植物根系构型原位观测识别技术研究进展

根系是植物从土壤中获取养分和水分并输送给植物体的重要器官,由于土壤的不透明属性阻碍了根系的观测,缺乏有效的原位根系观测方法已经构成了对植物根系深入研究的技术瓶颈.本文首先从根系研究的技术需求出发,对破坏性根系研究法、非破坏性根系二维观测法(微根管法)和根系三维构型原位观测方法如X射线计算机层析成像( X-ray computed tomography,XCT)、核磁共振成像法(magnetic resonance imaging,MRI)等进行了综述,并总结了各自的优缺点.其次,重点对XCT和MRI法进行了比较,有研究表明,MRI法不适用于根系三维构型的观测.指出自然土壤介质下,XCT是根系三维构型定量化分析未来的发展趋势.     

根系分泌物研究方法(综述)

根系分泌物是植物与土壤进行物质、能量与信息交流的重要载体物质.研究根系分泌物的种类、数量对了解植物与土壤及根际微生物相互作用机理具有重要指导意义,根系分泌物研究方法的选择对研究结果有重要的影响.本文着重讨论根系分泌物收集、分离纯化及鉴定的常用方法,并列举特定根系分泌物的研究方法,旨在为根系分泌物的研究提供借鉴和参考.     

植物根系分泌物的研究方法

根系分泌物是植物根系释放到根际环境中的有机物质的总称,对土壤结构形成、土壤养分转化、植物养分吸收、土壤微生物分布、环境胁迫缓解等方面都具有重要作用。但是,由于土壤中微生物对根系分泌物的降解以及根系分泌物本身含量低、成分复杂,根系分泌物的研究方法一直是植物营养学与土壤科学的研究热点和难点。近年来,一些新的实验技术和研究方法被应用到对植物根系分泌物的研究中。本文对目前在根系分泌物研究中应用较多的以及新发展起来的各种收集、分离和鉴定方法进行了综述,希望有助于相关研究者在针对不同的研究对象和目的时选择出可行、合适、高效的根系分泌物研究方法和技术。     

植物根系分泌物对土壤污染修复的作用及影响机理

生物修复是一种经济环保的土壤修复技术。根系分泌物是利用生物修复污染土壤过程中的关键物质,也是植物与土壤微生物进行物质交换和信息传递的重要载体,在植物响应污染物胁迫中扮演重要角色。研究植物根系分泌物对土壤污染修复的作用和影响机理,是深入理解植物和微生物环境适应机制的重要途径,对促进生物修复污染土壤有重要指导意义。从污染物胁迫对根系分泌物的影响、根系分泌物对土壤污染物环境行为的影响、根系分泌物在调控污染土壤中根际微生物群落结构和多样性中发挥的作用等几个方面综述了根系分泌物对土壤污染修复的影响及内在机制。研究结果表明,根系分泌物在降低重金属对植物的毒性、加速有机污染物降解等方面有非常重要的作用。根系分泌物对土壤微生物的丰度和多样性均有显著影响,其与根际微生物互作在土壤污染物的消减中发挥了重要的调控作用。在此基础上,提出了以往研究中的不足,并对污染物胁迫下根系分泌物未来研究的方向和趋势进行了展望。     

植物-土壤系统中水分再分配作用研究进展

在过去100多年里,植物与土壤之间水分关系的研究多侧重于植物本身的水分利用方式、水分利用效率及其植物根系对水分的吸收等.然而进入20世纪80年代后期,植物生理生态学研究人员开始将注意力转移到植物根系对土壤水分的调节作用,即水分再分配（hydraulic redistribution）作用,具体地讲是在水势差的驱动下水分由根系向土壤中释出的一种双向和被动的水分运转过程,其中既包含水分由深层土壤向表层土壤的释出,也包括由表层土壤向深层土壤的流动,同时还涵盖了水分在水平方向上的侧向运输过程.伴随着研究手段的不断提高和对生态系统水平衡问题的关注,水分再分配逐渐成为近代植物生态学和水文学的交叉学科生态水文学（ecohydrology）的核心研究内容之一.目前该领域的研究已经阐明水分再分配作用在不同程度上对植物个体蒸腾、碳同化速率有很大贡献,有利于提高根系生活力和土壤养分;另外,在不断扩展的生态系统生态学研究中,也加强了对制约水分再分配作用发生的外部因子的认识.回顾和分析了水分再分配的研究历史、生态学意义、影响因素、测定方法等,特别提出阐述浅根系植物对水分再分配作用的依赖性与依赖程度,从植物进化学角度解释水分再分配作用发生的生理学基础和意义及水分再分配作用对土壤微生物活性的影响等方面将是未来研究的几个重点方向.     

