銨態(tài)氮素促進(jìn)甘薯塊根形成的解剖特征及其IbEXP1基因的表達(dá)

王翠娟 柴沙沙 史春余 朱 紅 譚中鵬 季 杰 任國(guó)博

1 山東省煙臺(tái)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院, 山東煙臺(tái) 265500; 2 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所 / 湖北省甘薯工程技術(shù)研究中心 / 糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北武漢 430064; 3 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院 / 作物生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東泰安271018; 4 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 山東泰安 271018; 5 魯西化工有限公司, 山東聊城 252000

適宜塊根庫(kù)器官的建成對(duì)于最終甘薯塊根的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)具有重要的意義[1]。已有研究表明, 甘薯生長(zhǎng)前期是塊根分化建成的關(guān)鍵時(shí)期, 其莖葉封壟時(shí)形成的單株薯塊數(shù)目性狀的表現(xiàn)與最終塊根產(chǎn)量的形成密切相關(guān)[2-4], 而塊根的分化建成因品種特性、栽培環(huán)境的不同, 單株有效薯塊數(shù)目會(huì)有顯著的差異。在甘薯生長(zhǎng)前期, 根系統(tǒng)的構(gòu)建和組成中不定根向塊根的變態(tài)分化, 是一系列基因分子表達(dá)和生理生化代謝協(xié)同作用的結(jié)果[2]。因此, 探索甘薯塊根形成的調(diào)控措施, 研究塊根分化建成解剖特征、分子或生理生化差異機(jī)制, 對(duì)甘薯高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)具有重要的實(shí)踐價(jià)值和理論意義。

現(xiàn)有研究表明, 氮素作為甘薯前期生長(zhǎng)的主要營(yíng)養(yǎng)因素, 對(duì)塊根的形成具有重要的調(diào)控作用[5-7]。氮素虧缺甘薯根系細(xì)而少[8], 氮素過(guò)量會(huì)抑制不定根形成層活動(dòng), 使中柱細(xì)胞過(guò)度木質(zhì)化[9-11], 均不利于甘薯塊根的形成[12-13]。在甘薯對(duì)不同形態(tài)氮素吸收與利用的研究中發(fā)現(xiàn), 銨態(tài)氮素的施用利于甘薯生長(zhǎng)前期根系的生長(zhǎng), 促進(jìn)單株有效薯塊數(shù)目和最終塊根產(chǎn)量的形成[14]。同時(shí), 其他作物的研究表明, 銨態(tài)氮素會(huì)改變根系解剖結(jié)構(gòu)發(fā)育[15], 促進(jìn)根系側(cè)根分枝的形成[16], 加快根生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程[17]。而目前關(guān)于銨態(tài)氮素對(duì)甘薯塊根形成的影響尚缺乏系統(tǒng)全面的研究。基于以上認(rèn)識(shí), 本研究利用單株結(jié)薯數(shù)差異顯著的 2個(gè)甘薯品種商薯19和濟(jì)徐23為材料, 設(shè)置60 kg hm–2低氮和180 kg hm–2高氮2個(gè)氮素水平, 酰胺態(tài)和銨態(tài)2種氮素形態(tài), 進(jìn)行甘薯封壟期、收獲期塊根產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的調(diào)查驗(yàn)證, 采用盆栽試驗(yàn)輔助了解其塊根分化建成在顯微細(xì)胞水平的發(fā)生過(guò)程, 并對(duì)影響甘薯塊根分化發(fā)育的IbEXP1基因在關(guān)鍵發(fā)育時(shí)期的表達(dá)進(jìn)行分析, 從解剖和分子水平深入認(rèn)識(shí)銨態(tài)氮素處理促甘薯塊根形成的機(jī)制, 旨在為大田生產(chǎn)中通過(guò)適量銨態(tài)氮肥促塊根形成提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2014—2015年在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)站(山東泰安)進(jìn)行。供試品種為單株結(jié)薯數(shù)差異顯著的淀粉型甘薯品種商薯19 (S19)和濟(jì)徐23 (J23), 其中, 商薯19薯塊多而勻, 結(jié)薯數(shù)一般是5～6個(gè), 而濟(jì)徐 23大中薯率較高, 結(jié)薯數(shù)一般是3～4個(gè)。供試土壤質(zhì)地為沙壤土。2014年0～20 cm土層土壤含有機(jī)質(zhì) 1.44%、堿解氮 67.65 mg kg–1、速效磷 16.00 mg kg–1和速效鉀77.80 mg kg–1; 2015年0～20 cm土層土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.69%、堿解氮含量為73.67 mg kg–1、速效磷含量為18.83 mg kg–1、速效鉀含量為76.56 mg kg–1。

