蘆旭然，楊 霞，陳中義

(長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院 長(zhǎng)江大學(xué)植物生態(tài)與環(huán)境修復(fù)研究所，湖北 荊州 434025)

空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)是一種水陸兩棲的外來(lái)入侵植物，在我國(guó)廣泛擴(kuò)散，對(duì)我國(guó)的生物多樣性、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及淡水生態(tài)系統(tǒng)造成了不利的負(fù)面影響[1-2]?？招纳徸硬菰谒懎h(huán)境中具有顯著的形態(tài)可塑性，陸生型和扎根挺水型空心蓮子草的不定根常膨大形成貯藏根(宿根)，這種貯藏根是其越冬、繁殖和擴(kuò)散的重要基礎(chǔ)[3]。婁遠(yuǎn)來(lái)[4]研究發(fā)現(xiàn)，空心蓮子草貯藏根具有由形成層分化產(chǎn)生的三生結(jié)構(gòu)，可以貯藏大量的水分及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，為無(wú)性繁殖形成新個(gè)體提供基礎(chǔ)[5]。有研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源生長(zhǎng)素(IAA)在陸生型空心蓮子草不定根膨大形成貯藏根的過(guò)程中可能發(fā)揮了重要的調(diào)節(jié)作用[6]。

生長(zhǎng)素是植物根系生長(zhǎng)發(fā)育的重要調(diào)控因子，可單獨(dú)或與其他激素相互作用于植物根系的發(fā)育過(guò)程。生長(zhǎng)素與植物體內(nèi)特定受體結(jié)合，通過(guò)調(diào)控特定基因的表達(dá)對(duì)植物根系生長(zhǎng)發(fā)育以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成產(chǎn)生影響[7-8]。研究發(fā)現(xiàn)，外施IAA可促進(jìn)煙苗(Nicotianatabacum)側(cè)根數(shù)增多、地上及地下生物量積累，有效提高了根系活力及代謝能力[9]。在植物不定根的形成過(guò)程中，IAA激活血紅素加氧酶(HO)的活性，并增加一氧化碳(CO)的含量，經(jīng)過(guò)一系列信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)作用于不定根原基和分生組織[10]。植物根系的發(fā)育是一個(gè)復(fù)雜且可被多種基因、代謝、激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)等途徑調(diào)控的過(guò)程，加之環(huán)境條件不同，使根系在構(gòu)型、功能及特性上存在顯著差異[11]。

為此，本研究通過(guò)對(duì)空心蓮子草葉片噴施不同濃度的外源IAA，從空心蓮子草不定根膨大形成貯藏根過(guò)程中根形態(tài)、蛋白質(zhì)及蔗糖含量、蔗糖合成和降解相關(guān)酶活性及內(nèi)源激素[包括脫落酸、生長(zhǎng)素、油菜素內(nèi)酯、赤霉素、茉莉酸、玉米素核苷(ABA、IAA、BR、GA、JA、ZR)]含量的變化，進(jìn)一步揭示IAA對(duì)空心蓮子草不定根膨大的作用機(jī)理，不僅有助于闡明該外來(lái)植物入侵的生理生態(tài)學(xué)機(jī)制，而且對(duì)有效防治其入侵具有重要指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

于2017年6月8日，在荊州市西郊田間溝渠采集生長(zhǎng)健壯的空心蓮子草地上莖，剪取莖段中部直徑0.3～0.4 cm、長(zhǎng)度為4 cm的地上莖片段(帶有一節(jié)，以節(jié)為中心，兩邊長(zhǎng)度各2 cm)若干，作為本研究扦插育苗材料。

