“根系生物学”:一个新兴的研究领域

作为现代生物科学的一个新分支,根系生物学(Root Biology或Radical Biology)是近年来发展起来的一个边缘交叉学科,它的研究目的是从人们往往忽视的植物地下部分——根系入手,了解并利用根系及其微生态系统的特性和功能,从而为植物的生长调控、遗传改良提供理论基础。该学科的研究内容包括根系的形态、生理、遗传特性与植物功能。

根系生物学:农业研究领域的新热点

根系研究一直以来只是作为植物生物学的一部分，由于研究难度和人们的认识水平的限制，人们对植物研究的重点大都在地上部，而对根部的研究不太重视。然而，根系是连接土壤与植物地上部之间物质交换的重要桥梁，一个强壮的根系是支撑和哺育蓬勃茂盛株冠的基础。近年来国外对植物根系的专门研究日趋重视，从而兴起了一门新的前沿学科——根系生物学（root biology）。从此根系生物学的研究如火如荼，成为农业研究领域的新热点。如下几个方面的研究工作是人们的关注重点。

烟草磷效率的基因型差异及其与根系形态构型的关系

以17个具有代表性的主要烟草基因型为材料,通过盆栽试验和培养基栽培试验,研究烟草磷效率的基因型差异及其与根系形态构型的关系,为磷高效烟草品种选育提供理论依据.结果表明,施磷肥能够显著增加各供试烟草基因型的生物量及氮、磷和钾的累积量;供试烟草的磷效率和氮、钾累积量存在显著基因型差异,土壤盆栽试验中,低磷条件下的云烟85生物量和磷累积量分别是NC82的4.06倍和3.34倍,氮和钾累积量分别是K358的4.06倍和3.75倍;供试烟草可划分为磷低效低产型、磷低效高产型、磷高效高产型、磷高效低产型等4种类型,其中的云烟85、K326、云烟2号、RG11和红花大金元属于磷高效高产型,是现代磷高效高产品种选育的理想材料.供试烟草基因型的根系形态构型与其磷效率显著相关,与磷低效低产型烟草G28和许金1号相比,磷高效高产型烟草云烟85和K326在高低磷条件下根系均较发达,总根长和根表面积均较大;磷有效性对烟草根构型具有调节作用,在缺磷条件下,磷高效基因型具有浅根根构型,而磷低效基因型具有深根根构型.

植物根系生长的三维可视化模拟

利用模拟植物形态结构的L系统理论结合计算机图形学方法建立了模拟植物根系生长的三维可视化模拟系统。并利用随机参数L系统方法对豆科作物根系的生长过程进行了模拟。

不同磷水平下大豆根系性状的遗传特性分析

在田间两种磷水平下,应用大豆RIL群体对根总长、根总表面积、根宽、根冠比、根干重和根磷含量等6个根系性状参数和6个涉及植株磷含量、生物量及产量性状的指标进行遗传特性研究,结果发现在不同磷水平下,大豆重组自交系群体根系性状的变异幅度较大,符合正态分布的特征。土壤磷水平不仅促进了大豆根系形态的变化,同时也影响到根系构型的改变。低磷胁迫条件下,根系性状与植株磷含量、生物量及产量之间呈极显著相关关系,并且这些根系性状都具有较高的广义遗传率(0.47～0.60),可以作为选择指数应用于作物磷营养效率的遗传改良中。在根系性状的6个指标中,以根总长、根总表面积、根干重、根磷含量等4个参数与植株吸磷量、生物量及产量的关系最为密切,可以作为评价不同磷水平下植物基因型差异的可靠指标,而根宽和根冠比则可作为特定的磷胁迫条件下基因型差异的筛选指标。

作物磷效率相关性状的QTL分析研究进展

土壤缺磷是作物生产的主要限制因素之一。利用遗传育种的途径选育磷高效的作物新品种,结合传统的改土施肥方法,是经济、环保地解决土壤缺磷问题的有效措施。数量性状座位(QTL)的定位分析为磷效率的数量性状遗传学研究和磷高效品种的选育提供了有效的手段和途径。本文对近年来利用分子标记对磷效率及其相关性状进行数量性状QTL定位分析的研究成果进行了综述,讨论了作物磷效率遗传改良存在的问题,展望了该领域的发展前景。

