水稻根系研究法的现状

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  【摘 要】水稻根系既是吸收水分和营养的器官,又是合成氨基酸和多种激素的场所,与地上部有着密切的物质交流,两相互依存。然而由于根系生长于地下,准确取样、测定与观察存在一定的困难,加上研究方法上的欠缺,从而大大阻了根系研究的深入。本文简略回顾了根系研究法的进展史,对近年来水稻根系研究法作了较为全面的综述,评价了存在的问题并展望了发展前景。
  【关键词】水稻;根系研究法;综述;展望
  1.根系研究法的进展概况
  鉴于根系对植株的重要性,人们很早就开始了对根系的研究,如中国西汉时期就相继采用了“代田法”和“区田法”, 提出了保护作物根系、促进根系下扎的技术措施, 但有文献记载,首次提到对作物根系进行比较系统研究的是德国学者Hales。他在1727年首次采用简单的挖掘法来研究植物根系在土壤中的分布,其后的100来年人们一直沿用该法来研究根系。直到1892年,美国的King采用先以网状铁丝箱将土柱隔离,然后用水冲去土壤的方法得到了近似自然状态的植株根系,从而对整个根系研究法的进展起到了巨大的推动作用。这一方法后来由美国的Goff于1897年改进成为典型的钉板法[1]。与此同时,有关学者开始采用水培法和盆栽法进行根系的研究,如德国的Knop、Nobbe以及Saussure等,从而拓宽了根系研究法的视野。其后的美国植物生态学家Weaver对挖掘法进行了系统研究,将它改进成经典挖掘法而使其风靡了上百年,并于1923年将它首次用于水稻根系的研究,从而使水稻根系的研究也步入了正轨[1-4]。至今人们仍在结合其他方法的优点对挖掘法进行改造而予以应用。之后随着高新技术在根系研究中的应用,根系研究方法和水平不断提高,如从20世纪50年代开展的示踪技术,为评价根系的功能提供了强有力的手段;最近二三十年发展起来的影像技术使在田间定点观测根系的生长和形态成为可能;新兴的计算机技术使根样的分析更快而详细[4]。
  2.水稻根系研究法的现状
  水稻根系由于纤细并长期生长在淹水环境中,进行准确而完整取样、测定与观察都存在一定的困难,因而在研究法上相对滞后,大多是在借鉴其他植物根系研究法的基础上结合其自身特点加以改造而成。现将水稻根系研究的一些主要方法综述如下。
  2.1挖掘法类
  自从1923年Weaver将挖掘法首次应用于水稻根系研究后,水稻根系研究法开始步入正轨。如今人们在其基础上结合其他方法的优点创新出了一系列的研究水稻根系分布形态的挖掘法。
  2.1.1原状土片法
  用铁板取根器(厚3mm,长宽各30cm,一端磨利),以稻株为中心,掘取长等于行距、宽5cm、深30cm的土片,将薄的一面固定在钉盘上喷雾,洗去泥土沙砾,从而得到保持原有伸展形态的稻根标本[5]。
  2.1.2原状土柱法
  用铁板取根器或西瓜刀,以稻株为中心掘取长等于行距,宽等于株距,深等于30cm的土柱,按厚5cm横切成4~6层,装入尼龙网袋,在50%盐水中浸1~2d,洗去泥土,淘去沙砾,剔除杂物,得到单株各层次的稻根,然后按需要测定各层稻根的鲜重、体积和干重。此法简单易行,对根系损伤较小,可展现稻根在土中的立体分布。
  2.1.3网袋法
  移栽前按每株计划的面积在田间打入一根相应直径、深30cm的铁管,挖去管入泥土,再用直径小1cm的铁管包裹尼龙袋贴于大管管壁,将内管填满泥土,最后依次抽出两根铁管。简而言之,就是在田间预先埋入一个网袋,正中种稻一株,根据需要在一定时期连袋挖回,冲净泥土,获得较完整的根系,可用于各项指标的测定。此法是1991年Steen,E.首先采用的,其优点是直接在大田进行实验操作,所获得的根系样本具有较好的普遍性和代表性。
