李海燕,耿達立,牛春東,李翠英,管清美

(西北農(nóng)林科技大學 園藝學院，陜西 楊凌 712100)

逆境是制約蘋果產(chǎn)量和果實品質(zhì)的關(guān)鍵因素，而干旱是其中最常見的逆境因素之一[1]。作物抵抗干旱逆境的途徑很多，通?？梢苑譃橛岛湍秃祪深悺Ｓ凳侵讣毎c環(huán)境之間建立屏障，維持細胞內(nèi)部正常的生理生化過程，比如建立更強大的根系增加水分吸收、關(guān)閉氣孔減少水分散失等；而耐旱是細胞內(nèi)部通過產(chǎn)生代謝產(chǎn)物來減少、調(diào)整和抑制水分虧缺帶來的損害，使細胞的生理生化過程不致完全失控，比如細胞內(nèi)產(chǎn)生的各種滲透性調(diào)節(jié)物質(zhì)和保護性大分子等[2]。

蘋果是世界上重要的栽培果樹，是我國北方落葉果樹中栽培面積最大的樹種。西北黃土高原地區(qū)是世界蘋果優(yōu)生區(qū)之一，該區(qū)蘋果栽植規(guī)模大、分布集中，近年來已發(fā)展成為中國蘋果的重要產(chǎn)地，種植面積約為114萬hm2，其產(chǎn)量約為中國蘋果總產(chǎn)量的40%。但是由于該地區(qū)自然降水量少、季節(jié)性分布不均、蒸發(fā)量大，因此干旱已經(jīng)成為限制該地區(qū)蘋果發(fā)展的主要因子[3]。根系是植株吸收水分的主要器官，在蘋果對干旱的逆境響應(yīng)中，根系是其中關(guān)鍵的一環(huán)[4]。蘋果是采用嫁接繁殖的果樹，其耐旱性在一定程度上取決于砧木[5]。砧木即為果樹的根，對接穗的生長發(fā)育、果實品質(zhì)以及樹體對各種自然災(zāi)害的抵抗能力等都具有重要影響[6]。優(yōu)良的砧木不僅適應(yīng)性好、抗性強，還可最大限度地表現(xiàn)品種的特性，良好的砧木是果樹健康發(fā)育、豐產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的保證[7-8]。因此，選育抗旱型砧木是蘋果節(jié)水栽培的一個重要方向。

本研究對2種常用蘋果砧木富平楸子和G935進行了為期2個月的長期干旱試驗，通過測算植株地下部干質(zhì)量、株高、莖粗、根冠比、根總長、根總表面積、根總體積以及酶活性等一系列指標，評估中等干旱(土壤含水量45%～55%)條件下2種蘋果砧木根系對干旱的響應(yīng)，以期為抗旱型蘋果砧木的選育提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與處理

試驗在陜西楊凌(34°20′N,108°24′E)西北農(nóng)林科技大學北校區(qū)園藝場進行。2016-03-05將經(jīng)過春化處理的富平楸子(Malusprunifolia)(以下簡稱楸子)和G935的種子播于以珍珠巖和腐殖質(zhì)(二者體積比為1∶3)為基質(zhì)的培養(yǎng)缽中，放入溫室內(nèi)培養(yǎng)。待幼苗長出6片真葉后移栽于培養(yǎng)盆(高30.0 cm，上徑26.5 cm，下徑22.2 cm)中，盆中裝混合土(V(園土)∶V(沙)=2∶1，田間持水量21.7%)。幼苗于溫棚內(nèi)培養(yǎng)，進行常規(guī)管理。待幼苗生長至7月中旬，每種砧木選取生長狀態(tài)一致的苗木60株進行長期干旱處理。60株苗木中，30株正常澆水，維持土壤含水量在75%～80%，作為對照；另外30株控制土壤含水量在45%～55%，進行中度干旱脅迫處理。處理持續(xù)至9月中旬，然后分別收獲幼苗地上部莖、干、葉和地下部根系待測。

1.2 測定項目與方法

植株地上部用軟尺測量株高，用游標卡尺測量地徑，然后于105 ℃殺青15 min，再置于75 ℃烘箱烘至質(zhì)量恒定，稱取地上部干質(zhì)量。將根系置于75 ℃烘箱烘至質(zhì)量恒定，稱取根系干質(zhì)量。利用2個干質(zhì)量計算根冠比：根冠比=根系干質(zhì)量/地上部干質(zhì)量。上述指標均測定10個生物學重復(fù)。

