酸棗根系結(jié)構(gòu)可塑性對(duì)自然梯度干旱生境的適應(yīng)機(jī)制

朱廣龍,陳許兵,郭小倩,焦秀榮,周桂生

揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院,教育部農(nóng)業(yè)與農(nóng)產(chǎn)品安全國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,揚(yáng)州 225009

干旱是影響植物生長、發(fā)育和分布的主要限制因素,在干旱環(huán)境中,植物的生理代謝及結(jié)構(gòu)特征必定發(fā)生改變,以適應(yīng)或緩解逆境而得以生存[1]。根系是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要器官,直接接觸土壤,是最先感受土壤逆境脅迫的主要部位,也是土壤逆境對(duì)植物的危害最主要的部位[2- 3]。在干旱等逆境脅迫下,根系首先感應(yīng)并發(fā)出信號(hào),同時(shí)其形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理化學(xué)、生物量等發(fā)生相應(yīng)變化,進(jìn)而抑制植物生長或做出應(yīng)激反應(yīng)[4]。在長期進(jìn)化的過程中,植物能夠感應(yīng)外界逆境脅迫,形成了一系列抵御不利環(huán)境的機(jī)制和策略,如植物體外部形態(tài)和細(xì)胞結(jié)構(gòu)的改變,生理生化代謝途徑的適應(yīng)等[2]。有研究表明根系感知與響應(yīng)脅迫的能力在很大程度上依賴于其對(duì)不斷變化的土壤環(huán)境的適應(yīng)[5]。根系解剖結(jié)構(gòu)是根系發(fā)育水平的直接體現(xiàn),與其生理功能密切相關(guān)[6],其木質(zhì)化程度、輸導(dǎo)組織、表皮的附屬結(jié)構(gòu)等都會(huì)影響植物抵抗逆境的能力[7]。然而,目前對(duì)根系解剖結(jié)構(gòu)適應(yīng)逆境的研究大多集中在某一解剖組織響應(yīng)某一特定的脅迫,植物根系整體解剖結(jié)構(gòu)對(duì)不同生境的適應(yīng)機(jī)制方面的研究較少。

酸棗(Ziziphusjujubavar.spinosas)為鼠李科(Rhamnaceae)棗屬(ZizyphusMill.)植物,主要生長于向陽山坡、荒蕪丘陵和平原,從濕潤的海濱到干旱的荒漠均有分布[8]。酸棗抗旱耐貧瘠能力強(qiáng),具有重要的水土保持作用,是綠化荒山的先鋒樹種[9]。目前,對(duì)酸棗的研究主要集中在生物活性物質(zhì)提取[10]、藥理作用探索[11]、抗旱生理及耐旱形態(tài)特征等方面[12- 14]。研究表明酸棗地上部分器官具有典型的旱生結(jié)構(gòu),葉片表面有表皮毛分布、氣孔下陷、角質(zhì)層較厚,葉片和莖的結(jié)構(gòu)中晶體和分泌細(xì)胞較多,增強(qiáng)了其抗旱性[8, 15- 16]。然而,關(guān)于酸棗地下部分根系的解剖結(jié)構(gòu)特征方面的研究較少,關(guān)于酸棗根系結(jié)構(gòu)特征對(duì)不同梯度干旱生境的適應(yīng)機(jī)制方面的研究尚未見報(bào)道。為此,本研究以生長于梯度干旱生境中的酸棗植株為試驗(yàn)材料,探究植物根系結(jié)構(gòu)對(duì)不同干旱生境的適應(yīng)機(jī)理,以期了解在全球氣候變遷的背景下植物對(duì)不同生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)機(jī)質(zhì)。

1 材料與方法

1.1 采樣地概況

實(shí)驗(yàn)材料分別采自煙臺(tái)萊山區(qū)大莊村、石家莊贊皇縣北溝村、寧夏銀川市賀蘭山附近、新疆吐魯番市紅星農(nóng)場(chǎng)三隊(duì)。同時(shí)采集原生境土樣,測(cè)定土壤含水量。煙臺(tái)和石家莊樣地土壤類型為棕壤,土壤質(zhì)地為壤土；銀川和吐魯番樣地土壤類型為灰漠土,土壤質(zhì)地為沙土。樣地從東到西(煙臺(tái)-石家莊-銀川-吐魯番)構(gòu)成一個(gè)自然的梯度干旱環(huán)境(各生境土壤含水量、年降水量及濕潤系數(shù)見表1)。

