了解根系吸水模式对缺水地区发展高效的灌溉管理措施至关重要.大多数估算根系吸水的模型或传统方法都需要对根系形态有详细的了解,而这很难在原位条件下获得.本研究借助Insentek水分监测仪来估算地下滴灌条件下冬小麦-夏玉米的根系吸水特征.试验于2018-2019年在防雨棚下测坑内进行,地下滴灌灌溉量分别为作物蒸发蒸散量(ETc)的0.4、0.8、1.0和1.2倍,记为0.4ETc、0.8ETc、1.0ETc和1.2ETc,并设置地面灌溉处理为对照(CK).结果表明:土壤上层(20～50cm)和下层(60～100 cm)根系对水分的吸收存在互补效应;除0.4ETc外,灌溉后,下层土壤根系吸水速率降低;在各灌溉周期的后期,当上层根系吸水速率降低时,下层根系吸水速率表现为增强趋势;与CK处理相比,1.0ETc处理的根系吸水速率波动幅度较小,其冬小麦和夏玉米产量分别增加7.4％和15.3％;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理主要降低了冬小麦灌浆前期和夏玉米灌浆后期的测定间隔累计根系吸水量,最终,0.8ETc处理冬小麦的产量增加12.7％,而夏玉米产量没有显著降低;与1.0ETc处理相比,0.8ETc处理的水分利用效率显著增加.综上,地下滴灌适度亏缺灌溉(0.8ETc)能增强深层土壤根系吸水能力,提高冬小麦的产量及冬小麦-夏玉米水分利用效率,是一种有效的高产节水灌溉策略.

植物根系由不同根序组成,然而,它们的解剖结构对生境干旱化的响应是否一致尚不清楚.本研究于藏东南东达山矮生嵩草(Kobresia humilis)高寒草甸沿生境干旱化梯度设置6个样方,采集矮生嵩草根系.采用石蜡切片法,运用方差分析和主成分分析,比较不同土壤水分生境中矮生嵩草一、二级根序解剖结构的差异及可塑性强弱.结果表明:一、二级根序间解剖结构组成无明显差异,其中横切面表皮细胞近似长方形,排列紧密,面积较大(87.6～126.0 μm2);一、二级根序解剖结构对生境干旱化的响应不一致,一级根中表皮细胞面积和厚度、皮层厚度(含厚壁组织与薄壁组织)均与土壤含水率呈显著负相关,而二级根呈显著正相关(P＜0.05);一级根表皮占径比在土壤水分梯度间的差异显著,其他解剖结构差异不显著,二级根解剖结构(除皮层厚壁组织外)的占径比在土壤水分梯度间均存在显著差异;一级根皮层薄壁组织厚度可塑性最强,皮层厚壁组织厚度可塑性最弱;二级根横切面面积可塑性最强,中柱面积可塑性最弱.总之,矮生嵩草根系表皮、皮层解剖结构对土壤水分梯度变化的可塑性强,但不同根序解剖结构对生境干旱化的响应机制不同,表现出其潜在的储水能力或吸水能力,根序法为研究根系的生境适应提供了新的思路.

根系是植物吸收水分和养分的主要器官,是直接接触土壤最先感受土壤逆境胁迫的部位.在干旱环境中,植物根系的结构特征必定发生改变以维持正常的生物机能而生存.目前,关于根系解剖结构的研究大多集中于根系的某一特定结构对单一逆境因子的响应.以生长在烟台-石家庄-银川-吐鲁番不同地域气候条件形成的自然梯度干旱环境中的酸枣为试验材料,应用植物显微技术研究酸根系结构的可塑性对不同自然梯度干旱环境的适应机制,结果表明:酸枣根的初生结构包括表皮、皮层和维管柱,表皮位于幼根的最外层,由单层体积较小、紧密排列的表皮细胞组成.皮层占根初生结构的大部分比例,由体积较大的多层薄壁细胞组成,薄壁细胞近似圆球形,数目众多,呈环形分布.维管柱位于最内层,细胞小而密集,由中柱鞘、初生木质部、初生韧皮部及薄壁细胞组成.随生境干旱加剧,酸枣根初生结构表皮细胞的厚度和宽度逐渐增加,皮层薄壁细胞的厚度和宽度、皮层薄壁细胞层数和皮层厚度均以宁夏银川样地的最大.酸枣根的次生结构包括周皮(木栓层、木栓形成层、栓内层)和次生维管组织(次生韧皮部、维管形成层和次生木质部).从烟台至新疆吐鲁番随生境干旱加剧,酸枣植株根系周皮逐渐加厚、致密度提高.次生木质部中,导管的数量增加,管径增大.干旱环境中,酸枣植株根系结构上的变化一方面提高了吸水能力和输水效率,另一方面增强了保水能力,减少水分散失,这可能是其适应干旱逆境的机制之一.

