空心蓮子草不定根膨大過程中主要營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化

陳中義++李華成

摘要：利用空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）地上莖段扦插育苗，在空心蓮子草生長20、45、70、95 d時，研究其不定根膨大過程中可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖、蔗糖、淀粉含量的動態(tài)變化。結(jié)果表明，空心蓮子草不定根膨大過程中，隨著根直徑不斷增加，可溶性蛋白質(zhì)含量呈上升趨勢，可溶性總糖和蔗糖含量呈急劇上升趨勢并保持在較高含量水平，淀粉含量低且變化不大。不同膨大時期，蔗糖占可溶性總糖的比例均較高?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量、可溶性總糖含量、蔗糖含量與空心蓮子草宿根的主要生長指標(biāo)（宿根直徑、根長、表面積、體積、干重、根冠比）均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），淀粉含量與其他各項指標(biāo)均無顯著相關(guān)性（P>0.05）。表明可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖、蔗糖是空心蓮子草不定根膨大的物質(zhì)基礎(chǔ)，其中可溶性總糖、蔗糖是宿根的重要組成物質(zhì)和貯藏成分。而淀粉在空心蓮子草宿根形成中并不是重要物質(zhì)。

關(guān)鍵詞：空心蓮子草（Alternanthera philoxeroides）；不定根膨大；營養(yǎng)物質(zhì)含量；可溶性總糖；蔗糖

中圖分類號：S451.1；Q945 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）24-6459

空心蓮子草[Alternanthera philoxeroides （Mart.）Griseb.]屬于莧科（Amaranthaceae）蓮子草屬的水陸兩棲多年生草本植物，俗稱水花生、喜旱蓮子草、革命草等，原產(chǎn)南美洲的巴西、烏拉圭、阿根廷等國，現(xiàn)已幾乎入侵全球熱帶溫帶地區(qū)，是一種全球性入侵雜草[1-3]。根據(jù)生境的水分狀況，通常把空心蓮子草的生長型分為漂浮型、扎根挺水型和陸生型[4]。漂浮型空心蓮子草的根系由不定根組成，而陸生型空心蓮子草根系的特征是不定根膨大形成貯藏根（宿根），這種貯藏根是陸生型和扎根挺水型空心蓮子草的重要越冬和繁殖器官，在種群維持中具有重要作用[5，6]。婁遠(yuǎn)來等[7]通過運(yùn)用光鏡和掃描電鏡的方法，觀察了空心蓮子草貯藏根的結(jié)構(gòu)，指出空心蓮子草的根除了進(jìn)行正常的初生和次生生長外，還產(chǎn)生異常的三生結(jié)構(gòu)，三生結(jié)構(gòu)中含有大量的徑向和切向的薄壁結(jié)合組織，這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)有利于水分和營養(yǎng)物質(zhì)的迅速疏導(dǎo)，并將營養(yǎng)物質(zhì)貯藏在地下器官的薄壁細(xì)胞結(jié)合組織中。即便地下的肉質(zhì)根被切斷，仍有足夠的營養(yǎng)物質(zhì)供給不定芽的生長和發(fā)育，從而形成新的植株。這是空心蓮子草難以防治的重要原因之一。王桂芹等[8]對空心蓮子草的貯藏根進(jìn)行初步化學(xué)檢測，發(fā)現(xiàn)其含有較多的可溶性糖和蛋白質(zhì)成分，認(rèn)為這些營養(yǎng)物質(zhì)是空心蓮子草擴(kuò)展或成為獨(dú)立散布體的物質(zhì)和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。然而，在空心蓮子草不定根膨大形成貯藏根的過程中，主要營養(yǎng)物質(zhì)的變化規(guī)律尚不清楚。

可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖、蔗糖、淀粉等物質(zhì)作為植物中生理的重要物質(zhì)，對于不同植物根系的膨大具有重要意義[9-13]。陳燕麗等[14]根據(jù)空心蓮子草根生長動態(tài)，把空心蓮子草莖段新生根的生長大致劃分為三個時期，即膨大前期（<28 d）、膨大期（28～84 d）、膨大后期（84～105 d）。這種劃分不僅有利于選擇合適的時期實施化學(xué)防控，也為研究不同生長時期根內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的變化規(guī)律提供了基礎(chǔ)。本研究結(jié)合空心蓮子草不定根膨大的不同時期，對空心蓮子草貯藏根中營養(yǎng)物質(zhì)的變化規(guī)律進(jìn)行探討。研究其不定根膨大過程中營養(yǎng)物質(zhì)的動態(tài)變化，有利于深入了解空心蓮子草不定根膨大機(jī)理及其營養(yǎng)物質(zhì)的生理機(jī)制，為加強(qiáng)空心蓮子草防控提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

