作物根系结构对干旱胁迫的适应性研究进展

干旱是影响植物生长和作物产量的重要环境因素,全球性的气候变化更加剧了干旱胁迫对作物生产和粮食产量的影响。根系是植株吸收水分的主要器官,它能够调节自身生长发育和对水分的吸收和运输从而对干旱胁迫产生适应性,因而根系在作物适应干旱缺水环境中发挥重要作用。从根系构型和根的解剖结构两方面总结了作物根系形态结构对干旱胁迫的适应性研究进展,并分析了目前根系结构研究方法的现状,指出通过研究方法和技术手段的进步和创新,实现根系表型特征全面、快速和精准鉴定将是未来的发展趋势,这将为抗旱节水作物品种的筛选和评价提供理论指导。     

作物根系形态对施肥措施的响应

氮磷钾是植物生长所必需的营养元素,但土壤中植物能利用的有效成分低,限制作物生长发育,而植物可以形成特有的适应机制来应对不同的生长环境。本文综述了作物为适应不同施肥条件所产生的一系列根系形态学变化。分析了不同施肥处理对作物根系形态指标(根长、根表面积、根直径、根体积和根冠比等)的影响：氮对作物影响主要在侧根,低氮胁迫下,根系纵向伸长,增加根长、根体积;低磷条件下,植物普遍抑制主根生长,刺激侧根发育生长,诱导根毛形成;缺钾抑制细根生长,根表面积、根体积等也显著降低;普遍随元素水平的提高,作物根长、根体积、根直径、根表面积和其他根系特征均呈先增加后减少的趋势,植物根系发育产生“低促高抑”的现象;有机肥比化肥可以弥补化肥养分单一和供肥不平衡的缺点,与化肥配合施用更能促进根系生长发育,增加根系体积和总表面积;作物不同基因型品种对肥料胁迫的响应也不尽相同,高效基因型具有良好的根系形态和根系分布,以获得更多的养分。为有效利用有限的肥料资源以及高效作物品种的选种提供理论基础,对作物进一步达到经济收益最大化和环境污染最小化具有重要意义。     

干旱胁迫下小麦抗旱能力与其根系特征间的关系

【目的】研究不同基因型小麦抗旱能力的遗传差异与其根系特征间的关系。【方法】采用-1.0MPa PEG-6000模拟干旱胁迫,测定抗旱型小麦长武134和干旱敏感型品种郑引1号在干旱胁迫下根系的含水量、相对含水量、水分饱和亏、根体积、可溶性蛋白含量、膜透性等生理指标,比较2个品种的根系对干旱胁迫的生理学响应;并通过观察样品根系组织的石蜡切片,分析在受到胁迫后根系解剖结构的变化。【结果】与郑引1号相比,在受到干旱胁迫时,随着胁迫时间的延长,长武134根系的含水量、相对含水量、可溶性蛋白含量和根体积等指标下降更缓慢,水分饱和亏和膜透性上升缓慢,总体表现出更强的抗旱性。根系组织石蜡切片观察表明,长武134出现了根部导管直径减小以及根内皮层增厚等有利于植物适应干旱胁迫的现象,且这些变化较郑引1号更为明显。【结论】受干旱胁迫后,抗旱小麦根系的生理指标及形态结构的特征,是植物抗旱生理基础和形态基础的反映。     

miRNA及其靶基因调控植物根系生长发育的研究进展

为阐明microRNA(miRNA)及其靶基因调控植物根系生长发育的分子机制,依据PubMed、Web of Science和中国知网数据库,以“miRNA”、“植物”和“根系”为关键词,检索了1993—2021年发表的相关文献,进行整理和归纳,分析了miRNA及其靶基因对植物根系的调控机理。结果表明：1）根系生长发育是一个复杂且高度有序的生物学过程,众多的miRNA及其靶基因参与调控。2)miRNA通过互补配对的方式对靶基因进行转录切割或翻译抑制,在转录后水平调控根系生长发育相关基因的表达。3)miRNA介导的根系生长发育调控在主根生长、侧根形成、不定根发育、根系形态结构、维管束形态、植物激素诱导、生物和非生物胁迫响应等方面发挥着重要的调控作用。     

马铃薯StDRO2基因的生物信息学分析

[目的]根系构型对植物生长发育起到重要作用,DEEPER ROOTING 1(DRO1)基因参与调控植物根生长角度.但是马铃薯DRO1同源基因的生物学信息还不清楚.[方法]本研究利用生物信息学软件分析了马铃薯中StDRO2蛋白的理化性质、亚细胞定位、保守结构域、系统发育树及蛋白质结构.[结果]发现马铃薯StDRO2基因...     

