不同土壤基質(zhì)對甘薯塊根分化及內(nèi)源激素的影響

李成陽， 柴沙沙， 劉 意， 王連軍， 靳曉杰， 雷 劍， 張文英， 楊新筍*

(1.長江大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,湖北 荊州 434025； 2.糧食作物種質(zhì)創(chuàng)新與遺傳改良湖北省重點實驗室/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,湖北 武漢 430064)

甘薯是旋花科番薯屬植物，是世界上重要的糧食和工業(yè)原料作物[1].土壤是植物生長賴以生存的基礎(chǔ)，通常適于甘薯生長的土壤環(huán)境具有水分適量、土質(zhì)疏松和通氣性好等特征[2].生產(chǎn)上主要以塊根產(chǎn)量作為衡量甘薯經(jīng)濟價值的重要指標(biāo)，土壤理化性質(zhì)對甘薯塊根的發(fā)育和產(chǎn)量的形成能產(chǎn)生較大的影響[3-4]；除此之外，甘薯塊根分化和產(chǎn)量的形成與其內(nèi)源激素的互作密切相關(guān)[5].而相關(guān)研究大多數(shù)集中在單一土壤理化性質(zhì)對甘薯根系發(fā)育的影響，以及施加外源激素調(diào)控甘薯塊根膨大等方面[6-12]，如：史文卿等[10]研究了甘薯塊根形成和膨大對土壤緊實度的響應(yīng)機制及與產(chǎn)量的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在收獲時疏松處理可顯著提高單薯質(zhì)量和收獲指數(shù)；丁祎等[8]初步研究了土壤容重對甘薯根系生長、塊根產(chǎn)量和品質(zhì)的影響;史春余等[11]通過改善土壤通氣性發(fā)現(xiàn),同化物由葉向塊根的運轉(zhuǎn)和分配，極顯著地提高了塊根的產(chǎn)量;Eguchi等[12]研究表明，外施細胞分裂素可以促進甘薯塊根的形成和膨大.這些研究對甘薯栽培技術(shù)的不斷完善起到了較大的作用，但從組織細胞學(xué)角度解析甘薯塊根分化對不同土壤類型的響應(yīng)和不同土壤類型下甘薯根系主要內(nèi)源激素變化的研究相對較少.本研究為盆栽試驗，設(shè)置4個基本理化性質(zhì)差異較大的土壤處理，通過多對甘薯膨大根組織細胞學(xué)觀察及根系活力、分級產(chǎn)量、根冠比和根系內(nèi)源激素的測定，探討不同類型土壤對甘薯塊根分化的影響以及塊根膨大過程中內(nèi)源激素的互作機理，旨在為甘薯高產(chǎn)栽培提供有力的理論支撐.

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究于2021年6—10月在湖北省武漢市洪山區(qū)湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地室外盆栽場(北緯30°29′，東經(jīng)114°18′)進行，該地屬江漢平原東部，長江中游.試驗區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候，該地年平均氣溫15.8～17.5 ℃，年降水量1 150～1 450 mm，降雨主要集中在6—8月，≥10℃積溫4 500～5 400 ℃，年無霜期為211～272 d.

1.2 試驗設(shè)計

使用PVC管進行盆栽試驗，PVC管內(nèi)徑0.6 m，長2 m，橫置截去上端0.3 m口徑,內(nèi)部盛裝基質(zhì)，底部開孔以利于多余水分下滲.共設(shè)置4個處理，本試驗采用湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所自主培育的食用型甘薯品種“鄂薯17”，選用甘薯帶3葉節(jié)的段苗，苗高20～25 cm，苗齡15 d，無病健壯的種苗進行扦插，株距0.2 m，每個處理種植60株，其中30株用于取樣測定相關(guān)指標(biāo)，另外30株用于測產(chǎn)，根據(jù)株距按照25株/m2計算產(chǎn)量.使用黃棕壤(HZ)、泥炭土(NT)、砂壤土(SR)和細沙土(XS)4種材料制備不同土壤基質(zhì),不同類型土壤基本理化性質(zhì)見表1.

