干旱脅迫下氮添加對白刺根系形態和內源激素的影響

陳曉娜，李清河，段 娜*，劉 芳，高君亮，趙納祺

(1. 中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心，內蒙古 磴口 015200；2. 中國林業科學研究院林業研究所，國家林業局林木培育重點實驗室，北京 100091)

【研究意義】化石燃料燃燒、化肥的過量施用以及不合理利用等人為干擾，致使陸地生態系統中的氮沉降逐漸增加，全球氮沉降量高達63 Tg yr-1(1 Tg = 1012g)[1]。目前由氮沉降劇增帶來的陸地生態系統結構與功能的改變引起廣泛關注[2]。氮是陸地生態系統中影響植物生長發育的主要元素，陸地生態系統中的植物群落特征與地上生產力都和氮沉降增加有著密不可分的關系[3]。氮沉降能夠改變土壤理化性質、微生物群落組成與結構、植物群落組成與結構等。內蒙古自治區磴口縣地處我國西部烏蘭布和沙漠東北緣，氣候干旱，降水稀少，水資源短缺是阻礙該地區植物正常生長的重要因素之一，特殊的氣候原因使干旱半干旱區的氮輸入形式常常是伴隨降水等形式形成短時期充足的營養供給，然后一部分為植物吸收、微生物固定提供能源，另一部分則隨土壤下滲。在氮素缺乏的環境中，氮沉降能夠促進植物的氮吸收效率和光合同化能力，進而提高生產力。但是，過多氮素的攝入，也會對植物體內碳的分配格局產生影響，減弱植物的光合同化能力[4]。因此，研究干旱地區氮沉降對植被生長狀況的影響，為當地合理利用氮提供具體詳細的理論依據十分必要。內源激素是植物新陳代謝的調控者，內源激素和植物的應激反應與形態學的適應性變化關系密切。根系是植物吸收水分與養分的重要器官，也是合成氨基酸與多種激素的主要場所[5-6]。【前人研究進展】近年來，有關干旱脅迫下，氮素對植物生長發育和內源激素關系的報道日漸增多，但研究對象主要為農作物。劉瑞顯[7]研究發現，水分脅迫下對花鈴期棉花(Gossypiumhirsutum)施氮能夠促進其體內IAA含量和GA含量的合成。徐國偉[8]發現，在保持水層和輕度干濕交替下，對玉米(Zeamays)施氮后的根系ZR含量、IAA 含量逐漸增加；而在重度干濕交替下，隨著施氮量的增加，其含量呈先增加后降低的趨勢；中等氮含量能夠明顯提高氮肥利用效率。李雙[9]研究發現，水分氮肥脅迫會抑制番茄(LycopersiconesculentumMill.)根系生長，對根系于地上部分JA含量積累也產生不利影響。目前，有關養分條件下植物內源激素和樹木生長發育狀況關系的研究相對罕見[10]，特別是針對水分供給不足的干旱半干旱地區的荒漠灌木，結合水分脅迫條件的氮沉降研究更為罕見。然而，植物體內水分狀況很大程度上受土壤氮含量的限制，土壤氮含量充足是保證植被正常生長的首要前提之一，缺少氮素通常會改變植物自身代謝以及生理過程，其中對植物水分的影響是最明顯的[11]。【本研究切入點】本文以烏蘭布和沙漠先鋒植物——唐古特白刺(Nitrariatangutorum)為研究對象，通過盆栽模擬試驗，研究干旱條件下氮素對其根系生長及葉片內源激素的影響，深入了解氮添加對干旱地區白刺生長狀況的影響。【擬解決的關鍵問題】為荒漠生態系統的可持續發展提供必要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心院內進行。3月選擇大小均勻且飽滿的唐古特白刺種子在營養缽中進行育苗，每缽1粒種子，5月選擇大小相對一致的幼苗移栽至PVC花盆中(直徑*高=16 cm×40 cm)，基質為當地腐殖質多、鹽堿低的農田表土與細沙1∶1(V/V)的混合土壤。盆底周圍設有大小均勻的孔隙以維持盆內白刺根系通氣良好。為避免取根時破壞根系，花盆底部采用可拆卸裝置。試驗開始即搭建遮雨棚，晴天打開遮雨棚，使白刺接收自然光照，雨天放下塑料薄膜，避免降雨對試驗造成誤差，苗期對其進行正常管護工作，待白刺幼苗有大量葉片展開時開始施用氮肥(含氮量46.7 %的尿素)。根據該地區不同生境的實際土壤氮含量，本試驗氮含量共設置4個梯度0、6、36、60 mmol·L-1，將各處理所需質量的氮肥溶于1 L蒸餾水中，均勻地噴施到花盆中。施肥結束后控制澆水量為田間持水量的20 %～40 %，保證白刺成活即可。每處理25個重復。

