根系通氣組織發(fā)育程度對水稻苗期生長及氮素吸收的影響①

石承智，王 瑞，施衛(wèi)明，李奕林*

根系通氣組織發(fā)育程度對水稻苗期生長及氮素吸收的影響①

石承智1,2，王 瑞1,2，施衛(wèi)明1，李奕林1*

(1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室(中國科學(xué)院南京土壤研究所)，南京 210008；2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

水稻苗期由于根系通氣組織發(fā)育不完善導(dǎo)致根際缺氧是限制水稻生長的因素之一。本研究在水培條件下通過施用不同種類通氣組織刺激劑(硝普鈉、亞硒酸鈉、硫氫化鈉)研究其對水稻苗期生長、氮素積累、根系內(nèi)部通氣組織發(fā)育(孔隙度)及外部形態(tài)、根際氧含量的影響。結(jié)果表明，不同通氣組織刺激劑均能通過刺激通氣組織發(fā)育改善根際氧環(huán)境從而促進苗期水稻生長。其中施用0.01 mmol/L亞硒酸鈉處理效果最佳，植株干物質(zhì)量、氮積累量、根孔隙度及根際氧含量分別較不添加刺激劑的對照處理顯著增加36.7%、16.1%、57.3% 和39.9%。無論是生物量還是氮積累均與水稻苗期通氣組織發(fā)育程度存在一個明顯的突變閾值(42%)，當孔隙度小于該閾值時，孔隙度每增加1% 時，單株水稻生物量和氮積累量分別顯著增加8.8 mg和0.2 mg；而當孔隙度超過閾值時，二者則迅速降低。因此，苗期添加適宜濃度的通氣組織刺激劑可以通過提高根系泌氧來緩解苗期水稻根際環(huán)境中溶解氧不足對水稻發(fā)育的抑制，同時也為提高水稻氮素吸收提供新的思路。

水稻；通氣組織；根系泌氧；氮素吸收；根際環(huán)境

稻田土壤由于長期處于淹水狀態(tài)，導(dǎo)致土壤溶解氧含量極低，因此大量好氧過程被強烈抑制，同時缺氧致使土壤當中氧化還原電位降低，導(dǎo)致大量還原性物質(zhì)濃度上升，進而毒害水稻根系[1]。淹水缺氧是稻田障礙因子之一，為了應(yīng)對缺氧造成的不利影響，水稻根系形成通氣組織向根外分泌釋放氧氣，在根際形成氧化圈來緩解水稻缺氧脅迫從而維持水稻正常生長。本課題組以往的研究發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)水稻品種通氣組織發(fā)育比低產(chǎn)品種更加完善，表現(xiàn)為高產(chǎn)品種根孔隙度(表征通氣組織發(fā)育程度)顯著高于低產(chǎn)品種，能夠為根系提供更充足的氧氣供應(yīng)，進而促進根系生長。高產(chǎn)品種由于根系發(fā)達，通氣組織發(fā)育更加完善，徑向泌氧量更大，根際土壤氧氣含量也相應(yīng)較高[2]。通過進一步的研究發(fā)現(xiàn)，根際好氧環(huán)境能夠有效地促進水稻根表和根際土壤硝化作用，使得根際硝態(tài)氮含量較高，從而水稻根吸收硝態(tài)氮的量也高。由于水稻對硝態(tài)氮吸收量的差異最終可能導(dǎo)致水稻生長及氮素利用率的差異[3]?；谝陨涎芯浚拘纬赏饨M織一方面可以形成根際氧化圈緩解淹水造成的氧脅迫，另一方面也可以影響微生物介導(dǎo)的根際養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化過程，如從銨態(tài)氮到硝態(tài)氮的轉(zhuǎn)化。因此，水稻根系泌氧及根際硝化作用與水稻生長和氮素營養(yǎng)應(yīng)該是密切相關(guān)的?？祖サ萚4]的研究表明，乙烯利可有效刺激水稻幼苗通氣組織發(fā)育，且隨濃度的升高其促進效果更加顯著。Yamauchi等[5]在對小麥幼苗抵御低氧脅迫的研究中發(fā)現(xiàn)，乙烯和活性氧參與了小麥幼苗通氣組織的發(fā)育，同時提高了其對缺氧條件的適應(yīng)能力。有研究發(fā)現(xiàn)水稻接種內(nèi)生真菌楓香擬莖點霉()后，通過促進通氣組織信號物質(zhì)乙烯的生物合成，刺激水稻根系通氣組織形成及根系發(fā)育，提高了水稻在淹水條件下的產(chǎn)量[6]。這些研究結(jié)果表明，可以通過人為調(diào)控水稻根系通氣組織發(fā)育從而改善根際氧環(huán)境并最終促進水稻生長及提高氮素吸收，但根系通氣組織發(fā)育程度與水稻苗期生長及氮素吸收之間的定量關(guān)系尚未見報道。

