外源一氧化氮及不同修剪高度對高羊茅根形態特征的影響

馬艷芳， 張旭虎， 孟雯雯， 柴 睿， 祁彥文， 許岳飛

(西北農林科技大學 動物科技學院 草業科學系， 陜西 楊凌 712100)

草坪深入人們的生產和生活，對人類賴以生存的環境起著美化、保護和改善的良好作用。高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb.)是一種重要的冷季型多年生牧草和草坪草，其根系深，植株強健，具有良好的耐熱性和較強的抗旱、抗寒和抗病蟲害能力。近年來，高羊茅已被廣泛應用在園林綠化，城市綠地和水土保持等領域。

修剪是重要的草坪管理措施之一。修剪可增加草坪草分蘗數，從而增加草坪草密度[1]，減少雜草入侵[2]，提高草坪草的抗病性[3]及外觀和使用質量。合理修剪還可以控制草坪草高度，使草坪保持平整美觀，顏色一致，提高草坪的均一性，抑制雜草的生長，促進草坪草的生長，增加草坪的耐踐踏性和彈性。但是，不合理修剪會對草坪草正常生長造成破壞，使草坪植物光合器官損傷，生長中心破壞，從而影響草坪植物的正常生長發育[4]。因此在水肥熱適宜情況下，修剪就成為控制草坪植物生長及其種群特征的主導因子[5]。不同修剪高度和修剪頻率對高羊茅生長期的生長狀況和草坪質量的影響不同，例如南京地區高羊茅管理上應該采用6～9 cm修剪高度和1～2周修剪頻次[6]。

目前，一氧化氮(NO)作為重要的信號分子廣泛存在于植物細胞內和細胞間，調節并參與許多植物根系生長發育的生理過程[7-8]。我們前期研究了外源NO和Ca2+對不同光強下高羊茅抗氧化系統的調控效應[9-10]，研究發現外源NO對不同光照強度下高羊茅根系有一定調節作用，關于外源NO對修剪脅迫下植物根系調控的研究未見報道。因此本試驗以高羊茅為材料，研究外源NO對不同修剪高度下高羊茅根系形態特征的影響，探討NO對高羊茅不同修剪高度下的調節作用，旨在為草坪科學管理和草坪草新品種分子設計、選育和遺傳改良提供技術支持和科學基礎。

1 材料與方法

1.1 材料培育與試驗設計

供試材料為高羊茅(FestucaarundinaceaSchreb. )的‘Arid3’品種，由北京克勞沃草業技術開發中心提供。種子經0.1%次氯酸鈉溶液表面消毒，蒸餾水沖洗數次后，置于直徑17 cm，高21 cm的裝有石英砂基質的黑塑料盆中萌發，每盆3株，培養條件為：16 h光期/8 h暗期；光強：100/0 μmol·m-2·s-1；相對濕度：60%；溫度：25±2℃，采用Hoagland營養液培養，幼苗每3 d澆1次。培養28 d后對植株進行修剪處理和NO處理。修剪高度(也稱留茬高度)分別為0 cm，1 cm，3 cm，5 cm和7 cm，以不修剪為對照(CK)，同時采用0.1 mM硝普鈉(sodium nitroprusside，SNP)澆灌法對高羊茅進行外源NO添加。試驗設計12個處理，分別為： 0 cm，0 cm + SNP，1 cm，1 cm + SNP，3 cm，3 cm + SNP，5 cm，5 cm + SNP，7 cm，7 cm + SNP，CK(對照)和CK + SNP，每個處理3次重復，7 d后進行相關指標的測定。

1.2 測定項目及方法

用根掃描儀(PerfectionV700Photo，Epson，Japan)對根系進行掃描，掃描時將根系輕輕放入特制的透明托盤中，并且加入3～5 mL水以避免根系分支的相互纏繞影響數據的準確度，掃描后保存圖像，采用WinRHIZOPro 2012分析程序對圖像進行分析，得到總根長，根表面積，總體積，根平均直徑，根尖數，分支數，交叉數等指標。

1.3 數據分析

采用SPSS 18.0對不同修剪高度下高羊茅根系形態指標的數據進行One-way ANOVA單因素方差分析，若有顯著性差異，應用Duncan′s法對平均值進行多重比較，利用SigmaPlot 12.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 一氧化氮對不同修剪高度下高羊茅總根長的影響

