全 文 ：植物生态学报 2012, 36 (11): 1172–1183 doi: 10.3724/SP.J.1258.2012.01172
Chinese Journal of Plant Ecology http://www.plant-ecology.com
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收稿日期Received: 2012-04-25 接受日期Accepted: 2012-09-18
* 通讯作者Author for correspondence (E-mail: ppmou@bnu.edu.cn)
翠菊根系养分捕获形态塑性及其生理机制
董 佳 牟 溥*
北京师范大学生命科学学院, 生物多样性与生态工程教育部重点实验室, 北京 100875
摘 要 为验证以下3个假设: 1) NO3–和NH4+及其不同供给方式显著影响根系生长; 2) NO3–和NH4+以及不同供给方式对根内
激素含量影响显著; 3)根构型(1级根长、单位2级根上1级侧根密度(分枝强度)和1级根在2级根上的根间距)与根内激素(生长素
(IAA)、脱落酸(ABA)和细胞分裂素(玉米素核苷+玉米素) (CK (ZR + Z))含量显著相关, 采用营养液培养方法, 使实验植物翠
菊(Callistephus chinensis)在两种氮肥(NO3–和NH4+)、不同施氮浓度(NO3–: 0.2、1.0和18.0 mmol·L–1; NH4+: 0.2、4.0和20.0
mmol·L–1), 以及脉冲和稳定两种施用方式处理下生长。在处理35天后收获植物, 测定根系生物量、根系构型指标(根系1级根
长、单位2级根上1级侧根数和1级根在2级根上的根间距)和根系中激素含量(IAA、ABA和CK (ZR + Z))。结果显示: 1)实验处
理对根生物量和根系中IAA、ABA和CK (ZR + Z)含量均有不同程度的显著影响: 施用NH4+使根生物量和根内IAA含量显著低
于施用NO3–; 高浓度NO3–和NH4+处理亦使根生物量和IAA降低; 相对于稳定处理, 脉冲施氮显著降低根生物量和根内IAA含
量; NO3–使根内CK (ZR + Z)含量显著高于施用NH4+, 且与施氮浓度及施氮方式无关; NO3–处理下, 高浓度使根内ABA含量提
高, 且脉冲处理使ABA含量升高。NH4+处理下, 高浓度使根内ABA含量降低, 而施氮方式对其没有显著影响。2)根构型因素
与根内激素关系各异: 各激素与1级根间距无显著关系; IAA和CK (ZR + Z)与1级根长和侧根密度有显著回归关系。3)根构型
因素与根生物量的关系是根生物量与1级根长和侧根密度有显著正回归关系, 与1级根间距无显著回归关系。实验结果表明翠
菊根生长的 “反常”可能是由于其对脉冲高浓度NH4+耐受阈值低所致。该研究通过实验建立了氮养分种类/供应方式通过改变
激素、影响根构型而影响根生长的联系, 进一步探究了植物根养分捕获塑性机制。
关键词 翠菊, 施氮处理, 根构型, 根生物量, 根激素
Root nutrient foraging of morphological plasticity and physiological mechanism in Calliste-
phus chinensis
DONG Jia and MOU Pu*
Ministry of Education Key Laboratory for Biodiversity Science and Ecological Engineering, College of Life Sciences, Beijing Normal University, Beijing
100875, China
Abstract
Aims Previous studies discovered unusual plasticity in root growth of Callistephus chinensis, in that fewer fine
roots grow in pulse soil nutrient patches than in unfertilized patches. Our goal is to interpret this event via experi-
mentation following the theory of plant physiological ecology. The experiment tested the following hypotheses:
NO3–, NH4+ and method of application 1) significantly affect root growth and 2) significantly affect root hormones
and 3) root hormones (auxin (IAA), abscisic acid (ABA), and cytokinin (zeatin riboside + zeatin) (CK (ZR + Z)))
significantly affect root architecture (indicated by the length of the 1st order fine roots, the inter 1st order root
length and the density of the 1st order fine lateral roots).
Methods The water culture approach was employed with treatments of two fertilizers (NO3– and NH4+), two
methods of application (stable vs. pulse, i.e., pulse shift to high N concentration from low and mid concentration)
and low, mid and high concentrations of the fertilizers (NO3–: 0.2, 1.0 and 18.0 mmol·L–1; NH4+: 0.2, 4.0 and 20.0
mmol·L–1). The experiment lasted 35 days after the treatments, the plants were harvested by the end of the ex-
periment and all concerned parameters were measured including root mass, the above-mentioned root architecture
parameters and the contents of root hormones.
