外源硅添加对模拟干旱胁迫下垂穗披碱草苗期根系形态的影响

杨 智，陈仕勇，周青平，汪 辉，陈有军，胡 健

（1. 西南民族大学生命与技术学院，四川 成都 610041；2. 西南民族大学青藏高原研究院，四川 成都 610041）

干旱是自然界最主要的非生物胁迫之一，地球上大约1/3的土地处于干旱或半干旱区域，我国的干旱半干旱区域约占国土面积的1/2，非干旱区域也常会出现阶段性或季节性的干旱[1]，干旱严重制约着我国农牧业的发展。当土壤干旱时，根系首先受到干旱胁迫，其形态结构、分型模式会发生相应的变化，以适应干旱的土壤[2-3]。根是植物重要的组成部分，同时也是植物适应不同环境条件的功能器官[4]。根系的生长情况关系到植物对水分、养分的吸收。根系形态是描述植物根系适应环境变化的重要指标，植物根系形态特征参数主要有根系生物量、总长度、表面积、平均直径等[5]。干旱胁迫会抑制根系直径的增大[6]，根系的伸长生长受到抑制，总根长变短[7]。当植物遭受干旱胁迫时，根系通过膨压变化和生物膜受体感知信号，并传递至植物地上部分，导致气孔关闭，降低蒸腾作用减少水分流失，同时自身也通过形态、结构和生理的变化来适应外界环境的变化[8]。

硅在地壳中含量很大，约占地壳的28%[9]。硅是植物生长发育的有益元素，更是一种对生态环境友好的元素[10]。近年来有关外源硅添加提高植物抗逆性、促进植物生长的研究成为热点。研究表明，外源硅添加能提高植物对干旱[11]、盐[12]、重金属[13]、紫外线[14]、病原物[15-16]等有害因子的抗性。陈伟等[17]研究显示，外源硅添加能促进单子叶植物干物质的积累，提高其地上生物量，并且能够促进其生长发育，提高其对逆境胁迫的抗性[18-19]。刘慧霞等[20]研究发现，硅可以促进紫花苜蓿(Medicago sativa)侧根的分化，从而增加了根系生物量。Hameed等[21]通过聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫，对干旱胁迫下的小麦(Triticum aestivum)幼苗添加外源硅，研究结果表明，外源硅添加促进小麦幼苗生长且显著增加幼苗的根长。硅添加显著缓解干旱胁迫对水稻(Oryza sativa)根系的伤害，提高水稻总根长、根系表面积和根系体积[22]。

垂穗披碱草(Elymus nutans)为禾本科披碱草属多年生牧草，广泛地用于青藏高原等高寒地区天然草地恢复和栽培草地建植，有着优良的经济价值和生态价值。在青藏高原地区，垂穗披碱草的种植方式主要是旱作，水分是影响其生长发育的主要因素，根系又是水分吸收的主要器官。综上，探究垂穗披碱草根系形态对干旱胁迫及外源硅添加的响应，对垂穗披碱草的生产应用具有重要的意义。本研究以垂穗披碱草为材料，探讨添加不同浓度硅对干旱胁迫下其幼苗根系生物量、总根长、根系表面积、根系体积等指标的影响，旨在为后期垂穗披碱草的推广利用提供重要的参考，也为硅添加缓解植物干旱胁迫的机理及抗旱生产提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为西南民族大学牧草创新团队选育的垂穗披碱草新品系“康南”垂穗披碱草，由四川省抗逆牧草种质创新及生态修复工程实验室提供。

1.2 材料的培养

选择成熟、饱满、均匀、无病虫害的种子，用0.1% HgCl2消毒5 min，之后先用自来水冲洗数次，再用蒸馏水反复冲洗4～5次，试验选用高压灭菌后的石英砂作为培养基质，把石英砂装入塑料培养盒(长 25 cm、宽 150 cm、高 15 cm)，每盆装入 1.5 kg，然后将种子均匀的播种在石英砂上，置于智能温室中：昼温 (25 ± 1) ℃，夜温 (18 ± 1) ℃，光照 16 h，黑暗8 h，相对湿度 70%，光照强度 850 μmol·(m2·s)-1。发芽后用Hoagland营养液培养，出苗后间苗，两叶一心定株，每盆留生长一致、分布均匀的幼苗50株，每3 d更换一次营养液，保证幼苗正常生长。前期预试验使用不同浓度(0、5%、10%、15%、20%、25%)的PEG-6000对披碱草幼苗进行了30 d的模拟干旱胁迫，结果表明，用15% PEG培养垂穗披碱草幼苗20 d后幼苗表型差异明显，且在培养7、21 d时幼苗根系形态、生理指标等也差异显著 (P＜ 0.05)，所以本研究选用 15% PEG。待幼苗生长到三叶期，用15% PEG溶液模拟干旱胁迫。

