不同土壤基质对甘薯块根分化及内源激素的影响

李成阳， 柴沙沙， 刘 意， 王连军， 靳晓杰， 雷 剑， 张文英， 杨新笋*

(1.长江大学 农学院,湖北 荆州 434025； 2.粮食作物种质创新与遗传改良湖北省重点实验室/湖北省农业科学院 粮食作物研究所/湖北省甘薯工程技术研究中心,湖北 武汉 430064)

甘薯是旋花科番薯属植物，是世界上重要的粮食和工业原料作物[1].土壤是植物生长赖以生存的基础，通常适于甘薯生长的土壤环境具有水分适量、土质疏松和通气性好等特征[2].生产上主要以块根产量作为衡量甘薯经济价值的重要指标，土壤理化性质对甘薯块根的发育和产量的形成能产生较大的影响[3-4]；除此之外，甘薯块根分化和产量的形成与其内源激素的互作密切相关[5].而相关研究大多数集中在单一土壤理化性质对甘薯根系发育的影响，以及施加外源激素调控甘薯块根膨大等方面[6-12]，如：史文卿等[10]研究了甘薯块根形成和膨大对土壤紧实度的响应机制及与产量的关系，发现在收获时疏松处理可显著提高单薯质量和收获指数；丁祎等[8]初步研究了土壤容重对甘薯根系生长、块根产量和品质的影响;史春余等[11]通过改善土壤通气性发现,同化物由叶向块根的运转和分配，极显著地提高了块根的产量;Eguchi等[12]研究表明，外施细胞分裂素可以促进甘薯块根的形成和膨大.这些研究对甘薯栽培技术的不断完善起到了较大的作用，但从组织细胞学角度解析甘薯块根分化对不同土壤类型的响应和不同土壤类型下甘薯根系主要内源激素变化的研究相对较少.本研究为盆栽试验，设置4个基本理化性质差异较大的土壤处理，通过多对甘薯膨大根组织细胞学观察及根系活力、分级产量、根冠比和根系内源激素的测定，探讨不同类型土壤对甘薯块根分化的影响以及块根膨大过程中内源激素的互作机理，旨在为甘薯高产栽培提供有力的理论支撑.

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本研究于2021年6—10月在湖北省武汉市洪山区湖北省农业科学院试验基地室外盆栽场(北纬30°29′，东经114°18′)进行，该地属江汉平原东部，长江中游.试验区属于北亚热带季风性气候，该地年平均气温15.8～17.5 ℃，年降水量1 150～1 450 mm，降雨主要集中在6—8月，≥10℃积温4 500～5 400 ℃，年无霜期为211～272 d.

1.2 试验设计

使用PVC管进行盆栽试验，PVC管内径0.6 m，长2 m，横置截去上端0.3 m口径,内部盛装基质，底部开孔以利于多余水分下渗.共设置4个处理，本试验采用湖北省农业科学院粮食作物研究所自主培育的食用型甘薯品种“鄂薯17”，选用甘薯带3叶节的段苗，苗高20～25 cm，苗龄15 d，无病健壮的种苗进行扦插，株距0.2 m，每个处理种植60株，其中30株用于取样测定相关指标，另外30株用于测产，根据株距按照25株/m2计算产量.使用黄棕壤(HZ)、泥炭土(NT)、砂壤土(SR)和细沙土(XS)4种材料制备不同土壤基质,不同类型土壤基本理化性质见表1.

表1 不同类型土壤基本理化性质Tab.1 The basic physicochemical properties of different soil types

1.3 取样方法

于秧苗移栽后20、40、60、80、100 d取样，各取长势一致，具有代表性的植株3株，清除杂质后将各个时期的整株植株分为地上部和地下部2个部分，称质量用于根冠比的测定，剪取吸收根用于根系活力的测定；同时取各个时期根系膨大部位，液氮冷冻，保存于-80℃超低温冰箱中，待测根系内源激素.于移栽后20 d取样，进行块根分化过程的解剖学观察，将整株根系挖出、浸泡、流水缓慢冲洗，每株选取较粗的不定根3条，截取中间最粗部位约1 cm长度，放置于FAA固定液中保存，用于石蜡切片的制作.于移栽后100 d取样进行测产，将整株挖出，计大、中、小薯数量，称质量记录产量.

1.4 测定项目

1.4.1 根系活力测定根系活力参照白宝璋等[13]的方法，采用TTC染色法测定，在485 nm波长下测定鲜质量0.2 g甘薯吸收根的TTC还原量，用单位鲜质量根在单位时间内还原的TTC量(mg)表示.

1.4.2 甘薯分级产量及根冠比的测定于移栽后100 d收获时记录大、中、小薯数量并测产；分别于移栽后20、40、60、80、100 d对根系和地上部植株取样，测定根系鲜质量和地上部鲜质量，计算根冠比.

