外施生長素對陸生型空心蓮子草不定根生長發(fā)育的影響

蘆旭然，楊 霞，陳中義

(長江大學園藝園林學院 長江大學植物生態(tài)與環(huán)境修復研究所，湖北 荊州 434025)

空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)是一種水陸兩棲的外來入侵植物，在我國廣泛擴散，對我國的生物多樣性、農業(yè)生產及淡水生態(tài)系統(tǒng)造成了不利的負面影響[1-2]?？招纳徸硬菰谒懎h(huán)境中具有顯著的形態(tài)可塑性，陸生型和扎根挺水型空心蓮子草的不定根常膨大形成貯藏根(宿根)，這種貯藏根是其越冬、繁殖和擴散的重要基礎[3]。婁遠來[4]研究發(fā)現(xiàn)，空心蓮子草貯藏根具有由形成層分化產生的三生結構，可以貯藏大量的水分及營養(yǎng)物質，為無性繁殖形成新個體提供基礎[5]。有研究發(fā)現(xiàn)，內源生長素(IAA)在陸生型空心蓮子草不定根膨大形成貯藏根的過程中可能發(fā)揮了重要的調節(jié)作用[6]。

生長素是植物根系生長發(fā)育的重要調控因子，可單獨或與其他激素相互作用于植物根系的發(fā)育過程。生長素與植物體內特定受體結合，通過調控特定基因的表達對植物根系生長發(fā)育以及營養(yǎng)物質的合成產生影響[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，外施IAA可促進煙苗(Nicotianatabacum)側根數(shù)增多、地上及地下生物量積累，有效提高了根系活力及代謝能力[9]。在植物不定根的形成過程中，IAA激活血紅素加氧酶(HO)的活性，并增加一氧化碳(CO)的含量，經過一系列信號轉導作用于不定根原基和分生組織[10]。植物根系的發(fā)育是一個復雜且可被多種基因、代謝、激素信號轉導等途徑調控的過程，加之環(huán)境條件不同，使根系在構型、功能及特性上存在顯著差異[11]。

為此，本研究通過對空心蓮子草葉片噴施不同濃度的外源IAA，從空心蓮子草不定根膨大形成貯藏根過程中根形態(tài)、蛋白質及蔗糖含量、蔗糖合成和降解相關酶活性及內源激素[包括脫落酸、生長素、油菜素內酯、赤霉素、茉莉酸、玉米素核苷(ABA、IAA、BR、GA、JA、ZR)]含量的變化，進一步揭示IAA對空心蓮子草不定根膨大的作用機理，不僅有助于闡明該外來植物入侵的生理生態(tài)學機制，而且對有效防治其入侵具有重要指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

于2017年6月8日，在荊州市西郊田間溝渠采集生長健壯的空心蓮子草地上莖，剪取莖段中部直徑0.3～0.4 cm、長度為4 cm的地上莖片段(帶有一節(jié)，以節(jié)為中心，兩邊長度各2 cm)若干，作為本研究扦插育苗材料。

1.2 試驗處理

河沙(沙土)和菜園土壤(壤土)經暴曬、過篩，1∶1均勻混合后，裝入塑料杯(上內徑9 cm、下內徑5.5 cm、高度14.5 cm)中，作為土壤基質，置于長江大學溫室大棚棚架上。將空心蓮子草莖段傾斜插入已澆透水的基質中，保證節(jié)間接觸到土壤，每盆1株。每24 h澆灌1次，保持濕生生境，土壤含水量為75%～85%。盡量保持棚內光照、溫度、通風等條件與野外一致，每3 d隨機移動一次塑料杯的位置，避免邊緣效應。在扦插苗生長10 d，長出4～6片葉片時，用小型手持式噴霧器分別噴施濃度為10、50和100 mg·L-1的IAA生長素，每天早晚在同一時段各重復噴施3次，每次噴施程度以葉片水滴不滴落為準，葉片充分吸收后再進行重復噴施。每天每種濃度噴施125 mL，連續(xù)4 d，共500 mL，同時設置清水對照組。試驗共4個處理，每個處理50個重復，共種植200盆。