Important findings The experimental treatments affected root mass and root hormones with different signifi-
cances. The high concentrations of NO3– and NH4+ both greatly lowered the root mass and IAA. Values were
lower in the NH4+ culture than in the NO3– one. Pulse shift treatment lowered both further. CK (ZR + Z) contents
did not respond to the concentrations and the methods of application, but to NO3– or NH4+; the latter led much
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lower CK (ZR + Z) contents than the former. Root mass had positive regression relationships with 1st order root
length and the density of the fine lateral roots, had a linear regression relationship with IAA, a negative exponen-
tial relationship with CK (ZR + Z) and complicated relationships with ABA. The different hormones had different
relationships with the root architecture parameters. They were all irrelevant with 1st order inter-root length, ABA
had relationships with 1st order lateral root density only and IAA and CK (ZR + Z) both had significant regression
relationships with 1st order root length and 1st order lateral root density. The results established physio-ecological
path relationships of heterogeneous nutrient stimulation→changes in root hormone contents→changes in root ar-
chitecture→root plastic growth. As to the unusual root growth of C. chinensis, we infer that the species had very
low tolerance to temporal variation in the N environment, particularly NH4+.
Key words Callistephus chinensis, nitrogen treatment, root architecture, root biomass, root hormone

植物可利用的土壤资源, 如矿质养分、水等
在不同时空尺度上的分布通常有很大的异质性
(Jackson & Caldwell, 1993; Ettema & Wardle,
2002)。植物根系为适应于土壤养分异质性格局,
导致根系的非对称增殖生长、养分吸收速率的改
变(Fitter, 1994), 即植物根系可以对土壤的异质
性做出塑性反应(Hodge, 2006)。
塑性(plasticity)是生物受到环境的影响所表
现出的表型变化(Bradshaw, 1965)。根的养分捕获
塑性是指在资源异质土壤中根系养分吸收中表现
的非对称现象, 是植物根对土壤资源异质性的响
应, 一般分为形态塑性(morphological plasticity)、
生理塑性 (physiological plasticity)、动态塑性
(demographic plasticity)和菌根塑性 (mycorrhizal
plasticity) (Einsmann et al., 1999; Hodge, 2004;
Wang et al., 2006)。植物在进化过程中, 为最有效
地获取资源, 植物根系可以通过其塑性反应对异
质性环境做出反应(Jackson et al.; 1990; Pregitzer
et al., 1993; Robinson, 1994)。目前很多研究集中
于根系的形态塑性, 即根系在资源斑块(如养分)
中的增殖生长以及其他形态特征改变的现象
(Fitter et al., 1991; Wang et al., 2006)。长期以来,
