植物营养研究法--根际研究法

1 根和根际的研究方法 2 第一节根系研究法 一 根系在植物生长中的作用1 固定植物 摄取 运输 贮藏营养物质 合成有机物质如氨基酸等2 植物地上部分根系生长是相互依赖 彼此协调 1 如 如果剪去菜豆的一半叶片或一半根系 只要保留两部分分生组织完整 则过一段时间后根 冠比又会恢复至原来数值 2 原因 根系向地上部输送矿质养分和水分 地上部向根系提供碳水化合物 根系合成部分有机物 然后输送到地上部 3 二 影响根系生长的因素 研究影响作物根系生长的因素 进而调节这些因素 使之达适宜水平 促进根系生长 从而促进整个植株生长 最终获得理想的产量 植物根系的生长和形态特征 主要取决于植物的遗传特征 不同植物 甚至同一植物不同品种 其根系形态特征都会有很大差异 外界环境 特别是土壤环境对根系生长也会产生很大影响 4 一 化学因素 1 养分供应 根系具有趋肥性2 低pH与毒害元素 Al Mn Fe B 二 物理因素 1 机械阻力2 水分3 通气4 温度 三 生物因素 一般情况下 根际微生物的存在减少植物的主根和侧根长度 减少侧根数量 并使根毛长度的密度减少 5 三 根系研究方法 根系研究 形态学 根数 分布 根重 根茎 根表面积 体积生理学解剖学研究根系的难处 不象地上部 如何把根系不受损伤地从土壤中取出是研究方法的关键所在 或者不把根系从土壤取出 而在其中直接观察 或者不让根系与土壤接触 易于取出 6 一 钉板法 1 方法简介 取田间含根系的原状土 用钉板固定使根系保持在自然位置 洗去土壤 观察根系 洗土 砂土或壤土 浸泡12h粘土 干燥分散 100度干燥 浸泡 焦磷酸钠使胶粒分散冷冻使分散 25度2 应用 可以用于根的分布形态 还可研究其它形态指标 7 二 容器法 根籍或根箱法 1 方法介绍 特制的种植盆 一面或几面是透明的玻璃 可以装卸 外覆使不透明 盆内装土 种植植物 常规管理 由于温度对根系生长影响较大 若为了保持种植盆内温度与田间一致 可将盆子埋入土中 观察项目 1 生长动态 可以对根系生长发育进行连续的原位观察 透过玻璃直接观察 2 其它观察 取下玻璃 结合钉板法或直接冲洗 研究根系形态 生理2 局限性 1 容器空间有限 对大根系作物难以应用 只能研究其苗期或根系较小的作物 2 非自然条件下进行 但易操作和控制条件 8 三 玻璃壁或玻璃管 1 方法 玻璃壁 土壤剖面上安置玻璃 根系观察室玻璃管 土壤中打孔 埋入玻璃管玻璃与土壤间空隙要用土填实2 观察方法 玻璃壁 直接观察玻璃管 借助潜望镜原理 外加放大镜3 问题与优点 可以连续观测根系生长状况更接近自然状况但玻璃壁处根系生长密度一般大于正常土壤中的生长密度 9 四 同位素法 1 土壤注入法 在土壤不同位置 不同深度注入放射性物质32P或86Rb 经过一段时间后测定地上部分的放射性强度 其结果可以直接反映出根系吸收能力大小 通过在土壤不同位置 不同深度注入放射性元素 可以判断该位置深度根系分布及活力状况 多点布样 可以构造出立体的根系活力分布图 10 2 植物注入法 从植物地上部茎基注入32P或其它示踪物 经一定时间从根系分布区一定部位取原状土样品 其放射性强度反映该土壤活性根数量 多点取样可了解活性物质根的分布状况 3 宏观放射自显影法 用带有机玻璃板的根籍培养植物 一定时期从地上部茎中注入32P 3 