渍涝对不同耐性花生品种根系形态特征及解剖结构的影响

张昊，刘振宏，曾宁波，唐康，罗梓楠，刘登望*，李林*

（1.湖南农业大学农学院，湖南 长沙，410128；2.湖南省花生工程技术研究中心，湖南 长沙，410128；3.国家花生工程技术研究中心长沙分中心，湖南 长沙，410128）

渍涝是影响世界农业布局与生产水平的最主要自然灾害之一，随着全球气候异常变化，涝灾愈加频发，严重影响花生产量与品质[1,2]。花生是我国主要的油料与经济作物，长江流域是主产区之一，以春播种植为主，受季风气候的影响，花生生育前、中期（3-6 月）正值多雨季节，渍涝灾害严重影响花生生长发育，尤其对根系影响甚大。因此，开展渍涝灾害防控研究对于确保花生生产可持续发展具有重要意义。

植物根系是吸收养分、水分的主要器官及物质合成转运的场所。根系生理及形态结构是植物生长状况的重要表征，与产量形成息息相关。渍水对各类旱作物的生长发育产生不利影响，如大豆根表面积、冠根比降低[3]；油菜、玉米的根生物量、根表面积、根体积、须根数量比对照大幅减少，根系组织坏死，叶片抗氧化酶系统紊乱，丙二醛含量持续升高[4～7]。水稻、番茄等也受渍涝危害，且种质间存在耐性差异[8,9]。已有研究表明，多雨、过度灌溉或地下水位过高对花生不同基因型在不同生育期产生的影响十分明显，包括根系生长受抑，根瘤数发育不良等[10～13]。但是，上述研究仅对渍涝情况下的花生形态建成、产量因素、光合生理、根系生理、内源激素和保护酶响应等方面进行了探讨，而从解剖结构方面解析花生耐渍涝机理的研究尚未见报道。

本文以耐性品种湘花2008 与敏感品种中花4号根系为研究材料，从显微结构与超微结构等方面深入解析花生的耐渍涝机理，为耐渍涝花生育种及灾害农艺管理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

经过课题组多年室内鉴定、大田验证和大量种质聚类分析，筛选得到典型耐涝品种湘花2008和敏感品种中花4 号作为试验种质[14]，取样观测部位为根系或主根。

1.2 试验设计

采用沙培育苗法。为了让花生根系充分自由伸展和便于观测取样，使用圆柱型PVC 培养桶（直径20 cm、高度30 cm，图1A），在桶内放置韧性及强度较好的塑料袋，再在袋中安装自制的不锈钢根架结构（图1B），装入精选洁净的细沙，沙层厚度28 cm。每桶播1 粒催芽的种子，播深2 cm，3 次重复，当幼苗叶龄达到4 叶1 心时注水，使沙土面保持淹水深度2 cm（图1C），持续时间分别为3、6、9、12 d，以正常浇灌为对照（图1D）。培养室生态环境条件为温度25℃（昼）/20℃（夜），每天光照14 h，照度240µmol·m-2·s-1。

图1 自制根架结构与花生渍涝处理Fig.1 Self-made root frame structure and peanut waterlogging treatment

1.3 测定项目及方法

在渍涝处理完成后，每个处理从培养桶选取生长一致的根系用于观测如下项目：

1.3.1 根系形态学特征研究 首先将塑料袋连同根架结构从培养桶中轻轻取出，垂直放置，再将塑料袋平展于地面，采用细水流缓慢冲洗根架，洗净细沙后，将根系从根架取出，擦拭水分，放置在暗色实验台面上，选取5 个根系进行数码照相。依据表1 花生渍涝幼苗期室内沙土水培条件下根系危害度分级标准[14]，描述根色、根味状况及危害度分级。

表1 渍涝花生根系危害度分级标准Table 1 Grading standard for root damage degree of waterlogged peanut