1.2 測定指標與方法

8月選取成熟且未老化的白刺葉片進行內源激素的測定。葉片取下后迅速放進預先編好號的自封袋中，立即放入液氮灌。葉片從采集到投入液氮灌時間保證在2 min內。取樣完成后送至中國科學院植物研究所測定內源激素。將樣品置于提前預冷且加入液氮的研缽中研磨至粉末，將粉末快速裝進旋蓋EP管中，用3～4層擦鏡紙包裹，利用皮筋扎緊管口。放置凍干機中抽真空，在完全避光的狀態下凍干48 h。凍干后，取出試驗樣品擰上原來的蓋子，置于冰箱(-20 ℃)干燥保存備用。采用Agilent 7000B(三重四級桿質譜)、Agilent 7890c(氣象)，加入相關穩定同位素內標對白刺體內生長素(IAA)、脫落酸(ABA)、赤霉素(GA)含量進行測定。

9月將白刺根系取出，根系洗干凈后采用EPSON掃描儀獲取根系的形態圖像，利用Win Rhizo Pro 2007根系分析系統軟件進行根系體積、根系表面積、根尖數等指標的測定。

1.3 數據分析

采用Excel統計軟件對試驗數據進行整理，并計算其均值和標準誤差。利用SPSS 17.0 對數據進行顯著性差異分析(Duncan法)和相關分析。

2 結果與分析

2.1 氮添加對白刺根長的影響

本文將根系徑級d<1 mm劃分為細根，d<3 mm劃分為小根，3 mm

2.2 氮添加對白刺根系形態的影響

由表2可知，干旱條件下，氮添加會促進白刺表面積、體積以及根尖數的增加。方差分析顯示，氮添加對白刺根系表面積和體積的影響較顯著(P<0.05)，白刺根尖數差異不顯著(P>0.05)。白刺根系表面積在氮濃度為36 mmol·L-1時達到最大值，為155.74 cm2，較不施氮處理增加46.80 cm2，多重比較分析顯示，4個氮處理間差異均較顯著(P<0.05)。白刺根系體積隨氮濃度的增加呈逐漸增加的趨勢，當氮濃度達60 mmol·L-1時，根系體積最大，此時體積與不施氮處理形成顯著差異(P<0.05)，6 和36 mmol·L-1氮添加對白刺根系體積影響也均較明顯。對于白刺根尖數而言，僅36 mmol·L-1的氮素對其影響顯著(P<0.05)，此時根尖數較不施氮處理增加了408.67個。

2.3 氮添加對白刺內源激素的影響

由表3可知，氮添加會促進白刺體內IAA含量合成，但是促進效果不強，各處理間差異均不顯著(P>0.05)。方差分析顯示，氮添加對白刺體內ABA含量影響較顯著(P<0.05)，氮濃度為6 mmol·L-1時，白刺ABA含量達到最大值，為1639.45 ng·g-1，較不施氮處理增加52.39 %。對于白刺體內GA3含量而言，氮濃度越高，對其促進效果越好。6 mmol·L-1的氮素對白刺GA3含量影響不顯著(P>0.05)，其他兩處理與無氮處理差異較顯著(P<0.05)，當氮素濃度達60 mmol·L-1時，GA3含量已較無氮處理增加10.19 ng·g-1。

表1 水分脅迫下氮添加對白刺根長的影響

注：不同字母代表不同氮添加濃度下的指標差異顯著，下同。

Note: Different letters indicate significant difference under different nitrogen concentration.The same as below.

表2 水分脅迫下氮添加對白刺根系形態的影響

表3 水分脅迫下氮添加對白刺內源激素的影響

表4 白刺根系與內源激素的關系

注：** 代表各指標間相關性極顯著(P<0.01)；* 代表各指標間相關性顯著(P<0.05)。

Note：** stands for that correlation is extremely remarkable among the indicators(P< 0.01))；* stands for that correlation is remarkable among the indicators(P< 0.05).