將根系用自來水仔細沖洗干凈，利用根系掃描儀(EPSON，Canada)進行掃描，用Win INRIZO(2007)軟件對獲得的圖像進行分析，得到根總長(根總長統(tǒng)計的是掃描到的包括須根系在內(nèi)的所有根系長度的總和，因為掃描時根系不能重疊，必須保證根系單層平鋪在板子中，所以將單株苗的根系分成若干部分分別掃描，然后求得單株苗的根系總長。掃描時使根系基本布滿板子，板子的尺寸是25 cm×15 cm，單株苗根系得到的掃描圖片有30～50張)、根尖數(shù)、根系總表面積、根系總體積以及根系徑級分類[9]，以單株苗的根系作為1個生物學重復(fù)，共測定5個生物學重復(fù)。超氧化物歧化酶(SOD)活性采用NBT光化學還原作用法測定[10]，過氧化物酶(POD)活性采用愈創(chuàng)木酚法測定[11]，可溶性蛋白含量用考馬斯亮藍G-250染色法測定[12]，各指標均重復(fù)測定5次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

根系掃描數(shù)據(jù)用Win INRIZO(2007)進行分析，采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理及繪圖，用t檢驗進行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對蘋果砧木生長的影響

根系是植株最重要的器官，承擔著吸收養(yǎng)分、水分的功能，所以根系的生長情況決定著植株地上部的長勢。根冠比是反映植株地下部和地上部生長狀況以及植物耐旱性的重要指標[13-14]。圖1-A是楸子和G935經(jīng)干旱處理后與各自對照的表型。與對照相比，長期干旱后楸子的根冠比顯著升高，而G935的根冠比與其對照無顯著差異，說明楸子在干旱條件下較G935具有更強的維持根系生長的能力(圖1-B)。長期干旱后，2種砧木的根系干質(zhì)量均有所下降，且楸子的根系干質(zhì)量高于G935。與對照相比，干旱脅迫后楸子的根系干質(zhì)量下降了28.8%，G935的根系干質(zhì)量下降了58.5%，其降低比例明顯高于楸子(圖1-C)。

A.地上部和地下部形態(tài)：①.楸子對照；②.楸子干旱處理；③.G935對照；④.G935干旱處理。B～F：.G935；.楸子。***.差異達極顯著水平(P<0.01)；*.差異達顯著水平(P<0.05)；NS.無顯著性差異；圖2、圖4同A.Morphology of shoot and root parts：①.M.prunifolia under control；②.M.prunifolia under drought stress；③.G935 under control;④.G935 under drought stress. B-F：.G935；.Malus prunifolia.***.Significant difference at P<0.01;*.Significant difference at P<0.05；NS.No significant difference.The same for Fig.2 and Fig.4.圖1 干旱處理后2種蘋果砧木的生長情況Fig.1 Growth of two apple rootstocks after drought treatment

長期干旱處理后，與對照相比，楸子和G935的株高、莖干質(zhì)量均顯著下降(圖1-D,E)；干旱處理后楸子的地徑并未顯著下降，而G935的地徑下降顯著(圖1-F)，說明干旱后楸子和G935地上部生長均受到影響，但G935受干旱影響更大。在干旱處理后，楸子與G935地上部干質(zhì)量無顯著性差異(圖1-E)，但楸子具有較高的株高和較粗的地徑(圖1-D,F)。由此可以看出，干旱處理后，2種砧木地上部生長均受到一定程度的抑制，但與G935相比，楸子受干旱影響更小。

2.2 干旱脅迫對蘋果砧木根系生長的影響

根長是評價根系吸收能力的最常用參數(shù)，較長的根系可以使植物在干旱脅迫條件下吸收更多的水分。由圖2-A可以看出，干旱處理后，2種砧木的總根長與各自對照相比均顯著下降。不管是干旱處理還是對照處理，楸子均較G935具有更長的根系。干旱處理后，較長的根系有利于楸子在土壤水分不足的條件下吸取更多的水分以供地上部生長。

