栓皮櫟幼苗葉片內源激素含量對切根脅迫的短期動態響應

王曉雯，馮志培，程珂，楊果果，趙佳寶，楊喜田

(河南農業大學林學院,河南 鄭州 450002)

根系作為與土壤直接接觸的器官和植物重要的功能器官，不僅能固定地上部分，還能吸收水分和養分，滿足植物正常生長發育，對植被生態功能的有效發揮起著關鍵性作用[1-2]。根系既是生產內源激素的“源”，又是接收地上部生產的內源激素的“庫”，因此，根系通過協調輸入或輸出激素的水平影響地上部激素的含量[3]。植物體內大多內源激素的含量維持在一種平衡狀態，并參與植物生長發育的各個方面[4-6]。在植被恢復和移栽苗木過程中，健康生長的苗木根系狀態會受到不同程度的傷害，苗木根系受到切除傷害后，體內的內源激素會發生應激變化將脅迫信號傳遞給葉片，并作為內源信號分子參與植物在非生物逆境脅迫中的抗性作用[2,7]。前人對植物激素與植物抗性生理和抗逆能力的關系開展了大量研究[8-12]，認為內源激素作為信號分子，是參與苗木生長發育和適應外界環境變化的重要物質。在干旱脅迫下，植物根系產生根源化學信號，通過莖干運輸系統到達地上部分，減少葉片氣孔開度，降低蒸騰作用，抑制生長和調節植物的水分利用[13]。近年來，有關移栽或切根與植物生長發育關系的研究逐漸成為恢復生態學的研究熱點[14-17]，也開展了切根影響根系內源激素含量的研究[10]，但有關切根對葉片中內源激素在短時期內的動態變化還研究較少。因此，本研究以1 a生栓皮櫟(QuercusvariabilisBl.)幼苗為研究對象，設置1/2切根、1/3切根處理，不切根作為對照(CK)，采用酶聯免疫法(ELISA)測定切根后第2、15、30、60、90天的栓皮櫟幼苗葉片中生長素(IAA)、脫落酸(ABA)、赤霉素(GA3和GA4)和茉莉酸甲酯(MeJA)等內源激素含量的變化規律以及幼苗生長狀況，以探明內源激素在短期內調節林木根—冠互作關系中發揮的生理作用，以期為培育優質苗木和人工植被的建設提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1 a生栓皮櫟幼苗的培育在鄭州市河南農業大學林業試驗站(113°42′E，34°43′N)完成。該區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，四季分明，全年日照時間約為2 400 h，年平均降雨量為640.9 mm，無霜期約為220 d，年平均氣溫14.2 ℃，全年月平均最低氣溫出現在1月，約為-0.2 ℃，全年月平均最高氣溫出現在7月，約為27.3 ℃。切根后的栓皮櫟幼苗在河南農業大學人工氣候室內用培養液培育，溫度18/24 ℃(晚上/白天)，相對濕度為40%～60%，光照時間為12 h，光照強度(晴天)為18～56 μmol·m-2·s-1。

1.2 試驗材料及設計

栓皮櫟種子采自濟源市大溝河林場，發芽率為92%，千粒質量為(3 690±112)g，帶回實驗室并放在4 ℃的冰箱中保存。播種前，用水沖法清除種子中的雜質，陰涼通風處進行沙藏催芽，種子露白后，將大小均一的露白種子播種于容器(30 cm×30 cm×35 cm)內，基質為V(沙子)∶V(蛭石)∶V(珍珠巖)=3∶1∶1，每穴4粒，播種后覆土。當幼苗子葉完全展開后，每穴定植1株，進行正常的田間管理，并記錄植株的生長狀況。整個試驗過程中，為避免其他因素對試驗結果造成的影響，均不噴灑農藥和施肥。培育1 a后，選取大小基本一致、發育良好的栓皮櫟幼苗，株高為((23.33±3.47)cm，地徑為(2.85±0.82)mm，平均主根長為(21.66±2.04) cm)，共200株，用水沖法進行全根起苗，對幼苗主根按照1/2和1/3比例切斷，不切根組作為對照(CK)，分別記為1/2切根組、1/3切根組和CK組，每個處理組3個重復，每個重復20株。切根前用體積分數為75%的乙醇對剪刀進行消毒，記錄，編號，放入4～6 ℃冰盒內，迅速帶回至人工氣候室，放入培養盒內繼續培養，營養液配方見表1。

表1 培養營養液組成Table 1 Components of nutrient solution mg·L-1

1.3 測定指標及方法

內源激素測定分別在切根處理后的第2、15、30、60和90天的上午9：00—11：00，對不同切根比例的栓皮櫟幼苗選取3株進行葉片組織取樣，迅速放入液氮罐帶回試驗室內，在研缽中充分研磨，采用酶聯免疫法(ELISA)[18]測定樣品中的IAA、ABA、GA3、GA4和MeJA等內源激素含量。

