干旱脅迫對紅寶石海棠根系形態及生理特性的影響

鄭淼, 郭毅, 王麗敏

(山西林業職業技術學院園林系, 太原 030009)

紅寶石海棠(Malusmicromaluscv. ‘Ruby’)是薔薇科蘋果屬落葉小喬木，因其枝、葉、花、果均呈紅寶石色，因此又名“紅葉海棠”。紅寶石海棠枝條發出的新葉呈紅色，嫩芽更紅，果實呈鮮紅，極具觀賞性，可以作為觀賞花木栽培；果實成熟后酸甜適口，營養豐富，也可以作為名優水果栽培；其樹冠修剪簡單，容易造型，樹形優美，亦可作為盆景栽培。紅寶石海棠具有較強的適應性，喜光不耐陰，耐瘠薄、耐寒冷、耐輕度鹽堿[1]，且對SO2的抗性較強，非常適合作為城市道路綠化的行道樹，是我國北方城市道路綠化的主要優良樹種。

關于紅寶石海棠的研究報道較少。劉曉芳等[1]研究了適應于新疆的紅寶石海棠栽培的整地、移栽、嫁接及快速育苗等技術；張文軍[2]介紹了紅寶石海棠的嫁接育苗及苗木管理技術；劉興旺等[3]對紅寶石海棠的生物學特性、適生區域、引種繁育技術及其應用進行了研究。劉曉芳等[4]通過抗寒性、抗旱性、耐鹽堿性、觀賞性等指標來建立生長適應性評價體系。也有部分學者就紅寶石海棠枝葉顏色的影響因子[5]及遺傳特性[6]等方面開展了研究，為進一步提升其觀賞性提供了技術支持。紅寶石海棠作為北方城市的主要行道樹種被廣泛應用，但是由于對其抗旱性能及機理未見報道，關于其根系對干旱環境的適應性能了解不夠，給城市綠化管理帶來了極大的不便。基于此，本文研究了不同程度干旱脅迫對紅寶石海棠根系形態特征及其生理特性的影響，探討其耐旱機理，為紅寶石海棠的栽培管理和推廣應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年在山西省太谷縣小白鄉白燕村綠美苗木基地開展，采用盆栽控水法，材料為株高、長勢一致的一年生紅寶石海棠實生苗。盆栽用盆為塑料花盆，規格為330 mm×230 mm×250 mm(上口直徑×底部直徑×高)。每盆裝自制營養土10 kg，營養土配比為土壤：農家肥：粗砂=6∶3∶1(質量比)。于2015年秋季移栽，每盆1株，移栽時苗木莖高約25 cm。栽后置于日光溫室內進行常規管理。

1.2 試驗設計

試驗設置5個水分梯度，各處理土壤相對含水量分別為85%±5%(CK)、70%±5%(T1)、55%±5%(T2)、40%±5%(T3)、25%±5%(T4)，每個處理3次重復，每個重復5株植株。移栽后正常水分管理，2016年4月10日開始控水處理，試驗期間每天18：00稱重(整盆)，補充消耗水分，保證各處理的土壤水分含量在設定區間內。控水60 d后，選擇代表性植株，將根系沖洗干凈用于測定根系形態特征，另取代表性植株根系測定根系活力等指標。

1.3 測定指標及方法

參照李合生[7]方法測定以下指標：游離脯氨酸(proline, Pro)含量采用酸性茚三酮比色法；可溶性蛋白質(soluble protein, SP)含量采用考馬斯亮藍法；丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量采用硫代巴比妥酸(thiobarbituric acid，TBA)法；可溶性糖(soluble sugar, SS)含量采用蒽酮比色法；過氧化物酶(peroxidase，POD)活性采用愈創木酚法；過氧化氫酶(catalase，CAT)活性采用紫外分光光度法。參照張志良等[8]采用TTC還原法測定根系活力。利用Epson Expression 1680掃描儀(Japan)和Win Rhizo Pro 2004根系分析軟件(Canada)測定總根系長度(cm) 、表面積(cm2)、總體積(cm3)和根尖數等根系形態指標。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2003進行數據處理和圖表制作，方差分析采用SPSS 19.0進行。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫對根系形態特征的影響

不同程度干旱脅迫的根系形態特征結果見表1。可知，干旱脅迫影響紅寶石海棠的根系形態特征，隨干旱脅迫強度增加，根系的總長度、表面積、總體積和根尖數均呈逐漸增加后降低的趨勢。根系的總長度、表面積、總體積均以T3處理最大，分別較CK增加了27.08%、70.82%和61.07%；脅迫強度繼續增加(T4)后，這些值又下降至低于CK的值(分別較CK降低1.29%、15.49%和16.64%)。根尖數以T2處理最多(較CK增加50.38%)，T4最少(較CK降低26.91%)。

