锌肥对干旱胁迫下冬小麦根系生长发育及产量的影响

张 均, 梁振凯, 王学平, 胡利红, 李友军

(1.河南科技大学 农学院, 河南 洛阳 471000; 2.河南省新安县农业局, 河南 新安 471800)

干旱缺水、地力水平低、水肥资源利用效率不高是制约河南省冬小麦大面积丰产的主要因素。干旱胁迫下，作物生长发育及产量品质均受到严重威胁，其所造成的危害远大于其他逆境因子的总和[1-3]。土壤干旱胁迫，首先影响根系生长，进而才影响地上部植株发育。相关研究表明，干旱胁迫下，作物根系的分布构型、形态结构、生理特性均受到影响[4-6]。轻度干旱可以促进根系下扎和伸长生长，增加根长密度和根系分级数，而当土壤相对含水量为40%时，根长变短，根系的延伸生长严重受阻[7-8]。随着干旱程度的增加，次生根条数、根干质量显著减少，根冠比显著增大，根系发育不良[9-11]。根系生理活性同样受到干旱胁迫的制约。干旱胁迫下，根系活力和根中可溶性糖含量、保护酶活性显著降低，脱落酸含量上升，根系生长受损[12-14]。重度干旱胁迫下，根水势明显下降，根细胞膜伤害率增加，根系对水分和营养物质的吸收和运输受到抑制[15]。大量研究表明，干旱胁迫已经成为限制作物根系生长的主要环境因子[2-3]。

研究和实践均证明，在合理栽培技术基础上，增施肥料，改善作物营养，可以显著提高作物水分利用效率，同时，这也是目前节水抗旱技术的发展方向。相关文献资料表明，锌对植物根系内多种酶具有调节、催化作用，它既可以作为酶结构功能的辅助因子参与酶促反应，也可以作为酶的金属组分[16-18]。缺锌首先导致色氨酸减少，生长素含量降低，根系发育受到抑制[19-20]。干旱胁迫下，土壤中锌形态发生明显变化，结合态锌含量显著增加；锌从根系向地上部运输距离缩短，且在根际土壤中的移动速度变慢，扩散程度和扩散系数均受到制约[21]；严重干旱条件下，植物根系对锌的吸收利用下降，根系形态构型改变，锌进入根系细胞过程受阻，根系生理特征也随之改变[22]。由于根系表皮细胞壁上疏水物质的积累，锌在根系质外体中吸收和跨膜运输受到抑制[23]。另有研究表明，锌对植物适应干旱胁迫的影响也与锌指蛋白密切相关[24]。锌是形成锌指蛋白的必须元素，干旱可诱导锌指蛋白基因ZPT2-2和ZPT2-3的表达，从而提高植株的抗旱性[25]。目前，锌元素对干旱胁迫下小麦生长发育、产量形成及逆境响应影响的研究还不多，尤其干旱胁迫下其对根系生长发育影响的研究鲜见报道。为此，在干旱胁迫下通过增施锌肥，研究其对小麦根系形态结构、生理活性的影响，明确根系吸肥的功能，以期为构建具有良好应变性能的水肥高效利用技术体系提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 供试材料

供试材料为抗旱级别达3级水平的小麦品种洛旱6号，由河南省洛阳市农林科学研究院提供。

1.2 试验设计

试验于2017-2018年在河南科技大学农场进行。试验地土壤为壤土，耕作前土壤有机质16.5 g/kg、全氮0.96 g/kg、碱解氮64.89 mg/kg、速效磷15.16 mg/kg、速效钾120 mg/kg。试验采用盆栽试验，完全随机设计。盆高25 cm，盆口直径(内径)27.5 cm，每盆装土10 kg，盆栽用土为有效锌含量0.67 mg/kg的大田耕层土壤。设置2个干旱水平，正常灌溉：田间最大持水量的80%～85%；干旱胁迫：田间最大持水量的50%～55%。为精确控制土壤含水量，每间隔1 d在10:00将塑料盆取出并称质量，浇入蒸发损失的水分，直至小麦成熟。2个供锌水平，分别为0,1 mg/kg(供锌水平经过预备试验筛选确定)，以ZnSO4·7H2O溶液形式于播种期(2017年10月17日)浇入盆中。盆栽在防雨棚内进行种植，避免自然降水对盆内养分含量的影响，生长期间定量浇灌去离子水。共2×2=4个处理，重复3次，每盆定植13株。各处理分别表示为：正常灌溉+0 mg/kg锌(T1，对照)、正常灌溉+1 mg/kg锌(T2)、干旱胁迫+0 mg/kg锌(T3)、干旱胁迫+1 mg/kg锌(T4)。

