干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根系形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)的影響

張翠梅,師尚禮*,劉珍,楊帆,張振科

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730070；2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)研究中心,甘肅 蘭州 730070)

干旱是制約世界生態(tài)環(huán)境、植物分布和生產(chǎn)力的最基本因素。全球干旱、半干旱地區(qū)約占陸地面積的35%，且有逐年增加的趨勢(shì)。干旱脅迫所導(dǎo)致的作物減產(chǎn)，超過(guò)其他環(huán)境脅迫所造成減產(chǎn)的總和[1-2]。紫花苜蓿(Medicagosativa)是世界上栽培最廣的一種優(yōu)良豆科牧草，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。紫花苜蓿作為我國(guó)西北干旱和半干旱地區(qū)主栽牧草，對(duì)該地區(qū)畜牧業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的改善發(fā)揮著重要作用[3-4]。然而，我國(guó)西北地區(qū)日益加劇的干旱和土地鹽漬化，已對(duì)紫花苜蓿的分布及產(chǎn)量構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[5-6]。

根系是植物吸收、轉(zhuǎn)化和儲(chǔ)藏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的重要器官，其生長(zhǎng)發(fā)育受到自身遺傳因素和外部環(huán)境的共同影響。當(dāng)出現(xiàn)水分短缺時(shí)，根系能最先感知土壤中的水分虧缺并作出相應(yīng)反應(yīng)[7]。根系生長(zhǎng)的好壞直接影響地上部的生長(zhǎng)、形態(tài)建成及產(chǎn)量，而植物根系的解剖結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征是其生長(zhǎng)發(fā)育水平和對(duì)外界環(huán)境適應(yīng)的直接體現(xiàn)，最終影響植物的抗旱能力[7-9]。前人對(duì)干旱脅迫下，玉米(Zeamays)[9]，小麥(Triticumaestivum)[10-11]，達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)[12]和紫穗槐(Amorphafruticosa)[13]幼苗根系的解剖結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，根系皮層厚度減小、內(nèi)皮層加厚、導(dǎo)管數(shù)量增加、導(dǎo)管管壁增厚、導(dǎo)管直徑降低、韌皮部的薄壁組織細(xì)胞壁強(qiáng)烈木質(zhì)化和根直徑變細(xì)等是植物響應(yīng)干旱脅迫適應(yīng)性的表型特征。此外，根系的一些形態(tài)特征指標(biāo)，如根長(zhǎng)、根體積、根直徑、根系干重等能夠反映根系的健壯程度，可作為抗旱性評(píng)價(jià)的根系形態(tài)指標(biāo)[8,14-15]。

紫花苜蓿具有發(fā)達(dá)的直根系統(tǒng)，與農(nóng)作物相比，可利用更深層的土壤水分，表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐旱性[16]。前人已對(duì)苜蓿根系生長(zhǎng)發(fā)育特性及形態(tài)解剖學(xué)觀察等方面做了相關(guān)研究。白文明等[17]、郭正剛等[18]、萬(wàn)素梅等[19]和陳積山等[20]的研究表明，紫花苜蓿根系形態(tài)性狀(總根長(zhǎng)、根系生物量與根冠比)與植株水分利用效率間具有顯著相關(guān)性。主根長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)、根系總體積和根系生物量在不同紫花苜蓿品種間差異顯著。李文嬈等[21]研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，苜蓿的根系表面積和直徑≥1 mm的側(cè)根數(shù)目顯著增加，主根變細(xì)、根系生物量下降，且這些變化的幅度隨生長(zhǎng)年限的增長(zhǎng)而減弱。田晨霞等[22]研究表明，鹽堿脅迫促進(jìn)了苜蓿根部的發(fā)育，主要表現(xiàn)在根部直徑顯著變粗，木質(zhì)導(dǎo)管直徑顯著變小但數(shù)量增多。程偉燕等[23]研究發(fā)現(xiàn)，抗旱的特萊克紫花苜蓿(RecM.sativa)根系較深，側(cè)根分布密集，根表皮的最外層細(xì)胞排列緊密。綜上所述，不同紫花苜蓿品種的生長(zhǎng)發(fā)育能力不同，且在適應(yīng)水分虧缺，降低水分消耗時(shí)所采取的抗旱策略也不同。然而，目前有關(guān)干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根系形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)影響的研究相對(duì)較少。因此，本研究采用-1.2 MPa PEG-6000模擬干旱脅迫，分析比較干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根系形態(tài)特征及解剖結(jié)構(gòu)的影響，以期闡明苜蓿根系抗旱能力與其形態(tài)及解剖結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，為進(jìn)一步深入研究苜蓿的抗旱機(jī)制提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以3個(gè)不同抗旱性紫花苜蓿品種，即強(qiáng)抗旱隴中苜蓿(M.sativacv. Longzhong)、中抗旱隴東苜蓿(M.sativacv. Longdong)和弱抗旱甘農(nóng)3號(hào)紫花苜蓿(M.sativacv. Gannong No.3)為試驗(yàn)材料[24]。種子由甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供。

