干旱脅迫下不同來源多根蔥根系及葉片光合特性的比較

包秀霞，廉 勇，慕宗杰，張 歡

(1.呼和浩特民族學(xué)院 化學(xué)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031)

干旱脅迫使植物含水量降低、光合作用受限制等一系列形態(tài)及生理生態(tài)反應(yīng)，直接誘發(fā)植物多種損傷[1]，對植物的生長發(fā)育有負(fù)面的影響。根是植物重要的器官之一，為植物地上部分提供營養(yǎng)物質(zhì)，逆境條件有時(shí)能增強(qiáng)抗旱植物根系生長及葉片生理生化性能[2]。Xu等[3]和Praba等[4]研究表明，干旱脅迫提高了水稻幼苗生理指標(biāo)含量、生物量和根冠比。Chiappero等[5]和Moualeu-Ngangue等[6]研究表明，干旱脅迫影響了植物生長量和抗氧化性能。Cuellar-Ortiz等[7]對干旱脅迫下豆科植物菜豆特性研究表明，干旱一定程度上制約了菜豆生物量和光合作用。張希吏[8]對干旱脅迫下十字花科植物沙芥幼苗葉片和根系水分生理特性研究表明，隨著干旱脅迫程度的加重，對沙芥根長、根體積、根表面積不斷下降，凈光合速率和蒸騰速率在不斷減小，胞間CO2濃度隨著脅迫程度加劇，表現(xiàn)出先下降后上升的趨勢。光合作用是綠色植物最基本、最復(fù)雜的生理過程[9]。Gajanayake等[10]和Lewthwaite等[11]研究表明，干旱加重一定程度會影響植物冠層發(fā)育，限制植物光合作用并最終影響根系生長、根系體積和產(chǎn)量。

多根蔥(Alliumpolyrhizum)大量分布在荒漠化草原地帶，是百合科蔥屬多年生草本植物，也是典型的旱生植物，鱗莖外圍包著一層很厚的枯死鱗莖皮，于地表處形成保護(hù)層，防旱和防熱，減少鱗莖根系曝曬和蒸發(fā)水分。遇干旱年份，即使是生長季節(jié)仍保持休眠狀態(tài)，其萌發(fā)期可推遲，以避過干旱。包秀霞等[12]研究四子王旗、赤峰、鄂爾多斯樣地多根蔥生理生化特性，采用隸屬函數(shù)法對3個(gè)樣地進(jìn)行了抗旱性能評價(jià)，結(jié)果表明，四子王旗樣地多根蔥抗旱性最強(qiáng)，為多根蔥葉片光合作用和根系生長特性的研究奠定了基礎(chǔ)。

葉片是植物光合作用的主要器官，根系是吸收水分的主要器官之一。植物的不同器官對干旱脅迫的響應(yīng)可能存在不同的機(jī)理，以往的研究局限于一種或幾種植物與干旱脅迫間的研究。多根蔥是強(qiáng)旱生、耐鹽堿能力較強(qiáng)的荒漠草原優(yōu)勢種植物[13]，對不同來源干旱脅迫下多根蔥的根系和葉片光合特性的研究尚未見報(bào)道。本研究以內(nèi)蒙古四子王旗、赤峰和鄂爾多斯樣地多根蔥為研究材料，分析了干旱逆境對多根蔥根系生長特征、葉片水分、電導(dǎo)率、葉綠素以及光合特性的影響，從而比較3個(gè)樣地草原多根蔥的抗旱性能，為進(jìn)一步開展干旱脅迫下植物代謝產(chǎn)物的積累以及對干旱脅迫響應(yīng)的分子機(jī)制研究提供參考依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

在2017年4月30日和2018年4月30日分別從內(nèi)蒙古四子王旗草原、赤峰市巴林右旗和鄂爾多斯城川鎮(zhèn)草原采集多根蔥，將其種植內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院日光溫室，基質(zhì)組成比例調(diào)成壤土∶草炭∶沙土=5∶3∶2，其中基質(zhì)量為10 kg/盆，正常生長至7月30日時(shí)進(jìn)行脅迫處理，處理30 d后，對多根蔥根系生長特性、生理特征及光合特性進(jìn)行測定[14]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年7月30日和2018年7月30日試驗(yàn)分別設(shè)置2個(gè)梯度，以最大田間持水量的75%為對照(CK)，25%土壤相對含水量干旱脅迫30 d為處理，重復(fù)3次；對各個(gè)盆栽進(jìn)行充分澆灌，當(dāng)各組盆栽中土壤相對含水量達(dá)飽和后，不再繼續(xù)澆水。將盆栽妥善管護(hù)，使各盆栽土壤水分自然蒸發(fā)，采用稱質(zhì)量法判定其是否達(dá)到試驗(yàn)相對含水量的預(yù)設(shè)值。土壤相對含水量達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，進(jìn)行干旱脅迫處理。干旱脅迫處理下土壤含水量，采用每日稱質(zhì)量法與土壤含水量測定儀相結(jié)合的方法控制其土壤水分含量。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

