4植物根系和根际的研究方法.doc

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1、第4章 植物根系和根际的研究方法第一节 植物根系的研究方法植物根系具有吸收和输送养分和水分、合成植物激素和其他有机物质、储存营养物质以及支撑植物使之固定于土壤中等多方面的作用。它是植物与外界环境之间进行物质交换的主要器官，因此它与植物营养有着密切的关系。但植物根系的研究比地上部分的研究要困难的多。一、根系研究方法（一）钉板法：常用。1、钉板的制作：小板：50cm50cm，钉长5cm，钉距5cm。大板：60cm100cm，钉长5cm，钉距5cm。2、取样3、清洗4、根系摄影与测定（二）容器法：容器种植主要研究根系生理或生态学特性。条件容易控制。1、容器大小与根系体积适应2、种植盒的制作：（三）玻

2、璃壁或玻璃管法：用探头观察根系生长情况。（四）多孔膜法：尼龙纤维多孔膜(孔径0.3m) 二、根系测定方法（一）根系形态特征及其测定方法根系形态特征包括根系体积、几何形状、长度、分布深度、根密度、分枝状况、根重、根表面积、根毛数量和根尖数等。根系形态与养分、水分的吸收能力有密切关系。在植物营养研究中，常用的根形态参数主要有根重、根长、根表面积、根密度、根毛和根尖数等。1、根重根重对于表征根的总量是一个很好的参数，植物吸收养分的数量和速率通常用单位根重作参量。根重分为根干重和根鲜重两种。根干重对于养分和水分吸收不是个理想的参数，因为老而粗的根所占的重量很大，而吸收养分和水分的能力很小。但当了解植物

3、地下部的生产力时，干重常作为估计的标准。在估算根/冠比（R/S）时，也要用根干重。测定根干重的方法，一般采用烘干重量法。在105oC条件下烘干10-20h或在60-70oC下烘干20h，称重。根鲜重是个理想参数，在植物营养研究方面很有应用价值。养分吸收大多用根鲜重作参量。根鲜重容易测定，但准确程度与根外粘附水分有关，故受操作影响较大。2、根长根长被定义为单位土壤表面积上根系的总长度（LA），计算公式为：LA总根长(cm)土壤表面积(cm2)当根长测定后，如已知根的平均直径，则可以推算根系表面积和根体积，也可用于计算养分吸收速率。所以，根长直接影响根系表面积的大小，而根表面积的多少与根系吸收面积

4、直接相关。Barley（1970）把每单位土壤表面的根表面称为“根面积指数”。根长的测定方法有：（1）直接法在一平底玻璃盘中，铺上带mm刻度的方格纸，其上用一块玻璃压平，然后倒少量水保持浅水层，将湿根置于其中，用镊子把根拉直，逐条测定其长度，最后累加即得。这种方法费时费事，比较复杂，一般不常用。（2）直接截距法直接截距法是Tennant（1975）发明的，是以根系与一定规格的方格纸上纵横线条的截点数来计算根长的方法。根据交叉点数，按照经验公式计算如下：根长（cm）11交叉点数方格间距（cm）14式中：11/14方格间距等于转换因子，对于1、2、5cm间距方格，转换因子分别为0.768、1.57

5、、3.93；交叉点数为横截点数与纵截点数之和。对于间距为1cm的方格纸，则根长（cm）11交叉点数14此法较直接法省时，测定的根长与实际根长之间有很好的相关性。3、根径（半径或直径）测定根径（根茎）的主要目的是了解土壤空隙大小与根系穿透潜力之间关系的信息，在一年生植物时，测定根径在大多情况下用来计算根表面积和根体积。常用的测定方法有：（1）实际测定测定前，须先将根系浸泡在水中数小时，然后用带有测微计的显微镜直接对鲜根进行测定，对粗根可采用小手镜或千分尺卡测定。如果一条根的直径上下有差别，则可按一定间距分别测定。根据根的直径大小，可以将其进行分类（表1），以便进一步研究。表1 不同根茎根系粗细划

