不同濃度根皮苷對蘋果砧木根系生長及生理特性的影響

李博洋　任勝寒　劉懷特　王月　張學(xué)英　徐繼忠

摘要：本試驗以蘋果砧木組培苗為試材，設(shè)置O（CK）、0.1、0.5、1.0mmol/L和1.5mmol/L共5個根皮苷濃度處理，研究砂培條件下各處理對蘋果砧木組培苗生長、根系構(gòu)型及根系生理生化特性的影響。結(jié)果表明，與CK相比，外施不同濃度根皮苷均抑制蘋果砧木組培苗根系生長，顯著降低組培苗鮮重和干重，均顯著降低根長、根表面積、根體積、根平均直徑和株高凈增長量（0.1mmol/L濃度處理除外），且隨著根皮苷濃度升高而降幅增大。外源根皮苷脅迫導(dǎo)致蘋果砧木組培苗根系超氧化物歧化酶（SOD）、過氧化物酶（POD）、過氧化氫酶（CAT）活性降低，與根系根皮苷代謝相關(guān)的查爾酮合酶、查爾酮異構(gòu)酶及根皮苷水解酶活性顯著降低，丙二醛（MDA）、超氧陰離子、脯氨酸含量顯著升高，可溶性蛋白含量顯著降低。綜之，隨著根皮苷濃度增加，蘋果砧木組培苗根系抗氧化保護性酶活性和可溶性蛋白含量降低，MDA、超氧陰離子含量及脯氨酸含量升高，根系生長受到抑制，從而抑制蘋果砧木組培苗生長。

關(guān)鍵詞：根皮苷；蘋果砧木組培苗；根系構(gòu)型；抗氧化酶活性

中圖分類號：S661.101 文獻標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2024）03-0048-06

同一地點連續(xù)多年種植同一種作物，即使是在正常栽培管理條件下，也會對相同或近緣植物的生長產(chǎn)生抑制作用，此現(xiàn)象稱為連作障礙，又稱為再植障礙、重茬障礙，連作障礙嚴(yán)重影響作物的生長發(fā)育，導(dǎo)致根系發(fā)育不好、分生能力差及地上部生長緩慢、植株矮小、葉面積變小等癥狀，很多老果園因此會出現(xiàn)更新再植問題，嚴(yán)重限制著果樹產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。作物根系分泌物以及前茬作物腐解產(chǎn)生的酚酸類有害物質(zhì)是引起再植病害的主要原因之一。有研究表明根系分泌物會導(dǎo)致葉片氣孔導(dǎo)度降低、蒸騰作用減弱和根長、干重和鮮重減少。酚酸類物質(zhì)會影響根的生長和形態(tài)，使葉綠素含量降低。

根皮苷是蘋果屬含量最高的酚類化合物，是引起重茬障礙的關(guān)鍵酚酸類物質(zhì)。根皮苷與作物生長發(fā)育和抗逆性有著密切關(guān)系。王婧茹研究表明根皮苷積累能夠影響蘋果植株體內(nèi)生長素的分布。張素素等研究表明，一定濃度的根皮苷可使桃苗酶活性降低，丙二醛含量上升。尹承苗等研究表明，根皮苷、根皮素和酚酸類等5種物質(zhì)均降低了平邑甜茶幼苗生長量、根系線粒體相關(guān)功能指標(biāo)和相關(guān)酶活性指標(biāo)。張江紅等用1.0mmol/L根皮苷處理平邑甜茶幼苗，發(fā)現(xiàn)幼苗的根系長度和表面積大幅下降，根尖的超微結(jié)構(gòu)受到破壞，根系的吸收能力受到嚴(yán)重影響。根皮苷濃度0.001mmol/L可促進平邑甜茶幼苗生長，但濃度達到1mmol/L時開始抑制平邑甜茶幼苗生長，降低干物質(zhì)積累，且隨著處理濃度增加抑制作用加強。王青青等研究發(fā)現(xiàn)一定濃度的根皮苷會使平邑甜茶TCA循環(huán)相關(guān)的酶活性降低，使根系呼吸速率下降。

