College of Forestry ， Northeast Forestry University ， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract [Objective] The fine root morphological reaction and its relationship with root order development of Fraxinus mandshurica under drought stress were analyzed.[Method]Color and diameter of the first to the third fine root of Fraxinus mandshurica seedlings were studied under drought stress. [Result]①There were 4 root colors under drought stress， including white ，yellow ，borwn and white black tip， which more complex than that of the control （only 2 types of white and yellow ） . During drought stress， the first order root color changed move obviously than that of the second and third order roots. ② The diameters of the first to third order root under drought stress significantly decreased than those of control （P<0.05）. The diameter of the first order root decreased significantly during the stress， but the diameter of the second and the third order root decreased only began after 30 days drought stress. There were no significant changes in root diameter of control. Compared with the control ， the white first order roots diameter decreased obviously under drought stress（P<0.05）. The diameter of the three color roots in the second order decreased only after 30 d stress （P<0.05）. The diameter of the third yellow root had no change under drought stress. [Conclusion] Color and diameter of the first to the third fine root of Fraxinus mandshurica seedlings changed obviously after drought stress.

Key words Drought stress； Root order； Fraxinus mandshurica

外部形態(tài)特征是生物體發(fā)育和功能水平的直接體現(xiàn)，葉片衰老時顏色變深[1]，作物根系衰老時生長減慢，而直徑變細[2]。樹木細根是吸收養(yǎng)分和水分的主要部位，其直徑與顏色變化與其發(fā)育水平和生理功能也具有密切的聯(lián)系[3]。不同直徑細根壽命不同，直徑越粗的根壽命越長[4]，直徑越細的根越容易發(fā)生衰老[5-6]。盡管細根最初產(chǎn)生的時候是白色，但是隨著細根的進一步發(fā)育，顏色可能逐漸加深[7-8]。一些研究發(fā)現(xiàn)，直徑收縮和顏色變化可能與細根衰老有關(guān)。

土壤干旱能夠?qū)е录毟睆阶兗?，同時發(fā)生褐化[9-13]。但細根直徑、顏色變化與根序發(fā)育之間的關(guān)系并不清楚，即在干旱脅迫條件下，是新產(chǎn)生的根最易發(fā)生外部形態(tài)改變，還是老根先發(fā)生外部形態(tài)變化。關(guān)于這一問題的研究對于認識細根衰老機理及不同根序在細根周轉(zhuǎn)中的作用具有重要的意義。因此，該研究通過觀察干旱脅迫處理下水曲柳苗木1～3級根顏色和直徑變化，分析干旱脅迫下細根形態(tài)變化與根序發(fā)育的關(guān)系，為進一步研究干旱脅迫條件下細根衰老的機理打下良好的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料與培養(yǎng)

實驗在東北林業(yè)大學(xué)林木育種實驗站溫室內(nèi)進行，盆栽土培。挑選生長均勻的一年生水曲柳幼苗，于4 月下旬栽植于塑料容器中（直徑30 cm，高37 cm），每個容器栽植2株，共30桶。全部植株每2 d正常澆灌1次（平均每次每桶1 500 ml），人工清除雜草，定植培養(yǎng)3個月后（7月下旬）停止?jié)菜?，進行自然干旱處理。

1.2 研究方法

待苗木全部整齊成活后，7月27日（此時水曲柳平均苗高為34 cm，平均地徑為1.1 cm）開始干旱處理。對其中15桶進行停止?jié)补?，作為自然干旱處理；另?5桶作為對照正常澆灌。分別于自然干旱后第15，30和40天時取樣，并用TDR300 土壤水分監(jiān)測儀（Spectrum，USA.）測量土壤含水量，處理15，30和40 d時土壤含水量分別為35%，20%和2%。每次取3桶共6株苗木。在實驗室內(nèi)用去離子水將根系洗凈，從每株苗木上隨機選取5束分枝較完整的根系（至少包括前4級根），共30束。根據(jù)Pregitzer等[3]的方法分選出每束根1，2，3級進行分析。

1.3 指標測定

1.3.1 顏色鑒別。分根過程中通過肉眼辨別細根的顏色并統(tǒng)計各顏色根的級別和數(shù)量，借助Olympus 體視解剖鏡對不同顏色細根照相。

1.3.2 細根直徑測量。每次取材時分別隨機選擇1～3級不同顏色的根各30個，用Epson數(shù)字化掃描儀（Expression 10000XL 1.0，Japan 110），WinRHIZO（Pro 2004b）根系圖像分析系統(tǒng)軟件（加拿大Regent Instruments公司）對各細根直徑進行測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫下細根顏色類型及分布

