干旱及復水對燕麥早期根系生長及解剖結構的影響

李 越，王曉雪，張 斌，賈舉慶，馮美臣，張美俊，楊武德

（山西農業大學農學院，山西太谷030801）

干旱、半干旱地區作物常遭受干旱與降水交替，當土壤水分缺失或復水時作物根系最先感知[1]。根系是作物獲得水分和養分的器官，因此，干旱脅迫及復水下，根系發育程度會直接影響地上部分生長狀況及作物產量。MANIVANNAN等[2]研究發現，干旱脅迫使向日葵的根長增長，但隨干旱脅迫時間的延長，增長速度降低。李帥等[3]研究表明，干旱脅迫會抑制白羊草根系總根長和根表面積的提高，復水則能顯著提高白羊草根系這2個特征指標。輕度、短時干旱脅迫后柏木幼苗的根系向下扎根，復水后根系長度在原有基礎上繼續伸長，而干旱脅迫程度越高、時間越長，根長、根表面積、根平均直徑和根體積均降低，復水后產生的補償作用可以使輕度、中度干旱脅迫處理下的根系生長指標恢復到與對照處理相同[4]。作物根系依據其直徑范圍，可被劃分為不同等級，不同徑級根系應對干旱脅迫時生長特性存在差異[5]。直徑≤2.00 mm的根被認為是根系吸收的活性位點，吸收表面積大，可以吸收土壤中微弱的水分，被認為是作物對水分、養分吸收的主要器官[6-8]。干旱脅迫下≤0.50 mm的小細根，其長度和數量大于0.50～2.00 mm的大細根，但其根表面積、體積和干物質量卻小于大細根[9]。因此，分析不同徑級根系對干旱脅迫及復水的響應，可能對評價作物干旱耐受性更有意義。但目前對干旱脅迫及復水下作物不同徑級根系響應研究較少。根系組織結構如中柱面積、導管直徑和導管壁等都能反映作物抵抗逆境脅迫的表現[10-11]，因此，可以利用作物根系解剖結構的變化來判斷作物抵御干旱脅迫的能力。目前對干旱脅迫及復水下作物根系解剖結構研究也較少。燕麥（Avena sativa L.）是禾本科燕麥屬（Avena L.）一年生草本植物，具有喜冷涼和耐干旱等特點。山西省是我國燕麥第三大主產區，產區屬干旱半干旱山區，年降雨量少，尤其春旱嚴重。因此，開展燕麥生長早期不同徑級根系生長特性和解剖結構對干旱脅迫及復水的響應規律和適應機制研究，對通過根系調控提高燕麥抗旱性栽培管理具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

試驗于2018年4—7月在山西農業大學農業部華北地區黃土高原作物栽培與耕地保育試驗站進行。供試土壤取自地表2 m以下生土，為黃土母質發育而成的石灰性褐土，肥力中等。土壤pH值8.04，有機質3.9 g/kg，堿解氮15.71 mg/kg，速效磷4.35 mg/kg，速效鉀66.7 mg/kg。

1.2 供試材料

供試燕麥品種為壩莜18號，來自于中國農業科學院作物科學研究所種質資源庫。

1.3 試驗設計

采用盆栽試驗，盆栽土壤配制為供試土壤過1mm篩，與沙子混勻，比例為10∶1。在燕麥三葉一心定苗后開始進行干旱脅迫，設置2個干旱脅迫處理及2個干旱-復水交替脅迫處理（干旱-復水-干旱-復水，共4個階段，每階段持續7 d）。2個干旱脅迫為中度干旱脅迫（MS，其盆土相對含水量為田間持水量的55%±5%）和重度干旱脅迫（SS，其盆土相對含水量為田間持水量的35%±5%）。2個為干旱-復水交替脅迫處理，即MS-CK為MS與CK交替進行；SS-CK為SS與CK交替進行。CK為正常供水（保持盆土相對含水量為田間持水量的75%±5%）。每處理均持續處理28 d。

每天補水，并以前次取樣為基礎增加固定水分[12-13]，排除燕麥植株生物量變化造成的水分短缺，維持盆土相對含水量變化幅度在5%內。其他管理按常規進行。

1.4 測定項目及方法

處理后第8、15、22、29天，分別取根系樣。將各處理帶有土體的燕麥植株從盆中取出，放入水池中浸泡，直至土體變得松散，過0.037 mm尼龍網過濾沖洗干凈后，將根系和地上部分開，剪取根系測定和觀察。每處理選取6盆。不同徑級根系生長指標測定用3盆，根系解剖結構觀察用3盆，3次重復。