1.2 試驗(yàn)方法

2017年 9 月，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院采用營(yíng)養(yǎng)液沙培法，選用滅菌后的細(xì)沙(121 ℃， 高溫滅菌26 min)，裝入高度為11 cm，直徑為9 cm的培養(yǎng)缽中，擺放在長(zhǎng)×寬×高(25 cm×15 cm×10 cm)的塑料方盆中。選取飽滿且大小一致的苜蓿種子經(jīng)0.1% HgCl2溶液消毒5 min后，用蒸餾水沖洗干凈，再用吸水紙吸干，均勻播種于培養(yǎng)缽中，播種后轉(zhuǎn)移至光照培養(yǎng)室中[每天光照14 h，光通量密度400 μmol·m-2·s-1，晝夜溫度分別為(25±1) ℃和(20±1) ℃，相對(duì)濕度60%左右]。每天澆水保證其正常出芽，10 d后進(jìn)行間苗，每缽保留10株長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗，并采用Hoagland營(yíng)養(yǎng)液澆灌。幼苗生長(zhǎng)至42 d時(shí)，每隔2 d每盆澆灌300 mL含PEG-6000(水勢(shì)為-1.2 MPa)的Hoagland營(yíng)養(yǎng)液進(jìn)行脅迫處理，以僅含Hoagland營(yíng)養(yǎng)液的處理為對(duì)照，連續(xù)培養(yǎng)15 d，分別在處理后0、3、6、9、12和15 d取苜蓿幼苗根系測(cè)定根系形態(tài)特征及觀察根系解剖結(jié)構(gòu)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.3.1幼苗根系形態(tài)特征及根系干重測(cè)定 根系形態(tài)：將各處理的根系用去離子水沖洗干凈，采用臺(tái)式掃描儀(Epson Experssion 10000XL, EU-88, Seiko Epson Corp., Japan)對(duì)根系進(jìn)行掃描并將圖像存入電腦，掃描儀的分辨率為300 dpi。采用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)軟件(Regent Instruments，Inc.， Quebec， Canada)對(duì)根系的圖像進(jìn)行分析，測(cè)量根系總長(zhǎng)度、根系總表面積、根系平均直徑、根體積和根尖數(shù)等特征參數(shù)。每個(gè)處理重復(fù)6次。

采用烘干法測(cè)定根系干重。處理結(jié)束后，將各處理的苜蓿幼苗用去離子水沖洗干凈，按地上部和地下部分開(kāi)，取苜蓿幼苗根系，擦干水分，105 ℃殺青 15 min，70 ℃烘干至恒重后稱重。

1.3.2苜蓿幼苗根系解剖結(jié)構(gòu)觀察 參照李和平[25]的方法制作石蠟切片觀察苜蓿幼苗主根的解剖結(jié)構(gòu)。用蒸餾水沖洗根系樣品，濾紙吸干表面水分后切成 0.3 cm 根段，以福爾馬林-乙酸-乙醇(formalin-aceto-alcohol，F(xiàn)AA)固定液(90 mL 50%乙醇+5 mL 38%甲醛+5 mL 冰乙酸)固定。采用 LEICA (Germany)全自動(dòng)切片機(jī)制作高精度切片(厚 8 μm)，番紅/固綠雙重染色，使用生物光學(xué)顯微鏡(Zeiss Axioskop 40 Germany)觀察石蠟切片中根系解剖結(jié)構(gòu)并實(shí)行同期拍照。 采用Axio-Vision軟件測(cè)算根系解剖結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，包括維管束直徑和維管束面積、木質(zhì)部面積、韌皮部面積、木質(zhì)部導(dǎo)管直徑和數(shù)目、皮層厚度和根直徑。每個(gè)處理取6個(gè)樣本，每個(gè)樣片隨機(jī)選取 10個(gè)視野。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010和Origin 8.0軟件整理數(shù)據(jù)，SPSS 19.0 軟件進(jìn)行顯著性方差分析，Photoshop CS5軟件進(jìn)行圖片合成。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根系形態(tài)的影響