1.3 试验处理

试验设置5个处理：对照(CK，不添加PEG和Si)、15% PEG(单一干旱胁迫，以“PEG”表示)、15% PEG +0.2 mmol·L-1Si(以“PEG + 0.2Si”表示)、15% PEG +0.5 mmol·L-1Si(以“PEG + 0.5Si”表示)和 15% PEG +1.0 mmol·L-1Si(以“PEG + 1.0Si”表示)处理。本研究采用硅酸钾(K2SiO3)作为外源硅添加剂。处理期间每2 d更换一次营养液，营养液pH为5.6～6.0。处理7、21 d时采样测定指标，每个处理5次重复。

1.4 指标测定

根系生物量：处理7、21 d时取出根系用流水清洗根系，然后用吸水纸吸干水分，最后在105 ℃下杀青20 min，75 ℃下烘干至恒重并称量。

根系形态指标：每盆随机选取15株完整根系，洗净后并用吸水纸吸干水分，利用Expression12000XL扫描后通过winRHIZO Arabido32-bit2017a根系图像分析系统，统计不同处理垂穗披碱草幼苗总根长、根系表面积、根系平均直径、根系分枝数、根尖数等形态指标。按根系直径将样品分为3个径级：0～0.5 mm(以“R1”表示)、0.5～1.0 mm(以“R2”表示)、＞ 1.0 mm(以“R3”表示)，并统计各径级总根长、根系表面积、根系体积、根尖数。

1.5 数据统计与分析

采用 Excel 2016和 SPSS 22.0软件对数据进行统计分析和制作图表，采用最小显著法(LSD)进行根系生物量、总根长、根表面积、根尖数、分枝数和根系平均直径的差异显著性检验(P＜ 0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同浓度硅对干旱胁迫下垂穗披碱草根系生物量的影响

不同浓度硅对干旱胁迫下垂穗披碱草幼苗生长状况如图1所示，PEG降低了垂穗披碱草幼苗的株高、株丛体积，但添加一定量的外源硅，缓解了PEG对幼苗生长的胁迫。根系生物量分析结果表明PEG显著降低了垂穗披碱草幼苗的根系生物量(P＜ 0.05)，处理 7、21 d 的根系生物量分别为对照组的31.87%和30.67%(图2)。添加一定量的外源硅显著提高了干旱胁迫下根系干物质的积累(P＜ 0.05)，缓解了干旱胁迫对苗期根系的影响。处理7 d时，随着硅浓度的升高，根系生物量逐渐增大。处理21 d时，随着硅浓度的升高，根系生物量呈先增加后减少的趋势，其中PEG + 0.5Si的根系生物量显著高于较其他两个处理 (P＜ 0.05)。

图1 硅对干旱胁迫下垂穗披碱草生长的影响Figure 1 Effects of silicon addition on the growing states of E. nutans seedlings under drought stress

图2 不同浓度硅对干旱胁迫下垂穗披碱草幼苗根系生物量的影响Figure 2 Effects of silicon addition at different concentrations on root biomass of E. nutans seedlings under drought stress

2.2 不同浓度硅对干旱胁迫下垂穗披碱草根系形态指标的影响

处理 7 d、21 d，与 CK 相比，PEG 处理显著 (P＜0.05)降低根系的总根长、根系表面积、根系体积、根系平均直径 (表1和图3)。处理 7 d 时，PEG +1.0Si与 PEG + 0.2Si、PEG + 0.5Si根系总长度和根系表面积差异均显著(P＜ 0.05)，且根系总长度随着硅浓度的升高而增大；各处理间根系体积变化不显著 (P＞ 0.05)。与 PEG 对比，PEG + 1.0Si的总根长、根系表面积、根系平均直径增加最多。处理21 d时，总根长、根系表面积、根系体积、根系平均直径随着硅浓度的升高均呈现出先增大后减小的趋势，当硅浓度为 0.5 mmol·L-1Si时 4个指标均达到除CK外的其他处理的最大值。

表1 不同浓度硅对干旱胁迫下垂穗披碱草根系形态指标的影响Table 1 Effects of silicon addition at different concentrations on the morphological index of of E. nutans seedling roots under drought stress

图3 不同浓度硅对干旱胁迫下垂穗披碱草处理不同时间的根系形态特征Figure 3 Effects of silicon addition at different concentrations and times on the morphological index of E. nutans seedling roots under drought stress

