二倍体和四倍体西瓜幼苗根系形态差异比较

朱红菊 赵胜杰 路绪强 何楠 刘文革

摘    要：多倍体植物由于染色体加倍，其形态特征与二倍体有明显差异。以二倍体和其人工诱导的同源四倍体西瓜为材料，利用根系分析仪扫描和石蜡切片的方法比较7 d和3叶1心期不同倍性西瓜幼苗的根系形态差异。结果表明，在根系发育至7 d时，四倍体西瓜幼苗根系长度不及二倍体，但是平均直径、投影面积、表面积和体积均大于其同源二倍体;在3叶1心期，四倍体西瓜幼苗的根系长度、平均直径、投影面积、表面积和体积均显著大于其同源二倍体;与二倍体西瓜相比，四倍体西瓜根部的后生木質部细胞较大，筛管和伴胞较多且大;四倍体西瓜幼苗根系鲜质量和干质量均大于其同源二倍体。因此，染色体加倍后，四倍体西瓜幼苗根系无论是细胞大小还是生物量均大于其同源二倍体，该结果可以为研究植物多倍体的形态变异和优势机理提供一定的理论依据。

关键词：西瓜;二倍体;同源四倍体;根系形态

中图分类号：S651 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2020）11-018-04

Abstract： The morphological characteristics of polyploid plants are significantly different from that of diploid plants due to the genome duplication. Diploid and colchicine induced autotetraploid watermelon were used in this research， the seedlings at 7 days and three-leaf stage were used to investigate the root differnece， the root system was scanned by a root scanner， the cellular structure of the root was observed by paraffin section， and the biomass of the root was measured. The results showed that after cultured for 7 days the length of the tetraploid watermelon seedlings were shorter than that of diploid plants， but the average diameter， projection area， surface area and volume were larger than those of diploid ones. The length， average diameter， projection area， surface area and volume of the tetraploid watermelon seedlings were found a significant increase than those of diploid plants at three-leaf stage. Compared with diploid watermelon， the root of tetraploid watermelon showed larger metaxylem cells， more sieve tubes and cell partners. The fresh weight and dry weight of tetraploid watermelon seedlings were greater than their homologous diploid roots. The results can provide some theoretical basis for studying the morphological variation of plant polyploids.

Key words： Watermelon; Diploid; Autotetraploid; Root morphology

多倍化是高等植物基因组进化的显著特征之一，植物多倍体在生物的进化中扮演了重要角色[1]。多倍体植物染色体加倍以后其外形特征与二倍体有明显差别[2]，一般而言，同源多倍体植物植株高大、茎粗叶厚、叶面积增加、种子变大[3]。如同源四倍体荞麦的外部形态特征与普通荞麦比较，植株平均增高，茎秆变粗，叶片变厚增大，而且其保卫细胞长度和宽度分别增加50.9%和22.8%[4]。四倍体的水稻与其同源二倍体相比，株高、叶片长度、叶片宽度、花器官、种子等均增大[5]。拟南芥四倍体的体细胞、根细胞都较其原始二倍体增大[6]。四倍体西瓜的叶片大小、茎秆粗度、花器官大小都随倍性的增加而增加[7]。

根系是植物水分和养分吸收、多种激素及氨基酸合成的重要器官[8]，是土壤养分的直接利用者和作物产量的重要贡献者。植物的根系形态与植物的抗逆[9]和高产性[10]等有直接关系。抗旱型花生品种根系较发达，具有较大的根系生物量、总根长、总根系表面积，而盐敏感型的花生则相反[9]。高产类型的水稻品种在根干质量、根体积、根系总吸收表面积等方面具有明显优势[10]。关于多倍体的根系，在南瓜、糜子、小麦等[11-13]作物上均发现了多倍体根系的生物量大于其二倍体，刘文革等[14]研究不同倍性西瓜发芽种子成苗过程中的耐盐性发现，盐胁迫下不同倍性西瓜之间的成苗率、下胚轴长、根长、侧根数等指标有明显差异。由于根土系统的非直观性和根系研究方法的局限性，以往研究主要集中在生物量、酶活性、基因表达等方面，缺乏对多倍体根系形态的详细描述。笔者利用二倍体及其同源四倍体西瓜为材料，研究不同倍性西瓜幼苗根系形态差异，为多倍体植物优势机制研究提供一定的依据。

