小麦根系构型及抗旱性研究进展

小麦是全球最重要的粮食作物之一,干旱是影响其生长发育最重要的非生物胁迫因子。根系作为作物获取水分和养分的重要器官,直接决定了作物对土壤水分的利用效率。近年来,越来越多的研究表明,根系构型在植物干旱胁迫响应中发挥了重要功能。本文综述了目前根系构型在调控小麦抗旱性方面的研究进展。首先概述了根向性生长,特别是根向重力性生长对植物根系结构的塑造作用,重点总结了目前挖掘到参与根系向重力性生长的相关基因及其分子调控机制,并阐述了根向性生长调控的根系构型是如何介导小麦对干旱胁迫的适应。除了根向性生长,根系的发育过程也参与了对植物根系构型的调控,并决定植物对干旱胁迫的适应能力,因此,本文进一步综述了在干旱胁迫条件下小麦如何通过调控根系发育来改变根系形态,包括增加根长、调控侧根数量和根毛密度等,来增强小麦对土壤水分的吸收和对干旱环境的适应;同时,系统总结了干旱胁迫条件下参与调控作物(尤其是小麦)根系发育的相关基因。此外,根系作为植物地下部分,其构型的解析一直是本领域研究难点,阻碍了对根系结构与植物耐旱性关系的进一步解析,因此,本文也归纳了目前可用于小麦根系二维结构和三维结构表型分析的技术。这些技术可测量和分析小麦根系的长度、密度、生长方向和形态等参数,为深入理解根系构型与小麦抗旱性关系提供技术支撑。最后,展望了改良根系结构在小麦抗旱育种中的应用前景,并对如何挖掘更多潜在的小麦根系构型调控基因,及解析相关基因的调控机理进行了讨论。综上所述,小麦根系结构与小麦抗旱性关系密切,随着测序和分析技术的不断发展,以及小麦根系结构调控机制研究的不断深入,为未来培育抗旱小麦新品种提供了新的手段和策略。

光强对木麻黄幼苗根系形态、解剖结构及其碳氮含量的影响

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。

植物根系强化土壤抗蚀性机制研究述评

植被恢复是控制土壤侵蚀的有效措施。由于土壤的非透明性和异质性,植被根系的构型和功能性状对土壤抗蚀性的影响研究还相对薄弱。文章从根系构型与功能性状对土壤入渗性能、固土机制、抗剪强度以及土壤属性(尤其是土壤孔隙度和有机质含量)影响入手,论述了植被根系对土壤抗蚀性的影响机理。并基于植被根系构型和功能性状对强化土壤抗蚀性的影响机理提出了今后土壤侵蚀防治中需重点关注的方面,以期为土壤侵蚀防治中的植被选择及适地适树提供理论依据和科学参考。

黄连根系以生理而非形态改变响应低磷胁迫

目的:探究黄连根系响应低磷胁迫的策略,为理解栽培黄连连作障碍机制奠定基础。方法:以月为单位连续采集一周年2年生黄连样本,测定其根茎生物碱和氮(N)、磷(P)和钾(K)三种元素含量;测定水培试验黄连的生物量、根系形态、根系有机酸分泌量、营养元素含量等。结果:黄连根茎生物碱含量与磷含量成线性正相关,而与氮和钾含量无相关性。水培实验中,黄连地下部生物量在低磷和正常磷水平下无显著差异。总根长、根表面积、根体积、平均直径在两个磷浓度处理下均无差异。低磷处理中根系苹果酸和草酸分泌速率显著高于正常磷处理,以苹果酸尤为突出。根系磷含量低磷处理中显著低于高磷处理,而锌含量呈相反规律。叶片中磷、钾、铁、猛、铜含量在两个磷处理中并无明显差异。结论:黄连根系主要通过生理改变响应低磷胁迫,锌可能是影响黄连根系有机酸代谢的重要元素。