5天后用X光胶片在有机玻璃面曝光 显影 定影 可得根系分布图 优点 1 简便直接 不需进行根土分离而直接测定 2 测定的是有吸收活力的根 可消除死根 休眠根或其它植物根系的影响 11 五 多孔膜法 1 方法介绍 1 制作一孔径经约0 3um的多孔膜套 该膜可以允许养分 水 O2透过 而植物根系难以透过 2 把膜套水平埋入20cm深的土层中 该层植物根系分布最多 套口露于地面 3 生长一定时间后取出膜套 可获得全株植物及其全部不含土粒的根系 根系可用于各项研究 2 优点 1 不需要从土壤中分离根系 避免了根系损失 特别是具有根系活力的幼根的损失 2 可获得完整根系 3 环境条件和栽培措施更符合田间实际 12 13 四 根参数 一 根数 意义 根据主根和侧根可以估计根长 根密度等 测定 直接记数 扫描分析软件 二 根重 意义 反映根的总量 植物地下部分生产力 不能反映根系吸收能力 特别是对于具有粗状主根的植物 测定 鲜重 洗净 用吸水纸吸干 称重干重 更准确 实用 三 根茎 粗细 意义 了解土壤孔隙大小 根系穿透能力 用于计算根表面积 体积实际中较少应用 测定 细根 显微镜的测微计 较粗 千分尺 放大镜 14 15 四 根长与根密度 意义 单位体积土壤中根长 即根密度是计算根系吸水量的最好参数 根密度对养分有效性 吸收能力很有意义比其它根参数更能反映养分吸收能力 测定 直接法 根系置于透明玻璃盘中 盘内加少量水 便于将根系分散 用镊子将根拉直 不相重叠 上压一玻璃板 防根移动玻璃盘下垫一带mm刻度的方格纸统计各根长度 直线截获法 前四步同上不是直接计根长 而是计根与方格线交叉点数 根长 转换系数 交叉点数 方格间距 根长测试仪 计算机扫描 软件分析 可同时获得根系的各种系数 16 五 根表面积 意义 表征根系吸收能力的最好参数之一 测定方法 直接法 直接法 测出根的平均直径和长度 计算表面积 测出体积 计算表面积 测出的是根系总面积 吸附法 植物对溶质的最初吸收具有吸附的特性 假定这时根系表面均匀地覆盖了一层吸附物质的单分子层 因此可以根据根系对某种物质的吸附量来测定根系吸收面积 常用甲烯蓝作为被吸附物质 已知 mg甲烯蓝成单分子层时占用1 1m2 由此可求出根系的总吸收面积 根系吸收饱和大概需1 5min 再吸附1 5min的量可表示正活跃吸收面积 17 六 根体积 意义 在表征根系活力时不常用 因为具有吸收能力的根部位主要是小根 根尖或根毛 少量粗大根的体积与大量小根相当 测定 排水法 18 第二节根际的研究方法 一 根际 是指受植物根系生理活动的影响 在物理 化学 生物特性上不同于原土体的特殊土区 根际范围很小 一般指距根表数毫米 mm 根际土与原土的不同 根际是土壤 植物根 微生物三者相互作用的场所 根际养分 pH Eh 分泌物 微生物等原土均有不同 研究意义 根际的变化对于根际内营养物质的转化土壤养分的有效性 作物生长发育和抗逆性 19 二 根际研究的难点 不象其它研究 根际研究是微区研究 难度较大 进展缓慢 要求技术条件较高 对微区研究的高分辨率 如何将根际土分离出来研究 20 三 研究方法 一 根系表面特性的研究 研究概况指标 1 根系阳离子交换量 CEC 着重于阳离子交换能力的物理化学性质 表面吸附量忽略了根系生理活性与养分吸收的联系 因此 CEC与养分吸收相关性不一定很好 且与阳离子种类 