根系生長發(fā)育特征：用Epson Perfv700掃描儀掃描植物根系，分辨率設(shè)置為400 dpi。為避免根分枝互不纏繞，掃描時(shí)將根系放入透明托盤中，再注水3～5 mm。掃描圖像將JPG文件的格式保存，采用WinRHIZO Pro2009a軟件，分析根長、根系表面積、根系體積和直徑為0～0.5 mm的根長。

葉片測定指標(biāo)：葉片含水量，采用烘干法測定相對含水量(RWC)：RWC =(鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)/(飽和鮮質(zhì)量-干質(zhì)量)×100%[14]。細(xì)胞質(zhì)膜相對透性測定：采用電導(dǎo)率儀法測定，并計(jì)算細(xì)胞質(zhì)膜相對透性[15]。葉綠素含量：采用丙酮浸提比色法測定[15]。生物量和根冠比的測定：每個(gè)處理取5株幼苗，分別取地上部和根系部分，110 ℃殺青10 min后，80 ℃烘干，稱生物量(地上質(zhì)量和地下質(zhì)量)[16]。光合特性的測定：用Li-6400(美國)測定植物葉片凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和胞間CO2濃度(Ci)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010軟件對2 a的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與統(tǒng)計(jì)，采用SPSS 17.0 的Duncan數(shù)據(jù)分析法進(jìn)行對數(shù)據(jù)差異顯著性分析(α=0.05)，用Sigmaplot 13.0繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對多根蔥根系生長的影響

由表1可知，四子王旗樣地多根蔥根長、根系表面積干旱脅迫30 d處理較對照分別增加150.80 cm，130.49 cm2，差異顯著(P<0.05)，直徑為0～0.5 mm的根長較對照降低109.72 mm，與對照差異顯著(P<0.05)；根系體積干旱脅迫30 d處理較對照增加0.78 cm3，差異不顯著(P>0.05)。赤峰樣地直徑為0～0.5 mm的多根蔥根長干旱脅迫30 d處理比對照增加73.13 mm，差異顯著(P<0.05)，而根長、根系表面積比對照分別增加50.64 cm，1.88 cm2，根系體積比對照降低0.12 cm3，與對照相比差異不顯著(P>0.05)；鄂爾多斯樣地根長、直徑為0～0.5 mm的根長比對照分別降低了159.44 cm，176.66 mm，與對照相比差異顯著(P<0.05)，根系表面積、根系體積較對照分別降低4.89 cm2，0.04 cm3，與對照相比差異不顯著(P>0.05)。

干旱脅迫30 d處理時(shí)，四子王旗多根蔥根長、根系表面積和直徑為0～0.5 mm的根長分別高于赤峰樣地104.1 cm，171.04 cm2，436.67 mm；高于鄂爾多斯樣地78.68 cm，79.11 cm2，239.02 mm，以上指標(biāo)在四子王旗樣地與赤峰、鄂爾多斯樣地存在顯著差異(P<0.05)。表明四子王旗多根蔥根系生長受干旱脅迫的影響相對較小。

2.2 干旱脅迫下葉片含水量和細(xì)胞質(zhì)膜相對透性的變化

由圖1可知，干旱脅迫30 d處理四子王旗、赤峰、鄂爾多斯樣地多根蔥葉片相對含水量均低于對照，分別下降了44.57，52.31，36.04百分點(diǎn)，而電導(dǎo)率均高于對照，分別增加了48.63，94.61，40.79百分點(diǎn)；葉片相對含水量和電導(dǎo)率與對照相比差異顯著(P<0.05)。四子王旗、赤峰、鄂爾多斯樣地對照電導(dǎo)率分別為47.79%，37.50%，57.00%，多根蔥電導(dǎo)率差異顯著(P<0.05)，而葉片相對含水量差異不顯著(P>0.05)。干旱脅迫30 d處理時(shí)，四子王旗、赤峰、鄂爾多斯樣地多根蔥葉片相對含水量分別50.29%，43.84%，59.48%，電導(dǎo)率分別71.03%，72.98%，80.35%，四子王旗、赤峰樣地與鄂爾多斯樣地差異顯著(P<0.05)，而四子王旗與赤峰樣地差異不顯著(P>0.05)。

不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。圖2同。 Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level(P<0.05).The same as Fig.2.