1.2 試驗(yàn)處理

河沙(沙土)和菜園土壤(壤土)經(jīng)暴曬、過(guò)篩，1∶1均勻混合后，裝入塑料杯(上內(nèi)徑9 cm、下內(nèi)徑5.5 cm、高度14.5 cm)中，作為土壤基質(zhì)，置于長(zhǎng)江大學(xué)溫室大棚棚架上。將空心蓮子草莖段傾斜插入已澆透水的基質(zhì)中，保證節(jié)間接觸到土壤，每盆1株。每24 h澆灌1次，保持濕生生境，土壤含水量為75%～85%。盡量保持棚內(nèi)光照、溫度、通風(fēng)等條件與野外一致，每3 d隨機(jī)移動(dòng)一次塑料杯的位置，避免邊緣效應(yīng)。在扦插苗生長(zhǎng)10 d，長(zhǎng)出4～6片葉片時(shí)，用小型手持式噴霧器分別噴施濃度為10、50和100 mg·L-1的IAA生長(zhǎng)素，每天早晚在同一時(shí)段各重復(fù)噴施3次，每次噴施程度以葉片水滴不滴落為準(zhǔn)，葉片充分吸收后再進(jìn)行重復(fù)噴施。每天每種濃度噴施125 mL，連續(xù)4 d，共500 mL，同時(shí)設(shè)置清水對(duì)照組。試驗(yàn)共4個(gè)處理，每個(gè)處理50個(gè)重復(fù)，共種植200盆。

1.3 測(cè)量方法與數(shù)據(jù)分析

1.3.1根形態(tài)分析 分別在空心蓮子草莖段扦插生長(zhǎng)20 d(膨大前期)、70 d(膨大期)取樣，每組處理每次隨機(jī)取樣數(shù)為5盆，共取樣2次。本試驗(yàn)將扦插苗根中直徑(根最粗部分的橫徑)<0.15 cm的根稱(chēng)為不定根或須根；直徑≥0.15 cm的根稱(chēng)為貯藏根或宿根。將每株空心蓮子草從塑料杯中取出，洗凈土，觀察并統(tǒng)計(jì)一級(jí)根和宿根數(shù)量。采用根系掃描儀[Epson Perfection V700 Photo Dual Lens System(J221A，Indonesia)]對(duì)根系進(jìn)行掃描，記錄指標(biāo)包括根系體積、根系表面積、宿根體積，宿根表面積。使用游標(biāo)卡尺(精度0.01 mm)測(cè)量宿根最粗部分的橫徑(簡(jiǎn)稱(chēng)宿根直徑)以及宿根長(zhǎng)度。最后，將每株植株分為地上莖葉、不定根、宿根放入烘箱中，于80 ℃下烘至恒重(約24 h)，用電子精密天平[METTLER TOLEDO PL303-IC(精度0.001 g)]分別稱(chēng)量其干重，計(jì)算根冠比。

根冠比=地下部分根干重/地上部分莖葉干重×100%。

1.3.2根生理指標(biāo) 分別在空心蓮子草莖段扦插生長(zhǎng)20 d(膨大前期)、70 d(膨大期)、100 d(膨大后期)取樣，每組處理每次隨機(jī)取樣數(shù)為10盆，共取樣3次，進(jìn)行各生理指標(biāo)測(cè)量。每個(gè)指標(biāo)取樣重復(fù)3次，每次測(cè)定2次取平均值?？扇苄缘鞍踪|(zhì)采用考馬斯亮蘭G-250染色法測(cè)定，具體方法參照孔祥生和易現(xiàn)峰的《植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)》進(jìn)行[12]。蔗糖含量采用蒽酮比色法進(jìn)行測(cè)定，具體方法參照西北農(nóng)業(yè)大學(xué)植物生理生化教研組編的《植物生理學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)》[13]。蔗糖中性轉(zhuǎn)化酶(NI)和酸性轉(zhuǎn)化酶(AI)通過(guò)測(cè)定還原糖的生成量來(lái)表示其活性，蔗糖合成酶(SS)和蔗糖磷酸合成酶(SPS)通過(guò)測(cè)定蔗糖的生成量來(lái)表示其活性，具體參照王惠聰?shù)萚14]的方法進(jìn)行測(cè)定。內(nèi)源激素含量采用植物激素酶聯(lián)免疫吸附檢測(cè)法(ELISA)進(jìn)行測(cè)定，具體參照Chen等[15]的方法在中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)作物化學(xué)控制研究中心測(cè)定。

