栓皮櫟幼苗葉片內(nèi)源激素含量對(duì)切根脅迫的短期動(dòng)態(tài)響應(yīng)

王曉雯，馮志培，程珂，楊果果，趙佳寶，楊喜田

(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002)

根系作為與土壤直接接觸的器官和植物重要的功能器官，不僅能固定地上部分，還能吸收水分和養(yǎng)分，滿足植物正常生長發(fā)育，對(duì)植被生態(tài)功能的有效發(fā)揮起著關(guān)鍵性作用[1-2]。根系既是生產(chǎn)內(nèi)源激素的“源”，又是接收地上部生產(chǎn)的內(nèi)源激素的“庫”，因此，根系通過協(xié)調(diào)輸入或輸出激素的水平影響地上部激素的含量[3]。植物體內(nèi)大多內(nèi)源激素的含量維持在一種平衡狀態(tài)，并參與植物生長發(fā)育的各個(gè)方面[4-6]。在植被恢復(fù)和移栽苗木過程中，健康生長的苗木根系狀態(tài)會(huì)受到不同程度的傷害，苗木根系受到切除傷害后，體內(nèi)的內(nèi)源激素會(huì)發(fā)生應(yīng)激變化將脅迫信號(hào)傳遞給葉片，并作為內(nèi)源信號(hào)分子參與植物在非生物逆境脅迫中的抗性作用[2,7]。前人對(duì)植物激素與植物抗性生理和抗逆能力的關(guān)系開展了大量研究[8-12]，認(rèn)為內(nèi)源激素作為信號(hào)分子，是參與苗木生長發(fā)育和適應(yīng)外界環(huán)境變化的重要物質(zhì)。在干旱脅迫下，植物根系產(chǎn)生根源化學(xué)信號(hào)，通過莖干運(yùn)輸系統(tǒng)到達(dá)地上部分，減少葉片氣孔開度，降低蒸騰作用，抑制生長和調(diào)節(jié)植物的水分利用[13]。近年來，有關(guān)移栽或切根與植物生長發(fā)育關(guān)系的研究逐漸成為恢復(fù)生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[14-17]，也開展了切根影響根系內(nèi)源激素含量的研究[10]，但有關(guān)切根對(duì)葉片中內(nèi)源激素在短時(shí)期內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化還研究較少。因此，本研究以1 a生栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)幼苗為研究對(duì)象，設(shè)置1/2切根、1/3切根處理，不切根作為對(duì)照(CK)，采用酶聯(lián)免疫法(ELISA)測定切根后第2、15、30、60、90天的栓皮櫟幼苗葉片中生長素(IAA)、脫落酸(ABA)、赤霉素(GA3和GA4)和茉莉酸甲酯(MeJA)等內(nèi)源激素含量的變化規(guī)律以及幼苗生長狀況，以探明內(nèi)源激素在短期內(nèi)調(diào)節(jié)林木根—冠互作關(guān)系中發(fā)揮的生理作用，以期為培育優(yōu)質(zhì)苗木和人工植被的建設(shè)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

1 a生栓皮櫟幼苗的培育在鄭州市河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林業(yè)試驗(yàn)站(113°42′E，34°43′N)完成。該區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，全年日照時(shí)間約為2 400 h，年平均降雨量為640.9 mm，無霜期約為220 d，年平均氣溫14.2 ℃，全年月平均最低氣溫出現(xiàn)在1月，約為-0.2 ℃，全年月平均最高氣溫出現(xiàn)在7月，約為27.3 ℃。切根后的栓皮櫟幼苗在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)人工氣候室內(nèi)用培養(yǎng)液培育，溫度18/24 ℃(晚上/白天)，相對(duì)濕度為40%～60%，光照時(shí)間為12 h，光照強(qiáng)度(晴天)為18～56 μmol·m-2·s-1。