1.3 測量方法與數(shù)據分析

1.3.1根形態(tài)分析 分別在空心蓮子草莖段扦插生長20 d(膨大前期)、70 d(膨大期)取樣，每組處理每次隨機取樣數(shù)為5盆，共取樣2次。本試驗將扦插苗根中直徑(根最粗部分的橫徑)<0.15 cm的根稱為不定根或須根；直徑≥0.15 cm的根稱為貯藏根或宿根。將每株空心蓮子草從塑料杯中取出，洗凈土，觀察并統(tǒng)計一級根和宿根數(shù)量。采用根系掃描儀[Epson Perfection V700 Photo Dual Lens System(J221A，Indonesia)]對根系進行掃描，記錄指標包括根系體積、根系表面積、宿根體積，宿根表面積。使用游標卡尺(精度0.01 mm)測量宿根最粗部分的橫徑(簡稱宿根直徑)以及宿根長度。最后，將每株植株分為地上莖葉、不定根、宿根放入烘箱中，于80 ℃下烘至恒重(約24 h)，用電子精密天平[METTLER TOLEDO PL303-IC(精度0.001 g)]分別稱量其干重，計算根冠比。

根冠比=地下部分根干重/地上部分莖葉干重×100%。

1.3.2根生理指標 分別在空心蓮子草莖段扦插生長20 d(膨大前期)、70 d(膨大期)、100 d(膨大后期)取樣，每組處理每次隨機取樣數(shù)為10盆，共取樣3次，進行各生理指標測量。每個指標取樣重復3次，每次測定2次取平均值?？扇苄缘鞍踪|采用考馬斯亮蘭G-250染色法測定，具體方法參照孔祥生和易現(xiàn)峰的《植物生理學實驗技術》進行[12]。蔗糖含量采用蒽酮比色法進行測定，具體方法參照西北農業(yè)大學植物生理生化教研組編的《植物生理學試驗指導》[13]。蔗糖中性轉化酶(NI)和酸性轉化酶(AI)通過測定還原糖的生成量來表示其活性，蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)通過測定蔗糖的生成量來表示其活性，具體參照王惠聰?shù)萚14]的方法進行測定。內源激素含量采用植物激素酶聯(lián)免疫吸附檢測法(ELISA)進行測定，具體參照Chen等[15]的方法在中國農業(yè)大學作物化學控制研究中心測定。

1.3.3數(shù)據分析 采用Microsoft Excel 2003軟件系統(tǒng)整理數(shù)據及圖表制作，用SAS 8.0進行統(tǒng)計分析，利用單因素方差分析法(one-way ANOVA)進行顯著性檢驗。

2 結果與分析

2.1 外施IAA對空心蓮子草根形態(tài)指標的影響

在空心蓮子草地上莖段扦插苗生長20 d，即不定根膨大前期，不同濃度IAA處理對空心蓮子草根系的一級根數(shù)量、根系干重和根冠比的影響極顯著(P<0.01)(表1)，對根平均直徑、根系體積無顯著影響(P>0.05)。10 mg·L-1IAA處理下莖葉干重顯著大于其他處理及清水對照(P<0.05)；50和100 mg·L-1IAA處理下根冠比顯著大于10 mg·L-1IAA處理及清水對照。

在空心蓮子草地上莖段扦插苗生長70 d，即不定根膨大期，不同濃度IAA處理下對空心蓮子草根系的根系體積、根系表面積和宿根干重影響極顯著(P<0.01)(表2)，對宿根直徑、根系干重及根冠比無顯著性影響(P>0.05)。10和100 mg·L-1IAA處理下宿根條數(shù)相對于50 mg·L-1IAA處理和清水對照顯著提高；50和100 mg·L-1IAA處理下根系體積、根系表面積顯著高于10 mg·L-1IAA處理和清水對照。

表1 不同IAA處理對生長20 d空心蓮子草根系生長相關性狀指標的影響Table 1 Effect of different auxin (IAA) treatments on growth-related traits of alligator weed roots at 20 days growth

同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。*，P<0.05，**，P<0.01，ns表示無差異。下同。

Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level. *,P<0.05，**,P<0.01, ns indicates no difference. This information is the same for the following tables.