于2014年6月15日在湖北省荊州市西郊田間溝渠采集生長健壯的空心蓮子草地上莖，剪取直徑0.3～0.4 cm，長4.0 cm的地上莖片段（帶有一節(jié)，以節(jié)為中心，兩邊長度各2 cm）若干。在底部帶孔的塑料杯（規(guī)格：上內(nèi)徑9 cm，下內(nèi)徑5.5 cm，高14.5 cm）中裝入土壤（沙土∶壤土=1∶1），把準(zhǔn)備好的空心蓮子草莖段斜插入土壤中，每個塑料杯種植1段。共種植120杯，將其放置于長江大學(xué)農(nóng)學(xué)院開敞式溫室大棚棚架上，注意日常管理并保持濕潤。

1.2 方法

空心蓮子草莖段種植后20 d，進(jìn)行第一次取樣，以后每隔25 d隨機(jī)取樣一次，分別在45、70、 95 d取樣。四個取樣時期分別對應(yīng)空心蓮子草不定根膨大前期（20 d）、膨大期（45、70 d）、膨大后期 （95 d）。

每次隨機(jī)取樣數(shù)為30杯。選擇生長一致，具有代表性的根系，洗凈沙土。隨機(jī)取3株，觀察根系發(fā)育情況，記錄的指標(biāo)包括宿根根數(shù)、宿根直徑（其最膨大部的橫莖，用游標(biāo)卡尺測量，精度0.01 mm）、宿根根長。另取3株，將植株莖葉（含地下莖）、地下不定根和宿根分別剪斷，于80 ℃下烘至恒重（約24 h），用電子天平（精度0.001 g），分別稱量莖葉干重、不定根重和宿根根重，總根重等于不定根重和宿根根重之和。隨機(jī)取3株，采用Epson Perfection V700 Photo根系掃描儀（Seiko Epson Corp，日本）對根系分別進(jìn)行掃描，分析得到所有根的表面積和總體積、宿根的表面積和總體積。剩余植株洗凈根系，選擇宿根部分，并用小刀剔除宿根上的須根，再用去離子水沖洗，用干凈的衛(wèi)生紙把根部水吸干，用于測定可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖、蔗糖、淀粉的含量，試驗測量重復(fù)3次。

1.3 測定方法

可溶性蛋白質(zhì)采用考馬斯亮蘭G-250染色法測定，具體方法參照孔祥生等[15]的方法進(jìn)行?？扇苄钥偺呛?、淀粉含量參照文獻(xiàn)[16]進(jìn)行測定。蔗糖含量參照文獻(xiàn)[17]進(jìn)行測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用SPSS的單因素方差分析（One-way ANOVA）檢測不同生長天數(shù)的各指標(biāo)間是否存在差異顯著性，采用LSD法進(jìn)行多重比較，選擇Pearson Correlation進(jìn)行各指標(biāo)間相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 空心蓮子草不定根膨大過程中主要生長指標(biāo)的變化

空心蓮子草不定根膨大過程中主要生長指標(biāo)的變化統(tǒng)計結(jié)果見表1。由表1可知，在膨大期（45、70 d），空心蓮子草每株的宿根為1條，而到了膨大后期（95 d），每株的宿根為2條。

從空心蓮子草扦插生根到不定根膨大前期（20 d），此時不定根未見明顯膨大，各條根的根直徑比較一致，平均直徑為0.031 cm。生長至45 d，已經(jīng)進(jìn)入膨大期，此時不定根迅速膨大增粗，根直徑達(dá)到0.232 cm，極顯著高于膨大前期（P<0.01）。生長至70～95 d，宿根進(jìn)一步增粗，但差異不顯著（P>0.05）。生長至45 d可以明確辨別膨大的宿根和未膨大的不定根，故宿根的長度從生長至45 d開始測量，此時為8.13 cm。生長至95 d，宿根的平均長度為12.93 cm，此時宿根長度顯著長于生長至45 d和70 d（P<0.05）。

空心蓮子草宿根形成后，隨著宿根的進(jìn)一步膨大，每株空心蓮子草宿根的表面積、體積均顯著增大（P<0.05）。95 d時，宿根總表面積為14.601 cm2，是45 d時的2.35倍；宿根體積為0.873 cm3，是45 d時的4.45倍。

由表1數(shù)據(jù)進(jìn)一步計算出空心蓮子草根系生物量構(gòu)成情況，45 d時，宿根干重占根系總干重的比例為93.8%，70 d時該比例為87.9%，95 d時該比例為85.1%。從全株空心蓮子草生物量分配來看，隨著根膨大生長，根冠比逐步增加，扦插初期（20 d），空心蓮子草莖節(jié)處萌發(fā)新芽，生長出不定根，莖葉的生長成為植株生長的主導(dǎo)，此時根冠比最低，為0.074。進(jìn)入不定根膨大期，根系的干物質(zhì)含量迅速增加，到膨大后期（95 d），根冠比與膨大初期相比（45 d）極顯著提高（P<0.01），達(dá)到0.679。

