作物根系镉滞留作用及其生理生化机制

一定程度的镉胁迫严重影响了作物的生长发育和农产品的产量及品质。文中全面综述了重金属镉胁迫对作物和人类的危害,以及镉在作物体内的吸收、转运和积累特征及其相关的主要调控基因和功能。简要概述了作物抗镉耐镉机制,重点讨论了其中的根系镉滞留作用的生理和生化机制。重金属镉主要通过根部吸收进入植株,在根中,Cd~(2+)首先进入由细胞间隙、细胞壁微孔以及细胞壁到质膜之间的空隙等构成的"自由空间",然后通过主动或被动吸收跨膜进入胞质,再经共质体或质外体途径运输到木质部导管中。水稻等作物主要通过下列途径来适应镉胁迫:细胞壁的滞留作用、原生质体的螯合作用、液泡的区室化作用、逆境蛋白和脯氨酸的积累、抗氧化酶系统活性的提高、根系的滞留作用。根系镉滞留作用作为一种重要的抗耐镉毒害的方式,在调控作物对镉的吸收、转运和分配积累,阻碍镉进入植株地上部和原生质体,减少镉对作物自身生长发育及农产品产量和品质的影响等方面起着非常重要的作用。主要包括根茎间低转运量导致的镉滞留、根系细胞壁滞留和液泡滞留。(1)根茎间低转运量导致的镉滞留。该种滞留作用主要受到根系木质部的镉装载能力和镉长距离运输载体——植物螯合肽(PCs)含量的影响;它们主要受到质膜上跨膜离子转运蛋白HMA2和HMA4以及细胞中的PCs合成酶及其相应基因(如HMA2、HMA4、PCs1等)的调控。这些蛋白和基因对木质部的镉滞留起到负调控作用。(2)细胞壁滞留作用。根系细胞壁滞留发生在质外体部分(包括细胞壁和胞间层),主要与质外体的组成成分和结构相关,其中起关键作用的是果胶多糖,半纤维素也起到一定作用。根据果胶和半纤维素滞留镉的作用方式的不同,细胞壁滞留作用可分为物理滞留和化学滞留。物理滞留主要与细胞壁的孔隙度和厚度有关,此二者均受到细胞壁果胶含量和果胶甲酯酶PME活性的影响。而化学滞留则是由半纤维素和低酯化果胶上的带负电荷基团,如-COO-等,与Cd2+发生静电结合作用所致。它们会受到PME14和XCD1等基因的调控。(3)液泡滞留作用。液泡滞留作用与细胞质和液泡中的PCs以及液泡膜上的转运蛋白密切相关,其对镉的滞留能力大小受到液泡分隔容量大小(VSC)的限制。在液泡的镉滞留中,不同分子量大小的PCs起到了重要作用,它们参与了胞质中镉的螯合、胞质与液泡间镉的转移及最终液泡中镉的沉积。而液泡膜上的转运蛋白则负责将胞质溶液中的低分子量PC-Cd复合物通过主动运输转移到液泡内,使镉被隔离在活跃生理区之外。作物根系中,这三种重金属滞留机制先后联合作用,降低了镉向原生质体和地上部的转移,从而减轻了镉对地上部的毒害,降低了籽实等收获器官中的镉含量。然而,由于木质部中PC-Cd占总镉比例以及细胞壁电荷总量和液泡VSC大小的有限性,从而使得根系镉滞留作用的强度和效果都存在着一定的限度。     

营养液中的臭氧对番茄根系生理指标的影响

在对循环营养液进行灭菌时,臭氧表现出较好的杀灭效果。为了探明臭氧在对营养液杀菌的同时是否会对植物根系产生伤害,试验以温室中基质栽培的番茄(Solanum lycopersicum L.)为研究对象,比较了3种不同浓度(0、2.0、4.0 mg/L)臭氧营养液浇灌对番茄幼苗期、开花期和结果期根系生理指标丙二醛(MDA)含量及超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)活性的影响。结果显示,2 mg/L的臭氧营养液使番茄幼苗期根系SOD活性较对照下降,开花期CAT活性和结果期SOD活性较对照均上升,结果期根系MDA含量较对照显著升高;4 mg/L的臭氧营养液较2 mg/L处理的MDA含量显著降低,表明2 mg/L处理有助于番茄根系抵抗臭氧胁迫的伤害;4 mg/L处理会使结果期番茄根系膜脂过氧化系统遭到破坏,打破了番茄自身可以承受的调控范围。因此,4 mg/L的臭氧营养液对结果期番茄的生长产生了不利影响。试验条件下,营养液中的臭氧安全浓度在2~4 mg/L。     

