外源激素處理對三峽消落帶落羽杉扦插生根的影響

陳春樺, 陳雪梅, 楊治華, 袁中勛, 李昌曉,*

1 西南大學生命科學學院,三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育重點實驗室,重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點實驗室, 重慶 400715 2 西南山地生態(tài)循環(huán)農業(yè)國家級培育基地, 重慶 400715

三峽水庫建成并運行后,由于冬蓄夏排的水位調度方式,形成了水位落差30 m、面積近400 km2的消落帶[1]。三峽庫區(qū)消落帶垂直落差大、淹水時間長、季節(jié)性水淹等特點,使得庫區(qū)植被遭到破壞,土壤侵蝕強烈,生態(tài)系統(tǒng)受到嚴重干擾[2- 3]。植被作為消落帶生態(tài)服務功能的提供主體,具有增強邊坡穩(wěn)定性、凈化水質、維持和增強消落帶生物生產力和生物多樣性等諸多功能[4]。因此,如何重建消落帶植被已成為研究關注的熱點問題。目前,已成功篩選出了一些具有較強耐淹性的喬木樹種,如落羽杉(Taxodiumdistichum)[5]、池杉(Taxodiumascendens)[6]、柳樹(Salixbabylonica)[7]、楓楊(Pterocaryastenoptera)[8]等。落羽杉生長迅速,具有較強的耐淹性和耐旱性,在歷經多年反復水淹后仍表現(xiàn)出較好的生長適應性,被列為三峽庫區(qū)消落帶人工植被重建的優(yōu)良物種。落羽杉為杉科落羽杉屬(TaxodiumRich.)落葉喬木,原產于北美東南部,現(xiàn)已廣泛引種到世界各地,我國江蘇、浙江、安徽、湖北、江西、福建、四川、河南、山東和陜西等省均有大面積人工林[9]。目前,用于三峽庫區(qū)消落帶植被修復與重建的落羽杉主要是從外地調運的實生苗,使得栽種成本增加,且調運的苗木病蟲害偏多,不一定適應當?shù)氐奈h(huán)境和小氣候。因此,落羽杉適應性繁殖技術的研究對三峽庫區(qū)消落帶植被的修復與重建具有重要意義。

落羽杉不同種源和個體對多種脅迫的耐受力存在差異,因此選擇高抗性個體進行造林是十分必要和可行的[10]。落羽杉種子具有休眠現(xiàn)象,自然條件下發(fā)芽率很低[11- 12],而扦插繁殖作為無性繁殖的一種方式,與播種繁殖相比,能夠很好地保留母體優(yōu)良性狀,此外還具有繁殖速度快、成本低、取材方便、操作方法簡單等優(yōu)點[13- 14]。截至2018年,忠縣汝溪河消落帶植被修復示范基地的落羽杉林經歷了6 a的反復水淹,仍表現(xiàn)出良好的生長特性[15]。因此,有必要以該落羽杉林為插穗來源,對其進行扦插繁殖技術的研究。目前,國內外對落羽杉扦插繁殖技術的研究主要集中在外源激素的選擇、基質、插穗的質量和外源激素的使用方法等方面,研究多以1—2 a生實生苗枝條為扦插材料,插穗經激素處理后的生根效果顯著提高[16-21]。吳落軍[19]系統(tǒng)地探究了不同外源激素種類、外源激素濃度及處理時間對落羽杉1 a生實生苗萌生條扦插的影響,結果表明,這三種因素均對插穗生根效果產生顯著影響,但濃度和處理時間的設置上仍有進一步優(yōu)化的空間。目前,對于落羽杉大齡母樹枝條的扦插技術還缺乏系統(tǒng)研究,因此,本研究將在上述已有研究的基礎上,采用擬水平正交試驗設計,探究不同外源激素種類、激素濃度及處理時間對三峽庫區(qū)消落帶原位生長的9 a生落羽杉扦插生根的影響,并采用隸屬函數(shù)法,對各生根指標進行綜合評價。本研究旨在篩選出最佳激素、濃度與時間的處理組合,以期提高消落帶落羽杉的扦插繁殖技術,培育大量優(yōu)質的落羽杉幼苗以滿足三峽庫區(qū)消落帶植被修復重建的需要。