根系的分支和側(cè)根的形成是決定植株根系構(gòu)型的重要因素，側(cè)根是根系中水分吸收最為活躍的部分[15]，因而側(cè)根的形成對根系更好地吸收水分和養(yǎng)分意義重大。根尖數(shù)可以間接反映根系分支和側(cè)根的數(shù)量，由圖2-B可知，與對照相比，干旱處理使2種砧木的根尖數(shù)均有明顯下降，但楸子較G935的根尖數(shù)更多，這反映出楸子根系在干旱條件下生長更為旺盛。根系總表面積和總體積可以反映根系的潛在吸收能力。由圖2-C，D可以看出，對照和干旱處理后楸子的根系總表面積及總體積均高于G935，說明楸子的吸水能力更強，因而具有更強的耐旱性。

根直徑是影響根系對土壤穿透能力的重要因素，根直徑越大，其遇到堅硬土壤時抵抗彎曲和偏轉(zhuǎn)的能力越強，成功穿透土壤的可能性越大[16]。由楸子和G935根系徑級分布結(jié)果(圖3-A)可以看出，2種砧木以根徑0～≤0.6 mm根系的長度最大，此后隨著根徑的增大，根系長度降低。干旱處理后，各根徑范圍內(nèi)的根系長度與對照相比均有所下降；在同一根徑范圍內(nèi)，干旱處理后楸子的根系長度大于G935，說明干旱處理后楸子根系相對更加發(fā)達。

由圖3-B可以看出，2種砧木以根徑0～≤0.6 mm根系的總表面積最大，隨著根徑增大，根系表面積降低。干旱處理后，各根徑范圍內(nèi)的根系表面積與對照相比均有所下降；在同一根徑范圍內(nèi)，干旱處理后楸子的根系表面積大于G935，這說明與G935相比，干旱處理后楸子的根系更加發(fā)達，且能更好地生長。

根據(jù)楊洪強等[9]對蘋果根系的分類，直徑0.3～0.5 mm的根屬于吸收根，直徑0.5～2.1 mm的根為生長根。由圖3可見，2種砧木吸收根的長度和表面積均遠大于生長根，且楸子吸收根的長度和表面積更大，說明楸子吸收根的發(fā)育更好。

2.3 干旱脅迫對蘋果砧木根系酶活性和可溶性蛋白含量的影響

超氧化物歧化酶(SOD)是細胞內(nèi)清除活性氧的重要保護酶之一，其活性的強弱反映了植物適應(yīng)逆境能力的大小[17]。由圖4-A可知，干旱脅迫提高了楸子根系的SOD活性，說明楸子可以通過增強根系SOD活性提高其抵抗干旱脅迫的能力；而G935在干旱處理后根系的SOD活性與對照并無明顯差異。

POD活性的大小也是衡量植物抗逆性強弱的重要指標[18]。由圖4-B可知，與對照相比，干旱處理使楸子根系的POD活性顯著升高，而G935根系POD活性無明顯變化，這說明楸子可以通過增強根系的POD活性進一步增強其清除H2O2的能力，從而提高楸子根系的抗旱性，使其在長期干旱環(huán)境中維持更好的根系生長狀態(tài)。另外，圖4-C顯示，與對照相比，干旱處理后楸子根系的可溶性蛋白含量有所降低，而G935無明顯變化。

圖3 干旱處理后2種蘋果砧木根系長度和表面積的徑級分布Fig.3 Root length and root surface area of each diameter grade after drought treatment

圖4 干旱處理后2種蘋果砧木根系的活性氧清除酶活性和可溶性蛋白含量Fig.4 Activities of ROS scavenging enzymes and soluble protein contents of two apple rootstocks after drought treatment

3 討 論

根系作為水分吸收的主要器官，與植物抗旱性具有密切關(guān)系。因此，常將根系特征作為植物抗旱性評價的重要內(nèi)容。植物的根系形態(tài)，如根系生物量、根體積等是衡量其抗旱性的重要指標，影響其對土壤水分的吸收和利用[19-21]。多數(shù)研究認為，發(fā)達的根系可提高植物吸收效率，增強其抗旱性，如抗旱性大豆、玉米品種均具有較大的根系生物量、體積和表面積[22-23]。有研究發(fā)現(xiàn)，當土壤含水量降低時，植物為了尋找更多的水源，由地上部向根部運輸?shù)耐镌黾?，根系生長加快，根冠比增大[24]。根系的分支和側(cè)根的形成是決定植株根系構(gòu)型的重要因素，側(cè)根能夠增加根系的數(shù)量、長度和表面積，側(cè)根是根系中水分吸收最為活躍的部分，因而側(cè)根的形成對根系更好地吸收水分和養(yǎng)分意義重大。本試驗結(jié)果表明，楸子根系具有較發(fā)達的根系，長期中度干旱處理后，其根冠比、總根長、根系總表面積和根總體積均顯著大于G935，說明楸子根系對干旱的適應(yīng)性強于G935。由此可見，較大的根系生物量、總根長、根系總表面積和體積，可以作為蘋果砧木抗旱性品種篩選的根系形態(tài)指標。