作物种类影响较大 21 2 根系表观自由空间 Apparentfreespace 养分离子进入根系的两条通道 通过细胞膜的主动运输 质外体 AFS 根系内部的细胞间隙和细胞壁微纤维中的空隙 在植物体内相互连通形成运输通道 允许水分和溶液自由移动 是根系表面的延续部分 或视为 内表面 有研究结果表明 AFS中养分浓度与植物吸收养分量呈正相关 22 2 根系AFS的测定 原理 低温4度下 根系生理活性基本停滞 此时放入蒸馏水中根系AFS中的养分只能向外扩散 测定一定时间平衡后扩散出的养分多少即代表该养分的AFS 方法 营养液培养的根系或从土壤中清洗出的根系 洗净后吸水纸吸去多余水分 称一定量根 加入20倍量的水 于4度冰箱中浸提2小时后 测定溶液中养分量 23 二 根际土壤特性的研究方法 根际土壤受根系活动 呼吸 分泌物 吸收养分 影响 其pH Eh O2 水分 土壤养分数量及形态部分有所不同 研究它们的变化 有助于理解根系生理活动 特别是逆境条件 如缺素 过量 作物反应机制 24 1 根际土的直接采集法 1 原理 根据土壤与根系粘着程度不同 将其分为根面土 根际土和非根际土 根面土 距根面约0 2mm 紧密附着于根面 根际土 距根面约1 4mm 松散粘附于根面 非根际土 距根面4mm以上 手工很容易抖落下来 2 应用 可研究根际微域内存在的有效养分亏缺状况 3 优缺点 方法简单 方便 不需特殊设备 可直接用于田间 但较粗放 不精确 25 2 根际土壤的冰冻切片法 方法要点 1 集束平面根的培育 有机玻璃盆内装营养液 上端置一漏斗形框架 内放尼龙网 密集播入30粒种子 一个月后 玻璃盆中形成平面根 2 土块制备 供试土样过100目筛 称取一定量装入长方形有机玻璃盒 将开口处土壤蒙上一隔膜 其可让水分养分自由通过 根系无法通过 3 根际土的形成 将制好的土盆隔膜面与集束根平面紧密接触 放入盆钵中 再充以石英砂或土壤 温室中培养不多于20天 4 土壤冰冻切片法制备 取出有机玻璃盆中土壤 液氮速冻 切片机上切成1mm厚薄以供分析 优缺点 严格地解决了不同层次微区土壤的区分 可定量研究各种养分 水分在根土界面移动规律 只能进行短期试验 获得土壤样品量有限 26 3 放射性自显影法 1 方法 获得同位素标记过土壤的根际薄片土层 薄层与x光胶片接触 曝光 记录下薄层不同部位的放射性 冲洗x光胶片 显影 曝光点即为待测养分分布区 曝光深浅反映养分离子含量多少 2 特点可以定位放射示踪剂在样品中的分布定量上误差较大 只能作相对定量只能获得养分总量根念 不能测其有效性 27 4 微电极法 微电极 原理与普通电极一样 其体积小 特别是其敏感尖端直径以um计 若直径小于0 5um为超微电极 最小可达0 04um 微电极可以测量微区的pH Eh 电导 养分 离子选择电极 等 应用 可以测定土壤各部位 包括根际中的电化学性质 有时也可以用于植物组织甚至细胞中性质测定 优点 可以在原位连续测定根际微区的养分环境状况 减少则取样 提取分析等带来的误差 操作方便 易实现自动化 28 5 电子探针法 1 方法简介 利用高速电子束轰击试样表面的微小区域时 入射电子透入试样内部与其作用 使其内部原子受激发 然后释放出特征x射线 不同元素发射的x射线不同 通过测定x射线波长及强度 可以判定元素的种类和数量 2 应用 