目前對于定量化刺激劑對促進水稻根系通氣組織發(fā)育程度的相關(guān)研究相對較少，因此本研究對于刺激劑的篩選原則主要為：①目前已報道的能夠促進水稻根系通氣組織發(fā)育或提高泌氧能力的刺激劑；②可有效提高水稻根際環(huán)境中氧化還原電位的刺激劑。參照上述通氣組織發(fā)育刺激劑篩選原則，同時考慮刺激劑的易獲取性等因素，本研究選擇硝普鈉、亞硒酸鈉和硫氫化鈉為試驗使用的通氣組織刺激劑。硝普鈉為NO供體，通過增加水稻的抗氧化物含量或抗氧化物酶活性來增強水稻抗氧化能力，同時能夠關(guān)閉植物氣孔來降低蒸騰作用[7]；亞硒酸鈉為硒供體，可以顯著提高水稻根際氧含量，促進根表鐵膜的生成[8]；而硫氫化鈉作為硫供體，其添加量與水稻根系通氣組織的發(fā)育程度呈正相關(guān)[9]。本研究擬通過外源添加不同種類及不同濃度刺激劑調(diào)控通氣組織發(fā)育，從而定量化闡明根系通氣組織發(fā)育程度對水稻生長及氮素吸收的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻(L.)武育粳3號為常規(guī)粳稻品種，購于江蘇省常州市武進區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于中國科學(xué)院南京土壤研究所光照培養(yǎng)室中進行，晝夜溫度為28 ℃/25 ℃，濕度為65%，每日光照14 h。試驗采用水培方式，每3 d更換一次營養(yǎng)液。營養(yǎng)液選用Kimura B，主要成分(mmol/L)為：0.5 (NH4)2SO4，0.18 KH2PO4，0.54 MgSO4·7H2O，0.18 KCl，0.25 Ca(NO3)2·4H2O，0.11 CaCl2·2H2O，4×10–4CuSO4·5H2O，1×10–3MnCl2·4H2O，8×10–3ZnSO4·7H2O，6×10–3H3BO3，2×10–3(NH4)6Mo7O24·4H2O，0.08 Na2EDTA- Fe。營養(yǎng)液pH為5.8，同時添加0.1 g/L MES作為pH緩沖液。試驗用塑料盆內(nèi)徑11 cm，高11 cm，每盆裝營養(yǎng)液1 kg，種植水稻4株。稻種用10% H2O2消毒30 min，蒸餾水沖洗后浸泡24 h。在裝有0.5 mmol/L CaCl2溶液的周轉(zhuǎn)箱上固定漂浮的網(wǎng)篩，并將種子平鋪于其上，置于黑暗條件下催芽。催芽3 d后將萌發(fā)的種子置于1/2濃度的Kimura B營養(yǎng)液中于弱光下(熒光燈，100 μmol/(m2·s))培養(yǎng)一周。培養(yǎng)至第2周后，開始使用全量濃度的Kimura B營養(yǎng)液。為避免通氣對試驗結(jié)果的干擾，整個培養(yǎng)期間無任何增氧措施。

試驗設(shè)置10個處理：不添加刺激劑(CK)、硝普鈉(A)、亞硒酸鈉(B)、硫氫化鈉(C)，A、B、C處理分別設(shè)置低、中、高3個濃度梯度(表1)。每個處理設(shè)3個重復(fù)，隨機排列。

