掌叶木幼苗根瘤形成及土壤石砾含量对根瘤形成的影响_杨润深.pdf

掌叶木幼苗根瘤形成及土壤石砾含量对根瘤形成的影响DOI:10.19692/j.issn.1006-1126.20230305摘要：为探究掌叶木（Handeliodendron bodinieri）幼苗根瘤形成及土壤石砾含量对根瘤形成的影响，以掌叶木幼苗为研究对象，采用石蜡切片技术，结合体视显微镜，观察掌叶木幼苗根瘤形成及发育过程；设置不同的土壤石砾含量，分别为0%（CK）、20%、40%、60%和80%，探讨土壤石砾含量对根瘤形成的影响。结果表明，掌叶木幼苗根瘤属内源性根瘤，起源于中柱鞘细胞，多为圆形或椭圆形；幼嫩根瘤呈黄白色或淡黄色，表面光滑有光泽；衰老根瘤多呈深红棕色或褐色，质地较硬，有矿化或腐烂现象；部分新瘤叠生于老瘤之上，呈串珠状或叠生状；根瘤上有瘤毛。土壤石砾含量对掌叶木幼苗根瘤形成影响显著。随土壤石砾含量增加，根瘤数量和重量均呈先升后降的趋势；石砾含量为60%时，根瘤数量最多，最重。随土壤石砾含量增加，根瘤长度呈先升后降再升的趋势；石砾含量为80%时，根瘤最长。随土壤石砾含量增加，根瘤宽度呈先升后降的趋势；石砾含量为60%时，根瘤最宽。综合评价表明，掌叶木幼苗根瘤各形态指标在土壤石砾含量为60%时得分最高，说明适当增加土壤石砾含量，有助于掌叶木幼苗根瘤形成。关键词：根瘤；石蜡切片；掌叶木幼苗；土壤石砾含量中图分类号：Q945文献标识码：A收稿日期：2023-02-01基金项目：广西林业科技推广示范项目（桂林科字2022第24号）；广西大学“大学生创新创业训练计划”项目（S202110593235，S202210593343）；国家自然科学基金项目（311560200）第一作者：杨润深（2000），男，本科生，主要从事植物栽培与养护管理研究。通信作者：李在留（1979），女，博士，副教授，主要从事植物资源保护、繁育与利用研究。杨润深1，2，马朝阳1，2，刘天凤1，2，付玲玲1，2，李在留1，2（1.广西大学林学院，广西南宁530004；2.广西森林生态与保育重点实验室，广西南宁530004）Root Nodule Formation of Handeliodendron bodinieri Seedlings and Effects ofSoil Gravel Content on Root Nodule FormationYang Runshen1,2,Ma Chaoyang1,2,Liu Tianfeng1,2,Fu Lingling1,2,Li Zailiu1,2(1.College of Forestry,Guangxi University,Nanning,Guangxi 530004,China;2.Guangxi Key Laboratory of Forest Ecology andConservation,Nanning,Guangxi 530004,China)Abstract:In order to explore root nodule formation of Handeliodendron bodinieri seedlings and effects of soilgravel content on root nodule formation,taking H.bodinieri seedlings as object,by paraffin section method andstereomicroscope,formation and development process of root nodules on H.bodinieri seedlings were observedand effects of soil gravel content on root nodule formation were discussed by setting different soil gravel contents including 0%(CK),20%,40%,60%and 80%.Results showed that root nodules on H.bodinieri seedlingswere endogenous,which originated from pericycle cells.Shapes of root nodules were mostly round or oval.Young root nodules were yellowish-white or light yellow,and surfaces were smooth and shiny.Senescent rootnodules were mostly dark reddish-brown or brown,with hard texture and mineralization or decay.Some newroot nodules were superimposed on old rood nodules,which were beaded or superimposed.Root nodules hadroot hairs.Soil gravel content had significant effects on formation