1.4 數據統計與分析

采用SPSS20.0和Excel 2007軟件對數據進行統計分析。運用Duncan檢驗法進行多重比較和差異顯著性檢驗(α=0.05)，用Excel 2007軟件作圖。數據以平均值±標準差表示。

2 結果與分析

2.1 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片中ABA含量的影響

經過不同比例切根處理后，在切根后第2天，各處理組ABA含量差異顯著(P<0.05)，1/2切根處理和1/3切根處理的栓皮櫟幼苗葉片中ABA含量比CK組低，分別比同期CK組低5.9%和33.6%；切根后第15天，1/3切根處理葉片中ABA含量顯著高于同期1/2切根處理和CK組(P<0.05)；切根后15～60 d，CK組和1/2切根組葉片中ABA含量總體呈現升高趨勢，切根時間相同時，1/2切根組均顯著高于CK組(P<0.05)；直到切根第90天，各切根組栓皮櫟幼苗葉片中ABA含量與CK組無顯著差異(P>0.05)，其含量變化范圍為108.48～112.54 ng·g-1(表2)。綜上可知，切根處理后第15～90天內，葉片中ABA含量呈升高趨勢，說明受到切根脅迫后栓皮櫟根系可以傳遞脅迫信號給葉片。

2.2 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片中IAA含量的影響

切根后第2天，1/2切根組含量顯著高于CK組和1/3切根組(P<0.05)。切根后的第2～15天，CK組栓皮櫟葉片中的IAA含量從33.16上升到54.57 ng·g-1，之后基本保持平緩，而與CK組相比，1/2切根組和1/3切根組栓皮櫟葉片中的IAA含量均降低，且在切根后第15天時切根組葉片的IAA含量顯著低于CK組(P<0.05)。1/2切根組葉片中的IAA含量在切根15～90 d內呈先升高后降低再升高的變化趨勢，而1/3切根組葉片中IAA 含量在15～90 d卻逐漸上升，并隨著時間的變化存在顯著差異(P<0.05)，在第90天時1/3切根組和1/2切根組顯著高于CK組(P<0.05)。3個處理組相比，CK組中葉片的IAA含量變化幅度最小，為21.41 ng·g-1，1/2和1/3切根組分別為56.90和31.47 ng·g-1(表3)。

表2 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片ABA含量的影響Table 2 Effects of different treatments of root pruning on ABA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

注：不同大寫字母表示相同時間不同切根處理的同列數據之間在P<0.05水平差異顯著；不同小寫字母表示相同處理組不同取樣時間的同行數據之間在P<0.05水平差異顯著。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 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片IAA含量的影響Table 3 Effects of different treatments of root pruning on IAA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

2.3 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片中GA3含量的影響

由表4可知，1/3切根組在整個試驗過程中呈上升趨勢，但1/2切根組呈先下降后上升的變化趨勢。尤其是切根后第30天，CK組栓皮櫟葉片中GA3含量到達一個峰值，為9.21 ng·g-1，而1/2切根組含量到達最低值，為7.64 ng·g-1，CK組高出1/2切根組1.57ng·g-1(P<0.05)。切根后第2天，葉片中GA3含量為1/3切根組>1/2切根組>CK組，其含量分別為8.52、8.38和7.38 ng·g-1，切根組葉片中的GA3含量均高于CK組(P<0.05)；切根處理后第2～15天和第60～90天，切根組葉片中GA3含量大于CK組；切根后2～60 d內，1/3切根組均高于1/2切根組，且在第30天時顯著高出1.27 ng·g-1(P<0.05)。

表4 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片GA3含量的影響Table 4 Effects of different treatments of root pruning on GA3 content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

2.4 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片中GA4含量的影響

整個試驗過程中，1/2切根組和CK組葉片中GA4含量變化規律相同，切根后2～30 d含量呈上升趨勢，30～60 d下降，60～90 d上升，且1/2切根組葉片中的含量均高于CK組。在切根后第30天，1/2切根組和CK組分別出現一個峰值，其含量分別為10.60、9.23 ng·g-1，且1/2切根組比CK組顯著高出1.37 ng·g-1(P<0.05)；1/3切根組葉片中，GA4含量總體呈先升高后降低的趨勢，并在切根后第15天時1/3切根組含量顯著高于1/2切根組和CK組(P<0.05)，在切根后第30天時含量最高，之后開始下降；在切根后2～90 d內，1/2切根組葉片中GA4含量始終高于CK組(表5)。