施肥情况：土壤装盆前均匀混入氮肥、磷肥、钾肥，N施入量为1.006 g/盆，P2O5施入量为0.816 g/盆，K2O施入量为1.006 g/盆。氮肥50%底施，50%于拔节期随灌水追施。肥料来源：氮肥为尿素(含N 46%)，磷肥为过磷酸钙(含P2O517%)，钾肥为氯化钾(含K2O 64%)。

1.3 田间取样方法

在小麦越冬期、返青期、拔节期、开花期、灌浆期、蜡熟期6个生育时期取样。每个取样时期每处理各取3盆，计为3个重复。根系冲洗前先预浸土壤-根系样品2 h，以便冲洗时根、土容易分离，保持根系活性。根样冲洗后，用湿纱布包裹根样，装入黑色塑料袋内转移至实验室。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 根系形态扫描与分析 用扫描仪(Epson Expression 1680 Scanner, Seiko Epson Corp., Tokyo, Japan)扫描不同取样时期根系形态，将扫描的根系图片用WinRHIZO 根系分析系统(Regent Instruments Inc., Quebec, Canada)进行分析，得到总根长、根平均直径、根总表面积和根总体积。

1.4.2 根毛形态测定 将根样冲洗干净后，放入卡氏固定液中固定30 min，然后转移至70%乙醇中保存。观测时，挑选20段长势一致、具有代表性的次生根根样，利用XTL-2400解剖显微镜，观测不同根段上根毛的密度、长度和直径。

1.4.3 根毛形态结构观察 ①扫描电子显微镜观察：取切段长为1 cm的次生根根段，迅速放入4%戊二醛溶液中进行固定；用0.1 mol/L磷酸缓冲液(pH值7.2)清洗3次，每次20 min；采用30%，50%，70%，90%，100%的乙醇依次进行脱水，每次15 min；醋酸异戊酯置换2次，每次15 min；进行临界点干燥；导电处理后，置于FEI QUANTA200扫描电子显微镜下观察、拍摄根毛形态。②透射电子显微镜观察：将在4%戊二醛固定液中的根毛静置4 h后，用0.1 mol/L磷酸缓冲液(pH值7.2)清洗3次，每次20 min，之后用2%锇酸固定2 h；分别用30%，50%，70%，90%丙酮逐级脱水，然后用100%丙酮脱水2次，每级每次脱水30 min；Epon812包埋剂逐级渗透、包埋；在恒温箱中于37，45，60 ℃下分别过夜聚合。用LKB-V型超薄切片机切取厚度为50～70 nm的切片后，进行铀铅染色；将切片置于日立H-600型透射电子显微镜下观察、拍摄根毛结构。

1.4.4 锌含量测定 锌含量采用 HNO3∶HClO4(4∶1)混酸-电热板消解，利用德国耶拿公司生产的ZEEnit 700P原子吸收光谱仪(Analytik Jena Zeenit 700P, Jena, Germany)，参照王张民等[26]方法进行测定。