of root nodules on H.bodinieri seedlings.Numbers and weights of root nodules increased firstly and then decreased with increase of soil gravel content.When gravel content increased to 60%,number and weight of root nodule were the largest.Lengths of root nodules tended to increase firstly,then decrease and increase with increase of soil gravel content.When soil gravelcontent was 80%,root nodule was the longest.Widths of root nodules tended to increase firstly and then de第52卷第3期2023年 6月广西林业科学Guangxi Forestry ScienceVol.52No.3Jun.2023广西林业科学第 52 卷crease with increase of soil gravel content.When soil gravel content reached 60%,root nodule was the widest.Comprehensive evaluation showed that when soil gravel content was 60%,morphological indexes of root nodules on H.bodinieri seedlings were the highest,which indicated that increasing soil gravel content proporlycould help root nodule formation of H.bodinieri seedlings.Key words:root nodule;paraffin section;Handeliodendron bodinieri seedling;soil gravel content根瘤是植物根系上产生的一种具有积极作用的瘤，植物根在结瘤基因和根瘤菌的双重作用下形成根瘤1。氮（N）是植物生长发育的关键元素，植物主要通过吸收外界的N满足自身需求；根瘤与植物互利共生，可为植物提供良好的N来源2。郑永美等3研究表明，豆科（Leguminosae）植物花生（Arachis hypogaea）的平均根瘤固N量占全N积累量的40.72%。除豆科植物外，罗汉松科（Podocarpaceae）植物4、木麻黄科（Casuarinaceae）植物5和无患子科（Sapindaceae）植物6-7等也可形成根瘤，其形态构造与豆科植物差异较大，多数为无限型根瘤。木本植物根瘤固N量非常大，可在增加土壤肥力的同时，降低化肥消耗，生态作用明显。不断深入植物根瘤各领域的研究，对结瘤植物的发展与利用有重要的指导意义。掌叶木（Handeliodendron bodinieri）又名鸭脚板、平舟木，隶属于无患子科（Sapindaceae）掌叶木属，是我国特有的单属种孑遗植物8。其自然分布于土壤稀薄、水源匮乏的西南喀斯特山区。课题组前期研究发现，适当增加土壤石砾含量，可促进掌叶木幼苗地上及地下部分的生长发育9，并观察到掌叶木根系共生有根瘤结构。本研究采用石蜡切片技术，结合体视显微镜，观察掌叶木幼苗根瘤的形成，并分析土壤石砾含量对幼苗根瘤形成的影响，为构建优良的掌叶木结瘤体系，提高掌叶木幼苗存活率和固N效率提供科学依据。1材料与方法1.1试验地概况及试验材料试验地位于广西大学林学院苗圃基地（10817E，2250N），属亚热带季风气候，气候条件良好，降水充沛。采用单因素完全随机试验设计，将生长状况基本一致的1年生掌叶木幼苗分别移栽至土壤石砾含量（体积比）为0%（CK）、20%、40%、60%和80%的基质中，每处理3个重复，每重复20株幼苗。所有苗木均采用统一的水肥管理。1.2试验方法1.2.1根瘤形成过程及根瘤形态特征观察定期抽查掌叶木幼苗根瘤产生情况，观察到根瘤后，每14天抽查1次。当根瘤数量较多且部分根瘤已发育成熟、部分根瘤正在形成时，从CK中随机采集12株幼苗的根系，清洗根系上附着的泥土和杂质，收集根上所有根瘤，并按根瘤直径（2 mm）将其分为3组，分别放入装有FAA固定液的玻璃瓶内，抽气、固定。采用石蜡切片技术连续切片，番红-固绿对染，封片后使用光学显微镜观察根瘤形成过程；使用体视显微镜观察根瘤外部形态特征。1.2.2土壤石砾含量对根瘤形成的影响观察到根瘤后30天，随机采集不同土壤石砾含量处理下掌叶木幼苗根系，每处理12株，清洗根系上附着的泥土和杂质，吸干表面水分。分别统计各组幼苗根瘤数量，采用游标卡尺（精度为0.001 mm）测量根瘤长度和宽度，采用电子天平（精度为0.001g）称量根瘤重量。1.3数据处理采用 Excel 2010 和 SPSS 22.0 软件对数据进行统计分析；采用主成分分析法（PCA）对掌叶木幼苗根瘤形态各指标进行综合分析与排名。