1 材料與方法

1.1 插床的準備

插床位于西南大學三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室實驗基地的簡易大棚內。扦插基質為草炭+珍珠巖+紫色土(3∶3∶1),基質厚度為20 cm。扦插前7 d用5%的多菌靈對土壤進行消毒,并用塑料薄膜覆蓋,扦插前一天揭開備用。

1.2 插穗的采集與制備

2018年9月下旬在重慶市忠縣石寶鎮(zhèn)共和村汝溪河流域的三峽消落帶植被恢復試驗示范基地,以165—175 m海拔之間的9 a生落羽杉實生苗為采穗母樹,選擇樹體中上部生長健壯、無病蟲害、無機械損傷的半木質化枝條制備插穗。枝條在陰天采集,及時噴水保濕,并送回實驗室制備插穗。穗長10—12 cm,保留3—4個葉片,上端口于著生羽狀葉或脫落性小枝上方0.5—1.0 cm處平截,下端口于著生羽狀葉或側枝下方0.5 cm處單面斜切,并剪除插穗下部的葉片或側枝。將來自不同海拔的插穗按比例混合均勻,30株一捆。

1.3 試驗設計

試驗于2018年9月下旬進行。采用L25(56)正交表進行擬水平法的正交試驗設計,以清水浸泡處理作為對照,探討外源激素種類、激素濃度和處理時間對落羽杉扦插生根的影響。試驗共26個處理組合,每個處理3個小區(qū),即3個重復,每個小區(qū)30株插穗。擬水平正交設計因素和水平見表1。

表1 落羽杉扦插正交試驗因素及水平

1.4 扦插方法及扦插后管理

插穗基部2 cm浸泡于外源激素溶液中,扦插前用細木棍在基質上打孔,株行距4 cm×5 cm扦插深度為5—6 cm, 扦插后用兩手按實苗床,使插穗與插壤密接,隨即澆透水。根據(jù)天氣情況及時調整澆水時間,并及時除草。通過遮陽網將遮陽率控制在60%,扦插一個月后撤去遮陽網。

1.5 指標調查及數(shù)據(jù)分析

2019年6月下旬對各處理插穗的存活率、生根率、平均根數(shù)、總根長、根表面積以及根體積進行調查統(tǒng)計。存活率=存活株數(shù)/扦插總株數(shù)×100%；生根率=生根株數(shù)/扦插總株數(shù)×100%；平均根數(shù)=不定根總數(shù)/生根株數(shù)。數(shù)字化掃描儀(STD1600 Epson USA)掃描根系,win.Rhzo(Version 410B)根系分析系統(tǒng)軟件(Refent Instmment Inc,Canada)對所有生根插穗總根長、根表面積和根總體積進行定量分析。

運用SPSS 22.0對所有指標進行方差分析,Duncan檢驗法進行多重比較。為了對各處理生根情況進行綜合評價,對所有指標進行隸屬函數(shù)值計算,隸屬函數(shù)計算公式為：

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中:Xj為某一處理的某一指標值,Xmin、Xmax分別為所有處理在該指標中的最小值和最大值[22]。數(shù)字取各處理下不同測定指標隸屬函數(shù)值的平均值作為評價標準,隸屬函數(shù)值越大,扦插效果越好。

2 研究結果

2.1 落羽杉嫩枝扦插的生根類型

本研究中,落羽杉插穗皮部和愈傷組織處均有不定根長出。實驗共有2340株插穗,其中產生愈傷組織的插穗有1205株,生根插穗共有345株,其中僅在皮部產生不定根的有206株,占總生根插穗的59.7%；僅在愈傷組織處產生不定根的有69株,占總生根插穗的20.0%；在皮部和愈傷組織處均有不定根產生的有70株,占總生根插穗的20.3%。生根插穗共產生593條不定根,其中皮部處的有379條,占不定根總數(shù)的63.9%,愈傷組織處有214條,占不定根總數(shù)的36.1%。