前人的大部分研究主要集中于根皮苷對平邑甜茶幼苗生長的影響，而關(guān)于不同濃度根皮苷對蘋果組培苗根系生長及其相關(guān)生理變化的系統(tǒng)研究較少。本試驗以蘋果砧木組培苗為試材，在沙培條件下研究不同濃度根皮苷對其生長、根系構(gòu)型、根系酶活性、根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)含量的影響，為進一步揭示根皮苷的作用機制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2019年10月采集八棱海棠及其他砧木的果實，剝種沙藏，2020年春播種，2021年將這些砧木實生苗定植于保定市滿城區(qū)抗重茬試驗園。該園上茬蘋果品種為新紅星，樹齡30年，于2021年春季刨樹。2021年6月20日挑選長勢良好的植株并掛牌，采集外植體帶回河北農(nóng)業(yè)大學(xué)進行組培快繁。2022年6月，選擇已生根移栽且長勢一致的編號為20號的組培苗（冀砧3號后代）作為試材，栽植于12cm×12cm營養(yǎng)缽內(nèi)進行砂培，并用Hoagland營養(yǎng)液每隔2d處理一次，待長至6片左右真葉，用不同濃度根皮苷進行處理。

1.2 試驗設(shè)計與處理

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)5次，每重復(fù)6株，每處理30株。試驗共設(shè)置4個根皮苷濃度處理：0.1mmol/L根皮苷（T1）、0.5mmol/L根皮苷（T2）、1.0mmol/L根皮苷（T3）、1.5mmol/L根皮苷（T4），以澆施等量清水為對照（CK）。每隔2d處理1次，每次100mL，共處理5次，共處理15d。于第5次處理后30d取樣測定各項生理生化指標(biāo)。

1.3 測定指標(biāo)與方法

每隔10d用卷尺測量株高。于第5次處理后30d取樣，用千分之一電子天平分別稱取根、莖、葉鮮重，烘干后稱干重，并計算總生物量。試驗結(jié)束前，每個處理均收獲植株根系，利用Win-RHIZO圖像掃描系統(tǒng)量化根長、根表面積、根體積、根直徑、根尖數(shù)和根分叉數(shù)。

采用氮藍四唑光還原法測定超氧化物歧化酶（SOD）活性，采用愈創(chuàng)木酚法測定過氧化物酶（POD）活性，采用紫外吸收法測定過氧化氫酶（CAT）活性。采用考馬斯亮藍法測定可溶性蛋白含量，采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛含量，采用羥胺氧化法測定超氧陰離子含量，采用酸性茚三酮顯色法測定脯氨酸含量。使用試劑盒（上海晶抗生物技術(shù)有限公司產(chǎn)品）測定查爾酮合酶、查爾酮異構(gòu)酶和根皮苷水解酶活性。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

用Microsoft Excel進行數(shù)據(jù)處理，用Sigma-plot 14.0軟件作圖，用DPS數(shù)據(jù)處理軟件進行方差分析與顯著性檢驗（Duncan's新復(fù)極差法）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度根皮苷對蘋果砧木組培苗生長的影響

由表1可以看出，根皮苷處理顯著抑制組培苗生長，對根系的抑制作用更明顯。隨著根皮苷濃度增加，各處理組培苗單株總鮮重、總干重、根系鮮重、根系干重與株高凈增長量與CK相比，除T1處理株高凈增長量外均為顯著下降，T2和T3處理間各指標(biāo)差異均不顯著。其中，與CK相比，T1、T2、T3、T4處理組培苗單株總鮮重分別降低10.62%、26.93%、33.64%和49.30%，單株總干重分別降低10.31%、27.99%、31.86%和50.46%，單株根系鮮重分別降低32.47%、47.99%、53.30%和76.87%，單株根系干重分別降低27.27%、37.88%、44.44%和67.68%，株高凈增長量分別降低7.67%、46.33%、53.34%和58.89%。