测量根系生物量鲜重，然后105℃杀青1 h，70℃恒温烘干48 h 至恒重时，称取根系干重。各指标的耐渍系数计算如下：

根系鲜重耐渍系数=渍涝处理根系鲜重值/正常灌溉根系鲜重值。

根系干重耐渍系数=渍涝处理根系干重值/正常灌溉根系干重值。

1.3.2 显微结构观察 采用石蜡切片法制片[15,16]、光学显微镜观察。具体方法：取3 株根系的主根中段组织，采用FAA 固定1～2 d，按照常规方法制作石蜡切片，用LEICA 公司RM2135 型号切片机切片，厚度10µm，随后用蕃红—固绿染色，中性树胶封片，采用蔡司公司AXIOIMAGER A1 型号光学显微镜观察。每个根样制作3 个切片，在每张切片上选取5个横截面作为样点进行观察、拍照。

1.3.3 超微结构观察 采用树脂包埋超薄切片法[17]、透射电镜观察。具体方法：取3 株根系的主根中段组织，浸入盛有3%戊二醛的青霉素小瓶中，常温固定1～2 d，经pH 磷酸缓冲液冲洗、乙醇梯度脱水、丙酮脱水、树脂渗透包埋处理后，在LEICA 公司超薄切片机上制作90 nm 超薄切片，再经醋酸双氧铀、柠檬酸铅双重染色后，采用日立公司H-7500 型透射电镜观察主根中段细胞的超微结构、拍照。

1.4 数据处理与分析

采用EXCEL 进行数据录入、作图，用SPSS22.0进行数据分析，采用邓肯极差法进行显著性差异分析。

2 结果与分析

2.1 渍涝对不同品种花生根系颜色和气味影响

当外界条件改变尤其处于逆境胁迫状态时，通过改变根系形态结构来适应环境是植物的主要应对策略之一。从图2、表2 可看出，渍涝3 d 后，中花4号根系即开始变黄，产生臭味，而湘花2008根色和气味无明显变化；随着渍涝天数增加，6 d 和9 d 后2个品种根系均受到不同程度的危害，根尖均变黄且有臭味，中花4 号尤为明显；渍涝12 d 时，中花4 号整根乌黑，臭味异常，危害度达到5 级（最高级），湘花2008 根尖发黑，而中、上部变黄，整根也有臭味，危害度3 级。由此验证中花4 号耐渍涝性弱，而湘花2008较强。

图2 渍涝3～12 d的不同耐性品种根系形态特征Fig.2 Root morphological characteristics of different waterlogging-tolerant varieties under waterlogging for 3-12 days

表2 渍涝3～12 d的不同耐性品种根系危害度Table 2 Damage degree of root system of two cultivars under waterlogging for 3-12 days

2. 2 渍涝对不同品种根系鲜重影响

由表3 可知，正常水分条件下各品种根系鲜重均随时间推移而不断增长，而淹水后两品种根鲜重变化趋势存在差异：在淹水3～12 d 的范围内，中花4号根系鲜重先增后降，湘花2008 先增后降，之后再增长；湘花2008 根系鲜重耐渍系数高于中花4 号，说明湘花2008耐涝性强于中花4号。

表3 渍涝3～12 d不同品种根系鲜重的变化Table 3 Fresh weight of roots in different peanut cultivarsunder waterlogging for 3-12 days

2.3 渍涝对不同品种根系干重影响

如表4 所示，两品种根系干重与鲜重变化趋势不同。淹水后2 个品种变化趋势相近，均表现为先增后降，第6 d 为峰值；淹水3～9 d，湘花2008 根系干重耐渍系数均高于中花4号；淹水12 d，湘花2008根系干重耐渍系数低于中花4号。

表4 渍涝对不同品种花生根系干重的影响Table 4 Effect of waterlogging on dry weight of roots in different peanut cultivars

