外源一氧化氮及不同修剪高度對(duì)高羊茅根形態(tài)特征的影響

馬艷芳， 張旭虎， 孟雯雯， 柴 睿， 祁彥文， 許岳飛

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院 草業(yè)科學(xué)系， 陜西 楊凌 712100)

草坪深入人們的生產(chǎn)和生活，對(duì)人類賴以生存的環(huán)境起著美化、保護(hù)和改善的良好作用。高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)是一種重要的冷季型多年生牧草和草坪草，其根系深，植株強(qiáng)健，具有良好的耐熱性和較強(qiáng)的抗旱、抗寒和抗病蟲(chóng)害能力。近年來(lái)，高羊茅已被廣泛應(yīng)用在園林綠化，城市綠地和水土保持等領(lǐng)域。

修剪是重要的草坪管理措施之一。修剪可增加草坪草分蘗數(shù)，從而增加草坪草密度[1]，減少雜草入侵[2]，提高草坪草的抗病性[3]及外觀和使用質(zhì)量。合理修剪還可以控制草坪草高度，使草坪保持平整美觀，顏色一致，提高草坪的均一性，抑制雜草的生長(zhǎng)，促進(jìn)草坪草的生長(zhǎng)，增加草坪的耐踐踏性和彈性。但是，不合理修剪會(huì)對(duì)草坪草正常生長(zhǎng)造成破壞，使草坪植物光合器官損傷，生長(zhǎng)中心破壞，從而影響草坪植物的正常生長(zhǎng)發(fā)育[4]。因此在水肥熱適宜情況下，修剪就成為控制草坪植物生長(zhǎng)及其種群特征的主導(dǎo)因子[5]。不同修剪高度和修剪頻率對(duì)高羊茅生長(zhǎng)期的生長(zhǎng)狀況和草坪質(zhì)量的影響不同，例如南京地區(qū)高羊茅管理上應(yīng)該采用6～9 cm修剪高度和1～2周修剪頻次[6]。

目前，一氧化氮(NO)作為重要的信號(hào)分子廣泛存在于植物細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞間，調(diào)節(jié)并參與許多植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的生理過(guò)程[7-8]。我們前期研究了外源NO和Ca2+對(duì)不同光強(qiáng)下高羊茅抗氧化系統(tǒng)的調(diào)控效應(yīng)[9-10]，研究發(fā)現(xiàn)外源NO對(duì)不同光照強(qiáng)度下高羊茅根系有一定調(diào)節(jié)作用，關(guān)于外源NO對(duì)修剪脅迫下植物根系調(diào)控的研究未見(jiàn)報(bào)道。因此本試驗(yàn)以高羊茅為材料，研究外源NO對(duì)不同修剪高度下高羊茅根系形態(tài)特征的影響，探討NO對(duì)高羊茅不同修剪高度下的調(diào)節(jié)作用，旨在為草坪科學(xué)管理和草坪草新品種分子設(shè)計(jì)、選育和遺傳改良提供技術(shù)支持和科學(xué)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料培育與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試材料為高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb. )的‘Arid3’品種，由北京克勞沃草業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)中心提供。種子經(jīng)0.1%次氯酸鈉溶液表面消毒，蒸餾水沖洗數(shù)次后，置于直徑17 cm，高21 cm的裝有石英砂基質(zhì)的黑塑料盆中萌發(fā)，每盆3株，培養(yǎng)條件為：16 h光期/8 h暗期；光強(qiáng)：100/0 μmol·m-2·s-1；相對(duì)濕度：60%；溫度：25±2℃，采用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)，幼苗每3 d澆1次。培養(yǎng)28 d后對(duì)植株進(jìn)行修剪處理和NO處理。修剪高度(也稱留茬高度)分別為0 cm，1 cm，3 cm，5 cm和7 cm，以不修剪為對(duì)照(CK)，同時(shí)采用0.1 mM硝普鈉(sodium nitroprusside，SNP)澆灌法對(duì)高羊茅進(jìn)行外源NO添加。試驗(yàn)設(shè)計(jì)12個(gè)處理，分別為： 0 cm，0 cm + SNP，1 cm，1 cm + SNP，3 cm，3 cm + SNP，5 cm，5 cm + SNP，7 cm，7 cm + SNP，CK(對(duì)照)和CK + SNP，每個(gè)處理3次重復(fù)，7 d后進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測(cè)定。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

