盐碱胁迫对海岛棉幼苗生物量分配和根系形态的影响

严青青, 张巨松,*, 徐海江, 李星星, 王燕提

1 新疆农业大学农学院,教育部棉花工程研究中心,乌鲁木齐 830052 2 新疆农业科学院经济作物研究所,乌鲁木齐 830091

新疆盐碱地范围广、面积大,是限制作物生产的主要因素之一,类型多为复合型盐碱地,盐化与碱化作用往往相伴发生,盐碱成分主要有NaCl、Na2SO4、NaHCO3、Na2CO3,并且由于人为不合理灌溉、过度使用化肥等原因使耕地次生盐碱化严重[1]。在盐碱胁迫下,植物根系可以通过改善根系形态来抵御盐环境。根系是决定植物根量大小、适应盐生环境、吸收和利用土壤养分最直观的适应特征之一[2]。海岛棉(GossypiumbarbadenseL.)是棉花的一个栽培种,其品质优于陆地棉,纤维长、细度高、强度大,是我国重要的纺织品原料,也是世界上最优良的棉纤维。海岛棉作为一种较耐盐碱的作物,一直是改良盐碱地的先锋作物[3],新疆除了是我国重要的商品棉生产基地,也是主要的海岛棉产区,低盐能促进海岛棉种子萌发以及幼苗生长[4],但混合盐碱对海岛棉生长机制的影响鲜有报道。因此,合理开发与利用新疆盐碱地区种植海岛棉对于我国优质纺织业的发展以及盐碱地的开发利用具有重要意义。

根系是最早感受逆境胁迫信号的器官,土壤中盐碱对植物的危害最直接的受害部位是植物的根系,它在逆境下的分布特征和表现是植物有效吸收和利用土壤养分最直接的适应特征。植物根系系统存在着复杂的分支结构,而不同茎级根系形态对养分积累、运移有不同的作用,更大的根系土壤体积的形成可以提高作物本身的耐盐性[5],而细根能影响土壤中盐分与水分的运移[6],因此,根的生长发育状况和活力对植物的耐盐能力至关重要。根尖数是根系活力的外在表现,根尖数的多少直接体现了根系的生长趋势。目前,国内外对植物盐碱胁迫做了大量的研究,研究了盐碱胁迫下植物地上部分的分布、根系形态、生理特征等方面[7-13],但是对海岛棉的研究却多是集中在中性盐胁迫上[4,14-15],在针对海岛棉碱胁迫和混合盐碱胁迫方面的研究相对较少。因此,本研究从生产实际出发,人工模拟盐碱胁迫环境,研究海岛棉幼苗根系在混合盐碱胁迫下的生长特性,对于探讨海岛棉幼苗根系在盐碱胁迫逆境环境中的生理作用具有重要意义,为进一步研究海岛棉盐碱胁迫生理机制奠定基础,也为可持续利用盐碱地资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验于2017年4月—8月在新疆农业大学教育部棉花工程研究中心棉花生理室进行。供试棉花品种为海岛棉(学名)品种新海31号(XH31)、新海35号(XH35)、新海43号(XH43)及新海48号(XH48),由新疆农业科学院经济作物研究所提供。采用NaCl、Na2SO4和NaCl、NaHCO3以物质的量比1∶1混合分别模拟中性盐和碱性盐2种盐类型,胁迫处理总盐浓度设为0(CK)、120、180、240、300、360 mmol/L。

精选饱满、大小一致的种子,采用HgCl2(0.1%)浸泡消毒10 min,浸泡消毒后,先用自来水冲净,再用蒸馏水冲洗五次,最后用蒸馏水浸种24 h；使用鼓风干燥箱在120℃下对砂子进行高温灭菌24 h。使用规格为13 cm×19 cm×12 cm的发芽盒,每个发芽盒平铺600 g的砂子,加对应浓度的盐水102 mL,空白对照(CK)加102 mL蒸馏水,然后选择浸种后露白一致的种子平整放入发芽盒中,每盒播50粒种子,种子均匀播于湿砂上,加盖5 mm湿砂,每个处理播3盒,即重复3次。盖上发芽盒盖子,防止水分蒸发。置于光照培养室内,白天温度(25±2)℃,光强400 μmol m-2s-1,12 h；夜间温度(22±2)℃,12 h,相对湿度70%—75%。播种后第12天测定棉苗的根系形态及根系生物量。

