根际微生物调控植物根系构型研究进展

根系构型是最重要的植物形态特征之一,具有可塑性,既由遗传因素控制,又受到许多环境因子的调控。近年的大量研究表明,根际微生物能够调控植物的根系构型,进而影响植物的一系列生理与生态过程。综述丛枝菌根真菌(AMF)、根瘤菌、植物根际促生菌(PGPR)等重要根际微生物类群对植物根系构型的调控模式以及相应的调控机理,并对进一步的研究进行了展望,旨在为今后的相关研究和实际应用提供参考。     

华南海岸典型沙生植物根系构型特征

选择华南海岸典型沙地, 采用全挖法, 对4种典型沙生植物木麻黄(Casuarina equisetifolia)、厚藤(Ipomoea pes-caprae)、老鼠艻(Spinifex littoreus)和狗牙根(Cynodon dactylon)的根系构型进行了研究。结果表明: 1)狗牙根和老鼠艻的根系总体分支率显著高于木麻黄, 厚藤最小, 说明大部分草本植物在生长过程中通过增加根系分支率, 提高物质传输效率, 除木麻黄外, 其他3个物种枝系均平卧伸展, 易于受到沙埋生出不定根, 进一步提高其物质传输效率; 2) 4种沙生植物根系平均连接长度最大的为木麻黄, 平均连接长度为19.25 cm, 且相对其他3个物种传导根所占的比例最大, 说明木麻黄通过增加平均连接长度以减少根系内部对土壤资源的竞争, 并提高传导根的比例, 以增加资源传输效率; 3) 4种沙生植物根系构型均倾向于叉状分支, 其中草本植物的根系构型更为接近, 说明草本植物受到的资源胁迫相对较小, 有利于在海岸沙地恢复中快速定居; 与内陆地区沙生植物相比, 海岸沙生植物在土壤资源的获取及空间拓展方面表现出显著的差异, 反映出不同生境条件下物种对生境胁迫的适应策略。因此, 海岸沙地前缘植被恢复应以草本植物为主, 尤其是具有不定根的物种, 乔木则不适合。     

不同林龄胡杨克隆繁殖根系分布特征及其构型

以中龄林和成熟林胡杨为研究对象,采用挖剖面和根窗的方法,研究胡杨繁殖根系分布、根系构型,以及胡杨根蘖与繁殖根系构型之间的关系。结果表明:(1)细根(d<2 mm)的根长密度、根表面积密度,随深度增加呈现指数函数分布;(2)中龄林细根的根长密度、根表面积密度在0—90 cm各层都是显著大于成熟林的对应指标(P<0.05),成熟林的中等粗根(5 mm0.05),且两种林龄的一级侧根数、分枝角度亦无显著差异(P>0.05);(5)对比两种林龄不同根序上的根蘖芽发现,二级根上不定芽个数均是同组一级根上不定芽个数的3—4倍;基于以上对胡杨根系的功能权衡的分析,得出:细根对胡杨根系构型有重要的影响,在胡杨根系功能权衡中扮演重要角色。     

土壤湿度对香樟幼苗根系生长和构型的影响

以1年生香樟(Cinnamomum camphora)幼苗为试材,设置对照组(CK)、中度干旱处理(M)、重度干旱处理(S)三个处理,比较不同土壤湿度下香樟幼苗不同时期地上部分生长和根系构型,探究香樟幼苗根系对不同土壤湿度的适应性及其耐旱机制。结果表明,中度和重度干旱处理组的香樟根系及地上部分干物质积累、根系长度、根系表面积、根系直径和根尖数均显著小于对照组(P<0.05)。同时干旱显著增加香樟幼苗的根系拓扑指数,降低香樟根的分形维数和平均分枝角度(P<0.05)。可见土壤湿度程度及处理时间显著影响香樟根系的生长及在土壤中的布局。较低土壤湿度可显著抑制根长的延长、根表面积扩大和根的增殖,且随着土壤湿度的继续降低以及处理时间延长,香樟幼苗根系的生长受到水分亏缺的抑制作用加重,根系建成成本增高的同时,根系分枝的复杂性降低,根系必须通过朝着更陡、更深的方向生长伸长来提高水分吸收效率。建议在园林绿化工程养护过程中制定科学的水分管理策略,以满足香樟生长过程中对土壤水分的需要。     