2.1.1干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根系總長(zhǎng)度和根系總表面積的影響 隨脅迫天數(shù)的延長(zhǎng)，供試苜蓿的根系總長(zhǎng)度和根系總表面積均呈不斷增加的趨勢(shì)(圖1)。整個(gè)脅迫期間，隴中苜蓿和隴東苜蓿的根系總長(zhǎng)度均顯著高于甘農(nóng)3號(hào)，且在脅迫第15天時(shí)，分別較甘農(nóng)3號(hào)高出33.07%和27.85%(P<0.05)。脅迫第15天時(shí)，隴中苜蓿、隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)的根系總長(zhǎng)度均增至最高值，分別較對(duì)照高出32.10%、8.89%和20.10%(P<0.05)。脅迫第3至15天時(shí)，供試苜蓿的根系總表面積與對(duì)照相比差異不顯著，但隴中苜蓿的根系總表面積均顯著高于甘農(nóng)3號(hào)。

2.1.2干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根系平均直徑和根體積的影響 隨脅迫天數(shù)的增加，供試苜蓿的根系平均直徑及隴中苜蓿和隴東苜蓿的根體積均呈不斷增大的趨勢(shì)(圖2)。脅迫第0至6天時(shí)，隴中苜蓿和隴東苜蓿的根體積均顯著高于甘農(nóng)3號(hào)。脅迫第9和15天時(shí)，隴中苜蓿的根系平均直徑和根體積均顯著高于對(duì)照，且在脅迫第15天時(shí)，分別較對(duì)照高出23.63%和116.00%(P<0.05)。脅迫第9至15天時(shí)，隴中苜蓿的根系平均直徑和根體積均顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)。脅迫第15天時(shí)，隴中苜蓿根系平均直徑較隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)分別高出12.58%和25.38%，根體積較兩個(gè)品種分別高出56.73%和240.52%(P<0.05)。

圖1 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根系總長(zhǎng)度和根系總表面積的影響Fig.1 Effects of drought stress on total root length and total root surface area of different drought-tolerant alfalfa varieties 數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。不同小寫(xiě)字母表示同一脅迫天數(shù)處理下不同品種間差異顯著(P<0.05)。*表示同一脅迫天數(shù)下，同一品種的對(duì)照與處理之間差異顯著。ZC: 隴中苜蓿(對(duì)照); ZT: 隴中苜蓿(處理); DC:隴東苜蓿(對(duì)照); DT: 隴東苜蓿(處理); GC: 甘農(nóng)3號(hào)(對(duì)照); GT: 甘農(nóng)3號(hào)(處理)。 下同。Values are mean±SE. Different lowercase letters indicate significant difference of different alfalfa varieties in the same stress time at 0.05 level. *indicate significant difference between the non-stress treatment and stress treatment of the same alfalfa variety at the same stress time at 0.05 level. ZC, ZT, DC, DT, GC, and GT represent non-stressed Longzhong, stressed Longzhong, non-stressed Longdong, stressed Longdong, non-stressed Gannong No.3 and stressed Gannong No.3, respectively. The same below.

圖2 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根系平均直徑和根體積的影響Fig.2 Effects of drought stress on average root diameter and root volume of different drought-tolerant alfalfa varieties

2.1.3干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根尖數(shù)和根系干重的影響 隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，隴中苜蓿的根尖數(shù)和根系干重不斷增加；甘農(nóng)3號(hào)的根系干重不斷下降；而隴東苜蓿的根尖數(shù)和根系干重與對(duì)照相比差異不顯著(圖3)。脅迫第6天時(shí)，隴中苜蓿的根尖數(shù)開(kāi)始顯著增加，而甘農(nóng)3號(hào)的根系干重開(kāi)始顯著下降(P<0.05)。脅迫第6至15天時(shí)，隴中苜蓿和隴東苜蓿的根尖數(shù)均顯著高于甘農(nóng)3號(hào)。脅迫第9至15天時(shí)，隴中苜蓿的根系干重均顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)，但后兩者的根系干重變化差異不顯著。脅迫第15天時(shí)，隴中苜蓿的根尖數(shù)較隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)高出24.51%和16.12%，根系干重較兩個(gè)品種分別高出85.94%和107.37%(P<0.05)。

