摘要: 通过水培试验研究不同盐水平对棉花根系生长的影响。结果表明在盐胁迫下棉花根系生长受到抑制，根系到达最快生长速度的时间推迟4天，最终影响根系的生长量；胁迫下棉花根系感受到胁迫信号，棉花产生相应的适应反应，首先要保证根系的生长，将更多的碳水化合物分配到根系中，根冠比增加，而且随着盐分的增加，这种趋势更加明显。通径分析结果表明与根系生长有关的形态指标中根长是最主要的指标，对根系生长起直接作用；而表面积、体积、直径是次要的指标。
Abstract:
A pot experiment was carried out to evaluate effects of different salinity levels on growth of cotton root. The results showed that the root growth of cotton was inhibited under salt stress, and the maximum growth rate of cotton root was delayed by 4 days, which ultimately affected the growth of cotton root. Under stress, the root system of cotton sensed the stress signal and the cotton produced the corresponding adaptive response: the first step is to ensure the growth of the root system, it allocates more carbohydrates to the root system, then the root-shoot ratio increases, and this trend becomes more pronounced as salt content increases. The result of path analysis showed that the root length was the major index, which directly affected growth of cotton root, while the surface area, volume and diameter of cotton root were minor indexes.
1. 引言
盐碱地是重要的土地资源，它分布在世界各大洲干旱地区。联合国专门机构报告指出：全世界农业灌溉区域大约50%的面积土壤有盐渍化或将受盐渍化威胁 [1]。棉花属耐盐非盐生作物，在我国棉花主产区新疆、黄河流域等地区分布着大量的盐碱土 [2]。有关棉花耐盐性的研究主要集中在水盐的管理上 [3] [4] 和棉花生长、养分吸收等方面 [5]，而对于根系自身对盐胁迫环境的适应性的研究还较少。棉花根系下扎得比较深，田间挖根的方法工作量大 [6]，很难获得重复，并且根据地上部分的长势来取根系，根系的长势与预期有所差异，同时挖根只能对相同体积土壤上根系进行研究，很难保证根系数量，此外田间挖根因为对土壤环境的破坏性，一般只能在一个时间点进行，很难进行连续时间段的测定。因此，本研究通过水培试验分析不同盐度溶液棉花根系形态的差异以及与棉花根系生长的关系，为揭示棉花耐盐机理和对盐土的开发利用提供依据。
2. 材料与方法
2.1. 试验材料
试验于2017~18年在石河子大学农学院实验站温室进行，试验采用水培试验，供试棉花品种为新陆早26号，试验采用为40 L的不透光泡沫箱为水培容器(外径长为58 cm，宽为43 cm，高为20 cm)，试验开始时每个容器定植棉苗40株，行株距在7~8 cm。
2.2. 试验设计
试验设置5个盐度水平，其中1个不加盐处理(用CK表示)，4个盐分处理，含NaCl分别为70 mmol∙L−1、140 mmol∙L−1、210 mmol∙L−1、280 mmol∙L−1 (用T1~T4表示)，采用催发发芽(预先在培养皿内进行发芽试验)后再进行移栽，发芽后待棉苗根系长到5~7 cm时，移入营养液中，试验用营养液为霍格兰(Hoagland)营养液，待棉花长到4片真叶时(培养20 d)，挑选长势一致棉苗进行盐分处理，生育期间每7~10天更换1次营养液，在盐分处理30 d后试验结束。
2.3. 取样与分析方法
进行盐分处理后，每隔10 d测定根系干重、根系形态学指标，每个处理每次取3~4个长势一致的重复，从靠近根系的地方剪开分出根系和算地上部分，根系并不是从子叶节以下算起，根系绿色茎根部分算地上部分。试验结束用，吸附甲稀蓝法 [7] 测定根系活跃的吸收面积比例，用TTC法测定根系活力 [7]。棉花根系使用扫描仪(Epson Expression/STD 1600 scanner)扫描成灰阶模式的TIF图像文件，然后用WinRhizo图像处理系统处理图像，获取根系分布参数根长、根表面积、根系平均直径、根体积。扫描后的根系在70℃下烘干48小时后称重。