模拟边坡条件下常见护坡植物苗期根系构型特征

植物根系对提高边坡稳定性具有重要作用。采用喷播的方式在侵蚀槽中制备模拟石质边坡,植物生长6个月后采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪扫描相结合的方法,研究了模拟边坡条件下11种常见护坡植物苗期的根系构型特征。结果表明：紫花苜蓿根系生物量最大,柠条根系生物量最小,二者主根发达,仅分布在下坡方向。沙打旺、胡枝子、紫穗槐和欧李根系生物量、总根数、总基根数、总根长、总根表面积、总根体积均较大,在上坡方向和下坡方向分布均匀,拓扑指数介于0.53—0.61之间,为叉状分枝结构,根系固土护坡能力较强,可作为边坡生态修复工程的优选植物。根系生物量与根系表面积、根体积呈现显著的线性正相关关系(R²分别为0.68和0.80),拓扑指数与根系长度、根系表面积、总根数、总基根数呈现显著的指数负相关关系(R²分别为0.82、0.68、0.87、0.86),可为植物根系构型研究提供科学依据及理论支撑。     

河西走廊中部两种荒漠植物根系构型特征

在河西走廊中部,采用挖掘法挖取红砂和白刺根系,应用拓扑学与分形理论分析了根系构型的特征.结果表明: 2种荒漠植物根系的拓扑指数均较小,根系分支模式均近似为叉状分支结构.红砂和白刺根系具有较好的分形特征,其分形维数分别为(1.18±0.04)和(1.36±0.06);分形维数、分形丰度与根系平均连接长度均呈显著正相关.2种荒漠植物根系的平均连接长度均较大,以扩大植物的有效营养空间,从而适应干旱贫瘠的土壤环境.2种荒漠植物根系分支前的横截面积等于根系分支后的横截面积之和,验证了Leonardo da Vinci法则.对17个根系构型参数进行主成分分析,根系拓扑指数、根系连接数量、逐步分支率和根系直径4个根系构型参数能很好地表示2种荒漠植物根系构型特征.     

棉花根系生长和空间分布特征

结合田间根钻取样和图像扫描分析方法, 研究了不同棉花品种根系的长度、直径和表面积动态及 0~ 10 0cm深和 0~ 4 0cm宽土壤范围内的空间分布特征。该方法与常规直尺测量结果相比相关系数R2 达到 0.899 (n =1318), 显示了较好的可靠性。研究结果表明, 棉花平均根长密度 (RLD) 在花铃期为 1.2 1~ 1.2 7mm·cm-3, 吐絮后降至 1.0 4~ 1.12mm·cm-3, 收花时为 0.76mm·cm-3 。棉花根平均直径在不同基因型间存在显著差异, 抗虫杂交棉的根直径最粗, 平均为 0.5 2mm ;早熟类型品种根直径较细, 平均为 0.36mm。在土壤深度上根直径的差异不显著, 但距棉行距离越远, 根的平均直径越小。在明确根系长度和直径动态规律的基础上, 提出了根表面积指数 (RAI) 的概念, 与地上部叶面积指数具有相似的含义和生物学意义, 且呈较好的指数相关关系 (R2 =0.779) 。RAI在生理发育时间 (PDT) 小于等于 4 0前, 其增长动态符合LOGISTIC生长规律 (R2 =0.84 9), 在PDT大于 4 0后, 呈线性递减趋势 (R2 =0.5 70~ 0.895 ), 且杂交抗虫棉的RAI在全生育期内均明显高于其它类型品种, 而早熟类型品种相对略低。RAI空间分布特征表现为, 开花前在浅根层内 (0~ 30cm) 分布最多, 花铃期以中层根系 (40~ 6 0cm) 为主, 吐絮后主要以深层 (70~ 10 0cm) 和距棉行较远的行间较多。研究结果为制定合理的施肥、灌溉措施提供了理论依据, 并量化了棉花根系的时空变化, 为进一步提高生长发育模拟模型的精度奠定了基础。     