丛枝菌根真菌对元宝枫生长及其根系形态的影响

【目的】阐明丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal,AM)真菌对元宝枫生长状况及根系形态特性的影响,探讨元宝枫根系形态与其生长发育的关系。【方法】在元宝枫幼苗生长基质中接种摩西斗管囊霉(Funneliformis mosseae)和根内根孢囊霉(Rhizophagus intraradices)2种AM真菌,以不接种AM真菌为对照,通过盆栽试验,培养90 d后,测定元宝枫的生长状况、根系活力及根系形态指标,利用单因素方差分析和多重比较方法,分析接菌与不接菌处理之间的差异,采用envfit()函数、冗余度分析和变差分解分析元宝枫生长状况与其他指标间的关系。【结果】①接种2种AM真菌后,元宝枫株高、地径、茎干质量和根系活力较对照显著提高,根冠比下降。根内根孢囊霉对元宝枫的促生作用比摩西斗管囊霉显著。②与对照相比,接种2种AM真菌后,元宝枫根表面积和根体积显著增大,粗根根长占总根长的比例增加,细根根长占总根长的比例显著降低。根内根孢囊霉对元宝枫根系形态的影响比摩西斗管囊霉显著。③元宝枫生长状况与其根系活力和根系形态密切相关。【结论】接种AM真菌有助于增强元宝枫的根系活力,改善其根系形态,促使其汲取更多养分,进而提高其生物量。

镁营养对大豆苗期生长及根系形态构型的影响

【目的】镁是植物生长必需的矿质营养元素,研究大豆在不同镁浓度下的苗期生长情况及根系三维构型的动态变化。【方法】以磷高效大豆品种‘粤春03-3’为研究对象,营养液培养,设置镁浓度为0、262.5、525.0、787.5和1050.0μmol/L,分析苗期大豆的生长发育状况。在此基础上,利用根系三维定量系统对正常镁处理(525.0μmol/L,对照)及缺镁处理(0μmol/L)的大豆根系三维构型进行动态定量化分析。【结果】与525.0μmol/L对照相比,0μmol/L缺镁处理大豆的地上部干质量、根冠比、老叶SPAD、总根长和根系总表面积分别减少89.04%、48.67%、51.42%、93.36%和94.31%。而其他3个镁浓度条件下,大豆生长与对照差异较小。根系三维构型研究发现,与对照相比,随着处理时间的延长,缺镁处理显著降低大豆根系的总根长、总根表面积、根重心、根尖数、凸包体积、最大根宽、最小根宽、最大根深、最大根宽/最大根深,对根系充实度、分根繁茂度和根体积分布的影响较小。【结论】本研究明确了大豆对外界镁有效性的适应范围较广,借助优化的根系三维重建技术,阐明缺镁显著降低大豆根系的总根长、根尖数、根重心、最大根宽等,但对根系充实度、分根繁茂度、根体积分布动态变化规律的影响较小。研究结果对大豆镁肥的合理施用和镁营养诊断有一定的指导意义。

高寒区氮添加和间作种植互作对燕麦和豌豆根系构型影响的研究

种间根系的相互作用是禾豆间作体系系统生产力提升的关键途径,外源氮素添加也能显著改变植物根系构型。然而,有关氮添加和间作种植方式对燕麦和豌豆根系构型影响的研究鲜有报道。基于此,本研究以燕麦和豌豆为对象,比较氮添加和不同间作种植方式对燕麦和豌豆生物量、根系形态及构型的影响。结果表明:1)高氮隔行间作燕麦地上和地下生物量最高,而高氮单播豌豆生物量最高;2)高氮隔行间作燕麦除根体积和根尖数外,其他根系形态参数显著高于单播燕麦,高氮单播豌豆的根表面积、根体积和根尖数最高,而未添加氮单播豌豆的分叉数、内部和外部连接数最高;3)高氮间作燕麦拓扑指数和分形维数较高,未添加氮单播豌豆分形维数较高;4)氮添加和间作种植可增加燕麦根体积、根表面积、外部连接数和促进侧根生长,而间作种植和氮添加却降低豌豆根系连接数、根尖数、内部连接数和抑制侧根发育。由此可见,氮添加和间作种植通过增加燕麦根系与土壤接触面积强化燕麦获取土壤的能力,进而使间作燕麦生物量快速增加,这将为燕麦和豌豆间作体系中燕麦常表现出强竞争力和积累高生物量提供直接证据。