6、分根茎（mm）粗细分类0.5很细0.5-2.0细2.0-5.0小5.0-10.0中10.0-20.0粗20.0很粗（2）估算法许多文献中均采用公式估算法。将根系假设为均匀的圆柱体，按经验公式计算如下：式中：r=根半径（cm）；W=根鲜重（g）；L=根长（cm）；D=水的密度（g/cm3），=3.1415926。由于4C 时水的密度等于1g/cm3，则上式可简化为： （Sumio & Barber，1983）4、根表面积根表面积被认为是表征根系对水分和养分吸收最好的参数之一，可以用以下两种方法进行测定。（1）直接计算法用根径和根长或根体积计算求得，公式如下：S2rL式中：S=根表面积（cm2）；

7、其它符号的含义同上。需要注意的是此法只能得到根表总面积，不能反映根系活力。（2）吸附法是通过根系的吸附作用进行间接估计根表面积，其结果与根系养分吸收量或吸收速率可能有关。吸附法有染料法和滴定法，测定的是根系吸收面积。染料法：把洗净的鲜根侵入染色溶液中（通常为0.02-5mg.L-1的亚甲基蓝溶液），轻轻搅动，保持一定时间后取出，用最初与最终染色溶液浓度之差即根系吸附的亚甲基量，来估计根表面积。滴定法：把洗净、风干的植物根系侵入到3mol/LHCl溶液中3s，然后取出排去多余的酸后，置于一定量蒸馏水中浸提10min，用0.3mol.L-1NaOH标准溶液滴定，用消耗的NaOH毫升数作为总根表面容

8、量（total capacity of root surface）。这两种方法测定的是相对根表面积。5、根密度是一个十分重要的参数，指每单位土壤容积（cm3）中根的总长度，表示为：LV=2式中：LV为根密度(cm/cm3)，是三相平面上每单位截取的根轴算术平均数。例如三个平面每平方厘米截取的根轴数分别为6、8、4，则LV=2（6+8+4）/3=12。6、根体积根体积是一种辅助参数，可与根系其它参数结合使用。测定方法有：（1）计算法用平均根径和根长计算求得，公式如下：r2L式中：V为根体积(cm3)，其它符号的含义同上。此法估算的误差较大，故不常用。（2）排水法按照鲜根体积等于排出水的体积的原理

9、，精确量取。在植物营养研究中，根体积测定一般不普遍，因为少量大根系与大量小根系具有相同的体积。7、根毛数根毛对于养料吸收具有特别重要的作用，主要表现在以下三方面。（1）维持土壤与根组织的紧密接触，形成土壤一水一根的连续体系。（2）穿透根土阻力能力强，可以穿透粘土吸收养分和水分。如粘土之间的孔隙大小为10m，而小麦根的平均直径为216m，根毛直径为11.4m。（3）根毛对易扩散或迁移的养分起着特殊作用。根毛对于增加磷的吸收有很大的作用，据研究（Barley 1970），在土壤中有根毛比无根毛多吸收78%的磷，但在营养液中二者没有什么差别。根毛的寿命一般为2-3周更新。根毛的长度、数量和密度与作物

10、种类和土壤条件有关。一般多数作物有根毛，少数作数无根毛或少根毛（洋葱和胡罗卜）。根毛长度为0.1-1.5mm，直径为5-25m（表2）。表2 六种植物根和根毛的特性（Barber 1984）植物根半径根毛数/cm根长根毛长根毛半径根毛表面积根表面积(mm)(mm)(m)小麦0.1085600.295.70.7莴苣0.12412700.304.81.6蓟菜0.0568900.603.93.8番茄0.10716500.434.32.5洋葱0.22511800.0411.00.2胡萝卜0.10718100.0440.00.3根毛受通气、土壤微生物、土壤水分、土壤物理性质和土壤养分状况等环境条件的影响