1.4.1 不同徑級根系生長指標的測定 用去離子水將根系沖洗干凈，各處理根系按直徑＜0.25、0.25～0.50、＞0.50 mm，劃分為細根、中等根和粗根3個等級。采用臺式掃描儀對各徑級根系進行掃描，并將圖像存入電腦，掃描儀的分辨率為300 dpi。采用WinRHIZO根系分析系統軟件對根系圖像進行分析，獲得各徑級根系總長、根系總表面積、根體積、根尖數等特征參數。

1.4.2 根系解剖結構的觀察 取各處理根尖處距末端1/3處2～3 cm數段，切成0.5 cm根段，于FAA固定液中固定過夜。經不同梯度叔丁醇-乙醇混合液脫水5～7 h，石蠟-叔丁醇混合液浸蠟7～9 h，于石蠟包埋機上將燕麥根系包埋，輪轉式切片機切10 μm切片，使用1%番紅染液和0.5%固綠染液染色，于正置顯微鏡下觀察燕麥根系切片，照相保存。

1.5 數據分析

用Microsoft Excel 2010整理試驗數據。采用SPSS19.0進行單因素方差（ANOVA）統計分析，Duncan法多重比較，差異顯著性定義為P＜0.05。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫及復水對燕麥早期不同徑級根系總長的影響

從表1可以看出，干旱脅迫持續14 d后，細根、中等根和粗根根系總長，MS處理比CK分別顯著提高16.31%、18.15%和24.75%；在此后干旱脅迫階段，MS處理與CK相比，均顯著降低各徑級根系總長；在28 d后，與細根和中等根相比，MS處理粗根根系總長比對照降低的幅度最大，降幅達25.58%。在持續干旱脅迫期間，SS處理各徑級根系總長與CK相比均顯著降低（P＜0.05）；在28 d后，與細根和中等根相比，SS處理粗根的根系總長比對照降低的幅度最大，降幅達64.09%。表明短期中度干旱脅迫對燕麥早期細根、中等根、粗根的根系總長均有促進作用。而重度干旱以及持續中度干旱對燕麥不同徑級根系總長均呈現抑制作用，且對粗根的根系總長抑制作用更大。

表1 干旱脅迫及復水下燕麥早期不同徑級根系總長 cm

第1次復水后（14 d后），MS-CK處理各徑級根系總長與MS處理無顯著差異；SS-CK處理各徑級根系總長比SS處理均顯著提高，與中等根和粗根相比，SS-CK處理細根的根系總長與SS處理相比提高的幅度最大，達17.07%。表明受前期短期重度干旱脅迫傷害后，復水對燕麥早期各徑級根系總長有補償作用，且對細根的補償效應更高，復水能大幅度促進細根生長。

再次遭受干旱脅迫（21 d后），各徑級根系總長在MS-CK處理與MS處理間以及SS-CK處理與SS處理間均無顯著差異，表明當再次遭受干旱脅迫時，前期復水的補償效應會維持到再次遭受干旱脅迫。

再次復水后（28 d后），MS-CK處理和SS-CK處理與相應持續干旱脅迫MS處理和SS處理相比均顯著提高了各徑級根系總長，表明促進根系總長的增加是復水對中度干旱脅迫和重度干旱脅迫根系補償的重要手段。

2次復水后，MS-CK處理和SS-CK處理各徑級根系總長均顯著低于CK，表明復水補償效應未能使各徑級根系總長達到對照水平。

2.2 干旱脅迫及復水對燕麥早期不同徑級根系總表面積的影響

由表2可知，干旱脅迫持續14 d后，MS處理細根和中等根的根系總表面積比CK顯著提高，分別提高13.26%和15.02%；在此后干旱脅迫階段，MS處理與CK相比，有顯著降低各徑級根系總表面積的趨勢；在28 d后，與細根和中等根相比，MS處理粗根根系總表面積較CK降低的幅度最大，達26.64%。SS處理各徑級根系總表面積在整個持續干旱脅迫期間與CK相比，均顯著降低（P＜0.05）；在28 d后，與細根和中等根相比，SS處理粗根的根系總表面積比對照降低的幅度最大，達64.77%。表明短期中度干旱脅迫對燕麥生長早期細根、中等根根系總表面積有促進作用，而重度干旱以及持續中度干旱對燕麥不同徑級根系總表面積呈現抑制作用，且對粗根的根系總表面積抑制作用更大。