2.2 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種幼苗主根解剖結(jié)構(gòu)的影響

2.2.1干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種幼苗主根維管束直徑和維管束面積的影響 隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，隴中苜蓿和隴東苜蓿的維管束直徑和維管束面積呈不斷增大的變化趨勢(shì)，而甘農(nóng)3號(hào)的維管束直徑和維管束面積在脅迫第12和15天時(shí)顯著低于對(duì)照(圖4)。脅迫第0和3天時(shí)，隴中苜蓿和隴東苜蓿的維管束直徑和維管束面積均顯著高于甘農(nóng)3號(hào)。脅迫第9至15天時(shí)，隴中苜蓿的維管束面積均顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)。脅迫第15天時(shí)，隴中苜蓿和隴東苜蓿的維管束直徑分別較對(duì)照增加了11.86%和19.88%，兩者的維管束面積分別較對(duì)照增加了25.15%和36.94%；甘農(nóng)3號(hào)的維管束直徑和維管束面積卻較對(duì)照下降了16.92%和31.11%(P<0.05)；此外，隴中苜蓿的維管束直徑較隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)分別高出16.73%和42.08%，維管束面積較隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)分別高出24.39%和75.46%(P<0.05)。

圖3 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種根尖數(shù)和根系干重的影響Fig.3 Effects of drought stress on root tip number and root dry weight of different drought-tolerant alfalfa varieties

圖4 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種主根維管束直徑和維管束面積的影響Fig.4 Effects of drought stress on vascular bundle diameter and vascular bundle area in the taproots of different drought-tolerant alfalfa varieties

2.2.2干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種幼苗主根木質(zhì)部面積和韌皮部面積的影響 隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，隴中苜蓿的木質(zhì)部面積及隴中苜蓿和隴東苜蓿的韌皮部面積呈不斷增大的趨勢(shì)，而甘農(nóng)3號(hào)的韌皮部面積自脅迫第12天時(shí)顯著減小(圖5)。脅迫第6至15天時(shí)，隴中苜蓿的木質(zhì)部面積均顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)；且在脅迫第15天時(shí)，較隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)分別高出64.23%和57.68%(P<0.05)。整個(gè)脅迫期間，除脅迫第6天外，隴中苜蓿的韌皮部面積均顯著高于甘農(nóng)3號(hào)。脅迫第15天時(shí)，隴中苜蓿和隴東苜蓿的韌皮部面積分別較對(duì)照增加了34.24%和67.16%，而甘農(nóng)3號(hào)的韌皮部面積較對(duì)照下降了38.71%(P<0.05)。隴中苜蓿和隴東苜蓿的韌皮部面積較甘農(nóng)3號(hào)分別高出87.84%和72.40%(P<0.05)，而隴中苜蓿和隴東苜蓿的韌皮部面積差異不顯著。

2.2.3干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種主根木質(zhì)部導(dǎo)管直徑和數(shù)目的影響 隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，供試苜蓿的原生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑和次生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑均呈先增大后減小的變化趨勢(shì)(圖6A,C)。脅迫第9至15天時(shí)，甘農(nóng)3號(hào)的次生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑均顯著低于對(duì)照。脅迫第9至12天時(shí)，隴中苜蓿的次生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑均顯著高于隴東苜蓿(P<0.05)。脅迫第15天時(shí)，隴中苜蓿和隴東苜蓿的原生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑較甘農(nóng)3號(hào)分別高出15.50%和15.61%，次生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑分別較甘農(nóng)3號(hào)分別高出24.07%和20.83%(P<0.05)。

圖5 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種主根木質(zhì)部面積和韌皮部面積的影響Fig.5 Effects of drought stress on xylem area and phloem area in the taproots of different drought-tolerant alfalfa varieties