基于虚拟植物技术的冬小麦根系3D构型测试与分析

【目的】构建一套由硬件和软件集成且完整而适用的虚拟植物根系技术,定量描述稻茬田冬小麦根系的三维几何构型特征。【方法】自主设计制作“根系构型数字化仪”,该数字化仪为纯机械结构,分别设有一个水平回转臂、一个横向滑动臂和一个竖向滑动臂,回转臂与滑动臂都配有标尺,且3者的组合运动能保证测头在3D范围测取任一点的空间坐标。测量时将置于工作台的根区土壤按3-5 mm厚度逐层清除并进行根系构型数字化,从而测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,实现小麦根系实体构型的数字化。将实测的小麦根系构型数据导入Pro-E软件平台,利用软件的3D造型技术完成小麦根系构型的虚拟重构,实现计算机虚拟根系与实体根系的一致性。利用软件的分析工具对虚拟重构的小麦根系构型进行计算分析,定量小麦不同时期根系的三维空间构型、根系的土体空间搜寻能力、根系总长以及根系平均增长率等指标的变化,通过不同的指标反映田间土壤环境下真实小麦根系构型的时空动态。【结果】植物根系构型数字化仪能够提供＜1 mm的测试分辨率,操作使用方便,耐污染、抗干扰能力强,对工作环境要求不高,可满足作物根系三维空间几何构型测试要求,而使用Pro-E的小麦根系三维空间几何构型重构技术也便于根系构型的深度计算与分析。冬小麦的根系构型分析结果表明,该虚拟根系技术能够直观展示小麦生长期不同时间节点的根系构型状态特征及土体空间搜寻动态,根系构型图可以反映各时期小麦根系在土体中的纵深拓展和周向扩展状态。同一时期植株个体的根系构型变异性较大,越冬期小麦根系很浅,在返青及分蘖旺期小麦的根系迅速向深层土层中伸展,拔节期根系爆发迅速。【结论】由软硬件单元组构的虚拟植物根系三维空间几何构型的测试与分析方法是准确定量根系动态、根-土关系、根系拓扑特征、根系动态空间行为指标等作物根际生理生态行为的技术保障,其不仅直观展示了水稻土条件下冬小麦根系空间几何构型在不同时期的空间拓展状况,也能够定量根系构型的动态,因此能够满足作物根系三维空间几何构型分析的实用要求。     

环境胁迫对植物根系形态的影响

根是植物获取养分和水分的重要器官,易受环境因子(水分、温度、土壤、光照等)的影响,植物通过改变根系形态(根长、根面积、直径、组织结构及空间构型等)以适应环境胁迫。根系形态的改变也会反作用于根际土壤微环境,影响植物根系的生长和发育。植物根系形态的环境可塑性对于一些根类药材的品质形成而言具有重要意义。总结了环境胁迫因子对植物根系形态的影响及作用机制,为探究环境因子对植物根系的可塑性调控作用提供参考,对阐明特定生态区域根类中药材的品质形成具有一定指导意义。     

水分胁迫下氮磷营养对小麦根系发育的影响

通过对3个水分水平下施肥对春小麦根系生理特性影响的研究，结果表明：随着水分胁迫程度的加剧，无论施肥与否，小麦根系均表现出体积减小，干物质积累减少，根系长度缩短，根系活跃吸收面积减小，根系活力下降的趋势，尤其在严重水分胁迫下，这种表现就更加突出。施磷可以提高和增大根体积、根干重、根长度、根系活跃吸收面积和根系活力；而在严重水分胁迫条件下施氮可导致根干重和根体积的明显下降，在轻度水分胁迫下施氮对小麦根系的生长发育有明显的促进作用。在水分胁迫条件下，施用肥料，特别是磷肥，可以明显增强作物对干旱缺水环境的适应能力，提高作物的抗旱性。     

水分胁迫下为磷营养对小麦根系发育的影响

通过对3个水分水平下施肥对春小麦根系生理特性影响的研究，结果表明：随着水分胁迫程度的加剧，无论施肥与否，小麦根系均表现出体积减小，干物质积累减少，极系长度缩短，根系活跃吸收面积减小，根系活力下降的趋势，尤其在严重水分胁迫下，这种表现就更加突出。施磷可以提高和增大根体积、根干重、根长度、根系活跃吸收面积和根系活力；而在严重水分胁迫条件下施氮可导致根干重和根体积的明显下降，在轻度水分胁迫下施氮对小麦根系的生长发育有明显的促进作用。在水分胁迫条件下，施用肥料，特别是磷肥，可以明显增强作物对干旱水环境的适应能力，提高作物的抗旱性。     