甘蔗/花生间作对根系生理及根际土壤养分的影响

为探明甘蔗/花生间作对根系生理及根际土壤养分的影响,本文设置了甘蔗单作、花生单作、甘蔗/花生间作模式,系统分析了不同种植模式下根系分泌物、根系浸提物和根际土壤养分的变化及其相关性。结果表明:间作甘蔗根系分泌的总氨基酸及根系浸提液中的总糖显著高于单作,间作花生根系分泌的总糖显著高于单作。间作甘蔗根际土壤的碱解氮(alkali-hydrolyzed nitrogen,AN)、有效磷(available phosphorus,AP)、速效钾(available potassium,AK)和土壤有机质(soil organic matter,SOM)显著高于单作甘蔗,间作种植显著降低了花生根际土壤的有效磷、速效钾和pH。间作和单作甘蔗的酸性磷酸酶、过氧化氢酶、脲酶和蔗糖酶差异不显著,间作花生的过氧化氢酶显著高于单作花生。根系分泌的酚酸与土壤有机质呈显著负相关,总糖与蔗糖酶呈显著正相关,氨基酸与脲酶呈显著正相关;根系浸提液中的有机酸与pH呈显著正相关,氨基酸与SOM呈显著负相关、与AK呈极显著负相关。脲酶与AK呈显著负相关,蔗糖酶与SOM呈极显著负相关。综上,甘蔗/花生间作主要影响根系分泌氨基酸、总糖和酚酸的代谢活动,且可显著提高甘蔗的土壤有效养分。

干旱及复水对谷子苗期根系形态特征及叶片解剖结构的影响

本试验选用抗旱性强的谷子品种济谷16和旱敏感谷子品种鲁谷1号为材料,设置盆栽试验,于出苗15 d时停止浇水进行干旱胁迫处理,并于9 d后复水,研究不同抗旱性谷子品种叶片以及根系形态指标对干旱-复水的响应。结果表明:(1)与CK相比,干旱胁迫导致两个谷子品种的根分枝数、根尖数和根体积显著减少;复水后,济谷16的根尖数显著增加(P<0.05),而鲁谷1号的根尖数进一步显著降低。济谷16的根分枝数在复水后的增加幅度大于鲁谷1号。(2)干旱胁迫下,两个品种叶片泡状细胞面积缩小,叶片厚度下降;复水后济谷16泡状细胞面积与CK相当,而鲁谷1号仍显著小于CK(P<0.05)。(3)干旱胁迫下济谷16下表皮气孔密度增加,上表皮气孔密度减小,且均与CK差异显著(P<0.05);复水后,上表皮气孔密度略有增加但仍低于CK,下表皮气孔密度降低至CK水平。干旱胁迫下鲁谷1号上、下表皮气孔密度较CK均显著下降(P<0.05);复水后,上表皮气孔密度继续降低,而下表皮气孔密度显著增加至略高于CK水平。干旱胁迫后济谷16上、下表皮气孔长度无显著变化,复水后较CK和干旱处理均显著增加;鲁谷1号上表皮气孔长度显著减小(P<0.05),复水后仍继续减小,但较干旱处理差异不显著;鲁谷1号下表皮气孔长度较CK增加但差异不显著,复水后继续增长,显著高于CK。综上所述,干旱胁迫后复水,抗旱品种济谷16通过根分枝数和根尖数的增加以及叶片泡状细胞面积、气孔密度快速恢复,使其表现出更强的形态适应性和自我调节能力。