圖6 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種主根木質(zhì)部導(dǎo)管直徑和數(shù)目的影響Fig.6 Effects of drought stress on the xylem vessels diameter and number in the taproots of different drought-tolerant alfalfa varieties

供試苜蓿的原生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目變化因品種不同而異，次生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈不斷增多的變化趨勢(shì)(圖6B,D)。整個(gè)脅迫期間，隴中苜蓿和隴東苜蓿的原生木質(zhì)部數(shù)目與對(duì)照相比差異不顯著。脅迫第3至12天時(shí)，隴東苜蓿的次生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目均顯著高于對(duì)照；隴中苜蓿的次生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目?jī)H在脅迫第12和15天時(shí)顯著高于對(duì)照。 脅迫第6至15天時(shí)，隴中苜蓿的次生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目均顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)；且在脅迫第15天時(shí)，分別較隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)高出40.24%和33.72%(P<0.05)。

2.2.4干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種主根皮層厚度和皮層厚度占根系直徑比例的影響 隨脅迫天數(shù)的增加，供試苜蓿的皮層厚度及隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)的皮層厚度占根系直徑比例呈不斷增大的趨勢(shì)(圖7)。隴中苜蓿、隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)的皮層厚度分別在脅迫第6、9和12天時(shí)開(kāi)始顯著增加；且在脅迫第15天時(shí)增至最高值，分別較對(duì)照高出22.61%、38.49%和35.05%(P<0.05)。脅迫第3至9天時(shí)，隴中苜蓿的皮層厚度均顯著高于甘農(nóng)3號(hào)，而隴東苜蓿的皮層厚度僅在脅迫第3天時(shí)顯著高于甘農(nóng)3號(hào)。脅迫第12和15天時(shí)，以甘農(nóng)3號(hào)的皮層厚度占根系直徑比例最大，分別較隴中苜蓿和隴東苜蓿高出40.33%、33.37%和60.02%、36.46%(P<0.05)。

圖7 干旱脅迫對(duì)不同抗旱性苜蓿品種主根皮層厚度和皮層占根系直徑比例的影響Fig.7 Effects of drought stress on cortex thickness and the proportion of cortex thickness to root diameter in the taproots of different drought-tolerant alfalfa varieties

2.2.5干旱脅迫下不同抗旱性苜蓿品種幼苗主根解剖結(jié)構(gòu)的變化 由以下根系主根組織解剖圖可知(圖8)，干旱脅迫明顯促進(jìn)了供試苜蓿根系輸導(dǎo)組織的發(fā)育。在同一顯微倍數(shù)下，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，和對(duì)照相比，隴中苜蓿和隴東苜蓿的維管束面積增大，而甘農(nóng)3號(hào)的維管束面積則減??；供試苜蓿的木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目增多，排布較為密集，且在脅迫第12和15天時(shí)，隴中苜蓿根系內(nèi)的導(dǎo)管較其他兩個(gè)品種排布得更為密集。

圖8 干旱脅迫下不同抗旱性苜蓿品種幼苗主根解剖結(jié)構(gòu)的變化 Fig.8 Changes in anatomical structures of taproot in different drought-tolerant alfalfa varieties under drought stress 標(biāo)尺Scale bars=100 μm.