1 材料与方法

1.1 材料

二倍体西瓜材料为中国农业科学院郑州果树研究所多倍体西瓜育种课题组选育的高代自交系‘中育9号。‘中育9号四倍体西瓜是用‘中育9号二倍体在2006年通过0.2%秋水仙素诱导幼苗生长点加倍所得，诱变方法参考赵胜杰等[15]的并稍作改动，诱变成功的四倍体西瓜连续自交7代，得到稳定的四倍体西瓜材料。用该四倍体西瓜和其原始二倍体单系作为试验材料。

1.2 方法

2017年9月，将二倍体和四倍体种子分别进行人工破壳，温水浸泡2 h，恒温箱32 ℃催芽24 h，将种子分为3份备用。将其中一部分发芽后的种子播种到种子萌发袋中，放入光照培养箱中培养，培养条件为白天温度（32±1）℃，夜晚温度（22±1）℃，光照时间14 h，黑暗时间为10 h，湿度75%～85%，每隔1 d浇灌1/2 Hoagland营养液1次，培养7 d后测定西瓜幼苗根系。

将另一部分发芽的种子播种到沙土中，待子叶展平后，移至水培条件下，水培营养液为1/2 Hoagland营养液，每周更换1次，增氧泵每30 min通氧1次，每次5 min。水培西瓜幼苗放置在智能温室培养，营养液和培养条件同上述光照培养箱条件，培养至3叶1心期时测定西瓜幼苗根系。试验在中国农业科学院郑州果树研究所智能温室中进行。

1.3 测定指标和方法

1.3.1 根系形态测定 选取在种子萌发袋培养7 d和在水培条件下培养至3叶1心期西瓜幼苗根系作为测定材料，采用中晶i800 plus根系扫描仪对根系进行扫描，万深LA-S系列植物根系分析系统对根系进行分析，测定指标包括根系总长度、根系表面积、根系投影面积、根体积、根系平均直径，每组材料设置3次重复。

1.3.2 根系普通显微结构观察 选取3叶1心期的西瓜幼苗根系，将主根切成1 cm长的小段，马上放入FAA固定液中，用于石蜡切片。石蜡切片的制作方法参照朱红菊[16]的方法，用Lica电子显微镜对根系结构进行观察、拍照。

1.3.3 根系生物量测定 采集3叶1心期西瓜幼苗根系，吸干根系表面水分，每10株为1个重复，设置3次重复。先用电子天平（CP214，美国奥豪斯）称量根系鲜质量，之后将根置于电热恒温培养箱（78-1，湖北黄石医疗器械厂）在105 ℃下杀青30 min，然后在70 ℃下烘干至恒量，用电子天平（CP214，美国奥豪斯）称量根系干质量。

1.4 数据处理

试验数据均由SPSS 20.0处理，采用多重比较法进行分析。

2 结果与分析

2.1 二倍体和四倍体西瓜幼苗根系形态参数比较

比较二倍体和四倍体西瓜幼苗根系形态发现，西瓜幼苗长至7 d时，四倍体西瓜幼苗根系长度不及二倍体，但是平均直径、投影面积、表面积和体积均大于其同源二倍体（表1，图1）。在长至3叶1心期时，四倍体西瓜幼苗的根系长度、平均直径、投影面积、表面积和体积均大于其同源二倍体，且较其同源二倍体差异显著。