1.3 樣品采集

當水稻生長至第30天時，每次更換營養(yǎng)液時添加刺激劑，并分別在水稻苗期生長第36天(采樣期Ⅰ)和第42天(采樣期Ⅱ)時進行采樣，即刺激劑處理時長分別為6 d和12 d。在第36天更換營養(yǎng)液前，測定營養(yǎng)液pH，更換營養(yǎng)液12 h后，測定營養(yǎng)液溶解氧含量。測定完成后，將每盆水稻洗凈后隨機選取其中2株置于烘箱中105 ℃下殺青 30 min，70 ℃烘干后稱量干物質(zhì)量，粉碎后用作氮含量分析測定。再將其余水稻根洗凈后分析測定根系形態(tài)指標，然后選取新生根進行根系孔隙度測定以及根通氣組織電鏡觀測切片。采樣期Ⅱ與采樣期Ⅰ樣品采集步驟相同。由于營養(yǎng)液每3 d更換一次，且水稻根系本身對于根際氧含量及pH均有影響，因此本試驗沒有測定刺激劑本身對于營養(yǎng)液氧含量及pH的影響。

表1 不同處理對應(yīng)的刺激劑及其濃度

1.4 樣品分析

水稻生物量的測定采用烘干稱重法。利用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)(Regent Instruments Inc，Canada)掃描分析根系樣品，測定采樣期Ⅱ根系指標。選取根系長度均為4 ～ 6 cm的新生根，按照常規(guī)方法制作水稻根系冷凍切片，用冷凍切片機(Thermo NX70)進行切片(厚度45 μm)，切片位置在距根尖20 ～ 30 mm處，熒光顯微鏡(Nikon Ti-S)觀察采樣期Ⅱ根系通氣組織發(fā)育程度并拍照。地上部及根系氮含量的測定采用釩鉬黃比色法(H2SO4-H2O2消煮)。營養(yǎng)液溶解氧濃度采用丹麥Unisense微電極原位測定系統(tǒng)(OX50，?=40 ～ 60 μm)測定。采用pH計(plus FE28)測定營養(yǎng)液pH。水稻根孔隙度(porosity of root，POR)測定參照并改進Kludze等[10]的方法：將水稻根用去離子水沖洗干凈后，用吸水紙將其表面水分徹底吸干；選取新長出的水稻根，并將每條根切成2 ～ 2.5 cm小段之后備用；將50 mL比重瓶裝滿抽真空24 h的去離子水后稱重，稱取0.5 g左右的根，置于裝滿水的比重瓶中后，稱重；將裝入根的比重瓶抽真空2 h后，將根取出并置于干燥的研缽中研磨至糊狀；將研磨好的根重新放入比重瓶中并稱重。POR計算公式如下：

式中：POR為根孔隙度(%)，為研磨后的根和裝滿水的比重瓶的總重量(g)，為未經(jīng)研磨的根和裝滿水的比重瓶的總重量(g)，為根重(g)，為充滿水的比重瓶重量(g)。

1.5 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 26.0進行方差分析(ANOVA)，LSD法比較處理間的差異顯著性。圖表繪制采用Origin 2022軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種類刺激劑對水稻生長發(fā)育的影響

不同種類刺激劑對整株水稻生長發(fā)育影響存在差異，且存在濃度依賴性，即同一刺激劑在不同濃度條件下對水稻生物量影響顯示出不同的變化趨勢。采樣期Ⅰ(36 d)時，由于水稻植株較小且對刺激劑的響應(yīng)時間相對較短(刺激時長6 d)，僅高濃度硝普鈉處理水稻生物量與CK處理相比顯著增加，其余處理均與CK無顯著性差異(圖1A)。采樣期Ⅱ(42 d)時，不同種類刺激劑對水稻生長發(fā)育均有促進作用，且亞硒酸鈉處理顯示出隨添加濃度增加促生作用更強，而硝普鈉和硫氫化鈉則顯示出相反趨勢(圖1B)。與CK相比，不同濃度亞硒酸鈉處理均表現(xiàn)出生物量顯著增加，而高濃度硝普鈉和硫氫化鈉處理則無顯著性差異。所有處理中高濃度亞硒酸鈉處理效果最佳，低濃度硝普鈉處理次之。高濃度亞硒酸鈉處理的水稻生物量比CK增加36.7%，而低濃度硝普鈉處理的水稻生物量增加了34.1%(圖1B)。