11、。土壤有效磷含量高时根毛反而少，因此在低磷土壤中会吸收更多的磷。8、根尖数除上述参数外，根尖数目也很重要。某些养料如Ca2+、Mg2+、Fe2+等主要靠根的幼嫩组织吸收，因为这些组织的内皮层细胞壁尚未木栓化，离子容易透过。9、根/冠比根/冠比（R/S）是地下部与地上部干重的比值，即R/S根系干重/地上部干重R/S是描述根系与地上部生长相互关系的参数，通过测定根/冠比，可以了解植物地下部与地上部的分布及二者之间的关系。也有人用其倒数即S/R比。一般地SR，故R/S1。在缺磷情况下，R/S增大。植物根系的生长具有“趋肥性”，即根系能够迅速伸展到土壤养分相对丰富的地方，以扩大吸收养分的范围。在一定的

12、土壤养分含量范围内，养分含量偏低，促进根系伸展而抑制地上部生长，R/S比较大；反之，养分含量偏高，根系较短，促进地上部生长，R/S比下降。在植物营养研究实践中，根据研究目的选择测定根系参数。一般为了更好地解释有关数据，最好能测定多个参数进行比较，以求参数之间及与养分吸收效率之间的相关性，来确定取舍。（二）根系生理生化特性及其测定方法1、根的阳离子交换量植物根系的阳离子交换量（cation exchange capacity，简称CEC）是指每1000g干根所能吸收的全部交换性阳离子的厘摩尔数（cmol(+)/kg），是根系的重要生理生化指标之一。其大小与植物种类、品种、根细胞壁果胶的羧基含量等

13、有关。测定方法：磨碎，盐酸处理，再用KCl交换，KOH溶液滴定。据报道，根的CEC还与作物吸收难溶性磷的能力有关。根的CEC大的作物，由于对Ca2+的吸收能力较强，故对难溶性磷的吸收也较大。因此，有研究者把植株体中CaO/P2O5的比率视为作物利用难溶性磷（磷矿粉）的一个生理指标。2、根系活力作物根系活力可以反映根系新陈代谢作用的强弱，根系代谢作用包括根系的呼吸作用、氧化力、酶活性等等。衡量根系活力的指标主要有根系氧化力、酶活性、伤流液等。（1）根系氧化力根系氧化力是根系新陈代谢活动的一个重要指标。一般测定-萘胺氧化力。（2）根系的酶活性根系中过氧化物酶与脱氢酶的活性也是根系活力的一个指标，可

14、以反映根系的衰老程度。（3）伤流液研究表明，水稻根伤流液的多少与根系活力有密切的关系。在一定时间内测定伤流液的重量，是衡量根系活力一个较为简便的方法。3、吸收速率或吸收量（1）根系养分吸收速率可用每天（或其它单位时间）每米根长（或每克鲜根重）所吸收的养分数量来表示平均吸收速率。瞬时吸收速率主要用于测定吸收动力学参数。（2）吸收动力学参数主要测定根系养分亲和力常数（Km）和最大吸收速率（Vmax），有时也测定临界浓度（Cmin）。（3）养分吸收量用每株或每克干物质所吸收的养分数量来衡量，可在不同生长发育时期或成熟期测定。4、根系养分吸收动力学参数测定主要是测定根系对养分离子的吸收速率和两个动力学

15、参数（Vmax，Km）。先采用溶液培养的方法培育不同基因型幼苗，然后选取一定苗龄的植株（多数研究采用幼苗，也可以采用不同生育阶段的植物根系），在不同离子浓度的溶液中吸收一定时间后，测定其根系对养分的吸收速率。根据Michaelis-Menten方程式，求解作物吸收某一养分的动力学参数。采用的Michaelis-Menten方程式为：VVmCKm+ C式中：V离子的吸收速率，单位mol.g-1.h-1或pmol.cm-1.s-1Vmax离子的最大吸收速率，单位同VC根表面溶液中的离子浓度（mmol.L-1）Km米氏常数或亲和力常数，单位同C当V=1/2Vmax时，1/2Vmax= Vmax C/