修剪高度為0 cm和5 cm的高羊茅總根長與對照組差異達到顯著水平(P<0.05)，與對照相比分別減少43.12%和27.76%。而修剪高度為1 cm，3 cm和7 cm的高羊茅總根長與對照差異沒有達到顯著水平(P>0.05)。另外，所有SNP處理下不同修剪高度的高羊茅的總根長均比未經NO處理的要大，而且對1 cm和3 cm效果最為顯著，與對照相比分別增加28.61%和28.24%。結果表明，修剪高度為0 cm不利于植物生長發育，而施加SNP可以顯著提高不同處理高羊茅的總根長(圖1)。

圖1 外源NO對不同修剪高度下高羊茅總根長的影響Fig.1 Effects of SNP on the total root length of tall fescue under different mowing height

2.2 一氧化氮對不同修剪高度下高羊茅根平均直徑的影響

不同修剪高度對高羊茅根平均直徑有較大影響，不同修剪高度下根平均直徑變化規律為CK > 7 cm> 3 cm > 1 cm> 5 cm > 0 cm，其中7 cm和CK的差異未達到顯著水平，并且0 cm，1 cm和5 cm的差異也未達到顯著水平。施加SNP可以顯著增加高羊茅根平均直徑，并且減輕了不同修剪高度對高羊茅根平均直徑的影響。這說明在一定修剪高度范圍內，添加NO可以使高羊茅根系直徑增加，促進根系生長(圖2)。

圖2 外源NO對不同修剪高度下高羊茅根平均直徑的影響Fig.2 Effects of NO on the average root diameter of tall fescue under different mowing height

2.3 一氧化氮對不同修剪高度下高羊茅根表面積的影響

不同修剪高度對高羊茅根表面積的影響不同。由圖3可知，修剪高度為1 cm和3 cm時高羊茅根表面積相比對照呈顯著性差異(P<0.05)，分別增加了20.29%和19.82%。而修剪為0 cm和5 cm時高羊茅根表面積小于對照。施加NO后根表面積均增大，變化規律與不加SNP處理基本一致。

2.4 一氧化氮對不同修剪高度下高羊茅根體積的影響

由圖4可知，不同修剪高度對根體積的影響較大，修剪高度為0，1，3，5和7 cm的高羊茅根體積與對照相比分別降低70.90%，42.71%，26.26%，58.82%，15.54%和26.09%。施加NO后不同修剪高度下高羊茅根體積均有所增加，與不加NO相比，高羊茅根體積分別增加了71.07%，119.25%，122.26%，132.73%，58.81%和39.17%。在CK+SNP處理下高羊茅根體積增加比例較小，說明NO對修剪后的高羊茅作用效果較為明顯。

圖3 外源NO對不同修剪高度下高羊茅根表面積的影響Fig.3 Effects of NO on the surface area of roots of tall fescue under different mowing height

圖4 外源NO對不同修剪高度下高羊茅根體積的影響Fig.4 Effects of NO on the root volume of tall fescue under different mowing height

2.5 一氧化氮對不同修剪高度下高羊茅根尖數的影響

從圖5可以看出修剪高度為5 cm和7 cm時高羊茅根尖數與CK相比差異不顯著，修剪高度為0 cm，1 cm和3 cm時高羊茅根尖數顯著低于CK，分別降低46.88%，26.73%，32.85%。施加NO后不同修剪高度下高羊茅根尖數增加明顯，表明NO可以促進根代謝，提高根尖細胞活躍度。施加NO后修剪高度為0 cm時高羊茅根尖數顯著低于1 cm和3 cm，與未加NO時規律不同，這表明修剪高度為0 cm時對高羊茅根系傷害較大，外源NO只能在一定修剪高度范圍內起到調節保護作用。

2.6 一氧化氮對不同修剪高度下高羊茅分叉數的影響

由圖6可以看出，修剪高度為5 cm的高羊茅分叉數最多，為425個，是CK的1.07倍。修剪高度為0 cm，1 cm和3 cm的高羊茅分叉數最少且顯著低于CK，其分叉數大小順序為3 cm>1 cm>0 cm。施加NO對修剪后的高羊茅分叉數有顯著的促進作用，修剪高度為5 cm加NO的高羊茅分叉數高達1734個，是CK加NO的1.33倍。