1.2 采樣方法

分別選取上述樣地樹齡5年(依據(jù)芽鱗痕判斷樹齡)的酸棗植株5株,以植株基莖為中心,半徑為0.5 m的圓形區(qū)域垂直向下挖取根樣。挖至細(xì)根時(shí)帶土取出,用水沖洗掉泥土,以免破壞根系幼嫩的根尖組織。

表1 采樣地區(qū)地理環(huán)境及氣候特征

濕潤系數(shù)是指一地降水量與蒸發(fā)量的對(duì)比關(guān)系,濕潤系數(shù)越小,則該地干燥程度越明顯。各個(gè)樣地的濕潤系數(shù)根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的氣象資料計(jì)算而得。

根系初生結(jié)構(gòu)的研究選取根尖處的幼嫩組織為材料,根系次生結(jié)構(gòu)的研究選取植株主根地面下10 cm處的根段為材料。4個(gè)樣地中材料的選取部位和截取長度一致。將選取的材料橫切成0.5 cm長的小段,立即裝入FAA固定液中保存,帶回實(shí)驗(yàn)室研究。根系結(jié)構(gòu)的研究采用常規(guī)石蠟切片法。具體過程為：將采集的樣品固定24 h以上,取出經(jīng)軟化劑軟化處理4—5 d(因酸棗根系次生結(jié)構(gòu)硬度大,需軟化后方能切片,初生結(jié)構(gòu)無需軟化；軟化劑配方：甘油10 mL+濃硝酸10 mL+蒸餾水80 mL),全自動(dòng)組織脫水機(jī)(LEICA TP 1020,德國)脫水,二甲苯透明,放入50恒溫烘箱浸蠟3—5 d,然后用石蠟包埋機(jī)(LEICA EG 1150H,德國)包埋,石蠟切片機(jī)(LEICA RM 2265,德國)切片,切片厚度10 μm。將切片所得蠟帶粘片后經(jīng)復(fù)水、透明,番紅-固綠雙重對(duì)染法染色(全自動(dòng)染色機(jī) LEICA AUTOSTAINER XL,德國),中性樹膠封片,自動(dòng)蓋片機(jī)(LEICA CV 5030,德國) 蓋片后制成永久制片,Nikon E200 光學(xué)顯微鏡下觀察照相[15]。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

每個(gè)樣地隨機(jī)選取20 張切片拍照,FSX100 OLYMPS 觀察分析圖像,根系次生結(jié)構(gòu)各參數(shù)采用 Motic Images Plus 2.0 圖像分析軟件測(cè)定,每個(gè)樣地統(tǒng)計(jì)50個(gè)數(shù)據(jù),然后用SPSS 13.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行ANOVA方差分析和最小差異法比較(LSD0.05)分析,EXCEL軟件作圖,Photoshop 軟件圖像處理,排版。

2 結(jié)果

2.1 酸棗根系初生結(jié)構(gòu)

酸棗根的初生結(jié)構(gòu)包括表皮、皮層和微管柱(圖1A)。表皮位于幼根的最外層,由單層體積較小、緊密排列的細(xì)胞組成,稱為表皮細(xì)胞。表皮細(xì)胞為長方形或近似球形,表皮向外突出可形成根毛。表皮的內(nèi)側(cè)是皮層,占根初生結(jié)構(gòu)的大部分比例,由體積較大的多層薄壁細(xì)胞組成,薄壁細(xì)胞近似圓球形,數(shù)目眾多,呈環(huán)形分布(圖1A)。微管柱位于最內(nèi)層,細(xì)胞小而密集,由中柱鞘、初生木質(zhì)部、初生韌皮部及薄壁細(xì)胞組成。中柱鞘是微管柱的最外層,有1—2層球形細(xì)胞組成,細(xì)胞壁薄,排列整齊而緊密,呈環(huán)形分布。中柱鞘內(nèi)層為初生木質(zhì)部和初生韌皮部,細(xì)胞小而緊密排列,圖中較大的細(xì)胞為正在分化的初生木質(zhì)部,小細(xì)胞為初生韌皮部。初生結(jié)構(gòu)發(fā)育完成后,初生木質(zhì)部與初生韌皮部相間分布(圖1B)。

圖1 不同地區(qū)酸棗根初生結(jié)構(gòu)

