以草地早熟禾为试验材料, 种子发芽率在90%以上。试验地点为东北林业大学园林学院温室, 试验时间为2019年4-8月。

选用160 mm× 140 mm× 110 mm(口径× 高度× 底径)规格的花盆。培养基质选用壤土+蛭石, 高温灭菌消毒后, 统一基质重量500 g, 使其具有相同的紧实度, 并浇相同体积的水使其保持湿润方便栽植。

种子经过仔细筛选后, 统一用1%高锰酸钾溶液消毒20 min, 播种前将种子浸泡24 h以提高发芽率, 为兼顾后期取根方便和出苗率, 每盆播种10粒种子, 每个处理10盆, 共40盆, 培育期25 d内正常养护管理, 每隔3 d用200 mL水浇灌。生长至第26天时, 根据国家气象局提供的降水标准及降水天数, 设置对照组(浇水量为小雨组的60%, 仅维持植株正常生长), 模拟小雨组(24 h内降水量小于10 mm)、中雨组(24 h内降水量为10~25 mm)、大雨组(24 h内降水量为25~50 mm), 换算成每盆浇水量约为100、175、350、700 mL, 每盆3 d浇1次水。从第26天开始按各自浇水量处理并开始第1次取样, 每6 d(即第26、32、38、44、50天)取1次样, 共5次, 期间继续浇水。

1.2.1 根系构型 每个试验组随机选取5株长势一致的植株作为5次重复, 最大限度保持根系完整以提高试验准确率。用蒸馏水将根系上的基质冲洗干净, 将植株从根基部剪开, 向塑料盘中倒入少许蒸馏水并将根系平铺在塑料盘中, 然后用镊子将根分离开以保证根系分散无交叉, 利用扫描仪(Epson 6500, Japan, 分辨率为400 bpi)对根系进行扫描, 利用WinRHIZO Pro(Version 2004)根系分析程序软件(加拿大)分析根系总根长、根总表面积、根系平均直径、根总体积、根分叉数等。将扫描后的根系用报纸包好, 放入烘箱, 60 ℃下烘干72 h至恒重, 用天平称量其干重。而后根据干重及以上数据得出根系的比根长与根干重密度。

比根长(specific root length, SRL)是根总长与根干重的比值(m· g^-1)。

根干重密度(dry root weight density)是根系干重与根总体积的比值(g· cm^-3)。

1.2.2 根系解剖结构 为方便观察, 在根系构型研究的基础之上, 同时进行根系解剖结构的取样, 每种处理分别取3株长势一致的草地早熟禾取根。从土壤中剥离新鲜完整的根系在流水下冲洗干净, 截取8~10 cm长的不定根, 在距根尖相同距离的根毛区(即成熟区)用刀片从根基开始连续取3段, 每段约1 cm左右, 每种处理选取不同植株的3条长度相似的不定根作为3次重复。采样后立刻用FAA固定液固定24 h以上, 之后在浓度递增的酒精中脱水, 用二甲苯透明, 再经浸蜡、包埋、切片、粘片、脱蜡、染色、封片等一系列步骤。之后采用莱卡石蜡切片机(RM2245, 德国)制片, 样片使用Leica DM2500显微镜(德国)进行观察。所得数据来自3个重复样品中3个不同样片上的30个视野的平均值, 观察根系的结构变化。

所用试剂配法:

