干旱脅迫下氮添加對白刺根系形態(tài)和內(nèi)源激素的影響

陳曉娜，李清河，段 娜*，劉 芳，高君亮，趙納祺

(1. 中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200；2. 中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，國家林業(yè)局林木培育重點實驗室，北京 100091)

【研究意義】化石燃料燃燒、化肥的過量施用以及不合理利用等人為干擾，致使陸地生態(tài)系統(tǒng)中的氮沉降逐漸增加，全球氮沉降量高達63 Tg yr-1(1 Tg = 1012g)[1]。目前由氮沉降劇增帶來的陸地生態(tài)系統(tǒng)結構與功能的改變引起廣泛關注[2]。氮是陸地生態(tài)系統(tǒng)中影響植物生長發(fā)育的主要元素，陸地生態(tài)系統(tǒng)中的植物群落特征與地上生產(chǎn)力都和氮沉降增加有著密不可分的關系[3]。氮沉降能夠改變土壤理化性質(zhì)、微生物群落組成與結構、植物群落組成與結構等。內(nèi)蒙古自治區(qū)磴口縣地處我國西部烏蘭布和沙漠東北緣，氣候干旱，降水稀少，水資源短缺是阻礙該地區(qū)植物正常生長的重要因素之一，特殊的氣候原因使干旱半干旱區(qū)的氮輸入形式常常是伴隨降水等形式形成短時期充足的營養(yǎng)供給，然后一部分為植物吸收、微生物固定提供能源，另一部分則隨土壤下滲。在氮素缺乏的環(huán)境中，氮沉降能夠促進植物的氮吸收效率和光合同化能力，進而提高生產(chǎn)力。但是，過多氮素的攝入，也會對植物體內(nèi)碳的分配格局產(chǎn)生影響，減弱植物的光合同化能力[4]。因此，研究干旱地區(qū)氮沉降對植被生長狀況的影響，為當?shù)睾侠砝玫峁┚唧w詳細的理論依據(jù)十分必要。內(nèi)源激素是植物新陳代謝的調(diào)控者，內(nèi)源激素和植物的應激反應與形態(tài)學的適應性變化關系密切。根系是植物吸收水分與養(yǎng)分的重要器官，也是合成氨基酸與多種激素的主要場所[5-6]。【前人研究進展】近年來，有關干旱脅迫下，氮素對植物生長發(fā)育和內(nèi)源激素關系的報道日漸增多，但研究對象主要為農(nóng)作物。劉瑞顯[7]研究發(fā)現(xiàn)，水分脅迫下對花鈴期棉花(Gossypiumhirsutum)施氮能夠促進其體內(nèi)IAA含量和GA含量的合成。徐國偉[8]發(fā)現(xiàn)，在保持水層和輕度干濕交替下，對玉米(Zeamays)施氮后的根系ZR含量、IAA 含量逐漸增加；而在重度干濕交替下，隨著施氮量的增加，其含量呈先增加后降低的趨勢；中等氮含量能夠明顯提高氮肥利用效率。李雙[9]研究發(fā)現(xiàn)，水分氮肥脅迫會抑制番茄(LycopersiconesculentumMill.)根系生長，對根系于地上部分JA含量積累也產(chǎn)生不利影響。目前，有關養(yǎng)分條件下植物內(nèi)源激素和樹木生長發(fā)育狀況關系的研究相對罕見[10]，特別是針對水分供給不足的干旱半干旱地區(qū)的荒漠灌木，結合水分脅迫條件的氮沉降研究更為罕見。然而，植物體內(nèi)水分狀況很大程度上受土壤氮含量的限制，土壤氮含量充足是保證植被正常生長的首要前提之一，缺少氮素通常會改變植物自身代謝以及生理過程，其中對植物水分的影響是最明顯的[11]。【本研究切入點】本文以烏蘭布和沙漠先鋒植物——唐古特白刺(Nitrariatangutorum)為研究對象，通過盆栽模擬試驗，研究干旱條件下氮素對其根系生長及葉片內(nèi)源激素的影響，深入了解氮添加對干旱地區(qū)白刺生長狀況的影響?！緮M解決的關鍵問題】為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供必要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于中國林業(yè)科學研究院沙漠林業(yè)實驗中心院內(nèi)進行。3月選擇大小均勻且飽滿的唐古特白刺種子在營養(yǎng)缽中進行育苗，每缽1粒種子，5月選擇大小相對一致的幼苗移栽至PVC花盆中(直徑*高=16 cm×40 cm)，基質(zhì)為當?shù)馗迟|(zhì)多、鹽堿低的農(nóng)田表土與細沙1∶1(V/V)的混合土壤。盆底周圍設有大小均勻的孔隙以維持盆內(nèi)白刺根系通氣良好。為避免取根時破壞根系，花盆底部采用可拆卸裝置。試驗開始即搭建遮雨棚，晴天打開遮雨棚，使白刺接收自然光照，雨天放下塑料薄膜，避免降雨對試驗造成誤差，苗期對其進行正常管護工作，待白刺幼苗有大量葉片展開時開始施用氮肥(含氮量46.7 %的尿素)。根據(jù)該地區(qū)不同生境的實際土壤氮含量，本試驗氮含量共設置4個梯度0、6、36、60 mmol·L-1，將各處理所需質(zhì)量的氮肥溶于1 L蒸餾水中，均勻地噴施到花盆中。施肥結束后控制澆水量為田間持水量的20 %～40 %，保證白刺成活即可。每處理25個重復。