梯田埂坎立地植物根系分布特征及其对土壤水分的影响

在标准株选择的基础上,采用整株挖掘法研究活性根的特征,采用旱季0～200cm土层土壤水分定点观测的方法观测土壤含水量,并籍此计算土壤水分相对亏缺值来描述梯田埂坎附近土壤水分的变化。研究显示,4个植物种在根系深度、生物量和根长分布、对土壤水分的影响方面具有不同的特征。柽柳根系深达757cm,根系生物量和根长在0～100cm土层范围内均匀减少。但粗根在整个根系中占支配地位,细根的生物量和根长主要集中在0～40cm土层中。杞柳根系分布在0～40cm土层中,占全部根系生物量的86．0％。但粗根占绝对优势。40cm以下土层中(杞柳根系分布的最大深度为305cm)根系生物量和根长逐渐下降,但细根长度超过粗根。杞柳的部分根系分布高于着生平面,而且这部分根系中细根占绝对优势。柠条的根系分布特征与杞柳相似,但粗根的比例大于杞柳。新疆杨根系分布较浅,最大深度仅为136cm。在0～40cm土层中,新疆杨根系生物量占总根系生物量的77．2％。60cm土层以下根系生物量急剧下降,根长在80cm以下同样急剧减少。在新疆杨的整个根系分布层中,虽然粗根在生物量上占优势,但细根长度远大于粗根。研究结果还显示,栽植不同植物种的埂坎附近水平范围内存在明显的土壤水分亏缺。柽柳埂坎、杞柳埂坎、拧条埂坎、新疆杨埂坎的水分亏缺范围分别为230cm,437cm,274cm和399cm。垂直范围内,在4个测点均有一个土壤水分从表层往下增加的土层,该层在30～70cm范围内变化,只是随距埂坎的距离和植物种不同而不同。增加层以下,土壤水分开始持续下降至70cm到200cm土层,具体的下降深度也因植物种和距埂坎的距离不同而不同。建议,(1)根系深、对土壤水分影响较小的柽柳是黄土高原地区较为理想的农林复合树种;(2)杞柳应栽植在梯田软硬埂的结合部,约在梯田埂坎高度的1／3到2／3处,并且采取及时平茬和秋粮作物配置的方法调控系统的竞争关系;(3)柠条可采取与杞柳相似的栽植和调控办法;(4)根系分布浅、对水分影响较大的新疆杨,除栽植在埂坎顶部外成活比较困难,不是合适的埂坎栽植树种。     

大田期烟草根系构型参数的动态变化

采用“根箱”法研究了大田期烟草根系构型参数在时间、空间上的动态变化.结果表明, 烟草2级侧根总长度的增加明显大于1级侧根,根快速增长期分别出现在移栽后26～40和56～70 d.栽后57 d(打顶)前,烟草根系的分枝密度表现为10～20＞0～10＞20～30＞30～40 cm,此后随土层的加深呈递减趋势.在主根上,以7～21 cm范围内的分枝密度最大.打顶前,比根长随着入土深度的加深而递增;栽后90 d,比根长随土层的加深而递减.1级侧根根长密度在0～10 cm土层内的变化呈“S”型曲线,10～20、20～30和30～40 cm内表现为双峰曲线;2级侧根根长密度随生育期的进程而增加,其中0～10 cm根长密度的变化为“S”曲线,其它层次为单峰曲线.     