1.3.3數(shù)據(jù)分析 采用Microsoft Excel 2003軟件系統(tǒng)整理數(shù)據(jù)及圖表制作，用SAS 8.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用單因素方差分析法(one-way ANOVA)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 外施IAA對(duì)空心蓮子草根形態(tài)指標(biāo)的影響

在空心蓮子草地上莖段扦插苗生長(zhǎng)20 d，即不定根膨大前期，不同濃度IAA處理對(duì)空心蓮子草根系的一級(jí)根數(shù)量、根系干重和根冠比的影響極顯著(P<0.01)(表1)，對(duì)根平均直徑、根系體積無(wú)顯著影響(P>0.05)。10 mg·L-1IAA處理下莖葉干重顯著大于其他處理及清水對(duì)照(P<0.05)；50和100 mg·L-1IAA處理下根冠比顯著大于10 mg·L-1IAA處理及清水對(duì)照。

在空心蓮子草地上莖段扦插苗生長(zhǎng)70 d，即不定根膨大期，不同濃度IAA處理下對(duì)空心蓮子草根系的根系體積、根系表面積和宿根干重影響極顯著(P<0.01)(表2)，對(duì)宿根直徑、根系干重及根冠比無(wú)顯著性影響(P>0.05)。10和100 mg·L-1IAA處理下宿根條數(shù)相對(duì)于50 mg·L-1IAA處理和清水對(duì)照顯著提高；50和100 mg·L-1IAA處理下根系體積、根系表面積顯著高于10 mg·L-1IAA處理和清水對(duì)照。

表1 不同IAA處理對(duì)生長(zhǎng)20 d空心蓮子草根系生長(zhǎng)相關(guān)性狀指標(biāo)的影響Table 1 Effect of different auxin (IAA) treatments on growth-related traits of alligator weed roots at 20 days growth

同行不同小寫(xiě)字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。*，P<0.05，**，P<0.01，ns表示無(wú)差異。下同。

Different lowercase letters within the same column indicate significant difference between different treatments at the 0.05 level. *,P<0.05，**,P<0.01, ns indicates no difference. This information is the same for the following tables.

表2 不同IAA處理對(duì)生長(zhǎng)70 d空心蓮子草根系相關(guān)性狀指標(biāo)的影響Table 2 Effect of different IAA treatments on growth related traits of alligator weed roots at 70 days growth

綜上所述，噴施IAA處理，能顯著增加空心蓮子草扦插苗一級(jí)根數(shù)量，從而增加不定根轉(zhuǎn)化為貯藏根(宿根)的條數(shù)，高濃度IAA處理在一定程度上抑制貯藏根伸長(zhǎng)，但貯藏根的直徑?jīng)]有受到IAA激素處理的影響。

2.2 外施IAA對(duì)空心蓮子草根生理指標(biāo)的影響

2.2.1外施IAA對(duì)空心蓮子草根中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)含量及蔗糖相關(guān)酶活性的影響 不同濃度IAA對(duì)各時(shí)期空心蓮子草根中蛋白質(zhì)、蔗糖含量影響極顯著(P<0.01)(表3)。在扦插苗生長(zhǎng)20 d(膨大前期)，不同濃度IAA對(duì)空心蓮子草根中性轉(zhuǎn)化酶、酸性轉(zhuǎn)化酶及蔗糖合成酶活性影響極顯著(P<0.01)，對(duì)蔗糖磷酸合成酶活性無(wú)顯著影響(P>0.05)；在扦插苗生長(zhǎng)70 d(膨大期)，不同濃度IAA對(duì)空心蓮子草根中酸性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖合成酶及蔗糖磷酸合成酶活性影響顯著(P<0.05)，對(duì)中性轉(zhuǎn)化酶活性無(wú)顯著性影響(P>0.05)；在扦插苗生長(zhǎng)100 d(膨大后期)，不同濃度IAA對(duì)空心蓮子草根中中性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖磷酸合成酶影響極顯著(P<0.01)，對(duì)酸性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖合成酶活性影響顯著(P<0.05)。

