干旱脅迫對紅寶石海棠根系形態(tài)及生理特性的影響

鄭淼, 郭毅, 王麗敏

(山西林業(yè)職業(yè)技術(shù)學院園林系, 太原 030009)

紅寶石海棠(Malusmicromaluscv. ‘Ruby’)是薔薇科蘋果屬落葉小喬木，因其枝、葉、花、果均呈紅寶石色，因此又名“紅葉海棠”。紅寶石海棠枝條發(fā)出的新葉呈紅色，嫩芽更紅，果實呈鮮紅，極具觀賞性，可以作為觀賞花木栽培；果實成熟后酸甜適口，營養(yǎng)豐富，也可以作為名優(yōu)水果栽培；其樹冠修剪簡單，容易造型，樹形優(yōu)美，亦可作為盆景栽培。紅寶石海棠具有較強的適應性，喜光不耐陰，耐瘠薄、耐寒冷、耐輕度鹽堿[1]，且對SO2的抗性較強，非常適合作為城市道路綠化的行道樹，是我國北方城市道路綠化的主要優(yōu)良樹種。

關(guān)于紅寶石海棠的研究報道較少。劉曉芳等[1]研究了適應于新疆的紅寶石海棠栽培的整地、移栽、嫁接及快速育苗等技術(shù)；張文軍[2]介紹了紅寶石海棠的嫁接育苗及苗木管理技術(shù)；劉興旺等[3]對紅寶石海棠的生物學特性、適生區(qū)域、引種繁育技術(shù)及其應用進行了研究。劉曉芳等[4]通過抗寒性、抗旱性、耐鹽堿性、觀賞性等指標來建立生長適應性評價體系。也有部分學者就紅寶石海棠枝葉顏色的影響因子[5]及遺傳特性[6]等方面開展了研究，為進一步提升其觀賞性提供了技術(shù)支持。紅寶石海棠作為北方城市的主要行道樹種被廣泛應用，但是由于對其抗旱性能及機理未見報道，關(guān)于其根系對干旱環(huán)境的適應性能了解不夠，給城市綠化管理帶來了極大的不便。基于此，本文研究了不同程度干旱脅迫對紅寶石海棠根系形態(tài)特征及其生理特性的影響，探討其耐旱機理，為紅寶石海棠的栽培管理和推廣應用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年在山西省太谷縣小白鄉(xiāng)白燕村綠美苗木基地開展，采用盆栽控水法，材料為株高、長勢一致的一年生紅寶石海棠實生苗。盆栽用盆為塑料花盆，規(guī)格為330 mm×230 mm×250 mm(上口直徑×底部直徑×高)。每盆裝自制營養(yǎng)土10 kg，營養(yǎng)土配比為土壤：農(nóng)家肥：粗砂=6∶3∶1(質(zhì)量比)。于2015年秋季移栽，每盆1株，移栽時苗木莖高約25 cm。栽后置于日光溫室內(nèi)進行常規(guī)管理。

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置5個水分梯度，各處理土壤相對含水量分別為85%±5%(CK)、70%±5%(T1)、55%±5%(T2)、40%±5%(T3)、25%±5%(T4)，每個處理3次重復，每個重復5株植株。移栽后正常水分管理，2016年4月10日開始控水處理，試驗期間每天18：00稱重(整盆)，補充消耗水分，保證各處理的土壤水分含量在設(shè)定區(qū)間內(nèi)?？厮?0 d后，選擇代表性植株，將根系沖洗干凈用于測定根系形態(tài)特征，另取代表性植株根系測定根系活力等指標。

1.3 測定指標及方法

參照李合生[7]方法測定以下指標：游離脯氨酸(proline, Pro)含量采用酸性茚三酮比色法；可溶性蛋白質(zhì)(soluble protein, SP)含量采用考馬斯亮藍法；丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)法；可溶性糖(soluble sugar, SS)含量采用蒽酮比色法；過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法；過氧化氫酶(catalase，CAT)活性采用紫外分光光度法。參照張志良等[8]采用TTC還原法測定根系活力。利用Epson Expression 1680掃描儀(Japan)和Win Rhizo Pro 2004根系分析軟件(Canada)測定總根系長度(cm) 、表面積(cm2)、總體積(cm3)和根尖數(shù)等根系形態(tài)指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003進行數(shù)據(jù)處理和圖表制作，方差分析采用SPSS 19.0進行。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對根系形態(tài)特征的影響

不同程度干旱脅迫的根系形態(tài)特征結(jié)果見表1。可知，干旱脅迫影響紅寶石海棠的根系形態(tài)特征，隨干旱脅迫強度增加，根系的總長度、表面積、總體積和根尖數(shù)均呈逐漸增加后降低的趨勢。根系的總長度、表面積、總體積均以T3處理最大，分別較CK增加了27.08%、70.82%和61.07%；脅迫強度繼續(xù)增加(T4)后，這些值又下降至低于CK的值(分別較CK降低1.29%、15.49%和16.64%)。根尖數(shù)以T2處理最多(較CK增加50.38%)，T4最少(較CK降低26.91%)。