16、（Km+C），则Km = C，即当离子吸收速率等于最大吸收速率一半时，溶液中的离子浓度就是Km值（图1）。吸收速率VVmax1/2VmaxKm C溶液中离子浓度图1 离子的吸收速率与溶液浓度的关系吸收动力学参数的意义：Vmax表示植物根系对养分离子的吸收所能达到的最大速率，Vmax愈大表示吸收的内在潜力愈大。Km的倒数表示根系吸收位置对所吸收离子的亲和能力，Km值愈小，表示亲和力愈大。这两个参数可表示根系对养分吸收效率的高低。吸收动力学参数的求解：Vmax和Km值可以采用图解法（图），比较直观、简单，但准确性较差；也可采用统计方程式求解，具体有两种，即Michaelis-Menten方程式的两

17、个转换式。（1）Lineweaver-Burk双倒数方程式11Km1VVmaxVmaxC用1/V对1/C作图，将米氏方程式转变为直线式（图2），直线截距=1/Vmax，斜率=Km/Vmax。斜率=Km/Vmax截距=1/Vmax 1/V1/Km1/C图 Michaelis-Menten方程式的Lineweaver-Burk图（2）Hofstee方程式用V对V/C作图，将Michaelis-Menten方程式转变为Hofstee直线式（图2）。VVmKmVC吸收速率Vmax/KmVmax斜率=-KmV V/C图2 Michaelis-Menten方程式的Hosfstee图目前常用转换式后的这两个

18、直线式来处理试验数据，求解动力学参数Vmax和Km。Barber（1984）提出，当植物根系养分吸收速率即净吸收速率等于0时，外液中的离子浓度定义为Cmin，称为最低浓度（图3），因此Michaelis-Menten方程式可以修正为：VVmC-CminKm+(C-Cmin)这时V为净吸收速率（mol.g-1.h-1），Cmin也为重要的动力学参数，可以测定。尤其植物生长在低离子浓度介质中时，Cmin值有重要意义。一般情况下Cmin很小（5mol.L-1），因此用米氏方程式描述植物的离子吸收行为是可行的。吸收速率VVmaxCmin溶液中离子浓度图3 净吸收速率与离子浓度的关系第二节 植物根际研究

19、方法一、根际概念1904年德国微生物学家Lorenz Hiltner 提出根际的概念，最初指根系附近土壤与土体中微生物数量和种群的分布差异。后来，根际的概念逐渐应用于土壤学、植物营养学、土壤微生物学等许多学科中，“根际”的感念也得到了扩充。现在根际的基本概念是：由于植物根系的生理活动，引起了根系周围土壤在物理、化学和生物学特性上不同于原土体的特殊微域土区，称之为根际（Rhizosphere）。根际的范围一般认为在4mm以内。有人对根际范围进行了细分，把靠近根系0-1mm微区叫根面土，2-4mm微区叫根际土，4mm范围叫非根际土。但根际范围也因植物种类和营养元素的不同而异，有研究认为氮在40mm

20、，磷在1mm。根际是土壤-植物根系-微生物三者相互作用的场所，是土壤、根系及其各种分泌物、微生物及残体、水分、养分等多种物质相互作用的微生态体系，也是微生物聚集的场所，是各种养分、水分、微生物进入植物根系的门户，决定着养分在根系表面累积的多少。因此，根际的物理、化学和生物学特性不同于非根际土壤（原土体），根际微域环境直接影响着土壤养分的有效性和植物根系对养分的吸收利用。根际是目前国际上十分活跃的研究领域，涉及到土壤学、植物营养学、微生物学、植物学、生理学及生物化学、生态学等多学科内容，也是这些学科相互交叉的一门新兴学科。因此，了解根际营养特性对植物营养非常重要。二、根际研究方法（一）根际土壤冷