1.4.3 根系解剖学观察于移栽后20 d时取样，进行块根分化过程中的解剖学观察，采用石蜡切片法，参照叶宝兴等[14]方法，并利用番红和固绿染色.番红-固绿染色切片用以观察初生形成层的发育和薄壁组织细胞的活动.用NIKON MODEL ECLIPSE Ci-L型光学显微镜观察根系结构并拍照，采用Image-Pro Plus 6.0图片处理软件和人工计数测量量化指标.

1.4.4 根系内源激素含量测定采用酶联免疫法(ELISA)试剂盒(Ruixinbio Quanzhou,China)测定各个时期根系膨大部位生长素(IAA)、赤霉素(GA)、脱落酸(ABA)、玉米素核苷(ZR)和二氢玉米素核苷(DHZR)含量.

1.5 数据分析

试验数据用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析(ANOVA)，利用Duncan新复极差法检验进行处理间的差异显著性分析.

2 结果与分析

2.1 不同土壤类型对甘薯根系活力的影响

由图1知，不同类型土壤处理条件对甘薯根系活力影响存在明显差异.随着生育进程的推进，不同土壤条件下的甘薯根系活力变化呈先上升后下降的趋势，其中HZ和SR处理下的根系活力在移栽后40 d达到峰值，NT和XS处理则在60 d时达到峰值随后下降；同一时期，以SR或XS处理下的甘薯根系活力最高，HZ处理下的根系活力在整个生育期均为最低.根据土壤特性发现，HZ处理具有较高的土壤含水量和土壤总孔隙度，以及较低的土壤容重和酸碱度，猜测HZ处理下甘薯根系活力最低与这些指标存在联系.

不同字母表示不同处理间差异达到显著水平(P<0.05).图1 不同土壤条件对甘薯根系活力的影响Fig.1 Effects of different soil conditions on root activity of sweetpotato

2.2 不同土壤类型对甘薯分级产量及根冠比的影响

由表2可见，不同土壤条件下，薯块的总产量主要由大(≥250 g)、中(100～250 g)和小薯(≤100 g)薯块数量决定的，薯数的变化主要表现在大、小薯数量上，中薯数量变化较小.本试验不同土壤处理下甘薯总产量表现为SR>NT>HZ>XS，其中SR和NT处理有大薯存在，且大、中薯数量及产量高于HZ和XS处理，但HZ和XS处理的小薯数量及产量高于SR和NT处理.说明SR和NT土壤类型对于甘薯大、中薯的形成有明显的促进作用，HZ和XS处理对于小薯的形成有促进作用且无法促进较大薯块的形成.根冠比的提高是光合产物的分配更多地向地下部运输的结果，不同处理下根冠比大小与总产量大小同样表现为SR>NT>HZ>XS，反映了产量的提高与根冠比存在着直接的关系.

表2 不同土壤对甘薯分级产量和根冠比的影响Tab.2 Effects of different soil conditions on the root-shoot ratio and graded yield of sweetotato

2.3 甘薯分化根解剖学观察

A、B、C和D分别为HZ、NT、SR和XS处理.Ps和Sx分别为生、 次初生木质部;Xpc为木质部薄壁细胞;Co为皮层.图2 秧苗栽后20 d甘薯分化根切片染色横截面Fig.2 Histological observation of conventional paraffin sectionsof adventitious root on the 20th day after planting stained

图2为秧苗移栽后20 d各处理的甘薯分化根在4×10倍镜下的横截面图，分别用以观察初生形成层的发育、薄壁细胞的活动和导管木质化程度.甘薯移栽20 d处于块根分化建成前期，结合部分量化指标(表3)可以看出，此时期的初生木质部的分化促使次生木质部形成，同一量化指标下不同土壤类型处理之间差异显著(P<0.05).本试验中秧苗移栽20 d时的初生木质部和次生木质部数目大小表现为SR>NT>HZ>XS，其中SR处理下的木质部数目明显高于其他处理；有趣的是，薄壁细胞数目与皮层厚度大小排列相反，即随着薄壁细胞的增加皮层厚度减小，其中以SR处理下的木质化薄壁细胞数目最多，皮层最薄，XS处理下的薄壁细胞数目最少，皮层最厚.