用根掃描儀(PerfectionV700Photo，Epson，Japan)對(duì)根系進(jìn)行掃描，掃描時(shí)將根系輕輕放入特制的透明托盤中，并且加入3～5 mL水以避免根系分支的相互纏繞影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，掃描后保存圖像，采用WinRHIZOPro 2012分析程序?qū)D像進(jìn)行分析，得到總根長(zhǎng)，根表面積，總體積，根平均直徑，根尖數(shù)，分支數(shù)，交叉數(shù)等指標(biāo)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 18.0對(duì)不同修剪高度下高羊茅根系形態(tài)指標(biāo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行One-way ANOVA單因素方差分析，若有顯著性差異，應(yīng)用Duncan′s法對(duì)平均值進(jìn)行多重比較，利用SigmaPlot 12.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 一氧化氮對(duì)不同修剪高度下高羊茅總根長(zhǎng)的影響

修剪高度為0 cm和5 cm的高羊茅總根長(zhǎng)與對(duì)照組差異達(dá)到顯著水平(P<0.05)，與對(duì)照相比分別減少43.12%和27.76%。而修剪高度為1 cm，3 cm和7 cm的高羊茅總根長(zhǎng)與對(duì)照差異沒(méi)有達(dá)到顯著水平(P>0.05)。另外，所有SNP處理下不同修剪高度的高羊茅的總根長(zhǎng)均比未經(jīng)NO處理的要大，而且對(duì)1 cm和3 cm效果最為顯著，與對(duì)照相比分別增加28.61%和28.24%。結(jié)果表明，修剪高度為0 cm不利于植物生長(zhǎng)發(fā)育，而施加SNP可以顯著提高不同處理高羊茅的總根長(zhǎng)(圖1)。

圖1 外源NO對(duì)不同修剪高度下高羊茅總根長(zhǎng)的影響Fig.1 Effects of SNP on the total root length of tall fescue under different mowing height

2.2 一氧化氮對(duì)不同修剪高度下高羊茅根平均直徑的影響

不同修剪高度對(duì)高羊茅根平均直徑有較大影響，不同修剪高度下根平均直徑變化規(guī)律為CK > 7 cm> 3 cm > 1 cm> 5 cm > 0 cm，其中7 cm和CK的差異未達(dá)到顯著水平，并且0 cm，1 cm和5 cm的差異也未達(dá)到顯著水平。施加SNP可以顯著增加高羊茅根平均直徑，并且減輕了不同修剪高度對(duì)高羊茅根平均直徑的影響。這說(shuō)明在一定修剪高度范圍內(nèi)，添加NO可以使高羊茅根系直徑增加，促進(jìn)根系生長(zhǎng)(圖2)。

圖2 外源NO對(duì)不同修剪高度下高羊茅根平均直徑的影響Fig.2 Effects of NO on the average root diameter of tall fescue under different mowing height

2.3 一氧化氮對(duì)不同修剪高度下高羊茅根表面積的影響

不同修剪高度對(duì)高羊茅根表面積的影響不同。由圖3可知，修剪高度為1 cm和3 cm時(shí)高羊茅根表面積相比對(duì)照呈顯著性差異(P<0.05)，分別增加了20.29%和19.82%。而修剪為0 cm和5 cm時(shí)高羊茅根表面積小于對(duì)照。施加NO后根表面積均增大，變化規(guī)律與不加SNP處理基本一致。