(圖中小寫字母不同表示同一采樣期不同處理間差異顯著(P<0.05)，下同)

2.2 不同種類刺激劑對水稻根系外部形態(tài)發(fā)育的影響

由表2所示，采樣期Ⅱ時，不同種類通氣組織刺激劑均可有效促進水稻根系外部形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育，其中亞硒酸鈉對提高水稻根系外部形態(tài)發(fā)育的效果最明顯。與CK相比，高濃度亞硒酸鈉處理的根物質(zhì)量、總根長、根表面積、根直徑、根體積和根尖數(shù)分別增加了69.5%、62.4%、48.9%、10.9%、53.3% 和79.7%。同時，高濃度的硝普鈉和硫氫化鈉對水稻根系外部形態(tài)發(fā)育中的促進效果較低濃度有所下降，甚至在諸如根干物質(zhì)量、總根長、根表面積、根體積及根尖數(shù)這些參數(shù)上出現(xiàn)抑制現(xiàn)象。與CK相比，高濃度硫氫化鈉處理根干物質(zhì)量、總根長、根表面積、根體積和根尖數(shù)分別降低6.10%、17.2%、27.6%、24.4% 和7.82%(表2)。

2.3 不同種類刺激劑對水稻根系內(nèi)部通氣組織發(fā)育的影響

水稻根系孔隙度大小均隨水稻生育期呈上升趨勢，不添加刺激劑的水稻根系孔隙度在苗期大約維持在20% ～ 30% 的范圍內(nèi)(圖2)。采樣期Ⅰ時，添加不同種類通氣組織刺激劑處理與CK相比，孔隙度均已有顯著促進作用，說明刺激劑能夠有效促進水稻根系通氣組織提早發(fā)育，且孔隙度隨刺激劑添加量提高而增加(圖2A)。采樣期Ⅱ時，孔隙度發(fā)育的促進效果與采樣期Ⅰ相似，但隨刺激劑濃度增加程度沒有采樣期Ⅰ那么明顯。其中硝普鈉和硫氫化鈉對水稻通氣組織發(fā)育的促進作用最明顯，亞硒酸鈉處理的促進作用次之。高濃度硝普鈉處理相較于CK處理，其孔隙度顯著增加了85.0%，而高濃度硫氫化鈉處理相較于CK處理孔隙度顯著增加了89.5%(圖2B)。

表2 不同種類刺激劑對水稻苗期根系外部形態(tài)發(fā)育的影響

注：表中同列數(shù)據(jù)小寫字母不同表示處理間差異顯著(<0.05)。

圖2 不同種類刺激劑對水稻在采樣期Ⅰ(A)和采樣期Ⅱ(B)時根系孔隙度的影響

根系通氣組織切片結(jié)果與根孔隙度結(jié)果相一致，即孔隙度越大，根系通氣組織(空腔)越發(fā)達。不同種類通氣組織刺激劑添加后，水稻苗期(42 d)根系在距根尖20 ～ 30 mm處皮層薄壁細胞均出現(xiàn)不同程度崩潰離解現(xiàn)象，由殘余細胞壁構(gòu)成縱向薄壁將離解的薄壁細胞分隔成連接中柱和外皮層的氣腔，形成類似車輪輻條狀的輻射狀通氣組織，但不同刺激劑添加后對于根系通氣組織刺激發(fā)育程度存在差異(圖3)。高濃度硝普鈉和硫氫化鈉處理后的水稻幼苗根系通氣組織存在過度發(fā)育現(xiàn)象，可能是導(dǎo)致根系生長受到抑制(表2)的主要原因。

2.4 不同種類刺激劑對水稻氮素積累的影響

由圖4可以看出，采樣期Ⅰ時，由于水稻較小，除低濃度硝普鈉處理氮積累量顯著高于CK，中濃度及高濃度硫氫化鈉處理顯著低于CK外，不同種類刺激劑對水稻氮積累量均無顯著性影響(圖4A)。采樣期Ⅱ時，硝普鈉、亞硒酸鈉對水稻氮素積累均有促進作用。其中低濃度硝普鈉處理水稻氮積累促進效果最佳，水稻氮積累量與CK相比顯著增加38.0%；亞硒酸鈉對水稻氮積累同樣具有促進效果，高濃度亞硒酸鈉處理較CK顯著增加16.1%。硫氫化鈉處理對水稻苗期氮積累具有抑制作用，其中高濃度硫氫化鈉處理較CK相比氮積累量顯著下降26.6%(圖4B)。