表1 干旱脅迫對紅寶石海棠根系形態(tài)特征的影響Table 1 Effect of drought stress on root morphological characteristic of M. micromalus cv. ‘Ruby’

說明紅寶石海棠在土壤相對含水量為40%～55%時最有利于根系的生長發(fā)育，相對含水量持續(xù)降低則引起根系的生長受阻、新根發(fā)生減少。

2.2 干旱脅迫對根系活力的影響

植物根系對水分脅迫較為敏感，水分虧缺將加速根系衰老，導致其活力下降，進而降低吸收水分和養(yǎng)分的能力。由圖1可知，干旱脅迫影響紅寶石海棠的根系，隨干旱脅迫程度增加，根系活力呈先升高后降低的趨勢。T1處理的根系活力最強，極顯著高于CK處理，較CK提高15.46%；T3、T4處理的根系活力極顯著低于CK處理，分別較CK降低39.67%和151.96%。說明當土壤相對含水量維持在55%以上時，紅寶石海棠可保持較強的根系活力，降低將會導致根系活力下降。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異在P<0.01水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.圖1 干旱脅迫對紅寶石海棠根系活力的影響Fig.1 Effect of drought stress on the root activity of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.3 干旱脅迫對滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的影響

游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白是植物應對干旱脅迫的重要滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)。不同干旱脅迫處理的紅寶石海棠根系脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量結(jié)果見圖2?？芍S干旱脅迫程度的增加，根系內(nèi)脯氨酸和可溶性糖含量均呈逐漸上升趨勢。T2、T3、T4處理的脯氨酸含量均較CK處理極顯著升高；處理T1、T2、T3、T4的可溶性糖含量均較CK處理極顯著升高。隨干旱脅迫強度增加可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢，T1、T2處理極顯著高于CK處理，分別提高18.76%和31.77%，二者差異不顯著，T4處理的可溶性蛋白含量極顯著低于CK處理，降低了20.26%。說明當紅寶石海棠遭遇干旱脅迫時，可通過自身調(diào)節(jié)提升游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的含量，以降低細胞滲透勢和水勢、保護膜系統(tǒng)，維持細胞代謝正常。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異在P<0.01水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.圖2 干旱脅迫對紅寶石海棠根系的游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響Fig.2 Effect of drought stress on the content of Pro, SS and SP of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.4 干旱脅迫對MDA含量的影響

當植物處于逆境脅迫時，細胞內(nèi)累積的活性氧可直接攻擊膜系統(tǒng)中的不飽和脂肪酸，導致膜脂發(fā)生過氧化而產(chǎn)生丙二醛，進而導致生物膜的結(jié)構(gòu)和功能受到損傷或破壞[9]。因此，丙二醛含量的高低可在一定程度上反映細胞膜結(jié)構(gòu)的受害程度[10]。由圖3可知，隨干旱脅迫程度增強紅寶石海棠根系的丙二醛含量呈持續(xù)增高趨勢，處理T1、T2、T3、T4較CK處理分別增加32%(T1)、93%(T2)、138%(T3)和182%(T4)，各處理間極顯著差異。作為膜脂過氧化產(chǎn)物，丙二醛含量隨著干旱脅迫程度增強而升高，說明干旱脅迫導致的紅寶石海棠根系膜系統(tǒng)受損程度隨脅迫強度增加而加重。因此，在管理過程中盡量避免因過度干旱造成的根系損傷。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異在P<0.01水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.圖3 干旱脅迫對紅寶石海棠根系MDA含量的影響Fig.3 Effect of drought stress on MDA content of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.5 干旱脅迫對過氧化物酶和過氧化氫酶活性的影響

不同程度干旱脅迫對過氧化物酶和過氧化氫酶活性的影響結(jié)果見圖4。可以看出，隨著干旱脅迫強度的增加，紅寶石海棠根系的POD活性呈逐漸增強的趨勢，與CK相比，干旱脅迫處理的POD活性分別提高了37.25%(T1)、92.89%(T2)、128.25%(T3)和135.36%(T4)；除T3與T4外，POD活性在處理間呈顯著差異。CAT活性隨干旱脅迫強度增加呈先升高后降低的趨勢，CAT活性以CK最低，T2最高；CK與T1間、T3與T4間差異未達到極顯著水平。T2的CAT活性顯著高于其他處理，比CK提高了51.61%。由此可知，持續(xù)增強干旱脅迫強度后，POD活性也隨之增加；但CAT活性在土壤相對含水量降至55%(T2)時達最高，如果再降低土壤含水量則CAT活性持續(xù)降低，這可能導致活性氧不能被及時有效清除，造成膜脂過氧化而傷害根系。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異在P<0.01水平具有統(tǒng)計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.圖4 干旱脅迫對紅寶石海棠根系的過氧化物酶和過氧化氫酶活性的影響Fig.4 Effect of drought stress on POD and CAT activities of M. micromalus cv. ‘Ruby’