從煙臺(tái)至新疆吐魯番樣地,酸棗根初生結(jié)構(gòu)表皮細(xì)胞的厚度和寬度逐漸增加,依次為20.65×21.12、22.12×24.06、35.13×34.34、37.40×36.44 μm,煙臺(tái)和石家莊根初生結(jié)構(gòu)表皮細(xì)胞的寬度大于厚度,呈長方形橫向排列；寧夏銀川和吐魯番根系的表皮細(xì)胞厚度大于寬度,呈長方形縱向排列(圖1Y、1S,圖2)。皮層薄壁細(xì)胞的厚度和寬度變化先增后減(圖3),寧夏銀川植株根系的薄壁細(xì)胞最大,其厚度和寬度達(dá)到70.49×57.48 μm。新疆吐魯番的植株根系的薄壁細(xì)胞厚度為59.89 μm,小于寧夏銀川但高于煙臺(tái)和石家莊樣地的；煙臺(tái)植株根系的薄壁細(xì)胞厚度最小為42.95 μm(圖3)。根系初生結(jié)構(gòu)的皮層厚度也隨干旱加劇而遞增,其中以寧夏銀川樣地的最高為594.13 μm,其次是新疆吐魯番402.49 μm,煙臺(tái)和石家莊的最低,分別為343.38 μm和356.08 μm(圖4)。

圖2 不同地區(qū)酸棗根初生結(jié)構(gòu)表皮細(xì)胞厚度和寬度的變化

圖3 不同地區(qū)酸棗根初生結(jié)構(gòu)皮層薄壁細(xì)胞厚度和寬度的變化

皮層薄壁細(xì)胞層數(shù)的變化如圖4,寧夏銀川樣地的皮層薄壁細(xì)胞層數(shù)最多為15層,其次是煙臺(tái)樣地的8層,石家莊7層,新疆吐魯番樣地的最少為6層排列。中柱鞘細(xì)胞的厚度和寬度依次呈增大的趨勢(shì),新疆吐魯番樣地的厚度和寬度最大為26.61×27.93 μm,煙臺(tái)樣地的最小為18.01×17.86 μm,細(xì)胞近似球形排列。維管柱面積以寧夏銀川樣地的最大,是煙臺(tái)的1.20倍,石家莊的0.94倍,新疆吐魯番的1.17倍(P<0.05)(圖5)。

圖4 不同地區(qū)酸棗根初生結(jié)構(gòu)皮層厚度和皮層薄壁細(xì)胞層數(shù)變化

圖5 不同地區(qū)酸棗初生根中柱鞘細(xì)胞厚度和寬度及維管柱面積變化

2.2 酸棗根系次生結(jié)構(gòu)

酸棗根的次生結(jié)構(gòu)包括周皮(木栓層、木栓形成層、栓內(nèi)層)和次生維管組織(次生韌皮部、維管形成層和次生木質(zhì)部)。木栓層位于根的最外層,被染液染成紅色,細(xì)胞已老化死亡,分布松散,以后脫落(圖6A)。木栓形成層位于木栓層下方,細(xì)胞也已不同程度的木質(zhì)化,細(xì)胞狹長扁平,2—3層排列緊密,呈深紫色(圖6A)。栓內(nèi)層位于木栓形成層下方,細(xì)胞長方形或圓柱形,木質(zhì)化程度低,著色較淺,細(xì)胞輪廓清晰,排列整齊(圖6A)。栓內(nèi)層下方為次生韌皮部,細(xì)胞體積小,細(xì)胞壁薄,細(xì)胞呈小長方形或圓球形,細(xì)胞層數(shù)多,緊密整齊的堆疊在一起；包括篩管、伴胞和韌皮薄壁細(xì)胞,在次生韌皮部中,夾雜有少量的韌皮纖維,有縱向排列的韌皮射線,起著橫向運(yùn)輸?shù)淖饔?圖6B)。次生韌皮部下為形成層,與次生韌皮部細(xì)胞相比,細(xì)胞體積較大,3—5層緊密排列,形成層向外形成韌皮部、向內(nèi)形成木質(zhì)部(圖6B)。次生木質(zhì)部位于形成層的下方,包括導(dǎo)管、管胞、木射線和木薄壁細(xì)胞。次生木質(zhì)部發(fā)達(dá),占整個(gè)次生結(jié)構(gòu)的2/3。導(dǎo)管數(shù)量多,管徑大,管壁厚。導(dǎo)管分布方式多樣,有單個(gè)分布的,兩個(gè)分布的及多個(gè)導(dǎo)管聯(lián)合分布的。木薄壁細(xì)胞大小一致,縱向垛疊,排列整齊,各導(dǎo)管之間有木射線縱向發(fā)出,木射線有體積較小的長方形細(xì)胞首位相連而成；木射線與韌皮射線常是相通的,木射線和韌皮射線合成維管射線(圖6B、6C、6D)。