與清水對(duì)照相比，100 mg·L-1IAA處理的空心蓮子草在各個(gè)時(shí)期其根中可溶性蛋白質(zhì)含量均顯著高于清水對(duì)照組(圖1)；噴施IAA處理的空心蓮子草在各個(gè)時(shí)期根中蔗糖含量基本上顯著高于清水對(duì)照組(P<0.05)。

與清水對(duì)照相比，在扦插苗生長(zhǎng)20 d(膨大前期)，10、100 mg·L-1IAA處理對(duì)根中性轉(zhuǎn)化酶及酸性轉(zhuǎn)化酶活性顯著抑制(P<0.05)，100 mg·L-1IAA處理對(duì)根中蔗糖合成酶活性顯著促進(jìn)，對(duì)蔗糖磷酸合成酶活性顯著抑制；在扦插苗生長(zhǎng)70 d(膨大期)，100 mg·L-1IAA處理對(duì)根中蔗糖合成酶活性顯著促進(jìn)，對(duì)酸性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖磷酸合成酶活性顯著抑制；在扦插苗生長(zhǎng)100 d(膨大后期)，10、50 mg·L-1IAA處理對(duì)根中酸性轉(zhuǎn)化酶活性顯著抑制(圖2)。

2.2.2外施IAA對(duì)空心蓮子草根中內(nèi)源激素含量的影響 噴施IAA處理在各個(gè)時(shí)期對(duì)空心蓮子草根系中內(nèi)源激素均產(chǎn)生顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)的影響(表4)。

表3 不同IAA處理下各時(shí)期空心蓮子草根系中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)及相關(guān)酶活性的F值和顯著性差異Table 3 F value and significance level of nutrients and related enzyme activities in alligator weed roots of different growing days under different IAA treatments

圖1 不同IAA處理下空心蓮子草根系中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量Fig. 1 Nutrient content of alligator weed roots under different IAA treatments

不同小寫(xiě)字母表示相同生長(zhǎng)時(shí)間不同IAA處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different lowercase letters indicate significant differences among different IAA treatments on the same growth days at the 0.05 level; similarly for the following figures.

圖2 不同IAA處理下空心蓮子草根系中蔗糖相關(guān)酶活性Fig. 2 Sucrose-related enzyme activity of alligator weed roots under different IAA treatments

生長(zhǎng)天數(shù)Growing days脫落酸(ABA)Abscisic acid生長(zhǎng)素(IAA)Indoleacetic acid油菜素內(nèi)酯(GA)Brassinolide赤霉素(GA)Gibberellin茉莉酸(JA)Jasmonic acid玉米素核苷(ZR)Zeatin riboside20 d838.48**243.44**219.77**70.15**79.91**153.63**70 d91.10**6.37*283.57**84.26**197.23**991.93**100 d79.58**237.88**432.40**117.85**152.30**174.26**

與清水對(duì)照相比，在扦插苗生長(zhǎng)20 d(膨大前期)，噴施IAA處理的空心蓮子草根中內(nèi)源ABA、IAA含量顯著高于對(duì)照組(P<0.05)；在扦插苗生長(zhǎng)70 d(膨大期)，噴施IAA處理的空心蓮子草根中內(nèi)源ABA含量顯著高于對(duì)照組；在扦插苗生長(zhǎng)100 d(膨大后期)，噴施IAA處理的空心蓮子草根中內(nèi)源IAA及BR含量顯著高于對(duì)照組，內(nèi)源ZR含量顯著低于對(duì)照組(圖3)。

綜合上述結(jié)果表明，噴施100 mg·L-1IAA處理能極顯著增加空心蓮子草扦插苗根中蛋白質(zhì)、蔗糖含量。噴施IAA處理對(duì)空心蓮子草根中蔗糖相關(guān)酶活性、內(nèi)源激素產(chǎn)生顯著影響，促進(jìn)根內(nèi)蔗糖的合成。