FAA固定液:5 mL 40%甲醛+5 mL冰醋酸+90 mL 70%酒精。

明胶粘贴剂:1 g明胶(粉状)+100 mL(36 ℃)蒸馏水(明胶溶化后)+2 g石炭酸(结晶)+15 mL甘油(溶化), 最后用滤纸过滤。

番红染色液:1 g番红加蒸馏水至100 mL。

固绿染色液:1 g固绿加95%酒精至100 mL。

封固剂:将加拿大树胶溶于二甲苯中, 绝对不能混入水和酒精。

采用Microsoft Excel 2010整理数据, SPSS 19.0软件进行显著性方差分析, Photoshop CS6软件进行图片合成。

如图1所示, 第26天时, 各处理间根长无显著差异, 表明此时根系还未对土壤水分变化做出响应。第32~38天, 4个水分梯度处理的草地早熟禾的根长均明显增加, 其中大雨组水分最充足, 根系总长的增量最大, 增长了276.14 cm, 表明其生长最快。第44天时, 对照组基本停止生长, 小雨、中雨、大雨组继续保持生长态势。第50天时, 对照、小雨、大雨组基本停止生长, 而中雨组根系比照其第44天时增加了121.65 cm, 表明中雨组的水量较适合草地早熟禾根系生长。

图1

Fig.1

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	图1 不同模拟降水量对草地早熟禾根系总长度的影响 不同小写字母表示在0.05水平上差异显著(P< 0.05), 下同。Fig.1 Effects of different simulated precipitation on the total roots length of P. pratensis Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level, the same below.

如图2所示, 第26~38天时, 草地早熟禾各处理组根表面积变化涨势均较快, 其中中雨、大雨组增长较快, 均与另外两组有显著差异。第44天时, 对照、小雨组增长量很小, 表明轻微的干旱也有助于根系表面积增加, 但相比水分充足条件下增长的较慢, 而此时中雨组达到62.38 cm², 为4组中根表面积最大。第50天时, 只有中雨组有轻微增长, 增长了2.28 cm², 对照、小雨组已经基本停止生长, 且大雨组下降了1.97 cm²。结合表型观察, 可知此时根系有部分须根脱落或腐烂, 表明水分不再促进根系生长, 反而开始起抑制作用。小雨组与对照组无显著性差异, 此时的浇水量无法完全支撑植株的生长。

图2

Fig.2

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	图2 不同模拟降水量对草地早熟禾根系表面积的影响Fig.2 Effects of different simulated precipitation on the roots surface area of P. pratensis

如图3所示, 草地早熟禾根总体积在第26~38天内4组均上升明显, 说明此时期内, 水分充足可以促进根系的生长, 其中大雨组生长最快, 与其他3组差异显著; 在第38~44天时, 小雨组与对照组根总体积略有上升, 二者差异不显著, 说明此时期开始干旱, 生长速率受到抑制, 大雨组生长最快, 根体积增加了0.076 cm³; 第44~50天时, 对照组根总体积几乎无变化, 小雨组继续增加但变化不大, 大雨组略微下降, 下降了0.021 cm³, 中雨组根体积则继续增加了0.029 cm³, 表明此时干旱条件和大雨组水量都不适合草地草熟禾根体积的增长, 而中雨组水分条件最佳。

图3

Fig.3

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	图3 不同模拟降水量对草地早熟禾根总体积的影响Fig.3 Effects of different simulated precipitation on total roots volume of P. pratensis

如图4所示, 在第26~44天时, 草地早熟禾根系平均直径均呈上升趋势, 其中第32~38天时生长都较快, 说明此时期植株根系生长态势最好, 其中大雨组根系平均直径最粗, 达到0.2529 mm, 第38~44天时, 对照、小雨组根平均直径增长速度减缓, 与中雨、大雨组差异显著, 其中大雨组涨势并未减弱, 达到0.2756 mm。第44~50天时, 对照组根平均直径出现下降的情况, 小雨、大雨组基本停止生长, 各处理间差异显著, 说明此时期内水分过大抑制了根系生长, 干旱的加剧也会抑制根系生长, 中雨组虽长势减缓, 但此时中雨组根系平均直径最粗, 说明中雨组的水分量是当前最适水量。

图4

Fig.4

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	图4 不同模拟降水量对草地早熟禾根系平均直径的影响Fig.4 Effects of different simulated precipitation on the roots average diameter of P. pratensis