表1 不同類型土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 The basic physicochemical properties of different soil types

1.3 取樣方法

于秧苗移栽后20、40、60、80、100 d取樣，各取長勢一致，具有代表性的植株3株，清除雜質(zhì)后將各個時期的整株植株分為地上部和地下部2個部分，稱質(zhì)量用于根冠比的測定，剪取吸收根用于根系活力的測定；同時取各個時期根系膨大部位，液氮冷凍，保存于-80℃超低溫冰箱中，待測根系內(nèi)源激素.于移栽后20 d取樣，進行塊根分化過程的解剖學(xué)觀察，將整株根系挖出、浸泡、流水緩慢沖洗，每株選取較粗的不定根3條，截取中間最粗部位約1 cm長度，放置于FAA固定液中保存，用于石蠟切片的制作.于移栽后100 d取樣進行測產(chǎn)，將整株挖出，計大、中、小薯數(shù)量，稱質(zhì)量記錄產(chǎn)量.

1.4 測定項目

1.4.1 根系活力測定根系活力參照白寶璋等[13]的方法，采用TTC染色法測定，在485 nm波長下測定鮮質(zhì)量0.2 g甘薯吸收根的TTC還原量，用單位鮮質(zhì)量根在單位時間內(nèi)還原的TTC量(mg)表示.

1.4.2 甘薯分級產(chǎn)量及根冠比的測定于移栽后100 d收獲時記錄大、中、小薯數(shù)量并測產(chǎn)；分別于移栽后20、40、60、80、100 d對根系和地上部植株取樣，測定根系鮮質(zhì)量和地上部鮮質(zhì)量，計算根冠比.

1.4.3 根系解剖學(xué)觀察于移栽后20 d時取樣，進行塊根分化過程中的解剖學(xué)觀察，采用石蠟切片法，參照葉寶興等[14]方法，并利用番紅和固綠染色.番紅-固綠染色切片用以觀察初生形成層的發(fā)育和薄壁組織細胞的活動.用NIKON MODEL ECLIPSE Ci-L型光學(xué)顯微鏡觀察根系結(jié)構(gòu)并拍照，采用Image-Pro Plus 6.0圖片處理軟件和人工計數(shù)測量量化指標(biāo).

1.4.4 根系內(nèi)源激素含量測定采用酶聯(lián)免疫法(ELISA)試劑盒(Ruixinbio Quanzhou,China)測定各個時期根系膨大部位生長素(IAA)、赤霉素(GA)、脫落酸(ABA)、玉米素核苷(ZR)和二氫玉米素核苷(DHZR)含量.

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析(ANOVA)，利用Duncan新復(fù)極差法檢驗進行處理間的差異顯著性分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤類型對甘薯根系活力的影響

由圖1知，不同類型土壤處理條件對甘薯根系活力影響存在明顯差異.隨著生育進程的推進，不同土壤條件下的甘薯根系活力變化呈先上升后下降的趨勢，其中HZ和SR處理下的根系活力在移栽后40 d達到峰值，NT和XS處理則在60 d時達到峰值隨后下降；同一時期，以SR或XS處理下的甘薯根系活力最高，HZ處理下的根系活力在整個生育期均為最低.根據(jù)土壤特性發(fā)現(xiàn)，HZ處理具有較高的土壤含水量和土壤總孔隙度，以及較低的土壤容重和酸堿度，猜測HZ處理下甘薯根系活力最低與這些指標(biāo)存在聯(lián)系.