根系分泌物及其在植物修复中的作用

 近年来环境污染日益严重,污染物在土壤植物中的行为引起了人们的高度关注。利用植物去除土壤水体等介质中污染物的植物修复是近10年来兴起的一项安全、廉价的技术,已成为污染生态学和环境生态学的研究热点,它通过植物吸收、根滤、稳定、挥发等方式清除环境中的重金属和有机污染物。国内外有关植物修复的研究报道和概述很多, 但对植物根系分泌物在植物修复中所起的作用及其机理少有述评。 本文从根系分泌物对土壤重金属和土壤有机污染物的去除作用出发,对根系分泌物的种类、数量及其在去除环境污染物中的作用机理和功能地位进行了总结,并借助研究事例对影响植物根系分泌的内外因子,如植物种类、营养胁迫、重金属胁迫、根际环境的理化性质、土壤微生物及其它环境因子进行了讨论。概言之,根系分泌物在修复污染土壤中的重金属途径是多种多样的,主要是通过调节根际pH值、与重金属形成螯合物、络合反应、沉淀、提高土壤微生物数量和活性来改变重金属在根际中的存在形态以及提高重金属的生物有效性,从而减轻它对环境的危害。在清除有机污染物时,根系分泌物中的酶可以对有机污染物进行直接降解,根系分泌物影响下的微生物也可以对有机污染物进行间接降解,且被认为是主要的降解途径。根系分泌物在植物修复过程中确实起着某些重要作用,今后应将这方面的研究重点放在某些特异性根系分泌物植物,尤其是某些重金属超富集植物资源的寻找、筛选上,通过室内实验和野外研究确定其根系分泌物对清除重金属和有机污染物的效率,证实超富集植物根系分泌物的特异性与污染物超富集的内在联系,找到污染土壤生态恢复和治理的有效方法并加以推广应用,如针对性地在被污染地大面积种植此类具特异性根分泌物植物,并辅以营林措施如修剪等,加快生物修复进程,提高修复效率。植物根系分泌物在植物修复过程中所具有的重要生态意义和可能应用前景,为污染生态学和化学生态学之间的联合研究开拓了全新的领域,今后将取得新的突破和重要进展。     

植物根系研究新技术Minirhizotron的起源、发展和应用

根系是土壤和植物的动态界面,对植物和土壤均具有重要意义。但由于根系深处地下,观测研究十分不便,导致根系研究在广度、深度上均落后于地上部分。随着对根系在生态系统以及全球碳平衡中重要作用的认识,根系渐渐成为国际相关领域的研究热点之一。Minirhizotron(微根区管或小观察窗)技术的诞生和应用,使根系研究手段得到了进一步发展,成为根系研究技术发展的重要里程碑。Minirhizotron技术主要由透明观察管、观测设备和记录设备组成,观测设备曾先后使用了普通镜子、观察镜和相机(或摄像机),记录设备也相应地经历了手工绘制、传统黑白、彩色相片或录像带以及高清晰数字图像。同时,还开发了多种图像自动分析系统,使该项技术日臻完善。Minirhizotron技术可以以非破坏方式,定期对同一根系的出现、生长、衰老、死亡和消失进行连续观察,对根系伸长、根系密度、扎根深度、侧根伸展、分枝特性、菌根特性以及细根动态、根系生命周期和分解等进行观测研究,同时,也可开展根系对不同处理响应的研究。因此,Minirhizotron技术必将在农业、林业和环境等科学领域得到越来越广泛的应用。     