本試驗(yàn)包括大田試驗(yàn)和盆栽輔助試驗(yàn)兩部分。大田試驗(yàn)采用三因素裂區(qū)設(shè)計(jì), 品種為主區(qū), 以甘薯品種 S19和 J23為供試材料; 氮素水平為裂區(qū),設(shè)純氮 60 kg hm–2低氮(LN60)和 180 kg hm–2高氮(HN180) 2個(gè)水平; 氮素形態(tài)為裂裂區(qū), 設(shè)銨態(tài)氮素硫酸銨(AN)和酰胺態(tài)氮素尿素(XN) 2個(gè)水平,以不施氮(N0)為對(duì)照。共 10個(gè)處理, 基施且均配以24 g m-2的鉀肥(K2O), 其中所有酰胺態(tài)氮素處理基施以相同氮素水平下銨態(tài)氮素處理同等水平的純硫(升華硫), 進(jìn)行土壤施用硫素的平衡。

其中, 大田試驗(yàn)分別于2014年5月15日栽植、10月22日收獲和2015年5月12日栽植、10月24日收獲。小區(qū)面積16 m2, 行距0.8 m, 株距0.25 m,栽植密度為5株 m–2, 基施鉀肥(K2O) 24 g m–2, 以甘薯品種作為處理水平, 4次重復(fù), 隨機(jī)排列; 盆栽試驗(yàn)于 2015年進(jìn)行, 栽植時(shí)間與 2015年大田試驗(yàn)一致, 選用高 0.25 m, 上下內(nèi)徑分別是 0.23 m 和0.20 m的硬塑料盆, 取大田耕層土壤, 每盆裝土10 kg,栽植秧苗1株, 每個(gè)處理各栽20盆, 其余處理與大田試驗(yàn)一致。

1.2 取樣方法

大田試驗(yàn)中設(shè)置專(zhuān)門(mén)取樣區(qū), 分別于莖葉封壟期(大約秧苗栽后45 d)和收獲期(大約秧苗栽后165 d)取樣。其中, 莖葉封壟期從每個(gè)處理選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的代表性植株5株, 將所有根徑≥0.5 cm的根系挖出, 計(jì)算單株形成的薯塊數(shù)和平均單薯鮮重, 并參照Tanaka等[18]和Noh等[19]的標(biāo)準(zhǔn), 按照根徑范圍進(jìn)行形成薯塊組成的分類(lèi), 其中介于 0.5～1.0 cm的幼根列為幼齡薯塊(young storage root, YSR), 根徑介于1.0～5.0 cm并形成局部膨大的塊根列為發(fā)育薯塊(developping storage root, DSR), 根徑大于5.0 cm的塊根列為成熟薯塊(mature storage root, MSR); 而收獲期將每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)根徑大于1 cm并形成局部膨大的薯塊納入計(jì)數(shù)和稱取鮮重的范圍, 調(diào)查小區(qū)的株數(shù)、有效薯塊數(shù)目和薯塊鮮重產(chǎn)量, 并計(jì)算單株有效薯塊數(shù)和平均單薯鮮重。