2.3 干旱脅迫對多根蔥葉片葉綠素含量的影響

由圖2可知，與對照相比，四子王旗、赤峰和鄂爾多斯樣地多根蔥葉綠素含量均降低，降幅分別為0.20%，0.26%，0.21%，差異顯著 (P<0.05)，四子王旗多根蔥葉綠素含量降幅為最小。3個(gè)樣地多根蔥葉綠素含量大小順序?yàn)樗淖油跗?鄂爾多斯>赤峰，且差異顯著 (P<0.05)，說明四子王旗多根蔥抗旱能力高于其他2個(gè)樣地。

圖2 多根蔥葉綠素含量在處理與對照間的變化Fig.2 Chlorophyll content between treatment and contrast of Allium polyrhizum

2.4 干旱脅迫對多根蔥生長特征的影響

由表2可知，干旱脅迫30 d處理時(shí)，與對照相比，四子王旗、赤峰和鄂爾多斯樣地多根蔥地上生物量、地下生物量、總生物量和根冠比均降低；除根冠比外地上生物量、地下生物量、總生物量赤峰、鄂爾多斯樣地差異顯著(P<0.05)，四子王旗樣地差異不顯著(P>0.05)。3個(gè)樣地地上生物量、地下生物量和總生物量大小順序分別為四子王旗>鄂爾多斯>赤峰樣地，地上生物量和總生物量在3個(gè)樣地間差異顯著(P<0.05)，地下生物量和根冠比在四子王旗樣地與赤峰、鄂爾多斯樣地差異顯著(P<0.05)。說明四子王旗樣地多根蔥生物量保持相對較高的水平，受干旱脅迫的影響較小。

表2 多根蔥生物量及根冠比在處理與對照間的比較Tab.2 Comparison of biomass and root-shoot ratio of Allium polyrhizum between the treatment and contrast

2.5 干旱脅迫對多根蔥葉片光合特性的影響

由圖3可知，與對照相比，干旱脅迫30 d處理時(shí)四子王旗、赤峰、鄂爾多斯3個(gè)樣地內(nèi)多根蔥葉片凈光合速率分別降低91.3%，94.3%，96.6%；蒸騰速率分別降低75.6%，92.3%，92.8%；胞間CO2濃度分別降低32.2%，30.8%，13.9%；氣孔導(dǎo)度分別降低91.9%，89.6%，94.5%，差異顯著(P<0.05)。

樣地內(nèi)不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05);樣地間不同大寫字母表示差異顯著(P<0.05)。 Different lowercase letters in the plots indicate significant difference at 0.05 level; Different capital letters between the plots indicate significant difference at 0.05 level.

在對照條件下，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度鄂爾多斯>四子王旗>赤峰樣地，且3個(gè)樣地間差異顯著(P<0.05)，凈光合速率在四子王旗與赤峰、鄂爾多斯樣地間差異顯著(P<0.05)，胞間CO2濃度在四子王旗、鄂爾多斯與赤峰樣地間差異顯著(P<0.05)。干旱脅迫30 d處理，凈光合速率和胞間CO2濃度在3個(gè)樣地間差異顯著(P<0.05)，蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度在四子王旗與赤峰、鄂爾多斯樣地間差異顯著(P<0.05)。綜上表明，四子王旗樣地多根蔥凈光合速率、蒸騰速率降幅均小于其他2個(gè)樣地，胞間CO2濃度和氣孔導(dǎo)度降幅大于赤峰樣地，小于鄂爾多斯樣地。表明四子王旗樣地多根蔥植物光合作用性能大于其他2個(gè)樣地。