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

栓皮櫟種子采自濟(jì)源市大溝河林場，發(fā)芽率為92%，千粒質(zhì)量為(3 690±112)g，帶回實(shí)驗(yàn)室并放在4 ℃的冰箱中保存。播種前，用水沖法清除種子中的雜質(zhì)，陰涼通風(fēng)處進(jìn)行沙藏催芽，種子露白后，將大小均一的露白種子播種于容器(30 cm×30 cm×35 cm)內(nèi)，基質(zhì)為V(沙子)∶V(蛭石)∶V(珍珠巖)=3∶1∶1，每穴4粒，播種后覆土。當(dāng)幼苗子葉完全展開后，每穴定植1株，進(jìn)行正常的田間管理，并記錄植株的生長狀況。整個(gè)試驗(yàn)過程中，為避免其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響，均不噴灑農(nóng)藥和施肥。培育1 a后，選取大小基本一致、發(fā)育良好的栓皮櫟幼苗，株高為((23.33±3.47)cm，地徑為(2.85±0.82)mm，平均主根長為(21.66±2.04) cm)，共200株，用水沖法進(jìn)行全根起苗，對(duì)幼苗主根按照1/2和1/3比例切斷，不切根組作為對(duì)照(CK)，分別記為1/2切根組、1/3切根組和CK組，每個(gè)處理組3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)20株。切根前用體積分?jǐn)?shù)為75%的乙醇對(duì)剪刀進(jìn)行消毒，記錄，編號(hào)，放入4～6 ℃冰盒內(nèi)，迅速帶回至人工氣候室，放入培養(yǎng)盒內(nèi)繼續(xù)培養(yǎng)，營養(yǎng)液配方見表1。

表1 培養(yǎng)營養(yǎng)液組成Table 1 Components of nutrient solution mg·L-1

1.3 測定指標(biāo)及方法

內(nèi)源激素測定分別在切根處理后的第2、15、30、60和90天的上午9：00—11：00，對(duì)不同切根比例的栓皮櫟幼苗選取3株進(jìn)行葉片組織取樣，迅速放入液氮罐帶回試驗(yàn)室內(nèi)，在研缽中充分研磨，采用酶聯(lián)免疫法(ELISA)[18]測定樣品中的IAA、ABA、GA3、GA4和MeJA等內(nèi)源激素含量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用SPSS20.0和Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。運(yùn)用Duncan檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較和差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，用Excel 2007軟件作圖。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片中ABA含量的影響

經(jīng)過不同比例切根處理后，在切根后第2天，各處理組ABA含量差異顯著(P<0.05)，1/2切根處理和1/3切根處理的栓皮櫟幼苗葉片中ABA含量比CK組低，分別比同期CK組低5.9%和33.6%；切根后第15天，1/3切根處理葉片中ABA含量顯著高于同期1/2切根處理和CK組(P<0.05)；切根后15～60 d，CK組和1/2切根組葉片中ABA含量總體呈現(xiàn)升高趨勢，切根時(shí)間相同時(shí)，1/2切根組均顯著高于CK組(P<0.05)；直到切根第90天，各切根組栓皮櫟幼苗葉片中ABA含量與CK組無顯著差異(P>0.05)，其含量變化范圍為108.48～112.54 ng·g-1(表2)。綜上可知，切根處理后第15～90天內(nèi)，葉片中ABA含量呈升高趨勢，說明受到切根脅迫后栓皮櫟根系可以傳遞脅迫信號(hào)給葉片。

2.2 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片中IAA含量的影響

切根后第2天，1/2切根組含量顯著高于CK組和1/3切根組(P<0.05)。切根后的第2～15天，CK組栓皮櫟葉片中的IAA含量從33.16上升到54.57 ng·g-1，之后基本保持平緩，而與CK組相比，1/2切根組和1/3切根組栓皮櫟葉片中的IAA含量均降低，且在切根后第15天時(shí)切根組葉片的IAA含量顯著低于CK組(P<0.05)。1/2切根組葉片中的IAA含量在切根15～90 d內(nèi)呈先升高后降低再升高的變化趨勢，而1/3切根組葉片中IAA 含量在15～90 d卻逐漸上升，并隨著時(shí)間的變化存在顯著差異(P<0.05)，在第90天時(shí)1/3切根組和1/2切根組顯著高于CK組(P<0.05)。3個(gè)處理組相比，CK組中葉片的IAA含量變化幅度最小，為21.41 ng·g-1，1/2和1/3切根組分別為56.90和31.47 ng·g-1(表3)。

表2 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片ABA含量的影響Table 2 Effects of different treatments of root pruning on ABA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

注：不同大寫字母表示相同時(shí)間不同切根處理的同列數(shù)據(jù)之間在P<0.05水平差異顯著；不同小寫字母表示相同處理組不同取樣時(shí)間的同行數(shù)據(jù)之間在P<0.05水平差異顯著。下同。

Note:Different capital letters in the same column of data of different root-cutting mean significant difference atP<0.05 level; and different lowercase letters in the same line of data of different sampling time mean significant difference atP< 0.05 level.The same as below.