2015年盆栽試驗(yàn)為研究甘薯塊根分化建成的輔助試驗(yàn)。以甘薯塊根形成過(guò)程中內(nèi)部形成層的活動(dòng)為依據(jù), 在幼根向塊根分化前的前形成層期、分化的初生形成層活動(dòng)時(shí)期和建成的次生形成層活動(dòng)時(shí)期這 3個(gè)主要變化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)取樣, 大約為秧苗栽后7、14和21 d, 進(jìn)行塊根分化過(guò)程的解剖學(xué)觀察;同時(shí)對(duì)塊根分化關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)(初生形成層活動(dòng)期)和建成關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)(次生形成層活動(dòng)初期)的取樣發(fā)育根進(jìn)行IbEXP1基因表達(dá)的檢測(cè)試驗(yàn)。其中, 在根系解剖學(xué)觀察試驗(yàn)的根系取樣中, 須將整株根系挖出、沖根, 每株選取著生的最粗不定根3條(最具分化潛力的不定根), 距其著生端5～10 cm處截取最粗部位1 cm左右長(zhǎng)度, 先于FAA固定液(其中的酒精濃度為50%)中進(jìn)行殺死固定, 固定6～8 h之后, 60%乙醇過(guò)渡0.5 h, 最后浸泡于70%酒精, 4℃冰箱保存;而基因表達(dá)試驗(yàn)的根取樣, 將最粗 3條不定根膨大部位及其以上部切段(切段長(zhǎng)度≈1 cm), 然后切片并各自混勻, 液氮速凍, -80℃保存。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 根系解剖學(xué)觀察 采用石蠟切片法, 參照葉寶興等[20]方法, 并分別利用番紅-固綠、間苯三酚和高碘酸席夫試劑染色。番紅-固綠染色切片用以觀察初生形成層的發(fā)育和薄壁組織細(xì)胞的活動(dòng); 根據(jù)間苯三酚切片顏色反應(yīng)的深淺, 觀察幼根內(nèi)中柱細(xì)胞和導(dǎo)管的木質(zhì)化程度; 高碘酸希夫染色切片, 觀察淀粉粒分布。用 OLYMPUS BX51型光學(xué)顯微鏡觀察根系結(jié)構(gòu)并拍照, 采用IMAGE-Pro PLUS v 6.0圖片處理軟件和人工計(jì)數(shù)測(cè)量量化指標(biāo)。

1.3.2 實(shí)時(shí)熒光定量(Real-time quantitative PCR)基因檢測(cè) 參照劉德高[21]方法, 采用異硫氰酸胍提取液結(jié)合10% (w/v) KOAc和1% (w/v) CTAB沉淀多糖的方法提取甘薯根組織總RNA[22], 用First Strand cDNA Synthesis Kit (Thermo Scientific, Germany)合成cDNA第1鏈。通過(guò)NCBI網(wǎng)(http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed)得到IbEXP1基因序列, 利用Primer Premier 5設(shè)計(jì)基因 3'和 5'端特異性引物(IbEXP1-F:5′-CGGAATTCATCAAACACCI-3′和IbEXP1-R:5′-TGTCTCCACACTCAGC-3′), 引物和相關(guān)基因的實(shí)時(shí)熒光定量檢測(cè)委托華大基因公司完成。

實(shí)時(shí)熒光定量 PCR檢測(cè)的熒光染料為 SYBR Green (廈門(mén)致善生物科技有限公司), PCR熱循環(huán)儀是Bio-Rad CFX 384, 所用操作軟件為Bio-Rad CFX Manager, 使用兩步法進(jìn)行 PCR擴(kuò)增, 程序設(shè)置為95℃ 10 min; 95℃ 15 s, 60℃ 1 min, 35～40 個(gè)循環(huán)。使用融解曲線分析檢測(cè)擴(kuò)增產(chǎn)物的特異性, 反應(yīng)程序?yàn)?95℃ 15 s, 60℃ 1 min, 95℃ 15 s, 60℃ 15 s。以甘薯肌動(dòng)蛋白基因β-Actin作為內(nèi)參基因(GenBank登錄號(hào)為AY905538), 對(duì)不同樣品的基因表達(dá)量進(jìn)行均一化評(píng)估葉[22]。每個(gè)反應(yīng)設(shè)3次重復(fù),采用2?ΔΔCt分析法測(cè)定基因的相對(duì)表達(dá)水平。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2013軟件計(jì)算數(shù)據(jù), SigmaPlot 10.0軟件制圖, SAS 9.2軟件分析數(shù)據(jù), 三因素隨機(jī)區(qū)組法分析收獲期塊根產(chǎn)量的方差、三因素完全隨機(jī)法分析其他項(xiàng)目方差, 利用 Duncan’s新復(fù)極差法檢驗(yàn)進(jìn)行處理間的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 收獲期塊根產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀

2014年和 2015年大田收獲的塊根產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀具有相似的處理效應(yīng), 因此將 2年的數(shù)據(jù)平均進(jìn)行結(jié)果分析。由表 1可以看出, 在相同的處理?xiàng)l件下, 甘薯品種商薯 19 (S19)的單株有效薯塊數(shù)目和塊根產(chǎn)量均高于甘薯品種濟(jì)徐23 (J23), 其中對(duì)照處理(N0)條件下的增幅分別為62.83%和12.54%。同時(shí), 2個(gè)甘薯品種均表現(xiàn)為低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)的單株有效薯塊數(shù)目和塊根產(chǎn)量最高, 且差異顯著。高水平銨態(tài)氮素處理和酰胺態(tài)氮素處理不利于 2個(gè)甘薯品種單株有效薯塊數(shù)目的形成, 降低收獲期塊根產(chǎn)量。

由表2可以看出, 高低2個(gè)氮素水平和2種氮素形態(tài)對(duì)最終收獲的塊根產(chǎn)量和單株有效薯塊數(shù)目均有顯著影響, 且氮素水平和氮素形態(tài) 2種處理間的交互效應(yīng)顯著。

表1 塊根產(chǎn)量及產(chǎn)量性狀(大田, 2014–2015)Table 1 Fresh yield of storage root and yield traits in field trials at harvest time (in the field, from 2014 to 2015)

表2 氮素形態(tài)和氮素用量對(duì)收獲期塊根產(chǎn)量與單株有效薯塊數(shù)目性狀影響的方差分析(F值, 2014–2015)Table 2 Partial correlated coefficients among yield traits in field trials at harvest time (F-value, 2014–2015)

2.2 莖葉封壟期的結(jié)薯特性

將2014年和2015年封壟期調(diào)查數(shù)據(jù)平均化進(jìn)行結(jié)果分析發(fā)現(xiàn), 氮素水平和氮素形態(tài)對(duì) 2個(gè)甘薯品種封壟期形成的薯塊數(shù)目均有顯著影響(表3)。在相同的處理?xiàng)l件下, 商薯19形成的單株薯塊數(shù)目高于濟(jì)徐23, 而其單株薯塊鮮重要低于濟(jì)徐23。其中對(duì)照(N0)處理?xiàng)l件下的結(jié)薯數(shù)較高的商薯19形成的單株薯塊數(shù)目顯著高于甘薯品種 J23, 其根徑介于0.5～1.0 cm的幼齡薯塊(YSR)和1.0～5.0 cm的發(fā)育薯塊(DSR)均高于甘薯品種J23, 而濟(jì)徐23形成了更多根徑大于5 cm的成熟薯塊(MSR)。同時(shí), 相較于不施氮對(duì)照, 低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)形成的薯塊數(shù)目最高, 其余氮素處理顯著降低或相似。其中商薯19氮素形態(tài)效應(yīng)更加顯著, 銨態(tài)氮素處理形成的單株薯塊數(shù)目均高于酰胺態(tài)氮素, 2個(gè)甘薯品種的低水平氮素處理的單株薯塊數(shù)目均高于高水平氮素處理。其中, 在低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)的單株薯塊組成中, 根徑介于0.5～1.0 cm和1.0～5.0 cm的薯塊數(shù)目均最高, 且差異顯著。說(shuō)明該處理單株薯塊數(shù)目的優(yōu)勢(shì)是因?yàn)槠涮岣吡烁鶑浇橛?.5～5.0 cm薯塊的形成。

表3 封壟期單株薯塊鮮重、單株薯塊數(shù)目及其組成(2014–2015)Table 3 Valid storage roots number, valid storage root fresh weight per plant and its compositional features during the canopy closure period in pot trials from 2014 to 2015