不同氮素形态配比对花榈木幼苗根系生长及氮代谢关键酶活性的影响

为探究最适于花榈木幼苗生长的氮素形态配比,采用氮素形态配比为NH_(4)^(+)∶NO_(3)^(-)=10∶0、5∶5、0∶10及以改良霍格兰标准营养液为对照的营养液,共4个处理,对花榈木1 a生幼苗进行处理。结果表明,处理期间氮素配比为NH_(4)^(+)∶NO_(3)^(-)=5∶5时,花榈木幼苗根系形态指标及硝酸还原酶和谷氨酰胺合成酶活性均显著大于其他处理,可知花榈木幼苗根系喜欢混合氮源,且铵硝1∶1均衡配比更利于氮素吸收和代谢,而单一氮源营养液对于花榈木幼苗生长的促进效果不佳,其中全铵营养液会抑制幼苗生长,降低硝酸还原酶活性。

不同施氮量对小麦蚕豆间作体系中产量和根系特征的影响

通过盆栽试验,以小麦(Tricum aestivum)和蚕豆(Vicia faba)为研究对象,分别设置根系分隔[尼龙分隔(MB)、塑料分隔(PB)、无分隔(NB)]3种种植方式,系统探讨间作条件下,不同施氮量小麦、蚕豆根系形态变化特征,为进一步探明间作体系作物的增产机制提供依据。结果表明:随施氮量增加,小麦产量增加;蚕豆根系直径、表面积增加。低氮量条件(N/2)下,与塑料分隔(PB)和尼龙分隔(MB)相比,无分隔(NB)小麦根长分别增加0.66%和2.61%,根系表面积分别增加56.14%和52.75%,比根长分别增加18.55%和64.92%,比表面积分别增加64.04%和82.98%;无分隔(NB)蚕豆产量分别增加26.29%和34.84%,根系干重分别增加35.1%和45.4%,根系表面积分别增加72.66%和29.12%,根系直径分别增加66.67%和14.82%,根系体积分别增加9.55%和5.91%,比表面积分别增加165.62%和134.76%。小麦产量与根长和根系表面积呈正相关,而蚕豆产量与根长呈负相关,与根系比表面积呈正相关。不同间作体系,作物之间根系形态变化是影响产量变化的表面驱动因子,低氮量环境下,根系间作程度越高,效果越明显。

根系分隔方式对燕麦/豌豆间作地上生物量、土壤养分及根系性状的影响

为了解燕麦/豌豆间作系统中根系分隔对地上生物量和土壤养分的影响,本研究设燕麦单作、豌豆单作、燕麦豌豆间作不分隔、尼龙网分隔和塑料膜分隔共5个处理,分析了燕麦/豌豆间作后株高、地上生物量、土壤养分和根系性状的变化。结果表明,塑料膜分隔处理降低了燕麦株高和间作地上生物量,其土地当量比小于1,而尼龙网分隔、不分隔处理的土地当量比大于1,间作优势明显。塑料膜分隔处理的土壤有机质含量较尼龙网分隔和不分隔处理降低了14.75%~78.53%,有效磷含量降低了9.31%~29.73%,土壤全氮含量在拔节和开花期的根系分隔处理中无显著变化(P>0.05),灌浆期塑料膜分隔较尼龙网分隔和不分隔处理分别降低了22.16%和18.38%,成熟期不分隔处理较塑料膜分隔高10.83%(P<0.05)。对豌豆而言,塑料膜分隔处理的土壤有机质含量显著高于不分隔和尼龙网分隔。此外,不分隔处理的燕麦根长较尼龙网分隔、单作和塑料膜分隔分别增加了43.03%、59.02%和96.38%;根表面积分别增大了14.84%、30.20%和45.55%;根体积分别增加了17.37%、38.15%和106.15%。由此可见,燕麦/豌豆间作显著影响了作物的根系性状,使根系对土壤养分的竞争力发生了变化,从而影响了地上生物量;根系互作越紧密,燕麦和豌豆的地上生物量越高;根系无互作的塑料膜分隔导致燕麦根系生长较差,土壤养分含量较低,间作生物量较低。