2.4 一氧化氮對(duì)不同修剪高度下高羊茅根體積的影響

由圖4可知，不同修剪高度對(duì)根體積的影響較大，修剪高度為0，1，3，5和7 cm的高羊茅根體積與對(duì)照相比分別降低70.90%，42.71%，26.26%，58.82%，15.54%和26.09%。施加NO后不同修剪高度下高羊茅根體積均有所增加，與不加NO相比，高羊茅根體積分別增加了71.07%，119.25%，122.26%，132.73%，58.81%和39.17%。在CK+SNP處理下高羊茅根體積增加比例較小，說(shuō)明NO對(duì)修剪后的高羊茅作用效果較為明顯。

圖3 外源NO對(duì)不同修剪高度下高羊茅根表面積的影響Fig.3 Effects of NO on the surface area of roots of tall fescue under different mowing height

圖4 外源NO對(duì)不同修剪高度下高羊茅根體積的影響Fig.4 Effects of NO on the root volume of tall fescue under different mowing height

2.5 一氧化氮對(duì)不同修剪高度下高羊茅根尖數(shù)的影響

從圖5可以看出修剪高度為5 cm和7 cm時(shí)高羊茅根尖數(shù)與CK相比差異不顯著，修剪高度為0 cm，1 cm和3 cm時(shí)高羊茅根尖數(shù)顯著低于CK，分別降低46.88%，26.73%，32.85%。施加NO后不同修剪高度下高羊茅根尖數(shù)增加明顯，表明NO可以促進(jìn)根代謝，提高根尖細(xì)胞活躍度。施加NO后修剪高度為0 cm時(shí)高羊茅根尖數(shù)顯著低于1 cm和3 cm，與未加NO時(shí)規(guī)律不同，這表明修剪高度為0 cm時(shí)對(duì)高羊茅根系傷害較大，外源NO只能在一定修剪高度范圍內(nèi)起到調(diào)節(jié)保護(hù)作用。

2.6 一氧化氮對(duì)不同修剪高度下高羊茅分叉數(shù)的影響

由圖6可以看出，修剪高度為5 cm的高羊茅分叉數(shù)最多，為425個(gè)，是CK的1.07倍。修剪高度為0 cm，1 cm和3 cm的高羊茅分叉數(shù)最少且顯著低于CK，其分叉數(shù)大小順序?yàn)? cm>1 cm>0 cm。施加NO對(duì)修剪后的高羊茅分叉數(shù)有顯著的促進(jìn)作用，修剪高度為5 cm加NO的高羊茅分叉數(shù)高達(dá)1734個(gè)，是CK加NO的1.33倍。

圖5 外源NO對(duì)不同修剪高度下高羊茅根尖數(shù)的影響Fig.5 Effects of NO on the number of root tips of tall fescue under different mowing height

圖6 外源NO對(duì)不同修剪高度下高羊茅分叉數(shù)的影響Fig.6 Effects of NO on the number of root forks of tall fescue under different mowing height

2.7 一氧化氮對(duì)不同修剪高度下高羊茅交叉數(shù)的影響

不同修剪高度對(duì)高羊茅交叉數(shù)的影響規(guī)律與分枝數(shù)基本一致(圖7)。施加NO顯著提升了不同修剪高度下高羊茅的交叉數(shù)。在施加NO的情況下，修剪高度為0 cm，1 cm和3 cm時(shí)高羊茅根部交叉數(shù)遠(yuǎn)低于修剪高度為5 cm時(shí)。

圖7 外源NO對(duì)不同修剪高度下高羊茅交叉數(shù)的影響Fig.7 Effects of NO on the number of root crossings of tall fescue under different mowing height

