Responses of key root traits in the genus Oryza to soil flooding mimicked by stagnant, deoxygenated nutrient solution  

水稻屬關(guān)鍵根系性狀對(duì)模擬土壤淹水的停滯脫氧營(yíng)養(yǎng)液的響應(yīng)  

來(lái)源：Journal of Experimental Botany, Volume 74, 2023, Pages 2112-2126

《實(shí)驗(yàn)植物學(xué)雜志》第74卷（2023年），第2112-2126頁(yè)，

 

摘要內(nèi)容

 

研究比較了8種野生稻（Oryza屬）和3個(gè)栽培稻（O. sativa）基因型在模擬淹水環(huán)境（停滯脫氧營(yíng)養(yǎng)液）下的根系響應(yīng)。核心發(fā)現(xiàn)包括：  

根系孔隙度：淹水條件下多數(shù)物種根系孔隙度顯著增加（如O. nivara↑1.9倍），但干地物種O. granulata無(wú)響應(yīng)（圖1A）。  

 

 

徑向氧損失（ROL）屏障：淹水誘導(dǎo)了ROL屏障形成，降低氧氣外泄（表觀滲透率P_A↓，圖2A），并減少?gòu)较蛩畵p失（RWL↓，圖2B）。  

 

 

解剖結(jié)構(gòu)：淹水使根系增粗，皮層/中柱比（CSR）升高（O. australiensis CSR↑至28.8，圖3D），增強(qiáng)氧氣縱向運(yùn)輸能力。  

 

表型可塑性：栽培稻（如IR42）和濕地野生稻（如O. glumaepatula）可塑性指數(shù)（RDPI=0.40）顯著高于干地物種O. granulata（RDPI=0.20，圖4）。  

 

 

研究目的

評(píng)估水稻野生近緣種對(duì)淹水脅迫的根系性狀響應(yīng)差異。  

 

量化根系解剖與生理性狀的表型可塑性。  

 

篩選具有高淹水耐受潛力的種質(zhì)資源。  

 

研究思路

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：  

 

水培系統(tǒng)模擬淹水（停滯脫氧營(yíng)養(yǎng)液）與排水良好（通氣營(yíng)養(yǎng)液）條件。  

 

測(cè)量根系孔隙度、ROL屏障強(qiáng)度、徑向水損失、解剖結(jié)構(gòu)等。  

數(shù)據(jù)分析：  

 

計(jì)算相對(duì)距離可塑性指數(shù)（RDPI）量化性狀響應(yīng)。  

 

主成分聚類（HCPC）分析物種分組（圖5）。  

 

測(cè)量數(shù)據(jù)及研究意義

根系孔隙度（圖1A）  

 

數(shù)據(jù)：淹水使O. nivara孔隙度從22%升至41%，O. granulata保持40%不變。  

 

意義：反映通氣組織形成能力，決定氧氣縱向擴(kuò)散效率，直接影響根系在缺氧土壤中的存活。  

ROL屏障強(qiáng)度（圖2A）  

 

數(shù)據(jù)：淹水后P_A（氧氣表觀滲透率）下降，如O. glumaepatula降幅達(dá)94%。  

 

意義：屏障減少氧氣向土壤流失，提升根系內(nèi)部氧濃度，是淹水適應(yīng)的關(guān)鍵機(jī)制。  

徑向水損失（RWL）（圖2B）  

 

數(shù)據(jù)：ROL屏障強(qiáng)的物種RWL顯著降低（如淹水后O. glumaepatula RWL↓94%）。  

 

意義：證實(shí)ROL屏障同時(shí)限制水分?jǐn)U散，可能增強(qiáng)干旱脅迫下的保水能力。  

解剖結(jié)構(gòu)（圖3）  

 

數(shù)據(jù)：淹水使皮層增厚，CSR升高（O. australiensis CSR從15.6升至28.8）。  

 

意義：高CSR降低代謝耗氧，優(yōu)化氧氣向根尖的輸送效率。  

表型可塑性指數(shù)（RDPI）（圖4）  

 

數(shù)據(jù)：栽培稻IR42的RDPI=0.40，干地野生稻O. granulata僅0.20。  

 

意義：量化物種對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力，為育種提供可塑性高的種質(zhì)資源。  

 

丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的詳細(xì)研究意義

 

使用Unisense微電極（O?微傳感器，型號(hào)OX-25）測(cè)量根系皮層氧氣動(dòng)態(tài)：  

高精度定量ROL屏障  

 

方法：電極插入根皮層175μm，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧通量（圖2A）。  

 

意義：直接獲得P_A值，克服傳統(tǒng)化學(xué)示蹤法的間接性，精準(zhǔn)量化屏障強(qiáng)度。  

揭示屏障形成機(jī)制  

 

發(fā)現(xiàn)：淹水誘導(dǎo)的P_A下降與木質(zhì)素/栓質(zhì)沉積相關(guān)（圖2D）。  

 

意義：為基因篩選提供表型依據(jù)，如低P_A物種可能攜帶屏障形成關(guān)鍵基因。  

關(guān)聯(lián)多性狀響應(yīng)  

 

數(shù)據(jù)：P_A與RWL顯著正相關(guān)（r=0.651，圖2C）。  

 

意義：證明ROL屏障的多功能特性（阻氧+保水），深化對(duì)根系適應(yīng)機(jī)制的理解。  

 

結(jié)論

物種差異顯著：濕地野生稻（如O. glumaepatula）和栽培稻（IR42）對(duì)淹水響應(yīng)強(qiáng)烈，干地物種（O. granulata）可塑性低。  

 

關(guān)鍵適應(yīng)性狀：ROL屏障形成、高孔隙度、高CSR是淹水耐受的核心機(jī)制。  

 

育種潛力：高可塑性野生稻（如O. longistaminata）可作為改良栽培稻淹水耐受性的基因資源。