1.2 測定指標與方法

8月選取成熟且未老化的白刺葉片進行內(nèi)源激素的測定。葉片取下后迅速放進預先編好號的自封袋中，立即放入液氮灌。葉片從采集到投入液氮灌時間保證在2 min內(nèi)。取樣完成后送至中國科學院植物研究所測定內(nèi)源激素。將樣品置于提前預冷且加入液氮的研缽中研磨至粉末，將粉末快速裝進旋蓋EP管中，用3～4層擦鏡紙包裹，利用皮筋扎緊管口。放置凍干機中抽真空，在完全避光的狀態(tài)下凍干48 h。凍干后，取出試驗樣品擰上原來的蓋子，置于冰箱(-20 ℃)干燥保存?zhèn)溆谩２捎肁gilent 7000B(三重四級桿質(zhì)譜)、Agilent 7890c(氣象)，加入相關穩(wěn)定同位素內(nèi)標對白刺體內(nèi)生長素(IAA)、脫落酸(ABA)、赤霉素(GA)含量進行測定。

9月將白刺根系取出，根系洗干凈后采用EPSON掃描儀獲取根系的形態(tài)圖像，利用Win Rhizo Pro 2007根系分析系統(tǒng)軟件進行根系體積、根系表面積、根尖數(shù)等指標的測定。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel統(tǒng)計軟件對試驗數(shù)據(jù)進行整理，并計算其均值和標準誤差。利用SPSS 17.0 對數(shù)據(jù)進行顯著性差異分析(Duncan法)和相關分析。

2 結果與分析

2.1 氮添加對白刺根長的影響

本文將根系徑級d<1 mm劃分為細根，d<3 mm劃分為小根，3 mm

2.2 氮添加對白刺根系形態(tài)的影響

由表2可知，干旱條件下，氮添加會促進白刺表面積、體積以及根尖數(shù)的增加。方差分析顯示，氮添加對白刺根系表面積和體積的影響較顯著(P<0.05)，白刺根尖數(shù)差異不顯著(P>0.05)。白刺根系表面積在氮濃度為36 mmol·L-1時達到最大值，為155.74 cm2，較不施氮處理增加46.80 cm2，多重比較分析顯示，4個氮處理間差異均較顯著(P<0.05)。白刺根系體積隨氮濃度的增加呈逐漸增加的趨勢，當?shù)獫舛冗_60 mmol·L-1時，根系體積最大，此時體積與不施氮處理形成顯著差異(P<0.05)，6 和36 mmol·L-1氮添加對白刺根系體積影響也均較明顯。對于白刺根尖數(shù)而言，僅36 mmol·L-1的氮素對其影響顯著(P<0.05)，此時根尖數(shù)較不施氮處理增加了408.67個。

2.3 氮添加對白刺內(nèi)源激素的影響

由表3可知，氮添加會促進白刺體內(nèi)IAA含量合成，但是促進效果不強，各處理間差異均不顯著(P>0.05)。方差分析顯示，氮添加對白刺體內(nèi)ABA含量影響較顯著(P<0.05)，氮濃度為6 mmol·L-1時，白刺ABA含量達到最大值，為1639.45 ng·g-1，較不施氮處理增加52.39 %。對于白刺體內(nèi)GA3含量而言，氮濃度越高，對其促進效果越好。6 mmol·L-1的氮素對白刺GA3含量影響不顯著(P>0.05)，其他兩處理與無氮處理差異較顯著(P<0.05)，當?shù)貪舛冗_60 mmol·L-1時，GA3含量已較無氮處理增加10.19 ng·g-1。

表1 水分脅迫下氮添加對白刺根長的影響

注：不同字母代表不同氮添加濃度下的指標差異顯著，下同。

Note: Different letters indicate significant difference under different nitrogen concentration.The same as below.

表2 水分脅迫下氮添加對白刺根系形態(tài)的影響

表3 水分脅迫下氮添加對白刺內(nèi)源激素的影響

表4 白刺根系與內(nèi)源激素的關系

注：** 代表各指標間相關性極顯著(P<0.01)；* 代表各指標間相關性顯著(P<0.05)。

Note：** stands for that correlation is extremely remarkable among the indicators(P< 0.01))；* stands for that correlation is remarkable among the indicators(P< 0.05).