研究者一直重视植物根构型对养分时空异质性的
反应(Eissenstat, 1992; Mou et al., 1997; Farley &
Fitter, 1999)。
根构型是指同一根系中不同级别的根在生长
介质中的相互连接情况和空间分布 (Lynch,
1995)。根构型具有明显的形态可塑性, 其变化受
环境因子(土壤资源的时空异质性)和植物体内因
素(如激素)的共同影响(Zhang et al., 1999; López-
Bucio et al., 2003)。植物可通过构型的改变促进
营养元素的有效吸收利用。已有研究证明, 根构
型会对土壤养分异质性产生响应 (Kume et al.,
2006)。Fitter等(1991)的研究发现鱼尾形分支根系
(herring bone roots)较适合于植物在贫瘠环境中
有效地吸收养分; 二叉状分支(dichotomous root)
可降低根系自身对养分的竞争, 较适合于肥沃的
生境。氮(N)是植物生存不可缺少的大量元素, 也
是土壤中主要的限制元素 (López-Bucio et al.,
2003)。目前, 已经有很多关于N养分异质性对根
系构型影响的研究。Sánchez-Calderón等(2005)发
现施N处理对鼠耳芥(Arabidopsis thaliana)主根生
长没有显著影响。严小龙(2007)发现N对侧根生
长, 尤其是对侧根分枝形成影响较大; 一般低浓
度硝态N促进侧根分枝伸长, 但对侧根分化影响
不大; 硝态N对侧根分枝有两种完全不同的影响:
稳定高浓度硝态N (10 mmol·L–1)对鼠耳芥侧根伸
长生长具有抑制作用; 但局部供应硝态N会诱导
该部分主根上的侧根分生。
根构型特征与激素联系密切。生理学和遗传
学研究表明生长素(auxin, IAA)对侧根形成起重
要的作用, 尤其在侧根初始发育和侧根原基形成
时期 , IAA起着正调控作用 (Laskowski et al.,
1995; Fukaki & Tasaka, 2009)。有实验表明, 外施
生长素促进侧根数目增加, 抑制其运输则降低侧
根形成数目 (Reed et al., 1998), 外施脱落酸
(abscisic acid, ABA)则抑制侧根原基出现(Fukaki
& Tasaka, 2009)。一些研究还发现鼠耳芥的ERA1
基因和ABI3基因调节ABA信号途径, 参与生长素
对侧根形成的调节过程, 说明ABA和IAA之间存
在交叉通路(Fukaki & Tasaka, 2009)。Li等(2006)
发现合成于根尖分生组织的细胞分裂素 (cyto-
kinins, CK)负调控鼠耳芥的侧根形成。对鼠耳芥
幼苗外施生长素可抑制CK合成而促进根生长 ,
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表明IAA和CK之间存在交叉互作关系(Nordström
et al., 2004)。
营养元素可以通过影响 IAA和CK等内源激
素的合成与运输而使根构型发生变化(Kutz et al.,
2002; López-Bucio et al., 2003)。高浓度N抑制玉
米(Zea mays)根轴的伸长, 并使根系中IAA含量下
降 , 而外施IAA降低高浓度N对根轴伸长的抑制
作用 , 说明N浓度、IAA与根轴伸长生长的关系
(Mi et al., 2008; Tian et al., 2008)。高浓度硝态N
对侧根形成的抑制作用受到ABA信号传导途径
中ABI4和ABI5蛋白的调节(Signora et al., 2001)。
以上研究结果均出自稳定养分供给的实验。
自然状态下, 土壤养分多为时空异质状态(Ettema
& Wardle, 2002)。尤其在养分时间异质条件下, 激
素与N素如何共同影响根系形态塑性研究尚少见
报道。
本实验室前期工作中 , 利用翠菊 (Celliste-
phus chinensis)、枫香树(Liquidambar formosana)、
Liquidambar styraciflua、马尾松 (Pinus masson-
iana)、火炬松(Pinus taeda)、臭椿(Ailanthus al-
tissima)、高大一枝黄花(Solidago altissima)和加拿
大一枝黄花(Solidago canadensis)的盆栽实验来研
究这8种植物在不同养分时空处理时根系养分捕
获塑性的变化情况。研究结果表明, 稳定养分斑
块处理情况下, 8种植物在施N斑块细根生物量均
显著多于不施N斑块, 而在脉冲养分斑块处理情
况下, 7种植物与以上稳定施N处理结果一致, 而
翠菊正相反, 其细根生物量在不施N斑块显著多
于施N斑块(Mou et al., 2012)。
本研究试图对翠菊这一“反常”行为的生理生
态机制进行探究, 期望解决以下几个问题: 1)脉
冲N供给对翠菊根系的生长抑制作用是否通过影
响机体内激素水平实现? 2)如果回答为是, 则翠
菊根内激素对稳定和不稳定N供给如何响应？3)
稳定和不稳定N (NO3–和NH4+)的供给如何通过影
响激素而调节翠菊的根构型变化？为此, 本研究
用水培的方法 , 对翠菊根系进行两种有效N
(NO3–和NH4+)的脉冲和稳定供给处理, 测定根构