模拟增雨对荒漠植物幼苗生长和根系形态的影响

降雨是荒漠生态系统过程和功能的最重要限制因子,荒漠植物幼苗对生长季降雨的变化极端敏感。为探讨荒漠植物对未来降雨格局变化的响应,选取乌兰布和沙漠两种典型荒漠植物幼苗(白刺和油蒿)为研究对象,根据生长季内(6—9月)每次降雨量,进行不同梯度的人工模拟增雨试验(CK:自然降雨、A:增雨25%、B:增雨50%、C:增雨75%、D:增雨100%),研究两种植物幼苗生长和根系形态特征对降雨量变化的响应。结果表明:(1)不同增雨处理对白刺和油蒿幼苗的地上部生长有显著影响(P<0.05),增雨处理的白刺和油蒿幼苗的株高、平均冠幅和基径显著高于CK,并随着增雨量的增大而增大(白刺基径除外);(2)增雨处理之间、白刺和油蒿之间在总根长、总表面积、平均直径、总体积、根尖数和分叉数均有显著差异(P<0.05)。对白刺幼苗而言,B处理和C处理的根系参数均显著大于CK、A和D处理,且B和C处理之间没有显著差异(平均直径除外);对油蒿幼苗而言,随着增雨量的增加,油蒿总根长、总表面积、总体积、根尖数和分叉数呈现逐渐增加的趋势,而平均直径呈现先增加后降低的趋势,且在B处理下达到最大值。(3)增雨处理显著降低...     

不同紫花苜蓿品种根系发育能力的研究

研究了12个国内外紫化苜蓿品种在渭北旱塬丘陵沟壑区根系的发育能力。结果表明,根系生物量、根系体积、侧根数在不同紫花苜蓿品种间差异显,在土壤中从表层到深层逐渐递减;侧根的发生部化受不同深度土壤含水量的影响。占0～50cm土层根系生物量66．5％的根系集中分布在0～20cm土层中。而侧根发生的主要部位在0～20cm的主根段,40cm以下没有侧根发生。通过聚类分析,可把12个紫花苜蓿品种分为3类,其中WL-323ML、两香、苜蓿王、巨人在渭北呈塬丘陵沟壑区根系发育好,具有较强的根系发育能力。     

干旱胁迫对喀斯特地区野生茶树幼苗生理特性及根系生长的影响

以贵州喀斯特地区4种野生茶树(Sect Thea(L.)Dyer)无性系幼苗为材料,采用盆栽控水方法研究其对干旱胁迫的生理生长响应,初步评价其抗旱性,并采用田间模拟持续干旱试验进行验证。结果表明:(1)随着干旱胁迫程度的加强,4种野生茶树叶片的相对含水量逐渐降低;细胞质膜透性、丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量均呈上升趋势;游离脯氨酸含量和超氧化物歧化酶(SOD)活性先升后降;过氧化物酶(POD)活性除秃房茶随胁迫程度加强呈上升趋势外,其他种均呈先升后降趋势。(2)随着干旱胁迫程度的加强,4种茶树幼苗总生物量干重均逐渐下降,根冠比先升后降;根系总长除在秃房茶中呈先升后降趋势外,在其他3个种中均逐渐下降;根系总表面积、根系总体积在大理茶和茶中逐渐下降,而在大厂茶和秃房茶中先升后降;根系平均直径在秃房茶中逐渐降低,大厂茶中先升后降,茶中逐渐升高;根系活力在大理茶中逐渐下降,在其他3种中均先升后降;而比叶面积则在大厂茶中呈下降趋势,在其他3种中均先升后降。(3)基于生长生理指标的隶属函数抗旱性评价结果表明,MDA含量和细胞质膜透性与野生茶树抗旱性密切相关,4种野生茶树幼苗的抗旱顺序为秃房茶(Camellia gymnogyna Chang)大厂茶(Camellia tachangensis F.C.Zhang)茶(Camellia Sinensis(L.)-O.Kuntze)大理茶(Camellia taliensis(W.W.Smish)),田间持续干旱试验验证了基于隶属函数抗旱性评价方法的准确性和可靠性。     

