水稻苗期根系形態(tài)特征與化感潛力的相關(guān)性研究

林舜賢, 李家玉, 張清旭, 汪 鵬, 張 奇, 何海斌

(福建省農(nóng)業(yè)生態(tài)過程與安全監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/福建農(nóng)林大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002)

植物化感作用是指活體植物向環(huán)境中釋放次生代謝物，從而能影響周圍植物生長和發(fā)育的生態(tài)學(xué)現(xiàn)象.這些次生代謝物稱為化感物質(zhì)，根系分泌是化感物質(zhì)釋放到環(huán)境中的主要途徑[1].根系分布范圍對其它植物的化感作用影響最早見于“胡桃樹下不長草”的研究，周圍植株的死亡線和黑胡桃根系的分布線是一致的[2]，這主要是由于胡桃樹葉片含有胡桃酚糖苷復(fù)合物，通過淋溶方式進(jìn)入到胡桃樹根際土壤后，分解為胡桃酚，進(jìn)一步被氧化為毒性更強(qiáng)的胡桃醌[3].越來越多的研究證實(shí)植物的根部和根系分泌物在植株相互作用中非常重要[4-7].Azim et al[8]研究表明，狹葉山月桂(Kalmiaangustifolia)通過地下部根系競爭、根系分泌物和根系菌根三方面的聯(lián)合作用影響了鄰近植株黑云杉(Piceamariana)的生長，其中狹葉山月桂由于其兩倍多的根系生物量而顯著影響了黑云杉的生長.Czarnota et al[9]研究表明，化感物質(zhì)高粱酮主要在高粱的根毛部位產(chǎn)生并釋放.一些黃酮類物質(zhì)主要積聚在白三葉草植物的根尖中，并從根冠細(xì)胞釋放到土壤中介導(dǎo)植物化感作用[10].采用共聚焦顯微成像技術(shù)，Zhu et al[11]也實(shí)時(shí)觀察到萘醌類化感物質(zhì)在E.plantagineum活性根毛的頂端聚集.

目前對于水稻根系在水稻化感作用中的直接作用所知甚少. Dilday et al[12]在土壤盆栽試驗(yàn)中，觀察到化感水稻根系生物量高于非化感水稻品種.Gealy et al[13]利用13C同位素研究了11個水稻品種和2個雜草的根系分布規(guī)律與差異，研究表明，化感水稻在土壤表層中的根系總生物量高于非化感水稻且呈平面擴(kuò)展型分布，這可能增強(qiáng)了水稻根系分泌化感物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)對雜草的抑制作用.水培試驗(yàn)表明[14]，化感水稻的根尖數(shù)和根系生物量顯著低于非化感水稻，且根系主要以細(xì)根為主.這些研究結(jié)果說明，化感水稻與非化感水稻的根系特征存在顯著差異，并可能對水稻的化感作用產(chǎn)生影響.本研究在土培條件下，分析了化感苗期水稻根系形態(tài)特征、化感潛力和總酚含量差異，探討三者之間的相關(guān)性，為通過調(diào)控水稻根系生長以提高化感作用這一新途徑提供研究基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試品種為國際公認(rèn)的化感潛力水稻PI312777(PI)、Taichung Native1(TN)和非化感水稻Lemont (LE)[15].采用自然環(huán)境條件下種植袋土壤種植.試驗(yàn)所用土壤事先挑除殘根殘枝，風(fēng)干混勻，對土壤中的N、P、K含量進(jìn)行測定[16].結(jié)果為：全氮508.0 mg·kg-1、速效氮46.5 mg·kg-1；全磷415.3 mg·kg-1、速效磷50.66 mg·kg-1；全鉀463.0 mg·kg-1、速效鉀118.31 mg·kg-1.pH值6.36.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018年6—9月在福建農(nóng)林大學(xué)室外網(wǎng)室中進(jìn)行.取8 kg土壤于種植袋中(Φ14 cm×15 cm)，加水2 L并攪拌均勻，靜置1 d.在種植袋中心播1顆預(yù)萌發(fā)的水稻種子，每天補(bǔ)水以保持土壤濕潤，并拔除試驗(yàn)過程中長出的雜草.每個試驗(yàn)組設(shè)4個重復(fù).待水稻長至3、4、5、6 葉期時(shí)，采用水流沖洗方式，分離出根系，沖洗過程注意保留根的完整性，用于根系形態(tài)特征測定.同時(shí)收集水稻地上部分，取水稻葉片1 g，剪成1 cm長的小段，加20 mL蒸餾水，20 ℃浸提10 h，浸提液過0.45 μm濾膜，用于后續(xù)試驗(yàn).