2.3 塊根形成過(guò)程幼根的解剖學(xué)觀察

2.3.1 前形成層期(秧苗栽后7 d)幼根內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1和圖2為前形成層期2個(gè)甘薯品種各處理最粗3條幼根相同切片的番紅-固綠、間苯三酚和高碘酸席夫染色橫截面, 分別用以觀察初生形成層的發(fā)育和薄壁組織細(xì)胞的活動(dòng), 中柱細(xì)胞、導(dǎo)管的木質(zhì)化程度, 淀粉粒分布等。此時(shí)期各處理幼根解剖結(jié)構(gòu)與一般雙子葉植物幼根相似, 結(jié)合其部分量化指標(biāo)(表4)可以看出, 低水平氮素處理不同程度的提高了2個(gè)甘薯品種幼根直徑、中柱直徑和中柱占根橫截面比例。其中, 低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)幼根原生木質(zhì)部束的導(dǎo)管數(shù)目及中柱薄壁組織木質(zhì)化薄壁細(xì)胞數(shù)目顯著高于不施氮對(duì)照(N0)和其余氮素處理。

表4 秧苗栽后7 d幼根根內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分量化指標(biāo)(2015)Table 4 Quantitative indices of young root internal structure in different treatments on the seventh day after planting in 2015

2.3.2 初生形成層活動(dòng)期(秧苗栽后 14 d)幼根內(nèi)部結(jié)構(gòu) 與前形成層期相比, 圖3和圖4中各處理幼根的初生形成層開(kāi)始向外擴(kuò)展, 原生木質(zhì)部導(dǎo)管因形成層薄壁組織的活動(dòng)開(kāi)始分離, 與形成層分裂分化的薄壁細(xì)胞構(gòu)成次生木質(zhì)部。結(jié)合其內(nèi)部初生結(jié)構(gòu)的部分量化指標(biāo)(表 5)發(fā)現(xiàn), 低水平銨態(tài)氮素處理(AN60) 2個(gè)甘薯品種的幼根直徑、中柱直徑和中柱占根橫截面比例不同程度的高于不施氮對(duì)照(N0)和其余氮素處理。通過(guò)間苯三酚和番紅固綠2種不同染色切片對(duì)比觀察, 與不施氮對(duì)照(N0)相比較, 氮素處理不同程度的提高了 2個(gè)甘薯品種的次生木質(zhì)部束數(shù)目和薄壁組織木質(zhì)化的薄壁細(xì)胞數(shù)目, 且木質(zhì)化薄壁細(xì)胞數(shù)目的氮素水平效應(yīng)顯著, 高水平氮素處理顯著的高于低水平氮素處理。其中, 低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)的次生木質(zhì)部束最多, 而木質(zhì)部間薄壁組織的木質(zhì)化薄壁細(xì)胞數(shù)目介于不施氮對(duì)照(N0)和其余氮素處理間。說(shuō)明該處理幼根的初生形成層活動(dòng)力強(qiáng),中柱薄壁細(xì)胞木質(zhì)化適度。此外, 高碘酸希夫染色切片圖中該時(shí)期各處理均開(kāi)始有少量淀粉粒產(chǎn)生于初生形成層外側(cè)的薄壁細(xì)胞中, 但未見(jiàn)處理間差異。

表5 秧苗栽植后14 d幼根根內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分量化指標(biāo)Table 5 Quantitative indices of young root internal structure in different treatments on the 14th day after planting