型指标、根系生物量以及根系中激素含量(IAA、
ABA和CK (ZR + Z), 以验证以下3个假设:
1) NO3–和NH4+及不同供给方式显著影响根
系生长。
2) NO3–和NH4+及不同供给方式对激素含量
影响显著。由此有下列两个附属假设:
2a: 稳定供N使根内IAA含量相对升高, 而脉
冲供N(即变化浓度)降低根内IAA含量, 提高ABA
与细胞分裂素(玉米素核苷+玉米素) (CK (ZR +
Z))含量;
2b: 脉冲供N条件下 , 根内 IAA含量在施用
NH4+时较施用NO3–时显著降低。
3) 根构型(根系1级根长、单位2级根上1级侧
根数和1级根在2级根上的根间距 )与根内激素
(IAA、ABA、CK (ZR + Z))含量显著相关。
通过检验上述假设, 我们试图建立的施N种
类、施N浓度和施N方式, 通过影响根内激素, 进
而改变根构型来影响根生长的联系, 从而对植物
根养分捕获塑性机理有进一步的理解。
1 材料和方法
1.1 实验材料
实验所用翠菊为一年或二年生草本植物。茎
直立, 单生, 被白色糙毛。叶互生, 叶片卵形/长
椭圆形, 有粗钝锯齿, 下部叶有柄, 上部叶无柄。
头状花序单生茎枝顶端, 直径6–8 cm, 有长花序
梗。总苞片多层, 苞片叶状。管状花端部5齿裂;
雄蕊5, 药囊结合, 柱头2裂。瘦果楔形, 浅褐色,
长3.0–3.5 mm。花果期5–10月。产于我国吉林、
辽宁、河北、山西、山东、云南以及四川省等。
生长于山坡撂荒地、山坡草丛、水边或疏林阴处,
分布海拔30–2 700 m。耐寒性弱, 也不喜酷热, 通
风而阳光充足时生长旺盛 (中国植物志编委会 ,
1985)。实验品种为“翠菊普通”, 购自北京市农业
科学院鑫农丰种子有限公司。
1.2 实验方法
1.2.1 翠菊种子播种
选取200粒大小一致的种子, 浸泡于40–50 ℃
温水中12 h催芽。取出后, 浸于1% H2O2中30 min
消毒, 再用蒸馏水冲洗3次。处理过的种子均匀撒
在发芽盆中。盆中发芽基质是经高温消毒(160 , ℃
2 h)的河沙, 种子上覆盖约1 cm厚的沙子。每天喷
雾浇水两次, 以保证基质和种子处于湿润状态。
1.2.2 移苗和缓苗
待幼苗长到6–7片真叶 , 移栽到盛有10 L营
养液(修正的Hogland营养液 , 附录I)的水箱(长×
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宽×高= 46 cm × 30 cm × 14 cm)中, 每盆13–15株,
幼苗根茎交界处经海绵包裹后用聚乙烯泡沫板固
定于塑料盆上, 以气泵对营养液连续通气。每7天
换一次营养液, 每天向培养容器中加一定量的去
离子水补充因蒸腾消耗的水分。生长水箱置于北
京师范大学生命科学学院的环境可控温室中, 光
周期定为日14 h/夜10 h, 昼夜温度定为日(27 ± 2)
/℃ 夜(20 ± 2) ℃。移植时先用1/4 Hogland营养液
和1/2 Hogland营养液缓苗各7天。每半个月喷洒杀
虫剂(植物杀虫王, 中国科学院植物研究所)和杀
菌剂(百菌清 , 先正达(苏州)作物保护有限公司)
一次, 以预防植物病虫危害。
1.2.3 施N(NO3–和NH4+)处理
缓苗后开始进行施N处理 , N肥有NO 3 –和
NH4+两种, 用KNO3和CaNO3提供NO3–; 用NH4Cl
和(NH4)2SO4提供NH4+。施用方式有稳定和脉冲
两种。稳定施N处理是: NO3–和NH4+各有低、中、
高3个浓度, 分别是: NO3–: 0.2、1.0和18.0 mmol·
L–1; NH4+: 0.2、4.0和20.0 mmol·L–1。脉冲施N处
理是实验植物生长于低或中浓度施N营养液中 ,
但每62 h移入高浓度营养液处理10 h, 然后再放
回原生长浓度营养液(表1)。每周期3天(72 h), 实
验期共35天。共5个处理, 每一处理重复14株。硝
态N和氨态N的高、中浓度是综合考虑到预实验中
翠菊对氨态N的高敏感性以及营养液中其他离子
的平衡而确定的。营养液配方见附录I。
1.2.4 样品收获
施N处理35天后, 选择生长良好、长势一致的
植株, 在水中用镊子轻轻将根展开, 用根系扫描
仪(EPSON G780B, Seiko Epson Corp., Tokyo, Ja-
pan)扫描整个根系后, 迅速取侧根(0.05 ± 0.005)
g, 用锡箔纸包上置于液氮中保存。其余植株分地
上和根系两部分收获 , 烘箱中65 ℃烘72 h后称
重。
1.2.5 根生物量和根构型测量
用分析天平 (0.0001 g)分别称量根的干重和
鲜重; 用GIS软件(ArcGIS 10.0)计算1级根长度、1
级根在2级根上的根间距(1级根间距)和单位2级
根上1级根的数目(单位长度上侧根数目 , 即1级
根密度)。其中根级划分标准参照Leopold (1971)
文献。
1.2.6 根中激素含量测定
根中激素含量测定采用间接酶联免疫吸附法
(ELISA)。取液氮速冻新鲜细根研磨, 试剂配制与
测定具体步骤参照通用方法进行 (Yang et al.,
2001)。植物激素试剂盒(中国农业大学化学控制
中心) (He, 1993), 使用BIO-RAD680自动酶联测