连作烟草根系分泌物鉴定及潜在化感物质的筛选研究

为探索长期连作状态下烟草根系分泌物内含有的化感物质组成成分,设置石英砂栽培和连作土壤栽培2种烟草培养处理,对2种烟草不同生长时期的根系分泌物进行提取,利用超高效液相色谱串联质谱(ultra-high performance liquid chromatography tandem mass spectrometry,UHPLC-MS/MS)对提取的根系分泌物进行分析,通过数据库比对、差异分析和时间聚类分析等方法筛选连作烟草根系分泌物中潜在的化感物质。结果表明,共筛选出11类潜在化感物质,分别为生物碱、萜类、胺类、有机酸、苯酸及其衍生物、脂肪酸、酚类、氨基酸和多肽、香豆素、肉桂酸及其衍生物和其他。生物碱、萜类、胺类和有机酸4类化合物相对含量占所有化合物的73.3%。L-烟碱、熊果酸、β-氨基丙腈、5-羟基吲哚乙酸、早熟素Ⅱ、单乙基己基邻苯二甲酸、己内酰胺、姜酚、L-乳酸、邻苯二甲酸二乙酯和2,3-二氢-3,5-二羟基-2-氧代-3-吲哚乙酸甲酯是连作烟草根系分泌物中相对含量较高的潜在化感物质。研究结果为烟草根系化感物质的化感作用研究及缓解烟草连作障碍方法研究提供理论基础。

水培条件下火龙果根系形态和生理过程对供磷水平的响应

磷是作物生长必需的大量元素,参与体内重要生理生化过程。火龙果是热带、亚热带地区重要经济作物,高额的果实磷含量和巨大的产量使得火龙果对磷的需求量极高。然而,火龙果磷吸收特性以及根系形态和生理过程与磷高效吸收之间有何关系尚不清楚。本研究以国内主要火龙果品种软枝大红为研究对象,采用水培实验,设定0、0.01、0.1、0.5、1.0 mmol/L共5个不同磷浓度梯度,探究不同施磷浓度下火龙果根系形态和生理过程的变化,分析地上部磷以及其他营养元素的含量,阐明磷高效利用的根系形态和生理过程机制以及供磷对火龙果其他营养元素吸收的影响规律。研究结果表明,与对照相比,供磷并未影响火龙果地上部生物量的积累。火龙果枝条磷吸收量及磷浓度随着供磷浓度的升高而增大。0.1 mmol/L处理的总根长以及直径≤0.05 mm的细根数量显著高于其他处理;1.0 mmol/L处理的总根长中直径≥2 mm的粗根数量高于其他处理。0.01 mmol/L处理总有机酸含量最高,根系阳离子交换量(cation exchange capacity)含量较高;与对照相比,1.0 mmol/L处理下有机酸分泌速率降低,根系阳离子交换量(CEC)含量下降。其他营养元素吸收方面,母枝及一级侧枝中,铁元素的吸收浓度表现出随着施磷浓度的升高逐渐下降。二级侧枝中氮、钙、镁、锰、锌等元素均随着施磷浓度的升高逐渐下降,呈显著负相关关系。本研究表明,适度供磷(0.01 mmol/L或0.1 mmol/L)能够促进火龙果根系生长以及根系有机酸分泌和离子吸收能力,而过量供磷(1.0 mmol/L)会显著抑制火龙果根系生长,同时显著降低地上部枝条中、微量元素的吸收。因此合理施用磷肥,对火龙果自身发挥根系生物学潜力,为植株中、微量元素营养均衡起到关键作用。

降雨集流渗灌条件下红梅杏根系分布研究

为了明确降雨集流渗灌技术在宁南山区红梅杏种植中解决缺水问题的实际效果,以5年生红梅杏果树为研究对象,设置自然条件(NAT)和覆膜安装渗灌器(RCII)两种处理,采用分层分段挖掘法挖掘根系,并对比分析根长密度分布。结果表明:通过降雨集流渗灌技术所集蓄的水量可以促进红梅杏根系更好的生长,解决缺水问题。在RCII条件下,在地表以下0~100 cm内,根长密度随深度的增加而减少。此外,在RCII条件下,沿行距方向和45°方向的根长密度的对比,证明了渗灌器集流对根系进行水分补充的有效性。通过对行距、株距、深度、根长密度进行偏相关分析和多独立样本非参数检验,发现行距(安装渗灌器)、株距(未安装渗灌器)对根长密度在水平方向的分布并未产生明显区别(显著性P>0.05);地下深度60~80 cm是影响根长密度分布的关键区间。综上,降雨集流渗灌技术对解决宁南山区红梅杏旱地种植过程中的缺水问题具有积极作用,具有较好的推广前景。