第1次復水后（14 d后），MS-CK處理各徑級根系總表面積與MS處理間無顯著差異。SS-CK處理各徑級根系總表面積比SS處理有提高的趨勢；與中等根和粗根相比，SS-CK處理細根的根系總表面積與SS處理相比提高的幅度最大，達23.04%，表明受前期短期重度干旱脅迫傷害后，復水對燕麥生長早期各徑級根系表面積有補償作用，且對細根根系總表面積的補償效應更高。

再次遭受干旱脅迫（21 d后），MS-CK處理各徑級根系總表面積與MS處理間、SS-CK處理與SS處理間均無顯著差異，表明當再次遭受干旱脅迫時，前期復水的補償效應仍會維持到再次遭受干旱脅迫。

再次復水后（28 d后），僅MS-CK處理中等根和粗跟的根系表面積比MS處理顯著提高。

第1次復水SS-CK處理各徑級根系總表面積以及第2次復水后MS-CK和SS-CK處理均顯著低于CK，表明復水對各徑級根系的補償效應均未達到對照水平。

2.3 干旱脅迫及復水對燕麥早期不同徑級根系根體積的影響

從表3可以看出，干旱脅迫持續14 d后，MS處理中等根的根體積比CK顯著提高25.00%；在此后干旱脅迫階段，MS處理各徑級根系根體積與CK相比，有顯著降低的趨勢；在28 d后，與細根和中等根相比，MS處理粗根根體積較CK降低的幅度最大，達34.50%。SS處理各徑級根系根體積在整個持續干旱脅迫期間與CK相比，均有顯著降低的趨勢；在28 d后，與細根和中等根相比，SS處理粗根的根體積較CK降低的幅度最大，達66.38%。表明短期中度干旱脅迫對燕麥生長早期中等根根體積有促進作用，而重度干旱以及持續中度干旱對燕麥不同徑級根系根體積均呈現抑制作用，且對粗根的根體積抑制作用更大。

表3 干旱脅迫及復水下燕麥早期不同徑級根系的根體積 cm3

第1次復水后（14 d后），MS-CK處理各徑級根系根體積與MS處理間均無顯著差異。SS-CK處理僅中等根根體積比SS處理顯著提高26.67%，細根和粗根根體積與SS處理間無顯著差異，表明受前期短期重度干旱脅迫后，復水對燕麥生長早期各徑級根系根體積具有補償作用。

再次遭受干旱脅迫（21 d后）以及第2次復水后（28 d后），MS-CK處理與MS處理間、SS-CK處理與SS處理間各徑級根系根體積均無顯著差異，表明燕麥生長早期不同徑級根系根體積再次遭受干旱脅迫時，前期復水對中度干旱脅迫的效應和重度干旱脅迫的補償效應仍會繼續維持一定時間。

第1次復水SS-CK處理中等根和粗根的根體積以及第2次復水后MS-CK和SS-CK處理各徑級根系根體積均顯著低于CK，表明各徑級根系根體積在復水補償效應下，尚未恢復到對照水平。結合第2次復水處理各徑級根系根體積與相應持續干旱脅無顯著差異，表明階段性復水對各徑級根系根體積補償效應較小。

2.4 干旱脅迫及復水對燕麥早期不同徑級根系根尖數的影響

從表4可以看出，干旱脅迫持續14 d后，MS處理細根、中等根根尖數比CK分別顯著提高34.38%、34.90%；在此后干旱脅迫階段，MS處理與CK相比，有顯著降低各徑級根系根尖數的趨勢；在28 d后，與中等根和粗根相比，細根的根尖數比CK降低的幅度最大，達30.87%。SS處理各徑級根系的根尖數在整個持續干旱脅迫期間與CK相比，均有顯著降低的趨勢；在28 d后，與中等根和粗根相比，細根的根尖數比CK降低的幅度最大，達74.15%。表明短期中度干旱脅迫對燕麥生長早期細根、中等根的根尖數有促進作用，而重度干旱以及持續中度干旱對燕麥不同徑級根系根尖數生長均呈現抑制作用，且對細根的根尖數抑制作用更大。

表4 干旱脅迫及復水下燕麥早期不同徑級根系的根尖數 個

第1次復水后（14 d后），MS-CK處理和SS-CK處理各徑級根系根尖數與相應持續干旱脅迫MS處理和SS處理相比均無顯著差異。表明受前期短期重度干旱脅迫傷害后，復水對燕麥生長早期各徑級根系根尖數具有補償作用。