整个生长周期内, 草地早熟禾的根系分叉数在小雨、中雨、大雨组条件下呈上升趋势, 对照组在后期略微下降(图5)。其中在第26~38天内, 各组均呈上升趋势。第38天时, 大雨组根系分叉数最多, 说明此周期内水分越大草地早熟禾根系分叉数越多。第38~44天时, 中雨组增加了17个分叉, 大雨组增加了24个, 显著高于小雨组和对照组。第44~50天时, 大雨组根系分叉数增加放缓, 中雨组明显增加, 当前有172个分叉, 表现出对当前水分良好的吸收能力, 小雨组与对照组较44 d时差异不明显, 表明干旱开始抑制植株的生长。

图5

Fig.5

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	图5 不同模拟降水量对草地早熟禾根系分叉数的影响Fig.5 Effects of different simulated precipitation on the root forks of P. pratensis

草地早熟禾的SRL变化规律总体呈先减小后增大的趋势(图6)。其中在第32~50天, 对照组的SRL不断增加, 小雨组的SRL起伏波动, 但总体呈上升趋势, 表明根系对干旱程度的增加响应是SRL变大, 中雨组较稳定, 无显著性差异变化, 大雨组在38 d时达到变化的峰值, 为68.96 m· g^-1, 后开始减小, 说明初期的水涝会增大SRL, 随着时间增加会变小, 且大雨组在生长发育过程中变化值最大, 说明生长极不稳定, 此组水分条件并不适宜草地早熟禾生长。

图6

Fig.6

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	图6 不同模拟降水量对草地早熟禾比根长的影响Fig.6 Effects of different simulated precipitation on the specific root length of P. pratensis

如图7所示, 26~38 d时, 草地早熟禾各组的根干重密度持续增加, 说明这一干旱时期根系生物量增加迅速。38 d时, 各组差异不显著, 表明此时无论干旱还是水涝并未对草地早熟禾根系生长产生实质性影响。38 d后受干旱影响的对照组与小雨组生物量明显下降, 而大雨组下降缓慢, 说明在根系的变化上干旱优先于水涝反应, 而中雨组保持稳定说明此水分含量下其生长稳定, 波动小。

图7

Fig.7

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	图7 不同模拟降水量对草地早熟禾根干重密度的影响Fig.7 Effects of different simulated precipitation on the dry root weight density of P. pratensis

