馬鈴薯不同耐旱品系管栽苗及其根尖顯微結(jié)構(gòu)對干旱脅迫的響應(yīng)

秦天元 孫超 畢真真 王翰 李鑫 曾文婕 白江平

（1. 甘肅省作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730070；2. 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 甘肅省作物抗逆種質(zhì)創(chuàng)新與利用工程研究中心，蘭州 730070）

水是植物生長發(fā)育過程中不可缺少的重要因素。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，水分虧缺引起的干旱脅迫是農(nóng)作物受到的主要非生物脅迫之一，干旱直接導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)量下降，嚴(yán)重、長時間的干旱脅迫會使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)顆粒無收［1-2］。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上因干旱缺水導(dǎo)致農(nóng)作物減產(chǎn)的總量高于其他農(nóng)業(yè)災(zāi)害發(fā)生造成產(chǎn)量下降之和［3-4］。干旱對植物的影響主要表現(xiàn)在對外界水分和礦質(zhì)元素的吸收能力下降，植物體自身營養(yǎng)物質(zhì)、離子轉(zhuǎn)運(yùn)受阻，使植物出現(xiàn)萎蔫的現(xiàn)象，甚至死亡［5-7］。馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是世界上第四大糧食作物，由于其具有廣泛的適應(yīng)性和較高的應(yīng)用價值在世界各地廣泛栽培種植［8-9］。目前，我國是世界上馬鈴薯最大的生產(chǎn)國，產(chǎn)區(qū)主要分布在西北、內(nèi)蒙古西部、東北等干旱少雨的地區(qū)，干旱缺水是影響我國馬鈴薯生產(chǎn)的重要因素之一。馬鈴薯在生育期內(nèi)對水分虧缺非常敏感，尤其在塊莖膨大期若遇到干旱脅迫產(chǎn)量會受到影響，其品質(zhì)也會下降，嚴(yán)重干旱時可導(dǎo)致產(chǎn)量大幅度下降［10］。因此，展開馬鈴薯的抗旱研究十分必要。

研究表明，較深的根系可以明顯提高雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)作物在極端或者季節(jié)性干旱環(huán)境下的產(chǎn)量，且可作為耐旱作物育種評鑒與篩選指標(biāo)之一［11］。因此我們從國際馬鈴薯中心（International potato center，CIP）引進(jìn)的品種中選取了兩個生育期相同、耐旱性不同的馬鈴薯品種C16和C119，打破傳統(tǒng)的限制根系生長的盆栽方法，采用管栽方法進(jìn)行研究。通過控水模擬干旱處理，研究了不同水分脅迫對馬鈴薯根系生長特性、根系抗逆相關(guān)生理生化指標(biāo)、根尖顯微結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)的影響，以期為人們了解馬鈴薯根系在干旱條件下的響應(yīng)機(jī)制奠定基礎(chǔ)，對篩選、培育抗旱性強(qiáng)的馬鈴薯品種具有指導(dǎo)意義［12-14］。

1 材料與方法

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料為國際馬鈴薯研究中心引進(jìn)品種C16（CIP 397077.16）和 C119（CIP 398098.119），由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)作物遺傳改良與種質(zhì)創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供（表1）。實(shí)驗(yàn)所需的蛭石、營養(yǎng)土和紗網(wǎng)購于甘肅中瑞化工有限公司；測量植物生理生化指標(biāo)所用的直尺、量角器、酸性茚三酮、高錳酸鉀、蒽酮、氯化三苯基四氮唑和做植物切片所需要的石蠟、戊二醛、磷酸漂洗液、鋨酸、乙醇、樹脂、鈾酰乙酸酯和磷酸鉛溶液購自甘肅艾爾維科學(xué)儀器有限公司。