干旱胁迫对彩菊切花幼苗根系构型和生理活性的影响

以6个品种彩菊切花幼苗为试材,通过盆栽和人工浇灌20 mmol·L^(-1)浓度PEG 6000模拟干旱胁迫处理,探究彩菊切花在干旱胁迫第5、10、15、20天时根系构型和生理指标变化,选出抗旱性强、适应宁夏地区大面积推广与种植的优良彩菊切花品种,以期为西部干旱地区菊花品种的推广提供参考依据。结果表明:随着干旱胁迫的持续,彩菊切花的根系总长度、根系总表面积、根系总体积与总根系指标的关联程度较大。除根系总体积外,根系平均直径与其他根系指标不存在相关性。与正常浇水相比,不同品种彩菊切花的叶片相对含水量和叶绿素含量不断下降,相对电导率和可溶性蛋白质含量升高,丙二醛和可溶性糖含量先上升后下降,过氧化物酶活性呈先下降后上升趋势,超氧化物歧化酶活性呈先上升再下降最后上升的趋势。

不同硝态氮水平下钙对小麦根系发育的影响

为探讨不同硝态氮供应水平下外源钙对小麦根系生长发育的影响,通过水培实验,在不同浓度硝态氮(0、2.5、50.0 mmol·L^(-1))下设置0 mmol·L^(-1)CaCl_(2)(缺钙)、2 mmol·L^(-1)CaCl_(2)(正常供钙)和2 mmol·L^(-1)CaCl_(2)+6 mmol·L^(-1)EGTA(Ca^(2+)螯合剂)三个外源钙梯度,比较分析了不同处理下小麦地上部鲜重及根系长度、表面积等形态指标的差异。结果表明,与2.5 mmol·L^(-1)硝态氮处理相比,0和50 mmol·L^(-1)(高浓度)硝态氮供应下,小麦地上部鲜重、侧根长度、根系表面积、根系体积均明显减少,根系生长受到抑制。无硝态氮(0 mmol·L^(-1))供应下,缺钙与EGTA施用对小麦根系侧根长度、侧根总数、次生根数、平均侧根长度均无明显影响。在硝态氮供应条件下,缺钙与EGTA施用后小麦根系伸长受抑,初生根长度、侧根长度、根系总长度均显著变短;一、二级侧根数及侧根总数和根系表面积均明显减少;直径>0.45 mm的根系所占比例增加,根系变粗。缺钙和添加EGTA对小麦根系生长发育影响表现一致。综合分析,硝态氮供应水平对小麦根系生长发育具有重要调控作用,外源钙可能参与了硝态氮的这一生物学功能。

低温胁迫及灌水对不同抗低温小麦品种根系生长和活性的影响

为了解春季低温胁迫下小麦根系形态性状和生理功能的变化及其与品种抗低温能力的关系,同时明确低温灾害来临前灌水对小麦根系伤害的缓解效应,采用室外盆栽方式,以强抗低温品种百农207和弱抗低温品种周麦18为材料,研究了不同抗低温小麦品种的根系生长发育特征及灌水对低温胁迫的缓解效应。结果表明,拔节期低温胁迫(T1)处理下,小麦单株总根长、根体积、根干重和根系活力随生育期的推进均呈先升后降的变化趋势,单株次生根数呈下降趋势;孕穗期T1处理下,单株总根长、根体积、次生根数和根干重均呈下降趋势,根系活力呈上升趋势。拔节期和孕穗期T1处理下,强抗低温品种百农207的根系性状变化幅度较小,单株次生根数、根系活力和产量均显著高于弱抗低温品种周麦18。相对于T1处理,灌水+低温胁迫(T2)处理下单株次生根数增加,其中弱抗低温品种周麦18变化显著。经相关分析、多元逐步回归和通径分析,春季T1处理下,抗低温品种具有较高的单株次生根数和根系活力,其中拔节期和孕穗期的T1处理下孕穗期根系活力、开花期单株根干重及孕穗期单株次生根数对产量贡献较大,T2处理下孕穗期和蜡熟期的单株次生根数贡献较大。综合来看,春季低温胁迫下,较高的根系活力和单株次生根数对小麦产量具有重要作用,而低温胁迫前灌水主要通过提高小麦生育后期的单株次生根数而增加产量。