圖5 外源NO對不同修剪高度下高羊茅根尖數的影響Fig.5 Effects of NO on the number of root tips of tall fescue under different mowing height

圖6 外源NO對不同修剪高度下高羊茅分叉數的影響Fig.6 Effects of NO on the number of root forks of tall fescue under different mowing height

2.7 一氧化氮對不同修剪高度下高羊茅交叉數的影響

不同修剪高度對高羊茅交叉數的影響規律與分枝數基本一致(圖7)。施加NO顯著提升了不同修剪高度下高羊茅的交叉數。在施加NO的情況下，修剪高度為0 cm，1 cm和3 cm時高羊茅根部交叉數遠低于修剪高度為5 cm時。

圖7 外源NO對不同修剪高度下高羊茅交叉數的影響Fig.7 Effects of NO on the number of root crossings of tall fescue under different mowing height

3 討論與結論

修剪是草坪管理中常見的手段之一，對其研究具有深遠的理論和現實意義。修剪可以使草坪平整，均勻，使葉片加密，具有整齊性和美觀性，提高草坪質量。另外修剪還可以減少枯草層的形成，延遲草坪的退化[11]。在我們前期研究中，從高羊茅根系抗氧化系統和植物激素的角度闡釋了修剪后高羊茅的反應機制，發現不同修剪高度對高羊茅根系的生理變化的影響各不相同[12]，因此高羊茅根系形態也必然相應的呈現不同的變化。本試驗中，通過根系掃描儀對不同處理的根系進行掃描后統計分析了總根長，根表面積，根體積，根平均直徑，根尖數，分枝數和交叉數7個形態指標。通過數據分析發現不同修剪高度修剪對高羊茅根形態的影響較大，修剪強度不同，高羊茅根形態也具有較大的差異性,并且反映出修剪強度越高，對根形態產生的影響越大。

根長決定了根系吸收水分及養分的能力[13]。總根長越長則根的延展能力越強，因此，根系利用土體中的水分和養分的空間越大[14]。本試驗中修剪高度為1 cm和3 cm時，高羊茅根長顯著高于修剪高度為5 cm，這表明修剪高度為1 cm和3 cm時能夠促進高羊茅根系的伸長生長，這可能是由于根系對修剪產生的適應性而產生了“補償效應”[15]。而修剪高度為7 cm時高羊茅根系長度也大于修剪高度為5 cm的，這可能暗示著當修剪高度大于一定水平時根系長度與修剪高度正相關，這與以前的研究類似[16]。施加NO后，高羊茅根系長度明顯增加，這表明NO可以緩解修剪帶來的傷害，促進根系生長。根尖能很好的反映根系生理活性的活躍程度，并且是根系吸收水分，養分的作用指標[17]。據Hayashi等研究表明，根的代謝能力與根尖細胞的活躍度成正比[18]。本試驗中修剪高度為5 cm，7 cm時根尖數與CK未呈顯著性差異，而更低的修剪高度會造成根代謝活力下降，這可能是由于修剪過多對高羊茅植株造成了一定的損傷。施加外源NO后根尖數顯著增加，這表明NO可以提高根系活力。關于NO如何提高根系活力的研究已經有所報道，如水稻受到鋁脅迫時，硝酸還原酶途徑(NR)是根尖內源NO產生的主要途徑[19]，而在修剪后高羊茅NO如何合成并影響根尖數仍有待于進一步研究。

總之，不同修剪高度對高羊茅根形態的影響各不相同。外源NO對不同修剪高度下的高羊茅有修復根形態和促進根系生長的作用。試驗結果表明影響高羊茅根形態的7個指標呈現的規律為：隨著修剪高度的增加，根長、根表面積、根體積和根平均直徑表現為先增加后減小再增加，修剪高度為1 cm和3 cm的高羊茅的根長和表面積最大；根尖數、交叉數、分枝數則隨著修剪高度的增加而減小。外源NO對修剪后高羊茅的根尖數、交叉數和分枝數的促進作用遠遠大于對總根長、根體積、根表面積和根平均直徑的促進作用。為更好闡釋NO調控修剪后高羊茅根系形態的機制，需要從植物激素和抗氧化系統等其他角度進行更深一步研究。