2.2 正交試驗結果方差分析

落羽杉扦插正交試驗6個生根指標的方差分析結果(表2)表明,外源激素種類對生根率、存活率、總根長、根表面積以及根體積的影響達到極顯著水平(P<0.01),對根數(shù)的影響不顯著(P>0.05)；外源激素濃度對所有指標均無顯著影響(P>0.05)；外源激素處理時間對存活率、總根長和根表面積有極顯著影響(P<0.01),對生根率和根體積有顯著影響(P<0.05),對根數(shù)的影響不顯著(P>0.05)。由F值的大小可知,三個因素對六個生根指標的影響主次順序為外源激素種類>處理時間>外源激素濃度,即外源激素種類的影響最大,其次是處理時間和生長素濃度。

表2 外源激素種類、濃度和處理時間對落羽杉扦插生根影響的方差分析

2.3 外源激素種類對落羽杉扦插生根性狀的影響

不同外源激素間生根指標的Duncan多重比較結果(表3)表明,在生根率、根表面積和根體積方面,ABT的表現(xiàn)最差,分別為4.67%、3.77 cm2、0.067 cm3,IBA、NAA、IBA+NAA三個處理的表現(xiàn)差異不顯著(P>0.05)；在存活率方面,IBA+NAA處理和IBA處理的表現(xiàn)最佳,存活率分別為88.56%和85.56%,顯著高于ABT處理(81.33%),但與NAA處理(84.67%)的差異不顯著(P>0.05),ABT處理與NAA處理間的差異也不顯著(P>0.05)；在總根長方面,IBA+NAA處理和IBA處理的表現(xiàn)最佳,分別為35.41 cm和34.11 cm,NAA處理(23.53 cm)次之,ABT處理效果(12.66 cm)最差。綜合來看,使用IBA+NAA處理或IBA處理生根效果最好,ABT處理的生根效果最差。

表3 不同外源激素處理下扦插生根性狀的多重比較

2.4 外源激素濃度對落羽杉扦插生根性狀的影響

根據(jù)正交試驗方差分析結果(表2),5種外源激素濃度處理(50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L)對落羽杉插穗各生根指標均無顯著影響(P>0.05)。

2.5 外源激素處理時間對落羽杉扦插生根性狀的影響

Duncan多重比較結果(表4)表明,在生根率方面,4 h處理的表現(xiàn)最好,為19.78%,顯著高于其他處理,2 h、6 h和8 h這三個處理間生根率并無顯著差異(P>0.05)；在存活率方面,表現(xiàn)最好的是4 h處理,其存活率顯著高于2 h處理和6 h處理,但與8 h處理的差異不顯著(P>0.05),6 h處理和8h處理之間的差異也不顯著(P>0.05)；在總根長方面,4 h處理的表現(xiàn)最好,顯著高于6 h和8 h處理,與2 h處理的差異不顯著(P>0.05)；在根表面積和根體積方面,表現(xiàn)最好的是4 h處理,顯著高于6 h處理,但與2 h處理和8 h處理間的差異不顯著(P>0.05)。綜上,隨著浸泡時間的延長,落羽杉插穗的各生根性狀大致呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,浸泡時間為4 h時插穗各生根性狀均為最好。