基于遗传算法的原位根系CT图像的模糊阈值分割

原位根系CT图像的精确分割是实现植物根系3维重建和定量分析的重要基础。为了对原位根系CT序列图像进行准确、有效的分割,针对原位根系CT序列图像固有的模糊性特征,设计了一种基于遗传算法的模糊多阈值图像分割方法。该方法首先通过直方图分析确定了原位根系3维分割的初始阈值范围;然后通过设计一种模糊隶属度函数,将图像模糊划分为若干个不同的区域;最后采用最大模糊熵准则,并借助遗传算法寻找确定了一组序列图像的最佳分割阈值。编程实验结果证实,该算法不仅能更加准确、有效地对植物根系原位CT序列图像进行分割,并可提高图像阈值分割的精度和效率。

一种更有效的根构型研究纸培系统

在原有营养袋纸培系统的基础上,改进了磷供应方式,研究了介质磷空间有效性对大豆根构型的调控及基因型差异.结果表明:1)改进后的分层磷处理导致的介质磷空间有效模拟了农业生产系统中有效磷的分布,能够更高效地调控大豆根构型.在上层高磷下层低磷的分层磷处理中,大豆总根长和总根表面积增加、平均基根生长角度变小、根系分布变浅、植株磷吸收和生物量提高.2)改进后的分层磷处理导致的介质磷空间有效性对大豆根构型的调控基因型间差异显著.磷高效大豆基因型HN89比磷低效基因型HN112对磷空间有效性变化的反应更快,总根长和总根表面积的变幅更大,磷含量和生物量更高.

茶树与大豆间作效应分析

【目的】分析幼龄茶树与大豆间作对土壤养分状况、茶叶生长、病虫害防治等的影响。【方法】采用两个大豆品种和两个茶树品种,分春、夏两季在广东省农业科学院茶叶研究所英德基地酸性土茶园进行田间试验,分别调查了茶、豆间作对土壤pH、氮、磷、钾、钙、镁等养分状况,茶树株高、株宽及百芽重等生长指标以及杂草控制和病虫害防治等的影响。【结果】幼龄茶园中间种大豆,大豆秸秆回田后能改良土壤养分状况,能显著降低交换性铝含量,提高土壤pH值,增加土壤有机质、有效氮和全氮含量;茶、豆间作能有效促进茶树生长,增加茶叶产量、增强幼龄茶园的树势、培养树冠,为成龄茶园的丰产打下基础;茶、豆间作还能有效改善茶园小气候、减少虫害和杂草的发生,从而显著地提高茶园的经济效益。【结论】选择适宜的大豆品种进行茶、豆间作,在增收两季大豆的情况下,能提高土壤肥力,改善微生态环境,提高茶叶产量,是一种生态和经济效益俱佳的栽培方式。

不定根形成与植物激素的关系

不定根形成的关键是其原基的形成,是一个受激素调控的复杂过程,生长素起关键的调节作用。该文介绍生长素、乙烯、细胞分裂素、赤霉素、脱落酸和其它植物生长调节物质在不定根形成中的作用,并讨论了它们之间的相互关系。

不同根构型大豆对低磷的适应性变化及其与磷效率的关系

【目的】探讨土壤低磷胁迫下大豆的根形态、构型适应性变化的基因型差异及其与大豆生长和磷效率的关系。【方法】采用具有不同根构型和磷效率的51个大豆品种,分别在广东省博罗县和英德县两个试验点的酸性缺磷红壤上,分春播和夏播两个季节进行田间试验,测定低磷、高磷处理下根形态、构型的差异及其与大豆生长和磷效率的关系。【结果】低磷处理下供试大豆基因型间生物量和产量具有极显著的基因型差异;供试大豆基因型的根形态、构型与磷效率密切相关,浅根型大豆根系具有合理的三维空间分布和较长的总根长,其磷效率和产量最高;低磷条件下,浅根构型和深根构型的大豆基因型根构型可塑性最小,中间根构型的大豆供试材料根构型最不稳定,可塑性最大。【结论】缺磷是供试酸性红壤上大豆生长的主要限制因子之一,大豆具有适应低磷土壤的遗传潜力;土壤中磷的有效性等环境因素对根构型具有调节作用;具有较好根形态构型的大豆基因型有利于从耕层土壤中吸收有效磷和其它养分,其产量和磷效率均较高。