表1 干旱脅迫對紅寶石海棠根系形態特征的影響Table 1 Effect of drought stress on root morphological characteristic of M. micromalus cv. ‘Ruby’

說明紅寶石海棠在土壤相對含水量為40%～55%時最有利于根系的生長發育，相對含水量持續降低則引起根系的生長受阻、新根發生減少。

2.2 干旱脅迫對根系活力的影響

植物根系對水分脅迫較為敏感，水分虧缺將加速根系衰老，導致其活力下降，進而降低吸收水分和養分的能力。由圖1可知，干旱脅迫影響紅寶石海棠的根系，隨干旱脅迫程度增加，根系活力呈先升高后降低的趨勢。T1處理的根系活力最強，極顯著高于CK處理，較CK提高15.46%；T3、T4處理的根系活力極顯著低于CK處理，分別較CK降低39.67%和151.96%。說明當土壤相對含水量維持在55%以上時，紅寶石海棠可保持較強的根系活力，降低將會導致根系活力下降。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異在P<0.01水平具有統計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.圖1 干旱脅迫對紅寶石海棠根系活力的影響Fig.1 Effect of drought stress on the root activity of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.3 干旱脅迫對滲透調節物質的影響

游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白是植物應對干旱脅迫的重要滲透調節物質。不同干旱脅迫處理的紅寶石海棠根系脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量結果見圖2。可知，隨干旱脅迫程度的增加，根系內脯氨酸和可溶性糖含量均呈逐漸上升趨勢。T2、T3、T4處理的脯氨酸含量均較CK處理極顯著升高；處理T1、T2、T3、T4的可溶性糖含量均較CK處理極顯著升高。隨干旱脅迫強度增加可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢，T1、T2處理極顯著高于CK處理，分別提高18.76%和31.77%，二者差異不顯著，T4處理的可溶性蛋白含量極顯著低于CK處理，降低了20.26%。說明當紅寶石海棠遭遇干旱脅迫時，可通過自身調節提升游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白等滲透調節物質的含量，以降低細胞滲透勢和水勢、保護膜系統，維持細胞代謝正常。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異在P<0.01水平具有統計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.圖2 干旱脅迫對紅寶石海棠根系的游離脯氨酸、可溶性糖和可溶性蛋白含量的影響Fig.2 Effect of drought stress on the content of Pro, SS and SP of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.4 干旱脅迫對MDA含量的影響

當植物處于逆境脅迫時，細胞內累積的活性氧可直接攻擊膜系統中的不飽和脂肪酸，導致膜脂發生過氧化而產生丙二醛，進而導致生物膜的結構和功能受到損傷或破壞[9]。因此，丙二醛含量的高低可在一定程度上反映細胞膜結構的受害程度[10]。由圖3可知，隨干旱脅迫程度增強紅寶石海棠根系的丙二醛含量呈持續增高趨勢，處理T1、T2、T3、T4較CK處理分別增加32%(T1)、93%(T2)、138%(T3)和182%(T4)，各處理間極顯著差異。作為膜脂過氧化產物，丙二醛含量隨著干旱脅迫程度增強而升高，說明干旱脅迫導致的紅寶石海棠根系膜系統受損程度隨脅迫強度增加而加重。因此，在管理過程中盡量避免因過度干旱造成的根系損傷。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異在P<0.01水平具有統計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.圖3 干旱脅迫對紅寶石海棠根系MDA含量的影響Fig.3 Effect of drought stress on MDA content of M. micromalus cv. ‘Ruby’

2.5 干旱脅迫對過氧化物酶和過氧化氫酶活性的影響

不同程度干旱脅迫對過氧化物酶和過氧化氫酶活性的影響結果見圖4。可以看出，隨著干旱脅迫強度的增加，紅寶石海棠根系的POD活性呈逐漸增強的趨勢，與CK相比，干旱脅迫處理的POD活性分別提高了37.25%(T1)、92.89%(T2)、128.25%(T3)和135.36%(T4)；除T3與T4外，POD活性在處理間呈顯著差異。CAT活性隨干旱脅迫強度增加呈先升高后降低的趨勢，CAT活性以CK最低，T2最高；CK與T1間、T3與T4間差異未達到極顯著水平。T2的CAT活性顯著高于其他處理，比CK提高了51.61%。由此可知，持續增強干旱脅迫強度后，POD活性也隨之增加；但CAT活性在土壤相對含水量降至55%(T2)時達最高，如果再降低土壤含水量則CAT活性持續降低，這可能導致活性氧不能被及時有效清除，造成膜脂過氧化而傷害根系。