3 討論

3.1 不同抗旱性苜蓿品種幼苗根系形態(tài)響應(yīng)干旱脅迫的策略

植物的根系是直接吸收和利用土壤中水分與養(yǎng)分的器官，地下根系的生長(zhǎng)狀況很大程度上決定了地上部分的生長(zhǎng)。根系結(jié)構(gòu)能夠直接反映植物根系的生長(zhǎng)狀況，所以研究干旱脅迫下植物的根系結(jié)構(gòu)的變化對(duì)明確其生長(zhǎng)發(fā)育具有重要意義[20]。前人研究表明[18-19,21,26]，抗旱性強(qiáng)的紫花苜蓿品種主要通過(guò)根長(zhǎng)的增長(zhǎng)、根體積的增加及根系直徑變細(xì)來(lái)響應(yīng)干旱。本研究中，供試苜蓿的根系總長(zhǎng)度均隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增加，說(shuō)明干旱脅迫會(huì)顯著影響苜蓿根系的發(fā)育及形態(tài)，同時(shí)改變苜蓿根系生長(zhǎng)的進(jìn)程。隴中苜蓿還可通過(guò)顯著增加根體積，增大根系與周圍環(huán)境的接觸機(jī)會(huì)，以保證吸收更多的水分與養(yǎng)分。張規(guī)富等[27]對(duì)油茶(Camelliaoleifera)幼苗根系形態(tài)的研究中也得出過(guò)相似的結(jié)果。此外，不同抗旱性苜蓿品種響應(yīng)干旱脅迫時(shí)存在著形態(tài)學(xué)差異[28]。本研究中，脅迫第9至15天時(shí)，隴中苜蓿的根系平均直徑、根體積和根系干重均顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)。脅迫第15天時(shí)，隴中苜蓿的根系平均直徑、根體積和根尖數(shù)均顯著高于對(duì)照，但隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)的以上指標(biāo)與對(duì)照相比差異不顯著。說(shuō)明重度脅迫時(shí)，強(qiáng)抗旱隴中苜蓿能及時(shí)通過(guò)改變根系形態(tài)特征，獲取更多的水分，減少水分不足對(duì)其生長(zhǎng)的影響[29]。相比之下，隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)通過(guò)改變其根系形態(tài)特征適應(yīng)重度脅迫的能力較弱。干旱脅迫下，隴中苜蓿的根系干重顯著增加，甘農(nóng)3號(hào)的根系干重顯著降低；而隴東苜蓿的根系干重未發(fā)生顯著變化。說(shuō)明不同抗旱性苜蓿品種體內(nèi)光合作用產(chǎn)物向根系分配的策略不同，而隴中苜蓿體內(nèi)光合作用產(chǎn)物向根系分配能力可能強(qiáng)于甘農(nóng)3號(hào)[30]。

3.2 不同抗旱性苜蓿品種幼苗根系解剖結(jié)構(gòu)響應(yīng)干旱脅迫的策略

根系吸水主要是水分經(jīng)過(guò)根表皮、皮層、內(nèi)皮層到達(dá)中柱木質(zhì)部導(dǎo)管，并沿導(dǎo)管向上運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程，因而水分在根內(nèi)的吸收和運(yùn)輸與根系的解剖結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。根系解剖結(jié)構(gòu)對(duì)干旱脅迫的適應(yīng)性特征也是重要的根系抗旱表型指標(biāo)[31]。根系皮層組織的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)會(huì)影響根系總的新陳代謝消耗，內(nèi)外皮層細(xì)胞壁的木栓化程度影響徑向水分流動(dòng)，木質(zhì)部導(dǎo)管的數(shù)量和直徑影響軸向水分運(yùn)輸[8,32]。正常供水及脅迫條件下，植物根系皮層厚度占根系直徑比例與其抗旱性成負(fù)相關(guān)[11,33-34]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，供試苜蓿的皮層厚度均不斷增大，脅迫第3至9天時(shí)，隴中苜蓿的皮層厚度顯著高于甘農(nóng)3號(hào)；脅迫第12至15天時(shí)，供試苜蓿品種間皮層厚度變化差異不顯著，而甘農(nóng)3號(hào)的皮層厚度占根系直徑比例顯著高于隴中苜蓿和隴東苜蓿。說(shuō)明干旱脅迫下，甘農(nóng)3號(hào)根系皮層厚度增加的幅度可能要高于根直徑的增加幅度，但皮層厚度的增加會(huì)增大根系運(yùn)輸水分的阻力，從而使其在根系吸水能力和根水流導(dǎo)度方面表現(xiàn)出劣勢(shì)。前人對(duì)干旱脅迫下玉米根系解剖結(jié)構(gòu)的研究中也得出過(guò)相似的結(jié)論[33-34]。