利用X射线CT技术研究根系三维构型的进展

【目的】X射线CT扫描具有非破坏性、高分辨率等特点,近年来被广泛应用于研究植物根系三维构型。本文介绍了X射线CT技术研究植物根系的原理和方法,并重点阐述了CT图像提取和定量根系的方法。【主要进展】X射线CT可以穿透土体进而获取土体三维结构,并能通过图像分析准确定量土体内部的细节特征(如根系、孔隙等)。目前根系结构研究中应用的CT主要有医用CT、工业显微CT、同步辐射CT等,分别用于研究不同大小和分辨率要求的样品。应用CT扫描根系样品时,样品的制备和扫描参数的选择非常重要,样品的尺寸、容器的材质、扫描功率和扫描时长等因素都会影响CT图像质量。CT图像中提取根系的方法包括全局阈值法、区域生长法、根系追踪法、深度学习法等,结合图像预处理和后处理能更完整地提取根系。利用ImageJ、Rootrak、RooTh等软件,可以定量根系形态学参数(体积、根长、直径等),还可以分析根系三维分布特征(根系生长角度、根系生长深度等)。【展望】从CT图像中提取根系的算法在实际应用中仍存在很多问题,开发提取根系的先进算法,准确获取根系三维构型并将其定量表征,仍将是CT技术用于根系研究的重要方向。由于CT设备性能的特点,扫描样品尺寸和图像分辨率的矛盾仍然是关键问题,X射线CT硬件设备的创新和发展对其在根系研究中更加广泛和有效的应用具有重要意义。

不同时期水分胁迫对大豆根系特性及产量的影响

为揭示抗旱基因型大豆根系应答干旱胁迫的响应机制,于2020年在辽宁省沈阳市开展盆栽试验,以抗旱基因型和干旱敏感型大豆为试材,探讨干旱(W1,土壤含水量为田间持水量的50%)、轻度干旱(W2,土壤含水量为田间持水量的60%)、适宜水分(W3,土壤含水量为田间持水量的80%)对大豆根系特性和产量的影响。结果表明:同一时期控水,W1和W2条件下,抗旱品种“辽豆14”的总根长和根表面积优于干旱敏感型品种“辽豆21”。一般情况下,平均根直径为0~0.5 mm的根长比例表现为:“辽豆21”>“辽豆14”,而平均根直径为0.5~1.0 mm的根长比例却表现为:“辽豆14”>“辽豆21”。随着生育进程的推进,大豆地上部鲜重、地上部干重、根干重逐渐累积,鼓粒期达最大值;一般情况下,同一控水时期,随着土壤含水量的增加,同一品种地上部鲜重、根鲜重、地上部干重、根干重值逐渐增加,但抗旱品种“辽豆14”的值一般优于干旱敏感型品种“辽豆21”。随着生育进程的推进,根冠比鲜重和根冠比干重值降低;土壤干旱提高了植株的根冠比。各个时期控水,品种和水分均显著影响了大豆的单株产量,干旱(W1)和轻度干旱(W2)均降低了2品种的单株产量,但抗旱品种“辽豆14”引起产量下降的值更低。干旱胁迫条件下,抗旱基因型大豆在总根长、根表面积、地上部干重、根干重、产量以及平均根直径为0.5~1.0 mm的根长比例方面,表现出优于干旱敏感型品种的优势。