2.2 不同濃度根皮苷對蘋果砧木組培苗根系構(gòu)型的影響

由表2可知，隨著根皮苷濃度增加，蘋果砧術(shù)組培苗的根長、根表面積、根體積和根平均直徑對其響應(yīng)越加劇烈，且除T2、T3處理問差異不顯著外，不同處理間響應(yīng)程度存在顯著差異。與CK相比，T1處理根長、根表面積、根體積和根平均直徑分別降低12.87%、40.92%、60.80%和22.79%，T2各指標(biāo)分別降低21.75%、51.62%、68.27%和32.35%，T3各指標(biāo)分別降低26.08%、53.51%、72.94%和33.09%，T4各指標(biāo)分別降低41.89%、62.74%、78.78%和43.38%。

2.3 不同濃度根皮苷對蘋果砧木組培苗根系酶活性的影響

2.3.1 對組培苗根系抗氧化酶活性的影響

由圖1A可知，蘋果砧術(shù)組培苗根系超氧化物歧化酶（SOD）活性隨著根皮苷濃度增加而降低。T1、T2、T3、T4處理組培苗根系SOD活性較CK分別顯著降低35.50%、41.75%、60.55%、67.64%。

由圖1B可知，蘋果砧木組培苗根系過氧化物酶（POD）活性隨著根皮苷濃度增加而降低。T1、T2、T3、T4處理POD活性較CK分別顯著降低20.45%、40.91%、61.36%、75.00%。

由圖1C可知，蘋果砧木組培苗根系過氧化氫酶（CAT）活性受外源根皮苷干擾較大，隨著根皮苷濃度增加，CAT活性呈現(xiàn)出大幅下降趨勢。T1、T2、T3、T4處理CAT活性較CK分別顯著降低33.63%、64.86%、77.78%、88.59％。

2.3.2 對組培苗根系根皮苷代謝相關(guān)酶活性的影響

由圖2A可知，隨著外源根皮苷濃度逐漸增加，蘋果砧木組培苗根系查爾酮合酶活性呈現(xiàn)出下降趨勢，表現(xiàn)為CK>T1>T2>T3>T4，其中T1與T2、T3與T4處理間差異不顯著。與CK相比，T1、T2、T3、T4處理查爾酮合酶活性分別顯著降低13.87%、36.35%、39.52%、45.01%。

由圖2B可知，隨著外源根皮苷濃度逐漸增加，蘋果砧木組培苗根系查爾酮異構(gòu)酶活性呈現(xiàn)出逐漸下降趨勢。T1、T2、T3、T4處理查爾酮異構(gòu)酶活性較CK分別顯著降低12.01%、12.85%、30.52%、41.45%，但Tl與T2、T3與T4處理間差異不顯著。

由圖2C可知，對照（CK）蘋果砧木組培苗根系根皮苷水解酶活性顯著高于各處理，達到1.52IU/L，T1、T2、T3處理之間差異不顯著，但均顯著高于T4。與CK相比，T1、T2、T3、T4處理根皮苷水解酶活性分別降低11.67%、14.29%、18.90%，52.86%。

2.4 不同濃度根皮苷對蘋果砧木組培苗根系滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)及丙二醛和超氧陰離子含量的影響

由圖3A可知，對照（CK）蘋果砧術(shù)組培苗根系可溶性蛋白含量顯著高于各處理，T1、T2、T3、T4處理可溶性蛋白含量較CK分別降低14.26%、17.14%、25.65%、37.82%。

由圖3B可知，隨著根皮苷濃度增加，蘋果砧木組培苗根系丙二醛（MDA）含量逐漸增加，與CK相比，T1、T2、T3、T4處理的MDA含量分別顯著提高20.48%、36.42%、52.85%、71.11%。

由圖3C可知，添加外源根皮苷后，T1、T2、T3、T4處理蘋果砧木組培苗根系超氧陰離子含量較CK分別提高15.40%、37.53%、57.89%、84.26%，均達顯著水平。

由圖3D可知，T4處理蘋果砧術(shù)組培苗根系脯氨酸含量最高，達到426.7μg/g，濕著高于CK和其他處理。T1、T2、T3、T4處理的脯氨酸含量較CK分別顯著提高17.54%、32.64%、81.47%、118.72%。