表1 實(shí)驗(yàn)材料

1.2 方法

1.2.1 裝置和材料的準(zhǔn)備 采用體積約為60 L的PVC管種植馬鈴薯［15］，如圖1所示。本試驗(yàn)中PVC管直徑為25 cm，高為120 cm。在PVC管側(cè)面和底座具有通氣小孔，一方面保證管內(nèi)氣體能正常流通；另一方面在馬鈴薯生長發(fā)育期內(nèi)測定土壤水分。緊貼管內(nèi)壁放置紗網(wǎng)，通過拉動紗網(wǎng)取出管內(nèi)的土壤，從而獲得完整的馬鈴薯根系。在試驗(yàn)地搭建遮雨棚，避免雨水進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)。營養(yǎng)土和蛭石按1∶1均勻混合后裝入PVC管中。選擇大小一致、表面光滑無病菌的脫毒種薯播種，每個PVC管中播種兩個種薯，待出苗后保留一株。正常澆水至出苗后25 d開始進(jìn)行干旱脅迫處理。本試驗(yàn)分兩個處理，處理1（T1）為中度干旱脅迫（55%-70%），處理2（T2）為重度干旱脅迫（40%-55%），正常澆水為對照（70%-85%），各個處理的百分比分別為營養(yǎng)土和蛭石混合物最大持水量的百分?jǐn)?shù)。每個處理設(shè)3個重復(fù)。本試驗(yàn)于2017年5月7日播種，5月26日出苗，干旱脅迫處理于6月21日開始，對照組正常灌溉。T1和T2處理開始后每隔15 d取樣一次，共4次。每次取樣在上午9點(diǎn)至10點(diǎn)間完成。

圖1 馬鈴薯管栽裝置示意圖

1.2.2 生理指標(biāo)測定方法 用直尺測量株高。用量角器測量葉片與莖稈的夾角，測量時選擇植株從上到下的第三片葉進(jìn)行測量。將馬鈴薯根系從PVC管中拉出，用水沖洗干凈后，用直尺測量最長根長。根系含水量用烘干法測定，先將植物組織在105℃下殺青30 min，然后在85℃下烘干至恒重，根系含水量=（鮮重-烘干重）/烘干重。所有生理生化指標(biāo)的測定組織均為根，脯氨酸的測定采用酸性茚三酮法［16］；過氧化氫酶（Catalase，CAT）的測定采用高錳酸鉀滴定法［17］；可溶性糖含量的測定采用蒽酮法［18］；根系活力的測定采用氯化三苯基四氮唑（TTC）還原法［19］。馬鈴薯根顯微結(jié)構(gòu)觀察采用常規(guī)石蠟切片［20］，超微結(jié)構(gòu)觀察采用超薄切片。根尖超微結(jié)構(gòu)觀測：選取馬鈴薯根尖，切成2 mm長浸泡于2%戊二醛（pH 7.4的磷酸緩沖液配制）中，在室溫下固定3 h；然后用0.1 mmol/L磷酸漂洗液漂洗3次，1%鋨酸室溫下固定6 h，再次用漂洗液漂洗1次；再用不同濃度梯度的乙醇逐級脫水；最后用樹脂進(jìn)行包埋，加熱過夜。樣品在LKBV超薄切片機(jī)上切片，獲得的切片在鈾酰乙酸酯和磷酸鉛溶液中雙染色。最后在電鏡（JEM-1230JEOL，日本）下觀察超微結(jié)構(gòu)并拍照。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用SPSS22.0數(shù)據(jù)分析軟件，采用Duncan’s 法進(jìn)行相關(guān)性分析，用Origin 9.1作圖。

2 結(jié)果

2.1 干旱脅迫對馬鈴薯地上部分生理指標(biāo)的影響

株高能直觀表現(xiàn)出植物在逆境條件下的生長發(fā)育狀況。由圖2可看出，在大部分時期，干旱脅迫處理后兩個馬鈴薯品種株高均顯著低于對照（P＜0.05），說明干旱脅迫處理抑制了馬鈴薯株高的增長。在T1處理下，C16的株高在15 d、30 d、45 d時較對照分別降低了20.24%、19.40%、25.78%，處理60 d時C16的株高與對照無顯著差異；C119的株高在同時期較對照分別降低4.01%、12.50%、19.77%、14.05%。在T2處理下，C16的株高在15 d、30 d、45 d和60 d時較對照分別降低21.04%、22.98%、33.02%和29.09 %；C119的株高在同時期較對照分別降低19.06%、23.08%、29.95%和38.96%。說明，在不同時期進(jìn)行干旱脅迫處理C119株高較對照的下降程度普遍低于C16，而且在相同處理時期和條件下C119的株高始終高于C16。