2.4 渍涝对不同品种根系显微结构影响

如图3A、F 所示，2 个品种3 d 的对照组主根中段组织显微结构均表现正常。淹水3 d时，中花4号（图3B）主根中段组织无明显变化，木质部呈射线状正常分布；湘花2008（图3G）木质部也正常，并出现微小的通气组织。淹水6 d 时，中花4 号（图3C）主根中段木质部开始表现异常，导管呈无规则分布；湘花2008（图3H）木质部较正常，大体呈射线状分布，出现较明显的通气组织。淹水9 d 时，中花4 号（图3D）主根中段木质部表现很不正常，导管呈无规则分布；湘花2008（图3I）木质部基本正常，大体呈射线状分布，通气组织数量增加、横截面积加大。淹水12 d 时，中花4 号（图3E）主根中段木质部表现极不正常，导管呈无规则分布，细胞壁出现破损；湘花2008（图3J）基本正常，木质部呈射线状分布，通气组织数量比淹水9 d 时增加，横截面积也扩大，细胞壁无破损现象。

图3 渍涝3～12 d不同耐性花生品种主根中段的显微结构Fig.3 Microstructure of middle part of taproot of peanut varieties with different waterlogging tolerance underwaterlogging for 3-12 days

2.5 渍涝对不同品种花生根系超微结构影响

正常浇灌下，中花4 号（图4A）主根中段细胞质浓厚，且核糖体、线粒体、粗面内质网等细胞器丰富，同样，湘花2008（图4F）主根中段细胞质浓厚，细胞核、线粒体、粗面内质网等细胞器均正常。

淹水3 d 后，中花4 号（图4B）主根中段细胞的细胞核、线粒体仍正常，但粗面内质网减少；而湘花2008（图4G）主根中段细胞的细胞核、线粒体、粗面内质网等细胞器均正常，无明显变化。

淹水6 d 后，中花4 号（图4C）主根中段细胞的细胞核、线粒体正常，但细胞质有溶解现象且细胞核染色质分布不均匀。而湘花2008（图4H）主根中段细胞的细胞核染色质仍分布均匀，细胞核、线粒体、粗面内质网基本正常。

淹水9 d 后，中花4 号（图4D）主根中段细胞的细胞质消失，但仍有正常线粒体及少量线粒体发生膨胀空泡化，嵴变得短而粗。而湘花2008（图4I）主根中段细胞的细胞核及核双层膜存在、内质网正常，线粒体基本正常，少量出现膨胀空泡化。

淹水12 d 后，中花4 号（图4E）主根中段细胞的细胞质出现溶解消失，线粒体大部分发生膨胀空泡化且嵴消失，细胞壁发生扭曲。而湘花2008（图4J）主根中段细胞的细胞核、线粒体正常，少量线粒体膨胀出现空泡化，细胞壁正常。

图4 渍涝对不同耐性花生品种主根中段细胞超微结构的影响Fig.4 Effects of waterlogging on ultrastructure of middle taproot cells of peanut varieties

3 讨论

3.1 根色和气味对花生渍涝鉴定意义

在淹涝胁迫下，根系受影响是最为直接、最为严重的部分，通常表现为根系缩小、颜色变深，还伴有臭味或其他气味[18,19]。张俊等[20]研究发现，湿涝胁迫损害花生根系正常形态，降低根系及叶片生理活力，从而影响了地上部各器官的干物质积累，最终影响了产量与品质。刘登望等[21]发现，花生在幼苗期发生渍涝造成根系变黑，水淹处理10 d 后，耐涝性越强的品种，根系颜色越接近正常，耐涝性差的品种根系颜色越深。

在3 d、6 d、9 d、12 d不同时间点，不同种类的花生的根系根色与气味都有不同程度的恶化，说明随着时间的延长，根系存在的有害物质增多，对花生根系以及其他部位的生长发育产生了严重影响。在渍涝3 d后，从根色与气味分析中花4号其根系功能受到伤害，湘花2008 无明显变化，受影响程度低于中花4 号；随着渍涝天数的增加，在6 d 和9 d，中花4号受损程度比湘花2008明显；渍涝12d时，中花4 号内部代谢与养分吸收、水分调节已紊乱，颜色以及气味严重恶化，而湘花2008 与之相比，所受影响明显较小。推测耐涝品种湘花2008 根系内部可能将有害物质进行降解并运输出去，而不耐涝的中花4 号降解能力相对较差，因此，经过较长天数的渍涝，湘花2008 受损程度轻于中花4 号，表现出耐涝性。