连香树人工林根系分泌物输入季节性变化及其驱动的根际微生物特性研究

根系分泌物介导的根际过程具有重要的生态学效应,但目前有关植物尤其是濒危珍稀植物根系分泌物及其介导的土壤生物地球化学循环过程的原位季节动态研究甚少。本文以阿坝州茂县大沟流域30年生的国家二级濒危保护植物连香树人工林为研究对象,于2014年4、7、9和12月利用原位收集装置对连香树根系分泌物进行原位收集;并同步分析了根际土壤微生物特性的变化。结果表明：（1）根系分泌物C和N分泌速率均呈现明显的季节动态变化,其中,夏季最高,冬季最低。（2）根际土壤微生物碳、氮及土壤酶活性显著高于非根际,表现出正的根际效应;根际效应也与根系分泌物输入表现出类似的季节动态规律,即夏季（7月）最高,而冬季（12月）最低。（3）进一步相关分析表明：根系分泌物分泌速率与土壤微生物碳、氮及土壤酶活性根际效应值呈线性正相关,表明根系分泌物输入是驱动根际微生物活性的重要因子,揭示连香树根系碳输入对根际土壤过程和功能的季节响应。未来研究应加强根系分泌物输入与土壤生物地球化学循环过程的偶联效应与机制研究。     

关于氮有效性影响细根生产量和周转率的四个假说

在全球变化如氮沉降及温度升高等可能导致土壤氮有效性增加的背景下,细根动态如何变化一直是陆地生态学研究中的一个重要内容.本文综述了前人提出的细根动态响应土壤N有效性提高的4个代表性假说:1)细根生产量和周转率都提高;2)细根生产量和周转率都下降;3)细根生产量下降,周转率提高;4)细根生产量提高,周转率下降.根据2000年以来以微根管方法为主测得的根系动态数据,笔者认为假说1)和假说2)得到的支持最为充分.此外,还探讨了树种、细根异质性、菌根真菌、细根采样方法和施肥方法等对上述各假说检验的影响.     

微根管在细根研究中的应用

细根（直径≤2 mm）的周转在植物生态系统碳分配过程中具有重要意义.已往细根周转研究主要采用根钻法、分室模型法和内生长法等.这些方法由于不能直接观测到细根生长动态,导致细根周转估计不准确.微根管法是一种非破坏性野外观察细根动态的方法.本文从微根管的发展、功能、安装步骤、图像采集、参数计算、影响观测因素和存在问题等方面逐一进行介绍,并通过水曲柳和落叶松微根管细根观测实例介绍在细根周转过程研究中的应用. 结果表明,微根管可以比较精确地估计出细根长度、单位面积上根长密度、单位体积上根长密度、细根生长量、细根死亡量和细根周转等.微根管是一个观察细根生长、衰老、死亡和分解过程的有效工具.微根管观测精度主要取决于微根管安装的质量和数量、微根管取样间隔期和取样数量、微根管图像分析技术等.此外,土壤质地、石砾多少、微根管材料选择、减少光系统对根系的干扰等也是影响微根管测定精度的因素.如何提高微根管测定精度将成为今后微根管在细根研究中的主要问题.     

Biofumigation potential of brassicas

The relationship of global climate change to plant growth and the role of forests as sites of carbon sequestration have encouraged the refinement of the estimates of root biomass and production. However, tremendous controversy exists in the literature as to which is the best method to determine fine root biomass and production. This lack of consensus makes it difficult for researchers to determine which methods are most appropriate for their system. The sequential root coring method was the most commonly used method to collect root biomass data in the past and is still commonly used. But within the last decade the use of minirhizotrons has become a favorite method of many researchers. In addition, due to the high labor-intensive requirements of many of the direct approaches to determine root biomass, there has been a shift to develop indirect methods that would allow fine root biomass and production to be predicted using data on easily monitored variables that are highly correlated to root dynamics. Discussions occur as to which method should be used but without gathering data from the same site using different methods, these discussions can be futile. This paper discusses and compares the results of the most commonly used direct and indirect methods of determining root biomass and production: sequential root coring, ingrowth cores, minirhizotrons, carbon fluxes approach, nitrogen budget approach and correlations with abiotic resources. No consistent relationships were apparent when comparing several sites where at least one of the indirect and direct methods were used on the same site. Until the different root methods can be compared to some independently derived root biomass value obtained from total carbon budgets for systems, one root method cannot be stated to be the best and the method of choice will be determined from researcher's personal preference, experiences, equipment, and/or finances.     