2.2 空心蓮子草不定根膨大過程中營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化

2.2.1 可溶性蛋白質(zhì)含量的變化 由表2可知，空心蓮子草不定根在膨大過程中，隨著根直徑不斷增加，可溶性蛋白質(zhì)含量呈上升趨勢。其中，生長20 d時，不定根未見膨大，含量最低，為1.74 mg/g。生長到95 d時，含量最高，為3.79 mg/g。生長20～45 d，可溶性蛋白質(zhì)含量有所增加，但未達(dá)顯著性差異（P>0.05）。當(dāng)生長至70 d時，此時處于不定根膨大中期，可溶性蛋白質(zhì)含量極顯著高于生長20、45 d（P<0.01）。生長至95 d時，可溶性蛋白質(zhì)含量極顯著高于生長70 d（P<0.01）。

2.2.2 可溶性總糖含量的變化 由表2可知，空心蓮子草生長20～70 d，根中的可溶性總糖含量呈急劇上升的趨勢。生長初期，可溶性總糖含量極低， 20 d時為4.86 mg/g，生長到70 d時，達(dá)到最高值，為438.68 mg/g，差異極顯著（P<0.01）。生長70～95 d期間，宿根直徑稍有加粗，但可溶性總糖含量卻有所降低。95 d時，宿根處于膨大后期，可溶性總糖含量為353.53 mg/g，極顯著低于70 d時的含量。

2.2.3 蔗糖含量變化 由表2可知，不同時期空心蓮子草根中的蔗糖的含量變化與可溶性總糖相似。從開始生長到70 d，隨著宿根直徑不斷增加，膨大的不定根中蔗糖含量呈急劇上升的趨勢。生長20 d時，蔗糖含量最低，僅為1.47 mg/g，生長到70 d時，達(dá)到最高值，為262.65 mg/g，差異極顯著（P<0.01）。生長70～95 d期間，宿根直徑加粗不顯著，蔗糖含量保持穩(wěn)定，略有降低，但二者未達(dá)顯著性差異（P>0.05）。

在空心蓮子草不定根膨大過程中，生長20 d時，蔗糖含量占可溶性總糖含量比例最低，為30.25%；進(jìn)入膨大期45 d時，蔗糖占可溶性總糖的比例達(dá)到最高，為89.51%；隨后比例有所降低，在70 d和95 d時該比例分別為59.87%和72.39%。不同膨大時期，蔗糖占可溶性總糖的比例均較高，說明蔗糖是空心蓮子草宿根膨大生理過程中一種至關(guān)重要的糖類物質(zhì)。

2.2.4 淀粉含量的變化 由表2可知，在空心蓮子草不定根膨大的過程中，隨著根直徑的增粗，淀粉的含量變化相對穩(wěn)定，總體上呈現(xiàn)波浪式變化，但波動范圍不大，在4.96～7.29 mg/g之間，與可溶性總糖和蔗糖含量比較，始終處于較低的含量水平。生長20 d時，未膨大的不定根中淀粉的含量與生長70 d和95 d相比較，沒有顯著性差異（P>0.05）。生長45 d時，淀粉含量最低，與其他時間的觀測值呈顯著性差異（P<0.05）。

2.3 各指標(biāo)相關(guān)性分析

空心蓮子草不定根膨大過程中各指標(biāo)相關(guān)性分析見表3。由表3可知，除可溶性總糖、蔗糖和淀粉的含量變化與宿根條數(shù)沒有顯著相關(guān)性，以及淀粉含量與其他各項指標(biāo)均無顯著相關(guān)性外，其他指標(biāo)間均存在顯著或極顯著的正相關(guān)性。其中，可溶性總糖含量與蔗糖含量的相關(guān)系數(shù)為0.951，兩者存在極顯著的線性正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）?？扇苄缘鞍踪|(zhì)含量、可溶性總糖含量、蔗糖含量與空心蓮子草宿根的主要生長指標(biāo)（直徑、長度、表面積、體積、干重、根冠比）均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)（P<0.01），說明這些物質(zhì)是空心蓮子草不定根膨大的物質(zhì)基礎(chǔ)。淀粉含量與其他各項指標(biāo)均無顯著相關(guān)性（P>0.05），說明淀粉含量在空心蓮子草宿根膨大過程中并不是重要物質(zhì)。