表2 不同IAA處理對生長70 d空心蓮子草根系相關性狀指標的影響Table 2 Effect of different IAA treatments on growth related traits of alligator weed roots at 70 days growth

綜上所述，噴施IAA處理，能顯著增加空心蓮子草扦插苗一級根數(shù)量，從而增加不定根轉化為貯藏根(宿根)的條數(shù)，高濃度IAA處理在一定程度上抑制貯藏根伸長，但貯藏根的直徑沒有受到IAA激素處理的影響。

2.2 外施IAA對空心蓮子草根生理指標的影響

2.2.1外施IAA對空心蓮子草根中營養(yǎng)物質含量及蔗糖相關酶活性的影響 不同濃度IAA對各時期空心蓮子草根中蛋白質、蔗糖含量影響極顯著(P<0.01)(表3)。在扦插苗生長20 d(膨大前期)，不同濃度IAA對空心蓮子草根中性轉化酶、酸性轉化酶及蔗糖合成酶活性影響極顯著(P<0.01)，對蔗糖磷酸合成酶活性無顯著影響(P>0.05)；在扦插苗生長70 d(膨大期)，不同濃度IAA對空心蓮子草根中酸性轉化酶、蔗糖合成酶及蔗糖磷酸合成酶活性影響顯著(P<0.05)，對中性轉化酶活性無顯著性影響(P>0.05)；在扦插苗生長100 d(膨大后期)，不同濃度IAA對空心蓮子草根中中性轉化酶、蔗糖磷酸合成酶影響極顯著(P<0.01)，對酸性轉化酶、蔗糖合成酶活性影響顯著(P<0.05)。

與清水對照相比，100 mg·L-1IAA處理的空心蓮子草在各個時期其根中可溶性蛋白質含量均顯著高于清水對照組(圖1)；噴施IAA處理的空心蓮子草在各個時期根中蔗糖含量基本上顯著高于清水對照組(P<0.05)。

與清水對照相比，在扦插苗生長20 d(膨大前期)，10、100 mg·L-1IAA處理對根中性轉化酶及酸性轉化酶活性顯著抑制(P<0.05)，100 mg·L-1IAA處理對根中蔗糖合成酶活性顯著促進，對蔗糖磷酸合成酶活性顯著抑制；在扦插苗生長70 d(膨大期)，100 mg·L-1IAA處理對根中蔗糖合成酶活性顯著促進，對酸性轉化酶、蔗糖磷酸合成酶活性顯著抑制；在扦插苗生長100 d(膨大后期)，10、50 mg·L-1IAA處理對根中酸性轉化酶活性顯著抑制(圖2)。

2.2.2外施IAA對空心蓮子草根中內源激素含量的影響 噴施IAA處理在各個時期對空心蓮子草根系中內源激素均產生顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的影響(表4)。

表3 不同IAA處理下各時期空心蓮子草根系中營養(yǎng)物質及相關酶活性的F值和顯著性差異Table 3 F value and significance level of nutrients and related enzyme activities in alligator weed roots of different growing days under different IAA treatments

圖1 不同IAA處理下空心蓮子草根系中營養(yǎng)物質的含量Fig. 1 Nutrient content of alligator weed roots under different IAA treatments

不同小寫字母表示相同生長時間不同IAA處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different lowercase letters indicate significant differences among different IAA treatments on the same growth days at the 0.05 level; similarly for the following figures.