圖3 不同種類刺激劑對水稻苗期根系通氣組織結(jié)構(gòu)發(fā)育的影響

圖4 不同種類刺激劑對水稻在采樣期Ⅰ(A)和采樣期Ⅱ(B)時氮素積累的影響

2.5 不同種類刺激劑對根際環(huán)境的影響

隨著水稻的生長，其對根際氧環(huán)境的改善能力進一步提升。不同種類刺激劑添加后，均能顯著提高營養(yǎng)液中的氧氣含量，且隨添加量增加而增加。采樣期Ⅰ時，高濃度通氣組織刺激劑硝普鈉、亞硒酸鈉和硫氫化鈉處理營養(yǎng)液溶解氧濃度分別較CK處理增加48.4%、37.5% 和42.6%(圖5A)；采樣期Ⅱ時，營養(yǎng)液溶解氧濃度則分別提高54.5%、39.9% 和55.2% (圖5B)。本研究不同處理營養(yǎng)液的pH均無顯著變化(圖6)，即刺激劑添加改變根際營養(yǎng)吸收特性受根際環(huán)境酸堿度影響較小。

2.6 根系通氣組織發(fā)育程度與水稻生物量及氮積累量的線性擬合關(guān)系

由于根系孔隙度可以有效表征水稻根系通氣組織發(fā)育程度，利用線性回歸分析以根系孔隙度為橫坐標，水稻生物量及氮積累量為縱坐標分別進行雙線性擬合(圖7)。結(jié)果顯示：無論是生物量還是氮積累均與通氣組織發(fā)育程度存在一個明顯的突變閾值，即當孔隙度低于這一閾值時，生物量和氮積累量隨孔隙度增加而增加，而當孔隙度高于閾值時，二者隨孔隙度增加而迅速降低。從圖7A可以看出，水稻苗期時當孔隙度小于閾值(42%)時，隨著孔隙度每增加1% 時，單株水稻生物量顯著增加8.8 mg；而當孔隙度大于42% 時，植株干物質(zhì)量迅速降低。從圖7B可以看出，當孔隙度小于閾值(42%)時，隨著孔隙度每增加1% 時，單株水稻氮積累量增加0.2 mg；而當孔隙度大于42% 時，植株氮積累量迅速降低。綜上，對于苗期水稻而言，通氣組織并非越發(fā)達越好，而是存在一定的閾值范圍。

圖5 不同種類刺激劑對采樣期Ⅰ(A)和采樣期Ⅱ(B)時營養(yǎng)液溶解氧濃度的影響

圖6 不同種類刺激劑對采樣期Ⅰ(A)和采樣期Ⅱ(B)時營養(yǎng)液pH的影響

圖7 水稻根孔隙度與生物量(A)和氮積累量(B)的關(guān)系

3 討論

植物通氣組織是植物薄壁組織中一些氣室以及圍繞氣室的細胞集合。在缺氧條件下(如淹水)，植物體內(nèi)的一些細胞會死亡解體從而形成通氣組織[11]。當植物根系完全被水淹沒，根層土壤與大氣間氣體交換受到限制，根系氧氣供應(yīng)不足是淹水及過濕環(huán)境給植物帶來的主要傷害[12–13]。濕地植物體內(nèi)在長期進化過程中構(gòu)成性地形成通氣組織，為體內(nèi)氣體貯藏和運輸創(chuàng)造了空間，氧氣從植物莖端到根部的內(nèi)部運輸能夠有效地緩解由淹水環(huán)境造成的缺氧傷害，維持濕地植物根系的正常生理代謝功能，通氣組織按照其形成方式可分為裂生型與溶生型兩種[14–15]。多數(shù)研究中涉及的水稻通氣組織屬于溶生型通氣組織，源于一些活細胞的程序性死亡和溶解[11]。這些細胞程序性死亡過程是由植物的遺傳特性所決定的，同時也受外部環(huán)境的影響。各種生物和非生物脅迫均能夠影響溶生型通氣組織的形成，如缺氧、高溫、干旱或者某些營養(yǎng)元素的缺乏，乙烯、活性氧(ROS)、Ca2+等均參與調(diào)控通氣組織的形成[16–17]。