2.4. 数据分析
使用统计软件SPSS19.0和SAS9.1进行数据分析，多重比较采用SSR法，显著水平为0.05。
3. 结果与分析
3.1. 根系干物质量
棉花根系干重随着生育期的延长而增加(图1)，在进行盐分处理(培养20 d)以前各处理根系干重相差不大，而此时根系较小、生长缓慢，盐分处理后根系干重生长表现为慢–快–慢趋势，但各处理表现不同。CK处理根系生长速度明显快于其他盐分处理，采用SAS软件进行Logistic生长曲线方程的结果表明：CK处理在试验后34 d，即进行盐分处理后14 d迎来拐点，生长速度达到最大，而盐分处理拐点推迟到17~18 d，生长进度延迟了4 d左右，最大生长速度也明显低于CK处理，最终造成干物质积累减少。盐分胁迫结束时测定根系干重，CK处理最大为1.6 g，随着胁迫程度的加剧，根系干重呈下降趋势，T4处理根系干重最小，仅为0.84 g，与CK相比下降幅度达47.6%。图2为棉花胁迫期间根冠比的变化，在胁迫初期CK处理根冠比高于4个盐分处理，在胁迫进行到13~14 d左右时，CK处理根冠比低于盐分处理，胁迫结束后根冠比表现为随盐分增加而增大，盐分处理根冠比显著地(p < 0.05)高于CK处理。试验结果表明根系接触到盐溶液，立刻感受到盐分胁迫，生长受到抑制(胁迫初期根冠比下降)，经过一段时间后逐渐适应盐分环境，并进行养分分配调整，将更多的碳水化合物运到根系，首先保证根系的生长，相对于地上部分，根系受到的影响要小一些，因此根冠比增大，盐分越大，根冠比越大，试验结束时T4处理根冠比为0.254，极显著高于CK处理的0.175 (p < 0.01)。这也说明盐分胁迫下棉花需要保持较大根系来吸收更多的水分、养分才能满足地上部生长所需，这也验证了盐分对棉花地上部分生长的影响大于根系 [8]。
3.2. 根系体积
盐分对棉花根体积影响显著(p < 0.05)，4个盐分处理根系体积始终明显低于CK处理(图3)，棉花根体积的变化趋势与根干重基本一致。
Figure 1. Root weight of cotton in different treatment
图1. 不同处理棉花根系干重的变化
Figure 2. Root/shoot ratio of cotton in different treatment
图2. 不同处理棉花根冠比的变化
Figure 3. Root volume of cotton in different treat
图3. 不同处理棉花根体积的变化
3.3. 根长
棉花的根长在胁迫初期增加不大(图4)，这是因为根系首先感受到盐分胁迫，根系生长受到很大影响，各处理根系在胁迫初期干重增加也不大(图1)。胁迫10 d后，逐渐适应了盐分环境，根系加速生长，根长迅速增加，而盐分越大根长增加幅度就越小，胁迫20 d后，CK和T1处理，根长增加速度变缓，而其他3个处理根长生长速度任然没有变缓的趋势，但是由于T2~T4处理前期根系生长缓慢，最终也没有弥补前期因盐分胁迫造成的损失，试验结束时CK处理的根长为40.2米，其次T1处理为32米，而T3、T4处理仅有20米左右，显著低于CK处理。
Figure 4. Root length of cotton in different treatment
图4. 不同处理棉花总根长的变化图
3.4. 根系直径
随棉花生长根系平均直径在增加(图5)，在盐分处理15 d左右，CK处理平均直径开始低于各盐分处理，此后CK处理平均直径变化不大，而其他处理有不同程度的增加。CK处理根长和根体积的增加速度均高于盐分处理，通过比较胁迫期间2个性状的变异系数(CV)，CK处理根体积的CV为75.1%，略高于4个盐分处理，在60.4%~70.6%之间，而CK处理根长的CV为65.3%，4个盐分处理CV在38.6%~57.2%之间，而变异系数的统计意义是指指标的稳定性。在本试验中，根长和根体积均表现为持续增加，盐分处理根长变异系数与CK处理的相比相差的更大，表明在此期间盐分处理根长的增加幅度远小于CK处理，而对根体积相差幅度要小一些，说明盐分胁迫对根长的影响程度更大一些，此外对根系的外观观察也表现为盐分处理根系颜色更深，更短簇一些。这也说明相对于CK处理，盐分胁迫下增加的根系以粗根为主，而直径较小须根相对较少，因此造成平均直径增加。胁迫结束后各盐分处理根系平均直径在0.338~0.349 mm之间，明显高于CK处理的0.315 mm。
3.5. 根系表面积
根系表面积是根系生长的重要指标，影响着作物对水分、矿质营养元素的吸收利用。在整个生长期里，CK处理棉花根系表面积始终最大(图6)，其次是T1和T2处理，T3和T4处理表面积最小。试验结束时(胁迫30天后)测定根系活跃的吸收面积比例(图7)，CK处理活跃的吸收面积为34.6%，略高于T1和T2处理(p > 0.05)，没有达到5%的显著水平；而显著的高于T3和T4处理(p < 0.05)，这2个处理根系活跃的吸收面积比例在26%左右。