干旱对植物影响的研究进展

干旱是影响植物生长和发育的主要非生物胁迫因素之一。从形态结构、生理生化和相关基因3个方面综述了干旱胁迫对植物的影响,包括植物根系、叶片、光合作用、渗透调节、活性氧代谢、植物激素以及相关基因,并对今后的研究方向进行了展望。     

南方稻麦轮作系统下小麦根系的三维分形特征

【目的】根构型直接影响作物的水肥吸收,而定量根构型的相关指标多局限于二维分析,缺乏有效的3D分析指标。论文探讨计算分析根构型3D特征的指标与操作方法,用于定量稻麦轮作制不同耕作方式对小麦根构型的影响。【方法】使用自制的根构型数字化仪,测取田间小麦根系的真实空间拓扑数据,获得根系构型的空间坐标。然后运用Matlab编程实现小麦根构型拓扑数据的虚拟重构,令虚拟根系再现实体根系的空间拓扑。结合分形理论与软件的计算分析功能对虚拟根构型进行分形维计算,分别获取3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度和单株总根长5个特征指标,以此表达小麦根构型在不同年度、不同耕作方式处理下的时空动态。同时建立不同年度及耕作处理下单株总根长动态与根构型3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D平面分形丰度间的相关关系。【结果】研究发现随着作物生长期的变化,不同年份及不同耕作处理下的小麦根构型指标都表现出稳定增长的趋势。不同之处在于2010—2011年度的小麦根构型指标平稳增长,而2011—2012年度的根系生长速率变化较为剧烈。对比两个年度间的小麦根构型指标发现,免耕和旋耕两种耕作方式对小麦根构型的影响效果相反,在2010—2011年度,旋耕处理方式下的根系指标优于免耕处理方式,而在2011—2012年度,免耕处理方式下的根构型指标表现更优。对于作物生长前期(0—98 d)而言,年度变化引起的根构型指标差异显著大于耕作处理引起的差异,在作物生长后期(98—112 d),年度变化和耕作处理方式对小麦根构型指标的影响较为相近。对比小麦根构型的3D分形维指标和平面分形维指标发现,3D分形维明显区别于平面分形维,这表明根系的三维分形是根构型的必要分析指标。在不同的年度与耕作措施下,单株小麦的总根长与3D分形维数、3D分形丰度、2D分形维数、2D分形丰度都满足指数模型,且显著相关,说明年度因素和耕作措施仅是影响模型的常量参数项。【结论】由计算机软硬件结合分形理论构建的田间小麦根构型的可视化和定量化分析手段是实现小麦根构型精确分析的保证,该分析过程真实再现了田间小麦根构型的时空动态。3D分形指标可以准确定量作物根构型真实的时空动态,在进行根系生长策略的选择及根土关系优化时需要考虑到田间作物根系的实际生长条件和耕作制度。     

黑果枸杞根系构型对干旱胁迫的响应机制

【目的】探讨黑果枸杞幼苗根系构型对干旱胁迫的响应机制,为黑果枸杞的种植、种群恢复和合理利用及其他旱生植物研究提供理论依据。【方法】以盆栽黑果枸杞幼苗为研究对象,采用控水法,设置正常供水（20.97%）（对照, CK）、轻度胁迫 （15.51%）、中度胁迫 （3.42%）、重度胁迫 （2.35%）和极重度胁迫 （1.45%）5个胁迫梯度,通过对比不同胁迫梯度对黑果枸杞幼苗根系拓扑指数、拓扑结构、生物量及相关根系形态指标的影响,分析黑果枸杞幼苗根系构型对干旱胁迫的响应。【结果】干旱胁迫下,黑果枸杞根系构型趋向于叉状分支模型。随干旱胁迫程度的增加,黑果枸杞幼苗根系由叉状分支向鱼尾形分支过渡;幼苗地上生物量、地下生物量和总生物量均呈现先增加后减少的趋势,且地上生物量和总生物量在不同处理间差异显著 （P<0.05）。与CK相比,轻度和中度胁迫下总生物量分别增加82.47%和41.09%。根冠比呈现逐渐增加的变化趋势;根长、根表面积和根体积均呈现出先增加后减小的变化趋势;而比根长和比表面积呈逐渐减小的变化趋势,轻度、中度、重度和极重度胁迫分别降低7.73%、 10.25%、 60.62%和77.09%,比表面积分别减小17.59%、 30.04%、 80.15%和83.40%。不同径级根长、根表面积和根体积均在轻度胁迫时达最大值,根长和根表面积随干旱胁迫程度的增加各径级排序依次为0~0.5 mm>0.5~1.0 mm>1.0~1.5 mm>1.5~2.0 mm>2.0~2.5mm。【结论】黑果枸杞的生长受干旱胁迫的影响,其根系不同形态指标及根系构型存在差异。轻度干旱胁迫有利于黑果枸杞幼苗根系正常生长,但黑果枸杞的耐受程度存在阈值,土壤含水量为15.51%时生长最佳。     