1.2 测定项目与方法

1.2.1根系形态

每个处理取10株幼苗棉株,采用Scan Wizard EZ扫描仪扫描幼苗根系,用万深LA-S根系分析系统分析根长、表面积、体积以及不同径级根长和表面积等形态学参数。

1.2.2根系生物量

根系形态分析完成以后,将棉株分成根、茎叶2部分,置于105℃干燥箱中杀青20 min,80℃烘干至恒重,称其根干物质质量,即为根系生物量,称茎叶干物质质量,即为茎叶生物量。重复3次,每10株幼苗期的平均值表示1次重复。

1.2.3数据处理

采用SPSS 19.0计算软件进行数据分析,采用新复极差法进行差异显著性检验(P<0.05),采用Microsoft Office Excel 2010软件整理数据和绘制图表。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对海岛棉幼苗生物量及根冠比的影响

表1表明,中性盐胁迫下,地上部生物量的积累在不同盐浓度间差异不显著,120 mmol/L盐浓度下的XH31和XH35的地上部生物量比CK要高,XH31在120、180、240、300、360 mmol/L的盐浓度下分别比CK高出17.55%、23.94%、18.57%、13.15%、55.44%；各品种的根系生物量随着盐浓度的增大均呈下降趋势。碱性盐胁迫下,XH31、XH35的地上部生物量在120、180 mmol/L盐浓度下比CK显著增加,XH43的地上部生物量在240 mmol/L浓度下出现最大值,其余处理间差异不显著；根系生物量变化与中性盐下一致,均随着盐浓度的增大呈下降趋势。盐胁迫下,300、360 mmol/L的根冠比极小,其余处理均比CK显著减少。不论是中性盐还是碱性盐均对根系生物量的影响显著。

2.2 盐碱胁迫对海岛棉幼苗根系长度的影响

由表2可知,中性盐下,细根(d≤0.5 mm)的根长在120 mmol/L盐浓度下与CK相比,XH31和XH35有显著的增加,所有品种在180、240 mmol/L浓度下与CK相比无显著差异；中根(0.52.0 mm)根长在180、240 mmol/L比CK增加了10.38、6.34 cm,XH43的粗根长度随着盐浓度的增加逐渐减少；XH31、XH35、XH43的根系总长度与CK相比在120 mmol/L显著增大,其余处理随着盐浓度的增加,根系总长度在逐渐减少。碱性盐下,除XH43在120 mmol/L中根长度与CK相比显著增加,其余品种的细根、中根、粗根的根系长度在120 mmol/L均无显著差异；当盐浓度大于180 mmol/L时,各品种不同茎级的根长随着盐浓度的增加在逐渐减小。2种盐下300、360 mmol/L盐浓度细根、中根、粗根的根系长度极小甚至为0。

2.3 盐碱胁迫对海岛棉幼苗根系表面积的影响

根系总表面积一定程度上表现了根系接触土壤的总面积,不同茎级根系的功能不同接触土壤的作用机理也不同。表3中,2种盐下,除XH35在中性盐的120 mmol/L盐浓度下根系总表面积比CK显著增加, 中性盐120、180、240 mmol/L的盐浓度与CK相比,差异不显著,其余处理均随着盐浓度的增大根系的总表面积逐渐减少。中性盐下,120 mmol/L盐浓度下通过促进XH35中根(0.5

表1 盐碱胁迫对海岛棉幼苗生物量及根冠比的影响

表中同一指标不同品种间不同的字母表示在不同盐碱浓度胁迫下各品种在5%水平上差异显著; CK：空白对照 Blank control；XH31：新海31号 Xinhai 31；XH35：新海35号 Xinhai 35；XH43：新海43号 Xinhai 43；XH48：新海48号 Xinhai 48