2结果与分析2.1掌叶木幼苗根瘤形成过程及内部结构特征掌叶木幼苗生长 1年半后开始产生根瘤，2年半后根瘤数量较多，且部分根瘤已发育成熟、部分根瘤正在形成。掌叶木幼苗正常根细胞发育完整，整体结构由外至内分别为表皮、皮层和中柱，根部横切面中的维管束呈二原型结构（图1a）。根据根瘤颜色、大小和表面质地，结合石蜡切片观察结果，将根瘤发育过程分为发育初期、发育中期和发育后期（图1b d）。掌叶木幼苗根瘤属内源性根瘤，起源于中柱鞘细胞（图1b）。发育初期，根部中柱鞘部分细胞变为分生组织。随根瘤不断发育，根瘤内细胞不断扩大，细胞继续分化，产生半透明物质并向表皮移动（图1e），其他细胞结构被破坏（图1d）；根最外层的细胞受到压缩，细胞壁加厚，最外部的细胞壁逐渐木栓化（图1c d），根瘤颜色变为深红棕色或土褐色。同时，在根瘤形成过程中产生环状管胞（图1f）。2.2掌叶木幼苗根瘤外部形态特征掌叶木幼苗根瘤多为圆形或椭圆形（图2）。幼嫩根瘤呈黄白色或淡黄色，多为圆形，表面光滑有306第 3 期光泽，无褶皱（图2a）；成熟根瘤一般呈红褐色或黄棕色，多为椭圆形，比幼嫩根瘤坚硬，表面较粗糙（图2b）；衰老根瘤多呈红棕色或褐色，多为椭圆形，质地较硬，有矿化或腐烂现象（图2c）。部分新瘤重叠生长在老瘤上，呈串珠状或叠生状（图 2d e）。根瘤上有瘤毛（图2f），瘤毛大多聚集生长在根瘤表皮最外层，一般呈黄白色，排列紧密，大多在根瘤一侧，多出现在串珠状根瘤外围。图1掌叶木幼苗根瘤内部结构特征Fig.1Internal structural characteristics of root nodules on H.bodinieri seedlingsa：根部横切面a:Transverse section of rootb：根瘤发育初期横切面b:Transverse section of earlynodule developmentc：根瘤发育中期横切面c:Transverse section of middlenodule developmentd：根瘤发育后期横切面d:Transverse section of latenodule developmente：根瘤形成过程中半透明物质e:Translucent substance in processof nodule formationf:根瘤形成过程中环状管胞f:Annular tracheid in process ofnodule formation图2掌叶木幼苗根瘤外部形态特征Fig.2External morphological characteristics of root nodules on H.bodinieri seedlingsa：幼嫩根瘤a:Young root noduleb：成熟根瘤b:Mature root nodulec：衰老根瘤c:Aging root noduled：串珠状根瘤d:Beaded root nodulee：叠生状根瘤e:Superimposed root nodulef：根瘤毛f:Root nodule hair杨润深，马朝阳，刘天凤，等：掌叶木幼苗根瘤形成及土壤石砾含量对根瘤形成的影响2.3土壤石砾含量对掌叶木幼苗根瘤形成的影响土壤石砾含量对掌叶木幼苗根瘤数量和重量均影响显著（P 0.05）（图3）。随土壤石砾含量增加，根瘤数量呈先升后降的趋势；添加石砾处理的根瘤数量均显著高于CK；土壤石砾含量为60%时，根瘤数量最多（63个），显著高于其他处理；其次为土壤石砾含量为40%和80%，分别为51和47个，两者差异不显著，均显著高于土壤石砾含量为20%和CK。随土壤石砾含量增加，根瘤重量也呈先升后降的趋势；土壤石砾含量为 60%时，根瘤重量最大（1.50 g），显著高于土壤石砾含量为 20%、40%和CK；其次为土壤石砾含量为80%和40%，两者差异显著，均显著高于土壤石砾含量为20%和CK。土壤石砾含量对掌叶木幼苗根瘤长度影响显著（P 0.05），对根瘤宽度影响不显著（图4）。随土壤石砾含量增加，根瘤长度呈先升后降再升的趋307广西林业科学第 52 卷势；土壤石砾含量为 80%时，根瘤最长（5.30 mm），显著高于CK；土壤石砾含量低于80%时，各处理的根瘤长度无显著变化。随土壤石砾含量增加，根瘤宽度呈先升后降的趋势；土壤石砾含量为60%时，根瘤最宽（1.98 mm）。2.4土壤石砾含量对掌叶木幼苗根瘤形成影响的综合评价为综合评价不同土壤石砾含量对掌叶木幼苗根瘤形成的影响，对幼苗根瘤数量、重量、长度和宽度4个指标进行主成分分析。第1主成分的贡献率达到92.234%，基本能反映幼苗在不同石砾含量土壤中的生长状况（表1）。掌叶木幼苗根瘤在土壤石砾含量为60%时生长状况最好，综合得分为0.98（表2）。3讨论与结论3.1讨论根瘤是豆科植物与根瘤菌、非豆科木本双子叶植物与弗兰克氏放线菌或根瘤菌及裸子植物与各类固氮菌共生形成的特殊结构，是生物固氮的重要场所10，植物可通过调节根瘤数量控制根瘤菌侵染11。根瘤可改良土壤结构，保持土壤营养成分，促进植被恢复，减少土壤中的养分流失10。