植物的根系具有水分吸收和运输的功能,部分还有重要的药用价值.该研究观察了 40 种药用草本植物粗根的解剖特征,比较了不同功能类群的差异性并分析了性状的相关性,同时结合系统发育和自然分布区气候因子解释了根系性状的种间变异性.结果表明,草本植物根系解剖特征种间差异显著;与双子叶植物相比,单子叶植物的根皮层占比更高,而中柱占比更小,揭示了两者根系吸收和运输策略的差异性.性状网络分析表明,木质部面积占比具有高的度和紧密度,是其中的中心性状,木质部面积占比与韧皮部面积占比正相关但与皮层占比负相关.除导管频度和皮层占比外,其他特征均未显示出显著的系统发育信号,说明根系性状受系统发育的影响较少.在单子叶草本植物中,年平均降水量与皮层占比呈正相关;而在双子叶草本中,年平均气温与导管直径正相关.该研究进一步揭示了药用草本植物根系结构的多样性和适应性.

对光环境的灵敏响应使得森林中常见的光照异质性成为影响植物自我更新的关键因素,然而植物地下根系结构对光照的响应较为难测而缺乏深入研究.为探究不同光强下木麻黄根系响应策略,以一年生木麻黄(Casuarina equisetifolia)幼苗为试验材料,模拟森林幼苗生长的林外(CK)、林缘(L1)、林窗(L2)和林下光环境(L3)设置4种光照强度,测定及分析木麻黄幼苗的生长、根系形态、细根解剖结构及碳氮含量等指标.结果表明:(1)L1下,幼苗采取维持高度,降低横向生长的方式,保证正常累积生物量,随光照强度的下降,株高、地径、叶片生物量及地上部分生物量逐渐下降.(2)在根系表型上,幼苗随光限制的加重呈现抑制纵伸但促进根系的横向生长,其中总根长、根平均直径及根体积达到显著差异.在径级结构上,细根发育程度随光照减弱而下降;而适当的遮光(L1)促进粗根生长但L3时除根尖数较CK上升外,根长度、根表面积、根体积均显著下降.(3)1-3级细根解剖变化较大,相较CK,1级细根皮层细胞面积显著增加,但根半径、维管柱结构、表皮厚度等指标则显著下降,2级细根根半径、皮层细胞面积、表皮厚度明显减少,但维管柱结构仅在L2、L3时显著下降;3级细根根半径、皮层细胞面积和维管柱面积均较CK显著增大,L1时维管柱结构下降,但随光照减弱加重,维管柱面积和中柱占比均明显增加.(4)在碳氮含量上,CK与L1无显著差异,TC在L2时显著下降,TN则在L2时显著上升,TC、TN均在L3达到最大,而C∶N随光强降低逐渐下降.综上所述,光限制时,木麻黄生物量及碳分配稳定根茎部分生长,采取"弱化吸收,强化储存"收缩型生长策略;当限制加重时,光合和呼吸作用失衡导致植物对细根投入养分的浪费,并最终造成林木死亡.研究结果为林下植被的更新提供理论参考.

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.

采用PEG-6000模拟干旱胁迫处理,测定了紫穗槐幼苗根系的可溶性糖、可溶性蛋白质、丙二醛、游离脯氨酸含量及SOD、POD酶活性变化以及解剖结构特征,旨在比较不同干旱程度对紫穗槐幼苗根系生理指标、内部解剖结构的影响,探索紫穗槐幼苗对水分胁迫的适应能力,揭示紫穗槐幼苗根系对土壤水分胁迫的响应和调控机制.结果表明:丙二醛含量变化显示当PEG-6000溶液浓度超过50g/L以后,紫穗槐幼苗根的膜系统开始受到损伤,并在PEG-6000溶液浓度达到250g/L受损程度显著增强,达到了对照的1.6倍,同时启动渗透调节作用(游离脯氨酸含量显著增加),达到了对照的3.8倍,在PEG-6000溶液浓度低于200g/L时,紫穗槐幼苗根系中至少没有启动以游离脯氨酸为主的渗透调节过程.可溶性糖和可溶性蛋白质含量及SOD、POD酶活性的变化印证了胞内发生的生理代谢变化,在PEG-6000溶液浓度为200g/L时,可溶性糖含量仅为0.121mg/g,达到最低点,随后上升,当PEG-6000溶液浓度进一步增加到250g/L时,紫穗槐幼苗根系中的可溶性糖含量则迅速回升到0.64mg/g,为对照组的63.37％.可溶性蛋白质含量在低浓度PEG-6000溶液(50g/L)处理下即有明显反应,下降到对照的61.5％,随后呈波动性变化.SOD和POD活性对PEG-6000模拟干旱胁迫的响应规律类似,均对PEG-6000模拟干旱胁迫处理迅速响应且活性增加.当PEG-6000溶液浓度达到50g/L至100g/L时,抗氧化酶的合成量最高,而后活性下降.60d的PEG-6000模拟干旱胁迫处理影响了紫穗槐幼苗根系的生长发育,随着PEG-6000溶液浓度增加,维管柱的直径变大,木质部厚度增大,导管直径变小、但导管密度增加,当PEG-6000溶液浓度达到250g/L时,导管密度比对照组增加了41.3％,木质部厚度比对照组增加了91.5％.以上结果表明,PEG-6000模拟干旱胁迫处理下,不同胁迫程度紫穗槐内部生理和根系解剖结构变化不同,通过改变自身生理代谢和根系内部解剖结构,以适应土壤水分胁迫的逆境条件,来满足自身生长和发育的需求平衡.