表2 盐碱胁迫对海岛棉幼苗根系长度的影响

表中同一指标不同品种间不同的字母表示在不同盐碱浓度胁迫下各品种在5%水平上差异显著

表3 盐碱胁迫对海岛棉幼苗根系表面积的影响

表中同一指标不同品种间不同的字母表示在不同盐碱浓度胁迫下各品种在5%水平上差异显著

2.4 盐碱胁迫对海岛棉幼苗根系体积的影响

表4 中可以看出,与根系总表面积一致,除XH35在中性盐的120mmol/L比CK显著增加44.00%,根系的总体积随着盐碱浓度的增加在逐渐减小,各品种减少的程度不同。XH31在中性盐下120、180mmol/L的根系总体积与CK相比分别增加了3.99、4.73cm3；XH35的细根(d≤0.5mm)在中性盐120mmol/L比CK显著增加了2.37cm3,XH43及XH48的根系总体积在中性盐120mmol/L时与CK的差异不显著。这说明低浓度(0—180mmol/L)的中性盐对4个海岛棉品种的总根系体积有促进作用或负影响不显著,主要是对中根及粗根的体积影响不显著,对细根的体积有促进作用。碱性盐下,各品种的根系总体积、细根体积、中根体积、粗根体积均随着盐浓度的增加逐渐减少,碱性盐对根系体积的影响比中性盐大。

2.5 盐碱胁迫对海岛棉幼苗根尖数的影响

由表5可得,XH35、XH43的中性盐的120mmol/L总根尖数分别比CK增加了44.44%、41.66%,XH35的细根的根尖数显著比CK增加了150.00%,中根的根尖数也显著大于CK,XH43的中根的根尖数比CK增加了53.62%,这说明导致XH35、XH43总根尖数增加的原因是细根及中根的根尖数的增加；XH43的碱性盐的120mmol/L总根尖数与CK相比无显著增加,但中根的根尖数比CK增加了39.13%；说明超过120mmol/L,无论是中性盐还是碱性盐各级根尖数以及总根尖数都在逐渐减少,减少的程度由小至大。中性盐下各品种总根尖数及各级根尖数在0—180mmol/L时下降程度缓慢与CK无显著差异,碱性盐下,各品种总根尖数及各级根尖数在0—120mmol/L时下降缓慢与CK无显著差异,这说明碱性盐对于海岛棉幼苗根系生长的伤害大于中性盐的。两种盐胁迫下,120mmol/L的盐浓度对海岛棉幼苗根系根尖数有促进作用或无显著抑制作用。

3 讨论

生物量配置模式的自我调节是植物适应盐胁迫的可塑性机制之一,往往符合最优分配理论的预测[16],作物幼苗期阶段的叶面积比较小,捕获光的能力弱,导致光合物质生产少,根系是植物幼苗期主要的营养物质吸收、传送的器官,根系生物量能影响根系为幼苗期的植株传送营养物质,与地上部相比,生产相同的单位干物质量需要的能量是地上部的两倍,这表明根系生长更能消耗作物本身的能量。本试验条件下,海岛棉幼苗根冠比随盐浓度增大呈现下降的趋势,当盐浓度低于120mmol/L根系生物量减少不显著,这说明对根系生长的抑制不大,当盐浓度大于120mmol/L,随着盐浓度的增加根系生物量有明显的下降趋势,而地上部生物量的下降趋势比根系生物量下降的程度低,这是导致根冠比下降的主要原因,这可能是海岛棉幼苗通过增加对地上部生物量的分配以及减小对根系生物量的分配较少的接触土壤中的盐碱来抵抗盐环境对植株的伤害,同时减少根系生物量的生产,节省自身的能量,以供给生产地上部生物量,提高光合作用,从而获得更多有效光能,但光合参数这一方面研究还需进一步验证。