读仪 (Bio-Rad Inc., Hercules, USA)进行光密度
(OD)值测定 , 使用分对数(logit)曲线作图 , 计算
根样品内IAA、ABA和CK (ZR + Z)的浓度和含量
(Weiler et al., 1981)。
1.3 数据统计分析
为检验假设1、假设2及其两个附属假设2a和
2b, 我们采用保护性ANOVA方法进行数据分析
(Scheiner, 2001)。首先, 用三因素多元方差分析
(three-way MANOVA)对根生物量、根构型参数、


表1 翠菊施氮浓度及浓度变换脉冲处理
Table 1 A list of N fertilization treatments (concentration and concentration pulse change) applied to Callistephus chinensis
氮肥种类
N fertilizer type
处理
Treatment
氮肥浓度
Nitrogen concentration (mmol·L–1)
施用方式
Applications
每周期处理时间
Treatment time per period (h)
NO3– A 0.2/18.0 脉冲 Pulse 62/10
B 1.0/18.0 脉冲 Pulse 62/10
C 0.2 稳定 Stable 72
D 1.0 稳定 Stable 72
E 18.0 稳定 Stable 72
NH4+ A 0.2/20.0 脉冲 Pulse 62/10
B 4.0/20.0 脉冲 Pulse 62/10
C 0.2 稳定 Stable 72
D 4.0 稳定 Stable 72
E 20.0 稳定 Stable 72

1176 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2012, 36 (11): 1172–1183

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IAA、ABA和CK (ZR + Z)对N肥种类、浓度、施
N方式的响
应进行分析。然后, 分别以IAA、ABA、CK
(ZR + Z)为协变量对数据进行协方差分析(ANC-
OVA)分别检验根生物量、根构型参数、IAA、ABA
和CK (ZR + Z)对N肥种类、浓度、施N方式的响
应, 以及3种激素间的交互影响。最后, 对均为数
值变量的激素含量与根生长(根生物量)进行回归
以检验它们间的关系。进行MANOVA、ANCOVA
分析以前, 对自变量是分类变量的数据进行方差
齐性检验, 未通过检验者, 对响应变量进行使之
齐性的转换。为检验假设3, 建立激素与各根构型
参数(均为连续变量)的回归关系后进行分析。此
外, 我们还计算了根生长与根构型参数、根生长
与激素以及激素间的回归关系。所有数据的统计
分析均使用SPSS 20.0软件进行。所有数据整理、
简单计算和作图均利用Microsoft Excel 2007。显
著性水平设置为0.05。
2 结果
2.1 两种N肥、浓度和两种施N方式处理对根生
物量的影响
N肥种类(NO3–或NH4+)、使用方式(脉冲或稳
定处理)和浓度对根生物量有显著影响(表2)。两种
N肥高浓度(处理E)时植株根生物量均显著低于
低、中浓度(处理C和D), 而在后二者间无显著差
异(表2; 图1A)。NH4+中生长的植株根生物量显著
低于生长于NO3–中的植株, 脉冲处理的植株根生
物量显著低于生长于稳定处理的植株 (表2; 图
1A)。N肥种类×浓度交互作用显著(表2)表示不同
浓度的NO3–和NH4+对根生长影响的格局差异, 尽
管施用NH4+对根生长的促进作用远逊于施用
NO3–。
2.2 两种N肥、浓度和两种施N方式处理对根内
激素的影响
ANCOVA分析排除了根内3种激素间统计上
的交互影响。稳定NO3–处理中, 翠菊根内IAA和
ABA含量显著高于稳定NH4+处理, 而CK (ZR +
Z)含量显著低于NH4+处理(表2; 图1B、1C、1D)。
N肥浓度对CK (ZR + Z)无显著影响 , 对IAA和
ABA有显著影响: 低、中浓度(处理C、D)时, NO3–
和NH4+对IAA的影响都不显著, 但在高浓度(处理
E)时IAA含量均显著下降; 中、低浓度时, NO3–对
ABA影响不显著, 高浓度时, ABA大增; 在高、中
浓度(处理E和D) NH4+时, ABA含量差别不显著,
而低浓度NH4+时, ABA含量增加(表2; 图1B、1C、
1D)。去除稳定高浓度(E处理)数据后的ANOVA结
果表明 , NO3–施用方式(稳定或脉冲)对IAA影响
不显著, 而脉冲NH4+处理时, IAA含量显著低于
稳定NH4+处理 ; 脉冲NH4+处理对ABA影响不显
著 , 但中浓度(D处理)时ABA含量高于低浓度(C
处理); 脉冲NO3–处理时, ABA含量显著高于稳定
NO3–处理。此外, 此显著增高的ABA含量基本上
由低浓度脉冲NO3–处理(处理A)所影响(表2; 图
1B、1C)。去除E处理数据后的ANOVA结果还表
明施N种类、施N方式与IAA有很高的相关性(R2 =
0.946, p < 0.001), 而与ABA相关性低且不显著