2.5 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片中MeJA含量的影響

栓皮櫟幼苗葉片中MeJA含量變化范圍為18.76～30.34 ng·g-1。整體來看，CK組葉片中MeJA含量沒有顯著變化(P>0.05)，切根組葉片中MeJA含量表現為上升趨勢。2～15 d內，切根組顯著低于CK組(P<0.05)；在切根后2～90 d內，CK組葉片中MeJA含量始終高于切根組，且1/2切根組含量高于1/3切根組；切根后2～15和60 d內CK組與切根組差異顯著(P<0.05)；1/2切根組前后含量變化為6.33 ng·g-1，增幅達29.79%；30～90 d內，1/3切根組保持平緩，1/2切根組最后恢復到與CK組基本相同水平。1/3切根組上升幅度最大，最高值與最低值相差6.79 ng·g-1，增幅達36.19%(表6)。

表5 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片GA4含量的影響Table 5 Effects of different treatments of root pruning on GA4 content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

表6 不同切根處理對栓皮櫟幼苗葉片MeJA含量的影響Table 6 Effects of different treatments of root pruning on MeJA content in leaves of Quercus variabilis seedlings ng·g-1

3 結論與討論

ABA可加快離層形成從而促進植物組織脫落、植物生長以及加強植物的抗逆性。研究發現，葉片中ABA在氣孔關閉中發揮重要作用[18]。受到切根脅迫的植株，根系產生的ABA會傳遞到葉片，減少葉片氣孔開度，抑制蒸騰，增加支柱的保水力[19-20]。本研究發現，栓皮櫟幼苗受到切根傷害后15～60 d內，ABA含量出現升高現象，且切根組大于對照組，這可能是由于根系受到切根傷害后，根系中也能迅速合成ABA并傳遞給葉片，使葉片中ABA含量升高，提高了栓皮櫟幼苗葉片的保水性，減輕細胞膜的受損程度，增強栓皮櫟幼苗對切根脅迫的抵抗能力[21]。茉莉酸類物質與ABA一樣都是參與植物應對脅迫的一種重要激素。有研究發現，在許多逆境條件下植物體內ABA或MeJA含量會升高，植物的抗逆性會增強[22-26]。也有研究表明，低溫處理香蕉后，其體內的茉莉酸含量有所降低[27]。本研究發現，葉片中MeJA含量隨時間延長切根組栓皮櫟幼苗中MeJA含量逐漸升高，切根組含量低于同期CK組，并隨著時間延長逐漸縮小與CK的差距，可能由于隨著根系自身的修復功能，MeJA逐漸恢復至平衡狀態，也可能與栓皮櫟幼苗啟動側根生長有關。

IAA可以促進植物的生長發育，促進細胞的伸長、分裂和分化，促進器官的成熟和衰老[28]。研究發現，高溫脅迫下，黃瓜葉片IAA含量減少，認為高溫脅迫下植物生長代謝與IAA含量存在互動反饋關系，即高溫脅迫降低了植物活性使葉片衰老甚至死亡，葉片中IAA含量從而減少[7]。本研究發現，栓皮櫟幼苗受到切根傷害后，切根組葉片中IAA含量前期整體上要低于同期CK組，葉片中IAA含量減少可能是由于切根后植株正常生長受到阻礙，降低了植株活性，根系將信號傳遞給葉片，從而減少了葉片中IAA含量。而在切根第90天時切根組顯著高于CK組，是因為隨著切根時間的延長和自身修復，植株通過調節內源激素的濃度從而建立新的平衡來適應逆境的脅迫。斷根處理下，IAA含量變化不同可能是植物的物種及各部位差異表現出對IAA的敏感度不同[29-30]。

赤霉素可以抑制衰老，促進細胞的增長和莖、葉的伸長。有研究發現，煙草和玉米受到非生物脅迫后，葉片中的GA3含量均下降[31-32]，高溫脅迫下，黃瓜頂芽中GA3含量降低，并且隨著溫度的升高，降低幅度也越大[7]。本研究發現，切根處理后，栓皮櫟幼苗葉片中GA3含量沒有顯著變化，在切根2～60 d內，切根組葉片中GA4含量高于CK組，這可能是由于不同植株不同器官的GA在應對不同脅迫時其響應機制不同，植物體內GA的動態變化與植物體本身的性質關系密切。

本試驗主要研究了不同切根處理后不同時期栓皮櫟幼苗葉片中內源激素的含量變化，證明了根系在受到切根傷害后，短期內葉片中對調節植物生長發育的各激素有一定影響。根系將脅迫信號傳遞給葉片后，內源激素產生并重新分配對切根脅迫做出應激反應。隨著切根脅迫的減弱和植株自身的修復，內源激素含量逐漸恢復至正常水平。但植物內源激素的變化比較復雜并且各種激素之間以各種復雜的方式協調起作用。