不同字母表示不同處理間差異達到顯著水平(P<0.05).圖1 不同土壤條件對甘薯根系活力的影響Fig.1 Effects of different soil conditions on root activity of sweetpotato

2.2 不同土壤類型對甘薯分級產(chǎn)量及根冠比的影響

由表2可見，不同土壤條件下，薯塊的總產(chǎn)量主要由大(≥250 g)、中(100～250 g)和小薯(≤100 g)薯塊數(shù)量決定的，薯數(shù)的變化主要表現(xiàn)在大、小薯數(shù)量上，中薯數(shù)量變化較小.本試驗不同土壤處理下甘薯總產(chǎn)量表現(xiàn)為SR>NT>HZ>XS，其中SR和NT處理有大薯存在，且大、中薯數(shù)量及產(chǎn)量高于HZ和XS處理，但HZ和XS處理的小薯數(shù)量及產(chǎn)量高于SR和NT處理.說明SR和NT土壤類型對于甘薯大、中薯的形成有明顯的促進作用，HZ和XS處理對于小薯的形成有促進作用且無法促進較大薯塊的形成.根冠比的提高是光合產(chǎn)物的分配更多地向地下部運輸?shù)慕Y(jié)果，不同處理下根冠比大小與總產(chǎn)量大小同樣表現(xiàn)為SR>NT>HZ>XS，反映了產(chǎn)量的提高與根冠比存在著直接的關(guān)系.

表2 不同土壤對甘薯分級產(chǎn)量和根冠比的影響Tab.2 Effects of different soil conditions on the root-shoot ratio and graded yield of sweetotato

2.3 甘薯分化根解剖學(xué)觀察

A、B、C和D分別為HZ、NT、SR和XS處理.Ps和Sx分別為生、 次初生木質(zhì)部;Xpc為木質(zhì)部薄壁細胞;Co為皮層.圖2 秧苗栽后20 d甘薯分化根切片染色橫截面Fig.2 Histological observation of conventional paraffin sectionsof adventitious root on the 20th day after planting stained

圖2為秧苗移栽后20 d各處理的甘薯分化根在4×10倍鏡下的橫截面圖，分別用以觀察初生形成層的發(fā)育、薄壁細胞的活動和導(dǎo)管木質(zhì)化程度.甘薯移栽20 d處于塊根分化建成前期，結(jié)合部分量化指標(biāo)(表3)可以看出，此時期的初生木質(zhì)部的分化促使次生木質(zhì)部形成，同一量化指標(biāo)下不同土壤類型處理之間差異顯著(P<0.05).本試驗中秧苗移栽20 d時的初生木質(zhì)部和次生木質(zhì)部數(shù)目大小表現(xiàn)為SR>NT>HZ>XS，其中SR處理下的木質(zhì)部數(shù)目明顯高于其他處理；有趣的是，薄壁細胞數(shù)目與皮層厚度大小排列相反，即隨著薄壁細胞的增加皮層厚度減小，其中以SR處理下的木質(zhì)化薄壁細胞數(shù)目最多，皮層最薄，XS處理下的薄壁細胞數(shù)目最少，皮層最厚.

表3 秧苗移栽后20 d分化根內(nèi)部結(jié)構(gòu)部分量化指標(biāo)Tab.3 Quantitative indices of young root internal structure indifferent treatments on the 20th day after planting

2.4 不同土壤類型對甘薯根系內(nèi)源激素含量的影響

由圖3知，在不同土壤類型處理下，甘薯塊根形成及膨大過程中IAA、GA、ABA、ZR和DHZR含量變化存在較大差異.隨著生育進程的不斷推進，IAA含量變化呈先上升后下降的趨勢，其中以SR處理的IAA含量在整個生育期最高，SR和NT處理的在移栽60 d時出現(xiàn)峰值，而HZ和XS處理則在80 d時出現(xiàn)峰值.GA含量變化呈先下降后上升再下降的趨勢，其中HZ和XS處理在移栽60 d時達到峰值，SR和NT處理在80 d時達到峰值;60 d時以XS處理的GA含量最高，而80 d時SR處理的最高.ABA含量的變化速率相對其他激素較緩慢，除SR處理外，其他3個處理下ABA含量變化均呈先上升后下降再上升的趨勢;ABA含量均在實驗時間內(nèi)100 d時最大.不同土壤類型處理下的ZR含量在移栽20～40 d階段均呈現(xiàn)較高速率的變化趨勢，隨后趨于平穩(wěn)，在40～100 d階段，4個處理下ZR含量變化趨勢各不相同;全生育期以SR和NT處理下的ZR含量相對較高.SR和XS處理下的DHZR含量變化呈先上升后下降再上升再下降的趨勢，而NT和HZ處理下激素含量變化呈先上升后下降的趨勢;4個處理下的DHZR含量均在80 d時達到峰值，隨后下降.

