苜蓿(Medicago sativa)是畜牧业生产中不可或缺的植物蛋白资源, 也是我国当前草地农业和生态建设工程中应用最为广泛的草种^[1]。据不完全统计, 仅2019年全国新增苜蓿种植面积为8×10¹⁰ hm², 主要集中在西北地区甘肃河西走廊、内蒙古阿鲁科尔沁、宁夏河套灌区等^[2]。然而, 干旱对西北地区苜蓿的种植面积和产量构成了严重威胁, 成为限制苜蓿生长和分布的重要因素之一^[3]。

根系是植物与外界环境进行物质和能量交换的关键器官之一^[4], 其在土壤中的分布特征主要表现为根系构型^[5], 具有可塑性, 由遗传和许多环境因子调控, 其可塑性是表征植物对生长环境适应能力的重要指标。根系构型包括平面几何构型和立体几何构型^[6], 其平面几何构型主要包括根系总根长、总体积、总表面积、平均直径、根尖数、根干重、比根长、比表面积等, 主要反映根系的形态和功能^[7]；根系立体几何构型通过根系拓扑构型反映, 包括两种极端模式, 即鱼尾形分支和叉状分支^[8]。通常叉状根系次级分支多, 根系密集, 内部竞争强, 其分布范围小于鱼尾形分支, 不利于营养空间的占有, 而鱼尾形分支则相反, 其更适应干旱贫瘠的生境^[9]。分形维数和分形丰度是根系分形结构的两个重要参数, 分形维数反映植物根系的发育程度和对胁迫环境的适应策略, 分形丰度反映根系分布范围、密度及资源竞争力等^[10], 二者密切相关。拓扑结构和分形特征能够反映根系的分支模式和功能特点, 二者结合能更准确的反映根系构型特征和生态适应策略。

苜蓿的根系类型可划分为直根型、侧根型、根蘖型和根茎型4类^[11]。直根型苜蓿基因源主要来自于紫花苜蓿, 根茎型、侧根型和根蘖型苜蓿都不同程度地具有野生黄花苜蓿的基因, 其对干旱、严寒的抵抗力较强^[12]。干旱胁迫对羊草(Leymus chinensis)和大针茅(Stipa grandis)^[4]、多年生黑麦草(Lolium perenne)^[13]、红砂(Reaumuria songarica)和白刺(Nitraria tangutorum)^[14]、杉木(Cunninghamia lanceolata)^[15]、糙毛以礼草(Kengyilia hirsuta)^[16]、直根型紫花苜蓿^[17]等植物根系构型的影响已有研究, 有关干旱胁迫对不同根型苜蓿根系构型的影响少见报道。本研究以根茎型清水紫花苜蓿、直根型陇东紫花苜蓿和根蘖型公农4号杂花苜蓿为供试材料, 对干旱胁迫下播种当年和生长第2年3种根型苜蓿的根系平面、立体几何构型及拓扑结构进行研究, 从根系构型特征方面揭示各根型苜蓿对干旱生境的适应策略, 为苜蓿抗逆育种提供新思路和实践指导。

1 材料与方法 1.1 试验材料

供试苜蓿为根茎型“清水”紫花苜蓿(rhizomatous rooted M. sativa ‘Qingshui’, QS)、直根型“陇东”紫花苜蓿(tap rooted M. sativa ‘Longdong’, LD)、根蘖型“公农4号”杂花苜蓿(creeping rooted M.varia Martin ‘Gongnong’ No.4, GN), 其中GN的种子由吉林省农科院提供, QS和LD的种子由甘肃农业大学草业学院提供^[18]。