2.3.3 次生形成層活動(dòng)初期(秧苗栽后 21 d)分化根的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖5和圖6為秧苗栽后21 d時(shí)2個(gè)甘薯品種各處理最粗根膨大部位的 3種染色切片的橫截面圖, 相較于初生形成層活動(dòng)時(shí)期, 各處理幼根進(jìn)一步發(fā)育, 初生形成層分裂的薄壁細(xì)胞數(shù)目越來(lái)越多, 中柱擴(kuò)大。同時(shí), 其中的原生木質(zhì)部、后生木質(zhì)部和次生木質(zhì)部, 因薄壁組織細(xì)胞的活動(dòng)而星散在中柱的薄壁組織間, 與以木質(zhì)部的導(dǎo)管群或單個(gè)導(dǎo)管為中心的周?chē)”诮M織形成次生維管束, 開(kāi)始次生形成層的活動(dòng)。結(jié)合表 6發(fā)現(xiàn), 在次生形成層活動(dòng)初期(秧苗栽后 21 d), 低水平銨態(tài)氮素處理(AN60) 2個(gè)甘薯品種的幼根直徑、中柱直徑和中柱占根橫截面比例均高于其余處理, 差異顯著。在番紅固綠和間苯三酚2種染色切面結(jié)構(gòu)的比較中發(fā)現(xiàn), 與初生形成層活動(dòng)時(shí)期的表現(xiàn)規(guī)律相似: 與不施氮對(duì)照處理(N0)相比較, 各氮素處理不同程度的提高了2個(gè)甘薯品種的次生維管束數(shù)目和木質(zhì)化薄壁細(xì)胞數(shù)目, 其中低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)的次生維管束數(shù)目顯著高于其余處理, 且在中柱的分布也更為分散。說(shuō)明該處理在初生形成層活動(dòng)期形成較多的次生木質(zhì)部及其周?chē)谋”诮M織, 利于此時(shí)期次生形成層維管束的形成和次生形成層的發(fā)生活動(dòng), 促進(jìn)塊根建成。此外, 淀粉粒在初生形成層外側(cè)的皮層薄壁細(xì)胞中大量積累貯藏, 但高碘酸希夫染色切片圖未見(jiàn)各處理間差異。

2.4 塊根分化建成中IbEXP1基因的表達(dá)分析

由圖7可知, 2個(gè)甘薯品種IbEXP1基因在塊根形成過(guò)程的表達(dá)具有較為相似的變化規(guī)律。在初生形成層活動(dòng)期(秧苗栽后14 d), 商薯19各氮素處理相對(duì)于不施氮對(duì)照(N0)根系IbEXP1基因的表達(dá)上調(diào), 其中低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)的IbEXP1基因上調(diào)表達(dá)幅度最高, 高達(dá)75; 而濟(jì)徐23低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)的IbEXP1基因顯著上調(diào)。次生形成層活動(dòng)初期(秧苗栽后 21 d), 相較于不施氮對(duì)照, 氮素處理不同程度的提高了 2個(gè)品種甘薯幼根中IbEXP1基因的表達(dá), 氮素水平處理效應(yīng)顯著, 高水平氮素處理IbEXP1基因的表達(dá)要高于低水平氮素處理; 同時(shí)不同形態(tài)氮素處理間也有差異, 酰胺態(tài)氮素處理IbEXP1基因的表達(dá)要高于銨態(tài)氮素處理。其中, 低水平銨態(tài)氮素處理(AN60)IbEXP1基因的表達(dá)高于不施氮對(duì)照處理(N0), 但低于其余氮素處理。

3 討論

3.1 封壟期結(jié)薯特性及收獲期塊根產(chǎn)量

一般在甘薯莖葉封壟期, 單株有效薯塊數(shù)就基本穩(wěn)定[11,23], 且此時(shí)單株有效薯塊數(shù)目性狀的表現(xiàn)對(duì)于最終塊根產(chǎn)量的形成具有重要意義[2-4,24]。本研究試驗(yàn)2014年和2015年莖葉封壟期對(duì)照(N0)處理?xiàng)l件下, 2個(gè)甘薯品種結(jié)薯特性單株有效薯塊的組成中, 商薯 19側(cè)重于有效塊根的分化(形成更多根徑介于0.5～1.0 cm和 1.0～5.0 cm的薯塊), 而濟(jì)徐23側(cè)重于塊根的膨大發(fā)育(形成了更多根徑大于 5 cm的薯塊), 且收獲期單株有效結(jié)薯數(shù)較高的商薯 19的塊根產(chǎn)量顯著的高于濟(jì)徐 23, 說(shuō)明在生長(zhǎng)前期甘薯塊根的分化建成相對(duì)于塊根的膨大生長(zhǎng)對(duì)最終塊根產(chǎn)量的形成具有更為重要的意義。同時(shí), 在 2014年和 2015年莖葉封壟期不同氮素處理結(jié)薯特性的比較中發(fā)現(xiàn), 與其余處理相比較, 60 kg hm–2銨態(tài)氮素處理2個(gè)品種甘薯植株均提高根徑介于0.5～1.0 cm和1.0～5.0 cm的薯塊數(shù)目, 因此顯著地提高其單株有效薯塊數(shù)目, 并最終實(shí)現(xiàn)了 2年收獲期顯著最高的塊根產(chǎn)量。說(shuō)明60 kg hm–2銨態(tài)氮素處理通過(guò)促進(jìn)生長(zhǎng)前期單株有效薯塊的分化建成, 實(shí)現(xiàn)了最終塊根產(chǎn)量的提高。