Figure 5. Root diameter of cotton in different treatment
图5. 不同处理棉花根系总平均直径的变化
Figure 6. Root surface area of cotton in different treatment
图6. 不同处理棉花根总表面积的变化
3.6. 根系活力
试验结束时测定根系活力，随盐度增加根系活力显著下降，CK处理根系活力最大，为780.9 ugTTF∙g−1FW∙h−1，T2、T3处理下降到550 ugTTF∙g−1FW∙h−1左右，显著的低于CK处理(p < 0.05)，而高盐度处理T4、T5根系活力又显著的低于T2、T3处理(p < 0.05)，只有470 ugTTF∙g−1FW∙h−1左右。
Figure 7. Root active surface area ratio of cotton in different treatment
图7. 不同处理棉花根系活跃的表面积比例
Figure 8. Root energy of cotton in different treatment
图8. 不同处理棉花根系活力
3.7. 根系形态与根系生长的关系
通径分析结果表明(表1)：根长对根系生长(根重)的直接通径系数为0.558，极显著的高于其他3个性状的直接通径系数，表明根长是根系生长最重要的指标，同时根长通过根体积、表面积、直径的间接通径系数之和为0.419，在4个性状中最小，也小于根长的直接通径系数，说明根长与根系生长的关系是最密切的、起直接作用的性状，而其他3个性状与根系生长关系主要为间接作用。
Table 1. Path analysis of root shape indexes with root growth
表1. 根系形态指标与根系生长的通径分析
4. 结论与讨论
1) 在盐胁迫下，根系是最先、最直接的受到影响部位。棉花根系最先感受盐胁迫信号，并产生相应的生理反应，继而影响地上部生长，与CK处理相比，盐分处理棉花的根冠比增大(图2)，表明分配到根系的碳水化合物增加，分配到地上部分的减少，在盐胁迫下棉花首先要保证根系的生长，因此积累了更多养分，而且随胁迫程度的增加，这种趋势更明显。
2) 研究表明与根系生长(根重)最密切的形态指标是根长，其次是表面积、体积、直径。根长变化趋势与根系干重较一致。盐胁迫导致根长下降，随着盐浓度的增加根长生长受到抑制更明显，分析CK处理根系平均直径在胁迫初期一直在增加(图5)，主要可能是主根系在生长、延伸、增粗；中后期根系平均直径基本上不再增加，这可能是由于受到容器的限制，主根生长达到顶峰，不再伸长，而侧根生长旺盛，而侧根都是毛细根，导致根长增加(图4)，而平均直径变化不大(图5)，因此表面积持续增加(图6)。而盐分处理根长虽然也在增加，相比较CK增加较小，盐分延迟了根系生长进度，当CK处理主根停止生长时，盐分处理主根仍在继续生长，增大增粗，而细根增加的比重少，导致根系平均直径一直呈增大趋势，进而导致根重的持续增加，尤其是T1、T2处理(图1)，但表面积并没有与CK处理拉近差距，同时细根增加的比重少，根系活力和活跃的吸收面积比例在下降(图7、图8)，因此影响棉花养分和水分的吸收，导致根系干重小于CK处理。
3) 棉花是耐盐作物，Levitt认为棉花萌发和生长的极限耐盐度分别为0.4%和0.6% [9]。本研究中盐分最大的T4处理相当于0.6%土壤含盐量，但水溶液与土壤有很大差异，但盐分达到一定程度对棉花生长有抑制作用，推迟棉花的生长进度与土培和大田试验结果是一致的 [8] [10]。水培试验和大田试验 [5] (盐水灌溉)盐分处理根系直径都有增加的趋势，而土培温室盆栽直径却在下降 [8]，这是因为土培条件进行单株试验，不会发生棉花个体间的生长竞争，并且温室条件也满足了棉花无限生长的条件，更大地发挥了根系的“补偿效应” [11]，在脱盐区 [3] 范围内棉花的根系密度增加，而在盐分积累下层土壤，由于盐分胁迫根系下扎的深度和速度都低于对照 [11]，因此主根系分布范围反而较小，主根相对较粗，这可能是土培试验盐分处理根系直径下降的原因。由于出现“补偿效应”和无限生长，棉花根长、体积、表面积高于对照，而植株产量在中盐条件下甚至略高于对照，只有高盐处理产量才有下降趋势。大田试验也发生根系“补偿效应”，造成盐分处理根系指标略高于对照 [6]，但大田生产受到气候等因素影响棉花不能进行无限生长，因此盐分处理产量有所下降 [9]，中盐处理产量与土培试验结果相反。这是因为温室满足棉花的无限生长，而“补偿效应”发生弥补由于盐分推迟生长进程造成的损失，而大田试验只具备“补偿效应”一个条件，当然结果不同。因此可以采取有效的生产措施促进棉花生长，使其加快生育进度，最大程度发挥“补偿效应”，尽可能地减少盐分造成生长进程推后带来的损失，具体的试验结果还需要进一步试验来验证。
基金项目
石河子大学高层次人才干旱区滴灌棉花盐分胁迫下活性氧物质产生、清除规律与调节机制(RCSX201721)，兵团中青年科技创新领军人才(2020CB020)支助。