再次遭受干旱脅迫（21 d后），各徑級根系根尖數MS-CK處理與MS處理間、SS-CK處理與SS處理間均無顯著差異，表明當再次遭受干旱脅迫時，前期復水對中度干旱脅迫燕麥生長早期不同徑級根系根尖數的效應以及重度干旱脅迫燕麥生長早期不同徑級根系根尖數的補償效應仍會保持一段時間。

再次復水后（28 d后），僅MS-CK處理比MS處理顯著提高了粗根的根尖數，第1次復水SS-CK處理以及第2次復水后MS-CK和SS-CK處理中等根的根尖數均顯著低于CK，表明復水對各徑級根系的補償效應均未達到對照水平。結合第1次復水處理與相應持續干旱脅迫相比，對各徑級根尖數無顯著影響，表明各徑級根尖數對中度和重度干旱脅迫較敏感，階段性復水對各徑級根尖數補償效應較小。

2.5 干旱脅迫及復水對燕麥早期根系解剖結構的影響

由圖1、2可知，持續干旱階段下MS處理和SS處理相較CK中柱面積減少，導管直徑減小，顯示干旱脅迫使燕麥根系中柱面積、導管直徑減小，影響程度隨干旱脅迫程度加強而增大。

第1次復水后（14 d后）、再次干旱脅迫后（21 d后）、第2次復水后（28 d后），MS-CK處理與MS相比、SS-CK處理與SS處理相比中柱面積、導管直徑均增加，MS-CK處理的中柱面積、導管直徑恢復幅度明顯高于SS-CK處理。

根系在經受持續中度干旱脅迫與重度干旱脅迫后，根系導管壁會發生變形收縮，向四周延伸，且隨著干旱脅迫程度的增加、干旱時間的延長，根系導管壁變形程度越嚴重。由圖1、2還可以看出，第1次復水后（14 d后），促進了根系導管壁恢復，MS-CK處理相比SS-CK處理恢復程度高，再次遭受干旱脅迫后MS-CK處理相比SS-CK處理受到的損害小，第2次復水后（28 d后），同樣促進了根系導管壁恢復，但是SS-CK處理導管壁明顯看出收縮。

3 結論與討論

干旱脅迫下，作物根系表現出明顯的形態可塑性，苗期通過增加根長、分支數和細根數（直徑≤0.48 mm）來響應干旱脅迫[8]。本研究發現，短期中度干旱脅迫對燕麥生長早期不同徑級根系總長，細根（＜0.25 mm）、中等根（0.25～0.50 mm）根系總表面積和根尖數，中等根（0.25～0.50 mm）根體積均有促進作用。可見短期中度干旱脅迫促進燕麥生長早期細根和中等根生長，擴大吸收面積，有利于根系吸收有限水分和養分。而重度干旱以及持續中度干旱對燕麥不同徑級根系生長均呈現抑制作用，且對粗根（＞0.50 mm）的根系總長、根系總表面積、根體積以及細根的根尖數抑制作用更大。表明細根（＜0.25 mm）和中等根（0.25～0.50 mm）的生長優勢在干旱脅迫下要高于粗根。吳敏等[9]研究也表明，輕度干旱脅迫對大小細根（＜0.50，0.50～2.00 mm）的數量、長度、表面積以及體積的增加具有促進作用，而中度和重度干旱則抑制了大小細根的生長。本研究發現，不同程度的干旱脅迫下，燕麥生長早期細根（＜0.25 mm）和中等根（0.25～0.50 mm）的根系總長均最長。王曉冬等[14]和WILSON[15]研究也表明，干旱脅迫會促進細根生長，細根生物量在總根系的占比增加。燕麥重度干旱以及持續中度干旱脅迫下根系（＜0.50 mm）表現出生長優勢，應該能使燕麥根系接觸土壤面積增加，獲得更大范圍土壤養分與水分，增強其抗旱性。CORTINA等[16]也研究發現，乳香黃連木在受到適度的干旱脅迫時，會調控細根形態，即迅速增加細根的長度及表面積，從而避免干旱脅迫傷害。

根系的結構形態會產生變化用于抵御干旱脅迫帶來的影響。一定程度水分虧缺后的復水使作物根系生長得到補償或超補償。本研究階段性復水后（14 d后）根系變化表明，短期重度干旱脅迫后復水對各徑級根系總長和總表面積均有補償效應，尤其細根（＜0.25 mm）的根系總長和總表面積提高幅度更大，高小鋒[17]的研究也發現，生長初期的刺槐細根（1.00～2.00 cm）在52.2%、70.0%和87.8%相對含水量復水后，細根快速生長，產生補償效應，而復水并未促進粗根的生長。這表明干旱或復水處理下作物更可能通過促進細根的生長來增加對水分與養分的吸收，彌補干旱脅迫對根系生長的抑制。