3 討論與結(jié)論

根系是植物與土壤環(huán)境中各種脅迫因子之間的主要器官，植物根系結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化的響應(yīng)是植物適應(yīng)于環(huán)境的重要策略[16]。植物根系屬性特征和葉片光合特性與耐旱性有著密切的關(guān)系，植物吸收水分的主要器官是根系，通過根系把水分輸送到葉片中，植物葉片可通過調(diào)節(jié)氣孔開閉度來減少水分的喪失[17-18]。根系的形態(tài)特征還能適應(yīng)干旱脅迫環(huán)境，干旱脅迫環(huán)境下根系特征發(fā)生一定的變化[19]。本研究表明，四子王旗多根蔥在干旱脅迫下保持相對較高的根長、根系表面積和根系體積，表現(xiàn)出對干旱脅迫的長期適應(yīng)性，根系體積和生物量在處理與對照間差異不顯著(P>0.05)。說明四子王旗樣地多根蔥根系生長受干旱脅迫的影響相對較小。

植物根、冠結(jié)構(gòu)與功能處于平衡狀態(tài)時(shí)，二者生長比例協(xié)調(diào)，資源利用效率較高[20]。本研究結(jié)果表明，干旱脅迫不同程度地抑制了多根蔥生物量，赤峰、鄂爾多斯樣地多根蔥地上生物量、地下生物量和總生物量并顯著低于對照(P<0.05)，但對四子王旗樣地多根蔥無顯著影響(P>0.05)。說明，赤峰和鄂爾多斯樣地多根蔥地上和地下生長受到顯著抑制，而四子王旗樣地多根蔥受抑制不顯著。四子王旗樣地多根蔥可以維持較高的生物量，從而減輕干旱的危害。

光合特征是植物生長的重要基礎(chǔ)，與植物生長特征及抗旱能力的強(qiáng)弱有關(guān)[21]。在干旱脅迫條件下，由于植物細(xì)胞膨大，從而減少植物光合作用，降低葉綠素的合成，損失能量的供應(yīng)[22-23]。研究證明，干旱脅迫下氣孔導(dǎo)度與光合特征的相關(guān)性顯著，氣孔導(dǎo)度對葉片光合速率的降低起主導(dǎo)作用[24-25]。干旱脅迫會導(dǎo)致植物葉片氣孔關(guān)閉，光合作用受抑制[1]和蒸騰速率下降[26]。研究結(jié)果表明，隨著干旱脅迫的處理，3個(gè)樣地多根蔥均表現(xiàn)出葉片含水量降低，這與Wang等[27]、Reddy等[28]研究結(jié)果相一致，進(jìn)一步證明了植物在遭受干旱脅迫后，其光合速率下降，細(xì)胞膜相對透性上升[12]；凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度下降，氣孔阻力升高，這與Khalvandi等[29]、王飛等[14]、張仁和等[30]干旱脅迫研究結(jié)果相一致。植物葉片胞間CO2濃度和氣孔阻力是如何辨別光合速率下降引起的氣孔或非氣孔因素的主要依據(jù)[3]。干旱脅迫程度的加大，葉片光合速率和氣孔導(dǎo)度下降趨勢基本一致，輕度水分脅迫時(shí)，CO2利用效率極低，則以非氣孔限制。四子王旗荒漠草原地區(qū)春溫驟升、秋溫劇降、無霜期短，植物光能利用率的潛力高于赤峰和鄂爾多斯，植物已存在適應(yīng)于荒漠草原的抗性生理生化特性[31]，本研究中，四子王旗多根蔥葉片的凈光合速率和蒸騰速率下降幅度小于赤峰和鄂爾多斯樣地，表明氣孔限制和非氣孔限制對四子王旗樣地多根蔥的影響程度較小，則耐旱能力更強(qiáng)。

本研究中干旱脅迫提高了四子王旗多根蔥根長、根系表面積和根系體積，干旱脅迫顯著降低了赤峰和鄂爾多斯樣地多根蔥地上生物量、地下生物量和總生物量，對四子王旗樣地?zé)o顯著影響。干旱脅迫雖降低了多根蔥葉片的蒸騰拉力，但四子王旗樣地多根蔥葉片凈光合速率降幅為最小，地下生物量降低不顯著，其補(bǔ)償根系吸收面積的下降和葉片蒸騰拉力的降低，保證多根蔥的正常生長，緩解干旱對其生長的抑制。不同來源多根蔥根系特征、相對含水量、生物量、葉綠素和光合特性在同一個(gè)處理下存在一定的差異。關(guān)于四子王旗樣地多根蔥耐旱性高于赤峰和鄂爾多斯樣地的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。