栓皮栎幼苗叶片内源激素含量对切根胁迫的短期动态响应

王晓雯，冯志培，程珂，杨果果，赵佳宝，杨喜田

(河南农业大学林学院,河南 郑州 450002)

根系作为与土壤直接接触的器官和植物重要的功能器官，不仅能固定地上部分，还能吸收水分和养分，满足植物正常生长发育，对植被生态功能的有效发挥起着关键性作用[1-2]。根系既是生产内源激素的“源”，又是接收地上部生产的内源激素的“库”，因此，根系通过协调输入或输出激素的水平影响地上部激素的含量[3]。植物体内大多内源激素的含量维持在一种平衡状态，并参与植物生长发育的各个方面[4-6]。在植被恢复和移栽苗木过程中，健康生长的苗木根系状态会受到不同程度的伤害，苗木根系受到切除伤害后，体内的内源激素会发生应激变化将胁迫信号传递给叶片，并作为内源信号分子参与植物在非生物逆境胁迫中的抗性作用[2,7]。前人对植物激素与植物抗性生理和抗逆能力的关系开展了大量研究[8-12]，认为内源激素作为信号分子，是参与苗木生长发育和适应外界环境变化的重要物质。在干旱胁迫下，植物根系产生根源化学信号，通过茎干运输系统到达地上部分，减少叶片气孔开度，降低蒸腾作用，抑制生长和调节植物的水分利用[13]。近年来，有关移栽或切根与植物生长发育关系的研究逐渐成为恢复生态学的研究热点[14-17]，也开展了切根影响根系内源激素含量的研究[10]，但有关切根对叶片中内源激素在短时期内的动态变化还研究较少。因此，本研究以1 a生栓皮栎(QuercusvariabilisBl.)幼苗为研究对象，设置1/2切根、1/3切根处理，不切根作为对照(CK)，采用酶联免疫法(ELISA)测定切根后第2、15、30、60、90天的栓皮栎幼苗叶片中生长素(IAA)、脱落酸(ABA)、赤霉素(GA3和GA4)和茉莉酸甲酯(MeJA)等内源激素含量的变化规律以及幼苗生长状况，以探明内源激素在短期内调节林木根—冠互作关系中发挥的生理作用，以期为培育优质苗木和人工植被的建设提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

1 a生栓皮栎幼苗的培育在郑州市河南农业大学林业试验站(113°42′E，34°43′N)完成。该区属于暖温带大陆性季风气候，四季分明，全年日照时间约为2 400 h，年平均降雨量为640.9 mm，无霜期约为220 d，年平均气温14.2 ℃，全年月平均最低气温出现在1月，约为-0.2 ℃，全年月平均最高气温出现在7月，约为27.3 ℃。切根后的栓皮栎幼苗在河南农业大学人工气候室内用培养液培育，温度18/24 ℃(晚上/白天)，相对湿度为40%～60%，光照时间为12 h，光照强度(晴天)为18～56 μmol·m-2·s-1。

1.2 试验材料及设计

栓皮栎种子采自济源市大沟河林场，发芽率为92%，千粒质量为(3 690±112)g，带回实验室并放在4 ℃的冰箱中保存。播种前，用水冲法清除种子中的杂质，阴凉通风处进行沙藏催芽，种子露白后，将大小均一的露白种子播种于容器(30 cm×30 cm×35 cm)内，基质为V(沙子)∶V(蛭石)∶V(珍珠岩)=3∶1∶1，每穴4粒，播种后覆土。当幼苗子叶完全展开后，每穴定植1株，进行正常的田间管理，并记录植株的生长状况。整个试验过程中，为避免其他因素对试验结果造成的影响，均不喷洒农药和施肥。培育1 a后，选取大小基本一致、发育良好的栓皮栎幼苗，株高为((23.33±3.47)cm，地径为(2.85±0.82)mm，平均主根长为(21.66±2.04) cm)，共200株，用水冲法进行全根起苗，对幼苗主根按照1/2和1/3比例切断，不切根组作为对照(CK)，分别记为1/2切根组、1/3切根组和CK组，每个处理组3个重复，每个重复20株。切根前用体积分数为75%的乙醇对剪刀进行消毒，记录，编号，放入4～6 ℃冰盒内，迅速带回至人工气候室，放入培养盒内继续培养，营养液配方见表1。

表1 培养营养液组成Table 1 Components of nutrient solution mg·L-1

1.3 测定指标及方法

内源激素测定分别在切根处理后的第2、15、30、60和90天的上午9：00—11：00，对不同切根比例的栓皮栎幼苗选取3株进行叶片组织取样，迅速放入液氮罐带回试验室内，在研钵中充分研磨，采用酶联免疫法(ELISA)[18]测定样品中的IAA、ABA、GA3、GA4和MeJA等内源激素含量。