圖2 不同干旱脅迫條件下馬鈴薯不同生長時期株高的變化

由圖3可看出，干旱脅迫處理下兩個馬鈴薯品種葉片與莖稈的夾角均有不同程度的下降。在大部分時期中，相同處理?xiàng)l件下C119葉片與莖稈的夾角都顯著高于C16（P＜0.05），尤其后期60 d時在T1和T2處理下C119的葉片與莖稈的夾角分別達(dá)到75°、51.33°，而同時期C16的葉片與莖稈的夾角僅為 46.67°、36.67°。

2.2 干旱脅迫對馬鈴薯根系生理指標(biāo)的影響

由圖4可知，在大部分時期中，干旱脅迫處理后兩個馬鈴薯品種根長均顯著高于對照（P＜0.05），說明干旱脅迫處理會促進(jìn)馬鈴薯根長增加。在相同處理?xiàng)l件下C119根長都顯著高于C16（P＜0.05）。在T1處理下，C16的根長在15 d和45 d時較對照分別增長36.00%、21.74%，而在30 d和60 d時差異不顯著；C119的根長在15 d、30 d、45 d和60 d時較對照分別增長28.57%、25.49%、27.75%和24.58%。在T2處理下，C16的根長在15 d和45 d時較對照分別增長38.67%、22.07%，而在30 d和60 d時差異不顯著；C119的根長在15 d、30 d、45 d和60 d時較對照分別增長41.81%、46.40%、46.59%和31.85%。說明在干旱脅迫下C119根系伸長程度遠(yuǎn)高于C16，以更好地適應(yīng)干旱脅迫。

圖3 不同干旱脅迫條件下馬鈴薯不同生長時期葉片與莖稈夾角的變化

圖4 不同干旱脅迫條件下馬鈴薯不同生長時期根長的變化

由圖5可知，干旱脅迫處理后兩個馬鈴薯品種根活力均顯著高于對照（P＜0.05），說明干旱脅迫處理會促進(jìn)馬鈴薯根活力的增加。在所有生長時期下，C119根系活力在對照、T1和T2處理下絕大部分均顯著高于C16（P＜0.05），說明C119具有較高根系活力，在干旱脅迫條件下也能保持較高的適應(yīng)性。

圖5 不同干旱脅迫條件下馬鈴薯不同生長時期根活力變化

由圖6可知，在大部分時期中，干旱脅迫處理后兩個馬鈴薯品種根相對含水量顯著低于對照（P＜0.05），說明干旱脅迫處理會造成根系含水量的降低。相同處理?xiàng)l件下C119根相對含水量都顯著高于C16，（P＜0.05），尤其30 d時，在正常澆水、T1和T2處理下C119的根相對含水量分別達(dá)到1.77、0.82及0.5，而同時期C16則為0.35、0.25及0.21。說明C119在干旱脅迫條件下較之于C16能使根系保持一個較高的水勢，以維持根系和自身地上部分正常的生命活動。

圖6 不同干旱脅迫條件下馬鈴薯不同生長時期根相對含水量的變化

2.3 干旱脅迫對馬鈴薯根系抗逆相關(guān)生化指標(biāo)的影響

由圖7可看出，在大部分時期，干旱脅迫處理后兩個馬鈴薯品種的根系的3個生化指標(biāo)CAT活性、可溶性糖、脯氨酸含量均顯著高于對照（P＜0.05），說明干旱脅迫處理導(dǎo)致上述馬鈴薯生化指標(biāo)含量的增高。

