Waterlogging tolerance, tissue nitrogen and oxygen transport in the forage legume Melilotus siculus: a comparison of nodulated and nitrate-fed plants

飼用豆科苜蓿的耐澇性、組織氮和氧運輸：結瘤和硝酸鹽飼養植物的比較

來源：Annals of Botany, volume 121, pages 699-709, year 2018

《植物學紀事》，第121卷，第699-709頁，2018年

 

摘要：

這篇論文研究了飼料豆科植物Melilotus siculus在依賴根瘤固氮或硝酸鹽供應下的耐澇性。背景是土壤澇漬通常導致植物缺氧，影響農業。M. siculus是一種耐澇植物，但之前缺乏在澇漬條件下依賴固氮的結瘤植物數據。方法包括在溫室中進行因子實驗，處理水分水平（排水或澇漬）、根瘤菌（接種或不接種）和礦物氮供應（無或有11 mM硝酸鹽），持續21天。測量了結瘤、生長、組織氮含量等。第二個實驗測量了根組織和根瘤的孔隙度、呼吸速率，并使用氧氣微電極分析根瘤的氧氣分布。關鍵結果是接種根瘤菌的植物在排水和澇漬條件下生長良好，與硝酸鹽喂養植物相似，表明固氮作用。根瘤具有高呼吸速率，并形成次生通氣組織（phellem），促進氧氣擴散。結論是M. siculus依賴固氮在澇漬條件下生長良好，氧氣通過通氣組織運輸到根瘤。

 

研究目的：

本研究旨在評估依賴根瘤固氮的M. siculus的耐澇性和生理學，并與供應礦物氮的植物進行比較。具體假設包括：M. siculus能形成功能性根瘤并在澇漬條件下固氮；其次生通氣組織能提供氧氣擴散路徑；并量化根組織和根瘤的孔隙度及氧氣消耗。

 

研究思路：

研究采用兩個實驗。實驗1為因子設計，處理水分、根瘤菌和氮供應，測量生長、生物量分配和組織氮含量。實驗2聚焦于接種根瘤菌的植物，在排水或澇漬條件下，測量根組織和根瘤的呼吸速率、孔隙度，并使用丹麥Unisense微電極系統測量根瘤的氧氣分布，以驗證內部氧氣運輸機制。思路是通過比較不同處理，揭示耐澇性與氧氣運輸的關系。

 

測量的數據及研究意義：

1 生長數據：如相對生長率（RGR）和根冠比，來自圖1和表1。研究意義是評估植物在澇漬下的整體性能，顯示結瘤植物在澇漬下生長良好，類似硝酸鹽植物，表明固氮有效性。

 

 

2 組織氮數據：包括莖、根和根瘤的氮濃度和含量，來自圖2和表1、2。研究意義是確定氮營養狀況，顯示結瘤植物在澇漬下維持高氮水平，證實固氮功能。

 

 

3 根瘤數據：如根瘤數量、大小和分布，來自圖3和表2。研究意義是了解根瘤形成動態，顯示澇漬促進根瘤在不定根上分布，適應缺氧環境。

 

 

4 呼吸速率數據：測量根組織和根瘤的氧氣消耗率，來自圖4和表3。研究意義是評估代謝活性，顯示根瘤和根尖呼吸率高，需氧氣充足供應。

 

 

5 孔隙度數據：組織氣體孔隙度，來自圖5和表3。研究意義是量化通氣結構，顯示次生通氣組織在澇漬下增強，促進氣體擴散。

 

6 氧氣分布數據：使用微電極測量根瘤氧氣分壓剖面，來自圖6。研究意義是直接驗證內部氧氣運輸，顯示氧氣通過通氣組織擴散到根瘤，內部感染區缺氧。

 

 

結論：

研究得出結論，依賴根瘤固氮的M. siculus在澇漬條件下生長良好，組織氮濃度與排水條件相似。根瘤具有高呼吸速率，氧氣通過次生通氣組織（phellem）從莖部經根運輸到根瘤，這解釋了其耐澇性。該發現對開發耐澇飼料豆科植物有應用價值。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義：

使用丹麥Unisense微電極系統測量的數據，包括氧氣消耗率和根瘤氧氣分布，具有重要研究意義。這些測量直接量化了植物組織的氧氣動態，驗證了內部通氣機制。例如，氧氣剖面顯示根瘤表面氧氣分壓高（約18 kPa），但內部感染區缺氧，證實了擴散屏障的存在，這對于維持固氮酶活性至關重要。此外，通過操縱根部氧氣供應，實驗證明了根瘤通氣組織與根部的氣體連通性，突出了通氣組織在澇漬條件下維持氧氣供應的關鍵作用。這些數據提供了生理學證據，支持植物耐澇性的氧氣運輸理論，并對改善作物在洪水土壤中的適應性有指導意義。