(R2 = 0.13, p = 0.094), 与CK (ZR + Z)的相关性不
显著(p > 0.01)。
2.3 两种N肥、浓度和两种施N方式处理对根构
型的影响
N肥种类、施N方式和浓度对一级根长有显著
影响, 且N肥种类×施N方式和N肥种类与浓度交
互作用显著(表2)。一级根长在NO3–处理中显著高
于NH4+, 且随浓度升高而减小, 减小幅度在NO3–
处理中显著; 脉冲处理对一级根长有显著负影响
(图1E)。N肥种类、施N方式和浓度对一级根间距
没有显著影响 , 但N肥种类与施N方式交互作用
显著(表2), 体现在脉冲NH4+处理下一级根间距
的显著降低(图1F)。施N浓度对一级根密度影响不
显著, N肥种类和施N方式以及所有交互作用影响
均显著(表2), 显然, NO3–处理、稳定施用NH4+和
脉冲施用NO3–降低一级根密度(图1G)。
2.4 根内激素含量与根生物量、根构型的关系
根生物量与根IAA含量有显著的线性回归关
系(R2 = 0.633, p < 0.000 1) (表3)。用IAA、ABA
和CK (ZR + Z)与根生物量的三因素线性回归未
发现ABA和CK (ZR + Z)对回归有显著贡献, 但
是分析ABA和CK (ZR + Z)单独与根生物量的关
系时发现 : 1)根生物量与根ABA含量关系复杂 ,
在NH4+施N处理下, 二者有显著的指数回归关系
(R2 = 0.179, p = 0.044), 而在NO3–施N处理下, 二
者的回归关系不显著(R2 = 0.094, p = 0.155); 2)根
生物量与根CK (ZR + Z)含量有显著的负指数回
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图1 氮肥种类、施用方式和浓度对根生物量(A)、生长素(IAA) (B)、脱落酸(ABA) (C)、细胞分裂素(CK (ZR + Z)) (D)
含量、1级根长(E)、1级侧根间距(F)和1级侧根密度(G)的影响(平均值±标准误差)。
Fig. 1 Effects of N fertilizer type, application method and concentration on root biomass (A), contents of auxin (IAA) (B),
abscisic acid (ABA) (C), cytokinins (CK(ZR + Z)) (D) in roots, length of the 1st order roots (E), internode length of the 1st
order laterals (F), and the density of the 1st order lateral roots (G) (mean ± SE).


归关系(R2 = 0.257, p < 0.000 1) (表3)。
根IAA含量与一级根长有显著的指数回归关
系(R2 = 0.845, p < 0.000 1), 与一级根间距(inter-
node length)的回归关系不显著, 与一级侧根密度
有显著的二次回归关系(R2 = 0.515, p < 0.000 1)
(表3)。根ABA含量与一级根长和根间距均没有显
著的线性、二次及指数回归关系, 但与一级侧根
密度有显著的负指数关系(R2 = 0.171, p = 0.012)
(表3)。根CK (ZR + Z)含量与一级根长有显著的指
数回归关系(R2 = 0.527, p < 0.000 1), 与一级根间
距没有显著的线性回归关系, 与一级侧根的密度
有显著的二次回归关系(R2 = 0.402, p < 0.000 1)
(表3)。
2.5 根生物量与根构型的关系
根生物量与一级根长有显著的二次回归关系
(R2 = 0.693, p < 0.000 1), 与一级根间距的回归关
系不显著, 与一级侧根密度有显著的线性回归关
系(R2 = 0.156, p = 0.017) (表3)。
2.6 IAA、ABA和CK (ZR + Z)间的相互关系
根IAA含量与CK (ZR + Z)含量间有显著的负
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线性回归关系(R2 = 0.647, p < 0.000 1), 与ABA含
量间有近显著的二次回归关系(R2 = 0.117, p =
0.069) (表3)。ABA含量与CK (ZR + Z)含量间没有
显著的回归关系, 但大体上呈负相关关系。
3 讨论
植物根系以多种生理生态学机制来适应其所
生存的土壤养分异质性环境。根系形态的塑性变
化受内在激素和外在养分异质性的双重影响, 本
研究通过养分时间异质性处理, 检验植物的根生
长、根内激素和根构型响应指标, 并建立了它们
之间的联系, 以探索前期实验(Mou et al., 2012)
中发现的翠菊根生长对土壤养分时间异质性所谓
“反常”的响应的生理机制。
3.1 两种N肥和两种施N处理对根生物量和根内
激素的影响
实验结果支持本研究的第一个假设, 即NO3–
和NH4+及其不同供给方式显著影响根系生长。首
先 , 本实验的所有养分浓度和施N方式处理中 ,
