氮、磷缺乏對草莓生長前期根系形態(tài)和植株內(nèi)源激素的影響

蔣 薇，張 佳，賈志航，宋慶科，魏 猛*，張 婷

（1.江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學研究所 銅山試驗站,江蘇 徐州 221114；2.江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學研究所,江蘇 徐州 221131）

中國是世界上最大的草莓生產(chǎn)大國，草莓栽培面積、產(chǎn)量和消費量均居世界第一位［1］。草莓的生長周期短、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點而使其成為各地發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟、促進農(nóng)民增收的重要經(jīng)濟作物之一［2］。根系是作物吸收養(yǎng)分、合成內(nèi)源激素的重要器官，同時起固著和支撐作用。根系的形態(tài)和生長狀況直接關系作物養(yǎng)分的吸收及植株地上部分的生長發(fā)育，養(yǎng)分的盈虧也會影響根系自身的生長［3-7］。氮和磷元素的缺乏會增加根系生物量，分配到地上部的生物量相對減少，導致根冠比增大［8］。季應明［9］對草莓缺素癥狀作出了初步診斷，但關于養(yǎng)分盈虧對草莓根系的影響鮮有報道。此外，養(yǎng)分對植物內(nèi)源激素的合成也具有重要作用。細胞分裂素和生長素共同調(diào)控細胞的分裂和生長，鮑娟等［10］的研究表明，氮元素的缺乏能誘導生長素合成相關基因的表達，并促進生長素從地上部到地下部的運輸，從而增加了根系中生長素的含量。細胞分裂素對植物根系生長的影響主要表現(xiàn)為抑制主根伸長，并促進側根形成。不同植物在應對缺磷條件下根系中細胞分裂素信號具有不同的響應［4，11］。目前，關于養(yǎng)分對草莓生長前期植株內(nèi)源激素含量及分布的影響鮮有報道。本文采用盆栽試驗，研究全量營養(yǎng)液、缺氮和缺磷營養(yǎng)液培養(yǎng)對草莓生長前期根系形態(tài)和植株內(nèi)源激素的影響，以期為草莓的養(yǎng)分管理提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料準備

供試的草莓品種為圣誕紅，清水洗凈穴盤，并添加草莓幼苗的基質(zhì)，留取3葉1芯及3～5 cm的短根，栽植前用吡噻菌胺1500倍液和多菌靈1000倍液混合液浸泡8 min。

河沙用清水洗凈，與蛭石以1∶1的比例混合裝入圓柱形盆缽內(nèi)，每盆0.88 kg。盆缽規(guī)格為上口直徑130 mm，下口直徑110 mm，高90 mm。盆缽底部鋪墊雙層紗布，以防滲漏。

1.2 試驗處理

盆栽試驗于2021年9月8日至10月18日在江蘇徐淮地區(qū)徐州農(nóng)業(yè)科學研究所銅山試驗站連棟溫室內(nèi)進行。設置全量、缺氮、缺磷營養(yǎng)液3個處理，每個處理各重復3次。營養(yǎng)液為改良的草莓山崎營養(yǎng)液配方，配制成10倍的母液，現(xiàn)配現(xiàn)用，調(diào)節(jié)pH值至5.5～6.5，詳細配方如表1所示。選取長勢一致的草莓幼苗，栽植前澆透底水，栽植完成后用遮陽網(wǎng)適當遮陽，以利緩苗，緩苗7 d后進行試驗處理。9月16—22日澆灌1/2濃度的單位營養(yǎng)液，9月23日至10月2日澆灌3/4濃度的單位營養(yǎng)液，10月3日至采樣澆灌1個濃度的單位營養(yǎng)液。澆灌時間為晴天下午的16:00，每盆澆灌100 mL營養(yǎng)液，每2～3 d一次，澆2次營養(yǎng)液后使用清水澆灌以防鹽害。處理后30 d取樣，取樣時將盆缽倒扣，小心去除根系附著物，洗凈后擦干水分，用根系掃描儀掃描，選取部分樣品測定根系的活力，另一部分樣品用液氮保存，用于測定激素含量。

表1 草莓山崎營養(yǎng)液改良配方

1.3 試驗方法

根系形態(tài)用根系掃描儀（Epson Perfection V850 Pro，China）掃描獲取根系圖像后，用相關根系分析軟件（Winrhizo2009，Canada）進行根系指標分析。根系活力的測定采用TTC氧化還原法［12］。植物生長素濃度和細胞分裂素含量均采用ELASA法定量檢測試劑盒（睿信生物，福建）、Thermo MULTISKAN GO型酶標儀進行測定，使用ELASACclc軟件繪制標準曲線。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007和SPSS 20.0軟件對數(shù)據(jù)的整理和分析。采用單因素ANOVA分析（Duncan’s新復極差法）進行顯著性差異比較（α=0.05）。