由图8和表1可知, 第26天时, 对照与小雨、中雨、大雨3组中柱部分结构完好, 厚壁组织着色清晰, 根系结构完整。第32天时, 对照与小雨、中雨组根系解剖结构差异不明显, 皮层厚度相似, 导管直径变化不大, 导管直径占根系直径的比例与对照相比无明显差异; 而大雨组根系直径增大的同时中柱及导管直径显著减小, 根系皮层厚度显著增厚、组织缺损, 表皮细胞大量脱落, 中柱与导管直径显著变小, 染色效果不清晰, 出现根系结构受损迹象。第38天时, 对照、小雨、中雨组细胞较为完整, 与第32天时相比, 皮层组织染色加深, 皮层细胞壁增厚, 根系直径与导管直径均呈继续扩大的趋势, 且皮层厚度占根系直径的比例相差不大; 大雨组的根系解剖结构与第32天相比, 根系直径显著增加, 导管直径无显著变化, 皮层组织出现损伤, 导管有轻微变形, 皮层厚度显著增大, 染色效果不清晰, 根系组织渐渐显现水分胁迫下的影响。第44天时, 对照组的表皮细胞部分脱落, 内皮层细胞壁增厚, 厚壁组织染色加深, 根系导管形态出现萎缩, 中柱轻微变形, 这与此时对照组的水分缺失有关; 小雨组的表皮细胞相比对照组保持较完整, 内表皮细胞无明显增厚, 导管与中柱结构有轻微变形, 根系直径与对照组相比无明显差异, 中柱与导管直径占根系直径的比例较对照组相比显著变小; 中雨组中柱与导管结构正常完整, 根系各部位染色清晰, 中柱与导管结构饱满, 导管直径占根系直径的比例相比对照组减小, 此时水分供应状态良好; 大雨组根系直径增大, 中柱及导管直径减小, 根系皮层厚度显著增厚、组织缺损, 表皮细胞大量脱落, 中柱与导管直径显著变小, 染色效果不清晰, 根系结构已经受损。第50天时, 对照组的根系结构已经出现破损, 内皮层和中柱结构出现损伤, 中柱和根系导管形态均出现萎蔫变形, 表明对照组长时间的水分缺失对根系造成了损伤; 小雨组内皮层细胞壁增厚, 厚壁组织染色加深, 导管数量增多, 导管直径变大, 导管直径占根系直径比例显著变大, 表皮细胞破损, 此时已受到水分缺失的影响; 中雨组的皮层厚度与对照和小雨组相比显著增大, 皮层厚度占根系直径的比例显著大于对照组, 在整个生长周期内中雨组的根系形态结构表现最为稳定, 皮层细胞生长良好, 中柱与导管直径没有显著变化, 导管直径占根系直径比例保持稳定状态, 表明中雨组水分条件下在整个生长周期内草地早熟禾的根系结构形态完整, 生长良好; 第50天时大雨组根系直径与第26~44天时相比持续增大, 且表皮细胞损坏大量脱落, 内皮层组织缺损严重, 且出现坏死斑点, 中柱直径占根系直径的比例在整个生长过程中持续减少, 导管直径占根系直径比例减小, 染色效果不清晰, 根系结构损伤严重。

图8

Fig.8

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	图8 不同模拟降水量对草地早熟禾根系解剖结构的影响 显微镜放大倍数为× 20。Fig.8 Anatomical structure of P. pratensis roots under different water conditions The microscope magnification is × 20.

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同模拟降水量对草地早熟禾解剖结构参数的影响 Table 1 Effects of different water conditions on anatomical parameters of P. pratensis 指标 Index 处理 Treatment 时间Time 26 d 32 d 38 d 44 d 50 d 根系直径Diameter of root (μ m) 对照 Control 219.84± 5.58d 242.59± 7.99c 276.56± 8.23b 292.06± 6.34a 279.81± 10.22b 小雨 Light precipitation 222.77± 6.62d 224.83± 9.78c 275.97± 5.57b 277.00± 8.86a 267.83± 9.16b 中雨Moderate precipitation 250.67± 7.96c 248.76± 6.22d 295.77± 7.45b 296.78± 8.93ab 311.29± 9.65a 大雨Heavy precipitation 238.13± 8.23e 258.33± 7.25d 306.33± 8.77c 326.23± 11.37b 335.46± 10.69a 导管直径Diameter of the vessel (μ m) 对照 Control 19.27± 4.25e 20.12± 3.76d 20.53± 1.96c 20.99± 2.34b 21.36± 3.73a 小雨 Light precipitation 18.67± 3.56e 21.32± 2.27b 20.78± 2.62d 21.02± 3.63c 22.37± 2.96a 中雨Moderate precipitation 19.72± 3.87e 22.39± 3.53d 22.56± 2.84c 23.12± 2.94b 23.75± 4.04a 大雨Heavy precipitation 19.55± 4.57e 22.91± 3.12d 23.37± 2.98c 23.72± 3.61b 24.11± 3.79a 皮层厚度Thickness of cortex (μ m) 对照 Control 83.54± 8.12d 89.76± 8.22c 99.56± 6.76a 96.38± 7.62b 89.54± 8.69bc 小雨 Light precipitation 86.88± 8.52e 92.18± 7.36d 104.87± 5.35a 99.72± 6.54b 93.74± 7.65c 中雨Moderate precipitation 90.24± 7.23e 101.99± 6.96d 115.35± 9.88c 121.68± 8.96b 130.74± 8.41a 大雨Heavy precipitation 95.25± 6.42e 100.75± 5.24d 122.53± 7.72c 130.49± 7.66b 137.54± 7.92a 皮层厚度占根系直径的比例Root cortex thickness/diameter 对照 Control 0.38± 0.06a 0.37± 0.05b 0.36± 0.09c 0.33± 0.07d 0.32± 0.04e 小雨 Light precipitation 0.39± 0.03ab 0.41± 0.04a 0.38± 0.08b 0.36± 0.09c 0.35± 0.07d 中雨Moderate precipitation 0.36± 0.08d 0.41± 0.09b 0.39± 0.06c 0.41± 0.09b 0.42± 0.06a 大雨Heavy precipitation 0.40± 0.07b 0.39± 0.07c 0.40± 0.07b 0.40± 0.07ab 0.41± 0.08a 注:不同小写字母表示差异显著(P< 0.05)。 Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P< 0.05).