本研究還顯示，當再次遭受干旱脅迫后（21 d），前期復水對中度干旱脅迫燕麥生長早期不同徑級根系以及重度干旱脅迫燕麥生長早期不同徑級根系的補償效應仍會保持一定時間。復水時期表現出的大幅增加細根（＜0.25 mm）的長度和表面積，可能能夠有效抵御燕麥生長早期再次遭受干旱脅迫時帶來的影響，使燕麥更好的適應土壤干旱環境。

第2次復水后（28 d后），中度干旱脅迫和重度干旱脅迫比相應持續干旱脅迫均能顯著提高各徑級根系總長，表明促進不同徑級根系總長的增加是復水對連續中度干旱脅迫和重度干旱脅迫根系補償的重要手段。而中度干旱脅迫和重度干旱脅迫對燕麥生長早期各徑級根系根體積和根尖數影響較大，各徑級根系這2個特征指標經歷階段性復水后，得到的補償效應較小。植物的根體積會增加根系吸水的能力，干旱脅迫后復水的中度干旱脅迫處理的根體積得到補償[18-20]，本研究結果與這一結果有所差異。下一步在干旱脅迫及復水對燕麥生長早期不同徑級根系生長特征的影響中應對這2個指標進行深入研究及驗證。

本研究復水對不同徑級根系各生長特征的補償均未達到對照水平。說明本研究設置的干旱脅迫后復水對燕麥生長早期根系的補償是有限的，有研究也表明，復水前干旱脅迫程度和持續時間影響植株生長的恢復程度[21]。

本研究通過觀察燕麥生長早期根系石蠟切片發現，隨著干旱脅迫程度的加深、時間的延長，燕麥生長早期根系中柱面積、導管直徑呈減小的趨勢，根系導管壁會發生變形收縮，向四周延伸，且隨著干旱脅迫程度的增加、干旱時間的延長，根系導管壁變形程度越嚴重。這表明減少根系中柱面積、導管直徑是燕麥根系抵御干旱脅迫影響的重要方式，可能有利于根系內部水分運輸與減少水分消耗。根系導管形狀的改變同樣是根系響應干旱脅迫影響的重要方式，這可能是通過改變導管直徑手段，來調節根系導管吸收水分的能力。研究表明，作物在受到干旱脅迫時，為了抵御干旱脅迫對作物的影響，作物根系平均直徑變大的同時細胞直徑也變大，內皮層厚度增加，皮層厚度、導管直徑變小[22]。王周鋒等[23]和王競紅等[24]研究表明，干旱脅迫會使根系平均直徑與根系的導管直徑下降。本研究復水使燕麥生長早期根系中柱面積、導管直徑增加，導管變形收縮恢復，中度干旱脅迫后恢復程度相比重度干旱脅迫后恢復程度高，且再次遭受干旱脅迫后，重度干旱脅迫后恢復能力較弱，導管形狀依舊有所收縮。這表明復水使燕麥生長早期根系中柱面積、導管直徑和導管壁受到干旱脅迫帶來的損害得到一定程度補償，但無法全部補償或超補償。而張旭東等[25]研究發現，干旱脅迫后復水玉米根系的中柱面積差異不明顯，輕度干旱脅迫和中度干旱脅迫下變形的導管基本恢復正常，而重度干旱脅迫則無法全部恢復正常。這可能是由于干旱脅迫處理與復水處理的程度與時間不同造成的。因此，根系解剖結構對干旱脅迫及復水響應的深入研究可以為作物抗旱能力提供微觀方向的依據。

本研究表明，短期中度干旱脅迫促進燕麥生長早期細根（＜0.25 mm）和中等根（0.25～0.50 mm）生長，而重度干旱以及持續中度干旱對燕麥不同徑級根系生長均呈現抑制作用，且對粗根（＞0.50 mm）根系總長、根系總表面積、根體積以及細根的根尖數抑制更大。復水對各徑級根系生長特征均具有補償效應，在中度干旱脅迫和重度干旱脅迫下，補償的主要手段是促進不同徑級根系總長的增加。隨干旱脅迫程度的加深、時間的延長，燕麥生長早期根系中柱面積、導管直徑呈減小的趨勢，根系導管壁變形程度加重。復水使根系中柱面積、導管直徑和導管壁得到一定程度補償。復水效應下各徑級根系生長和根系解剖結構特征均尚未達到對照水平。