干旱胁迫对水曲柳苗木细根颜色和直径的影响

卫星　汤园园　张国珍

摘要 [目的]分析干旱胁迫下细根形态反应及其与根序发育的关系。[方法]对干旱胁迫下水曲柳苗木1～3级根颜色和直径变化进行了研究。[结果]①干旱胁迫下水曲柳苗木细根主要有白色、黄色、褐色及白色黑尖4种类型，较对照颜色复杂（对照仅有白色和黄色2种类型）。随胁迫时间延长，水曲柳苗木1～3级根中，1级根颜色变化最多（白色、黄色、褐色及白色黑尖），数量变化也最明显；2级根有3种颜色（白色、黄色、褐色），数量变化趋势与1级根相似；3级根仅有黄色和褐色2种颜色，与对照相比少了白色根，多了褐色根，随胁迫时间延长，褐色根比例明显增加。②干旱胁迫下1～3级根平均直径显著低于对照，1级根直径随胁迫时间延长降低最显著（P<0.05），2、3级根直径也呈下降趋势，但只在胁迫30 d和40 d时显著小于对照（P<0.05）。对照各级根直径变化均不显著。在胁迫过程中不同颜色细根直径变化趋势也有所差异。与对照相比，白色1级根直径随胁迫时间延长减小最为明显（P<0.05）。2级3种颜色根直径到胁迫30 d时才显著小于对照（P<0.05）。3级根黄色根在胁迫过程中直径变化不大。[结论]干旱胁迫下水曲柳苗木1～3级细根的颜色和直径均发生了比较明显的变化。

关键词 干旱胁迫；根序；水曲柳

中图分类号 S728.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）08-02361-04

Effect of Drought Stress on Root Color and Root Diameter of Fraxinus mandshurica Seedlings

WEI Xing，ZHANG Guozhen et al

（College of Forestry ， Northeast Forestry University ， Harbin， Heilongjiang 150040）

Abstract [Objective] The fine root morphological reaction and its relationship with root order development of Fraxinus mandshurica under drought stress were analyzed.[Method]Color and diameter of the first to the third fine root of Fraxinus mandshurica seedlings were studied under drought stress. [Result]①There were 4 root colors under drought stress， including white ，yellow ，borwn and white black tip， which more complex than that of the control （only 2 types of white and yellow ） . During drought stress， the first order root color changed move obviously than that of the second and third order roots. ② The diameters of the first to third order root under drought stress significantly decreased than those of control （P<0.05）. The diameter of the first order root decreased significantly during the stress， but the diameter of the second and the third order root decreased only began after 30 days drought stress. There were no significant changes in root diameter of control. Compared with the control ， the white first order roots diameter decreased obviously under drought stress（P<0.05）. The diameter of the three color roots in the second order decreased only after 30 d stress （P<0.05）. The diameter of the third yellow root had no change under drought stress. [Conclusion] Color and diameter of the first to the third fine root of Fraxinus mandshurica seedlings changed obviously after drought stress.

Key words Drought stress； Root order； Fraxinus mandshurica

外部形态特征是生物体发育和功能水平的直接体现，叶片衰老时颜色变深[1]，作物根系衰老时生长减慢，而直径变细[2]。树木细根是吸收养分和水分的主要部位，其直径与颜色变化与其发育水平和生理功能也具有密切的联系[3]。不同直径细根寿命不同，直径越粗的根寿命越长[4]，直径越细的根越容易發生衰老[5-6]。尽管细根最初产生的时候是白色，但是随着细根的进一步发育，颜色可能逐渐加深[7-8]。一些研究发现，直径收缩和颜色变化可能与细根衰老有关。

土壤干旱能够导致细根直径变细，同时发生褐化[9-13]。但细根直径、颜色变化与根序发育之间的关系并不清楚，即在干旱胁迫条件下，是新产生的根最易发生外部形态改变，还是老根先发生外部形态变化。关于这一问题的研究对于认识细根衰老机理及不同根序在细根周转中的作用具有重要的意义。因此，该研究通过观察干旱胁迫处理下水曲柳苗木1～3级根颜色和直径变化，分析干旱胁迫下细根形态变化与根序发育的关系，为进一步研究干旱胁迫条件下细根衰老的机理打下良好的基础。

1 材料与方法

1.1 实验材料与培养

实验在东北林业大学林木育种实验站温室内进行，盆栽土培。挑选生长均匀的一年生水曲柳幼苗，于4 月下旬栽植于塑料容器中（直径30 cm，高37 cm），每个容器栽植2株，共30桶。全部植株每2 d正常浇灌1次（平均每次每桶1 500 ml），人工清除杂草，定植培养3个月后（7月下旬）停止浇水，进行自然干旱处理。

1.2 研究方法

待苗木全部整齐成活后，7月27日（此时水曲柳平均苗高为34 cm，平均地径为1.1 cm）开始干旱处理。对其中15桶进行停止浇灌，作为自然干旱处理；另外15桶作为对照正常浇灌。分别于自然干旱后第15，30和40天时取样，并用TDR300 土壤水分监测仪（Spectrum，USA.）测量土壤含水量，处理15，30和40 d时土壤含水量分别为35%，20%和2%。每次取3桶共6株苗木。在实验室内用去离子水将根系洗净，从每株苗木上随机选取5束分枝较完整的根系（至少包括前4级根），共30束。根据Pregitzer等[3]的方法分选出每束根1，2，3级进行分析。