維管柱主要由中柱鞘、木質(zhì)部和韌皮部組成，用于輸導(dǎo)水分、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，并有一定支持功能。木質(zhì)部中最重要的輸水組織是導(dǎo)管，主要起輸導(dǎo)水分及支持作用[7]。王周鋒等[33]和劉勝群等[9]研究表明，相比不耐旱玉米品種，耐旱玉米初生胚根的木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)量較多且導(dǎo)管直徑較小。本研究發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下，苜蓿根系維管柱的解剖結(jié)構(gòu)變化因苜蓿品種及脅迫時(shí)間不同而異。隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，隴中苜蓿和隴東苜蓿的維管束直徑、維管束面積和韌皮部面積均不斷增大；而甘農(nóng)3號(hào)的維管束直徑和維管束面積均在脅迫第12至15天時(shí)顯著下降。脅迫第9至15天時(shí)，隴中苜蓿的維管束面積和木質(zhì)部面積均顯著高于隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)。說(shuō)明強(qiáng)抗旱苜蓿品種的輸導(dǎo)組織較弱抗旱性苜蓿品種發(fā)達(dá)。隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)，隴中苜蓿通過(guò)增大其根系輸導(dǎo)組織內(nèi)部的維管束面積、木質(zhì)部面積和韌皮部面積，提高運(yùn)輸水分的能力，表現(xiàn)出明顯的抗旱優(yōu)勢(shì)；而重度干旱脅迫可能會(huì)限制隴東苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)維管束輸導(dǎo)水分的能力。

前人研究表明，根系導(dǎo)管直徑變小是甘草(Glycyrrhizauralensis)和紫穗槐幼苗響應(yīng)干旱脅迫的適應(yīng)性特征[13,35]，而趙祥等[12]則認(rèn)為，導(dǎo)管直徑越大，越有利于植物體內(nèi)水分運(yùn)輸。本研究發(fā)現(xiàn)，脅迫第0至12天時(shí)，供試苜蓿的次生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目隨脅迫時(shí)間的延長(zhǎng)呈不斷增多的變化趨勢(shì)；脅迫第15天時(shí)，隴中苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)的次生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑均顯著低于對(duì)照。說(shuō)明干旱脅迫下，根系導(dǎo)管數(shù)目增多是苜蓿響應(yīng)干旱脅迫的共性反應(yīng)；根系導(dǎo)管直徑變小可能是隴中苜蓿和甘農(nóng)3號(hào)適應(yīng)重度干旱脅迫，增強(qiáng)抗性所做出的主動(dòng)響應(yīng)[36]。相比之下，隴東苜蓿在響應(yīng)干旱脅迫時(shí)根系導(dǎo)管直徑變化不敏感。以上結(jié)果說(shuō)明不同植物根系木質(zhì)部導(dǎo)管組織響應(yīng)干旱脅迫時(shí)的變化策略不同，這些變化最終會(huì)影響到其對(duì)水分的輸導(dǎo)能力及抗水分脅迫能力[7-8,11]。此外，脅迫第3天時(shí)，甘農(nóng)3號(hào)的次生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑顯著高于隴中苜蓿和隴東苜蓿，而在脅迫第15天時(shí)，甘農(nóng)3號(hào)的原生和次生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑卻顯著低于隴中苜蓿和隴東苜蓿。說(shuō)明次生木質(zhì)部導(dǎo)管直徑在供試苜蓿的軸向水分運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用，這可能是區(qū)分不同苜蓿品種抗旱能力的關(guān)鍵指標(biāo)[8,37]。相比甘農(nóng)3號(hào)，隴中苜蓿和隴東苜蓿在嚴(yán)重水分虧缺情況下均能通過(guò)較大的導(dǎo)管直徑增加根系的水流導(dǎo)度，將更多的水分及時(shí)運(yùn)輸?shù)降厣喜糠?，以維持植株的正常生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

苜蓿根系形態(tài)和解剖結(jié)構(gòu)的變化因品種及干旱脅迫時(shí)間不同而異。供試苜蓿均可通過(guò)增加根系總長(zhǎng)度及次生木質(zhì)部導(dǎo)管數(shù)目響應(yīng)干旱脅迫。此外，強(qiáng)抗旱隴中苜蓿通過(guò)改善根系形態(tài)特征(根尖數(shù)、根體積和根系平均直徑)和內(nèi)部輸導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)(維管束直徑、維管束面積、木質(zhì)部面積和韌皮部面積)來(lái)適應(yīng)干旱。隴東苜蓿主要通過(guò)增加維管束直徑、維管束面積和韌皮部面積來(lái)適應(yīng)干旱。干旱脅迫下，甘農(nóng)3號(hào)的根系干重、維管束直徑和維管束面積顯著降低，而皮層占根系直徑比例顯著增加，內(nèi)部輸導(dǎo)組織結(jié)構(gòu)的變化降低了其輸導(dǎo)水分的能力。