表1 不同模拟降水量对草地早熟禾解剖结构参数的影响 Table 1 Effects of different water conditions on anatomical parameters of P. pratensis

干旱胁迫对根系形态水分的吸收有较大的影响, 从而导致植物养分吸收的改变。根系形态的可塑性对植物在环境胁迫, 特别是干旱条件下的适应和生存至关重要。干旱引起的根系形态改变还可能对叶片生理、植物生长产生积极或消极影响。因此, 根系形态特征和反应被认为是植物生长发育的关键驱动力。通过对根系形态的研究, 可以定量地描述根系的生长发育, 从而更清楚地了解植物根系对环境的适应性。在根系形态特征研究方面, 随着技术的发展和测量手段的不断更新发展, 借助根系扫描技术, 更微观的根系指标得以被测定, 包括对根系长度、根系表面积、根系直径、根系总体积、比根长、根重密度等指标的研究成为根系研究的常见指标。诸多研究表明, 植物根系形态特征与水分供应有密切关系^{[23, 24, 25, 26]}。在干旱胁迫下, 侧根会变粗壮且主根功能逐渐退化, 进而形成主根分叉类型的根系构型; 主根的伸长生长导致主根变细, 直径下降; 但同时也促进了侧根的伸长生长, 增加了侧根的增长速度以及侧根的数量, 增加次生根的表面积以及比根长, 从而减少干旱对根长的负面影响, 使根系提高对水分与养分的吸收效率^{[27, 28, 29, 30]}。本研究中草地早熟禾在各水分处理组下的根总长、根表面积、根总体积、根平均直径、根分叉数在26~38 d内均呈上升趋势, 其中对照组与小雨组基本一致无显著性差异, 中雨组与大雨组增量较大, 表明此时期内水分越大对草地早熟禾根系的生长促进作用越强。这与鲍雅静等^[31]对于羊草(Leymus chinensis)在不同水分梯度下根系构型变化的研究结论一致, 根系构型的指标与水分梯度具有相关性。38~50 d, 对照组与小雨组的根总长、根表面积、根总体积均表现为先缓慢上升再接近停止生长的趋势, 根平均直径和根分叉数基本无变化, 说明此时这两组根系较干旱, 生长缓慢, 随着干旱加剧, 开始出现死亡或脱落根。在38 d开始, 大雨组根表面积、根总体积开始持续下降, 根总长、根平均直径、根分叉数表现为先缓慢上升再持续下降, 表明38 d后土壤水分含量大于根系需求量, 影响了根系正常呼吸和生长。中雨组水分条件下早熟禾根系在发育过程中生长均良好, 在前38 d内增长量虽不及大雨组, 但从生长全程来看, 中雨组长势最理想, 花盆也无多余水分溢出。这与吕爽等^[32]对胡杨(Populus euphratica)幼苗根系构型对水分响应的结果较为相似, 干旱胁迫会抑制胡杨根系的生长, 随着水分供给的增加, 胡杨幼苗根系生长形态指标呈上升趋势, 但水分过多也会成为一种胁迫, 限制根系形态特征的发展。各组比根长在整个生长周期内显示出先减小后增大的趋势, 说明生长前期会增加草地早熟禾根系生物量, 根长增长较慢, 生长后期会抑制根系生物量, 根系为了吸取深层水分而增长较快。干旱或水涝越严重, 草地早熟禾根长会比根系生物量响应的更激烈, 比根长越大; 一段时间后, 比根长又变小说明长时间的逆境条件会使根长显著下降, 生物量不会显著变化。干旱胁迫可以显著增加草地早熟禾根系的干重, 并加大根系与土壤的接触面积, 从而根干重密度增大。一定时间后, 干旱加剧, 根系生物量显著降低, 而体积变化的响应小于根干重, 根干重密度减小; 水涝胁迫前期根干重密度增大, 后期变化较小, 干旱优先于水涝反应在根系的变化上。这与杨振亚等^[33]对不同土壤水分对杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗的根系生长影响的研究结果较为一致。其中水分处理中雨组各项指标均稳定, 与其他组差异显著, 从长势看也较适合草地早熟禾的生长, 大雨组虽然前中期长势好, 但浇水量明显超出植物需求, 不符合经济灌溉的要求。

