Root length is proxy for high-throughput screening of waterlogging tolerance in Urochloa spp. grasses

根長(zhǎng)可作為高通量篩選尾稃草屬（Urochloa spp.） grasses 耐澇性的代理指標(biāo)

來源: Functional Plant Biology, Vol 48(4) 2020

《功能植物生物學(xué)》，第48卷第4期 2020年

 

摘要

摘要闡述了熱帶地區(qū)廣泛種植的C4多年生尾稃草屬（Urochloa） grasses 經(jīng)常面臨澇漬脅迫，限制了植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)。然而，目前尚無兼具優(yōu)異耐澇性、高生物量產(chǎn)量和營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的商業(yè)品種。本研究旨在鑒定可用于篩選耐澇尾稃草物種的根性狀。研究在充氧或脫氧停滯溶液中培養(yǎng)了八種對(duì)比鮮明的尾稃草基因型，評(píng)估了其根呼吸、根形態(tài)、構(gòu)型和解剖性狀。此外，還利用內(nèi)部通氣模型將根性狀差異與澇漬土壤中的根生長(zhǎng)聯(lián)系起來。研究發(fā)現(xiàn)，根部通氣組織形成增加、中柱面積減少以及發(fā)育完全栓化的外皮層是改善根部?jī)?nèi)部通氣特性，從而決定這些C4飼草耐澇性的特征。耐澇基因型比澇敏基因型具有更陡的根角和更長(zhǎng)的根長(zhǎng)。在停滯條件下，根部橫切面中具有更大比例通氣組織和更小中柱面積的耐澇基因型，其根扎得更深、根角更陡、根生物量更大，進(jìn)而使得地上部生物量更高。總根長(zhǎng)對(duì)地上部干重有最強(qiáng)的正向影響，因此可作為篩選耐澇尾稃草基因型的代理指標(biāo)。

 

研究目的

本研究的主要目的是鑒定可用于篩選尾稃草屬 grasses 耐澇性的根性狀，并評(píng)估根長(zhǎng)作為高通量表型篩選耐澇性代理指標(biāo)的可行性和有效性。

 

研究思路

1.  材料與處理選擇：選取4個(gè)耐澇和4個(gè)澇敏的尾稃草基因型（已知其耐澇性差異，見Supplementary Table 1）作為研究材料。

2.  控制環(huán)境實(shí)驗(yàn)：在溫室嚴(yán)格控制條件下，使植株在充氧或模擬澇漬環(huán)境的脫氧停滯營(yíng)養(yǎng)液中生長(zhǎng)兩周。

3.  多性狀測(cè)量：

    a.  生長(zhǎng)指標(biāo)：測(cè)量地上部和根部干重。

    b.  根構(gòu)型與形態(tài)：測(cè)量根數(shù)目、根延伸速率、根角（與垂直軸的夾角）、主根和側(cè)根總長(zhǎng)度。

    c.  根解剖：在根尖后50mm處制作根橫切面，測(cè)量橫截面積、通氣組織百分比、中柱面積、皮層/中柱比，并通過染色觀察木質(zhì)化和栓化沉積（木栓質(zhì)）。

    d.  根呼吸：使用Unisense MicroResp系統(tǒng)測(cè)量離體根段的耗氧速率（呼吸速率）。

4.  模型驗(yàn)證：利用測(cè)量的根解剖和呼吸數(shù)據(jù)，運(yùn)用Armstrong (1979) 和 Pedersen et al. (2020) 的模型計(jì)算澇漬土壤中的理論最大根長(zhǎng)，并與實(shí)測(cè)根長(zhǎng)進(jìn)行比較。

5.  統(tǒng)計(jì)分析：通過方差分析(ANOVA)比較處理和基因型間的差異，通過相關(guān)性分析確定各性狀與耐澇性（以地上部生物量為代表）的關(guān)系。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1.  地上部和根部干重：測(cè)量了不同處理下植株的生物量積累。研究意義：量化澇漬脅迫對(duì)生長(zhǎng)的總體影響，并確認(rèn)所選基因型的耐澇性表型。耐澇基因型在停滯條件下生物量下降幅度顯著小于澇敏基因型。

2.  根構(gòu)型與形態(tài)性狀（表1）：包括主根數(shù)目、根延伸速率、根角、主根總長(zhǎng)度、側(cè)根總長(zhǎng)度。研究意義：揭示耐澇基因型在澇漬下能維持更好的根系生長(zhǎng)和更趨向垂直向下（陡根角）的生長(zhǎng)策略，這有利于在澇漬后土壤變干時(shí)獲取更深層的水分和養(yǎng)分。

 

 

3.  根解剖性狀（表2）：包括根橫截面積、通氣組織(%)、中柱面積、皮層/中柱比、外皮層栓化（木栓質(zhì)）和木質(zhì)化程度。研究意義：從機(jī)制上解釋耐澇性差異。耐澇基因型具有更高的通氣組織形成能力、更小的中柱面積（降低耗氧密集組織比例）和更完整的外皮層栓化屏障（減少徑向氧損失ROL），這些特性共同增強(qiáng)了根部?jī)?nèi)部的縱向氧氣傳輸，支持根在缺氧環(huán)境中的生長(zhǎng)和存活。