2.4 白刺根系形態與內源激素的關系

對白刺根系形態和內源激素進行相關分析，結果顯示，白刺根系形態指標間關系不緊密，僅根系體積和表面積相關性較強，相關系數達0.755，相關關系達到極顯著水平(P<0.01)，白刺根尖數與白刺根系表面積、體積關系均不顯著(P>0.05)。白刺內源激素內部關系也不緊密，僅ABA和GA3關系呈極顯著負相關關系(P<0.01)，IAA和ABA、GA3相關性較弱。分析白刺根系與內源激素間的關系發現，僅根系體積與GA3含量關系緊密，相關系數達0.698，呈正相關關系。

3 討 論

根系是植物與土壤直接接觸的器官，是植物吸收水分和養分的主要場所，同樣也是和植物地上部分進行物質運輸的代謝器官，植物根系形態指標中的根系平均直徑、總長度、總表面積以及總體積對植物獲取養分至關重要[13-14]。水分和養分是影響植物吸收、運輸水分首要子。植物根系生長發育與水分、氮素等息息相關，根系長、大、深、密是抗旱植物的基本特征[15]。氮素過低會抑制植物根系伸長生長，減小根系表面積，使植株生長達到饑餓狀態，影響作物光合產物的分配；當氮肥過量時，也會對根系生長造成負影響，降低氮肥利用率[16-18]。Blackman與Davies等[19]提出根冠通訊學說，認為植物根系開始出現吸水困難的時候能夠感知根部生長環境的干旱刺激，進而導致整株植物出現生理或生化學方面的反應。目前根冠通訊理論日漸完善，形成了以ABA為主的根源信號研究體制，同時乙烯、IAA、GA、JA、SA、木質部pH等信號體也參與調節反應，并且相互影響，形成了相對復雜的信號交互過程[20]。

在水分較少的情況下，添加氮肥能夠促進植物扎根和根系總量的增加，同時改善根系活動，使其向吸收更多水分和養分的方向發展[21-23]。申麗霞等[24-25]研究表明，施氮后玉米的根長、表面積、體積不施氮處理明顯增加。但目前有關氮素對不同植物根系的作用效果不盡相同。梁銀麗等[26]試驗發現水分脅迫下少量的氮素對小麥(Triticumaestivum)幼苗的根系呈現促進作用，氮素過量則表現出負效應，對小南瓜(Cucurbitamoschata)等的研究也得出相似的結論[27-28]。本研究結果顯示，氮添加會促進干旱脅迫下白刺根系形態生長，36 mmol·L-1的氮素即可對多數形態指標起到明顯促進作用，當氮濃度達60 mmol·L-1時，促進效果較36 mmol·L-1有所降低。說明氮添加能夠改善干旱脅迫對白刺帶來的危害，可能是由于氮肥能夠促進土壤團粒結構的形成，增強土壤的保肥保水能力，改良土壤條件，提高肥料的利用效率，以利于白刺根系生長。

植物激素在植物體內天然產生的含量特別低，植物激素是由植物體特定部位產生并發揮作用，參與植物生理活動的調控環節。植物激素不是營養物質，而是一種代謝產物，在極低濃度下就能調控植物的生命活動。在植物發育的不同階段或隨生長環境的改變，其含量也隨之發生改變[29]。施氮對小麥籽粒GA含量的影響較小，氮素能夠較小程度低提高小麥籽粒ABA含量，能顯著促進開花后的小麥籽粒體內IAA合成[30]。馬宗恒[31]研究發現，氮素能夠增加葡萄(Vitisvinifera)葉片內IAA、GA3和ABA含量，不同生長時期施氮均能顯著提高GA3含量，并改變GA3含量在整個生長期間的動態變化。本研究結果顯示，氮添加能夠促進白刺體內IAA、ABA、GA3的合成，白刺IAA、ABA在氮濃度為36 mmol·L-1時達到最大值，GA3在60 mmol·L-1時達到最大值。說明氮添加能夠促使干旱脅迫下白刺葉片氣孔關閉，阻止氣孔開放，盡量減少不必要的水分消耗，以達到提高植株生長速率，緩解水分不足造成的對植株完成正常生理活動壓力的目的。

4 結 論

結合氮添加對干旱條件下白刺根系和內源激素含量的變化可知，對于氣候干旱、降水稀少、蒸發強烈的烏蘭布和沙漠而言，土壤含水量低會對當地植被生長造成直接影響。這時氮添加通過促進白刺根系生根的能力，增大白刺根系與土壤的接觸面積，改善白刺根系空間發育狀況，提高白刺體內內源激素的合成，形成“以肥調水，以水促肥”的效果，可以達到減輕干旱脅迫對白刺生長發育帶來的危害，因此氮沉降對干旱半干旱地區具有一定的生態補償作用。