圖6 酸棗根次生結(jié)構(gòu) A、B、C：×10,D：×20

各生境酸棗根的次生結(jié)構(gòu)如圖7所示,木栓層均已老化即將脫落,染色較深。木栓形成層和栓內(nèi)層細(xì)胞也相繼老化,細(xì)胞輪廓不清晰,著色較淺(圖7Y1、7S1、7N1、7X1)。木栓層、木栓形成層、栓內(nèi)層合稱周皮,能防御機(jī)械損傷,對(duì)植物其保護(hù)作用。次生韌皮部細(xì)胞數(shù)目眾多,細(xì)胞輪廓清晰,排列緊密,形成層明顯(圖7Y2、7S2、7N2、7X2)。次生木質(zhì)部發(fā)達(dá),結(jié)構(gòu)清晰,輸導(dǎo)系統(tǒng)發(fā)達(dá),導(dǎo)管數(shù)目眾多(圖7Y3、7S3、7N3、7X3)。各導(dǎo)管間有木射線發(fā)出,數(shù)目多,細(xì)胞排列整齊(圖7Y4、7S4、7N4、7X4)。從煙臺(tái)至新疆吐魯番隨生境干旱加劇,酸棗植株根系周皮逐漸加厚、致密度提高。次生木質(zhì)部中,單個(gè)視野導(dǎo)管的數(shù)量增加,新疆吐魯番樣地的最多為101.6個(gè),比煙臺(tái)、石家莊、寧夏銀川的分別增加了73.68%、30.93%和9.25%(P<0.05)(圖8)。隨干旱加劇,導(dǎo)管的直徑也依次增大。4個(gè)樣地的平均導(dǎo)管直徑分別為58.64、63.61、69.43 μm和72.76 μm。其中以新疆吐魯番的最大,分別高于其他地區(qū)24.08%、14.38%和4.8%(P<0.05)(圖8),說明在梯度干旱環(huán)境下,酸棗的根部通過分化出更多導(dǎo)管,增加管徑來提高水分利用效率,增強(qiáng)對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)性。

圖8 不同地區(qū)酸棗次生根中導(dǎo)管數(shù)量和導(dǎo)管直徑的變化

3 討論

本研究表明,酸棗根初生結(jié)構(gòu)包括表皮、皮層和微管柱。皮層位于表皮的內(nèi)部,占根初生結(jié)構(gòu)的大部分比例,由大量的薄壁細(xì)胞組成,具有光合、呼吸、貯藏及各類代謝物的合成和轉(zhuǎn)化功能。從煙臺(tái)至新疆吐魯番隨梯度干旱增加,酸棗根初生結(jié)構(gòu)表皮細(xì)胞的厚度和寬度逐漸增大。煙臺(tái)和石家莊根初生結(jié)構(gòu)表皮細(xì)胞寬度大于厚度,呈長方形橫向排列；寧夏銀川和新疆吐魯番的表皮細(xì)胞厚度大于寬度,呈長方形縱向排列。這些表皮細(xì)胞排列方式的變化,增加了其厚度和致密性。尤其在寧夏銀川和新疆吐魯番的沙質(zhì)生境中,較厚的表皮細(xì)胞有利于根的伸展。皮層細(xì)胞的厚度、寬度增大,層數(shù)增多,細(xì)胞中儲(chǔ)藏大量的營養(yǎng)物質(zhì)。微管柱包括中柱鞘和初生維管組織,微管柱的面積能反應(yīng)初生木質(zhì)部和初生韌皮部的發(fā)育程度。在梯度干旱生境中,微管柱的面積依次增大,以寧夏銀川的最大。這與其土壤含水量有關(guān),寧夏地區(qū)的土壤含水量是四個(gè)生境中最低的。在極度干旱的土壤環(huán)境中,植株根系以加強(qiáng)輸導(dǎo)系統(tǒng)的分化,提高對(duì)水分的吸收與傳輸效率。