是一种电子显微分析技术可以在不破坏样品情况下进行准确定位分析 可以分析某元素的分布 可以同时测定从硼到铀的所有元素 处于研究元素间相互关系 不象自显影 需放射性元素 灵敏度高 可达10 15 10 18 6 根际微生物 种类数量7根系分泌物 29 第三节VA菌根的研究方法 一 菌根的种类与分布菌根 真菌与植物根联合组成的共质体目前已知能在根部形成菌根的植物有2000多种 草木本 能在植物根部形成菌根的真菌种类也很多 一般分为内生菌根及外生菌根 1 外生菌根 大量菌丝缠绕根表面 形成紧密的菌丝鞘套 同时 部分菌丝伸入根组织外皮层细胞间隙 构成菌丝网络 成为真菌与寄主物质交换的场所 寄主主要是一些林木 如松科 柏科 桦木科等2 内生菌根 包括VA菌根 兰科菌根 杜鹃花科菌根 其中VA菌根最主要 30 VA菌根真菌菌丝着生于根组织皮层细胞间隙或寄入细胞之中 但不进入内皮层和中柱 一些菌丝伸出根外与土壤接触 皮层组织内的菌线未端可以反复二叉分枝 形成丛枝 在细胞内或细胞间的菌丝可以膨大成为直径约50um的泡囊 称为 泡囊 丛枝菌根 Vesicular Arbuscular Mycorrhiza 简称VA菌根 其寄主很广泛 尤其是禾本科 豆科 除十字花科 如油菜 和藜科 如甜菜 外 大多农作物都能形成菌根 VA菌根的Fungus与寄主植物无严格专一性 31 1 根瘤菌 2 根瘤菌入侵根毛 3 根瘤菌穿过皮层细胞 4 切面 32 二 VA菌根在植物营养中的作用 1 菌根扩大了根系吸收面积 明显增加植物对养分吸收 特别是土壤中移动性较差的磷素 机理 菌丝吸P的Km小 可以在很低P浓度溶液中吸P 菌丝表成的磷酸酶促进有机磷水解 菌根改变阴 阳离子吸收平衡 引起pH改变 对迁移较慢的S Cu Zn Ca Fe等也有增加吸收的功能 2 有利于豆科作物结瘤固氮 在严重缺磷土壤 若无菌根 三叶草不能结瘤 3 菌根对某些重金属 Zn Mg 的吸收有抑制作用 33 4 抗逆性 病 旱 高温 盐 5 环境条件对真菌侵染的影响 pH 养分含量6 其它微生物与菌根真菌的协同或拮抗作用7 菌根真菌的生物学特性 VA菌根在脱离宿主植物条件下还不能单独进行纯培养基繁育 如何通过人工培养基扩大繁殖是该领域的一个前沿课题 34 三 VA菌根的研究内容 1 选择侵染力强的高效菌种 不同VA菌根真菌对作物侵染程度不一 对缺P或固P严重土壤可能产生明显增产效果 2 宿主对菌根的依赖性 指标 带菌根的植物干重 无菌根植物干重 带菌根植物干重 100最高 具粗根胡萝卜很高 豆科 韭 洋葱较低 马铃薯 蕃茄很低 燕麦 小麦为零 包心菜 甜菜植物接种菌根提高作物产量的先决条件 缺磷土壤 对菌根依赖性大的作物 土壤中原来缺少菌根或原有菌根效率低 35 四 研究方法 一 孢子的提取VA菌根的繁殖体包括 孢子 孢子果 泡囊 菌丝等它们任何一个或多个均可对植物根部进行侵染 多种繁殖体构成 混合繁殖体 其侵染速度快 但不易获得 纯 种 为了获得纯种 常提取VA的孢子进行接种 而菌丝等易与其它真菌混淆 由于目前VA菌根真菌脱离宿主植物均无法进行单独培养 故要获得该真菌必须从种殖了宿主植物的田间或温室盆栽土壤中提供 36 1 湿筛和倾注法土壤 1升水 搅拌后沉降数秒 上部悬浊液 粗土筛 孔径500 800um 除去不沉降的大有机质颗粒 搅拌后细筛 38 250um 冲洗筛面 筛面上残留物即