1.2 试验设计

采用沙培盆栽试验, 选用40 cm(高)×20 cm(盆底直径)塑料盆为试验用盆, 每盆装用去离子水洗净后的沙子10 kg(以便于取全根和对根系进行平面、立体几何构型的测定), 播种饱满、无病虫害的苜蓿种子, 播种后每2 d浇灌650 mL Hoagland营养液, 待长出两片真叶时进行间苗。试验采用两因素完全随机设计, 因素A为3个不同根型苜蓿品种；因素B为不同水分处理, 分别为对照、中度和重度水分胁迫, 3个处理的土壤含水量分别为河沙最大持水量(经反复多次试验得出, 每桶浇灌650 mL营养液可使河沙含水量达到最大持水量)的65%—75%、45%—55%和25%—35%, 通过称重法每天补充水分使每桶含水量在相应的胁迫范围内, 每个处理重复4次。播种当年(2020)、生长第2年(2021)待各根型苜蓿生长至分枝期(株高45 cm左右)时分别进行干旱胁迫处理, 播种当年、生长第2年分别处理20 d、30 d后采集各根型苜蓿根系, 用蒸馏水冲洗干净, 用于各项指标测定。

1.3 测定方法 1.3.1 根系平面几何构型参数

用台式扫描仪(型号：Epson Expression 1200XL, 产地：中国上海)对各根型苜蓿根系进行扫描并将图像存入电脑, 用WinRHIZO根系分析系统软件分析根系总体积(Root volume, RV)、总表面积(Total root surface area, RSA)、平均直径(Root average diameter, AD)、总长度(Total root length, TRL)等根系平面几何构型参数^[18]。

采用烘干法测定根系干物质量, 计算根系比根长(Specific root length, SRL)、比表面积(Specific root surface, SRS), 其中SRL(cm/g)＝TRL/根系生物量, SRS(cm²/g)＝RSA/根系生物量。

1.3.2 根系立体几何构型参数

Fitter^[19]指出, 根系拓扑系数(Topological index, TI)

$ T I=\frac{\lg A}{\lg M} $

(1)

式中A为最长通道(连接最多的通道)的内部连接数, M为外部连接总数。若TI ≈0.5, 表明根系存在相对更多的外部连接, 根系近似为叉状分支；若TI ≈1, 表明A和M近似相等, 即根系分支较少, 根系近似为鱼尾形分支。

Oppelt等^[20]为说明根系拓扑结构的中间过渡形式, 提出新拓扑参数。

$ \begin{aligned} &q_a=\frac{a-1-\operatorname{lb} v_0}{v_0-1-\operatorname{lb} v_0} \\ &q_b=\frac{b-1-\operatorname{lb} v_0}{\left(v_0+1\right) / 2-v_0^{-1}-\operatorname{lb} v_0} \end{aligned} $

(2)

式中, q_a、q_b分别表示a和b的修正值；a为最长通道内部连接总数, 其值与公式①中的A相等；b为平均拓扑长度(为从基部到根终端连接数量)；$\operatorname{lb} v_0=\frac{\ln v_0}{\ln 2}$, 其中v₀为外部连接总数, 等同于公式①的M, 若为鱼尾形分支, 其修正值q_a＝q_b＝1；若为叉状分支, 其修正值q_a＝q_b＝0, 根系拓扑结构见图 1。

1.3.3 根系分支率

采用Berntson^[21]和Strahler^[22]方法确定根系总分支率和逐步分支率(图 2)。在根冠层内, 由根尖向根基部, 最外层的无其他侧根的小根定义为1级根, 若等级形同(i级)的两根相遇, 则表示为(i +1)级根, 记录每级根的数量(N_i), 依此类推(如有不同根级相遇, 取较高的作为根级)；以lgN_i为纵坐标、i为横坐标作图, 其回归直线斜率的逆对数为根系总分支率；逐步分支率(R_i：R_i+1)为某级根系(R_i)与下级根系(R_i+1)分支数的数量之比^[23]。

1.3.4 分形参数

分形参数采用盒维数法确定。在根系俯视图上绘制正方形, 其边长为18.4 cm, 依次将其分成边长为r=18.4/2n(n为0—5)的正方形, 将每个边长下根系穿过的正方形数目记为Nr, Nr和r存在对应关系。以lgNr为纵坐标、lgr为横坐标做图, 其回归方程为lgNr＝-Dlgr+lgK, -D值即为分形维数(Fractal dimension, FD), 1＜FD＜2, 其FD越大, 根系越发达；lgK表示分形丰度(Fractal abundance, FA), 其值越大, 表示在土壤中扩展的体积越大^[23-24]。