1.3 測定內(nèi)容與方法

1.3.1 水稻苗期根系形態(tài)特征的測定 參照Li et al[14]方法測定水稻苗期根系形態(tài)特征.將試驗(yàn)1.2收集的根系清洗干凈后，用Epson Expression LA2400掃描儀(Seiko Epson Co., Nagano-ken, Japan)進(jìn)行根系掃描得到一系列灰度圖像.然后用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)(Regent Instruments Inc., Quebec, Canada)分析得到根系圖像，主要獲得以下各根系形態(tài)參數(shù)：總根長、總表面積、總體積、根尖數(shù)和以0.01 mm為間距，分析0～2 mm范圍內(nèi)不同直徑細(xì)根的根長、根表面積、根體積，每個樣品4個重復(fù).

1.3.2 水稻葉片浸提液化感潛力的測定 以萵苣為指示性受體，采用濾紙片生測法對不同葉期3種水稻葉片的化感潛力進(jìn)行測定[17].分別取試驗(yàn)1.2中水稻葉片浸提液5 mL加到墊有濾紙的組培瓶中，挑選5顆預(yù)萌發(fā)萵苣種子均勻播于濾紙上，并蓋好瓶蓋.以5 mL的蒸餾水作為對照組，4次重復(fù).培養(yǎng)瓶置于光照培養(yǎng)箱[(25±2) ℃,6:00—18:00,光照12 h]，3 d后測定萵苣的根長.以抑制率來評價(jià)水稻化感潛力，計(jì)算公式如下：IR/%=(1-TR/CK)×100.其中，IR：抑制率，TR：處理組測量值，CK：對照測量值.

1.3.3 水稻葉片浸提液總酚含量的測定 采用福林酚法測定水稻葉片浸提液的總酚含量[18].以沒食子酸(濃度分別為0、1、3、6、9、12、15 mg·L-1)為標(biāo)樣繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線.移取各溶液3.25 mL，加入0.5 mL福林酚試劑(國藥集團(tuán)公司，中國)和2.5 mL 1.0 mol·L-1Na2CO3，混勻后，于25 ℃避光放置40 min，再于770 nm波長下測定吸光度.4個平行重復(fù).取試驗(yàn)1.2的水稻葉片浸提液，稀釋10倍，按上述方法測定樣品溶液吸光度.根據(jù)沒食子酸標(biāo)準(zhǔn)曲線求算溶液總酚含量，以mg·g-1表示.

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)利用DPS 2000軟件采用單因素方差分析(one-way ANOVA)，顯著性差異分析采用LSD法進(jìn)行，其中ABC，表示1%顯著水平；abc，表示5%顯著水平，并采用相關(guān)性分析法分析不同化感潛力水稻根系形態(tài)與化感潛力的相關(guān)性.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同化感潛力水稻苗期根系形態(tài)特征

根系掃描圖像如圖1所示，強(qiáng)化感水稻PI、TN與非化感水稻LE的不同葉期根系形態(tài)存在一定差異.根系圖像分析結(jié)果表明(圖2)：在5葉期時(shí)，PI和TN總根長顯著大于LE；在4和6葉期時(shí)，PI和TN總根表面積均顯著大于LE；在3和4葉期時(shí)，PI和TN的根體積均顯著高于LE；無論水稻處于哪一個苗期，PI和TN的根尖數(shù)均顯著高于LE.