2.4 白刺根系形態(tài)與內(nèi)源激素的關系

對白刺根系形態(tài)和內(nèi)源激素進行相關分析，結果顯示，白刺根系形態(tài)指標間關系不緊密，僅根系體積和表面積相關性較強，相關系數(shù)達0.755，相關關系達到極顯著水平(P<0.01)，白刺根尖數(shù)與白刺根系表面積、體積關系均不顯著(P>0.05)。白刺內(nèi)源激素內(nèi)部關系也不緊密，僅ABA和GA3關系呈極顯著負相關關系(P<0.01)，IAA和ABA、GA3相關性較弱。分析白刺根系與內(nèi)源激素間的關系發(fā)現(xiàn)，僅根系體積與GA3含量關系緊密，相關系數(shù)達0.698，呈正相關關系。

3 討 論

根系是植物與土壤直接接觸的器官，是植物吸收水分和養(yǎng)分的主要場所，同樣也是和植物地上部分進行物質(zhì)運輸?shù)拇x器官，植物根系形態(tài)指標中的根系平均直徑、總長度、總表面積以及總體積對植物獲取養(yǎng)分至關重要[13-14]。水分和養(yǎng)分是影響植物吸收、運輸水分首要子。植物根系生長發(fā)育與水分、氮素等息息相關，根系長、大、深、密是抗旱植物的基本特征[15]。氮素過低會抑制植物根系伸長生長，減小根系表面積，使植株生長達到饑餓狀態(tài)，影響作物光合產(chǎn)物的分配；當?shù)蔬^量時，也會對根系生長造成負影響，降低氮肥利用率[16-18]。Blackman與Davies等[19]提出根冠通訊學說，認為植物根系開始出現(xiàn)吸水困難的時候能夠感知根部生長環(huán)境的干旱刺激，進而導致整株植物出現(xiàn)生理或生化學方面的反應。目前根冠通訊理論日漸完善，形成了以ABA為主的根源信號研究體制，同時乙烯、IAA、GA、JA、SA、木質(zhì)部pH等信號體也參與調(diào)節(jié)反應，并且相互影響，形成了相對復雜的信號交互過程[20]。

在水分較少的情況下，添加氮肥能夠促進植物扎根和根系總量的增加，同時改善根系活動，使其向吸收更多水分和養(yǎng)分的方向發(fā)展[21-23]。申麗霞等[24-25]研究表明，施氮后玉米的根長、表面積、體積不施氮處理明顯增加。但目前有關氮素對不同植物根系的作用效果不盡相同。梁銀麗等[26]試驗發(fā)現(xiàn)水分脅迫下少量的氮素對小麥(Triticumaestivum)幼苗的根系呈現(xiàn)促進作用，氮素過量則表現(xiàn)出負效應，對小南瓜(Cucurbitamoschata)等的研究也得出相似的結論[27-28]。本研究結果顯示，氮添加會促進干旱脅迫下白刺根系形態(tài)生長，36 mmol·L-1的氮素即可對多數(shù)形態(tài)指標起到明顯促進作用，當?shù)獫舛冗_60 mmol·L-1時，促進效果較36 mmol·L-1有所降低。說明氮添加能夠改善干旱脅迫對白刺帶來的危害，可能是由于氮肥能夠促進土壤團粒結構的形成，增強土壤的保肥保水能力，改良土壤條件，提高肥料的利用效率，以利于白刺根系生長。

植物激素在植物體內(nèi)天然產(chǎn)生的含量特別低，植物激素是由植物體特定部位產(chǎn)生并發(fā)揮作用，參與植物生理活動的調(diào)控環(huán)節(jié)。植物激素不是營養(yǎng)物質(zhì)，而是一種代謝產(chǎn)物，在極低濃度下就能調(diào)控植物的生命活動。在植物發(fā)育的不同階段或隨生長環(huán)境的改變，其含量也隨之發(fā)生改變[29]。施氮對小麥籽粒GA含量的影響較小，氮素能夠較小程度低提高小麥籽粒ABA含量，能顯著促進開花后的小麥籽粒體內(nèi)IAA合成[30]。馬宗恒[31]研究發(fā)現(xiàn)，氮素能夠增加葡萄(Vitisvinifera)葉片內(nèi)IAA、GA3和ABA含量，不同生長時期施氮均能顯著提高GA3含量，并改變GA3含量在整個生長期間的動態(tài)變化。本研究結果顯示，氮添加能夠促進白刺體內(nèi)IAA、ABA、GA3的合成，白刺IAA、ABA在氮濃度為36 mmol·L-1時達到最大值，GA3在60 mmol·L-1時達到最大值。說明氮添加能夠促使干旱脅迫下白刺葉片氣孔關閉，阻止氣孔開放，盡量減少不必要的水分消耗，以達到提高植株生長速率，緩解水分不足造成的對植株完成正常生理活動壓力的目的。

4 結 論

結合氮添加對干旱條件下白刺根系和內(nèi)源激素含量的變化可知，對于氣候干旱、降水稀少、蒸發(fā)強烈的烏蘭布和沙漠而言，土壤含水量低會對當?shù)刂脖簧L造成直接影響。這時氮添加通過促進白刺根系生根的能力，增大白刺根系與土壤的接觸面積，改善白刺根系空間發(fā)育狀況，提高白刺體內(nèi)內(nèi)源激素的合成，形成“以肥調(diào)水，以水促肥”的效果，可以達到減輕干旱脅迫對白刺生長發(fā)育帶來的危害，因此氮沉降對干旱半干旱地區(qū)具有一定的生態(tài)補償作用。