在T1處理下，C16的CAT活性在15 d時較對照上升214.29%，而在30 d和45 d時較對照差異不顯著；C119的CAT活性在15 d、30 d和45 d時較對照分別上升73.58%、41.53%和43.03%。在T2處理下，C16的CAT活性在15 d、30 d和45 d時較對照分別上升303.57%、31.58%和21.69%；C119的CAT活性在同時期較對照分別上升183.02%、41.77%、60.81%。說明，干旱脅迫處理下，C119的CAT活性較對照的升高程度在大部分時期普遍高于C16，而且在相同處理時期和條件下C119的CAT活性始終高于C16。

在T1處理下，C16的可溶性糖含量在30 d時較對照上升45.45%，而在15 d和45 d時較對照無顯著差異。C119的可溶性糖含量在15 d、30 d和45 d時較對照分別上升26.39%、67.74%、131.31%。在T2處理下，C16的可溶性糖含量在15 d、30 d和45 d時較對照分別上升954.55%、1 225.00%和41.41%；C119的可溶性糖含量在同時期較對照分別上升120.89%、123.28%和140.65%。C16根系可溶性糖含量在正常澆水時顯著低于C119，在干旱脅迫前期會迅速升高，但在本實(shí)驗(yàn)所測時期內(nèi)其根系可溶性糖含量的絕對含量始終低于C119，說明C119本身具有較強(qiáng)的抗旱性。

在對照、T1和T2處理下，C119 的根系脯氨酸含量在絕大部分時期均顯著高于C16（P＜0.05），說明C119在干旱脅迫條件下更能使根系積累更多的脯氨酸，以維持細(xì)胞正常的滲透壓，來提高馬鈴薯在干旱環(huán)境中的適應(yīng)能力。

圖7 不同干旱脅迫條件下馬鈴薯不同生長時期不同生化指標(biāo)的變化

2.4 干旱脅迫對馬鈴薯根尖顯微結(jié)構(gòu)和超微結(jié)構(gòu)的影響

由圖8可看出，正常灌溉條件下兩個馬鈴薯品種木質(zhì)部導(dǎo)管呈圓形，導(dǎo)管數(shù)量多而密。而隨著干旱處理程度的加強(qiáng)，在處理15 d、30 d、45 d和60 d時，兩個馬鈴薯品種根系的中柱面積減小，木質(zhì)部導(dǎo)管直徑變小、數(shù)量逐漸減少，但相同處理時期和條件下C119的木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)量均明顯少于C16，且干旱脅迫處理后，C119的中柱結(jié)構(gòu)對環(huán)境的響應(yīng)性改變高于C16，說明C119的根系更能適應(yīng)周圍環(huán)境的變化。

由圖9可看出，正常灌溉條件下兩個馬鈴薯品種細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化不明顯，在重度干旱脅迫處理下兩個馬鈴薯品種都發(fā)生了質(zhì)壁分離現(xiàn)象，胞內(nèi)物質(zhì)固縮為一團(tuán)，細(xì)胞壁增厚，其中C16細(xì)胞壁加厚，局部地方出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，說明在嚴(yán)重干旱脅迫下，C16較C119更容易發(fā)生細(xì)胞壁斷裂現(xiàn)象，導(dǎo)致細(xì)胞死亡。

3 討論

植物根系是植物生長發(fā)育所需水分的主要來源，據(jù)報道抗旱性強(qiáng)的李氏禾（Leersi ahexandraSwartz）根系木質(zhì)部導(dǎo)管較不抗旱品種直徑更小［21］，因此研究干旱脅迫對植物根系生長發(fā)育和解剖結(jié)構(gòu)的影響具有重要意義［22-23］。經(jīng)典的盆栽實(shí)驗(yàn)在馬鈴薯的抗旱研究中得到了廣泛應(yīng)用［24-25］，但花盆深度有限，阻礙馬鈴薯根系生長，難以模擬大田中實(shí)際情況。因此，本實(shí)驗(yàn)采用管栽的方式，重點(diǎn)研究干旱脅迫對兩個抗旱性不同的馬鈴薯品種根系的影響，從外部形態(tài)特征，抗逆生化指標(biāo)到顯微和超微結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。結(jié)果表明，在正常澆水和不同強(qiáng)度的干旱處理下，兩個品種的絕大部分相關(guān)指標(biāo)都有顯著差異。說明管栽模式對馬鈴薯根系響應(yīng)干旱脅迫的研究較為理想。