干旱脅迫會直接導(dǎo)致植物細胞缺水，影響植株的正常生長發(fā)育，改變細胞膜的結(jié)構(gòu)和透性，破壞植物的正常代謝。植物本身能夠通過酶促和非酶促兩類保護系統(tǒng)來清除活性氧，超氧化物歧化酶(SOD)和過氧化物酶(POD)是活性氧清除系統(tǒng)的重要保護酶[25-26]，其活性的強弱代表著植物適應(yīng)逆境能力的大小。在植物正常生長條件下，通過與SOD、POD等保護酶的協(xié)調(diào)作用，將植物體內(nèi)的自由基保持在較低水平，從而盡可能地降低自由基對植物造成的傷害。本研究表明，經(jīng)干旱處理后，楸子砧木根系SOD和POD活性升高，可溶性蛋白含量降低，而耐旱的蘋果砧木根系在干旱脅迫條件下，根系活性氧清除系統(tǒng)活性較高，進而可以延緩根系的衰老進程，延長根系功能期，有利于其在干旱條件下維持更好的生長。正是基于這個原因，在長期中度干旱處理后，楸子根系生物量大于G935且能夠維持更好的生長狀態(tài)。

4 結(jié) 論

在長期中度干旱處理條件下，根系通過保護酶系統(tǒng)酶活性的提高及蛋白質(zhì)含量變化來應(yīng)對干旱脅迫，與G935相比，楸子根系在缺水條件下能維持更大的根系生物量，其根冠比、總根長、根總表面積和總體積均大于G935，進而為地上部提供了更多的水分及養(yǎng)分，所以楸子根系具有更強的耐旱性，可用于抗旱型蘋果砧木的選育。

[參考文獻]

[1] Condon A G,Richards R A,Rebetzke G J,et al.Improving intrinsic water-use efficiency and crop yield [J].Crop Sci,2002,42:122-131.

[2] 山 侖,黃占斌,張歲岐.節(jié)水農(nóng)業(yè) [M].北京:清華大學出版社,2009.

Shan L,Huang Z B,Zhang S Q.Water saving agriculture [M].Beijing:Tsinghua University Press,2009.

[3] 張林森,張海亭,胡景江,等.兩種蘋果砧木根系水力結(jié)構(gòu)及其PV曲線水分參數(shù)對干旱脅迫的響應(yīng) [J].生態(tài)學報，2013，33(11):3324-3331．

Zhang L S,Zhang H T,Hu J J,et al.The response of pressure volume curve water parameters and root system hydraulic architecture of two apple rootstocks to drought stress [J].Acta Ecologica Sinica,2013,33(11):3324-3331．

[4] Janiak A,Kwasniewski M,Szarejko I.Gene expression regulation in roots under drought [J].J Exp Bot,2016,67:1003-1014.

[5] Ikinci A,Bolat I,Ercisli S,et al.Influence of rootstocks on growth,yield, fruit quality and leaf mineral element contents of pear cv.‘Santa Maria’ in semi-arid conditions [J].Biol Res,2014,47:71-78.

[6] Gregory P J,Atkinson C J,Bengough A G,et al.Contributions of roots and rootstocks to sustainable,intensified crop production [J].J Exp Bot,2013,64:1209-1222.

[7] Li C,Tan D X,Liang D,et al.Melatonin mediates the regulation of ABA metabolism,free-radical scavenging,and stomatal behaviour in twoMalusspeciesunder drought stress [J].J Exp Bot,2015,66:669-680.

[8] Wang S,Liang D,Li C,et al.Influence of drought stress on the cellular ultrastructure and antioxidant system in leaves of drought-tolerant and drought-sensitive apple rootstocks [J].Plant Physiol Biochem,2012,51:81-89.

[9] 楊洪強,束懷瑞.蘋果根系研究 [M].北京:科學出版社,2007.

Yang H Q,Shu H R.Study on apple roots [M].Beijing:Science Press,2007.