3 討論

植物受到干旱脅迫時，根系首先感受脅迫并發(fā)出信號，使整個植株對干旱做出相應反應以適應干旱環(huán)境[11]。當脅迫程度加劇或脅迫時間持續(xù)時，植物根系的形態(tài)特征和生理特性將產(chǎn)生變化以適應并緩解干旱，直至發(fā)生不可逆的死亡。本研究顯示，適度干旱脅迫可促進紅寶石海棠根系生長發(fā)育，增加根系的總長度、表面積、總體積和根尖數(shù)；但持續(xù)增強干旱脅迫后，根系的總長度、表面積、總體積和根尖數(shù)呈極顯著下降趨勢。這主要是因為干旱條件下植物通過延長根系長度、增加根系數(shù)量來實現(xiàn)在較大范圍內(nèi)吸收土壤水分以緩解干旱對其自身造成的傷害，但干旱脅迫強度超過根系耐受范圍時將限制根系生長發(fā)育。研究者們在玉米[12]、杉木[13]、頂果木[14]、蘋果[15]的研究也得到了類似結(jié)果。

根系是植物吸收水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的主要器官，根系活力的大小反映吸收能力的強弱。水分脅迫時會影響根系的吸收能力[16]。本研究中，輕度干旱提高了紅寶石海棠的根系活力，這與侯夢圓等[17]研究結(jié)果一致；持續(xù)增加干旱脅迫強度后根系活力則持續(xù)下降，這與王智威等[18]的研究結(jié)果一致。這主要是因為植物根系對干旱脅迫的忍耐能力是有限的，超過這個限度后就會對根系造成傷害[19]。

滲透調(diào)節(jié)是植物適應水分脅迫的重要調(diào)節(jié)機制之一[20]。當植物受到干旱脅迫時，細胞主動生成滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來提高細胞液濃度、降低其滲透勢從而增強植物保水能力[21]。本研究顯示，隨干旱脅迫程度增強，紅寶石海棠根系的可溶性糖和游離脯氨酸含量呈逐漸升高趨勢，且處理間存在極顯著差異。研究者們對珠美海棠[22]和八棱海棠[23]的研究也得出類似結(jié)果。本研究發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫強度增加，根系可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢。這主要是因為輕度干旱促進細胞維持較高濃度的可溶性蛋白質(zhì)來抵抗干旱脅迫傷害[24]，但干旱脅迫過強又抑制了蛋白質(zhì)的合成并誘導蛋白質(zhì)降解，從而降低總蛋白質(zhì)含量[25]。本研究中，干旱脅迫增強極顯著地誘導根系MDA含量升高，主要是因為干旱脅迫增強導致細胞內(nèi)積累的活性氧增多，造成膜脂發(fā)生過氧化產(chǎn)生更多MDA。學者們在研究干旱脅迫對山核桃[26]、桂花[27]等植物的影響時也得到類似結(jié)果。

干旱脅迫導致植物細胞活性氧代謝失衡，活性氧累積進而傷害細胞[28]。POD和CAT具有清除細胞內(nèi)過?；钚匝醯墓δ?，是植物清除活性氧的關(guān)鍵保護酶[29]。本研究顯示，干旱脅迫在一定程度上提高了紅寶石海棠根系的POD和CAT活性，隨干旱脅迫強度增加，POD活性呈逐漸增強趨勢，而CAT活性呈先升高后降低的趨勢。張桂霞等[22]報道，珠美海棠實生苗遭遇干旱脅迫時，其葉片的CAT活性也呈逐漸升高的趨勢。也有報道顯示，干旱脅迫下將導致西府海棠實生苗、貼梗海棠實生苗和貼梗海棠扦插苗的POD活性升高[30]。鄧勝興等[31]在研究干旱脅迫與柑橘葉片酶活性時發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫增強，POD活性呈先升高后降低的趨勢，而CAT活性則呈降低趨勢。高興國等[32]發(fā)現(xiàn)，隨干旱脅迫程度加劇，葉片中的POD與CAT酶活性均先上升后下降。這主要是因為，植物在受到水分脅迫時，細胞內(nèi)將產(chǎn)生過剩的活性氧自由基，導致膜脂過氧化而傷害膜系統(tǒng)。為了降低這種損害，植物體內(nèi)的保護酶(如：CAT、POD等)含量升高以清除自由基，從而起到保護植物的作用[33]。

綜上所述，適度干旱可促進紅寶石海棠根系的生長發(fā)育，提升根系的吸收能力；根系可以通過調(diào)整保護酶活性(POD、CAT)和可溶性物質(zhì)含量(SS、SP和Pro)來提高其對干旱脅迫的抵抗能力，從而有效防止因膜脂過氧化而對根系造成的傷害。綜合考慮各指標認為，土壤相對含水量為55%為紅寶石海棠的最適灌水閥值，當土壤相對含水量降低至55%以下將對根系造成傷害，此值可作為紅寶石海棠栽培水分管理的依據(jù)。