3 討論

外源添加酚酸類物質(zhì)如根皮苷、肉桂酸、甲苯酸等會阻礙植物地上部的生長發(fā)育。施加一定濃度的根皮苷會明顯抑制蘋果幼苗的株高、莖粗、鮮重以及干重，同時，酚酸類物質(zhì)也會抑制地下部的生長。研究表明，植株根系是植物感受土壤環(huán)境變化的第一部位，植物往往通過產(chǎn)生相應(yīng)的變化使根系以適應(yīng)變化后的環(huán)境，而根系形態(tài)是衡量根系功能效率和生理特性的重要指標(biāo)。重茬脅迫會導(dǎo)致蘋果根系結(jié)構(gòu)受到破壞，鮮重和質(zhì)量降低。本試驗結(jié)果表明，外施根皮苷抑制蘋果砧木組培苗生長，尤其是根系的生長，且隨著根皮苷濃度的提高其總生長量逐漸降低，其中根系干重、鮮重及根長顯著降低：同時，根皮苷濃度為0.1mmol/L時，蘋果砧木組培苗的根長、根表面積、根體積和根平均直徑就顯著低于CK，且隨著根皮苷濃度的增加，其對4個生長指標(biāo)的抑制作用加重。這說明根皮苷會不同程度地減少根系的吸收面積，根系的吸收功能受到抑制。

在正常條件下，植物細胞中自由基的產(chǎn)生與清除在抗氧化系統(tǒng)的參與下保持著動態(tài)平衡。當(dāng)植物處于外界不利環(huán)境時，其自由基與抗氧化酶系統(tǒng)的動態(tài)平衡會被打破，從而對植物造成傷害。SOD、POD、CAT活性是抗氧化酶系統(tǒng)中的重要指標(biāo)，這三種酶可以保護植物清除產(chǎn)生的自由基，以減輕傷害。在重茬脅迫下，蘋果幼苗葉片的抗氧化酶活性降低；連作導(dǎo)致平邑甜茶幼苗抗氧化酶活性降低，同時游離脯氨酸含量增加，加劇了膜脂過氧化程度。本試驗結(jié)果表明，外施根皮苷導(dǎo)致根系內(nèi)SOD、POD、CAT活性降低，表明抗氧化酶系統(tǒng)與活性氧之間的平衡被打破。查爾酮合酶、查爾酮異構(gòu)酶和根皮苷水解酶通過增加基因表達量而達到清除ROS提高抗性的作用。隨著根皮苷濃度的提高，查爾酮合酶、查爾酮異構(gòu)酶和根皮苷水解酶活性顯著降低，說明施用根皮苷后，幼苗無法及時清除體內(nèi)的ROS，加劇了根皮苷對組培苗的傷害。

細胞質(zhì)膜是植物應(yīng)對感知外界環(huán)境的第一層保護膜。植物受到脅迫時，會導(dǎo)致膜脂過氧化或膜脂脫脂作用，從而破壞膜結(jié)構(gòu)?？扇苄缘鞍缀透彼崾侵匾臐B透調(diào)節(jié)物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)，其積累是植物在脅迫下的一種適應(yīng)性機制，以維持細胞內(nèi)外滲透平衡。發(fā)生脅迫后，會導(dǎo)致MDA、超氧陰離子、脯氨酸含量升高。本試驗結(jié)果顯示，根皮苷處理的蘋果砧木組培苗根系可溶性蛋白含量降低，MDA、超氧陰離子含量和脯氨酸含量上升，膜脂過氧化程度加劇，植株代謝失衡，從而抑制蘋果砧木組培苗生長。

4 結(jié)論

本研究得出，隨著根皮苷濃度增加，蘋果砧木組培苗生長尤其根系生長受到抑制，同時導(dǎo)致抗氧化保護酶和根皮苷代謝相關(guān)酶活性、可溶性蛋白含量降低，MDA、超氧陰離子含量及脯氨酸含量升高，從而抑制蘋果砧木組培苗生長。

基金項目：國家蘋果產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目（CARS-27）；河北省重點研發(fā)計劃項目（21326308D-02-03）；河北省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系水果創(chuàng)新團隊項目（HBCT2018100403）