表3 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片IAA含量的影響Table 3 Effects of different treatments of root pruning on IAA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

2.3 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片中GA3含量的影響

由表4可知，1/3切根組在整個(gè)試驗(yàn)過程中呈上升趨勢，但1/2切根組呈先下降后上升的變化趨勢。尤其是切根后第30天，CK組栓皮櫟葉片中GA3含量到達(dá)一個(gè)峰值，為9.21 ng·g-1，而1/2切根組含量到達(dá)最低值，為7.64 ng·g-1，CK組高出1/2切根組1.57ng·g-1(P<0.05)。切根后第2天，葉片中GA3含量為1/3切根組>1/2切根組>CK組，其含量分別為8.52、8.38和7.38 ng·g-1，切根組葉片中的GA3含量均高于CK組(P<0.05)；切根處理后第2～15天和第60～90天，切根組葉片中GA3含量大于CK組；切根后2～60 d內(nèi)，1/3切根組均高于1/2切根組，且在第30天時(shí)顯著高出1.27 ng·g-1(P<0.05)。

表4 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片GA3含量的影響Table 4 Effects of different treatments of root pruning on GA3 content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

2.4 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片中GA4含量的影響

整個(gè)試驗(yàn)過程中，1/2切根組和CK組葉片中GA4含量變化規(guī)律相同，切根后2～30 d含量呈上升趨勢，30～60 d下降，60～90 d上升，且1/2切根組葉片中的含量均高于CK組。在切根后第30天，1/2切根組和CK組分別出現(xiàn)一個(gè)峰值，其含量分別為10.60、9.23 ng·g-1，且1/2切根組比CK組顯著高出1.37 ng·g-1(P<0.05)；1/3切根組葉片中，GA4含量總體呈先升高后降低的趨勢，并在切根后第15天時(shí)1/3切根組含量顯著高于1/2切根組和CK組(P<0.05)，在切根后第30天時(shí)含量最高，之后開始下降；在切根后2～90 d內(nèi)，1/2切根組葉片中GA4含量始終高于CK組(表5)。

2.5 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片中MeJA含量的影響

栓皮櫟幼苗葉片中MeJA含量變化范圍為18.76～30.34 ng·g-1。整體來看，CK組葉片中MeJA含量沒有顯著變化(P>0.05)，切根組葉片中MeJA含量表現(xiàn)為上升趨勢。2～15 d內(nèi)，切根組顯著低于CK組(P<0.05)；在切根后2～90 d內(nèi)，CK組葉片中MeJA含量始終高于切根組，且1/2切根組含量高于1/3切根組；切根后2～15和60 d內(nèi)CK組與切根組差異顯著(P<0.05)；1/2切根組前后含量變化為6.33 ng·g-1，增幅達(dá)29.79%；30～90 d內(nèi)，1/3切根組保持平緩，1/2切根組最后恢復(fù)到與CK組基本相同水平。1/3切根組上升幅度最大，最高值與最低值相差6.79 ng·g-1，增幅達(dá)36.19%(表6)。

表5 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片GA4含量的影響Table 5 Effects of different treatments of root pruning on GA4 content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

表6 不同切根處理對(duì)栓皮櫟幼苗葉片MeJA含量的影響Table 6 Effects of different treatments of root pruning on MeJA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