圖2 不同IAA處理下空心蓮子草根系中蔗糖相關酶活性Fig. 2 Sucrose-related enzyme activity of alligator weed roots under different IAA treatments

生長天數(shù)Growing days脫落酸(ABA)Abscisic acid生長素(IAA)Indoleacetic acid油菜素內酯(GA)Brassinolide赤霉素(GA)Gibberellin茉莉酸(JA)Jasmonic acid玉米素核苷(ZR)Zeatin riboside20 d838.48**243.44**219.77**70.15**79.91**153.63**70 d91.10**6.37*283.57**84.26**197.23**991.93**100 d79.58**237.88**432.40**117.85**152.30**174.26**

與清水對照相比，在扦插苗生長20 d(膨大前期)，噴施IAA處理的空心蓮子草根中內源ABA、IAA含量顯著高于對照組(P<0.05)；在扦插苗生長70 d(膨大期)，噴施IAA處理的空心蓮子草根中內源ABA含量顯著高于對照組；在扦插苗生長100 d(膨大后期)，噴施IAA處理的空心蓮子草根中內源IAA及BR含量顯著高于對照組，內源ZR含量顯著低于對照組(圖3)。

綜合上述結果表明，噴施100 mg·L-1IAA處理能極顯著增加空心蓮子草扦插苗根中蛋白質、蔗糖含量。噴施IAA處理對空心蓮子草根中蔗糖相關酶活性、內源激素產生顯著影響，促進根內蔗糖的合成。

3 討論與結論

植物生長素是根系生長發(fā)育的重要調節(jié)者[16]。本研究結果表明噴施IAA有利于促進空心蓮子草一級根數(shù)量增多、貯藏根形成以及宿根條數(shù)增多，這與劉鳳麗等[17]發(fā)現(xiàn)IAA可促進大豆(Glycinemax)不定根形成且數(shù)量增多的結果相似，但高濃度IAA處理在不同程度上對宿根伸長產生抑制作用，該結果與孟廣目[18]研究發(fā)現(xiàn)施用外源IAA可抑制擬南芥(Arabidopsisthaliana)主根生長一致，而且這種抑制效應是IAA負調控伸長區(qū)細胞伸長的原因。本研究結果表明，噴施一定濃度的IAA可顯著增加空心蓮子草宿根干重、蛋白質及蔗糖含量，這可能是由于IAA可在一定程度上提高植物光合速率，從而促進碳水化合物積累有關[19]。

圖3 不同IAA處理下空心蓮子草根系中內源激素的含量Fig. 3 Endogenous hormone content of alligator weed roots under different IAA treatments

ABA，脫落酸；IAA，生長素；BR，油菜素內酯；GA，赤霉素；JA，茉莉酸；ZR，玉米素核苷。

ABA, abscisic acid; IAA, indoleacetic acid; BR, brassinolide; GA, gibberellin; JA, jasmonic acid; ZR, zeatin riboside.