表4 不同處理時間下扦插生根性狀的多重比較

2.6 各處理組合下落羽杉扦插生根指標的綜合評價

采用模糊數(shù)學中的隸屬函數(shù)法,對26個處理組合的扦插生根指標進行綜合評價。根據(jù)隸屬函數(shù)公式U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin) 分別計算出各處理下生根指標的隸屬函數(shù)值,將6個指標的隸屬函數(shù)值進行平均得到各處理的平均隸屬函數(shù)值,平均隸屬函數(shù)值越大,表明該處理條件下落羽杉插穗扦插生根的效果越好。由表5可知,150 mg/L IBA+NAA處理4h的生根效果最好,其平均隸屬函數(shù)值最大,為0.83,根表面積(13.63 cm2)在所有組合中最大,生根率(24.44%)、存活率(92.22%)、總根長(43.75 cm)和根體積(0.33 cm3)也都位列前三；250 mg/L NAA處理4h的生根效果次之,其平均隸屬函數(shù)值為0.82,生根率(31.11%)、存活率(94.44%)、根體積(0.37 cm3)在所有組合中最大,總根長(33.06 cm)、根表面積(12.52 cm2)的表現(xiàn)也較好；清水對照處理的生根效果最差,其平均隸屬函數(shù)值為最小,為0.05,存活率(77.78%)、根表面積(2.77 cm2)和根體積(0.03 cm3)在所有組合中表現(xiàn)最差,生根率(4.44%)、根數(shù)(1.25)、總根長(10.35 cm)的表現(xiàn)也較差。因此,落羽杉扦插生根的最優(yōu)組合為150 mg/L IBA+NAA處理4 h。

3 討論

不定根能否形成決定著植物扦插苗能否成活。根據(jù)不定根發(fā)生過程中的插穗外部形態(tài),可將生根類型分為皮部生根型、愈傷生根型和混合生根型[23]。多種生根類型的樹種比單一生根類型的樹種有更多的生根部位,在其他外界環(huán)境條件相同的情況下,更容易促進不定根的形成,扦插成活率就越高[24]。本研究發(fā)現(xiàn),落羽杉插穗皮部和愈傷組織處都有不定根的出現(xiàn),這與吳落軍[19]的研究結果相同,但在形成愈傷組織的1205株插穗里,僅有139株在愈傷組織處長出不定根。郭素娟[25]認為,對大多數(shù)樹種來說,愈傷組織的形成和不定根的形成并不存在直接的相關性,不定根從愈傷組織中伸出,但其愈傷組織中沒有根原基的發(fā)生,兩者同時產生的原因可能是它們需要的內外條件相同。愈傷組織可防止細菌侵入和插穗的物質流失,還可以充當營養(yǎng)物質及水分等的運輸橋梁,但如果愈傷組織過大,則會消耗插條內過多的生根營養(yǎng)物質而老化,反而導致插條不能生根[26- 28]。本研究只能初步驗證落羽杉扦插以皮部生根為主,三種生根類型均有,但其生根類型的確認還需要進一步的解剖學觀察。

植物扦插生根是一個復雜的生理、生態(tài)及解剖學過程,受植物生物學特性、生理年齡、插穗木質化程度、外源激素的使用、扦插季節(jié)及基質的綜合影響[25,29- 30]。在影響扦插生根率的外部因素中,植物生長調節(jié)劑起著比較重要的作用[31]。外源激素可通過調節(jié)插穗內部與不定根生成相關的內源激素和多種酶類,進而促進插穗生根[32- 35]。本研究發(fā)現(xiàn)外源激素種類是對落羽杉扦插的影響作用最大的因子,4種外源激素中,IBA+NAA(1∶1)和IBA處理的插穗生根效果最好,NAA處理次之,ABT處理效果最差。一般來說,兩種及兩種以上的激素混合處理比單一激素處理更具優(yōu)越性,其生根效果比單一激素好[36]。孫旭東等[37]研究了不同生根劑對色木槭扦插的影響,結果表明NAA和IBA混合劑處理效果高于NAA和IBA單獨處理效果。魏黔春[38]對側柏古樹的研究以及劉帥[39]對檉柳屬樹種的研究也得到類似的結果。本研究中,IBA+NAA(1∶1)處理的生根效果最好,但各項生根指標與IBA處理并無顯著差異,這可能與IBA和NAA之間的配比有關。鄭健等[40]的研究發(fā)現(xiàn)IBA+NAA(10∶1)和IBA+NAA(5∶1)兩種處理對花楸扦插的促進效果明顯優(yōu)于IBA+NAA(2∶1)和IBA+NAA(1∶1),朱錦心等[41]對紫萼龍吐珠扦插的研究中也發(fā)現(xiàn)較高IBA和NAA比值的混合液促進生根效果優(yōu)于較低IBA和NAA比值的。王藝等[42]和廖偉彪等[43]的研究表明外源施加IAA的生根效果低于IBA處理和NAA處理。IBA 在植物體內與葡糖酯結合較慢,高溫下比較穩(wěn)定,釋放出游離 IBA 較慢,而 IAA 與天冬氨酸結合較快,釋放游離 IAA也快；IAA 易受氧化酶氧化,而 IBA 不受此酶氧化[44]。ABT生根粉的有效成分主要是IAA和NAA,這可能是本研究中 ABT促進生根效果較差的原因。