研究發(fā)現(xiàn)正常澆水培養(yǎng)的水曲柳苗木1～3級根均由白色和黃色2種顏色的根

組成（圖1a～f）。干旱脅迫下1～3級各級根顏色類型不

同。1級根由白色（圖1g），白色黑尖（圖1h）、黃色（圖1i）、褐色（圖1j）4種顏色組成；2級根由白色（圖1k）、黃色（圖1l）、

注：a.對照1級白色根×10；b.對照1級黃色根×10；c.對照2級白色根×10；d.對照2級黃色根×10；e.對照3級白色根×10；f.對照3級黃色根×10；g.干旱脅迫下1級白色根×10；h.干旱脅迫下1級白色黑尖根×10；i.干旱脅迫下1級黃色根×10；j.干旱脅迫下1級褐色根×10；k.干旱脅迫下2級白色根×10；l.干旱脅迫下2級黃色根×10；m.干旱脅迫下2級褐色根×10；n.干旱脅迫下3級黃色根×10；o.干旱脅迫下3級褐色根×10；p.干旱脅迫下前3級黃色根（3DY）、2級褐色根（2DB）、1級褐色根（1 DB）和1級黃色根（1GY）×5；q.干旱脅迫15 d時白色黑尖1級根×18；r.根基部放大示褐化基部×60；s.干旱脅迫30 d時1級白色黑尖根（1BT）×20；t.干旱脅迫30 d時褐色1級根（1DB）×20；u、v.1級黃色根根尖（BT）和基部均褐化（BB）×20；w.白色黑尖1級根黑色根尖干癟死亡×20。

圖1 干旱脅迫下水曲柳苗木細根顏色變化

褐色（圖1m）3種顏色的根組成；3級根則由黃色（圖1n）和褐色（圖1o）根組成。干旱脅迫下水曲柳苗木1～3級根顏色變化明顯（圖1p）。

另外，在干旱脅迫的過程中也觀察到了許多顏色過渡類型的細根。脅迫初期（15 d）時，發(fā)現(xiàn)1級白色黑尖根（圖1q），同時其與母根相連的基部也開始褐化（圖1r）。隨著脅迫時間延長，到脅迫30 d時可觀察到較多的1級白色黑尖根（圖1s），且根黑尖部分向根基部延伸（圖1t），甚至導(dǎo)致整個1級根根尖變成褐色（圖1u）。同時也觀察到脅迫過程中有些黃色根根尖及基部發(fā)生褐化（圖1v），還有些白色黑尖根發(fā)生干癟死亡（圖1w）。

2.2 干旱脅迫下不同顏色細根數(shù)量變化

在干旱脅迫過程中不同顏色前3級根數(shù)量發(fā)生了顯著的變化（圖2a）。在脅迫處理初期（15 d），黃色的根所占的比例最大（約為51%），與對照差異不顯著（P>0.05）。白色根數(shù)量顯著低于對照（P<0.05）。在干旱脅迫初期就有褐色及白色黑尖根產(chǎn)生，分別占初期根的15%和9%。到脅迫處理30 d時，黃色與白色根比例比脅迫初期顯著降低43%和76%（P<0.05），同時也顯著低于對照（P<0.05）。相反，褐色和白色黑尖的根比例卻顯著增加（P<0.05），分別為脅迫初期的3.0倍和2.2倍。到脅迫后期（40 d）時，褐色根與白色黑尖根所占比例繼續(xù)增加，其中褐色根比例顯著高于其他顏色根（P<0.05）。而白色及黃色根比例顯著降低（P<0.05），僅為對照的17.6%和7.2%。由此可見，隨干旱脅迫時間延長，白色與黃色根所占比例顯著減少（P<0.05）；褐色與白色黑尖根比例則明顯增加（P<0.05）。

在干旱脅迫過程中不同級別根的顏色分布變化不同，其中1級根顏色分布最多，比例變化也最明顯（圖2b）。隨脅迫時間延長，1級根中白色黑尖根及褐色根比例顯著增加，脅迫40 d 時分別為脅迫初期（15 d）的6.3倍和4.9倍；與此相反，白色和黃色根比例則顯著下降，到脅迫后期（40 d）時，二者所占比例僅為脅迫15 d的5.2%和3.2%；對照1級根未發(fā)現(xiàn)白色黑尖及褐色根，隨培養(yǎng)時間延長，白色根逐漸減少，黃色根逐漸增多，但二者差異不顯著（P>0.05）。2級根在干旱脅迫過程中顏色變化也比較明顯（圖2c），在脅迫初期時僅有白色和黃色2種顏色；隨著脅迫時間延長，到脅迫30 d時部分2級根變成了褐色；脅迫40 d時，已有約70.7%的2級根是褐色；對照2級根以白色和黃色為主，無褐色根產(chǎn)生，其變化趨勢與對照1級根相似。干旱脅迫下3級根變化較1、2級根簡單（圖2d），脅迫初期3級黃色和褐色根比例相當(dāng)，到脅迫中后期（30 d）時，褐色3級根比例增加，到脅迫40 d時約76%的3級根是褐色根。對照3級根仍以白色和黃色為主，在培養(yǎng)過程中比例變化不顯著（P>0.05）。