磷有效性对大豆菌根侵染的调控及其与根构型、磷效率的关系

以30个不同根构型的大豆基因型为材料,通过盆栽试验,研究了生长介质磷有效性对大豆接种摩西球囊霉属丛枝菌根真菌的影响及其与根构型、磷效率的关系.结果表明:生长介质磷有效性显著地影响大豆菌根真菌的接种效果.低磷条件下接种菌根真菌效果明显,菌根侵染率较高,菌根对大豆磷吸收的贡献率较大;高磷条件下接种菌根真菌效果不显著,菌根侵染率较低,菌根对大豆磷吸收的贡献率较低.磷有效性和大豆根构型对菌根真菌接种的影响具有交互作用.低磷条件下,中间型和深根型大豆的菌根侵染率最高,浅根型最小.高磷条件下,根构型与菌根侵染率间的关系不明显.根构型和菌根侵染状况对大豆磷效率的贡献存在互利互补关系,磷效率高的大豆基因型一般具有较好的根构型或较高的菌根侵染率.

酸性红壤中磷高效大豆新种质的磷营养特性

采用一系列磷高效大豆新种质及对照材料,在华南酸性红壤地区3种不同磷水平的代表性土壤上,分春、夏两季研究了不同大豆品种的磷营养特性,探讨了不同大豆品种(系)在不同磷水平土壤上的最佳施磷量及其经济效益。结果表明,1)土壤有效磷含量是影响酸性红壤地区大豆生产的重要因素,无论从地上部生物量、磷吸收量还是产量来看,所有供试品种均表现出高磷>中磷>低磷土壤的趋势。2)施磷对低肥力土壤上大豆产量的影响较大,对中等肥力土壤影响较小,而对高肥力土壤,施磷肥反而造成大豆减产;过量施用磷肥会造成大豆对磷的"奢侈吸收"。3)大豆的磷营养特性具有显著的基因型差异,因而需要不同磷养分管理方式。4个磷高效大豆新种质在低肥力土壤上仅需施用少量磷肥,在中、高肥力土壤上不需施磷即可满足生长需要。经济效益分析结果表明,磷高效品种无论在低肥力还是在中、高肥力土壤上,其纯收入均远高于本地和国家大豆区域试验对照品种。

基于图像重建的根系三维构型定量分析及其在大豆磷吸收研究中的应用

植物根系三维构型的定量描述和分析是研究植物根系生长及对养分吸收利用等营养功能的重要手段之一,但迄今尚无定量测定三维根构型参数的有效方法.本研究通过数码摄像机旋转拍摄物体获得根系多视角二维图像,并根据根系基本结构特征,创建了适合根系等线状物体三维图像的快速重建算法,重建了植物根系图像,获得根系三维构型的数字化模型及其骨架.以此模型和骨架为基础,获得直径大于0.3mm大豆根系的主根长、总根长、平均基根角度、根宽深比、介质不同层次根长分布率以及根系在生长介质中不同三维区域的分布率等三维根构型参数,并分析了这些参数与大豆生物量和磷吸收量等生长指标之间的相关关系.本研究可以为研究植物根系生长及其营养功能提供一种新方法.

缺磷对不同磷效率基因型大豆光合日变化的影响

用1/2Hoagland营养液培养磷高效大豆基因型BX10和磷低效基因型BD2,缺磷胁迫15d后测定其光合、光呼吸、暗呼吸的日变化,并进一步探讨了影响上述过程的原因。结果表明:缺磷使两基因型光合速率(Pn)显著下降,但BX10仍高于BD2(尤其在上午);缺磷对PSⅡ光化学效率(Fv/Fm)和胞间CO2浓度(Ci)的影响无规律可循,与Pn的相关性也不显著;缺磷显著降低大豆气孔导度(Gs),并与Pn呈极显著正相关(r=0.753,P<0.001)。暗呼吸(Rd)与Pn日变化趋势相近(r=0.706,P<0.01),但缺磷对其影响不大;缺磷下光呼吸(Pr)显著下降,而Pr/(Pn+Pr)在BX10中却相对提高。光呼吸相对加强可能有助于磷高效基因型回补叶绿体光合作用所需的无机磷(Pi)。