表5 各處理組合對落羽杉扦插生根指標的影響及隸屬函數(shù)評價

前人研究發(fā)現(xiàn),低濃度激素處理有益于愈傷組織誘導,中高濃度促進插穗生根及根系生長,但過高的濃度則會對插穗組織造成傷害,影響生根和扦插苗生長[45]。吳落軍[19]對落羽杉1 a生實生苗嫩枝扦插的研究結果表明,激素濃度對各生根指標具有顯著影響,整體表現(xiàn)為200 mg/L>150 mg/L>100 mg/L,本實驗結果有所不同,這可能是本研究的插穗來自于9 a生的落羽杉植株,其組織老化程度較大,插穗對外源激素敏感度小,而本研究中設置的濃度梯度過小引起的,今后還需要擴大激素濃度范圍進一步優(yōu)化實驗。激素浸泡時間也是影響插穗生根的一個重要因素,在一定范圍內,處理時間越長,生根效果越好,但時間過長則可能抑制生根[46]。本研究發(fā)現(xiàn),隨著浸泡時間的增長,落羽杉插穗的各生根性狀大致呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢,4 h處理的生根效果優(yōu)于2 h、6 h和8 h,張沛健等[47]對金蒲桃的研究也發(fā)現(xiàn)類似的趨勢。

本研究結果表明,外源生長激素對落羽杉扦插生根促進作用,25個激素處理組合的生根性狀平均隸屬函數(shù)值均高于清水對照。本實驗中插穗的生根率變幅為2.22%—31.11%,黃利斌等[17]以6—7 a生不同種源的落羽杉進行嫩枝扦插實驗,生根率變幅為21.67%—75%,吳落軍[19]以1 a生落羽杉實生苗的萌生條進行不同的激素處理,生根率變幅為58.26%—99.18%,13 a生落羽杉不同種源嫩枝扦插的生根率變幅為2.60%—50%,可見落羽杉的扦插與母樹年齡密切相關。母樹年齡越大,木質化程度越高,導致插穗含水量和營養(yǎng)物質含量相對較低,使得插穗生根率下降,分生組織細胞的活性也受到母樹年齡的影響[48]。本實驗落羽杉嫩枝扦插生根與其他研究相比生根率較低,究其原因,除了母樹年齡不同外,可能與扦插基質、氣候等環(huán)境原因有關。此外,本研究插穗的母樹經歷了多年反復水淹,其生長和生理方面發(fā)生一定的變化[49- 50],這可能也是導致實驗差異的原因之一。

本試驗對外源激素這一因子進行了初步研究,但從種苗繁育的生產實際來看,三峽消落帶原位生長的落羽杉插穗生根率和生根質量有待進一步提高,還需在本研究結果的基礎上進行更為系統(tǒng)、全面的研究。另外,對于三峽消落帶原位生長的落羽杉種子繁殖技術方面尚未見報道,今后可對打破落羽杉種子休眠,促進種子萌發(fā)的措施以及扦插苗與實生苗對于三峽消落帶環(huán)境的適應性比較開展進一步研究。

4 結論

皮部生根是大齡落羽杉扦插的主要生根方式。植物生長調節(jié)劑的使用對落羽杉插穗生根具有一定的促進效果,其中外源激素種類對插穗生根的影響最大；其次是處理時間；而外源激素濃度對插穗生根無顯著性影響。通過隸屬函數(shù)法對26個處理組合進行綜合比較,發(fā)現(xiàn)(IBA+NAA)×150 mg/L×4 h和NAA×250 mg/L×4 h這兩種處理組合效果最好,是三峽庫區(qū)消落帶落羽杉大齡母樹插穗扦插的較佳處理方式。