根系是作物与土壤的媒介,土壤中的营养物质与水分全靠根系传送到植株,其生长状况不仅直接影响植株对水分和养分的吸收能力,还制约着植株地上部的生长发育。不同分支等级的根序具有显著不同的解剖、形态、养分和生理特征[17-19],细根的主要功能是吸收营养,粗根的主要功能是运输养分并让植株稳定在土壤中,改善根系研究框架是提高根系特征认识的基础。土壤水分主要通过沿水势梯度的扩散及植物细根的吸收运动,土壤中水分和盐分的梯度格局影响细根在土壤中的分布,同时细根也会影响土壤中水分和盐分的梯度分布[6],Schleiff[5]指出,植物根茎粗、根毛少的根由于单位面积内的土壤水分蒸发快,更容易让盐分积累在根系周围,而王庆惠等[3]研究表明,为了降低盐分积累,棉株本身会将更多的资源分配至中(直径：0.4—1.2mm)、细(直径：0—0.4mm)根以减缓根系生长的抑制程度,增强根系的觅养能力,提高根系对逆境的适应性,可见,盐胁迫下,植物本身通过对不同茎级根系的生长分配来适应盐环境。因此,采用根系分级研究框架研究根系响应特征具有重要的科学意义。本研究条件下,低盐浓度(120mmol/L)使各品种的细根长度、表面积、体积以及根尖数有不同程度的增加,对中根及粗根无显著抑制作用,低浓度的盐对各品种的幼苗期细根伸长有促进作用,这有可能是通过减小根系直径,增加根尖数,维持根系活力,从而增加根系长度的方式更大范围

表4 盐碱胁迫对海岛棉幼苗根系体积的影响

表中同一指标不同品种间不同的字母表示在不同盐碱浓度胁迫下各品种在5%水平上差异显著

表5 盐碱胁迫对海岛棉幼苗根尖数的影响

表中同一指标不同品种间不同的字母表示在不同盐碱浓度胁迫下各品种在5%水平上差异显著和更大面积的吸收水分和养分供其生长抵抗盐碱,同时细根影响根系周围土壤中盐分与水分的运移,更有利于维持根系生长周围土壤盐碱的平衡,达到根系生长的最适宜环境,这与宋香静等、王树凤等[11,20]的研究一致,低盐环境促进细根的生长,而高盐环境则不利于根系的生长。这是植株自身应对盐环境的策略。当盐浓度大于120 mmol/L,中性盐下,细根生长没有受到明显的抑制,但是碱性盐下各品种根系的总长度、表面积、体积以及根尖数都受到不同显著程度的抑制,这说明,碱性盐对海岛棉幼苗根系生长的伤害大于中性盐,碱性盐胁迫比中性盐胁迫多了一个高pH值胁迫,前人研究表明碱胁迫的高pH造成矿质营养状况及氧气供应能力的严重破坏,根系在高pH条件下合成并积累了过量的有机酸,造成细胞壁损伤,导致植物细胞内离子平衡及正常的代谢被破坏[12- 13,21-22],根系出现腐烂现象,阻碍植株对土壤中养分的有效吸收。

从不同盐浓度下各品种的根系形态上反映出,不同的品种对盐碱胁迫的耐受能力也不同,这是品种的自身的遗传特性所决定的。相同类型盐的相同浓度下,4个品种的根系参数表现不一,中性盐下,120 mmol/L盐浓度时,新海43号的根系长度达到最大值,其次是新海35号；而根系总表面积、总体积、总根尖数一直新海35号最大,而且相较于CK,增长也最大,这说明相较于其他品种,新海35号更受益于低盐环境；碱性盐下,各品种的不同茎级的根系参数随着盐浓度的增加均在减小,新海35号的减小程度相较于其他品种更弱。

4 结论

盐浓度在0—120 mmol/L,两种盐对各海岛棉幼苗的根系生长有明显的促进或者无显著抑制作用。中性盐下,当盐浓度大于180 mmol/L时,对不同茎级根系的根长、根表面积、体积以及根尖数有显著抑制的作用；碱性盐下,当盐浓度大于120 mmol/L时,对海岛棉幼苗不同茎级根系的长度、表面积、体积以及根尖数有显著作用；相较于中性盐,碱性盐对于根系生长的阻碍作用较大。4个品种中,新海35号相对于较耐盐,随着盐浓度的增加,根冠比、根系参数等下降程度均小于其余品种,而新海48号对盐相较于敏感,随着盐浓度的增加,下降最快；新海31号和新海43号则是处于耐盐性和敏感性之间的品种。