以往衡量通氣組織發(fā)達程度(大小)的方式主要有孔隙度、通氣組織中空腔所占根系橫切面積比例等，近期有研究[18–19]認為根系中乙烯和ROS含量也與通氣組織大小密切相關(guān)。本試驗中，采用孔隙度來表征通氣組織的大小。以往的研究表明，大麥根系孔隙度約為3.6%，玉米根系孔隙度約9.5%，紅樹林根系孔隙度約30.0%[20–21]。同時Li等[22]通過測定18種水生植物孔隙度發(fā)現(xiàn)不同植物間存在顯著性差異，如銅錢草的孔隙度達到了63.5%，而皇冠草的孔隙度僅有8.2%。Colmer[23]利用盆栽試驗研究了12種不同基因型水稻品種通氣組織發(fā)育差異，發(fā)現(xiàn)旱稻、水稻和深水稻在低氧條件下均能形成通氣組織，但孔隙度差異不顯著，范圍在31.2% ～ 40.8%。Mei等[24]測定了25種水稻品種在苗期時的孔隙度差異，發(fā)現(xiàn)其范圍在21.3% ～ 33.3%。本研究發(fā)現(xiàn)，水稻在不添加刺激劑情況下，苗期根系孔隙度維持在20% ～ 30% (圖2)，與前人結(jié)果一致。盡管本試驗選擇的3種刺激劑，只有硫氫化鈉為前人報道過的通氣組織刺激劑，而提高水稻抗氧化能力的硝普鈉和提高根系泌氧的亞硒酸鈉添加后，也均能顯著增加水稻苗期根系孔隙度，且孔隙度隨刺激劑添加量提高而增加(圖2)。因此說明3種刺激劑均具有促進水稻根系通氣組織發(fā)育的作用。添加刺激劑后水稻苗期根系孔隙度范圍擴大至32.7% ～ 54.6%，且能夠有效促進水稻根系通氣組織提早發(fā)育(圖2A)。

本課題組以往的研究發(fā)現(xiàn)，通氣組織發(fā)育程度可表征水稻產(chǎn)量潛能，在對不同產(chǎn)量水稻品種苗期根孔隙度的研究中發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)品種在播種后40、50 和60 d 根孔隙度分別為25.0%、31.2% 和37.5%，而低產(chǎn)品種根孔隙度則僅為18.4%、25.7% 和29.2%[2]。陳貴等[25]選擇氮素吸收效率高的秈粳雜交水稻甬優(yōu)12、嘉優(yōu)中科6 號以及氮素吸收效率相對較低的常規(guī)粳稻秀水134 為研究材料，發(fā)現(xiàn)在低氮供應(yīng)水平下秈粳雜交稻根孔隙度及徑向泌氧量均顯著高于常規(guī)粳稻品種。本研究擬通過添加通氣組織刺激劑的方式，人為調(diào)控水稻苗期根系通氣組織發(fā)育從而改善根際氧環(huán)境并最終促進水稻生長及提高氮素吸收。本研究發(fā)現(xiàn)水稻苗期孔隙度并非越大越好，而是和水稻生物量及氮積累量之間存在閾值(42%)。當孔隙度小于該閾值時，隨著孔隙度每增加1%時，單株水稻生物量顯著增加8.8 mg (圖7A)，氮積累量增加0.2 mg (圖7B)；而當孔隙度大于閾值時，植株干物質(zhì)量及氮積累量則迅速降低。因此，盡管苗期根系通氣組織越發(fā)達水稻表現(xiàn)出更好的長勢，但過度刺激通氣組織發(fā)育反而會抑制水稻生長，尤其首先表現(xiàn)為對根系生長的抑制作用(表2)。水稻根系通氣組織發(fā)育是細胞程序性死亡的結(jié)果，如果通氣組織過度發(fā)育(孔隙度大于42%)將意味著更多細胞程序性死亡而導(dǎo)致根系發(fā)育不良，并會進一步抑制水稻的生長發(fā)育及氮吸收利用。除此之外，本試驗發(fā)現(xiàn)，添加刺激劑后水稻根孔隙度和營養(yǎng)液氧含量與CK相比，在采樣期Ⅰ時已存在顯著差異(圖2A，5A)，而生物量在采樣期Ⅱ時才出現(xiàn)顯著性差異(圖1B)，說明生物量變化較通氣組織及根際氧含量對刺激劑的響應(yīng)存在滯后現(xiàn)象。