1.4 统计分析

用Excel 2007对数据进行处理并作图, 用SPSS 20.0对数据进行方差分析、相关分析和主成分分析, 用Duncan法对数据进行多重比较。

2 结果与分析 2.1 根系平面几何构型

由表 1可知, 随干旱胁迫加剧, 播种当年和生长第2年QS、LD、GN的TRL、RSA、RV和AD逐渐减小, 重度胁迫下, QS、LD、GN的TRL较CK下降了15.36%和12.73%、19.21%和6.24%、18.32%和31.74%(P＜0.05), RSA较CK降低了4.00%和4.34%、1.34%和11.99%、0.47%和23.42%, RV较CK降低了40.77%和43.66%、10.96%和25.26%、46.95%和28.81%, AD较CK减少了22.14%和10.97%、11.57%和8.20%、2.72%和23.50%, 且生长第2年GN的TRL、RSA和RV均显著大于QS和LD(P＜0.05)。

由图 3可知, 播种当年和生长第2年, 各根型苜蓿的SRL、SRS分别在1380.66—3050.99 cm/g和887.48—3302.85 cm/g, 114.16—270.17 cm²/g和34.75—115.74 cm²/g范围内变动, 重度胁迫下, QS、GN的SRL、SRS均大于LD。

2.2 根系立体几何构型

由表 2可知, 播种当年和生长第2年QS、LD、GN的TI在0.49—0.55、0.48—0.52范围内变动, 其值均较小, 且q_a和q_b均接近于0, TI接近0.5, 表明根系分支为叉状分支结构；随干旱胁迫程度加剧TI逐渐减小, 说明干旱胁迫下各根型苜蓿根系分支结构较CK更复杂, 次级分支相对较多；平均连接长度b随干旱胁迫的增加不断增大, 且同一处理下, 生长第2年的b值均大于播种当年, 说明干旱条件下各根型苜蓿通过b将根系拓展到更深远的空间去吸水。

2.3 根系分支率比较

由表 3可知, 播种当年及生长第2年QS、LD、GN的逐步分支率逐渐增大, 总分支率随胁迫程度加剧逐步升高, 且同一处理条件下, 各根型苜蓿第2年的总分支率均高于播种当年；重度胁迫下, 各根型苜蓿的总分支率差异不显著。

2.4 根系分形特征

由表 4可知, 播种当年和生长第2年, QS、LD、GN的根系具有很好的分形特征, 其FD和FA分别在1.30—1.42和1.34—1.45, 3.28—3.58和3.88—4.21范围内变动, 且二者均随干旱胁迫程度增加逐渐减小, 表明干旱胁迫下, 各根型苜蓿根系发育程度降低、空间拓展能力减小, 但中、重度胁迫下, 各根型苜蓿间FD和FA差异不显著。

2.5 相关分析

由表 5可知, TRL、RSA、RV、FA、平均连接长度两两间均呈极显著正相关, 各指标与TI均呈极显著负相关；TI与AD、SRL、SRS呈极显著或显著正相关；FD与RV、FA呈显著或极显著正相关, 与平均连接长度、TI、SRL、SRS呈极显著负相关；AD与FA呈显著负相关；SRL与SRS呈极显著正相关。

2.6 主成分分析

由表 6可知, 前3个主成分的特征值分别为5.92、1.37、1.03, 贡献率分别为59.21%、13.69%、10.29%, 累计贡献率为83.19%, 可见前3个主成分可反映根系构型的基本特征, 其中第1主成分与RSA、FA、TRL和RV呈高度正相关, 第2主成分与FD呈高度正相关, 第3主成分与SRL呈高度正相关, 可以认为RSA、FA、TRL、RV、FD和SRL是各根型苜蓿根系构型的主要参数。