A、B、C分別代表水稻PI312777、Taichung Native1和Lemont；1、2、3、4分別代表水稻3、4、5、6葉期.圖1 3種水稻3～6葉期根系掃描圖Fig.1 Scanning graphs of the roots of the 3 rice cultivars at 3-6 leaf stage

大小寫字母分別表示不同品種在P<0.01和P<0.05水平差異顯著.圖2 不同化感潛力水稻3～6葉期總根系形態(tài)特征Fig.2 Root morphological traits of different allelopathic rice cultivars at 3-6 leaf stage

水稻苗期細(xì)根的形態(tài)特征差異性分析結(jié)果表明(表1)，在5葉期時(shí)，根直徑為0～0.1 mm的根長、根表面積和根體積均顯著高于LE.無論處于哪一個葉期，PI和TN根直徑為0.1～0.7 mm的總根長均顯著高于LE，總根表面積和總根體積也表現(xiàn)出同樣的趨勢，而在3、4和5葉期時(shí)，非化感水稻根直徑為0.7～2.0 mm的根長、根表面積和根體積均顯著高于強(qiáng)化感水稻.由此可見，不同化感潛力水稻苗期不同直徑細(xì)根的形態(tài)特征存在一定的差異性.

表1 水稻 3～6 葉期不同直徑根形態(tài)差異1)Table 1 Root diameter range of different allelopathic rice cultivars at 3～6 leaf stage

1)大小寫字母分別表示不同品種在P<0.01和P<0.05水平差異顯著.

2.2 水稻葉片浸提液的化感潛力評價(jià)

以水稻葉片浸提液對受體萵苣根長的抑制率來評價(jià)水稻的化感潛力，結(jié)果表明(圖3)，在3～6葉期，不同化感潛力水稻葉片浸提液對萵苣根長的抑制率隨著葉期先增后降，抑制率在五葉期最大，強(qiáng)化感水稻PI和TN葉片浸提液的抑制率分別為56.09%和58.14%，非化感水稻LE則為46.54%.不論處于哪個苗期，化感水稻PI和TN葉片浸提液對萵苣根長的抑制率均顯著高于非化感水稻LE.

大小寫字母分別表示不同品種在P<0.01和P<0.05水平差異顯著.圖3 水稻3～6葉期葉片浸提液對萵苣根長的抑制率Fig.3 Inhibitory rate of the leaf extracts from rice cultivars at 3-6 leaf stage on the root length of lettuce

2.3 不同化感潛力水稻葉片浸提液的總酚含量分析

由圖4可知，在3～6葉期，化感水稻PI、TN葉片浸提液中總酚含量均極顯著高于非化感水稻LE(P<0.01).3種水稻葉片浸提液的總酚含量在五葉期含量最高，六葉期次之，趨勢變化與抑草潛力的變化趨勢一致.PI、TN和LE葉片浸提總酚含量最高分別為2.25、2.10和1.55 mg·g-1.

大小寫字母分別表示不同品種在P<0.01和P<0.05水平差異顯著.圖4 水稻3～6葉期葉片浸提液總酚含量Fig.4 Total phenolic content of the leaf extracts of rice cultivars at 3-6 leaf stage

2.4 相關(guān)性分析

相關(guān)性結(jié)果表明(表2)，水稻葉片浸提液抑草潛力與葉片總酚含量、總根長、根尖數(shù)、細(xì)根根長、表面積和體積(根直徑為0～0.1 mm)、細(xì)根根長和體積(根直徑0.1～0.7 mm)呈極顯著正相關(guān)(r=0.69～0.76,P<0.01)，同時(shí)與總根表面積、細(xì)根表面積(0.1～0.7 mm)存在正顯著相關(guān)(r=0.59，0.68,P<0.05)；葉片總酚含量與根尖數(shù)和細(xì)根體積(根直徑0.1～0.7 mm)呈極顯著相關(guān)關(guān)系(r=0.72,P<0.01)，也與總根長、細(xì)根根長和根表面積 (根直徑0.1～0.7 mm) 、細(xì)根體積 (根直徑為0～0.1 mm)顯著正相關(guān)(r=0.59～0.67,P<0.05).