茉莉酸类化合物作为环境信号分子,不仅参与植物生长发育的调控,同时受到环境胁迫的诱导,参与植物对逆境胁迫的响应和防御.本研究以北方广泛种植的玉米品种'郑单958'为材料,通过对根系外源施加茉莉酸甲酯的方式,探究干旱胁迫下茉莉酸甲酯对玉米幼苗抗旱性以及根系吸水的影响.结果表明,外源茉莉酸甲酯可提高玉米幼苗光合速率、蒸腾作用和气孔导度,增强抗氧化酶活性,降低H2O2和丙二醛的含量,从而缓解干旱胁迫对植株造成的损伤.通过测定根系水导、氯化汞处理的蒸腾速率的变化以及水通道蛋白的表达量,发现干旱胁迫下外源茉莉酸甲酯可增强根系水通道蛋白的表达,进而增强玉米幼苗的根系吸水能力,从而缓解干旱胁迫造成的叶片水分含量的下降和水势的降低,提高了玉米幼苗的抗旱性.

朝鲜越桔( Vaccinium hirtum Thunb. var. koreanum ( Nakai) Kitamura) 是辽宁省珍稀濒危保护植物,主要分布于长白山脉南端,生长于中高山顶部光照充足的岩石缝隙及峭壁之上,具有适应山顶部瘠薄、干旱、寒冷以及强风等极端环境的特征.然而,关于朝鲜越桔解剖结构及抗性的研究尚未见报道.本文通过石蜡切片法对朝鲜越桔的根、茎、叶进行解剖结构的观察,揭示其解剖结构与环境适应性之间的关系.结果表明,朝鲜越桔多年生侧根的输导组织发达,毛细根的表皮及皮层细胞体积较大,内皮层细胞中存在着大量的固体状内含物,且毛细根中具有大量的杜鹃花类菌根菌、深色有隔内生菌及丛枝菌根菌,这些特征有利于其根系对于水分和营养物质的吸收.茎部解剖显示,一年生茎的表皮外侧具有较厚的角质层( 10.74±0.89) μm,皮层厚壁细胞和髓细胞中具有大量的固状内含物,表皮内侧皮层中具有特殊的气腔结构,其厚度占茎半径的30％,这些特征将提高植株的保水性和耐低温的能力; 另外,茎部韧皮组织发达,有利于水分和养分的输送.叶部结构特征显示,叶片上表面及下表面均覆盖了一层较厚角质膜,分别为( 2.06±0.75) 、( 2.04±0.73) μm,叶脉的韧皮组织发达,这将有利于提高其耐旱及吸水性能.综合分析认为,朝鲜越桔的解剖结构反映其具有耐旱、耐寒、抗风及保水的特性,是其能够适生于辽东地区山顶部恶劣生境的重要原因之一.

干旱是限制南方型黑杨分布和生长的关键环境因子,而不同性别的黑杨无性系对干旱胁迫可能具有不同的耐受性和相应的生理响应.本研究以南方型黑杨雌性无性系南林895杨(Populus×euramericana' Nanlin-895')和雄性无性系南林3804杨(P.deltoides ' Nanlin-3804')1年生扦插苗为试验材料,通过盆栽方式进行持续干旱和干旱-复水处理,从生长和生理响应方面比较雌、雄无性系对干旱胁迫的耐受和恢复能力,并对其抗旱能力产生差异的生理机理进行探讨.结果 表明:持续性的干旱明显抑制南方型黑杨雌、雄无性系1年生扦插苗的生长,叶片细胞和组织膜脂过氧化,导致膜系统受到破坏,同时叶片丙二醛(MDA)含量、抗氧化酶(SOD和POD)活性以及游离脯氨酸含量均升高,直至植株死亡;重度干旱后植株叶片快速失水,叶绿素出现“浓缩”现象;与雌性无性系相比,雄性无性系在持续干旱下地上部分生物量较小,但更大程度地增加根系的生物量,从而增强植株吸水能力,并降低蒸腾耗水;同时能更早以及更大幅度地提高叶片的抗氧化酶活性,且更长时间维持较高的酶活性,从而降低和缓解干旱胁迫所产生的膜脂过氧化,维持细胞和组织的正常生理功能,延缓植株的死亡;复水后,雄性无性系能更快速地恢复至正常生理状态,从而维持一定的生长量.总体而言,南方型黑杨雄性无性系比雌性无性系具有相对较强的耐旱能力,可以优先选择用于山地造林.