[10] Dhindas R S,Plumb-Dhindsa P,Thorpe T A.Leaf senescence:correlated with increased levels of membrane permeability and lipid peroxidation,and decreased levels of superoxide dismutase and catalase [J].J Exp Bot,2012,32:93-101.

[11] Maehly A C,Chance B.Assay of catalases and peroxidases [J].Methods Biochem Anal,1955,1:357-424.

[12] Bradford M M.A rapid and sensitivemethod for the quantita tion of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding [J].Anal Biochem,1976,72:248-254.

[13] Claeys H,Inzé D.The agony of choice:how plants balance growth and survival under water-limiting conditions [J].Plant Physiol,2013,162:1768-1779.

[14] Kato Y,Okami M.Root growth dynamics and stomatal behaviour of rice (OryzasativaL.) grown under aerobic and flooded conditions [J].Field Crops Research,2010,117:9-17.

[15] Rewald B,Ephrath J E,Rachmilevitch S.A root is a root is a root? Water uptake rates of Citrus root orders [J].Plant Cell Environ,2011,34(1):33-42.

[16] Clark L J,Price A H,Steele K A,et al.Evidence from nearisogenic lines that root penetration increases with root diameter and bending stiffness in rice [J].Funct Plant Biol,2008,35(11):1163-1171.

[17] Baroowa B,Gogoi N,Farooq M.Changes in physiological,biochemical and antioxidant enzyme activities of green gram (VignaradiataL.) genotypes under drought [J].Acta Physiologiae Plantarum,2016,38:219.

[18] 劉瑞俠,李艷輝,陳紹寧,等.干旱高溫協(xié)同脅迫對玉米幼苗抗氧化防護系統(tǒng)的影響 [J].河南農(nóng)業(yè)大學學報,2008,42(4):363-366.

Liu R X,Li Y H,Chen S N,et al.Effects of collaborative stress of drought and high temperature on antioxidant defense system in maize [J].Journal of Henan Agricultural University,2008,42(4):363-366.

[19] Kozlowski T T,Pallardy S G.Acclimation and adaptive responses of woody plants to environmental stresses [J].Bot Rev,2002,68:270-334.

[20] 董桂春,王余龍,王堅剛,等.不同類型水稻品種間根系性狀的差異 [J].作物學報,2002,28(6):749-755.

Dong G C,Wang Y L,Wang J G,et al.Study on the differences of root traits between various types of varieties in rice(OryzasativaL.) [J].Acta Agronomica Sinica,2002,28(6):749-755.

[21] 李文嬈,張歲岐,丁圣彥,等.干旱脅迫下紫花苜蓿根系形態(tài)變化及與水分利用的關(guān)系 [J].生態(tài)學報,2010,19:5140-5150.

Li W R,Zhang S Q,Ding S Y,et al.Root morphological variation and water use in alfalfa under drought stress [J].Acta Ecologica Sinica,2010,19:5140-5150.

[22] 楊秀紅,吳宗璞,張國棟.對肥水條件反應(yīng)不同的大豆品種根系性狀的比較研究 [J].中國油料作物學報,2001,23(3):24-26,30.

Yang X H,Wu Z P,Zhang G D.Study of root comparative varieties of different soybean response to fertilizer condition [J].Chinese Journal of Oil Crop Sciences,2001,23(3):24-26,30.

[23] 單長卷,陳向東.稀土元素釹對玉米幼苗根系抗旱性的影響 [J].玉米科學,2017,25(3):54-58.

Shan C J,Chen X D.Effects of neodymium trichloride on the drought resistance of maize seedling root [J].Journal of Maize Sciences,2017,25(3):54-58.

[24] Smucker A J M,Aiken R M.Dynamic root response to water deficits [J].Soil Science,1992,154:281-289.

[25] 許長成,鄒 琦.大豆葉片旱促衰老及其與膜脂過氧化的關(guān)系 [J].作物學報,1993,19(4):359-364.

Xu C C,Zou Q.Soybean leaf dry aging and its relationship with membrane lipid peroxidation [J].Acta Agronomica Sinica,1993,19(4):359-364.

[26] 閻成仕,李德全,張建華.冬小麥旗葉旱促衰老過程中氧化傷害與抗氧化系統(tǒng)的響應(yīng) [J].西北植物學報,2000,20(4): 568-576.

Yan C S,Li D Q,Zhang J H.Oxidative damage and antioxidant responses during drought-induced winter wheat flag leaf senescence [J].Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica,2000,20(4):568-576.