酸棗根的次生結(jié)構(gòu)包括周皮和次生維管組織,次生木質(zhì)部發(fā)達(dá),占整個(gè)次生結(jié)構(gòu)的2/3。從煙臺(tái)至新疆吐魯番,次生木質(zhì)部中導(dǎo)管數(shù)量逐漸增多,管徑依次增大。這種輸導(dǎo)系統(tǒng)的變化有利于提高輸水效率,增強(qiáng)抗旱性。有研究表明,水分脅迫時(shí),達(dá)烏里胡枝子的導(dǎo)管比正常供水發(fā)達(dá),其導(dǎo)管直徑變大對(duì)水分的輸導(dǎo)更有利,增強(qiáng)了抵抗水分的能力[17],這與本研究的結(jié)果一致。干旱條件下酸棗根部周皮和次生維管組織發(fā)達(dá),周皮的木栓層具有保護(hù)作用,根皮層層數(shù)減少,縮短了水分吸收的距離[18]；木質(zhì)部發(fā)達(dá),輸導(dǎo)組織所占比例有增大趨勢(shì),能更有效地輸送水分,韌皮部的薄壁組織細(xì)胞的細(xì)胞壁強(qiáng)烈木質(zhì)化可進(jìn)一步保證輸導(dǎo)的安全性[19]。此外周皮的存在既能防止高溫對(duì)根的灼傷及根部向土壤反滲透失水,又可防止冬季嚴(yán)寒對(duì)根的凍傷[20]。同時(shí)可對(duì)土壤中的有害物質(zhì)進(jìn)行選擇隔離,阻止其進(jìn)入根中,保證了植物體生理代謝的正常進(jìn)行[21]。維管束是根系內(nèi)主要的輸導(dǎo)組織,是連接根系與地上部分的通道,維管束直徑的變化可明顯反映出根系內(nèi)輸導(dǎo)組織(導(dǎo)管和篩管)的發(fā)育狀況[22]。

有研究證實(shí),諸如酸棗植株這類根部維管組織發(fā)達(dá)、韌皮部外側(cè)由數(shù)層薄壁細(xì)胞組成且胞間隙發(fā)達(dá)的結(jié)構(gòu),可使根的滲透吸水能力進(jìn)一步提高；另一方面部分表皮細(xì)胞突起可形成根毛,使根的吸收面積增大[20]。木質(zhì)部占有較大的比例,導(dǎo)管分子數(shù)量多、口徑大,根的這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于對(duì)水分的吸收和橫向、縱向運(yùn)輸,增強(qiáng)了酸棗植株的抗旱能力[23]。有研究表明,在干旱加劇的條件下,小葉章根中導(dǎo)管的數(shù)量增加、管腔增大,維管柱厚度增加,這與本研究的結(jié)果一致,這種結(jié)構(gòu)的變化有利于提高輸水效率,增強(qiáng)根的輸導(dǎo)功能,有利于適應(yīng)干旱環(huán)境[24]。旱生植物狹葉柴胡的根系結(jié)構(gòu)在干旱逆境中也表現(xiàn)出相似的變化[25],其根次生結(jié)構(gòu)中周皮發(fā)達(dá),能保護(hù)根部抵御干旱環(huán)境；導(dǎo)管管徑增大、數(shù)量增多有利于水分的運(yùn)輸,從而提高了植株的抗旱能力[26]。

在逆境條件下,植物體內(nèi)的水分和鹽分變化直接影響根系的細(xì)胞結(jié)構(gòu),并嚴(yán)重影響植物對(duì)水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,最終表現(xiàn)在植物的表型上[27]。植物體內(nèi)的水分狀況和水分代謝直接受土壤環(huán)境和氣候的影響。在取樣調(diào)查中,我們發(fā)現(xiàn)隨梯度干旱加劇,酸棗植株節(jié)間縮短、植株矮小、葉面積減小[8,15]。植物在生長過程中地上部與地下部具有協(xié)調(diào)效應(yīng),即地上部生長旺盛則地下部生長受抑,地上部生長受抑則地下部生長過快。在梯度干旱生境中,寧夏銀川和新疆吐魯番生境的酸棗植株地上部分生長減緩,而地下部根系較發(fā)達(dá),其縱深扎根深度可達(dá)數(shù)米,以吸取土壤深層水分而維持生命。因此,在干旱逆境中,酸棗植物除了根系結(jié)構(gòu)的可塑性改變外,地上部與地下部的相互協(xié)調(diào)生長也是其適應(yīng)極端干旱逆境的策略之一。