3.2 渍涝与花生根系重量关系

根系部分是植物器官中与水、土壤直接接触的器官，根系的发育状况对植株长势起了决定性作用。根鲜重与花生的耐涝性密切相关，一般来说，在淹水条件下的花生根鲜重越大，其对缺氧环境的适应性能越强，其抗涝性能越强，相反，若其根系鲜重减轻，其耐涝性能不强。刘登望等[21]发现，水淹10 d 后幼苗期花生根鲜重降低20.2%～67.7%，耐涝性越强的品种根鲜重越重，耐涝性差的品种根鲜重越轻。

耐渍系数是淹水后根系重量与正常浇水根系重量的比值，反映根系耐涝渍能力的强弱，数值越大，表示淹水后根系重量相对较大，说明根系较耐涝，数值越小，说明根系不耐涝。淹水3～12 d 根系鲜重耐渍系数均以湘花2008 高于中花4 号，说明湘花2008耐涝性强于中花4号。

根系干重的变化也可以直接反映根系生长状况，根系干重加大表明根系生长良好，根系干重减弱则表明根系生长衰弱，通常还伴随着根细、须根少等现象。在花生幼苗期，渍涝处理1～2 d，对其根系干重影响较小；若渍涝处理延长至4～6 d 时影响则非常大。易静等[22]研究发现，短期湿涝对整个花生品种生物量的影响，以叶片最严重，其他依次是茎秆、荚果，而根系略增重。本研究中，淹水3～9 d，湘花2008 根系干重耐渍系数均高于中花4 号；淹水12 d，湘花2008 根系干重耐渍系数反而低于中花4号，可能是因为此时湘花2008 根系通气组织较多，空腔化趋势明显。

3.3 根系显微结构与渍涝耐性关系

本试验研究结果揭示了渍涝处理对不同花生品种根系显微结构的影响。渍涝胁迫使植物根系缺氧，从而影响植物一些关键生理功能和代谢途径，这种影响也体现在根的显微结构改变上[23]。根系结构发生显著变化，皮层薄壁细胞相互融合形成了通气组织，有利于氧气的传送，从而使根系适应低氧的环境。通气组织大多分布于靠近表皮的皮层中，即位于保护组织内侧，畅通的通气组织能将植物地上部获得的氧气迅速输送到根中[24,25]。对玉米进行渍涝处理，与敏感品种相比，耐涝品种根系的通气组织更多、外皮层变厚[26]。十字花科植物通过通气组织的形成等来提高耐涝能力[27]。宋学芳等[28]以淹水处理的耐湿、敏感小麦为材料进行研究发现，耐湿小麦品种在经过水淹144 h 后，次生根上的通气组织较为发达且具有完整的结构，而对于渍涝敏感品种，尽管在其根部也产生了较为发达的通气组织，但其结构不完整。

本试验中，从淹水3 d 至12 d，敏感花生品种中花4 号主根中未观察到明显的通气组织，在淹水后期，根结构出现破损，影响了植株对氧气等的传输。与之相比，从淹水3 d开始，耐涝的湘花2008主根中就出现了通气组织，随着淹水时间的增加，通气组织越来越明显，表现为数量增加、横截面积加大。因此，湘花2008比中花4号更能适应渍涝环境。