小麦根系与土壤水分胁迫关系的研究进展

几十年来,大量科学工作者为拓宽小麦根系对土壤水分的吸收能力和调控根系对干旱的适应能力,挖掘干旱地区的生产潜力,实现高产做了大量细致的研究工作,取得了许多重要研究成果,综述了土壤水分胁迫对小麦根系形态、构型建成和生理指标影响的影响。过去进行的研究表明,干旱胁迫条件下,不仅表达小麦根系形态和构型建成指标的根系数量、根系比表面积、根冠比、根生长势、根水势,导管直径等发生显著变化,而且表达根系生理指标的伤流流、根呼吸速率、根系质膜透性、膜脂过氧化水平、保护酶及其同工酶等也发生相应改变,虽然不同的研究者所获得的研究结果不同,有的甚至相互矛盾,但从总体看,各种变要是对干旱胁迫的一种适应性反应,有利于提高小麦的抗旱能力,对干旱条件下产量的形成具有重要作用。     

电阻抗法在植物根系生物学研究中的应用

因受限于检测方法,对埋藏于土壤中植物根系研究的深入程度远低于其地上部分。传统获取根系的方法不仅费时费力,而且对根系原位分布和生存微环境具有明显的扰动破坏,故随着根系研究的不断深入,迫切需要寻求一种非破坏性的根系检测方法。电阻抗法是在一定频率的外加电源下,测量电路中的根系电学特征(电容、电阻和电阻抗图谱),并且电学特征与根系生物量和形态指标之间存在较好的相关性,然而,由于对电阻抗法基于电路中电流流向等的关键机理尚不清楚,有些学者对该方法的大范围应用提出了质疑。本文首先对生物电阻抗法测量根系的原理和模型进行阐述,然后重点综述根系电阻抗法研究的不同理论方法及存在的问题,最后提出电阻抗法研究植物根系应该解决的重要科学问题,并展望电阻抗法更加广泛的研究和应用前景,以期为获取非破坏性的根系研究技术提供参考。     

根系分泌物在重金属污染土壤生态修复中的作用机制研究进展

我国土壤重金属污染问题日益突出.作为一种绿色、安全的生物修复技术,植物修复技术备受关注.根系分泌物作为植物-土壤-微生物三者物质交换与信息传递的重要载体,是植物响应外界胁迫的重要生理生态指征,在植物修复过程中发挥关键作用.研究表明,根系分泌物能够有效调控根际微环境,提升植物抗逆能力,影响重金属在根际微域中的环境行为.传...     

Development of the root system in<Emphasis Type="Italic">Spirodela polyrhiza</Emphasis> (L.) schleiden (Lemnaceae)

The root structure in members of the Lemnaceae is important to plant researchers, because changes during cell differentiation can more easily be monitored in short roots with determinate growth. Here, the structural organization and cellular differentiation of the root system was assessed in the highly reducedSpirodela polyrhiza. While protected by a prophyllous sheath, rapid cell division occurred in the apical and vascular regions of the immature roots. Concentric rings of endodermis with Casparian strips, cortex, and epidermis enclosed a single vascular strand. The cytoplasmic density of the cortex was high at the apex, but decreased progressively along the root. The root root cap junction, closely attached at initiation, later became a distinct boundary layer filled with fibrillar materials. Chloroplasts were well distributed. Numerous plasmodesmata indicated the likely symplastic movement of ions and metabolites in the root system as well as further into the reduced plant body. A high cytoplasmic density at the apex and extreme vacuolization along the cortex provided possible explanations for the considerable distribution of weight along the roots of the plant body. These conditions probably enable the root tip to serve as a pendulum against water motion.     