21、冻切片法：液氮。（二）放射性自显影法：照相（三）微电极法：pH，Eh（四）电子探针法三、根际特性（一）根际养分状况从土体到根际，土壤养分浓度的分布是不均匀的。由于植物根系的吸收速率和土壤中养分迁移速率的不同，根际养分浓度的分布与土体比较会出现累积、亏缺和均匀分布三种情况。（二）根际的物理性质1、土壤结构性：研究表明，根际土壤的水稳性团聚体及其稳定性大于非根际土壤。根际土壤的容重增加。2、根际粘胶层：这种粘胶层（mucilage）对植物根系吸收养分和水分具有重要作用。（三）根际的化学性质1、根际pH（Rhizosphere pH）：pH是影响土壤养分有效性的重要因素。由于根际微域环境的特殊性，导

22、致根际pH值上升或下降，有时根际与土体之间pH相差1个单位或更大。2、根际氧化还原电位：根际氧化还原电位（redox potential in rhzosphere soil，Eh）的高低决定着根际土壤中氧化还原反应的方向和速率，影响着土壤中养分元素如Fe、P、Mn、Zn等的有效性。一般情况下，旱作根际土壤Eh低于土体（荞麦上升），一般可降低50-100mv。水稻根际的Eh高于土体，当水稻根际Eh上升时，有利于氧化有毒害作用的还原物质；Eh下降，增加Fe、P、Zn的有效性。（四）根际的生物学特性1、根系分泌物：根系分泌物的数量根际高于非根际。其作用：活化土壤养分、改善土壤结构、增加土粒与根系的

23、接触程度。2、根际微生物根际微生物的数量和活性远远大于非根际土壤，其数量是非根际土壤的10-100倍，此现象称为根际效应。据Marshner（1982）研究资料，R（根际）/S（土壤）5-50，一般距根系表面呈梯度式分布。根际微生物（rhizosphere microorganisms）是根际微生态系统中的重要组分，对根际土壤养分的有效性及其养分循环起着重要作用。根际微生物主要为细菌、真菌和放线菌，其数量和种类受植物种类、基因型及其生育期和土壤条件的影响。3、菌根与植物营养的关系（1）菌根菌根（mycorrhizae）是高等植物根系与真菌形成的共生体，分布广泛。菌根可分为外生菌根和内生菌根二大

24、类。外生菌根主要分布于温带森林树种或干旱地区灌木，外生菌根的菌丝穿入根外皮层细胞间隙或自由空间形成真菌菌丝网，相互缠绕覆盖，在根外成为鞘状菌根。其菌丝伸向鞘外穿透土壤，菌根呈现短而多的分枝。内生菌根主要分布于皮层细胞内与细胞间隙中，菌丝可延伸到土壤中。内生菌根有几类，对农作物而言，泡囊-丛枝菌根（vesicular-arbuscular mycorrhizae，VA）是最为重要的一类内生菌根，简称VA菌根。在自然条件下，80%以上的植物种包括大多数农作物都能形成VA菌根。只有十字花科和藜科等少数几种植物不感染VA菌根。（2）菌根对植物吸收养分的作用寄主植物为菌根提供碳水化合物，而菌根为寄主植物提供养分和水分。VA菌根可以增加土壤中移动性差的营养元素如磷、铁、锌、铜、锰等的吸收，特别是能改善植物的磷素营养状况。菌根菌丝扩大了根系吸收面积，菌丝直径比根毛小，菌根对磷的亲和力大于寄主，提高对磷的吸收效率，同时可以提高对难溶性磷的吸收利用。菌根可促进豆科植物的固氮作用。菌根还可促进水分吸收，尤其在干旱胁迫条件下，增强植物的抗旱性。菌根还可防病菌侵蚀，能产生一些抗生素和生长素，促进和刺激根系生长。所以，接种菌根真菌，根系吸收养分能力增强，促进植物生长，增加作物产量。- 8 -