3 小結(jié)與討論

空心蓮子草扦插初期，莖葉的生長成為植株生長的主導(dǎo)。進(jìn)入空心蓮子草不定根膨大期后，根重逐漸增加，根冠比逐步增大。同時，宿根的直徑、長度、表面積和體積均隨著生長時期有不同程度的增加，總體趨勢相似。這樣的生長過程符合一定的植物學(xué)規(guī)律，即生育前期營養(yǎng)物質(zhì)的吸取和分配主要是用于營養(yǎng)器官的形成。營養(yǎng)器官發(fā)展到一定階段以后，才迅速向地下部分（貯藏器官）轉(zhuǎn)移，塊根表現(xiàn)為快速膨大[13]。

植物體內(nèi)的可溶性蛋白質(zhì)大多數(shù)是參與各種代謝活動的酶類，測量其含量是為了解植物體總代謝的一個重要指標(biāo)[15]?？招纳徸硬莶欢ǜ谂虼筮^程中，隨根直徑不斷增加，宿根中可溶性蛋白質(zhì)含量呈上升趨勢，表明隨著空心蓮子草不定根的膨大，其宿根的代謝水平逐步提高，旺盛的合成和分解代謝需要大量的酶類參與?？招纳徸硬菟薷锌扇苄缘鞍踪|(zhì)含量變化規(guī)律與甘薯塊根膨大具有相似性[18]。

可溶性糖不僅是植物的主要光合產(chǎn)物，而且是碳水化合物代謝和暫時貯藏的主要形式[19]。從不定根膨大前期（20 d）到膨大期（70 d），隨著根直徑不斷增加，宿根中可溶性總糖含量呈急劇上升趨勢，說明該時期光合作用的同化產(chǎn)物不斷分配到根中。宿根在膨大過程中，只要條件適宜，就會萌發(fā)新芽，形成新的植株。高含量的可溶性總糖有利于保持宿根在休眠期前旺盛的繁殖能力和代謝能力?？扇苄钥偺沁€是植物主要的抗寒調(diào)節(jié)物質(zhì)之一，它的增加可以提高細(xì)胞液濃度，降低冰點(diǎn)，保護(hù)原生質(zhì)膠體、線粒體及膜上敏感偶聯(lián)因子，其含量的多少關(guān)系到植物抗寒能力的大小[20，21]。進(jìn)入膨大后期（95 d），雖然可溶性總糖含量有所降低，但可溶性總糖含量依舊保持較高水平，遠(yuǎn)高于蘿卜（Raphanus sativus）[11]，甘薯（Ipomoea batatas）[10]等作物的含量水平，這為空心蓮子草宿根順利越冬提供了保障。

蔗糖是高等植物光合作用的主要產(chǎn)物，也是植物體內(nèi)碳水化合物貯藏和運(yùn)輸?shù)闹饕问絒5，6]。隨著宿根直徑不斷增加，宿根的蔗糖含量呈急劇上升的趨勢，處于積累狀態(tài)。進(jìn)入膨大后期（95 d），蔗糖含量保持穩(wěn)定。其變化趨勢與可溶性總糖含量的變化趨勢相似，兩者呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。且進(jìn)入膨大期后（45 d），蔗糖占可溶性總糖的比例較高，均在59%以上。以上結(jié)果表明，蔗糖是空心蓮子草膨大過程中一種重要的糖類貯藏物質(zhì)。

在空心蓮子草不定根膨大過程中，淀粉含量與可溶性總糖和蔗糖相比較，始終處于較低水平，且與宿根直徑等其他各項指標(biāo)均沒有顯著的相關(guān)性，從而認(rèn)為，淀粉在空心蓮子草不定根膨大過程中，并不是重要物質(zhì)。而在休眠期，即進(jìn)入冬季后，淀粉含量是否有所升高進(jìn)而成為空心蓮子草越冬的重要物質(zhì)，則有待進(jìn)一步驗證。

綜上所述，可溶性蛋白質(zhì)、可溶性總糖、蔗糖與空心蓮子草不定根的膨大密切相關(guān)，其中，可溶性總糖、蔗糖是宿根的重要組成物質(zhì)和貯藏成分。而淀粉在空心蓮子草宿根形成中，并不是重要物質(zhì)。要全面剖析空心蓮子草宿根形成的機(jī)理，應(yīng)探討更多的營養(yǎng)物質(zhì)，如葡萄糖、果糖等還原糖，以及營養(yǎng)物質(zhì)代謝相關(guān)的酶類與其不定根膨大的關(guān)系。同時，從庫源理論出發(fā)，充分考慮到地上部分對地下部分的相互影響，也將有利于闡明空心蓮子草營養(yǎng)物質(zhì)的生理代謝機(jī)制。

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