1.4.5 生长素含量测定 利用LC-210高效液相色谱分析仪(上海精科仪器有限公司，中国)，参考Ljung等[27]方法测定。

1.4.6 根系活力测定 采用TTC法测定，具体参考左文博等[28]操作，略有改动，采用95%乙醇溶液作为提取液。

1.4.7 产量及构成因素测定 于小麦成熟期不同处理取样3盆植株，分别考察穗数、穗粒数和千粒质量等性状，每盆按实收株数测产后，计算单株产量。

1.5 数据分析

所测数据利用Microsoft Excel进行图表制作，利用SPSS 17.0进行统计分析，多重比较采用Duncan′s法，所有图表数据均为3次重复的平均值。

2 结果与分析

2.1 锌肥对干旱胁迫下小麦根系形态的影响

随着生育进程的推进，小麦根系总根长、根平均直径、根总表面积和根总体积均呈现先升高后降低的趋势(表1)。总体而言，T3和T4处理下各指标低于T1和T2处理。全生育期内，T2处理总根长显著高于T1处理；除越冬期外，T4处理总根长显著高于T3处理，二者相比较，返青期至蜡熟期，增施锌肥后总根长增加幅度分别为27.05%,35.33%,22.21%,28.13%,28.76%。T2处理根平均直径在越冬期至返青期显著高于T1处理，其余生育时期则差异不显著，而T3和T4处理根平均直径在全生育期内均低于T1和T2处理，且T4处理根平均直径显著高于T3处理。根总表面积在全生育期内表现趋势为T2>T1>T4>T3，且T1和T2处理根总表面积显著大于T3和T4处理。增施锌肥可以显著提高根总表面积，越冬期-蜡熟期，T2处理根总表面积比T1处理提高了4.01%～21.21%，T4处理根总表面积比T3处理提高了7.73%～40.56%。除越冬期和灌浆期，T3和T4处理下，根总体积均显著低于T1处理。除越冬期和蜡熟期T3和T4处理根总体积差异不显著外，其余生育时期二者差异达显著水平。这说明，增施锌肥能够缓解干旱胁迫对根系形态的不利影响，有利于根系的生长发育。

2.2 锌肥对干旱胁迫下小麦根毛形态的影响

由表2可知，小麦根毛密度、根毛长度和根毛直径均随生育期的推进呈现先升高后降低的趋势，并在开花期达最大值。与正常灌溉相比，干旱胁迫后总体上根毛密度和根毛直径显著降低，而根毛长度差异则未达显著水平。正常灌溉条件下，除返青期，T2处理根毛密度显著大于T1处理，增加幅度为9.94%～20.16%。在干旱胁迫下，增施锌肥可以促进根毛密度增加，最大增幅为24.16%。正常灌溉条件下，T2处理与T1处理根毛长度在整个生育期内差异未达显著水平；除返青期外，T2处理根毛直径与T1处理差异达显著水平，其中拔节期T2处理根毛直径相比T1处理增幅最大，为25.58%。干旱胁迫条件下，增施锌肥对根毛长度影响不大，T3处理根毛长度仅在灌浆期与T4处理差异达显著水平，但在全生育期内对根毛直径均有显著促进作用。这表明，增施锌肥可减轻干旱胁迫对小麦根毛形态发生的抑制作用，促进根毛发育。

表1 锌肥对干旱胁迫下小麦根系形态的影响Tab.1 Effects of zinc fertilizer on root morphology of winter wheat under drought stress

注： 表中数值为平均值±标准差，同列数据后不同小写字母表示同一时期不同处理间差异达0.05显著水平。表2-3同。

Note:The values in the table are average±standard deviation, different lowercase letters after the same column data indicate significant differences(P<0.05) between different treatments in the same period. The same as Tab.2-3.

表2 锌肥对干旱胁迫下小麦根毛形态的影响Tab.2 Effects of zinc fertilizer on root hair morphology of winter wheat under drought stress