本文的實(shí)驗(yàn)材料屬國際馬鈴薯中心的引進(jìn)的兩個品種，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在正常澆水和不同強(qiáng)度的干旱處理下，C119的絕大部分相關(guān)指標(biāo)均優(yōu)于C16。例如，60 d時，C119的株高在對照、中度干旱和重度干旱下，分別為166 cm、142.67 cm和101.33 cm，而C16只有110 cm、115cm和78 cm。C119的根長分別為118 cm、147 cm和155.58 cm，而C16只有115.67 cm、119.67 cm和126.57 cm。45 d時，C119的CAT活性在對照、中度干旱和重度干旱下，分別為 3.55 U/g·min、5.08 U/g·min 和 5.72 U/g·min，而 C16只 有 2.72 U/g·min、2.89 U/g·min和 3.31 U/g·min。此外，在重度干旱處理下，C16的根長在15 d和45 d時較對照分別增長38.67%、22.07%，而在30 d和60 d時差異不顯著；C119的根長在15 d、30 d、45 d和60 d時較對照分別增長41.81%、46.40%、46.59%和31.85%。C16的CAT活性在15 d、30 d和45 d時較對照分別上升303.57%、31.58%和21.69%；C119的CAT活性在同時期較對照分別上升183.02%、41.77%和60.81%。由此可見C119相比于C16對干旱脅迫表現(xiàn)出了更好的適應(yīng)性。這與本課題組前期大田實(shí)驗(yàn)得出的C119的單株產(chǎn)量和商品率等指標(biāo)高于C16的結(jié)果相一致［26］，這些結(jié)果可為引進(jìn)馬鈴薯品種的抗旱育種提供指導(dǎo)和參考。

圖8 不同干旱脅迫條件下馬鈴薯不同生長時期根尖顯微結(jié)構(gòu)的變化（石蠟切片）

圖9 不同干旱脅迫條件下馬鈴薯出苗45 d的根尖超微結(jié)構(gòu)變化（超薄切片）

Richards等［27］在李氏禾中的研究發(fā)現(xiàn)，根內(nèi)木質(zhì)部大導(dǎo)管的直徑減小可使驅(qū)動水分流動的氣壓變化率降低，即增大導(dǎo)管運(yùn)輸水分的阻力，能增強(qiáng)其抗旱能力。本研究表明，在不同強(qiáng)度的干旱脅迫下，兩個馬鈴薯品種的木質(zhì)部導(dǎo)管直徑變小、數(shù)量減少；且相同處理時期和條件下，抗旱性更強(qiáng)的品種C119的木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)量均明顯少于C16。這說明馬鈴薯也可能通過類似的改變水分運(yùn)輸組織結(jié)構(gòu)的策略來抵御干旱脅迫。

今后，在本研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，我們將進(jìn)一步探討這兩個馬鈴薯品種產(chǎn)生抗旱性差異的原因，著重研究干旱脅迫下產(chǎn)生根系差異性狀的分子機(jī)理，以期為馬鈴薯深根耐旱性狀的機(jī)制解讀提供更多理論依據(jù)，也為抗旱性馬鈴薯種質(zhì)資源的利用提供更多參考。

4 結(jié)論

耐旱品種C119和C16都通過根系伸長生長和提高自身根系活力、過氧化氫酶、可溶性糖和脯氨酸含量來抵御干旱脅迫。此外，C119和C16通過改變根系導(dǎo)管的數(shù)目、大小和根細(xì)胞壁的厚度來應(yīng)對干旱脅迫。總體來說，C119相比于C16對干旱脅迫表現(xiàn)出了更好的適應(yīng)性。