3 結(jié)論與討論

ABA可加快離層形成從而促進(jìn)植物組織脫落、植物生長以及加強(qiáng)植物的抗逆性。研究發(fā)現(xiàn)，葉片中ABA在氣孔關(guān)閉中發(fā)揮重要作用[18]。受到切根脅迫的植株，根系產(chǎn)生的ABA會(huì)傳遞到葉片，減少葉片氣孔開度，抑制蒸騰，增加支柱的保水力[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，栓皮櫟幼苗受到切根傷害后15～60 d內(nèi)，ABA含量出現(xiàn)升高現(xiàn)象，且切根組大于對(duì)照組，這可能是由于根系受到切根傷害后，根系中也能迅速合成ABA并傳遞給葉片，使葉片中ABA含量升高，提高了栓皮櫟幼苗葉片的保水性，減輕細(xì)胞膜的受損程度，增強(qiáng)栓皮櫟幼苗對(duì)切根脅迫的抵抗能力[21]。茉莉酸類物質(zhì)與ABA一樣都是參與植物應(yīng)對(duì)脅迫的一種重要激素。有研究發(fā)現(xiàn)，在許多逆境條件下植物體內(nèi)ABA或MeJA含量會(huì)升高，植物的抗逆性會(huì)增強(qiáng)[22-26]。也有研究表明，低溫處理香蕉后，其體內(nèi)的茉莉酸含量有所降低[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，葉片中MeJA含量隨時(shí)間延長切根組栓皮櫟幼苗中MeJA含量逐漸升高，切根組含量低于同期CK組，并隨著時(shí)間延長逐漸縮小與CK的差距，可能由于隨著根系自身的修復(fù)功能，MeJA逐漸恢復(fù)至平衡狀態(tài)，也可能與栓皮櫟幼苗啟動(dòng)側(cè)根生長有關(guān)。

IAA可以促進(jìn)植物的生長發(fā)育，促進(jìn)細(xì)胞的伸長、分裂和分化，促進(jìn)器官的成熟和衰老[28]。研究發(fā)現(xiàn)，高溫脅迫下，黃瓜葉片IAA含量減少，認(rèn)為高溫脅迫下植物生長代謝與IAA含量存在互動(dòng)反饋關(guān)系，即高溫脅迫降低了植物活性使葉片衰老甚至死亡，葉片中IAA含量從而減少[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，栓皮櫟幼苗受到切根傷害后，切根組葉片中IAA含量前期整體上要低于同期CK組，葉片中IAA含量減少可能是由于切根后植株正常生長受到阻礙，降低了植株活性，根系將信號(hào)傳遞給葉片，從而減少了葉片中IAA含量。而在切根第90天時(shí)切根組顯著高于CK組，是因?yàn)殡S著切根時(shí)間的延長和自身修復(fù)，植株通過調(diào)節(jié)內(nèi)源激素的濃度從而建立新的平衡來適應(yīng)逆境的脅迫。斷根處理下，IAA含量變化不同可能是植物的物種及各部位差異表現(xiàn)出對(duì)IAA的敏感度不同[29-30]。

赤霉素可以抑制衰老，促進(jìn)細(xì)胞的增長和莖、葉的伸長。有研究發(fā)現(xiàn)，煙草和玉米受到非生物脅迫后，葉片中的GA3含量均下降[31-32]，高溫脅迫下，黃瓜頂芽中GA3含量降低，并且隨著溫度的升高，降低幅度也越大[7]。本研究發(fā)現(xiàn)，切根處理后，栓皮櫟幼苗葉片中GA3含量沒有顯著變化，在切根2～60 d內(nèi)，切根組葉片中GA4含量高于CK組，這可能是由于不同植株不同器官的GA在應(yīng)對(duì)不同脅迫時(shí)其響應(yīng)機(jī)制不同，植物體內(nèi)GA的動(dòng)態(tài)變化與植物體本身的性質(zhì)關(guān)系密切。

本試驗(yàn)主要研究了不同切根處理后不同時(shí)期栓皮櫟幼苗葉片中內(nèi)源激素的含量變化，證明了根系在受到切根傷害后，短期內(nèi)葉片中對(duì)調(diào)節(jié)植物生長發(fā)育的各激素有一定影響。根系將脅迫信號(hào)傳遞給葉片后，內(nèi)源激素產(chǎn)生并重新分配對(duì)切根脅迫做出應(yīng)激反應(yīng)。隨著切根脅迫的減弱和植株自身的修復(fù)，內(nèi)源激素含量逐漸恢復(fù)至正常水平。但植物內(nèi)源激素的變化比較復(fù)雜并且各種激素之間以各種復(fù)雜的方式協(xié)調(diào)起作用。