1.3 指标测定

1.3.1 颜色鉴别。分根过程中通过肉眼辨别细根的颜色并统计各颜色根的级别和数量，借助Olympus 体视解剖镜对不同颜色细根照相。

1.3.2 细根直径测量。每次取材时分别随机选择1～3级不同颜色的根各30个，用Epson数字化扫描仪（Expression 10000XL 1.0，Japan 110），WinRHIZO（Pro 2004b）根系图像分析系统软件（加拿大Regent Instruments公司）对各细根直径进行测量。

2 结果与分析

2.1 干旱胁迫下细根颜色类型及分布

研究发现正常浇水培养的水曲柳苗木1～3级根均由白色和黄色2种颜色的根

组成（图1a～f）。干旱胁迫下1～3级各级根颜色类型不

同。1级根由白色（图1g），白色黑尖（图1h）、黄色（图1i）、褐色（图1j）4种颜色组成；2级根由白色（图1k）、黄色（图1l）、

注：a.对照1级白色根×10；b.对照1级黄色根×10；c.对照2级白色根×10；d.对照2级黄色根×10；e.对照3级白色根×10；f.对照3级黄色根×10；g.干旱胁迫下1级白色根×10；h.干旱胁迫下1级白色黑尖根×10；i.干旱胁迫下1级黄色根×10；j.干旱胁迫下1级褐色根×10；k.干旱胁迫下2级白色根×10；l.干旱胁迫下2级黄色根×10；m.干旱胁迫下2级褐色根×10；n.干旱胁迫下3级黄色根×10；o.干旱胁迫下3级褐色根×10；p.干旱胁迫下前3级黄色根（3DY）、2级褐色根（2DB）、1级褐色根（1 DB）和1级黄色根（1GY）×5；q.干旱胁迫15 d时白色黑尖1级根×18；r.根基部放大示褐化基部×60；s.干旱胁迫30 d时1级白色黑尖根（1BT）×20；t.干旱胁迫30 d时褐色1级根（1DB）×20；u、v.1级黄色根根尖（BT）和基部均褐化（BB）×20；w.白色黑尖1级根黑色根尖干瘪死亡×20。

图1 干旱胁迫下水曲柳苗木细根颜色变化

褐色（图1m）3种颜色的根组成；3级根则由黄色（图1n）和褐色（图1o）根组成。干旱胁迫下水曲柳苗木1～3级根颜色变化明显（图1p）。

另外，在干旱胁迫的过程中也观察到了許多颜色过渡类型的细根。胁迫初期（15 d）时，发现1级白色黑尖根（图1q），同时其与母根相连的基部也开始褐化（图1r）。随着胁迫时间延长，到胁迫30 d时可观察到较多的1级白色黑尖根（图1s），且根黑尖部分向根基部延伸（图1t），甚至导致整个1级根根尖变成褐色（图1u）。同时也观察到胁迫过程中有些黄色根根尖及基部发生褐化（图1v），还有些白色黑尖根发生干瘪死亡（图1w）。

2.2 干旱胁迫下不同颜色细根数量变化

在干旱胁迫过程中不同颜色前3级根数量发生了显著的变化（图2a）。在胁迫处理初期（15 d），黄色的根所占的比例最大（约为51%），与对照差异不显著（P>0.05）。白色根数量显著低于对照（P<0.05）。在干旱胁迫初期就有褐色及白色黑尖根产生，分别占初期根的15%和9%。到胁迫处理30 d时，黄色与白色根比例比胁迫初期显著降低43%和76%（P<0.05），同时也显著低于对照（P<0.05）。相反，褐色和白色黑尖的根比例却显著增加（P<0.05），分别为胁迫初期的3.0倍和2.2倍。到胁迫后期（40 d）时，褐色根与白色黑尖根所占比例继续增加，其中褐色根比例显著高于其他颜色根（P<0.05）。而白色及黄色根比例显著降低（P<0.05），仅为对照的17.6%和7.2%。由此可见，随干旱胁迫时间延长，白色与黄色根所占比例显著减少（P<0.05）；褐色与白色黑尖根比例则明显增加（P<0.05）。

在干旱胁迫过程中不同级别根的颜色分布变化不同，其中1级根颜色分布最多，比例变化也最明显（图2b）。随胁迫时间延长，1级根中白色黑尖根及褐色根比例显著增加，胁迫40 d 时分别为胁迫初期（15 d）的6.3倍和4.9倍；与此相反，白色和黄色根比例则显著下降，到胁迫后期（40 d）时，二者所占比例仅为胁迫15 d的5.2%和3.2%；对照1级根未发现白色黑尖及褐色根，随培养时间延长，白色根逐渐减少，黄色根逐渐增多，但二者差异不显著（P>0.05）。2级根在干旱胁迫过程中颜色变化也比较明显（图2c），在胁迫初期时仅有白色和黄色2种颜色；随着胁迫时间延长，到胁迫30 d时部分2级根变成了褐色；胁迫40 d时，已有约70.7%的2级根是褐色；对照2级根以白色和黄色为主，无褐色根产生，其变化趋势与对照1级根相似。干旱胁迫下3级根变化较1、2级根简单（图2d），胁迫初期3级黄色和褐色根比例相当，到胁迫中后期（30 d）时，褐色3级根比例增加，到胁迫40 d时约76%的3级根是褐色根。对照3级根仍以白色和黄色为主，在培养过程中比例变化不显著（P>0.05）。