施用NO3–的翠菊根生物量都远高于施用NH4+的。
其次, 稳定养分条件下, 高浓度的无机N (E处理)
显著抑制由根生物量表示的根生长, 而低、中浓
度(处理C、D)对根生长未产生显著影响。第三, 相
对于稳定处理 , 两种N肥的脉冲施N方式均导致
根生长的下降。
一些以鼠耳芥为实验对象的研究发现, 施用
10 mmol·L–1浓度的NO3–对侧根发育和初生根生
长产生系统抑制作用(Zhang et al., 1999)。Drew和
Saker (Drew et al., 1973; Drew & Saker, 1978)的研
究发现, 大麦(Hordeum vulgare)根系通过增加侧
根的数目和长度在富NO3–、NH4+和无机磷斑块中
显著增殖。Eghball和Maranvill (1993)研究发现植
物在低N条件下 , 形成较大的根系。Britto和
Kronzucker (2002)在关于NH4+对植物毒害的文献
综述中展示了高浓度NO3–和NH4+抑制植物根生
长乃至植物生长的大量研究例证, 并图示对比了
分别在0.1和10 mmol·L–1浓度的NO3–和NH4+溶液
中生长8天的大麦: 在10 mmol·L–1浓度NH4+溶液
中生长的植株整体和根系显示出明显的生长抑
制。他们在综述中还表明不同植物对NO3–和NH4+
的浓度耐受性不同。与其综述中引述的众多实验
植物相比, 翠菊对NO3–和NH4+的浓度耐受阈值似
乎很低, 尤其是对NH4+ (图1), 可能是翠菊根系受
到氨根离子毒害作用。很多植物生长受到氨态N
的毒害作用, 可能是由于氨根离子会阻止细胞分
裂和伸展, 影响体内离子和pH平衡等, 从而对植
物体具有毒害作用(Cao et al., 1993)。本研究稳定
施N处理的结果与这些研究结果基本一致。我们
尚未在文献中见到类似本实验的脉冲施N处理对
根生长影响的研究例证。
实验结果在很大程度上支持本研究的第二个
假设及两个附属假设2a和2b, 即NO3–和NH4+以及
不同施N方式对根内激素含量产生显著影响。本
实验中, 当养分环境稳定时, 施用NO3–根内IAA
含量远高于施用NH4+, 且二者高浓度均对IAA有
很大的负作用(表2; 图1B)。Tian等(2008)对玉米
根系进行研究发现 , 高N抑制轴的伸长 , 同时根
系中生长素含量下降。并且外施生长素可减轻高
N对轴根伸长的抑制作用, 由此说明这种抑制作
用可能与根系中生长素含量下降有关(Mi et al.,
2008; Tian et al., 2008)。本实验结果支持他们的发
现。对比稳定施N和脉冲施N处理, NO3–对IAA影
响不大, 而NH4+脉冲使IAA含量降低幅度较大。
可见NH4脉冲处理使根内IAA含量降低(表1)。总
而言之, 根内IAA含量对实验处理的响应与根生
物量的格局一致, 而相对于NO3–处理, NH4+处理
使根内IAA含量减少, 而脉冲处理使之降低更多。
无论浓度高低 , 还是施用方式 , 本实验中 ,
根内CK (ZR + Z)含量在施用NO3–时较施用NH4+
时显著为高, 而对浓度、施用方式没有显著响应。
由于CK (ZR + Z)主要在根尖处合成, 通过木质部
向上运输(Marschner, 1995), 调控叶生长、发育
(Collier et al., 2003), 对根生长起负调控作用
(Fukaki & Tasaka, 2009)。一些实验研究发现木质
部内根合成的CK在混合N肥中NH4+升高或只有
NH4+时上升(Wang & Below, 1996), 本实验结果
与之一致。但也有研究结果表示NO3–正调控CK
水平, NH4+起负调控作用(Rahayu et al., 2005; Lu
et al., 2009)。
文献中关于ABA在根生长的调控作用有各
种论述。一般认为, ABA在侧根初始形成阶段, 即
成熟侧根原基到侧根伸出阶段 , 起负调控作用
(Fukaki & Tasaka, 2009)。有研究认为在高NO3–时,
ABA参与调控抑制侧根形成和生长 (Signora et
1180 植物生态学报 Chinese Journal of Plant Ecology 2012, 36 (11): 1172–1183

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al., 2001)。de Smet等(2006)的研究显示高浓度
NO3–时, ABA可能作为信号物质在侧根发育过程
中起作用。ABA参与高硝态N抑制侧根生长过程,
抑制作用与ABA受体开花时间控制蛋白(FCA)有
关(Razem et al., 2006)。此外, Brewitz等(1995)发
现在稳定N浓度中, 大麦根内ABA浓度与NO3–没
有联系, 但短期NO3–浓度改变会导致ABA浓度快
速变化。本研究中, 根内ABA含量对各实验处理
的复杂响应, 和其与根生物量、根构型指标的复
杂关系可能反映了ABA对环境养分信号的复杂
响应机制 , 以及ABA在根生长过程中的复杂
作用。
3.2 根内激素含量与根干重、根构型的关系
本实验结果支持第3个假设 : 根内激素含量
与根构型有显著相关, 即激素对根构型的作用。
这包括: 1) IAA对1级根长和侧根数目有显著的正