  2.1.4简易根箱法
  我国著名水稻专家丁颖曾用此法在水稻根系研究中取得突破性进展,其优点是可准确可靠地展现水稻根系在土壤中的立体分布情形。具体操作为:在未移栽水稻之前预先在田间挖一方形坑,长宽为稻株的株行距或其整倍数,深约30cm,然后放入一相应大小的木制框架,框架的空间用铁丝网或不锈钢纱窗网格分隔成几层,每填一层挖起的土壤就固定一层。直到与稻田齐平,然后就成了稻田的一部分。这样就保证了箱框内水稻与大田生长的完全一致,需用时从田间挖出来,用水由上至下逐层淋洗掉土壤沙砾,就露出了由纱窗网格(铁丝网)固定支撑的完整的根系立体分布图。如果能用数码相机或摄像机将此分布图拍摄下来输入电脑,制成根系标本并作相应的处理,就可进行各根的坐标定位和各项根系参数的测试[6]。
  2.1.5塑料管土柱法
  将工程塑料硬管先横向切成长度不等(因需要而定)的管段(直径等于株距),再将管纵向劈为两半,不论横向纵向都用金属套加螺丝合拢固定,立于深土坑中,管口与地面齐平,内装按试验需要所配制的“配合土壤”(由蛭石、细沙、细土组成)。播前根据管口面积和体积在表层30cm内施入N、P、K肥和有机肥,并灌水保持水稻适宜生长的土壤湿度。为便于取样和防止水分沿管壁渗出,内衬塑料袋,并在管底装适宜的沙土,以防根系盘结。取样时先将地上部收割,再将管挖出,平放于水池中;去掉塑料管的合拢套,打开塑料管,露出土柱;待土柱变松散后,用水清洗根系;冲洗干净后从水中取出完整根系,可进行各项指标测定[7~9]。此法是近年来世界各国科研人员在作物根系研究上应用较多的方法[6],用于旱稻根系的研究较方便,其实质是揉合了容器法优点的挖掘法。
  2.2非挖掘法类
  2.2.1雾培法
  雾培法又叫气培法,整个培养系统由空气压缩机、水泵、培养箱(桶)组成。培养箱(桶)为圆筒形,直径和高度视作物而定。桶顶盖有夹板,植株由苯乙烯泡沫块固定,生长在夹板的孔中,孔距为株行距。每个泡沫块直径与夹板的孔径相一致,在其中有一个中心孔,底部包一块尼龙网,种子播于其上。容器中的营养液被空气压缩机产生的高压气体雾化,经底部的喷嘴不断地喷到稻根上,多余的营养液又滴回到桶底容器中而得到回收。雾培系统中的空气、营养液成分和喷出的压力可根据需要予以调节[10]。此法既可得到完整的根系,又可充分地利用营养液。它是目前所有的无土栽培技术中解决根系供氧问题的最好方法[11],虽然目前使用的范围不够大,但在宇宙航天上有良好的发展前景[12]。   2.2.2同位素示踪法
  该法简称示踪法,是用同位素示踪剂研究被追踪物质的运动、转化规律的方法。通常运用根系的有4种[13~14]。根部标记法:以稻株为圆心,取四周不同半径及离地面不同深度的若干点,引入放射性同位素或化合物,常用7.4~22.2MPq的KH2-32PO4、NaH232PO4与86Rbc溶液0.05~0.20mL。经过一定时间,测定稻株地上部的任意部位的放射性活度,就能得知该稻株根系的活力。稻株地上部标记法:主要是从茎基部引入放射性同位素(如32P、86Rb),经过一定时间,在根系分布区的一定部位,取整段土壤样品,从中分别取代表性样点进行测定,从各点测得的活度,可分析各点根系的含量和分布。放射自显影法:该法是利用放射性同位素产生的放射线使乳胶感光显示根系中放射性物质的分布状态。其优点是能将根系的形态机能和代谢统一起来研究,可在不破坏土体和根细胞结构条件下进行观测。中子照相法:此法是利用中子发生器产生的热中子,使其透过种有水稻的金属盆钵,照射到后面铟转换器上,通过(n,γ)反应而放出γ射线使照相底片感光而得到根系的照片。相对而言,同位素示踪法主要是作为根系研究的辅助手段而加以应用[15]。
  2.2.3桶(盆)钵栽培法