本研究结果显示，掌叶木幼苗根瘤多为圆形或椭圆形，与沙棘（Hippophae rhamnoides）根瘤12形状不同，可能与图3不同处理掌叶木幼苗的根瘤数量和重量Fig.3Numbers and weights of root nodules on H.bodinieri seedlings in different treatments图4不同处理掌叶木幼苗的根瘤长度和宽度Fig.4Lengths and widths of root nodules on H.bodinieri seedlings in different treatments不同小写字母表示差异显著（P 0.05）。下同。Different lowercase letters indicate significant differences(P 0.05).The samebelow.成分Component1234初始平方载荷值 Initial square load value特征值Eigenvalue3.6890.2020.1090贡献率Contribution rate/%92.2345.0412.7190.005累计贡献率Cumulativecontribution rate/%92.23497.27699.995100提取平方载荷值 Extracting square load value特征值Eigenvalue3.689贡献率Contribution rate/%92.234累计贡献率Cumulativecontribution rate/%92.234表1各主成分的特征值及贡献率Tab.1Eigenvalues and contribution rates of principal components0根瘤数量Nodule number2080土壤石砾含量 Soil gravel content/%0土壤石砾含量 Soil gravel content/%2040608002040608040600根瘤重量Nodule weight/g0.52.01.01.50根瘤长度Nodule length/mm2.08.0土壤石砾含量 Soil gravel content/%0土壤石砾含量 Soil gravel content/%204060800204060804.06.00根瘤宽度Nodule width/mm1.03.02.0ccbaadcbabaaaaababababababa308第 3 期土壤石砾含量Soil gravel content/%020406080主成分Principal component-1.342-0.7640.4660.9840.656综合得分Comprehensive score-1.34-0.760.470.980.66综合排名Comprehensive ranking54312表2根瘤生长效应综合评价Tab.2Comprehensive evaluation of root nodule growth effect侵入细菌的种类及物种差异有关。随着根瘤不断发育，其颜色逐渐加深，外层结构逐渐变得粗糙、坚硬，形状变为椭圆形，并逐渐产生矿化或腐烂现象。这些变化特征与加建斌等13观察到的沙棘根瘤特性基本相同，可能与植物自身根部色素含量和土壤环境有关14。根据是否产生分生组织，可将根瘤分为定型根瘤和不定型根瘤15。掌叶木幼苗根瘤为不定型根瘤，部分新瘤重叠生长在老瘤之上，呈串珠状或叠生状。根瘤上有黄白色瘤毛，多出现在串株状根瘤外围，瘤毛的存在可能与根瘤吸收养分能力有关。掌叶木根瘤整体结构与李东等16观察到的八种豆科树种根瘤结构基本相同；但没有观察到根瘤菌从根毛入侵，根瘤菌从掌叶木幼苗根部的中柱鞘附近开始扩散蔓延，不断增大，逐渐向表皮移动，并不断挤压根部细胞组织，引起根部突起膨大，形成根瘤。在土壤中添加石砾，可改变土壤理化性质，增加土壤透气性，促进植物生长发育17。本试验中，随土壤石砾含量增加，掌叶木幼苗根瘤的数量和重量均呈先升后降的趋势，在土壤石砾含量为60%时达到最大值。说明土壤中加入适量石砾能促进根瘤形成和生长，与刘天凤等9和邓磊等18的研究结果类似。随土壤石砾含量增加，掌叶木幼苗根瘤长度呈先升后降再升的趋势，仅在石砾含量为80%时显著高于对照。幼苗根瘤宽度随石砾含量增加呈先升后降的趋势，各处理组间无显著差异，可能是由于随石砾含量增加，虽然土壤含量有所下降，但根瘤的空间扩展能力不受影响，对根瘤宽度影响不显著。后续可进一步分离、鉴定掌叶木根瘤内生细菌类别和数量及其对根瘤形成的影响，探讨根瘤对掌叶木幼苗生长的影响。3.2结论掌叶木幼苗能产生根瘤，其根瘤属内源性根瘤，起源于中柱鞘细胞，形状多为圆形或椭圆形；随着时间的推移，根瘤颜色逐渐加深，质地越来越硬，衰老根瘤有矿化或腐烂现象。增加土壤石砾含量，幼苗根瘤数量、重量、长度和宽度均高于对照。综合评价表明，掌叶木幼苗根瘤形成和生长指标在土壤石砾含量为60%时得分最高，说明适当增加土壤石砾含量，有助于掌叶木幼苗根瘤形成。利益冲突：所有作者声明无利益冲突。作者贡献声明：杨润深负责试验方案设计与实施、指标测定、数据收集与分析及论文撰写；马朝阳参与育苗、苗期管理及数据核实、检查与验证；刘天凤参与育苗、苗期管理和指标测定；付玲玲参与育苗、苗期管理和数据收集分析；李在留负责试验方案制定、实施及指标测定、数据处理和论文撰写等的安排与指导。参考文献：1丑敏霞，魏新元.豆科植物共生结瘤的分子基础和调控研究进展 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