注：不同大寫字母表示不同處理間差異在P<0.01水平具有統計學意義。Note: Different capital letters indicate significant difference between different treatments at P<0.01 level.圖4 干旱脅迫對紅寶石海棠根系的過氧化物酶和過氧化氫酶活性的影響Fig.4 Effect of drought stress on POD and CAT activities of M. micromalus cv. ‘Ruby’

3 討論

植物受到干旱脅迫時，根系首先感受脅迫并發出信號，使整個植株對干旱做出相應反應以適應干旱環境[11]。當脅迫程度加劇或脅迫時間持續時，植物根系的形態特征和生理特性將產生變化以適應并緩解干旱，直至發生不可逆的死亡。本研究顯示，適度干旱脅迫可促進紅寶石海棠根系生長發育，增加根系的總長度、表面積、總體積和根尖數；但持續增強干旱脅迫后，根系的總長度、表面積、總體積和根尖數呈極顯著下降趨勢。這主要是因為干旱條件下植物通過延長根系長度、增加根系數量來實現在較大范圍內吸收土壤水分以緩解干旱對其自身造成的傷害，但干旱脅迫強度超過根系耐受范圍時將限制根系生長發育。研究者們在玉米[12]、杉木[13]、頂果木[14]、蘋果[15]的研究也得到了類似結果。

根系是植物吸收水分和礦質營養的主要器官，根系活力的大小反映吸收能力的強弱。水分脅迫時會影響根系的吸收能力[16]。本研究中，輕度干旱提高了紅寶石海棠的根系活力，這與侯夢圓等[17]研究結果一致；持續增加干旱脅迫強度后根系活力則持續下降，這與王智威等[18]的研究結果一致。這主要是因為植物根系對干旱脅迫的忍耐能力是有限的，超過這個限度后就會對根系造成傷害[19]。

滲透調節是植物適應水分脅迫的重要調節機制之一[20]。當植物受到干旱脅迫時，細胞主動生成滲透調節物質來提高細胞液濃度、降低其滲透勢從而增強植物保水能力[21]。本研究顯示，隨干旱脅迫程度增強，紅寶石海棠根系的可溶性糖和游離脯氨酸含量呈逐漸升高趨勢，且處理間存在極顯著差異。研究者們對珠美海棠[22]和八棱海棠[23]的研究也得出類似結果。本研究發現，隨干旱脅迫強度增加，根系可溶性蛋白含量呈先升高后降低的趨勢。這主要是因為輕度干旱促進細胞維持較高濃度的可溶性蛋白質來抵抗干旱脅迫傷害[24]，但干旱脅迫過強又抑制了蛋白質的合成并誘導蛋白質降解，從而降低總蛋白質含量[25]。本研究中，干旱脅迫增強極顯著地誘導根系MDA含量升高，主要是因為干旱脅迫增強導致細胞內積累的活性氧增多，造成膜脂發生過氧化產生更多MDA。學者們在研究干旱脅迫對山核桃[26]、桂花[27]等植物的影響時也得到類似結果。

干旱脅迫導致植物細胞活性氧代謝失衡，活性氧累積進而傷害細胞[28]。POD和CAT具有清除細胞內過剩活性氧的功能，是植物清除活性氧的關鍵保護酶[29]。本研究顯示，干旱脅迫在一定程度上提高了紅寶石海棠根系的POD和CAT活性，隨干旱脅迫強度增加，POD活性呈逐漸增強趨勢，而CAT活性呈先升高后降低的趨勢。張桂霞等[22]報道，珠美海棠實生苗遭遇干旱脅迫時，其葉片的CAT活性也呈逐漸升高的趨勢。也有報道顯示，干旱脅迫下將導致西府海棠實生苗、貼梗海棠實生苗和貼梗海棠扦插苗的POD活性升高[30]。鄧勝興等[31]在研究干旱脅迫與柑橘葉片酶活性時發現，隨干旱脅迫增強，POD活性呈先升高后降低的趨勢，而CAT活性則呈降低趨勢。高興國等[32]發現，隨干旱脅迫程度加劇，葉片中的POD與CAT酶活性均先上升后下降。這主要是因為，植物在受到水分脅迫時，細胞內將產生過剩的活性氧自由基，導致膜脂過氧化而傷害膜系統。為了降低這種損害，植物體內的保護酶(如：CAT、POD等)含量升高以清除自由基，從而起到保護植物的作用[33]。

綜上所述，適度干旱可促進紅寶石海棠根系的生長發育，提升根系的吸收能力；根系可以通過調整保護酶活性(POD、CAT)和可溶性物質含量(SS、SP和Pro)來提高其對干旱脅迫的抵抗能力，從而有效防止因膜脂過氧化而對根系造成的傷害。綜合考慮各指標認為，土壤相對含水量為55%為紅寶石海棠的最適灌水閥值，當土壤相對含水量降低至55%以下將對根系造成傷害，此值可作為紅寶石海棠栽培水分管理的依據。