植物干旱胁迫响应机制研究进展

干旱是限制植物生长的重要因素,会诱导植物产生渗透失衡、膜系统损伤、呼吸与光合速率降低等不良反应,不仅妨碍植物各阶段的生长代谢,还影响农作物的高质高产。在与外部环境的互作过程中,植物会产生干旱响应,如通过根系和叶片结构、代谢物质成分的改变以及抗旱基因的表达来抵御干旱胁迫。从表型水平、生理水平和分子水平阐述了植物干旱胁迫响应的研究进展。其中,植物表型水平的干旱胁迫响应主要体现在根系和叶片的结构改变,而植物生理水平的干旱胁迫响应主要体现在光合作用、渗透调节代谢、抗氧化代谢和激素物质等方面,详细阐述了植物干旱胁迫响应的分子机制及参与其中的调节基因和功能基因,对研究中存在的问题进行了讨论,展望了植物干旱胁迫响应的研究前景。     

花生和玉米前茬根系分泌物对冬小麦幼苗 生长及抗旱性的影响

为探明花生和玉米根系分泌物对小麦幼苗生长的化感作用,通过室内盆栽模拟茬口种植,研究了花生和玉米根系分泌物对冬小麦幼苗及根系生长、种子萌发过程及幼苗抗旱生理响应的影响。结果表明,相较于玉米茬口和清水对照,花生茬口可显著促进小麦幼苗地上及地下部分的生长,根冠比相较于对照提高了25.0%,根系总根长、根表面积、根投影面积、根体积分别较对照提高了43.8%、34.5%、37.1%、48.3%(P0.05),而玉米茬口与清水对照之间各生长指标无显著差异。种子萌发试验表明,花生根系分泌物对冬小麦种子发芽率无显著影响,但显著提高了胚根长和胚根生长速率,化感指数较玉米分别增加了0.20和0.16。此外,在干旱胁迫前期,花生茬口处理下的小麦叶片相对含水量相对较高,而在干旱胁迫后期叶片相对电导率和MDA含量则显著低于玉米茬口。综合分析表明,花生茬口处理下,其根系分泌物能够促进冬小麦幼苗生长尤其是对根系发育有正向促进作用,同时可以提高小麦幼苗的抗旱性。     

基于CI-600的绿萝根系生长状态监测

【目的】探究绿萝生长与水分胁迫之间的关系,为绿萝种养提供合适的灌溉参考依据,减少农业生产水资源浪费问题。【方法】选取绿萝为试验材料,对其进行4组不同梯度的水分处理,通过CI-600植物根系生长监测设备采集并分析根数量、根长度、根面积、根体积与水分胁迫之间的关系,并利用Excel软件进行数据处理,绘制相关参数与土壤水分胁迫之间的关系曲线,采用最小二乘法,运用二次项拟合的方法进行模型拟合,最终得出植物根系生长与水分胁迫之间的关系。【结果】利用二次项进行拟合的模型,决定系数R2绝大多数大于0.9,拟合程度高。在35%湿度条件下绿萝根数量、根面积、根体积增长速率最快,在25%～35%湿度区间内有利于根长度的增加。从拟合曲线看,25%、35%湿度条件下根数量及根长度两个指标较为一致。水分胁迫通过影响根长度及根数量,进而作用于根系面积和体积的变化;根系伸长也依赖于其直径的拓展以获取有效的吸收面积;根系体积的变化与根数量、根系直径等均有联系。【结论】绿萝最适宜的生长湿度为35%,干旱胁迫（15%）和淹水胁迫（45%）对根系生长均具有不利的影响;根系的各项生理指标在不同的水分胁迫中有不同的趋势和表现,...     