在不同逆境条件下, 植物对环境的响应是有所不同的, 除了地上部分外观有所显现之外, 植物根系的解剖结构对环境的响应会更加明显^[34], 其与植物的生理功能相互协作共同抵御不利环境对植物的危害^[35]。大量研究表明植物在干旱条件下, 根系直径减小, 由于中柱直径与根直径比值增大, 那么皮层占根直径的比值就变小, 水分和养分在根中径向运输距离减小, 故吸收能力增强; 皮层细胞直径变大, 皮层厚度增加, 根系保水能力增强; 且通气组织和细胞壁增加。这些植物自身根系解剖结构的变化被认为是植物克服环境胁迫的重要途径^{[36, 37]}。本研究中草地早熟禾在不同水分梯度处理下的根系解剖结构表现为, 第26~38天时4种水分处理的各项指标均无明显差异, 生长良好, 根系直径与皮层厚度随时间的延长呈稳定上升的趋势, 皮层厚度占根系直径的比例相差不大, 只有大雨组根系解剖结构有略微变形, 渐渐显示出水淹胁迫下的影响, 这与马旭凤等^[38]对玉米(Zea mays)水分亏缺及复水条件下根系解剖结构变化的研究结论一致, 说明短期内的水分差异并未对草地早熟禾造成太大影响, 仅在水淹胁迫下有轻微变化。第44天时对照组受干旱胁迫出现轻微干旱损伤, 有部分表皮细胞脱落, 通气组织形成; 小雨、中雨组之间差异不明显, 根系结构完整; 大雨组受水淹胁迫出现水淹症状, 即中柱明显减小, 皮层细胞受损脱落。第50天时对照组继续受干旱胁迫影响, 根系结构受损, 中柱和导管直径显著变小, 占根系直径比例减小; 小雨组出现轻微干旱症状; 中雨组根系解剖结构形态正常; 大雨组出现水淹症状。张瑞群等^[39]在多枝柽柳(Tamarix ramosissima)幼苗根系解剖结构对水分胁迫响应的研究中也得出过相似的结论。说明草地早熟禾在干旱胁迫下通过增大根系直径与导管直径加强其体内水分运输的能力。导管直径变大可能对水分的输导更有利, 从而增强抵抗水分胁迫的能力。在水淹胁迫下, 皮层厚度占根系直径的比例显著增大, 从而增大运输水分的阻力。同时通气组织的形成是根部有氧呼吸便利的通道, 可以保证植物受到较少伤害。