圖3 塊根形成及膨大過程中內(nèi)源激素含量的變化Fig.3 Hormone concentration during tuberous roots development

3 討論與結(jié)論

甘薯塊根的形成與膨大是一個極其復(fù)雜的生物學(xué)過程，受諸多因素的影響和調(diào)控[15].根系活力是衡量甘薯對土壤環(huán)境適應(yīng)能力的重要指標(biāo)之一，直接影響著根系與土壤營養(yǎng)成分和水分的交換吸收[16].根系活力的高低影響著吸收、合成和分配等生理功能的發(fā)揮[17].有研究表明，在玉米的研究中，沙姜黑土根系活力一直高于潮土根系活力，但2種土壤條件下根系活力變化趨勢相同[18]；適當(dāng)降低土壤緊實度可以顯著提高植株根系活力，尤其是在生育后期更加明顯[19]；土壤含水量應(yīng)保持在合理水平，土壤中的水分含量過高會導(dǎo)致土壤中CO2濃度升高，進而抑制甘薯的生長發(fā)育和儲藏根的發(fā)育[20].可見,不同土壤類型對甘薯根系活力的影響有明顯差異，針對植物生長發(fā)育特性適量改善土壤理化性質(zhì)是有益的，否則會適得其反.本研究中，同一時期以SR或XS處理下的甘薯根系活力最高，HZ處理下的根系活力相對最低，根據(jù)土壤基本理化性質(zhì)可知，SR處理和XS處理在4個處理中具有明顯較低的土壤含水量、較大的土壤容重和較小的土壤總孔隙度，猜測甘薯根系活力的大小受土壤含水量、土壤容重和土壤總空隙度影響較大，這與前人的研究結(jié)果一致[8,19-20]，說明通過改善土壤基本理化性質(zhì)可提高甘薯根系活力，從而提高甘薯根系吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的能力.

作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵是獲得較高的經(jīng)濟產(chǎn)量[21]，植株生長量的變化是生長特性最主要的體現(xiàn)，直接反映了植株生長狀態(tài)和其對土壤環(huán)境的適應(yīng)能力[16].甘薯產(chǎn)量形成是光合產(chǎn)物的積累與分配的過程，地上部同化物向地下部轉(zhuǎn)移和地下部生物量的積累對甘薯產(chǎn)量的提高有顯著影響[22]，而根冠比是反映甘薯生長過程中源-庫關(guān)系的重要指標(biāo)之一[23].有研究表明[24]，可以通過施用有機肥來改善土壤理化性質(zhì)從而影響甘薯分級產(chǎn)量；也有研究發(fā)現(xiàn)[25-26]，隨著土壤含水量的增加，地上部和地下部的生長都表現(xiàn)出正效應(yīng)，而當(dāng)土壤水分缺乏時，植物地上部生長受阻，為滿足生存，地下部吸收營養(yǎng)和水分從而獲得更多的產(chǎn)量；而Graham等[27]認為，根冠比較高是獲得高產(chǎn)的作物所具有的特征.從前人的研究中發(fā)現(xiàn),甘薯產(chǎn)量的提高與土壤水分和營養(yǎng)有著密不可分的聯(lián)系.本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，處理間薯塊分級產(chǎn)量與薯數(shù)變化有關(guān)，而薯數(shù)的變化主要表現(xiàn)在大、小薯上，中薯在處理間差別較小，且總產(chǎn)量和根冠比成正比；由土壤基本理化性質(zhì)可知，具有較高產(chǎn)量及根冠比的SR和NT處理，其土壤特性相對其他2個處理有較適中的土壤含水量和較高的氮素營養(yǎng)，這與前人的研究基本一致[24-26]，這也再次證明了土壤養(yǎng)分和水分在調(diào)節(jié)營養(yǎng)供應(yīng)及甘薯庫源關(guān)系中的重要性.