2 結果與分析

2.1 氮、磷缺乏對草莓生長前期根系活力的影響

經(jīng)過30 d的營養(yǎng)液澆灌處理，觀察到各處理間草莓根系存在顯著差異（圖1）。全量營養(yǎng)液處理的草莓植株根系發(fā)達，密生側根；缺氮處理的草莓植株側根較少，地上部生長不良；缺磷處理的草莓植株矮小，而根系長度增加，根系夾角變小。根系活力是衡量根系抵御逆境能力大小的一個重要生理指標，其活力的高低直接影響作物的生長發(fā)育［13-14］。試驗結果表明，相較于全量營養(yǎng)液處理，缺氮和缺磷處理的根系活力明顯下降，較全量處理分別下降17.0%和14.4%（圖2）。

2.2 氮、磷缺乏對草莓生長前期植株干物質(zhì)量及根冠比的影響

由表2可知，缺氮營養(yǎng)液處理植株的地上部干物質(zhì)量較全量處理顯著下降，下降達42.1%，地下部的干物質(zhì)量較全量處理無顯著差異，根冠比最高達0.63，表明了氮素缺乏會抑制植株地上部的生長。缺磷處理植株的地上部干物質(zhì)量較全量處理下降了48.3%，地下部干物質(zhì)量較全量處理下降了43.1%，表明了磷素缺乏會嚴重抑制植株的生長發(fā)育。

表2 氮、磷缺乏對草莓生長前期地上部及地下部干物質(zhì)量的影響

2.3 氮、磷缺乏對草莓生長前期根系形態(tài)的影響

氮磷素的供應與根系的生長發(fā)育密切相關，根系形態(tài)及構型發(fā)育狀況也影響著植株對養(yǎng)分的吸收能力［15-17］，因而對根系形態(tài)學特征的研究對揭示養(yǎng)分吸收利用具有重要意義。由表3可知，全量營養(yǎng)液處理的草莓植株根長、根表面積、根平均直徑、根體積、根尖數(shù)和分枝數(shù)均高于缺素處理。缺氮和缺磷處理的根長較全量處理分別降低47.7%和61.9%；缺氮和缺磷處理的根表面積分別降低58.1%和64.7%；缺氮處理的根平均直徑降低19.2%，缺磷處理的根平均直徑與全量處理無明顯差異；缺氮和缺磷處理的根體積分別降低66.6%和66.9%；缺氮和缺磷處理的根尖數(shù)分別降低40.1%和50.6%；缺氮和缺磷處理的分枝數(shù)分別降低41.2%和49.5%。綜上所述，氮素、磷素的缺乏不利于草莓植株生長前期根系發(fā)育形態(tài)構建。

表3 氮、磷缺乏對草莓生長前期根系形態(tài)的影響

2.4 氮、磷缺乏對草莓生長前期根、莖、葉中細胞分裂素的影響

從圖3可知，全量營養(yǎng)液處理的草莓植株根、莖和葉的細胞分裂素含量分別為4.54、4.74、5.12 ng/mL，根系分泌的細胞分裂素由地下部向地上部運輸。缺氮處理的草莓植株根、莖和葉的細胞分裂素含量分別為4.72、4.60、5.01 ng/mL，與全量處理對比，細胞分裂素含量在根中升高，在莖和葉中下降，但差異不顯著。缺磷處理的草莓植株根、莖和葉的細胞分裂素含量分別為4.39、4.76、4.58 ng/mL，缺磷處理在葉中的細胞分裂素含量顯著低于全量處理。綜上所述，缺氮對草莓生長前期的影響可能與細胞分裂素在植株體內(nèi)的分布無關，而缺磷降低了草莓葉中的細胞分裂素的含量，從而抑制了地上部生長。

2.5 氮、磷缺乏對草莓生長前期根、莖、葉中生長素的影響

由圖4可知，全量處理的草莓植株根、莖和葉的生長素含量分別為1.37、1.30、1.72 μmol/L。缺氮處理的含量分別為1.41、1.37、1.53 μmol/L，其根和莖中的生長素含量上升，而葉中的生長素含量下降，與全量處理沒有顯著差異。缺磷處理的草莓植株根、莖和葉的生長素含量分別為1.25、1.67、1.58 μmol/L，在根中，缺磷處理的生長素含量顯著低于全量處理；而在葉中，缺磷處理的生長素含量顯著高于全量處理。綜上所述，缺氮對草莓生長前期的影響可能與生長素在植株體內(nèi)的分布無關，而缺磷降低了草莓根中生長素的含量，從而抑制了側根發(fā)育，提高了草莓莖中生長素的含量。