2.3 干旱脅迫下不同顏色細根直徑變化

直徑是影響細根壽命的重要形態(tài)指標之一。干旱脅迫下1～3級細根直徑顯著低于對照（P<0.05）（表1）。其中1級根直徑隨脅迫時間延長顯著降低（P<0.05），在干旱脅迫初期（15 d）時直徑就顯著低于對照（P<0.05），到脅迫30 d和40 d 時直徑分別比對照減少15.44%和26.91%（P<0.05）。2、3級根直徑也呈下降趨勢，但只在脅迫30 d和40 d時顯著小于對照（P<0.05）。對照各級根直徑變化均不顯著。

在脅迫過程中不同顏色細根直徑變化趨勢也有所差異。與對照相比，1級各顏色根直徑隨脅迫時間延長均顯著下降（P<0.05），以白色根直徑減小最為明顯。到脅迫30 d時2級3種顏色根直徑才顯著小于對照（P<0.05）。3級黃色根在脅迫過程中直徑變化不大（P>0.05），但仍小于對照。

3 討論

3.1 干旱脅迫對細根顏色的影響

顏色是細根主要形態(tài)特征之一，與細根發(fā)育狀態(tài)及生理功能具有密切的聯(lián)系[3]。細根最初產(chǎn)生時均是白色根，隨著年齡的增長，顏色不斷加深[14-15]。細根顏色變化不僅受自身發(fā)育水平的影響，也會隨環(huán)境因子變化而變化[16]。該研究發(fā)現(xiàn)對照1～3 級根僅有白色和黃色2種顏色，而干旱脅迫下水曲柳苗木1～3級根主要有4種顏色，即白色、黃色、褐色和白色黑尖根。雖然，在干旱脅迫下沒有見到完全黑色的細根，但觀察到了許多顏色過渡的細根，如白色黑尖—基部褐化根、黃色黑尖—基部褐化根、前端黃色后端白色的細根、前端褐色后端黃色的細根等。說明干旱脅迫導(dǎo)致細根發(fā)生褐化死亡，與Bartsch等[16]人的研究結(jié)果一致。研究還發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下水曲柳前3級根中1級根顏色類型最多，白色及黃色根數(shù)量減少比例均顯著大于2級根，褐色根增加比例大于2級根。同時1級根里還存在大量顏色過渡類型，2級根顏色變化雖較1級根簡單，但比3級根復(fù)雜。研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫下細根的顏色由前端到后端逐漸加深，發(fā)育較晚的低級根受干旱脅迫影響最明顯。通過實驗所觀察到在干旱脅迫過程中細根顏色變化可能遵循以下規(guī)律（圖3）。

圖3 干旱脅迫下水曲柳1～3級根顏色變化

關(guān)于根系顏色變化的原因目前主要有2種觀點，一種觀點認為細根顏色變深是由于死亡皮層細胞內(nèi)沉積大量丹寧物質(zhì)造成的[17]，是細根衰老死亡的表現(xiàn)；另外一種觀點認為95%的深色根具有連續(xù)的木栓層和次生生長，細根顏色是木栓層細胞內(nèi)積累大量丹寧物質(zhì)的結(jié)果[17-19]，是細根抵御脅迫能力增強，壽命延長的表現(xiàn)。Wells 和Eissenstat[14]指出蘋果樹細根發(fā)育過程中顏色逐漸加深，深色根較淺色根抵御環(huán)境脅迫的能力更強，降低了死亡的威脅，但吸收能力減弱。通過對水曲柳前5級根解剖結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，1、2級根為不具有木栓層的初生根，分析在干旱脅迫下其褐色原因主要是由于皮層細胞死亡造成的，是細根衰老的表現(xiàn)。3級根中既有初生根，又有開始形成木栓層的次生根，即3級褐化可能會出現(xiàn)2種不同的命運。因此褐化原因與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征有關(guān)，不可一概而論，需進一步分析解剖結(jié)構(gòu)加以證明。

細根基部褐化現(xiàn)象在以往的文獻中并未見報道，該研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫過程中有些白色或黃色根其根尖褐化變黑的同時，基部也發(fā)生褐化（圖1r，圖1v）。Pregizter 等[3]在所研究的9個樹種細根分枝上均觀察到了類似于側(cè)枝脫落留下的疤痕，并分析側(cè)根與地上的闊葉、針葉及側(cè)枝一樣也會脫落。干旱脅迫下水曲柳細根基部褐化表明這一假設(shè)可能成立，基部褐化也可能是皮層細胞死亡造成的。另外水曲柳細根基部褐化現(xiàn)象均與根尖褐化密切相關(guān)，實驗中并未發(fā)現(xiàn)根尖不變色而基部先發(fā)生變化的根。分析基部褐化發(fā)生在根尖褐化之后，受根尖顏色變化影響。

3.2 干旱脅迫對細根直徑的影響

大量研究表明干旱脅迫下細根直徑減小[20]，該研究發(fā)現(xiàn)在干旱脅迫過程中細根直徑顯著減小，1級根直徑減少最明顯。分析細根直徑減小的原因可能有以下方面：一方面干旱脅迫顯著地影響了根莖