A randomization method for efficiently and accurately processing fine roots, and separating them from debris, in the laboratory

Background and Aims

We developed a method for processing roots from soil cores and monoliths in the laboratory to reduce the time and cost devoted to separating roots from debris and improve the accuracy of root variable estimates. The method was tested on soil cores from a California oak savanna, with roots from trees, Quercus douglasii, and annual grasses.

Methods

In the randomized sampling method, one isolates the sample fraction consisting of roots and organic debris?<?= 1 cm in length, and randomizes it through immersion in water and vigorous mixing. Sub-samples from the mixture are then used to estimate the percentage of roots in this fraction, thereby enabling an estimate of total sample biomass.

Results

We found that root biomass estimates, determined through the randomization method, differed from total root biomass established by meticulously picking every root from a sample with an error of 3.0 % +/? 0.6 %?s.e.

Conclusions

This method greatly reduces the time and resources required for root processing from soil cores and monoliths, and improves the accuracy of root variable estimates compared to standard methods. This gives researchers the ability to increase sample frequency and reduce the error associated with studying roots at the landscape and plant scales.     

The Physiology, Genetics and Molecular Biology of Plant Aluminum Resistance and Toxicity

Aluminum (Al) toxicity is the primary factor limiting crop production on acidic soils (pH values of 5 or below), and because 50% of the world’s potentially arable lands are acidic, Al toxicity is a very important limitation to worldwide crop production. This review examines our current understanding of mechanisms of Al toxicity, as well as the physiological, genetic and molecular basis for Al resistance. Al resistance can be achieved by mechanisms that facilitate Al exclusion from the root apex (Al exclusion) and/or by mechanisms that confer the ability of plants to tolerate Al in the plant symplasm (Al tolerance). Compelling evidence has been presented in the literature for a resistance mechanism based on exclusion of Al due to Al-activated carboxylate release from the growing root tip. More recently, researchers have provided support for an additional Al-resistance mechanism involving internal detoxification of Al with carboxylate ligands (deprotonated organic acids) and the sequestration of the Al-carboxylate complexes in the vacuole. This is a field that is entering a phase of new discovery, as researchers are on the verge of identifying some of the genes that contribute to Al resistance in plants. The identification and characterization of Al resistance genes will not only greatly advance our understanding of Al-resistance mechanisms, but more importantly, will be the source of new molecular resources that researchers will use to develop improved crops better suited for cultivation on acid soils.     

Applications of functional classification methods for tree fine root biomass estimation: Advancements and synthesis

The morphology of fine root branching of woody plants is highly variable in their forms and functions. In the past two decades, researchers have increasingly recognized that the root-diameter-based method, using an arbitrary size of root diameter, failed to precisely characterize the physiological and ecological processes involved in finest roots. The number of publications using root-order-based approaches has increased regardless the fact that root trait-measurements based on root order are time-consuming and labor-intensive. A new approach—root functional classification method—was proposed and had been applied in the literature. The functional classification of fine roots separates roots of < 2 mm to absorptive and transport pools, making it more feasible for studies on root biomass and turnover. This new concept redefines fine root guild and has great potentials for future studies. Our literature review of the topic indicates that less is known about the inter-specific differences in estimates of biomass of absorptive and/or transport roots, with a large variation of absorptive roots on global scale. In addition, our review emphasizes the importance in: a) precision estimating of the absorptive biomass of fine roots, and b) proper definition of the range of the transport roots within and among forest ecosystems. Finally, after compare the strengths and weaknesses of the functional classification method, we propose several specific suggestions to improve the applications of this approach.     

树木细根生产与周转研究方法评述

树木细根在森林生态系统能量流动和物质循环中起重要的作用。树木细根研究及方法探讨也成为当今森林生态学的研究热点。在中国,对树木细根生产和周转的研究尚未引起充分重视。在此介绍了目前国外普遍采用的树木细根研究方法及其优缺点、适用性以及不同方法的研究比较,以期对我国开展树木细根方面的研究有所裨益。