胡繼杰等[26]通過水培試驗，將水稻分別種植在低氧(1 mg/L)、自然生長氧(CK，1.6 ～ 2.3 mg/L)、適度增氧(3 mg/L)、高氧(5.5 mg/L)、飽和氧5種氧環(huán)境下發(fā)現(xiàn)，不同氧環(huán)境處理下水稻產(chǎn)量、植株生物量及氮積累量均表現(xiàn)為適度增氧>CK>低氧>高氧>飽和氧。本試驗中營養(yǎng)液氧含量與水稻生物量的關(guān)系與此一致，即對于水稻而言，根際氧含量并非越高越好，而是存在一定的氧適宜范圍。試驗結(jié)果表明，不同種類刺激劑均能顯著提高營養(yǎng)液溶解氧含量，其中A3、C3處理(42 d)營養(yǎng)液溶解氧含量最高，分別達231.8和232.7 μmol/L，相當于7.42和7.45 mg/L，而其生物量最低且與CK無顯著差異；B3和A1處理營養(yǎng)液溶解氧含量盡管僅為209.9和201.1 μmol/L，相當于6.72和6.44 mg/L，但其生物量則分別是所有處理中最高，且與CK存在顯著性差異(圖1B，5B)。3種物質(zhì)刺激后溶解氧濃度的不同主要是由水稻根系泌氧差異造成的。除氧氣含量外，土壤pH也是影響稻田養(yǎng)分形態(tài)轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵因素之一[27]。本研究結(jié)果表明，3種刺激劑加入營養(yǎng)液后，營養(yǎng)液的pH均無變化(圖6)，即并非通過改變根際環(huán)境酸堿度的方式改變根際營養(yǎng)吸收特性。

通氣組織形成一方面為水稻根系生長提供了充足的氧氣，另一方面大量薄壁細胞的崩潰降低了根系內(nèi)部的耗氧量，使得更多的氧氣能夠釋放到根際形成氧化圈。本課題組以往利用氧電極(直徑25 μm)原位測定距水稻根表不同距離及不同深度的土壤氧含量，構(gòu)建了水稻根際氧化圈立體空間分布圖。研究發(fā)現(xiàn)淹水層氧氣含量維持在270 ～ 280 μmol/L，而水土界面氧氣含量則急劇下降，至土表4.8 ～ 6.1 mm處時已下降為0，因此根際氧化圈范圍實際上是非常微小的。但土壤氧氣與氨化、硝化和反硝化作用等土壤氮轉(zhuǎn)化過程密切相關(guān)，因此水稻泌氧能力大小也直接影響其對氮素的吸收利用。趙峰等[28]在探究溶解氧與水稻根系特征關(guān)系的試驗中發(fā)現(xiàn)增氧處理較對照的根系數(shù)量明顯增多、體積增大、干物質(zhì)量顯著提高。王瑞等[29]發(fā)現(xiàn)水培條件下增氧(30% 過氧化脲代替尿素)能夠顯著提高上海青總根長、根表面積、根粗、根體積及根尖數(shù)。Ashraf等[30]在玉米水培種植過程中添加20 mg/L硒，玉米根的鮮物質(zhì)量和干物質(zhì)量分別增加17.5% 和29.3%。本研究發(fā)現(xiàn)亞硒酸鈉對水稻根系形態(tài)的變化有顯著影響，其中0.01 mmol/L亞硒酸鈉處理12 d后的水稻較CK相比，總根長、根表面積、根直徑、根體積、根尖數(shù)分別增加62.4%、48.9%、10.9%、53.3% 和79.7%。這可能也是水稻添加通氣組織刺激劑后氮素積累量增加的重要原因之一，但究竟是刺激劑本身對根系的刺激作用還是由于刺激劑添加后增加根際氧氣造成的根系生長促進作用還需要進一步試驗證明。基于本研究優(yōu)化出的刺激劑類型及濃度基礎(chǔ)上，后期將繼續(xù)進行土培試驗，研究不同氮水平及氮形態(tài)供應(yīng)下，水稻通氣組織發(fā)育響應(yīng)及其與水稻氮素營養(yǎng)之間的關(guān)系。同時熊旭梅等人[31]在探究氧氣對氨氧化過程的影響中發(fā)現(xiàn)，高氧條件下的硝化通量高于低氧，且氨氧化古菌(AOA)主導(dǎo)了氨氧化過程，因此土壤氮形態(tài)轉(zhuǎn)化及其微生物過程也是下一步需要研究的重點。