为探究白杨年龄效应导致的扦插繁殖苗退化问题,该试验以杂种三倍体‘北林雄株2号’的不同年龄苗木硬枝插穗为材料,就扦插苗生长形态、光合生理、根发育特征、插穗皮部解剖结构以及苗木生长发育过程中叶片可溶性总糖(TSS)、可溶性总蛋白(TSP)、叶绿素(Chl)、脯氨酸(Pro)、赤霉素(GA)、生长素(IAA)、脱落酸(ABA)及IAA/ABA比值等生理生化指标进行了观测.结果表明:(1)再生苗苗高、地径、叶柄长度、节间宽、叶面积、主根数、主根长、生根率、根系效果指数及净光合速率(Pn)等指标均随插穗年龄的增加而降低,而其侧根数、侧根长、胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Gs)和蒸腾速率(Tr)等指标与插穗年龄无明显相关性.(2)插穗茎皮部解剖结构显示,周皮和木质部厚度都随插穗年龄增大而增厚,韧皮部厚度则无明显变化.(3)再生苗叶片可溶性总糖、总蛋白、叶绿素、IAA、GA含量以及IAA/ABA比值等指标均随插穗年龄的增加而逐渐降低,而脯氨酸和ABA含量则随插穗年龄增加而增加.研究发现,白杨扦插苗随插穗年龄的增加累积成熟效应,使新生苗表现出整体性衰老的生长状态.

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.

以大豆栽培品种“中黄13”为试材,检验大豆幼苗叶面喷施烯效唑(S3307)通过调控根部解剖结构变化缓解盐害作用.结果表明:叶面喷施S3307后,盐逆境下降低的株高、根长、根及地上部的干重和鲜重、相对生长速率、叶面积和髓部直径等参数均回升;而增加的Cl-含量、根/冠比、皮层厚度和射线长度等参数均表现为下调至对照与盐逆境植株之间;变形、凹陷的表皮细胞恢复至对照水平,导管中没有发现侵填体;喷施S3307通过降低皮层厚度的方式减少根系总新陈代谢的消耗,缩短水分通过皮层向维管柱运输的距离;髓部直径的增加有利于营养物质的储存;射线长度降低能够缩短根系养分的横向运输距离,能够提高水分和营养物质的吸收和运输效率;根部和地上部分Cl-含量显著下调极大减少了盐逆境对大豆幼苗的氯毒害;喷施S3307能够通过调控根部解剖结构缓解盐逆境对大豆的伤害作用.

为探讨断根对杨树切口处不同根序细根的形态与解剖特征的影响效果,通过大田试验研究6倍胸径两侧(6-2)、8倍胸径两侧(8-2)与10倍胸径两侧(10-2)等不同断根处理对杨树切口处1-5级根形态参数与解剖学特征参数的影响.结果显示,与对照(未断根)相比,10-2处理1-5级根的表面积、体积和生物量变化较小,6-2处理则显著减小,而8-2处理显著增大.随着根序的增加,各处理的细根表面积、体积与生物量均呈递减的趋势,而直径与组织密度则呈递增的趋势.在断根处理中,8-2处理1-2级根的直径与组织密度最小,而3-5级根的直径、组织密度最大,并均与6-2和10-2处理差异达显著水平.同时,各处理不同根序细根的维管束直径与维管束-根直径比(维根比)随根序的增加而逐渐增大,其中8-2处理1-2级根的维管束直径与维根比显著小于6-2和10-2处理,而3-5级根则明显大于6-2、10-2处理.不同处理切口处1-2级根基本呈现初生结构的特征,从3级根开始出现木栓层且皮层脱落.此外,8-2处理的胸径、树高平均生长率显著高于其他处理,其中胸径平均生长率分别比CK、6-2和10-2处理高出44.67％、69.36％和46.34％,树高平均生长率分别高出47.31％、60.81％和38.46％.上述结果表明,3种断根强度对杨树切口处各序级细根的作用效果存在显著差异,其中8-2处理通过调节不同根序细根的组织密度、维管束直径、皮层厚度和维根比来增强根系的吸收能力与运输功能,更利于促进杨树林木的生长.