3 討論與結(jié)論

植物生長(zhǎng)素是根系生長(zhǎng)發(fā)育的重要調(diào)節(jié)者[16]。本研究結(jié)果表明噴施IAA有利于促進(jìn)空心蓮子草一級(jí)根數(shù)量增多、貯藏根形成以及宿根條數(shù)增多，這與劉鳳麗等[17]發(fā)現(xiàn)IAA可促進(jìn)大豆(Glycinemax)不定根形成且數(shù)量增多的結(jié)果相似，但高濃度IAA處理在不同程度上對(duì)宿根伸長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用，該結(jié)果與孟廣目[18]研究發(fā)現(xiàn)施用外源IAA可抑制擬南芥(Arabidopsisthaliana)主根生長(zhǎng)一致，而且這種抑制效應(yīng)是IAA負(fù)調(diào)控伸長(zhǎng)區(qū)細(xì)胞伸長(zhǎng)的原因。本研究結(jié)果表明，噴施一定濃度的IAA可顯著增加空心蓮子草宿根干重、蛋白質(zhì)及蔗糖含量，這可能是由于IAA可在一定程度上提高植物光合速率，從而促進(jìn)碳水化合物積累有關(guān)[19]。

圖3 不同IAA處理下空心蓮子草根系中內(nèi)源激素的含量Fig. 3 Endogenous hormone content of alligator weed roots under different IAA treatments

ABA，脫落酸；IAA，生長(zhǎng)素；BR，油菜素內(nèi)酯；GA，赤霉素；JA，茉莉酸；ZR，玉米素核苷。

ABA, abscisic acid; IAA, indoleacetic acid; BR, brassinolide; GA, gibberellin; JA, jasmonic acid; ZR, zeatin riboside.

蔗糖是植物的碳骨架和能量載體，對(duì)植物生長(zhǎng)及其環(huán)境適應(yīng)力至關(guān)重要[20]。蔗糖轉(zhuǎn)化酶包括酸性轉(zhuǎn)化酶和中性轉(zhuǎn)化酶，可催化蔗糖降解。張玲等[21]研究發(fā)現(xiàn)，草莓(Fragaria×ananassa)中蔗糖轉(zhuǎn)化酶家族基因的表達(dá)受IAA誘導(dǎo)，說(shuō)明激素可能參與調(diào)節(jié)該基因家族的基因表達(dá)。本研究發(fā)現(xiàn)，噴施IAA處理，在空心蓮子草根系膨大前期中性轉(zhuǎn)化酶和酸性轉(zhuǎn)化酶活性受到一定程度的抑制作用，但是在根系膨大中期，對(duì)中性轉(zhuǎn)化酶活性并無(wú)顯著影響，而酸性轉(zhuǎn)化酶活性顯著降低，蔗糖積累迅速積累。這與Kato和Kubota[22]發(fā)現(xiàn)酸性轉(zhuǎn)化酶活性降低有利于蔗糖在植物中貯藏的結(jié)果一致。此外，噴施一定濃度IAA在空心蓮子草根系膨大前期及膨大期可顯著提高蔗糖合成酶活性。大量研究表明，蔗糖合成酶對(duì)保持蔗糖梯度及促進(jìn)蔗糖積累產(chǎn)生一定積極作用，王永章和張大鵬[23]發(fā)現(xiàn)蘋(píng)果(Malusdomestica)果實(shí)蔗糖代謝過(guò)程中蔗糖合成酶活性與蔗糖含量正相關(guān)。在本研究中根中蔗糖積累同樣與蔗糖合成酶活性的增加相伴隨。由此可見(jiàn)，酸性轉(zhuǎn)化酶和蔗糖合成酶與空心蓮子草根中蔗糖積累密切相關(guān)。本研究中，100 mg·L-1IAA處理在空心蓮子草根系膨大前期及膨大期顯著抑制酸性轉(zhuǎn)化酶活性，增加蔗糖合成酶活性，從而促進(jìn)空心蓮子草根中蔗糖的積累。Hubbard等[24]研究果實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)，蔗糖的合成、分解是由中性轉(zhuǎn)化酶、酸性轉(zhuǎn)化酶、蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶之間的動(dòng)態(tài)平衡決定。綜上所述，生長(zhǎng)素可能參與到蔗糖的合成或代謝途徑，通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)蔗糖合成和降解相關(guān)酶活性，促進(jìn)根內(nèi)蔗糖的合成，為不定根膨大發(fā)育提供充足的養(yǎng)分。