植物根系木质部的导管主要运输水分和无机盐。渍涝环境降低了泽泻的根密度和后生木质部的导管直径[29]。渍涝明显增加了山芫荽的茎木质部的木质化[30]。张昊等[31]将棉花营养液漂浮育苗新技术与常规基质育苗（对照）相比较发现，漂浮苗的主根韧皮部能够正常生长，而木质部生长则出现弱化现象，与对照相比，导管直径缩小，导管占中柱的比例也变小。渍涝的风毛菊次生根皮层变薄、直径小的导管数量变多[32]。曲桂敏等[33]研究发现，在水涝胁迫下，苹果根的导管比正常供水时发达。陈银华等[34]研究结果表明：水涝胁迫下，辣椒根的木质部增多，导管直径变大，有助于水分的纵向运输，将水分尽量散失，从而达到适应水涝环境、保护自身的目的。

本试验中，从淹水6 d 至12 d，敏感花生品种中花4 号主根中段木质部表现不正常，导管呈无规则分布。与之相比，湘花2008主根中段木质部从淹水3 d至12 d始终保持正常，导管大体呈正常射线状分布。湘花2008的主根木质部及导管的状况比中花4号更稳定，可以保持根系水分运输。因此，在渍涝胁迫下，湘花2008比中花4号具有更强的适应性。

3.4 根系超微结构与渍涝耐性关系

在水分胁迫环境下，植物细胞的超微结构将发生相应的变化，细胞质膜形状似波浪，会产生质壁分离，同时还会改变线粒体嵴等，如线粒体的嵴变薄且数量减少、缺失，间质减少，基质变透明。对大麦进行渍涝处理，耐涝品种的细胞间隙比敏感品种更多[35]。朱云集等[36]研究表明，生长期的小麦在遭受渍水时，根成熟区内的细胞、超微结构与对照相比存在差异，其细胞器发生了不同程度的改变，甚至导致细胞整个结构崩溃。宋学芳等[28]以淹水处理的耐湿、敏感小麦为材料，对次生根皮层细胞超微结构变化进行研究得出，细胞核遭受12 h 淹水时会发生变形，染色体在24 h 后会形成凝集，核膜会变得比较模糊，细胞壁则会变得更加透明，核膜在经过48 h 后的淹水时会发生破裂，细胞核将会被解体，细胞壁则会被降解，皮层细胞在遭受淹水后会导致程序化死亡。棉花营养液漂浮育苗1 叶1 心期漂浮幼苗主根尖细胞中出现酚类物质，2叶1心期皮层细胞之间存在明显的细胞间隙，3叶1心期出现淀粉粒，4 叶1 心期出现含晶细胞，细胞出现明显的质壁分离现象[31]。

本试验中，正常浇灌下的2 个品种细胞的细胞质浓厚且核糖体、线粒体、粗面内质网等细胞器丰富。淹水3 d 时，2 个品种均是正常状态，可能是因为渍涝处理天数较短，植物本身启动了自我保护机制，如调控相关渍涝基因，进而引起生理生化改变等，可以在短时间内保护植物较少受水分的毒害作用。然而在淹水6 d 至12 d，中花4 号细胞质、粗面内质网不断减少，最后消失，线粒体也不断减少，直至细胞壁扭曲与细胞死亡。与之相比，湘花2008虽然细胞核、线粒体数量也有减少，但结构基本稳定，从而维持根和植株基本的生长。

4 结论

渍涝胁迫下，敏感品种中花4 号根系最早受到伤害，根系受影响最大，造成颜色以及气味的严重恶化，根系严重受损。而耐性品种湘花2008虽根系中、上部根色变黄，且出现臭味，但较之中花4号，所受影响明显较小，耐涝性能优势明显。中花4 号主根未形成明显的通气组织，木质部导管呈不规则分布。湘花2008主根出现了通气组织，且随着淹水时间的增加，通气组织数量增加、横截面积加大，主根中段木质部基本保持正常，导管大体呈正常射线状分布。中花4 号细胞器受渍涝胁迫较敏感，加速衰老死亡。湘花2008主根细胞内细胞核、线粒体虽同样受到影响，但仍能维持细胞活动，保持根系生长状态。

该研究首次阐明了花生耐涝品种比敏感品种在根系形态、显微结构与超微结构方面的优势，该结论对于指导耐性品种培育、渍涝灾害管理具有重要意义。