表3 秧苗移栽后20 d分化根内部结构部分量化指标Tab.3 Quantitative indices of young root internal structure indifferent treatments on the 20th day after planting

2.4 不同土壤类型对甘薯根系内源激素含量的影响

由图3知，在不同土壤类型处理下，甘薯块根形成及膨大过程中IAA、GA、ABA、ZR和DHZR含量变化存在较大差异.随着生育进程的不断推进，IAA含量变化呈先上升后下降的趋势，其中以SR处理的IAA含量在整个生育期最高，SR和NT处理的在移栽60 d时出现峰值，而HZ和XS处理则在80 d时出现峰值.GA含量变化呈先下降后上升再下降的趋势，其中HZ和XS处理在移栽60 d时达到峰值，SR和NT处理在80 d时达到峰值;60 d时以XS处理的GA含量最高，而80 d时SR处理的最高.ABA含量的变化速率相对其他激素较缓慢，除SR处理外，其他3个处理下ABA含量变化均呈先上升后下降再上升的趋势;ABA含量均在实验时间内100 d时最大.不同土壤类型处理下的ZR含量在移栽20～40 d阶段均呈现较高速率的变化趋势，随后趋于平稳，在40～100 d阶段，4个处理下ZR含量变化趋势各不相同;全生育期以SR和NT处理下的ZR含量相对较高.SR和XS处理下的DHZR含量变化呈先上升后下降再上升再下降的趋势，而NT和HZ处理下激素含量变化呈先上升后下降的趋势;4个处理下的DHZR含量均在80 d时达到峰值，随后下降.

图3 块根形成及膨大过程中内源激素含量的变化Fig.3 Hormone concentration during tuberous roots development

3 讨论与结论

甘薯块根的形成与膨大是一个极其复杂的生物学过程，受诸多因素的影响和调控[15].根系活力是衡量甘薯对土壤环境适应能力的重要指标之一，直接影响着根系与土壤营养成分和水分的交换吸收[16].根系活力的高低影响着吸收、合成和分配等生理功能的发挥[17].有研究表明，在玉米的研究中，沙姜黑土根系活力一直高于潮土根系活力，但2种土壤条件下根系活力变化趋势相同[18]；适当降低土壤紧实度可以显著提高植株根系活力，尤其是在生育后期更加明显[19]；土壤含水量应保持在合理水平，土壤中的水分含量过高会导致土壤中CO2浓度升高，进而抑制甘薯的生长发育和储藏根的发育[20].可见,不同土壤类型对甘薯根系活力的影响有明显差异，针对植物生长发育特性适量改善土壤理化性质是有益的，否则会适得其反.本研究中，同一时期以SR或XS处理下的甘薯根系活力最高，HZ处理下的根系活力相对最低，根据土壤基本理化性质可知，SR处理和XS处理在4个处理中具有明显较低的土壤含水量、较大的土壤容重和较小的土壤总孔隙度，猜测甘薯根系活力的大小受土壤含水量、土壤容重和土壤总空隙度影响较大，这与前人的研究结果一致[8,19-20]，说明通过改善土壤基本理化性质可提高甘薯根系活力，从而提高甘薯根系吸收水分和营养物质的能力.

作物高产稳产的关键是获得较高的经济产量[21]，植株生长量的变化是生长特性最主要的体现，直接反映了植株生长状态和其对土壤环境的适应能力[16].甘薯产量形成是光合产物的积累与分配的过程，地上部同化物向地下部转移和地下部生物量的积累对甘薯产量的提高有显著影响[22]，而根冠比是反映甘薯生长过程中源-库关系的重要指标之一[23].有研究表明[24]，可以通过施用有机肥来改善土壤理化性质从而影响甘薯分级产量；也有研究发现[25-26]，随着土壤含水量的增加，地上部和地下部的生长都表现出正效应，而当土壤水分缺乏时，植物地上部生长受阻，为满足生存，地下部吸收营养和水分从而获得更多的产量；而Graham等[27]认为，根冠比较高是获得高产的作物所具有的特征.从前人的研究中发现,甘薯产量的提高与土壤水分和营养有着密不可分的联系.本试验结果发现，处理间薯块分级产量与薯数变化有关，而薯数的变化主要表现在大、小薯上，中薯在处理间差别较小，且总产量和根冠比成正比；由土壤基本理化性质可知，具有较高产量及根冠比的SR和NT处理，其土壤特性相对其他2个处理有较适中的土壤含水量和较高的氮素营养，这与前人的研究基本一致[24-26]，这也再次证明了土壤养分和水分在调节营养供应及甘薯库源关系中的重要性.

甘薯块根分化建成期是甘薯生长发育的关键时期.因其环境差异和品种特性的不同对薯块数量和产量形成的影响存在差异，主要由初生形成层和次生形成层的活动共同决定甘薯的块根分化建成[28-29].王翠娟等[29]从解剖和分子水平研究发现，氮素处理会有利于不定根幼根向块根形成的结构分化发育，在块根分化建成期，根系初生木质部的维管形成层薄壁组织分离，次生木质部形成，木质化薄壁细胞数目增加.而在控制土壤条件对甘薯根系组织细胞结构方面进行的研究却鲜有报道.本研究中，均有初生木质部和次生木质部存在，且各处理间的木质部、薄壁细胞数目及皮层厚薄程度均存在较大差异；同样的，我们发现在氮素营养相对较高的SR和NT土壤处理下的甘薯分化根木质部和薄壁细胞数目较多，因皮层内部初生木质部分化，次生木质部形成并增大，皮层厚薄程度不同.在4个基本理化性质差异较大的土壤处理下，甘薯膨大根内部结构存在较大差异，因块根分化建成期分化根的形态是甘薯不定根幼根向块根形成的根组织结构分化的基础，可通过改善土壤基本理化性质调控分化根形态以促进不定根向块根的分化发育.