植物激素在植物不定根轉(zhuǎn)化為貯藏根過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[25]。施用外源激素對(duì)植物根系內(nèi)源激素分布及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑產(chǎn)生影響，使其或單獨(dú)或與其他激素相互作用于植物主根、側(cè)根、不定根及根毛的發(fā)育過(guò)程[26-27]。前人研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)源ABA、ZR含量對(duì)甘薯(Dioscoreaesculenta)不定根膨大形成塊根及其膨大速率具關(guān)鍵作用，與塊根干重顯著正相關(guān)，而葉面噴施壯豐安(ZFA)使甘薯源、庫(kù)器官內(nèi)源激素含量發(fā)生改變，提高塊根內(nèi)源ABA、IAA含量，增加塊根鮮重[27-28]；楊永崗等[29-30]發(fā)現(xiàn)較高含量的內(nèi)源GA促進(jìn)胡蘿卜(Daucuscarotavar. sativa)肉質(zhì)根膨大，當(dāng)葉面噴施GA時(shí)，顯著降低肉質(zhì)根內(nèi)源GA、IAA含量，提高內(nèi)源ZA的含量，對(duì)根系膨大產(chǎn)生抑制作用；地黃塊根的起始分化受IAA及ZR的影響，在塊根膨大前期JA含量顯著提高，通過(guò)促進(jìn)糖代謝過(guò)程促進(jìn)塊根的形成[31-32]。內(nèi)源ABA和BR是空心蓮子草根系膨大的關(guān)鍵激素，一定濃度的IAA可促進(jìn)空心蓮子草不定根和貯藏根的伸長(zhǎng)生長(zhǎng)[6]。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉面噴施IAA處理顯著提高了空心蓮子草根系膨大前期內(nèi)源ABA、IAA、BR、JA、ZR的含量和根系膨大期內(nèi)源ABA、JA的含量，有利于促進(jìn)不定根和貯藏根形成，以及增加根系干重、蛋白質(zhì)及蔗糖含量。解備濤等[33]研究發(fā)現(xiàn)在甘薯塊根膨大前期葉面噴施DA-6可顯著提高根系中IAA、GA3的含量，并通過(guò)抑制甘薯地上生物量合成，促進(jìn)地上部同化物向塊根轉(zhuǎn)移，有利于地下生物量的積累，提高塊根質(zhì)量。根據(jù)本研究結(jié)果推測(cè)，空心蓮子草通過(guò)莖葉吸收外源IAA并運(yùn)輸?shù)礁?，其?nèi)、外源激素相互作用對(duì)根系生長(zhǎng)以及根系生物量產(chǎn)生影響，改變植物內(nèi)各物質(zhì)的含量，進(jìn)而影響植物根系的發(fā)育和構(gòu)型。

總體看來(lái)，施用外源生長(zhǎng)素有利于促進(jìn)空心蓮子草貯藏根的形成，其作用機(jī)理可能在于生長(zhǎng)素影響空心蓮子草根內(nèi)與蔗糖代謝相關(guān)酶活性及內(nèi)源激素的含量，促進(jìn)根內(nèi)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的合成，為根膨大發(fā)育提供充足的養(yǎng)分。該研究結(jié)果為進(jìn)一步了解陸生型空心蓮子草的不定根膨大機(jī)理和提出有效防控措施提供了一定的理論基礎(chǔ)。