3 讨论 3.1 根系平面几何构型

干旱胁迫下, 植物通过改变根系构型形态以适应逆境, 这与植物本身的避逆性有关^[25], 其机制可能与干旱胁迫导致根系可塑性变化不断去适应环境的改变而有关^[26]。SRL和SRS是决定根系吸收水分和养分能力的重要形态结构, 其值与养分吸收效率成正比^[27]。本研究显示, 与对照相比, 随胁迫程度加剧, 播种当年及生长第2年各根型苜蓿的TRL、RSA、RV、AD均有一定程度的减少, 这与李振松等研究结论一致^[17], 干旱胁迫使部分吸收根木栓化或干枯死亡, 伴随光合同化产物积累的减少, 很大程度限制了根系的生长；生长第2年, 重度胁迫下, 根茎型、根蘖型苜蓿的TRL、RSA、RV、SRL和SRS均高于直根型苜蓿。研究表明^[28-31], 干旱胁迫下TRL、RV、RSA、SRL、SRS与品种抗旱能力呈显著正相关, 说明根茎型、根蘖型苜蓿较直根型苜蓿抗旱能力强。

3.2 根系立体几何构型

根系立体几何结构与其对营养物质的竞争力密切相关。本研究表明, 各根型苜蓿TI均较小, 根系分支趋向于叉状分支结构, 其次级分支较多, 能快速占领大量土壤空间, 增加在土壤中吸收和竞争水分、营养的能力, 且叉状分支对碳投入的要求相对较少, 更多的碳投入到地上部分进行光合作用, 使植物快速生长^[32]。根系连接长度关系到植物对资源的获取能力^[33]。播种当年及生长第2年, 随干旱胁迫程度加剧, 各根型苜蓿根系连接长度均增大, 以提高根系在土层中的分布范围, 避免根系重叠和对资源的竞争, 使各根型苜蓿有足够资源以满足生存需求, 这与红砂、白刺^{[14, 23]}、毛竹(Phyllostachys edulis)^[33]根系适应干旱胁迫环境的生态策略一致。

3.3 根系分支率及分形特征

根系分支率能直接反映根系的分支能力和对空间的利用程度^[34]。本研究显示, 播种当年及生长第2年各根型苜蓿的总分支率均较小, 并随干旱胁迫加剧逐渐增大, 且重度胁迫下, 各根型苜蓿的总分支率差异不显著, 但逐级分支率差异显著, 总分支率较小而逐级根系分支率较大, 有助于资源的快速获取和促进主根的向下生长^[35]。同一处理下, 生长第2年各根型苜蓿的总分支和根级数均大于播种当年, 表明各根型苜蓿的适应能力和资源需求均增加。

分形维数和丰度能对根系分支的复杂程度及其在土壤中的扩展能力做定量研究^[36]。FD越大, 根系越发达, 分支越多, FD值越小表明根系的分生能力越弱^{[24, 37]}；根系FA越大, 表明根系在土壤中所占体积范围越大^[38]。本研究显示, 播种当年及生长第2年各根型苜蓿根系FD较小、FA较大, 各根型苜蓿通过简单的分形结构来适应干旱胁迫生境。相关分析表明, FD与根系长度和面积的关系不明显, 这与Tatsumi报道一致^[39]。

4 结论

干旱胁迫下, 播种当年及生长第2年, 直根型、根茎型、根蘖型苜蓿的根系总长度、总表面积、总体积及平均直径均减小；各根型苜蓿根系均趋向于叉状分支结构, 使根系内部对水分和养分资源的竞争增强；各根型苜蓿根系总分支较小、逐级分支率较大, 有助于资源的快速获取和促进主根的向下生长；长的连接长度可避免根系重叠和对资源的竞争；各根型苜蓿根系较低的分形维数和较高的分形丰度, 说明其根系发育程度较低, 但空间拓展能力较强, 有利于对营养空间的占有, 且重度胁迫下, 根茎型、根蘖型苜蓿的根系总长度、总表面积、总体积、比根长、比表面积及平均连接长度均优于直根型苜蓿, 表明根茎型、根蘖型苜蓿对干旱生境的适应能力强于直根型苜蓿。