茶树品种利川红不定根的解剖和屏障结构时空发育特征研究

对茶树品种利川红[Camellia sinensis(L.)O.Ktze.cv.Lichuanhong]不定根的解剖和屏障结构时空发育特征采用不同组织化学染色方法,在光学和荧光显微镜下观察形态结构。结果表明,利川红不定根初生结构由表皮、皮层和维管柱组成,皮层有内、外皮层分化,维管柱由初生木质部和初生韧皮部组成。次生结构由次生维管组织和木栓层组成,次生维管组织结构由次生木质部和次生韧皮部组成,以次生木质部为主。利川红不定根初生结构的屏障结构由外侧的具凯氏带、木质化和栓质化的表皮与外皮层组成,内侧为凯氏带和栓质化,微弱木质化的内皮层组成。次生结构的屏障结构为栓质化和木质化的木栓层。利川红不定根屏障结构具有适应旱生环境的特征,并可调节根尖的水与离子运输,对根系具有保护作用。     

中度和剧烈侵蚀黑土作物地上与地下生长发育的差异

土壤侵蚀导致黑土生产力下降已成为不争的事实,以往多采用盆栽、池栽或小区实验,主要关注侵蚀对地上生物量和产量的影响,缺少侵蚀对根系及其与地上生物量关系影响的研究.本研究选择不同侵蚀强度黑土的大田,于2014-2015同时观测地上和地下生长过程及产量,研究侵蚀对二者及其相互关系的影响.结果表明:大田情况下,剧烈侵蚀黑土导致玉米减产32.7％,大豆减产57.1％.与根系生长相比,侵蚀对地上生物量的影响更为显著,且主要在生殖生长期以后影响较大.从地上生物量与根系之间的关系看,随侵蚀加剧,根冠比增加.剧烈侵蚀玉米和大豆根冠比在全生育期平均增加41.8％和67.1％.2种作物的根系分布随土壤深度增加呈指数规律递减,侵蚀导致作物根系趋向深层——中度侵蚀根系的表层比例较高,剧烈侵蚀根系的深层比例较高.     

水分胁迫下紫花苜蓿根系特征与ABA含量的变化

研究通过温室盆栽试验探讨了干旱胁迫对‘三得利’、‘敖汉’和‘中苜1 号’3 个紫花苜蓿品种根系ABA浓度和根系特征的影响。按照田间持水量的100%（对照）、85%（轻度干旱）、70%（中度干旱）和55%（重度干旱）设置4 个梯度的水分胁迫处理,分别对3 个紫花苜蓿品种进行处理,并对根系ABA含量和根系性状进行测量。结果显示：水分胁迫可以显著影响不同生长时期的紫花苜蓿根系ABA的含量。随着处理时间的延长,不同水分胁迫处理的紫花苜蓿根系ABA含量均呈先升高后下降再升高的趋势。在移栽后的第75 天,根系ABA含量达到首个峰值,然后开始下降,到第105 天的时候将至最低,然后开始回升直至处理结束。移栽105 天以后,4 个水分胁迫处理（W1、W2、W3 和W4）紫花苜蓿根系ABA含量分别为44、56.6、64.6、94.4 ng/g FW。同时,不同紫花苜蓿品种根系ABA含量存在差异。移栽105 天以后,‘敖汉’、‘三得利’和‘中苜1 号’根系ABA含量均达到最低,分别为83.2 ng/g FW、61.7 ng/g.FW 和49.9 ng/g FW;之后,根系ABA含量开始回升。与对照相比,重度水分胁迫使根系长度降低了20.92%,使侧根数降低了20.71%,使根鲜重降低了43.79%,使根干重降低了37.96%。重度水分胁迫下植株根冠比是对照的1.9倍,这说明水分胁迫对地上部茎叶的影响要大于地下部的根系。水分胁迫降低了紫花苜蓿根长、侧根数、根鲜重和根干重,增加了紫花苜蓿根冠比,促使根系ABA含量升高。不同紫花苜蓿品种根系ABA含量存在差异。     