4 結(jié)論

不同種類通氣組織刺激劑均可通過刺激根系通氣組織發(fā)育提高根系泌氧，以及促進通氣組織早發(fā)從而緩解水稻苗期根際缺氧限制生長的問題。水稻苗期根孔隙度為20% ～ 30%，而添加通氣組織刺激劑后根系孔隙度達到32.7% ～ 54.6%。同時本研究發(fā)現(xiàn)，水稻苗期通氣組織并非越發(fā)達越好，而是存在一定閾值(42%)。當?shù)陀谠撻撝禃r，通氣組織越發(fā)達，水稻生長及氮素積累量也越高；但當刺激過度后，水稻生長將受到抑制。通過定量化水稻苗期通氣組織發(fā)育程度與水稻生物量及氮素積累量之間的關(guān)系，對于利用通氣組織刺激劑人為調(diào)控水稻生長及氮素高效吸收利用提供了理論依據(jù)。

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Effects of Root Aerenchyma Development Degree on Rice Growth and Nitrogen Absorption at Seedling Stage

SHI Chengzhi1,2, WANG Rui1,2, SHI Weiming1, LI Yilin1*

(1 State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China; 2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Lack of dissolved oxygen in the rhizosphere environment induced from underdeveloped root aerenchyma of rice at the seedling stage is one of the factors limiting rice growth. Different kinds of aerenchyma stimulants (sodium nitroprusside, sodium selenite and sodium hydrosulfide) were used to determine the biomass, nitrogen accumulation, root aerenchyma development (porosity), root external morphology, and rhizosphere dissolved oxygen at the seedling stage under hydroponic cultivation. The results show that all treatments can enhance rice growth by stimulating the development of root aerenchyma, and improve rhizosphere oxygen content at the seedling stage. Among all stimulants, 0.01 mmol/L sodium selenite treatment has the best effect, rice dry matter, nitrogen accumulation, root porosity and rhizosphere oxygen content are significantly increased by 36.7%, 16.1%, 57.3% and 39.9% compared with control treatment (without stimulant addition), respectively. An obvious threshold (42%) is observed in root porosity no matter with rice growth or nitrogen accumulation at the seedling stage. When root porosity is less than the threshold value, rice dry matter and nitrogen accumulation are significantly increased 8.8 and 0.2 mg per plant for each 1% increase in porosity, respectively. When porosity is more than the threshold, the above indicators are both rapidly decreased. Therefore, a suitable concentration of aerenchyma stimulant can alleviate the inhibition of rice development caused by insufficient dissolved oxygen in the rhizosphere environment at the seedling stage, by increasing the root oxygen loss of roots, which provides a new way for improving rice nitrogen use efficiency.

Rice; Aerenchyma; Root radial oxygen loss; Nitrogen absorption; Rhizosphere environment

S511；S154.4；Q142.9

A

10.13758/j.cnki.tr.2023.02.009

石承智, 王瑞, 施衛(wèi)明, 等. 根系通氣組織發(fā)育程度對水稻苗期生長及氮素吸收的影響. 土壤, 2023, 55(3): 528–536.

國家重點研發(fā)計劃項目(2022YFD1900702-7)資助。

(ylli@issas.ac.cn)

石承智(1998—)，男，山東泰安人，碩士研究生，主要從事水稻氮根際調(diào)控研究。E-mail: shichengzhi@issas.ac.cn