 

4.  根呼吸速率：使用Unisense MicroResp系統(tǒng)測(cè)量。研究意義：為模型計(jì)算提供關(guān)鍵參數(shù)。測(cè)量發(fā)現(xiàn)耐澇基因型Tully完整根段的呼吸速率顯著低于澇敏基因型Mulato II，但將其切開（消除栓化屏障對(duì)氧氣進(jìn)入的限制）后，其呼吸速率與澇敏基因型相當(dāng)，直接證明了栓化屏障在限制氧氣擴(kuò)散（包括 inward 和 outward）方面的強(qiáng)度。

5.  模型預(yù)測(cè)的最大根長(zhǎng)（表3）：利用根解剖（孔隙度）和呼吸速率數(shù)據(jù)，通過兩個(gè)版本的模型計(jì)算理論最大根長(zhǎng)。研究意義：從生物物理角度驗(yàn)證根性狀對(duì)耐澇性的貢獻(xiàn)。模型預(yù)測(cè)耐澇基因型能達(dá)到更長(zhǎng)的根長(zhǎng)，且使用考慮了中柱和皮層呼吸差異的改進(jìn)模型(Pedersen et al. 2020)時(shí)，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性更高，表明這些解剖性狀對(duì)內(nèi)部通氣效率至關(guān)重要。

 

結(jié)論

1.  耐澇尾稃草基因型（尤其是U. humidicola）在澇漬脅迫下表現(xiàn)出優(yōu)越的根系適應(yīng)性，包括更高的通氣組織形成、更小的中柱面積、更完全的根外皮層栓化屏障、更陡的根生長(zhǎng)角和更長(zhǎng)的根總長(zhǎng)度。

2.  這些根解剖和構(gòu)型性狀通過改善根部?jī)?nèi)部氧氣從地上部向根尖的縱向運(yùn)輸，顯著增強(qiáng)了基因型在缺氧土壤環(huán)境中的根系生長(zhǎng)和生存能力。

3.  總根長(zhǎng)與停滯條件下植株的地上部干重呈現(xiàn)極強(qiáng)的正相關(guān)性（r=0.94, P≤0.001），是預(yù)測(cè)耐澇性的最有力指標(biāo)。

4.  因此，總根長(zhǎng)可以作為一個(gè)有效的、相對(duì)易于測(cè)量的代理指標(biāo)（proxy），用于尾稃草育種項(xiàng)目中大規(guī)模基因型的高通量耐澇性篩選。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

本研究中使用丹麥Unisense公司的MicroResp系統(tǒng)（包含O2微傳感器optode） 測(cè)量了離體根段的氧氣消耗速率（呼吸速率）。該測(cè)量具有關(guān)鍵的研究意義：

1.  提供精確的生理功能數(shù)據(jù)：Unisense MicroResp系統(tǒng)能夠精確、實(shí)時(shí)地測(cè)量活體根組織在特定溫度下的耗氧速率，這直接反映了根組織的代謝活性（呼吸強(qiáng)度）。

2.  揭示栓化屏障的關(guān)鍵作用：測(cè)量結(jié)果清晰地顯示，耐澇基因型（Tully）完整根段的呼吸速率顯著低于澇敏基因型（Mulato II）。這并不是因?yàn)槠浣M織代謝活性低，因?yàn)楫?dāng)將Tully的根段切開以繞過栓化屏障后，其測(cè)得的呼吸速率與澇敏基因型沒有顯著差異。這一對(duì)比提供了直接且令人信服的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，證明耐澇基因型根部發(fā)育的栓化屏障極其有效，它不僅強(qiáng)烈限制了氧氣向根際的徑向損失（ROL），也同樣限制了氧氣從外部介質(zhì)向根組織內(nèi)部的擴(kuò)散（inward diffusion），從而顯著降低了完整根段從外部介質(zhì)中消耗氧氣的速率。

3.  為模型提供關(guān)鍵參數(shù)：測(cè)量得到的呼吸速率是計(jì)算理論最大根長(zhǎng)的關(guān)鍵輸入?yún)?shù)。本研究沒有簡(jiǎn)單假設(shè)所有基因型呼吸速率相同，而是通過實(shí)際測(cè)量為模型提供了更準(zhǔn)確、更符合生理現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)，從而提高了模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.  連接解剖結(jié)構(gòu)與生理功能：Unisense傳感器獲得的數(shù)據(jù)成功地將觀察到的解剖結(jié)構(gòu)（栓化層）與其實(shí)際的生理功能（限制氣體擴(kuò)散） 定量地聯(lián)系起來，深化了對(duì)耐澇機(jī)制的理解。

 

總之，丹麥Unisense MicroResp系統(tǒng)的應(yīng)用為本研究提供了不可或缺的、定量的生理功能數(shù)據(jù)。它不僅驗(yàn)證了解剖學(xué)觀察的生理意義，而且為數(shù)學(xué)模型提供了關(guān)鍵參數(shù)，從而將“形態(tài)解剖特征”與“耐澇性能”通過“生物物理機(jī)制”有機(jī)地、定量地聯(lián)系在一起，極大地增強(qiáng)了研究結(jié)論的深度和說服力。