增氧对水培棉花生长的影响研究

通过水培试验研究增氧对棉花生长的影响;试验设计3种增氧方式,分别为持续性增氧(Physical continuous oxygen,PCO)、间歇性增氧(Physical oxygen,PO),化学增氧(Chemical oxygen,CO),种棉花不增氧CK,不种棉花不增氧CK0;研究结果表明,不同增氧方式对营养液中溶解氧浓度都有不同程度的提高,表现为PCOPOCOCK;PCO处理对根体积、根系总吸收面积、根活性面积、根系生物量、株高、地上部生物量、氮和钾的吸收量的促进作用均达到显著水平,分别比CK增加了194.62%、261.89%、301.73%、57.15%、22.76%、38.03%、35.27%、84.78%;间歇性增氧PO处理对根系生物量、株高、地上部分生物量的促进作用显著,分别比CK高30.83%、15.65%、21.19%。通过以上结果表明,棉花对氧的需求敏感,不同增氧方式均能在一定程度上促进棉花生长,其中持续性增氧效果尤为突出,特别是对棉花生物量的积累,说明增氧可以提升棉花生长潜力。     

棉花不同品种钾吸收效率差异的根系形态学和生理学机理

用6个棉花品种作为试验材料,通过水培试验比较其对钾的吸收能力,研究其根系形态学、生理学特征和K+吸收动力学参数。结果表明,低钾胁迫下,钾高效品种中棉所64的根干物质质量、根体积、根活跃吸收面积、根活跃比表面积最大,根系活力最强;钾高效品种中棉所35的根干物质质量较大、根长而细,根总吸收面积最大,根总比表面积都最大,根系活力也较强,且K+最大吸收速率Imax最大,最小临界浓度Cmin较小,耐低钾能力强。而钾低效品种中棉所50和中植棉2号的根系形态学等指标都较差,根系活力较弱,且Imax也较小。该研究不仅有助于阐明棉花耐低钾胁迫的机理,而且能评价不同品种对低钾的适应能力。     

从枝菌根真菌对黄瓜南方根结线虫病害防治效应

在温室盆栽条件下,研究了丛枝菌根真菌Glomus mosseae、Glomus intraradices及混合菌剂对黄瓜苗期与移栽后南方根结线虫病害的防治效应.结果表明:苗期接种AM真菌处理的侵染率低时,其抑制根结线虫侵染的能力也低;移栽缓苗后接种根结线虫后,接种AM真菌处理的黄瓜地上部干重、地下部干重、株高、植株养分吸收量均显著高于只接种南方根结线虫处理,根结指数显著低于只接种南方根结线虫处理.说明AM真菌确实能够通过与黄瓜根系建立共生体来防御南方根结线虫对黄瓜的危害,其中G.intraradices、G.mosseae菌种的促生及防治黄瓜南方根结线虫病害的作用显著.     

不同施肥处理对郁闭杨树林地麦冬生长的影响

在郁闭杨树林地间作麦冬,研究不同施肥处理对麦冬生长的影响。结果表明:施肥对2年生麦冬的地上部分鲜重及分蘖株数的影响不大,但对麦冬块根生长有极显著促进作用。3种施肥处理对比不施肥的对照,块根鲜重分别增加了179%、196%、342%,块根干重分别增加了170%、177%、294%。在复合肥用量不变的情况下,增加鸡粪用量到15 000 kg/hm~2,麦冬块根鲜、干重分别为2 861 kg/hm~2、1 408 kg/hm~2,相比鸡粪用量3 750 kg/hm~2处理,块根鲜、干重分别增加了58.8%、46.1%;相比鸡粪用量7 500 kg/hm~2处理,块根鲜、干重分别增加了49.2%、42.5%。施肥还有助于提高麦冬块根的外观品质。     

紫穗槐根系形态与固土护坡效应研究

本文采用紫穗槐根系的现场调查和根系扫描图像数据的方法,通过对根长量、根长密度、根体积和单位体积土中含根量4根系指标数据的测定和分析,研究根系对边坡土体水土保持的效果。结果显示,紫穗槐属于深根性直根树种,主干根的优势极为显著,分布最深可达50 cm土层以下,须根在各个土壤层次中均有不同径级根系的分布,根长和根量指标也随着土层的加深而均匀递减。根系能够对土体起到锚固和加筋作用,对边坡表层土体的水土侵蚀起到有效保护作用。