根域限制下水氮供应对膜下滴灌棉花根系及叶片衰老特性的影响

在新疆的气候生态条件下, 选用北疆2个棉花(Gossypium hirsutum)主栽品种‘新陆早13号’和‘新陆早33号’为供试材料, 设置限根(RR)与对照(CK)处理, 每个处理设置4个水氮水平: 水氮亏缺(W₀N₀)、水分亏缺(W₀N₁)、氮素亏缺(W₁N₀)与水氮适量(W₁N₁), 组成再裂区试验方案。采用管栽方法, 通过人工改变根系垂直生长深度和水氮供应, 在棉花产量形成期测定根系及叶片抗氧化保护酶系活性、生物量累积及分配等, 探讨根域限制及水氮供应对棉花根系生长及叶片衰老的影响机理。结果表明: 根域限制条件下, 棉花根系生物量、根系与叶片超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)与过氧化氢酶(CAT)活性、棉株总生物量、根冠比均低于对照, 而地上部生物量与籽棉产量显著高于对照。水氮供应能有效地调节根系及叶片的生长, 不同水氮处理间棉花根系与叶片抗氧化保护酶系活性、叶绿素含量、地上部生物量及籽棉产量均表现为W₁N₁ > W₀N₁ > W₁N₀ > W₀N₀, 根冠比与根系生物量的表现与之相反。根域限制与水氮供应表现出互作优势, 根域限制下适量水氮供应处理的地上部生物量与籽棉产量均明显高于其他处理, 根冠比较低。因此, 在棉花根系生长受限的条件下, 优化生育期间水氮供应, 可以增强根系及叶片的抗氧化保护酶系活性、增加光合产物向地上部的分配比例、增加产量, 是进一步挖掘膜下滴灌棉花增产潜力的有效途径。     

Phosphorus effects on root growth and development in two maize genotypes

Soil phosphorus (P) availability is critical for the early growth and development of maize (Zea mays L.). Soil P also affects root morphological and physiological characteristics that are important for P uptake. The objective of this study was to evaluate the effects of P on seedling root growth and development of two maize genotypes differing in root system plasticity. Two maize genotypes, CM37 (high plasticity) and W153R (low plasticity), were selected based on a preliminary study. Maize plants were evaluated at six vegetative stages of development for three soil P treatments (0, 45, and 300 mg kg^-1). Seedlings were grown in a controlled environment using a soil with low native P, Maddock sandy loam (sandy, mixed Udorthentic Haploborolls). The addition of P decreased the time to reach a given growth stage and increased the relative growth rate of roots to a greater degree in CM37 than in W153R. The effects of P on shoot dry weight and root surface area during the V4–V6 growth period appeared to be related to the effects of P on development and relative growth rates during the V1–V3 growth period. Evaluation of the time course of phenotypic change is an important consideration when developing adapted genotypes for specific environments.     

长白山几种主要森林群落木本植物细根生物量及其动态

2005年在长白山北坡选择5种垂直植被带典型植物群落类型阔叶红松林、白桦林、山杨林、云冷杉林和岳桦林,利用钻取土芯法对细根分布及细根生物量进行了研究.研究结果表明,不同森林群落细根现存生物量存在一定的差异,其中白桦林最高,月平均细根现存生物量为5.1340 t/hm^2、其次为云冷杉林（5.0530 t/hm^2）、岳桦林（4.9255 t/hm^2）、阔叶红松林（4.4919 t/hm^2）和山杨林（3.9372 t/hm^2）;不同群落细根现存量月动态变化也有较大差异,月均最高最低相差阔叶红松林约为72﹪、白桦林近73﹪、山杨林26﹪、云冷杉林56﹪、岳桦林144﹪.在生长季节内不同群落细根发生和死亡也是不均匀的,春季所有群落都会产生大量的细根,一些群落在初秋（9月份）出现另一个较高的峰值,同时发现每次细根大量发生后,都随之产生大量细根的死亡,生长季末群落死亡细根生物量往往是最高的.调查群落72.9﹪以上的细根集中于土壤表层0～10cm的范围内,不同群落略有差别,在所研究的5种森林群落中,不同月份0～10cm土层中细根生物量几乎都表现出白桦林＞阔叶红松林＞云冷杉林＞岳桦林＞山杨林.     