3 討論

國內(nèi)外已有很多關(guān)于水稻化感作用研究的報(bào)道，前人的研究也表明，水稻的化感作用是通過水稻根系分泌化感物質(zhì)來實(shí)現(xiàn)抑草作用[14,19-22]，水稻的根系形態(tài)可能與水稻的化感作用有關(guān)，本研究也證實(shí)這一推測.在土培條件下，不同化感潛力水稻苗期根系的生長形態(tài)存在很大差異.在化感作用最強(qiáng)的五葉期，化感水稻相對于非化感水稻具有明顯更多的總根長、根尖數(shù)、總根表面積和總根體積以及直徑更小的細(xì)根.這一結(jié)果與Gealy et al[13]研究一致，即與非化感水稻品種相比，化感水稻的根系在土壤表層中擴(kuò)展性分布，表明化感水稻的根系形態(tài)和分布可能與其抑制雜草能力有關(guān).本研究結(jié)果也表明，非化感水稻LE直徑較大的細(xì)根根系比化感水稻多，這或許有利于其根系向底層土壤接觸.

根系直徑對不同種類、生長形態(tài)和生物群落植物的根性狀變異有很大影響[23].細(xì)根介導(dǎo)了許多陸地植物的重要生物化學(xué)過程，傳統(tǒng)上定義為直徑≤2 mm的所有根[24]，但I(xiàn)versen et al[25]研究表明，不同直徑范圍內(nèi)的細(xì)根生長形態(tài)具有不同的功能，Li et al[14]研究表明，水培種植的化感水稻根系主要以更細(xì)的細(xì)根(根直徑<0.2 mm)為主，且這個細(xì)根形態(tài)特征與水稻根系分泌物、化感潛力顯著相關(guān)，本研究也得到類似的結(jié)果.盡管土培種植與水培種植方式下，同一種水稻的根系形態(tài)特征會有所不同，但是在水稻苗期 (3～6葉期),化感水稻的根尖數(shù)也顯著高于非化感水稻，直徑更小的細(xì)根根長顯著比非化感水稻大，而且這些根系形態(tài)形狀與水稻的的化感潛力和總酚含量之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系，表明根尖數(shù)和直徑更小的細(xì)根是影響水稻化感潛力的關(guān)鍵根系特征，對水稻發(fā)揮化感作用十分重要.化感水稻通過根系向土壤釋放化感物質(zhì)，從而抑制水稻雜草的生長[19,26].相關(guān)研究表明，大量的根系分泌物，包括酚酸，通常從植物的根毛中釋放出來，根毛區(qū)是植物根尖組成的一部分[4,6,11,27].因此推斷，在化感作用最強(qiáng)的苗期，化感水稻直徑小的細(xì)根越長，根尖數(shù)越多，使得更多的化感物質(zhì)從根毛中滲出和釋放到土壤中，從而具有更強(qiáng)的化感潛力.

許多研究證實(shí)，通過改良植物的根系生長可以提高作物產(chǎn)量，增強(qiáng)植物對土壤營養(yǎng)成分的吸收和利用，增強(qiáng)作物的耐旱性等[28-31].通過基因敲除等方法，Uga et al[31]成功改變了水稻根系的生長方向，使其更向下生長，從而使水稻在干旱條件下增強(qiáng)了耐旱性而獲得更高的產(chǎn)量.同樣，也可以通過改變水稻根系的分布和形態(tài)特征，提高根系分泌能力和伸展空間，增強(qiáng)苗期化感作用以提高抑草效率，這是水稻化感作用應(yīng)用的新思路.本研究結(jié)果為這種新思路提供了依據(jù)，但仍需要在田間條件下進(jìn)一步探索.