甘薯塊根分化建成期是甘薯生長發(fā)育的關(guān)鍵時期.因其環(huán)境差異和品種特性的不同對薯塊數(shù)量和產(chǎn)量形成的影響存在差異，主要由初生形成層和次生形成層的活動共同決定甘薯的塊根分化建成[28-29].王翠娟等[29]從解剖和分子水平研究發(fā)現(xiàn)，氮素處理會有利于不定根幼根向塊根形成的結(jié)構(gòu)分化發(fā)育，在塊根分化建成期，根系初生木質(zhì)部的維管形成層薄壁組織分離，次生木質(zhì)部形成，木質(zhì)化薄壁細胞數(shù)目增加.而在控制土壤條件對甘薯根系組織細胞結(jié)構(gòu)方面進行的研究卻鮮有報道.本研究中，均有初生木質(zhì)部和次生木質(zhì)部存在，且各處理間的木質(zhì)部、薄壁細胞數(shù)目及皮層厚薄程度均存在較大差異；同樣的，我們發(fā)現(xiàn)在氮素營養(yǎng)相對較高的SR和NT土壤處理下的甘薯分化根木質(zhì)部和薄壁細胞數(shù)目較多，因皮層內(nèi)部初生木質(zhì)部分化，次生木質(zhì)部形成并增大，皮層厚薄程度不同.在4個基本理化性質(zhì)差異較大的土壤處理下，甘薯膨大根內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在較大差異，因塊根分化建成期分化根的形態(tài)是甘薯不定根幼根向塊根形成的根組織結(jié)構(gòu)分化的基礎(chǔ)，可通過改善土壤基本理化性質(zhì)調(diào)控分化根形態(tài)以促進不定根向塊根的分化發(fā)育.