保水剂用量对小麦不同生育期根系生理特性的影响

在河南禹州试验基地进行田间试验,研究了保水剂不同施用量（0、30、60、90 kg·hm^-2）对两个冬小麦品种（郑麦9694和矮抗58）根系生理生化特征、生物量及产量的影响,以探明保水剂对不同生育阶段冬小麦根系的作用机理.结果表明：施用保水剂降低了冬小麦根系质膜透性和可溶性糖含量,提高了根系活力.在各生育期,郑麦9694根系质膜透性降低幅度均大于矮抗58;除90 kg·hm^-2处理外,矮抗58的根系活力均显著大于郑麦9694.在孕穗期和灌浆期,郑麦9694的可溶性糖含量降低幅度显著大于矮抗58.在各生育期内,60 kg·hm^-2处理的两品种质膜透性和可溶性糖含量均最小,90 kg·hm^-2与60 kg·hm^-2处理差异不显著.随保水剂用量的增加,郑麦9694的根系活力显著提高,而矮抗58 在60 kg·hm^-2处理下最高.施用保水剂还提高了小麦根系生物量,在拔节期和孕穗期,矮抗58的根系生物量大于郑麦9694;而在灌浆期,矮抗58在60 kg·hm^-2和90 kg·hm^-2处理下根系生物量显著低于郑麦9694.郑麦9694和矮抗58产量均以60 kg·hm^-2处理增幅最高.综上,保水剂对郑麦9694的作用效果较矮抗58显著,并以60 kg·hm^-2施用量为佳.     

黄土丘陵区不同植被根系数量特征及离散程度

根系的空间分布与植物自身的生物学特性、土壤资源、土壤结构等因素有密切的关系。对黄土丘陵区3种植被类型根系的数量特征及离散程度进行了研究,结果表明:山杨、灌丛和油松林地的根系数量随着根系径级的增加而减少;山杨林地根系最丰富,油松林次之,灌丛地根系数量最少。3种植被根系离散程度随深度的增加有明显的差异,其中灌丛和山杨林根系的离散指数在15cm深处达到最大值,随后又降低,而油松林的变化没有明显规律。无论是表层或是深层,3种植被根系离散指数均小于1,说明植被根系在土壤中呈聚集分布。在土壤相对均质的黄土地区,根系的空间聚集分布可能是根系的固有特性。     

间伐对黄龙山油松中龄林细根空间分布和形态特征的影响

为探究油松细根生长与抚育间伐的关系,以黄龙山林区4种不同间伐强度(对照,轻度,中度,强度)下的油松人工中龄林为研究对象,采用根钻法,分3层(0—20,20—40,40—60cm)获取细根样品,研究了间伐强度对油松细根生物量和形态特征的影响。结果表明:油松细根生物量主要分布在0—20 cm土层,不同间伐强度下细根生物量差异显著(P0.05),随间伐强度的增大,细根生物量先升高后降低,强度间伐下0—20 cm土层细根生物量显著降低(P0.05),20—40 cm土层和40—60 cm土层细根生物量所占比例随间伐强度的增大而增大。细根根长密度和根表面积密度在不同间伐强度和不同土层间均差异显著(P0.05),且变化规律与生物量基本一致。细根比根长和比表面积随间伐强度的增加而增大,且强度间伐与其他强度呈显著性差异(P0.05)。轻度和中度间伐对小径级细根(0—1.0 mm)有显著影响,对较大径级细根(1.0—2.0 mm)的影响则不显著(P0.05),强度间伐对0—2.0mm的细根均有显著影响(P0.05)。中度间伐(保留郁闭度0.7)条件下,油松林地细根总生物量达到最大1022.43 g/m2,此条件下细根的根长密度和根表面积密度也达到最大,能充分利用林地的立地资源,最有利于保留木的生长。