2.2 二倍体和四倍体西瓜幼苗根系普通显微结构比较

通过石蜡切片观察，比较3叶1心期二倍体和四倍体西瓜幼苗根系的显微结构，结果发现，二倍体和四倍体西瓜幼苗根系细胞在结构上没有明显差异，但在相同的放大倍数下，四倍体相对二倍体西瓜幼苗具有较大的細胞（图2）。二倍体和四倍体西瓜根系细胞主要由维管束细胞组成，各维管束之间距离较大，呈放射状排列，维管束由一系列的薄壁细胞和一部分厚壁组织组成。与二倍体西瓜相比，四倍体西瓜根系的后生木质部细胞较大，筛管和伴胞较多且大。

2.3 二倍体和四倍体西瓜幼苗根系生物量比较

比较每10株二倍体和四倍体西瓜幼苗3叶1心期时根系鲜质量和干质量发现，四倍体西瓜幼苗根系鲜质量和干质量均大于其同源二倍体，但是四倍体西瓜幼苗根系干鲜质量比小于其同源二倍体（表2）。这与前述四倍体西瓜幼苗根系长度、平均直径、投影面积、表面积和体积均大于其同源二倍体的结果一致。

3 讨论与结论

根系作为植物的三大营养器官之一，其形态变化可以直接影响根的生理功能，进而影响植物的生长发育、抗逆能力和产量形成。根系作用大小取决于根系生物量、生理特性及其空间分布。小麦的总根质量、根长密度和根体积均随生育时期的推进呈先增后降的变化趋势，这与小麦不同生育期所需要的水肥条件有很大关系[17]。玉米根系构型及时空分布对玉米吸收氮素影响很大，氮高效玉米品种发达且分布合理的根系保证了植株对氮素的吸收，有利于进行光合生产、获得较高籽粒产量[18]。

四倍体西瓜种子、种胚较二倍体大[19]，这些可能是四倍体较二倍体根系粗壮的原因;四倍体西瓜具有发育迟缓的特点[20]，这就可以解释为什么四倍体西瓜根系在发育初期较二倍体短。羊杏平等[21]分析播种后7 d、15 d和20 d的西瓜根系蛋白质的表达量，发现代谢相关、防御应答和GA信号途径的蛋白在不同的发育时期表达量差异显著，因此西瓜不同发育时期根系状态可能与蛋白质的表达量有关。

一般认为，多倍体通过增加体细胞的大小来增加个体的大小。对不同倍性的拟南芥细胞结构进行分析，发现四倍体拟南芥叶片表皮细胞铺板细胞和保卫细胞大小增加，数目减少，同时其细胞壁组分也发生了变化[22]。朱红菊等[23]对不同倍性的西瓜叶片超微结构比较发现，多倍体西瓜相对于二倍体来说具有较多的叶绿体、线粒体，并且叶绿体较大，栅栏组织排列整齐，海绵组织松散。本试验研究结果表明，四倍体西瓜幼苗根部的后生木质部细胞较大，筛管和伴胞较多且大。维管束在植物体内具有输导水分、无机盐和有机养料等的作用，张般般等[24]研究发现树莓茎部的维管束结构与其耐旱能力直接相关，维管束数量越多、木质部导管数目越多、木栓层细胞壁越厚，树莓的耐旱能力越强。何俊瑜等[25]研究水稻根系对镉胁迫应答发现，在镉胁迫下，镉胁迫敏感的水稻品种根系总长、根表面积、根体积的受抑程度大于耐镉胁迫的水稻品种。西瓜根系生长也受到各种环境条件的影响，如土壤、水分、盐类、氧气、土壤微生物等[26]，Zhu等[27]研究发现，四倍体西瓜幼苗因根系吸收离子能力较强而较其同源二倍体耐盐，本试验结果从根系形态结构的角度解释了多倍体西瓜的耐盐性机制。

本试验是在水培条件下进行的，可以检测到完好无损的二倍体和四倍体西瓜根系，因此准确性较高。同时，本研究还比较了不同发育时期的西瓜根系状况，对研究西瓜抗逆性和西瓜根系生长发育具有一定的借鉴意义。

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