甘薯塊根的形成和膨大是多種內(nèi)源激素協(xié)同作用的結(jié)果，內(nèi)源激素對塊根形成前后期作用不盡一致，與塊根產(chǎn)量間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[30].Noh等[31]研究發(fā)現(xiàn)，在甘薯塊根膨大初期，IAA濃度逐漸增加，隨著次生生長開始減少，低的IAA濃度會增加儲藏根木質(zhì)化程度，表明IAA與甘薯儲藏根次生生長相關(guān)聯(lián)；王慶美等[30]研究表明，IAA雖然對甘薯塊根膨大有積極作用，但不是決定甘薯塊根形成和膨大的關(guān)鍵因素.在本研究中，木質(zhì)化程度較高的SR和NT處理的IAA含量在整個生育期處于較高水平，這與前人的研究結(jié)果一致，顯示了IAA在促進甘薯塊根木質(zhì)化方面的獨特作用.關(guān)于GA在甘薯塊根形成和膨大過程中的效應(yīng)，Dong等[32]研究表明，甘薯儲藏根發(fā)育過程中不同激素的變化趨勢存在差異，其中GA含量在儲藏根發(fā)育初期下降；宋煒涵等[15]研究發(fā)現(xiàn)，GA在甘薯塊根膨大過程中含量變化較小，且在塊根膨大初期和中期有積累，后期開始逐漸下降；而在地黃的研究中發(fā)現(xiàn)，在離體塊根快速膨大期，地黃塊根GA含量急劇增加，出現(xiàn)明顯峰值后于塊根衰老時激素含量急劇下降[33].本研究發(fā)現(xiàn),在20～40 d時,即甘薯塊根分化建成期，GA含量先降低隨后急劇上升達到峰值下降，塊根形成初期的GA含量下降.這與Dong等[32]研究結(jié)果一致，但與宋煒涵等[15]的研究結(jié)果不完全一致，GA變化趨勢在整個生育期并非趨于平穩(wěn)而是存在明顯波動，猜測可能是本研究中不同土壤理化性質(zhì)差異較大引起的.眾多研究均強調(diào)了ABA在甘薯塊根形成及膨大過程中的重要作用[15,30,34]，通常認為，ABA可以通過改變膜對離子的通透性促進組織或質(zhì)外體中蔗糖的轉(zhuǎn)運[35]，調(diào)節(jié)磷酸化酶活性以促進蔗糖吸收和轉(zhuǎn)化[36],以及通過調(diào)節(jié)ATP酶活性促進同化物運輸和儲存[37].本研究中，在整個生育期，不同土壤處理下的甘薯塊根ABA含量變化趨勢雖存在波動，但總體上含量增多，其中SR處理下ABA含量在全生育期均顯著高于其他處理，說明改變土壤理化性質(zhì)可對甘薯塊根中ABA含量造成影響.因ABA在甘薯塊根膨大中的明顯促進作用，猜測在不外施激素的情況下,通過栽培技術(shù)手段調(diào)節(jié)ABA含量,可使其在甘薯塊根形成和膨大過程中發(fā)揮更大的作用.塊根中引起細胞分裂素含量變化的主要是ZR和DHZR含量的變化，而ZR和DHZR作為細胞分裂素的重要組分，在不定根是否能夠轉(zhuǎn)化為塊根和塊根膨大方面起著決定性作用[30].眾多研究表明，ZR和DHZR在塊根形成和膨大過程中主要是促進細胞分裂，抑制細胞伸長和促進細胞擴展[30,38]，且其含量的高低與塊根的形成和膨大呈顯著正相關(guān)關(guān)系.在塊根形成初期，ZR增加，隨著塊根膨大其含量不斷下降[15]，同時，通過外施一定濃度的人工合成的細胞分裂素，可促進同化物積累增多[39].本研究結(jié)果表明，不同處理間的ZR和DHZR含量存在明顯差異，其含量變化在整個生育期存在明顯波動，以SR和NT處理下的激素含量最高，再次驗證了ZR和DHZR在塊根膨大中的重要作用.關(guān)于不同土壤基質(zhì)對甘薯塊根形成和膨大期內(nèi)源激素進行的研究相對較少，在本實驗條件下，發(fā)現(xiàn)土壤理化性質(zhì)的不同可以引起塊根內(nèi)源激素的變化.雖然塊根內(nèi)源激素的變化是眾多環(huán)境因素影響和基因調(diào)控決定的，但由于不同內(nèi)源激素對甘薯塊根影響機理的差異，可以有選擇地通過外施激素處理或適當(dāng)改變土壤理化性質(zhì)使塊根發(fā)育向人們需要的方向進行.

不同土壤基質(zhì)條件下，甘薯塊根分化建成、內(nèi)源激素的變化以及最終塊根產(chǎn)量的形成均存在明顯差異，差異的形成并非單純土壤理化性質(zhì)的不同而引起的，但通過改變土壤理化性質(zhì)可以對甘薯塊根形成和膨大造成影響.本試驗條件下，以砂壤土處理對甘薯塊根分化及發(fā)育的促進效果最為顯著.通過栽培等手段實現(xiàn)對甘薯塊根形成和膨大的調(diào)控，可以減少因化學(xué)調(diào)控過度施肥等引起的環(huán)境污染，對進一步制定甘薯栽培技術(shù)手段具有一定的指導(dǎo)意義.