为揭示部分根区灌溉与合理密植在棉花产量和水分生产率上的互作效应及其生理学机制,探索旱区节水灌溉植棉的新途径,在内蒙古自治区西部大田条件下,采用两因子试验设计研究了灌溉方式(常规灌溉、亏缺灌溉、部分根区灌溉)和种植密度(13.5万、18.0万、22.5万株·hm-2)对棉花生长发育、产量、水分生产率和相关生理指标的影响.结果表明:灌溉方式和种植密度及其互作对棉花生物产量、籽棉产量、产量结构和收获指数有显著影响.常规灌溉条件下,提高密度能显著提高生物产量和单位面积铃数,但铃重和收获指数显著降低,高密度与中等密度下的经济产量相当,并显著高于低密度处理;部分根区灌溉可显著提高棉花叶片中脱落酸(ABA)含量,并显著降低吲哚乙酸(IAA)含量,促进同化物向生殖器官的分配,提高收获指数.随着种植密度的提高,部分根区灌溉下单位面积铃数增加、铃重基本不变,高密度较中、低密度籽棉分别增产6.7％和11.5％.高密度下,部分根区灌溉与常规灌溉的籽棉产量相当,霜前花率提高22.5％,节水30％,水分生产率提高49.3％.种植密度对主茎功能叶光合速率没有显著影响,灌溉方式对光合速率有显著影响,亏缺灌溉显著降低了主茎功能叶的光合速率,而部分根区灌溉的叶片光合速率与常规灌溉相当.部分根区灌溉灌水侧根系茉莉酸(JA)含量和水通道蛋白基因(PIP)表达量显著高于常规灌溉,表明部分根区灌溉下,JA作为信号分子参与了灌水侧根系水分吸收的调控,PIP基因上调表达,根系吸水能力增强,保障了地上部叶片的水分平衡,进而维持了较高的光合速率.部分根区灌溉配合适当密植(22.5万株·hm-2)是旱区节水植棉的重要技术途径.

高粱[Sorghum bicolor(L.)Moench]是世界上重要的粮食、饲料和能源作物,因其根系发达,吸水能力强,水分利用率高,具有较强的耐旱性,广泛种植于干旱半干旱地区,在农作物抗旱研究领域具有重要的研究价值.干旱是影响高粱生长发育的主要逆境因素,高粱不同品种间抗旱性存在较大差异,筛选抗旱性强的高粱品种,对推动高粱抗旱育种进程具有重要的理论和实践意义.介绍了高粱不同生长发育时期抗旱性的鉴定方法、鉴定指标和高粱抗旱种质资源的评价方法,从转录组分析、抗旱QTL定位、抗旱基因挖掘3个方面综述了高粱分子遗传研究进展,并对高粱抗旱性研究的发展方向进行了展望,以期为今后深入探究高粱抗旱分子机制、加快高粱抗旱分子遗传育种提供参考.

干旱与半干旱地区,水分是限制树木生长的重要影响因子.由于降水稀缺且分配不均,叶片吸收水分是此地区树木吸收和利用小量级降水和凝结水的主要方式.北京山区处于易旱少雨的生态脆弱地带,森林植被经常遭受干旱胁迫,所以对该地区的森林系统而言,叶片直接吸收利用截留的降雨是干旱时期树木获得水分的重要途径.基于野外对比控制试验和室内盆栽模拟试验,选取北京山区的主要造林树种侧柏为研究对象,进行利用天然降雨与模拟降雨试验,研究降雨前后侧柏叶片吸水特征,探究侧柏在干旱环境下如何通过叶片吸水缓解干旱胁迫.结果 表明:当侧柏长期处于干旱胁迫状态时,叶片可以利用降雨,从中获益用来缓解树木的干旱胁迫状态;叶片的吸水能力与降雨强度呈正相关关系,与土壤含水率呈负相关关系;重度干旱下侧柏植株在降雨强度为15 mm/h时叶片吸水现象最明显,叶水势变化最大为(1.18±0.17) MPa,叶片含水率变化最大为(8.47±1.00) mg/cm2;当土壤水率高于20.8％时,基本不发生叶片吸水现象.试验结果说明在干旱地区叶片吸水是树木除根系吸水外的重要水分来源方式,并且对干旱地区有效利用短缺水资源,减轻植物水分亏缺具有重要意义.

为比较针茅(Stipa)植物适应策略,以大尺度梯度下(>1600 km)温带草原主要针茅植物为对象,系统研究了8个样点7种针茅根系生物量、根冠比、解剖结构和生理调节物质的差异及其对环境因子的适应.在由东北至西南的区域上,随降水量下降针茅植物根系的抗旱特征增强或适应策略趋于复杂,不同针茅植物根系对水分变化(或旱季和雨季)有着不同的适应策略.综合分析表明贝加尔针茅(S.baicalensis)、大针茅(S.grandis)及克氏针茅(S.krylovii)(多伦样点)的生长受干旱制约,对降水高度敏感,雨季降水促进其生物量快速积累.沙生针茅(S.glareosa)、短花针茅(S.breviflora)、戈壁针茅(S.gobica)、本氏针茅(S.bungeana)等通过增大根冠比和渗透调节物质累积等途径提高根系吸水和保水能力,抵御干旱胁迫.偏相关分析显示实验区域针茅植物根系性状与降水量和海拔高度存在显著的相关性.