植物根构型的定量分析

植物根系具有锚定植株、吸收和运输土壤中的水分及养分、合成和贮藏营养物质等重要功能。根构型是根系在土壤中的空间造型和分布。对植物根构型进行定量分析,有助于人们了解根系结构和根系功能在生态系统中的重要作用。本文对植物根构型的概念及其定量分析研究进展进行了概述,并介绍了植物根构型的主要研究方法和定量分析技术。

缺磷对大豆叶片显微结构及光合作用的影响

采用1/2浓度Hoagland营养液培养磷高效基因型大豆BX10和磷低效基因型大豆BD2,缺磷胁迫15 d后研究其叶片显微结构和光合作用变化的基因型差异及其关系。结果表明:缺磷胁迫下大豆叶片的显微结构发生了适应性变化,叶片厚度、栅栏组织厚度和海绵组织厚度与光合速率及磷效率相关性不大;BX10与BD2相比,磷效率高归功于其较大的光合面积、较多的栅栏组织细胞(光合作用的主要细胞)及其较大总液泡面积,即在缺磷胁迫下BX10在磷利用方面表现出了较高的细胞分裂和增生速度而不是细胞增大和伸长的速度。缺磷胁迫下叶片气孔保持一定的开度对维持光合作用的正常进行较为重要。

柱花草适应酸性缺磷土壤的基因型差异及可能的生理机制

通过田间和水培试验,探讨了柱花草适应酸性缺磷土壤的基因型差异及其可能的生理机制.田间试验表明,12个供试柱花草对酸性缺磷土壤的适应性具有显著的基因型差异,并且这种差异主要来自于磷效率的高低.其中头状柱花草(Capitata)、马弓形柱花草(Fine stem)、Mineirao柱花草(Mineirao)和CIAT1517柱花草(CIAT1517)属于磷低效不敏感型;热研2号柱花草(Reyan2)、热研5号柱花草(Reyan5)、GC1581柱花草(GC1581)和TPRC2001-1柱花草(TPRC2001-1)属于磷高效敏感型;西卡柱花草(Seca)属于磷高效不敏感型,有钩柱花草(Verano)、灌木柱花草(Seabrana)和TPRC2001-2柱花草(TPRC2001-2)表现不稳定.在田间试验结果的基础上,挑选出适应性差异较大的TPRC2001-1、Fine stem和Verano进行水培试验,结果发现,在水培条件下,柱花草的磷效率和磷吸收效率具有明显的基因型差异,而磷利用效率基因型间差异不显著.此外,虽然低磷胁迫能显著提高供试柱花草叶部和根部酸性磷酸酶的活性,但其基因型差异不显著.表明柱花草对酸性缺磷土壤的适应性具有显著的基因型差异,并且这种差异主要来自磷吸收效率,而与酸性磷酸酶活性等磷利用效率指标没有直接的相关关系.

磷有效性与植物侧根的发生发育

文章概述了植物侧根的不同发生发育阶段的形态、生理和分子生物学基础以及磷有效性在侧根发生发育过程中的调控作用,并对这一研究领域的前景作了展望。

转枯草芽孢杆菌植酸酶基因烟草对不同介质中植酸磷的吸收利用

利用转入枯草芽孢杆菌植酸酶基因的不同烟草株系,分别在无菌培养基、砂培和土培试验中研究了转植酸酶基因烟草对植酸磷的吸收和利用.结果表明,在无菌培养基试验中,所有转植酸酶基因烟草对植酸磷的吸收利用能力均显著高于野生型,其生物量比野生型提高了3.6～10.7倍,总磷吸收量提高了2.2～4.6倍;在沙培和土培中,转植酸酶基因烟草对植酸磷的吸收利用与野生型相比,生物量和总磷吸收量差异不显著.这说明转植酸酶基因在无菌条件下可以提高植物吸收利用植酸磷的能力,但是在自然条件下,由于微生物分解或矿物固定等原因,其作用不稳定,需要进一步研究克服土壤中的限制因素,才能使转基因植物充分发挥作用.