甘薯块根的形成和膨大是多种内源激素协同作用的结果，内源激素对块根形成前后期作用不尽一致，与块根产量间存在显著正相关关系[30].Noh等[31]研究发现，在甘薯块根膨大初期，IAA浓度逐渐增加，随着次生生长开始减少，低的IAA浓度会增加储藏根木质化程度，表明IAA与甘薯储藏根次生生长相关联；王庆美等[30]研究表明，IAA虽然对甘薯块根膨大有积极作用，但不是决定甘薯块根形成和膨大的关键因素.在本研究中，木质化程度较高的SR和NT处理的IAA含量在整个生育期处于较高水平，这与前人的研究结果一致，显示了IAA在促进甘薯块根木质化方面的独特作用.关于GA在甘薯块根形成和膨大过程中的效应，Dong等[32]研究表明，甘薯储藏根发育过程中不同激素的变化趋势存在差异，其中GA含量在储藏根发育初期下降；宋炜涵等[15]研究发现，GA在甘薯块根膨大过程中含量变化较小，且在块根膨大初期和中期有积累，后期开始逐渐下降；而在地黄的研究中发现，在离体块根快速膨大期，地黄块根GA含量急剧增加，出现明显峰值后于块根衰老时激素含量急剧下降[33].本研究发现,在20～40 d时,即甘薯块根分化建成期，GA含量先降低随后急剧上升达到峰值下降，块根形成初期的GA含量下降.这与Dong等[32]研究结果一致，但与宋炜涵等[15]的研究结果不完全一致，GA变化趋势在整个生育期并非趋于平稳而是存在明显波动，猜测可能是本研究中不同土壤理化性质差异较大引起的.众多研究均强调了ABA在甘薯块根形成及膨大过程中的重要作用[15,30,34]，通常认为，ABA可以通过改变膜对离子的通透性促进组织或质外体中蔗糖的转运[35]，调节磷酸化酶活性以促进蔗糖吸收和转化[36],以及通过调节ATP酶活性促进同化物运输和储存[37].本研究中，在整个生育期，不同土壤处理下的甘薯块根ABA含量变化趋势虽存在波动，但总体上含量增多，其中SR处理下ABA含量在全生育期均显著高于其他处理，说明改变土壤理化性质可对甘薯块根中ABA含量造成影响.因ABA在甘薯块根膨大中的明显促进作用，猜测在不外施激素的情况下,通过栽培技术手段调节ABA含量,可使其在甘薯块根形成和膨大过程中发挥更大的作用.块根中引起细胞分裂素含量变化的主要是ZR和DHZR含量的变化，而ZR和DHZR作为细胞分裂素的重要组分，在不定根是否能够转化为块根和块根膨大方面起着决定性作用[30].众多研究表明，ZR和DHZR在块根形成和膨大过程中主要是促进细胞分裂，抑制细胞伸长和促进细胞扩展[30,38]，且其含量的高低与块根的形成和膨大呈显著正相关关系.在块根形成初期，ZR增加，随着块根膨大其含量不断下降[15]，同时，通过外施一定浓度的人工合成的细胞分裂素，可促进同化物积累增多[39].本研究结果表明，不同处理间的ZR和DHZR含量存在明显差异，其含量变化在整个生育期存在明显波动，以SR和NT处理下的激素含量最高，再次验证了ZR和DHZR在块根膨大中的重要作用.关于不同土壤基质对甘薯块根形成和膨大期内源激素进行的研究相对较少，在本实验条件下，发现土壤理化性质的不同可以引起块根内源激素的变化.虽然块根内源激素的变化是众多环境因素影响和基因调控决定的，但由于不同内源激素对甘薯块根影响机理的差异，可以有选择地通过外施激素处理或适当改变土壤理化性质使块根发育向人们需要的方向进行.

不同土壤基质条件下，甘薯块根分化建成、内源激素的变化以及最终块根产量的形成均存在明显差异，差异的形成并非单纯土壤理化性质的不同而引起的，但通过改变土壤理化性质可以对甘薯块根形成和膨大造成影响.本试验条件下，以砂壤土处理对甘薯块根分化及发育的促进效果最为显著.通过栽培等手段实现对甘薯块根形成和膨大的调控，可以减少因化学调控过度施肥等引起的环境污染，对进一步制定甘薯栽培技术手段具有一定的指导意义.