2.3 锌肥对干旱胁迫下小麦根毛形态结构的影响

根毛是养分吸收的主要器官，干旱胁迫和增施锌肥均对小麦根毛形态具有显著影响。由图1可知，正常灌溉条件下，开花期，T1处理根系生长旺盛，根毛数量较多，且多有分枝变形(图1-A)。增施锌肥后，根毛颜色洁白，直径增加(图1-B)。2 400倍扫描电子显微镜下，可以清晰地看到，干旱胁迫条件下，随着生育期的推进，T3处理根系逐渐衰亡，根毛数量逐渐减少，根毛萎缩较快，部分根毛出现中空现象，直径逐渐缩小，根毛细胞壁出现不同程度裂痕，细胞前端破裂(图1-C)。相比较而言，T4处理根毛前端受土壤颗粒和养分吸收的影响，呈现弯曲状，根毛形态饱满，内含物相对较为充实(图1-D)。由此可知，干旱和锌肥可以影响根毛形态变化。干旱胁迫条件下，根毛发生数量较少，随着水分的增加，根毛数量增多，直径增大。正常灌溉条件下，合适的锌含量有利于根毛生长。一定范围内，随着锌含量的增加，根毛细胞结构完整，生长良好。这说明，当土壤受到干旱胁迫时，根毛生长受到不同程度的影响，增施锌肥则可以改善根毛发育状况。

A.T1, ×40; B.T2, ×300; C.T3, ×2 400; D.T4, ×2 400。

干旱和施锌显著影响小麦根毛结构。正常灌溉条件下，开花期，T1处理的根毛细胞呈月牙形，细胞壁磷脂双分子层较为均匀，液泡密集且较小，核内物质较少，细胞核、线粒体等内含物难以分辨(图2-A)。T2处理的根毛细胞近椭圆形，细胞壁厚薄不均，磷脂双分子层在胞壁加厚处清晰可见，且伴有纤维素沉积现象，液泡占据胞腔内绝大部分空间，细胞核呈长方形，被液泡挤至细胞一侧，紧贴细胞壁。靠近细胞壁加厚一端，清晰可见较大的过氧化酶体、线粒体、油滴及嗜锇颗粒等(图2-B)。干旱胁迫条件下，T3处理的根毛细胞呈椭圆形，细胞壁变薄，腔内胞质浓厚，不规则液泡分散于胞腔内，没有观察到细胞核和线粒体等细胞器(图2-C)。T4处理的根毛细胞在开花期胞壁较厚，但开始向内收缩，磷脂双分子层依然完好，较大的液泡充斥整个细胞内，细胞核紧邻细胞壁，核内物质丰富，透射电镜下染色较深，线粒体、微体等细胞内含物较少且分布稀疏(图2-D)。这说明，在小麦生育后期，干旱胁迫下增施锌肥，有利于根毛细胞结构保持完整，延缓根毛衰亡进程，保持根系养分吸收能力。

2.4 锌肥对干旱胁迫下小麦根系锌含量的影响

由图3可知，随着生育期的推进，小麦根系锌含量呈现先升高后降低的变化趋势，总体在拔节期达到最大值。干旱胁迫和增施锌肥均能显著影响小麦根系锌含量。干旱胁迫显著降低了根系锌含量。与T1处理相比，干旱胁迫条件下，不同生育时期小麦根系锌含量分别降低了9.99%，39.76%，44.31%，52.06%，51.96%，21.43%。这说明，干旱胁迫对小麦根系锌含量的影响主要表现在生育中后期。而增施锌肥则显著缓解了干旱胁迫导致的根系锌含量降低，与T3处理相比较，不同生育时期，T4处理小麦根系锌含量分别增加了5.76%，21.72%，57.68%，60.54%，59.69%，37.91%，这说明小麦根系锌含量状况得到了改善。

A.T1, ×8 000; B.T2, ×8 000; C.T3, ×8 000; D.T4, ×8 000。

图柱上的不同字母表示同一时期不同处理间差异显著(P<0.05)。图4-5同。Different letters above the columns indicate significant difference among the different treatments in the same period at 0.05 level.The same as Fig.4-5.