1.4 数据统计与分析

采用SPSS20.0和Excel 2007软件对数据进行统计分析。运用Duncan检验法进行多重比较和差异显著性检验(α=0.05)，用Excel 2007软件作图。数据以平均值±标准差表示。

2 结果与分析

2.1 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片中ABA含量的影响

经过不同比例切根处理后，在切根后第2天，各处理组ABA含量差异显著(P<0.05)，1/2切根处理和1/3切根处理的栓皮栎幼苗叶片中ABA含量比CK组低，分别比同期CK组低5.9%和33.6%；切根后第15天，1/3切根处理叶片中ABA含量显著高于同期1/2切根处理和CK组(P<0.05)；切根后15～60 d，CK组和1/2切根组叶片中ABA含量总体呈现升高趋势，切根时间相同时，1/2切根组均显著高于CK组(P<0.05)；直到切根第90天，各切根组栓皮栎幼苗叶片中ABA含量与CK组无显著差异(P>0.05)，其含量变化范围为108.48～112.54 ng·g-1(表2)。综上可知，切根处理后第15～90天内，叶片中ABA含量呈升高趋势，说明受到切根胁迫后栓皮栎根系可以传递胁迫信号给叶片。

2.2 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片中IAA含量的影响

切根后第2天，1/2切根组含量显著高于CK组和1/3切根组(P<0.05)。切根后的第2～15天，CK组栓皮栎叶片中的IAA含量从33.16上升到54.57 ng·g-1，之后基本保持平缓，而与CK组相比，1/2切根组和1/3切根组栓皮栎叶片中的IAA含量均降低，且在切根后第15天时切根组叶片的IAA含量显著低于CK组(P<0.05)。1/2切根组叶片中的IAA含量在切根15～90 d内呈先升高后降低再升高的变化趋势，而1/3切根组叶片中IAA 含量在15～90 d却逐渐上升，并随着时间的变化存在显著差异(P<0.05)，在第90天时1/3切根组和1/2切根组显著高于CK组(P<0.05)。3个处理组相比，CK组中叶片的IAA含量变化幅度最小，为21.41 ng·g-1，1/2和1/3切根组分别为56.90和31.47 ng·g-1(表3)。

表2 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片ABA含量的影响Table 2 Effects of different treatments of root pruning on ABA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

注：不同大写字母表示相同时间不同切根处理的同列数据之间在P<0.05水平差异显著；不同小写字母表示相同处理组不同取样时间的同行数据之间在P<0.05水平差异显著。下同。

Note:Different capital letters in the same column of data of different root-cutting mean significant difference atP<0.05 level; and different lowercase letters in the same line of data of different sampling time mean significant difference atP< 0.05 level.The same as below.

表3 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片IAA含量的影响Table 3 Effects of different treatments of root pruning on IAA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

2.3 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片中GA3含量的影响

由表4可知，1/3切根组在整个试验过程中呈上升趋势，但1/2切根组呈先下降后上升的变化趋势。尤其是切根后第30天，CK组栓皮栎叶片中GA3含量到达一个峰值，为9.21 ng·g-1，而1/2切根组含量到达最低值，为7.64 ng·g-1，CK组高出1/2切根组1.57ng·g-1(P<0.05)。切根后第2天，叶片中GA3含量为1/3切根组>1/2切根组>CK组，其含量分别为8.52、8.38和7.38 ng·g-1，切根组叶片中的GA3含量均高于CK组(P<0.05)；切根处理后第2～15天和第60～90天，切根组叶片中GA3含量大于CK组；切根后2～60 d内，1/3切根组均高于1/2切根组，且在第30天时显著高出1.27 ng·g-1(P<0.05)。

表4 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片GA3含量的影响Table 4 Effects of different treatments of root pruning on GA3 content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

2.4 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片中GA4含量的影响

整个试验过程中，1/2切根组和CK组叶片中GA4含量变化规律相同，切根后2～30 d含量呈上升趋势，30～60 d下降，60～90 d上升，且1/2切根组叶片中的含量均高于CK组。在切根后第30天，1/2切根组和CK组分别出现一个峰值，其含量分别为10.60、9.23 ng·g-1，且1/2切根组比CK组显著高出1.37 ng·g-1(P<0.05)；1/3切根组叶片中，GA4含量总体呈先升高后降低的趋势，并在切根后第15天时1/3切根组含量显著高于1/2切根组和CK组(P<0.05)，在切根后第30天时含量最高，之后开始下降；在切根后2～90 d内，1/2切根组叶片中GA4含量始终高于CK组(表5)。