该研究通过自制营养液循环系统,设置系统运行和停止时间均为7.5 min (T1)、15 min(T2)、22.5 min(T.)、30min(T4)4个处理,以静止营养液培养为对照(CK),研究不同营养液循环间隔时间对营养液环境指标及水培紫色小白菜根系形态学指标、脯氨酸、丙二醛含量、根系内源激素及根系细胞显微结构的影响,以探究营养液循环间隔时间对水培紫色小白菜根系生长的影响机理.结果显示:(1)第0～10天,CK的营养液溶解氧含量下降了3.5 mg/L,T1～T4的溶解氧下降幅度基本一致,约下降了1.2 mg/L,CK的营养液溶解氧下降速率约为y1～T4的3倍;营养液的循环间隔时间处理对营养液温度及离子总量无影响.(2)于处理后第10天,T1～T4处理的紫色小白菜根系总长度、根系表面积、根系平均直径等根系形态学指标均大于CK处理,且T2、T3较T1、T4的根系生长更优,说明一定范围的营养液循环间隔时间能促进根系生长.(3)CK的紫色小白菜根系脯氨酸和丙二醛含量最高,T2在T1～T4营养液循环处理中脯氨酸和丙二醛含量均相对较高,T4处理最低且二者均显著低于对照.(4)各处理10d后,紫色小白菜根系内源激素有显著差异,其中IAA和GA3含量变化一致,均为T2＞T3＞T4＞T1＞CK;ABA含量的大小顺序为CK＞T4 ＞T1 ＞T3 ＞T2,且T2的ABA和ZR含量也基本处于最低水平.(5)细胞显微结构观察发现,T1～T4处理的根系横切面由内向外第3层皮层细胞数量、新生侧根距离根尖1 cm处直径、维管束和木质部区域直径占根系直径的比例均显著高于对照,且3项指标均为T2最大(30个、450 μm、42.22％),说明T2的根系长势最优.研究表明,营养液循环间隔时间为15min(T2)能够显著改善营养液溶解氧含量,有效提高根系IAA和GA3含量、促进根系皮层细胞分裂、增加新生侧根直径以及维管束和木质部区域直径,从而使水培紫色小白菜根系生长最优.

植物对变化光环境的表型可塑性大小影响其在林下生境中分布、生长和更新.为探讨披针叶茴香在不同光环境下的整体表型可塑性及其适应机制,采用遮荫试验模拟5种光照条件(100％、52％、33％、15％和6％相对光照强度),研究了不同光环境下披针叶茴香叶片形态、生理、解剖结构、根系形态以及生物量分配等的变化.结果表明:叶生物量在5种光照处理之间差异不显著,但叶面积和比叶面积均随光照强度减弱显著增加.遮荫处理增加了叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的含量,但叶绿素a/b比值随光照强度减弱而降低.遮荫降低了非结构性碳水化合物(淀粉和可溶性糖)和可溶性蛋白的含量,增加了叶片氮和磷含量,对叶片氮/磷比影响较小.在52％和33％相对光照处理下,叶片中硝酸盐含量最低,而在100％和6％相对光照处理下硝酸盐积累较多.根生物量、细根和粗根的长度、表面积以及比根长和比根表面积在5种光照处理之间均没有显著差异,根系氮含量在低光环境(15％和6％相对光照处理)中显著降低.随光照强度减弱,披针叶茴香采取保守生存策略,并没有增加叶生物量的分配,而是分配较多的生物量给枝条和树干,储存能量.综合来看,披针叶茴香具有较宽的光生态幅,在6％-100％光照强度下均能正常生长,遮荫有利于披针叶茴香地上和总生物量的积累,52％的相对光照条件下生长最佳.变化光环境下根系性状和整体结构的可塑性相对较低,叶片生理性状的可塑性在披针叶茴香适应光环境变化过程中发挥了主要作用.