2.5 锌肥对干旱胁迫下小麦根系生长素含量的影响

根系内的生长素可以促进侧根的发育和不定根的形成，生长素含量直接影响根系的生长发育。由图4可知，小麦根系生长素含量与锌含量变化规律基本一致。全生育期内，不同处理根系生长素含量表现为：T2>T1>T4>T3。增施锌肥显著增加根系生长素含量，T2处理根系生长素含量显著高于T1处理，其提高幅度为3.25%～21.85%。而干旱胁迫则导致根系生长素含量下降，T3处理根系生长素含量显著低于T1处理，其降低幅度为9.66%～49.64%。全生育期内，T4处理根系生长素含量较T3处理明显增加，其增幅为5.85%～73.11%。这说明，干旱胁迫降低了根系生长素含量，而锌肥的施用提高了根系生长素含量，干旱胁迫条件下增施锌肥显著缓解了因干旱造成的根系生长素含量降低。

图4 锌肥对干旱胁迫下小麦根系生长素含量的影响Fig.4 Effects of zinc fertilizer on root IAA content of wheat under drought stress

2.6 锌肥对干旱胁迫下小麦根系活力的影响

通过对不同处理小麦根系活力测定可知，干旱胁迫使根系活力显著降低(图5)。在正常灌溉条件下，增施锌肥显著提高了越冬期-拔节期的根系活力，开花期后根系活力也有小幅增加，但总体影响不显著。在干旱胁迫条件下，除返青期外，增施锌肥可使根系活力显著提高，T4处理与T3处理相比，根系活力提高幅度为8.33%～57.14%。这表明，干旱胁迫显著降低根系活力，而增施锌肥可显著提高根系活力。

图5 锌肥对干旱胁迫下小麦根系活力的影响Fig.5 Effects of zinc fertilizer on root vigor of wheat under drought stress

2.7 锌肥对干旱胁迫下小麦籽粒产量及其构成因素的影响

由表3可知，干旱胁迫和增施锌肥均能显著影响小麦单株产量及其构成因素。在干旱胁迫条件下，单株穗数下降，增施锌肥可以降低干旱对单株穗数的不良影响。与T3处理相比，T4处理小麦单株穗数增加幅度为6.25%，但差异未达显著水平。干旱胁迫降低了穗粒数，增施锌肥在正常灌溉和干旱胁迫下均可显著提高穗粒数，增加幅度分别为11.87%和8.01%。干旱胁迫使千粒质量显著降低，增施锌肥对干旱胁迫下千粒质量影响显著，增加幅度为6.87%。单株产量表现为T2>T1>T4>T3。干旱胁迫使单株产量显著下降，增施锌肥显著提高小麦单株产量，T4处理的单株产量比T3处理增加了50.00%。这说明，干旱胁迫显著影响小麦单株产量，而增施锌肥有利于提高干旱条件下的小麦单株产量。

表3 锌肥对干旱胁迫下小麦产量的影响Tab.3 Effects of zinc fertilizer on wheat yield under drought stress

3 结论与讨论

3.1 锌肥对干旱胁迫下小麦根系形态结构的影响

根系的形态结构与土壤水分及养分的高效利用密切相关，究竟什么样的根系形态特征符合高效低耗栽培目标，一直是小麦根系研究的热点。研究表明，干旱条件下，由于根系细胞膨压的降低，根长缩短，根系发育异常[11]。而作物根系形态和构型变化直接影响植株对锌的吸收及利用效率。锌高效小麦品种和锌低效小麦品种相比，其根系比表面积较大，从而更有利于提高植物对锌的吸收效率[29]。缺锌条件下，玉米的总根长、总根表面积、总根体积、直径、总侧根长、平均侧根长均下降，根系生长不良[30]。本研究结果表明，与正常灌溉相比，干旱胁迫总体上使小麦根系总根长、根平均直径、根总表面积和根总体积显著降低，这与前人研究结果基本一致[6-7]。施锌对越冬期小麦根系总长影响较小，但其余生育时期均显著提高根总长。同时，增施锌肥可以显著提高干旱胁迫下的根平均直径，这可能是植物适应水分胁迫的一个重要特征。另外，增施锌肥在整个生育期间促进小麦根总表面积和根总体积的增加，说明施锌有利于缓解干旱胁迫下根系的衰老。一般认为，干旱胁迫会影响根系对锌的吸收能力[21]。但是，适度干旱胁迫下，同化产物多向根系运输，根系渗透调节作用增强，根冠比增大，根系受到干旱胁迫的程度较地上部轻[31]。干旱胁迫还可导致根中脱落酸含量的上升，这对抑制乙烯的合成，维持和调节干旱胁迫下根系生长起着重要作用[32]。