相关关系。2) CK (ZR + Z)与一级根长和侧根密度
的负相关关系显示其对根生长的抑制作用。3)
ABA与侧根数目是负相关关系, 说明其抑制侧根
的生长。理论上认为, 根生长, 尤其是根在资源斑
块中增殖, 是以根构型的改变实现的, 从而获得
增加资源吸收的能力(Drew et al., 1973; Drew &
Saker, 1978)。而根构型的改变与根内激素的作用
紧密相关(Kutz et al., 2002; López-Bucio et al.,
2003)。生长素调节根器官的整个形成过程, 从胚
胎原始细胞开始, 之后是干细胞的定位和行程、
根分生组织细胞的伸长和分化, IAA在这些过程
中起着关键调节作用(Friml et al., 2003; Blilou et
al., 2005); CK主要在根系中合成, 其对根系生长
和发育起负调控作用(Werner et al., 2001, 2003),
通过外施CK验证了CK对根系生长的负调控作用
(Benková & Hejátko, 2009), 同样, Li等(2006)研
究发现CK对鼠耳芥侧根初始形成起负调控作用;
近年来遗传和分子研究表明ABA对根分生组织
的形成和根生长起调控作用(Benková & Hejátko,
2009), 用鼠耳芥突变体(ABA信号突变体)来研究
ABA在侧根形成中的作用发现, ABA负调控侧根
形成(de Smet et al., 2006)。并且外施ABA抑制侧
根原基出现(Fukaki & Tasaka, 2009)。
3.3 激素的交互作用
本研究中, 通过回归关系初步分析了IAA、
ABA和CK (ZR + Z)的相互关系, IAA和CK (ZR +
Z)、IAA和ABA之间有负相关关系。不同激素对
侧根发育的调节和影响不是孤立的, 存在交互作
用, 因为它们能调控某些相同的信号转导成员的
活动, 如当IAA/CK、IAA/ABA的比值高时可促进
侧根的发生(严小龙, 2007)。本实验数据不足以进
行激素比率对根构型, 乃至对根生长影响的有效
统计分析, 但是实验显示的激素间的相关性以及
各激素与根构型、根生长的统计关系表明了多激
素对根生长的共同作用, 并暗示可能的激素比率
调控机制。
本实验建立了施N种类、施N浓度及施N方式
(稳定和脉冲)通过影响根内激素, 进而改变根构
型来影响根生长的联系。具体到翠菊的“反常”根
养分捕获形态塑性响应, 即脉冲养分处理导致施
N部位根生长显著下降, 可能是由于脉冲养分处
理引起的根内IAA降低, 从而导致一级根生长和
侧根密度显著降低所致。此外, 以前实验中施用
复合N肥 (NH4NO3)导致的翠菊“反常”可能还有
NH4+的作用。
4 结论
本研究用水培方法研究了施N处理对翠菊根
系形态塑性的影响及其生理机制。研究结果表明,
施N处理对根系生长的影响是受到外界N素浓度、
不同形态N素和N素供给方式的影响, N素作为外
界信号, 传递到根系内, 根系内激素作出相应响
应, 从而调节根系长度和根系密度的变化, 其中
IAA对根系生长和发育起着正调控作用, 而ABA
和CK (ZR + Z)负调控根系生长。并且硝态N和氨
态N在一定浓度处理上对根系生长有不同影响 ,
硝态N更有利于翠菊根系生长。由此说明, 外界N
素变化改变根内激素含量, 从而调节根构型变化,
最终导致根系生长发生改变。研究结果从形态学
和生理学两个方面揭示了翠菊根系的生长状况 ,
在一定程度上揭示了翠菊根系生长“异常”的问
题, 但在基因层面探讨N素对翠菊根系生长和发
育的调控作用还存在可以进一步深入研究的
空间。
致谢 国家自然科学基金(30830024和30770330)
资助。感谢北京师范大学生命科学学院姜帆副教
授和郭延平副教授为本研究实验设计提供帮助 ,
在研究过程中得到了北京师范大学生命科学学院
董佳等: 翠菊根系养分捕获形态塑性及其生理机制 1181

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古牧、潘璐、李云斌、陈红梅和刘晓雪同学的大
力协助, 在此表示感谢！
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doi: 10.3724/SP.J.1258.2012.01172
附录I 营养液配方
Appendix I Recipe of the nutrient solution
营养元素 Nutrient element 化学式 Chemical formula 浓度 Concentration (mg·L–1)
FeSO4·7H2O 27.850 铁盐 Ferric salt
EDTA·2Na 37.250
H3BO4 3.090
MnSO4·H2O 0.340
ZnSO4·7H2O 0.290
CuSO4·5H2O 0.075
KI 0.830
Na2Mo4·2H2O 0.024
微量元素 Micro-nutrient element
CoCl2·6H2O 0.048
KH2PO4 169.880
MgSO4·7H2O 369.000
大量元素 Macro-nutrient element
CaCl2·2H2O 294.000


责任编委: 郭大立 责任编辑: 李 敏