蔗糖是植物的碳骨架和能量載體，對植物生長及其環(huán)境適應力至關重要[20]。蔗糖轉化酶包括酸性轉化酶和中性轉化酶，可催化蔗糖降解。張玲等[21]研究發(fā)現(xiàn)，草莓(Fragaria×ananassa)中蔗糖轉化酶家族基因的表達受IAA誘導，說明激素可能參與調節(jié)該基因家族的基因表達。本研究發(fā)現(xiàn)，噴施IAA處理，在空心蓮子草根系膨大前期中性轉化酶和酸性轉化酶活性受到一定程度的抑制作用，但是在根系膨大中期，對中性轉化酶活性并無顯著影響，而酸性轉化酶活性顯著降低，蔗糖積累迅速積累。這與Kato和Kubota[22]發(fā)現(xiàn)酸性轉化酶活性降低有利于蔗糖在植物中貯藏的結果一致。此外，噴施一定濃度IAA在空心蓮子草根系膨大前期及膨大期可顯著提高蔗糖合成酶活性。大量研究表明，蔗糖合成酶對保持蔗糖梯度及促進蔗糖積累產生一定積極作用，王永章和張大鵬[23]發(fā)現(xiàn)蘋果(Malusdomestica)果實蔗糖代謝過程中蔗糖合成酶活性與蔗糖含量正相關。在本研究中根中蔗糖積累同樣與蔗糖合成酶活性的增加相伴隨。由此可見，酸性轉化酶和蔗糖合成酶與空心蓮子草根中蔗糖積累密切相關。本研究中，100 mg·L-1IAA處理在空心蓮子草根系膨大前期及膨大期顯著抑制酸性轉化酶活性，增加蔗糖合成酶活性，從而促進空心蓮子草根中蔗糖的積累。Hubbard等[24]研究果實時發(fā)現(xiàn)，蔗糖的合成、分解是由中性轉化酶、酸性轉化酶、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶之間的動態(tài)平衡決定。綜上所述，生長素可能參與到蔗糖的合成或代謝途徑，通過調節(jié)對蔗糖合成和降解相關酶活性，促進根內蔗糖的合成，為不定根膨大發(fā)育提供充足的養(yǎng)分。

植物激素在植物不定根轉化為貯藏根過程中發(fā)揮著重要作用[25]。施用外源激素對植物根系內源激素分布及信號轉導途徑產生影響，使其或單獨或與其他激素相互作用于植物主根、側根、不定根及根毛的發(fā)育過程[26-27]。前人研究發(fā)現(xiàn)，內源ABA、ZR含量對甘薯(Dioscoreaesculenta)不定根膨大形成塊根及其膨大速率具關鍵作用，與塊根干重顯著正相關，而葉面噴施壯豐安(ZFA)使甘薯源、庫器官內源激素含量發(fā)生改變，提高塊根內源ABA、IAA含量，增加塊根鮮重[27-28]；楊永崗等[29-30]發(fā)現(xiàn)較高含量的內源GA促進胡蘿卜(Daucuscarotavar. sativa)肉質根膨大，當葉面噴施GA時，顯著降低肉質根內源GA、IAA含量，提高內源ZA的含量，對根系膨大產生抑制作用；地黃塊根的起始分化受IAA及ZR的影響，在塊根膨大前期JA含量顯著提高，通過促進糖代謝過程促進塊根的形成[31-32]。內源ABA和BR是空心蓮子草根系膨大的關鍵激素，一定濃度的IAA可促進空心蓮子草不定根和貯藏根的伸長生長[6]。本研究結果發(fā)現(xiàn)，葉面噴施IAA處理顯著提高了空心蓮子草根系膨大前期內源ABA、IAA、BR、JA、ZR的含量和根系膨大期內源ABA、JA的含量，有利于促進不定根和貯藏根形成，以及增加根系干重、蛋白質及蔗糖含量。解備濤等[33]研究發(fā)現(xiàn)在甘薯塊根膨大前期葉面噴施DA-6可顯著提高根系中IAA、GA3的含量，并通過抑制甘薯地上生物量合成，促進地上部同化物向塊根轉移，有利于地下生物量的積累，提高塊根質量。根據本研究結果推測，空心蓮子草通過莖葉吸收外源IAA并運輸?shù)礁?，其內、外源激素相互作用對根系生長以及根系生物量產生影響，改變植物內各物質的含量，進而影響植物根系的發(fā)育和構型。

總體看來，施用外源生長素有利于促進空心蓮子草貯藏根的形成，其作用機理可能在于生長素影響空心蓮子草根內與蔗糖代謝相關酶活性及內源激素的含量，促進根內營養(yǎng)物質的合成，為根膨大發(fā)育提供充足的養(yǎng)分。該研究結果為進一步了解陸生型空心蓮子草的不定根膨大機理和提出有效防控措施提供了一定的理論基礎。