3.2 锌肥对干旱胁迫下小麦根毛形态结构的影响

根毛是根系的重要组成部分。所有环境因子中，根毛对水分的反应最为敏感[33]。适度干旱条件下，根毛生长良好,而当土壤水分过多或严重亏缺时，根毛发生较少甚至停止发生[34]。本研究也得到类似结果，小麦根毛的生长与土壤含水量密切相关。随着土壤水分的减少，小麦根毛密度和根毛直径总体上显著降低，根毛细胞壁出现不规则凹凸现象，胞壁变薄，大部分细胞器与内含物解体消失，根毛衰亡。生产实践中，保持土壤轻度干旱，可促进根毛发生，提高根系吸水能力。增施锌肥，根毛形态结构变化较大，这表明，锌对小麦根毛形态结构具有调节作用。供锌水平提高时，根毛形态饱满，结构完整，内含物充实，根毛衰老延缓。据此，可以推测干旱胁迫下锌肥可能调节了小麦根毛发育中的某些过程，但其作用机制尚需进一步研究。

3.3 锌肥对干旱胁迫下小麦根系生理特性的影响

干旱胁迫时，作物根系首先得到信号并做出一系列反应，根系形态结构和生理活性随之发生变化，适应水分环境的改变，增强吸水能力，提高水分利用效率，从而减轻干旱胁迫对作物的伤害[6,13]。干旱胁迫可以降低根系锌含量，这可能是因为一方面水分不足，根系H+分泌量减少，土壤中的锌难以被活化，迁移速度过慢，导致根系吸收锌的能力降低[24]。另一方面，由于干旱胁迫使根系黏胶物质分泌减少，导致锌从土壤颗粒向根细胞膜运输的速度下降[28]。本试验中，干旱胁迫显著降低了根系锌含量，这可能是由于干旱胁迫加速了根系衰老从而影响了根系的吸收能力，而增施锌肥又能够提高其含量，因此，推测施用锌肥促进根系锌含量的增加在缓解干旱对根系生长的不利影响方面有重要作用。缺锌使植物体内生长素含量下降，这是由于色氨酸含量的降低使生长素合成途径受阻[20,35]。本研究发现，缺锌可使小麦根系中生长素含量明显下降，干旱胁迫下表现尤为显著。但增施锌肥可以增加根中生长素含量，这说明生长素在参与干旱响应中的作用机制较为复杂，可能与干旱缩短小麦根系生长发育时间有关。本试验中，干旱胁迫使根系活力的下降可能是小麦根系加速衰老的原因，而增施锌肥缓解了根系活力的降低，这可能对缓解干旱条件下小麦根系的衰老十分重要。生产实践中，对于不同抗旱性小麦品种而言，锌肥和生长素对抗旱高产和提高水分利用效率有着重要作用。

3.4 锌肥对干旱胁迫下小麦产量的影响

缺锌条件下，补施锌肥，可以增产3.57%～12.32%，旱地长期施用锌肥，对小麦有明显的增产作用[36]。研究证明，小麦籽粒锌含量和穗数、穗粒数和千粒质量呈显著的正相关，本研究结论与此一致[37-38]。本试验结果表明，干旱胁迫条件下，小麦成产三因素及产量显著下降，而增施锌肥缓解了干旱对小麦产量的不利影响，较多的干物质向籽粒转运，产量得到提高。这说明，干旱条件下，作物产量的构成与锌肥关系密切且复杂。

综上所述，增施锌肥可以缓解小麦根系因干旱胁迫而造成的生长发育不良，显著改善了根系形态结构和生理活性，提高了产量，增强了小麦的抗旱性。在本试验条件下，1 mg/kg的锌对调节干旱胁迫下小麦根系发育和产量形成具有重要作用，而相关的抗旱分子调控机制有待于深入研究。