  此法简便易行,不需额外设施,在水稻根系研究中应用较多。可直接挖取大田泥土晒干弄碎后称重装入塑料桶(盆),然后加水,按需要插入所需秧苗,从而可进行类似大田般的管理与研究。其优点是桶钵易于挪移,适于同时采用多种土类和设置不同处理,在互不干扰的条件下对根系生长进行研究[16]。该法用以研究完整根系稍嫌不足,但如能配用上超声波洗涤器等清洗,也易获得完整的根系。
  2.2.4沙培法
  沙培法就是将水稻种植在浸润有其生长必需营养成分的营养液的沙子基质中的一种无土栽培法[11]。此法是目前最常用的研究根系方法中的一种,它不存在因清洗土壤沙砾而导致的对根系的伤损,而且很容易获得完整无损的根系。沙培法与水培法都可采用春日氏等配方的营养液[5]。
  2.2.5水培法
  水培法是把水稻种植在设置有固体支撑装置(如泡沫板等)、内含水稻必需营养成分的营养液中的一种无土栽培法[11]。水培法与沙培法都是目前最常用的研究水稻根系的方法,都可用于进行各种元素不同浓度或缺素试验。如S、Ca在水稻体内难移动,缺S缺Ca先在新生叶片上表现失绿;而N、P、K、Mg、Fe在水稻体内可移动再利用,缺乏时先在老叶上表现症状[17]。采用水培式或沙培式营养液无土栽培法研究水稻根系由于具有取样方便、工作量小、样本损伤小、容易得到完整的根系等优点而使其成为现代水稻根系研究的重要手段。水培法采用的营养液与沙培法相同,浮床与固定基质可参考水上栽培法的,也可用于较大群体的培养。
  2.2.6水上栽培法
  此法在较大的自然水域(如鱼塘、水库等)上进行,可采用自配的含N、P、K等大量元素及其他的大量与微量元素的、能缓慢释放的固体混合肥为肥料;水上水稻可采用规格为150cm×100cm×5cm的聚苯乙烯发泡板作种植用浮床,行株距为20cm×15cm、种植孔4.5cm,以海绵为固定基质;待陆地秧田育的秧达到7~8叶龄进行双本插(或单本插),从而就可进行比水田更方便的管理、观察和研究。中国水稻研究所的有关人员自1989年以来对此进行了一系列的试验与研究,取得了一系列的喜人成果[18~22],如1990年他们在鱼塘水面种了0.09hm2水稻,实收产量高达7440kg/hm2。据此,吴伟明等(2000)认为采用营养液栽培、雾培方法研究水稻根系虽然有很大的优势,但难以取得与水田相仿的水稻群体和产量,因而主要集中在基础研究,应用研究相对较少;而采用水上栽培法的水稻群体和产量与水田基本接近,因此其根系的生理和形态能较好地反映高产群体的状况。他们还认为此法不仅兼有水培等无土栽培法的优点,而且还具有无需营养液以及其他保障设施等优点其培育出的水上水稻的根系在数量、根粗及根表面积等测定指标方面均与水田水稻表现出较好的一致性[22]。
  3.问题与展望
  近年来水稻根系研究法取得了长足的进步,每一种方法都凭借其独特的优点而发挥了巨大的作用,从而大大推动了水稻根系研究的进展。与此同时,我们也应清醒地看到目前的水稻根系研究法还不能完全满足水稻根系研究的需要,现存的每一种方法都有其相应的不足与局限性,如挖掘法操作烦琐、工作量大,对根系进行大量而连续性的调查与测定难以完成;无土栽培法存在着水稻生长条件与自然环境相差较大的不足;水上栽培法则还处于成长阶段,相应的配套技术尚需不断完善。
  因此,每一种水稻根系研究法都应随着现代科技的迅猛发展而不断相互取长补短、推陈出新。尤其是在根系研究中结合高新技术的应用,使水稻根系研究法的水平不断提高。我们有充分的理由相信水稻根系研究法将一定会成为初现端倪的水稻根系育种的一把利剑,将一同成为我国水稻单产取得第三次飞跃的有力凭借。
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