2.3 不同浓度硅对垂穗披碱草干旱胁迫下根系分枝数和根尖数的影响

干旱胁迫显著降低了垂穗披碱草幼苗根系分枝数和根尖数(P＜ 0.05)，添加硅能不同程度提高干旱胁迫条件下垂穗披碱草幼苗根系分枝数和根尖数量 (图4)。处理 7 d 时，PEG + 1.0Si的根系分枝数显著高于其他添加处理(P＜ 0.05)，根尖数显著高于 PEG(P＜ 0.05)。处理 21 d 时，垂穗披碱草幼苗根系分枝数和根尖数随着硅浓度的增加呈现出先增大后减小的趋势，PEG + 0.5Si的根系分枝数和根尖数均达到最大 (P＜ 0.05)。

2.4 不同浓度硅对干旱胁迫下垂穗披碱草幼苗不同径级根系指标的影响

干旱胁迫下，幼苗不同径级根的长度、表面积、根体积及根尖数均降低(表2)。外源硅添与PEG处理相比垂穗披碱草幼苗的根系长度在R1径级变化显著(P＜ 0.05)，表明在干旱胁迫条件下，添加硅后其幼苗的细根(0～0.5 mm)的分化更为明显。处理7 d时，随着硅浓度的增加，幼苗的R1根系长度、根尖个数呈现上升趋势。处理21 d时，随着硅浓度的增加，幼苗的R1的根系长度、表面积和根尖个数均先增加后减少。

3 讨论

根系的生物量可以反映植物地下根系的生长情况以及干物质的积累，生物量越高，根系生长越好。本研究表明，干旱胁迫下垂穗披碱草幼苗的生物量显著 (P＜ 0.05)降低，添加外源硅显著 (P＜ 0.05)提高了干旱胁迫下垂穗披碱草幼苗根系生物量。与王晨等[23]在硅添加对草地早熟禾(Poa pratensis)抗旱性的研究结果相同。垂穗披碱草幼苗在干旱胁迫下根系生长受到严重抑制，影响了干物质在根系的合成与积累，而添加外源硅对植物干物质的合成和积累有一定促进作用[24]。

图4 不同浓度硅对垂穗披碱草幼苗干旱胁迫下根系分枝数和根尖数量的影响Figure 4 Effects of silicon addition at different concentrations on the number of branches and tips of the root system in E. nutans seedlings under drought stress

表2 不同浓度硅对干旱胁迫下垂穗披碱草幼苗不同径级根系指标的影响Table 2 Effects of silicon concentration on different root indexes of E. nutans seedlings under drought stress

植物根系对环境变化敏感，并能通过改变根系形态来适应环境变化[25]。根系形态与植物吸收水分和养分关系密切，很大程度上决定了植物的环境适应能力和产量[26-27]。本研究结果表明，在不同硅浓度 (0.2～1.0 mmol·L-1)处理 7 d 后，垂穗披碱草幼苗总根长、根系表面积、根系体积、根系直径、根尖数、分枝数等形态指标随着硅添加的浓度增大而升高，然而21 d后垂穗披碱草幼苗根系形态指标随着硅添加的浓度增大而呈现出先上升后下降的趋势。与余群[28]在早熟禾的研究、苏以荣[29]在水稻的研究以及宋锐等[30]在高羊茅(Festuca elata)的研究结果相似。这也表明对干旱胁迫下植物根系生长有一定的诱导作用，促进了根系的伸长和伸展，可以在一定程度下缓解干旱胁迫对植物根系形态的影响，提高植株的抗旱性。但植物幼苗对硅的吸收也存在一个阈值，超过这个阈值根系不再增加吸收量。随着硅的添加，培养液的渗透压也会相应增大，会对根系生长产生抑制作用。也许添加一定浓度的外源硅刺激了水通道基因的表达，增加了水通道蛋白的活性[31]，增强了根系的吸水能力，提高了地上部分的蒸腾速率和净光合速率[32]，光合产物向根系运输，促进了根系生长发育；也可能添加一定浓度的外源硅提高了幼苗根系水力电导度，增加了根系的吸水速度[33]，但还需进一步验证。

同时本研究表明，随着硅浓度的增加，R1直径范围(0～0.5 mm)内的根系总长、根系体积、根系表面积等指标比R2、R3等变化更明显。这表明垂穗披碱草幼苗通过分化细根，增加根系总长度、根系数量和根系表面积等根系的形态指标，使幼苗根系构型以适应干旱胁迫的环境。

4 结论

干旱胁迫显著抑制了垂穗披碱草幼苗根系的干物质、根系形态指标等指标，添加外源硅可以不同程度地改善相关的指标，缓解干旱胁迫影响。不同浓度的外源硅添加对一定干旱胁迫下能够适当提高垂穗披碱草的耐旱能力，并表现为低浓度促进生长高浓度抑制生长的趋势。细根分化是垂穗披碱草幼苗抵御干旱胁迫的一个重要生理机制。