不同抗旱性花生品种的根系形态发育及其对干旱胁迫的响应

为明确不同抗旱性花生品种的根系形态发育特征,探讨其根系形态发育特征对不同土壤水分状况的响应机制,在防雨棚旱池内进行土柱栽培试验,研究抗旱型品种"花育22号"、"唐科8号"和干旱敏感型品种"花育23号"3个不同抗旱性花生品种根系形态发育特征及其对干旱胁迫的响应。结果表明:抗旱型品种根系较发达,具有较大的根系生物量、总根长、总根系表面积。干旱胁迫使抗旱型品种根系总表面积和体积增加,而干旱敏感型品种则相反。干旱胁迫显著增加抗旱型品种"花育22号"20 cm以下土层内根长密度分布比例及根系表面积和体积,但"唐科8号" 相应根系性状仅在20-40 cm土层内增加;干旱胁迫使干旱敏感型品种"花育23号"40 cm以下土层内各根系性状升高,但未达显著水平且其深层土壤内各根系性状增加幅度小于"花育22号"。花生根系总长、总表面积及0-20 cm土层内根系性状与产量间呈显著或极显著正相关。土壤水分亏缺条件下,花生主要通过增加深层土壤内根长、根系表面积和体积等形态特性,优化空间分布构型,以调节植株对水分的利用。     

根系分泌物调控植物适应低磷胁迫的机制

磷是植物生长发育的必需营养元素,土壤中有效磷含量低是限制作物高产的主要因素。由于长期不当施肥,土壤中累积大量磷素,其中大部分磷是植物难以直接吸收的难溶性无机磷和有机磷。植物在长期进化过程中形成了一系列适应低磷胁迫的机制,其中根系分泌物参与土壤磷活化利用的机制一直是研究的热点问题。本文总结了近十年来关于低磷胁迫调控根系分泌物(有机酸和紫色酸性磷酸酶)合成和分泌的研究进展,对根系分泌物在根际微生态中的重要作用提出了展望,旨在阐明通过控制作物根系分泌物来提高作物磷效率的途径,为培育磷高效作物品种和优化磷肥的田间管理提供思路和奠定理论基础。     

植物根系应答盐碱胁迫机理研究进展

土壤盐碱化问题日益严峻,已经成为全球范围内制约植物生长发育的主要环境因子之一。根系在植物应答逆境胁迫中具有重要的调节作用,但是多年来对于植物抗逆性的研究往往集中于地上,根系作为环境胁迫下最先感知并作出反应的器官,其耐逆机理还不明确。基于此,本文从根系构型、结构、生长、生理和分子生物学等多角度对国内外植物根系应答土壤盐碱胁迫机理进行了综述,并提出了不足与展望,旨为深层次揭示植物根系功能和耐盐碱胁迫机理提供一定的科学依据。     

干旱胁迫对小麦生长发育及产量形成的影响

研究了不同程度土壤持续干旱对冬小麦根系生长、产量及营养代谢的影响。结果表明,干旱胁迫使小麦次生根发育迟缓,数量减少,根系发硬,根尖萎缩,拔节至扬花阶段对发根潜能的影响最大。干旱胁迫使根系干物质积累量下降、峰值延后、加速衰亡的变化过程,导致植株提前变黄死亡,灌浆期缩短,产量下降;根系中氮、磷积累量下降,中度以上干旱胁迫有较多的氮、磷损失;根系中的含糖量下降,C／N失调。     

土壤水分对免耕水稻根系生长的影响

2013年早季和晚季,以吉优716为试验材料,盆栽条件下研究土壤水分对免耕水稻根系生长、形态的影响及其与地上部生物量积累和产量的关系。试验设3种土壤水分条件:W100、W85、W70,分别为水稻全生育期保持土壤饱和含水量的95%~100%、80%~85%、65%~70%。结果表明:W70处理土壤水分严重抑制了免耕水稻拔节期根系的生长,根干质量显著下降;土壤水分对抽穗期根系直径影响较大,对总根长、体积和根干质量影响不大;W70处理成熟期根系出现早衰,根长、根直径、表面积、总体积和根干质量均显著下降。土壤水分主要影响直径0.0~1.5mm根的生长,特别是直径0.0~1.0mm的根。不同时期各处理间根冠比差异不显著,在拔节期和成熟期W70处理根冠比均低于W100和W85,在抽穗期W70处理根冠比高于W85处理。免耕水稻根干质量与地上部生物量和产量均呈显著正相关。重度水分胁迫显著抑制了拔节期根系生长,引发成熟期根系早衰,进而使地上部生物量积累减少,产量下降。轻度水分胁迫对免耕水稻根系生长影响较小。土壤水分对根系调控最核心的区域是根直径0.5~1.0mm区间。