3 討論

3.1 草莓生長前期根系對氮、磷缺乏的響應

根系是作物吸收養(yǎng)分、水分的主要器官，對大多數(shù)作物而言，生長前期是根系構建的關鍵時期，其為作物后期的健壯生長奠定基礎［18］。作物根系的生長受作物品種、栽培措施、環(huán)境因子等多種因素影響，其中土壤養(yǎng)分是影響作物根系生長的主要環(huán)境因素［19］。大量研究闡明了養(yǎng)分對作物根系生長的影響，適量氮可促進根系的生長發(fā)育，而缺氮或過量氮對根系的生長不利［5，20-23］。本研究結果顯示：相較于全量營養(yǎng)液，草莓在缺氮處理后的側根少，根系活力下降，根系干物質(zhì)質(zhì)量和根系形態(tài)指標（根長、根表面積、根平均直徑、根體積、根尖數(shù)、分枝數(shù)）均呈現(xiàn)顯著下降趨勢。這表明氮對草莓生長前期的根系發(fā)育具有重要作用。

磷對根系構型及光合產(chǎn)物在根、冠之間的分配起重要作用。大多數(shù)研究表明，生長前期缺磷可以促進根系的發(fā)育，從而提高作物的根冠比［24-26］。為適應低磷環(huán)境，作物往往通過增加總根尖數(shù)，增大根表面積、根體積及平均直徑來提高對磷元素的獲取能力［27］。在菜豆中，缺磷表現(xiàn)為基部根系生長角度變?。?0］。本研究結果顯示：相較于全量營養(yǎng)液，缺磷處理的草莓植株根系夾角變小，根系活力下降，除根平均直徑外，其余根系形態(tài)指標均呈現(xiàn)下降趨勢。這表明磷是影響草莓生長前期根系發(fā)育的主要因素之一，生長前期缺磷不利于草莓根系的生長發(fā)育。

3.2 內(nèi)源激素含量與分布對草莓前期生長的調(diào)控作用

內(nèi)源激素具有調(diào)控作物生長發(fā)育的作用，養(yǎng)分脅迫會影響內(nèi)源激素的合成和轉(zhuǎn)運［28-29］。陳開等［30］的研究表明，過表達生長素合成限速酶YUCCA會引起表達部位生長素含量的上升，從而促進不定根數(shù)目的增加，并抑制根系伸長。在水稻中生長素運輸相關載體，例如AUX、LAX，對于側根發(fā)育具有重要作用［31-32］。在大多數(shù)作物中，缺氮會提高作物根系生長素的含量［33-35］。施用氮肥則通過上調(diào)細胞分裂素合成關鍵酶IPT基因的表達，促進反式玉米素型細胞分裂素（tZ-CTK）的合成，從而增加木質(zhì)部及冠層葉片中的tZ-CTK含量［36-38］。但植物也存在反饋抑制調(diào)節(jié)機制，外源施加細胞分裂素或過表達IPT基因均會顯著抑制植物主根、側根的發(fā)育［11，39］。低磷脅迫能誘導擬南芥莖尖合成大量的生長素并通過極性運輸方式向下運輸［40］。不同植物在應對缺磷條件下根中細胞分裂素信號具有不同的響應，大多數(shù)研究表明：細胞分裂素能夠參與長距離信號系統(tǒng)控制磷缺乏反應的負調(diào)控，比如缺磷會導致蕁麻根中細胞分裂素含量下降；但在擬南芥中，缺磷提高根中細胞分裂素含量［41-42］。本研究的結果顯示：全量營養(yǎng)液處理的草莓植株不同器官細胞分裂素含量大小表現(xiàn)為根＜莖＜葉，且全氮處理根中細胞分裂素含量低于缺氮處理；缺氮處理草莓根中生長素含量上升。缺磷處理條件下，草莓根中細胞分裂素含量下降；草莓莖中生長素含量顯著上升，但在根中生長素含量顯著下降，抑制了側根的發(fā)育，促進了根系的縱向生長。這表明氮和磷可能通過調(diào)節(jié)植株內(nèi)源激素的含量與分布，從而影響草莓根系的生長。