2.5 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片中MeJA含量的影响

栓皮栎幼苗叶片中MeJA含量变化范围为18.76～30.34 ng·g-1。整体来看，CK组叶片中MeJA含量没有显著变化(P>0.05)，切根组叶片中MeJA含量表现为上升趋势。2～15 d内，切根组显著低于CK组(P<0.05)；在切根后2～90 d内，CK组叶片中MeJA含量始终高于切根组，且1/2切根组含量高于1/3切根组；切根后2～15和60 d内CK组与切根组差异显著(P<0.05)；1/2切根组前后含量变化为6.33 ng·g-1，增幅达29.79%；30～90 d内，1/3切根组保持平缓，1/2切根组最后恢复到与CK组基本相同水平。1/3切根组上升幅度最大，最高值与最低值相差6.79 ng·g-1，增幅达36.19%(表6)。

表5 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片GA4含量的影响Table 5 Effects of different treatments of root pruning on GA4 content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

表6 不同切根处理对栓皮栎幼苗叶片MeJA含量的影响Table 6 Effects of different treatments of root pruning on MeJA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

3 结论与讨论

ABA可加快离层形成从而促进植物组织脱落、植物生长以及加强植物的抗逆性。研究发现，叶片中ABA在气孔关闭中发挥重要作用[18]。受到切根胁迫的植株，根系产生的ABA会传递到叶片，减少叶片气孔开度，抑制蒸腾，增加支柱的保水力[19-20]。本研究发现，栓皮栎幼苗受到切根伤害后15～60 d内，ABA含量出现升高现象，且切根组大于对照组，这可能是由于根系受到切根伤害后，根系中也能迅速合成ABA并传递给叶片，使叶片中ABA含量升高，提高了栓皮栎幼苗叶片的保水性，减轻细胞膜的受损程度，增强栓皮栎幼苗对切根胁迫的抵抗能力[21]。茉莉酸类物质与ABA一样都是参与植物应对胁迫的一种重要激素。有研究发现，在许多逆境条件下植物体内ABA或MeJA含量会升高，植物的抗逆性会增强[22-26]。也有研究表明，低温处理香蕉后，其体内的茉莉酸含量有所降低[27]。本研究发现，叶片中MeJA含量随时间延长切根组栓皮栎幼苗中MeJA含量逐渐升高，切根组含量低于同期CK组，并随着时间延长逐渐缩小与CK的差距，可能由于随着根系自身的修复功能，MeJA逐渐恢复至平衡状态，也可能与栓皮栎幼苗启动侧根生长有关。

IAA可以促进植物的生长发育，促进细胞的伸长、分裂和分化，促进器官的成熟和衰老[28]。研究发现，高温胁迫下，黄瓜叶片IAA含量减少，认为高温胁迫下植物生长代谢与IAA含量存在互动反馈关系，即高温胁迫降低了植物活性使叶片衰老甚至死亡，叶片中IAA含量从而减少[7]。本研究发现，栓皮栎幼苗受到切根伤害后，切根组叶片中IAA含量前期整体上要低于同期CK组，叶片中IAA含量减少可能是由于切根后植株正常生长受到阻碍，降低了植株活性，根系将信号传递给叶片，从而减少了叶片中IAA含量。而在切根第90天时切根组显著高于CK组，是因为随着切根时间的延长和自身修复，植株通过调节内源激素的浓度从而建立新的平衡来适应逆境的胁迫。断根处理下，IAA含量变化不同可能是植物的物种及各部位差异表现出对IAA的敏感度不同[29-30]。

赤霉素可以抑制衰老，促进细胞的增长和茎、叶的伸长。有研究发现，烟草和玉米受到非生物胁迫后，叶片中的GA3含量均下降[31-32]，高温胁迫下，黄瓜顶芽中GA3含量降低，并且随着温度的升高，降低幅度也越大[7]。本研究发现，切根处理后，栓皮栎幼苗叶片中GA3含量没有显著变化，在切根2～60 d内，切根组叶片中GA4含量高于CK组，这可能是由于不同植株不同器官的GA在应对不同胁迫时其响应机制不同，植物体内GA的动态变化与植物体本身的性质关系密切。

本试验主要研究了不同切根处理后不同时期栓皮栎幼苗叶片中内源激素的含量变化，证明了根系在受到切根伤害后，短期内叶片中对调节植物生长发育的各激素有一定影响。根系将胁迫信号传递给叶片后，内源激素产生并重新分配对切根胁迫做出应激反应。随着切根胁迫的减弱和植株自身的修复，内源激素含量逐渐恢复至正常水平。但植物内源激素的变化比较复杂并且各种激素之间以各种复杂的方式协调起作用。