3.2 銨態(tài)氮素促進(jìn)甘薯塊根形成的解剖特征及與IbEXP1基因表達(dá)的關(guān)系

甘薯塊根的分化建成主要由不定根初生形成層和次生形成層的活動(dòng)共同決定著: 不定根初生形成層活動(dòng)能力強(qiáng)、中柱薄壁細(xì)胞木質(zhì)化程度低, 利于不定根幼根向塊根的分化發(fā)育[8,11]; 次生形成層活動(dòng)能力強(qiáng), 活動(dòng)范圍廣, 促進(jìn)塊根形態(tài)的建成[9-10,23-25]。近些年研究發(fā)現(xiàn), 對(duì)植物細(xì)胞生長(zhǎng)分化有顯著調(diào)控作用的擴(kuò)展蛋白基因IbEXP1, 可以作用于甘薯幼根形成層細(xì)胞的分裂活動(dòng)和中柱組織細(xì)胞的木質(zhì)化以調(diào)控甘薯塊根的分化建成[26-29], 與塊根形成密切相關(guān)。本試驗(yàn)對(duì)幼根向塊根分化建成的 3個(gè)主要變化的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行取樣, 觀察不同處理幼根在顯微細(xì)胞水平的生長(zhǎng)發(fā)育特點(diǎn)。在本研究試驗(yàn)對(duì)照(N0)處理?xiàng)l件下, 2個(gè)結(jié)薯特性不同甘薯品種的幼根在向塊根分化建成中, 單株有效結(jié)薯數(shù)較高的商薯19的優(yōu)勢(shì)根(取樣時(shí)期最粗壯的幼根)發(fā)育根徑和中柱直徑均小于濟(jì)徐 23根徑, 其中商薯 19各取樣時(shí)間點(diǎn)根顯微結(jié)構(gòu)中的原生木質(zhì)部數(shù)目、原生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目、次生木質(zhì)部束數(shù)目和次生維管束數(shù)目均不同程度的少于濟(jì)徐 23。說(shuō)明同發(fā)育時(shí)期濟(jì)徐 23比商薯19更加的側(cè)重于幼根的膨大生長(zhǎng)。同時(shí)在不同氮素處理的比較中, 60 kg hm–2銨態(tài)氮素處理2個(gè)品種甘薯的幼根在向塊根分化建成中的幼根直徑、中柱直徑和維管組織結(jié)構(gòu)(原生木質(zhì)部束導(dǎo)管、次生木質(zhì)部束和次生維管束)均具有顯著的發(fā)育優(yōu)勢(shì)。說(shuō)明該處理幼根的初生生長(zhǎng)和早期次生生長(zhǎng)活動(dòng)能力強(qiáng),分裂分化了更多的薄壁細(xì)胞和維管組織, 既擴(kuò)大了根徑, 同時(shí)為幼根后續(xù)生長(zhǎng)發(fā)育提供營(yíng)養(yǎng)貯藏的空間和更多水養(yǎng)吸收、輸送的可能性, 促進(jìn)塊根形成。

表6 秧苗栽植后21 d分化根根內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分量化指標(biāo)(2015)Table 6 Quantitative indices of young root internal structure in different treatments on the 21th day after planting in 2015