3 討論與結(jié)論

修剪是草坪管理中常見(jiàn)的手段之一，對(duì)其研究具有深遠(yuǎn)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。修剪可以使草坪平整，均勻，使葉片加密，具有整齊性和美觀性，提高草坪質(zhì)量。另外修剪還可以減少枯草層的形成，延遲草坪的退化[11]。在我們前期研究中，從高羊茅根系抗氧化系統(tǒng)和植物激素的角度闡釋了修剪后高羊茅的反應(yīng)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)不同修剪高度對(duì)高羊茅根系的生理變化的影響各不相同[12]，因此高羊茅根系形態(tài)也必然相應(yīng)的呈現(xiàn)不同的變化。本試驗(yàn)中，通過(guò)根系掃描儀對(duì)不同處理的根系進(jìn)行掃描后統(tǒng)計(jì)分析了總根長(zhǎng)，根表面積，根體積，根平均直徑，根尖數(shù)，分枝數(shù)和交叉數(shù)7個(gè)形態(tài)指標(biāo)。通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)不同修剪高度修剪對(duì)高羊茅根形態(tài)的影響較大，修剪強(qiáng)度不同，高羊茅根形態(tài)也具有較大的差異性,并且反映出修剪強(qiáng)度越高，對(duì)根形態(tài)產(chǎn)生的影響越大。

根長(zhǎng)決定了根系吸收水分及養(yǎng)分的能力[13]?？偢L(zhǎng)越長(zhǎng)則根的延展能力越強(qiáng)，因此，根系利用土體中的水分和養(yǎng)分的空間越大[14]。本試驗(yàn)中修剪高度為1 cm和3 cm時(shí)，高羊茅根長(zhǎng)顯著高于修剪高度為5 cm，這表明修剪高度為1 cm和3 cm時(shí)能夠促進(jìn)高羊茅根系的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)，這可能是由于根系對(duì)修剪產(chǎn)生的適應(yīng)性而產(chǎn)生了“補(bǔ)償效應(yīng)”[15]。而修剪高度為7 cm時(shí)高羊茅根系長(zhǎng)度也大于修剪高度為5 cm的，這可能暗示著當(dāng)修剪高度大于一定水平時(shí)根系長(zhǎng)度與修剪高度正相關(guān)，這與以前的研究類似[16]。施加NO后，高羊茅根系長(zhǎng)度明顯增加，這表明NO可以緩解修剪帶來(lái)的傷害，促進(jìn)根系生長(zhǎng)。根尖能很好的反映根系生理活性的活躍程度，并且是根系吸收水分，養(yǎng)分的作用指標(biāo)[17]。據(jù)Hayashi等研究表明，根的代謝能力與根尖細(xì)胞的活躍度成正比[18]。本試驗(yàn)中修剪高度為5 cm，7 cm時(shí)根尖數(shù)與CK未呈顯著性差異，而更低的修剪高度會(huì)造成根代謝活力下降，這可能是由于修剪過(guò)多對(duì)高羊茅植株造成了一定的損傷。施加外源NO后根尖數(shù)顯著增加，這表明NO可以提高根系活力。關(guān)于NO如何提高根系活力的研究已經(jīng)有所報(bào)道，如水稻受到鋁脅迫時(shí)，硝酸還原酶途徑(NR)是根尖內(nèi)源NO產(chǎn)生的主要途徑[19]，而在修剪后高羊茅NO如何合成并影響根尖數(shù)仍有待于進(jìn)一步研究。

總之，不同修剪高度對(duì)高羊茅根形態(tài)的影響各不相同。外源NO對(duì)不同修剪高度下的高羊茅有修復(fù)根形態(tài)和促進(jìn)根系生長(zhǎng)的作用。試驗(yàn)結(jié)果表明影響高羊茅根形態(tài)的7個(gè)指標(biāo)呈現(xiàn)的規(guī)律為：隨著修剪高度的增加，根長(zhǎng)、根表面積、根體積和根平均直徑表現(xiàn)為先增加后減小再增加，修剪高度為1 cm和3 cm的高羊茅的根長(zhǎng)和表面積最大；根尖數(shù)、交叉數(shù)、分枝數(shù)則隨著修剪高度的增加而減小。外源NO對(duì)修剪后高羊茅的根尖數(shù)、交叉數(shù)和分枝數(shù)的促進(jìn)作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對(duì)總根長(zhǎng)、根體積、根表面積和根平均直徑的促進(jìn)作用。為更好闡釋NO調(diào)控修剪后高羊茅根系形態(tài)的機(jī)制，需要從植物激素和抗氧化系統(tǒng)等其他角度進(jìn)行更深一步研究。