2.3 干旱胁迫下不同颜色细根直径变化

直径是影响细根寿命的重要形态指标之一。干旱胁迫下1～3级细根直径显著低于对照（P<0.05）（表1）。其中1级根直径随胁迫时间延长显著降低（P<0.05），在干旱胁迫初期（15 d）时直径就显著低于对照（P<0.05），到胁迫30 d和40 d 时直径分别比对照减少15.44%和26.91%（P<0.05）。2、3级根直径也呈下降趋势，但只在胁迫30 d和40 d时显著小于对照（P<0.05）。对照各级根直径变化均不显著。

在胁迫过程中不同颜色细根直径变化趋势也有所差异。与对照相比，1级各颜色根直径随胁迫时间延长均显著下降（P<0.05），以白色根直径减小最为明显。到胁迫30 d时2级3种颜色根直径才显著小于对照（P<0.05）。3级黄色根在胁迫过程中直径变化不大（P>0.05），但仍小于对照。

3 讨论

3.1 干旱胁迫对细根颜色的影响

颜色是细根主要形态特征之一，与细根发育状态及生理功能具有密切的联系[3]。细根最初产生时均是白色根，随着年龄的增长，颜色不断加深[14-15]。细根颜色变化不仅受自身发育水平的影响，也会随环境因子变化而变化[16]。该研究发现对照1～3 级根仅有白色和黄色2种颜色，而干旱胁迫下水曲柳苗木1～3级根主要有4种颜色，即白色、黄色、褐色和白色黑尖根。虽然，在干旱胁迫下没有见到完全黑色的细根，但观察到了许多颜色过渡的细根，如白色黑尖—基部褐化根、黄色黑尖—基部褐化根、前端黄色后端白色的细根、前端褐色后端黄色的细根等。说明干旱胁迫导致细根发生褐化死亡，与Bartsch等[16]人的研究结果一致。研究还发现干旱胁迫下水曲柳前3级根中1级根颜色类型最多，白色及黄色根数量减少比例均显著大于2级根，褐色根增加比例大于2级根。同时1级根里还存在大量颜色过渡类型，2级根颜色变化虽较1级根简单，但比3级根复杂。研究发现干旱胁迫下细根的颜色由前端到后端逐渐加深，发育较晚的低级根受干旱胁迫影响最明显。通过实验所观察到在干旱胁迫过程中细根颜色变化可能遵循以下规律（图3）。

图3 干旱胁迫下水曲柳1～3级根颜色变化

关于根系颜色变化的原因目前主要有2种观点，一种观点认为细根颜色变深是由于死亡皮层细胞内沉积大量丹宁物质造成的[17]，是细根衰老死亡的表现；另外一种观点认为95%的深色根具有连续的木栓层和次生生長，细根颜色是木栓层细胞内积累大量丹宁物质的结果[17-19]，是细根抵御胁迫能力增强，寿命延长的表现。Wells 和Eissenstat[14]指出苹果树细根发育过程中颜色逐渐加深，深色根较浅色根抵御环境胁迫的能力更强，降低了死亡的威胁，但吸收能力减弱。通过对水曲柳前5级根解剖结构分析发现，1、2级根为不具有木栓层的初生根，分析在干旱胁迫下其褐色原因主要是由于皮层细胞死亡造成的，是细根衰老的表现。3级根中既有初生根，又有开始形成木栓层的次生根，即3级褐化可能会出现2种不同的命运。因此褐化原因与其内部结构特征有关，不可一概而论，需进一步分析解剖结构加以证明。

细根基部褐化现象在以往的文献中并未见报道，该研究发现在干旱胁迫过程中有些白色或黄色根其根尖褐化变黑的同时，基部也发生褐化（图1r，图1v）。Pregizter 等[3]在所研究的9个树种细根分枝上均观察到了类似于侧枝脱落留下的疤痕，并分析侧根与地上的阔叶、针叶及侧枝一样也会脱落。干旱胁迫下水曲柳细根基部褐化表明这一假设可能成立，基部褐化也可能是皮层细胞死亡造成的。另外水曲柳细根基部褐化现象均与根尖褐化密切相关，实验中并未发现根尖不变色而基部先发生变化的根。分析基部褐化发生在根尖褐化之后，受根尖颜色变化影响。

3.2 干旱胁迫对细根直径的影响

大量研究表明干旱胁迫下细根直径减小[20]，该研究发现在干旱胁迫过程中细根直径显著减小，1级根直径减少最明显。分析细根直径减小的原因可能有以下方面：一方面干旱胁迫显著地影响了根茎