同時(shí), 我們發(fā)現(xiàn)在塊根分化和建成這 2個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)IbEXP1基因的表達(dá)分析中, 各處理幼根IbEXP1基因的表達(dá)與幼根薄壁組織細(xì)胞的木質(zhì)化程度、木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目具有相同的變化規(guī)律。與不施氮處理相比較, 氮素處理可以提高甘薯幼根IbEXP1基因的表達(dá), 并顯著提高甘薯幼根薄壁組織細(xì)胞的木質(zhì)化程度和木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目。其中, 60 kg hm–2銨態(tài)氮素處理 2個(gè)品種甘薯幼根在塊根分化的初生形成層活動(dòng)時(shí)期(秧苗栽后14 d)IbEXP1基因高水平表達(dá), 其次生木質(zhì)部束最多; 而在塊根建成的次生形成層活動(dòng)初期(秧苗栽后 21 d), 與其余氮素處理相比較,IbEXP1基因的表達(dá)相對(duì)下調(diào), 其IbEXP1基因的相對(duì)表達(dá)量和中柱木質(zhì)化薄壁細(xì)胞數(shù)目均介于不施氮對(duì)照(N0)和其余氮素處理之間。結(jié)合前人在實(shí)驗(yàn)室離體培養(yǎng)IbEXP1基因反義植株幼根的中央木質(zhì)部木質(zhì)化程度低[30-32]的研究結(jié)果,我們推測(cè)認(rèn)為, 本研究塊根分化建成中, 氮素處理促進(jìn)幼根IbEXP1基因的相對(duì)表達(dá), 不僅提高中柱組織細(xì)胞的木質(zhì)化程度, 也作用于中柱維管組織的木質(zhì)部導(dǎo)管的形成。但本試驗(yàn)條件下幼根IbEXP1基因表達(dá)和形成層細(xì)胞活動(dòng)規(guī)律, 與 Noh等[30-31]的研究結(jié)果不盡相同, 分析考慮歸因于本試驗(yàn)大田開(kāi)放環(huán)境和前人實(shí)驗(yàn)室離體培養(yǎng)2種不同培養(yǎng)條件下幼根生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程的差異性。其中, 前人測(cè)定IbEXP1基因表達(dá), 取樣于實(shí)驗(yàn)室離體培養(yǎng)10 d和21 d時(shí)的反義植株幼根, 根徑均小于 10 mm, 且未發(fā)生局部膨大變化[31], 而本試驗(yàn)大田盆栽秧苗栽后14 d和21 d的取樣幼根開(kāi)始加粗,IbEXP1基因表達(dá)的測(cè)定取樣于幼根的局部膨大部位(根徑大于10 mm)。我們認(rèn)為本試驗(yàn)條件下對(duì)幼根IbEXP1基因表達(dá)與塊根分化建成關(guān)系的討論具有更好的參考性。

4 結(jié)論

在本試驗(yàn)條件下, 單株有效結(jié)薯數(shù)較高的商薯19的塊根產(chǎn)量顯著的高于濟(jì)徐23, 在生長(zhǎng)前期甘薯塊根的分化建成相較于塊根的膨大生長(zhǎng)更利于最終塊根產(chǎn)量的形成。其中, 60 kg hm–2銨態(tài)氮素處理2個(gè)品種甘薯幼根建立了更利于不定根幼根向塊根形成的根組織結(jié)構(gòu)分化發(fā)育基礎(chǔ)。前形成層時(shí)期原生木質(zhì)部束的導(dǎo)管數(shù)目及中柱薄壁組織木質(zhì)化薄壁細(xì)胞數(shù)目最多; 初生形成層發(fā)育時(shí)期IbEXP1基因高水平表達(dá), 幼根直徑、中柱直徑大, 原生、次生木質(zhì)部束數(shù)目多; 次生形成層活動(dòng)初期IbEXP1基因的相對(duì)表達(dá)和中柱薄壁細(xì)胞的木質(zhì)化程度介于不施氮和高氮素處理之間, 但幼根直徑、中柱直徑和中柱占橫截面比均顯著最高, 在塊根分化建成中建立了薄壁組織細(xì)胞木質(zhì)化活動(dòng)和分裂活動(dòng)的平衡。該處理在莖葉封壟期形成更多根徑介于0.5～5.0 cm的低齡薯塊, 以此顯著提高單株有效薯塊數(shù)目, 且2014—2015年收獲期塊根產(chǎn)量最高。