水影響自然濕地和耕地，由于持續(xù)的氣候變化，洪水的頻率和強(qiáng)度在過(guò)去幾十年有所增加。水稻作為一種作物，在雨水灌溉的低地也會(huì)受到洪水的影響，在這些地區(qū)，植物在生命周期早期面臨很高的淹沒(méi)風(fēng)險(xiǎn)。深水水稻的一個(gè)被充分研究的特征是其卓越的浮潛能力，其節(jié)間伸長(zhǎng)高達(dá)30厘米d?1，使植物能夠跟蹤上升的水位。浮潛有助于從大氣中獲取氧氣，從而維持內(nèi)部通氣。部分淹沒(méi)開(kāi)始后不久，莖被淹沒(méi)部分的節(jié)點(diǎn)上生長(zhǎng)出大量水生不定根。眾所周知，在許多濕地植物物種中，莖節(jié)中出現(xiàn)不定根是對(duì)部分淹沒(méi)的響應(yīng)。這些根通常不會(huì)到達(dá)土壤表面，而是在洪水中漂浮，因此被稱為水生不定根。深水水稻水中不定根的功能與從洪水中氮和磷的養(yǎng)分獲取有關(guān)在本研究中，報(bào)道了兩種類型的水生不定根的形成，在出現(xiàn)的時(shí)間和關(guān)鍵的形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)特征上有顯著差異。研究發(fā)現(xiàn)，葉鞘延遲了淹水后根系發(fā)育相關(guān)基因的時(shí)空表達(dá)，決定了根系出現(xiàn)的時(shí)間，甚至在淹水后期提高了根系的粗細(xì)和伸長(zhǎng)能力。淹沒(méi)是一種復(fù)合壓力，因此，耐受性是由一系列特征賦予的。由于莖伸長(zhǎng)和水中不定根的形成發(fā)生在淹沒(méi)后不久，本研究假設(shè)了莖生長(zhǎng)和不定根的調(diào)節(jié)是遺傳相關(guān)的。研究驗(yàn)證了在深水水稻中促進(jìn)莖生長(zhǎng)響應(yīng)淹沒(méi)的qtl也促進(jìn)不定根生長(zhǎng)的假設(shè)。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

使用O2微傳感器測(cè)量附著在莖節(jié)上的水生不定根的徑向O2分布。從主莖上切下具8-10 cm長(zhǎng)AR1或AR2節(jié)間的莖；AR1在這個(gè)位置有一些橫向分支，在測(cè)量過(guò)程中這些分支仍然存在。帶有一個(gè)目標(biāo)根的莖塊(額外的根被修剪掉)固定在一個(gè)金屬網(wǎng)上，放置在一個(gè)小水族館中，并浸入空氣平衡的去離子水中?？諝馐蔡峁睾偷臍馀莶迦氲剿逑渲校源_保擴(kuò)散邊界層(DBL)之間恒定。使用氧氣微傳感器(OX-10;Unisense丹麥)，從DBL內(nèi)部的根表面內(nèi)側(cè)400-500μm開(kāi)始，以10-25μm為步長(zhǎng)進(jìn)行徑向測(cè)量。傳感器的定位使用unisense微電極進(jìn)行調(diào)整，水稻根部的視覺(jué)輔助使用一個(gè)臂架解剖徠卡顯微鏡。對(duì)pO2的分析一直持續(xù)到傳感器尖端完全穿過(guò)根的石碑為止。在測(cè)量過(guò)程中，使用O2光電傳感器(Unisense)和溫度傳感器監(jiān)測(cè)大體積水的O2和溫度。根據(jù)制造商的說(shuō)明，每天使用兩點(diǎn)校準(zhǔn)校準(zhǔn)兩個(gè)O2傳感器。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

賦予水稻抗洪能力的一個(gè)關(guān)鍵特征是生長(zhǎng)不定根的能力，作為對(duì)淹沒(méi)的反應(yīng)。決定水生不定根(AAR)發(fā)育和特征的深水水稻遺傳性狀尚未得到評(píng)價(jià)。利用漸滲的近等基因系驗(yàn)證了深水水稻顯著的莖伸長(zhǎng)能力與數(shù)量性狀位點(diǎn)1和12相關(guān)也促進(jìn)了AAR的發(fā)展。深水水稻基因型NIL-12在莖節(jié)處有擴(kuò)大區(qū)域，在那里有大量AAR作為對(duì)淹沒(méi)的反應(yīng)。在淹水3天(AR1)~7天(AR2)內(nèi)形成了兩種根系類型(AR1和AR2)，出現(xiàn)時(shí)間明顯，形態(tài)解剖特征差異較大。葉鞘提供的機(jī)械阻抗使AR2出現(xiàn)較晚，根系較粗，伸長(zhǎng)能力較強(qiáng)，耐干燥能力較強(qiáng)。關(guān)鍵基因的上調(diào)提示在激活A(yù)AR中分生組織的共同貢獻(xiàn)，增強(qiáng)了這些組織的發(fā)展，以應(yīng)對(duì)淹沒(méi)。形態(tài)和解剖特征表明，AR2比AR1更適應(yīng)長(zhǎng)期淹水。因此提出了AR2在深水水稻中的作用是一種進(jìn)化防御策略，以應(yīng)對(duì)周期性淹沒(méi)。

圖1、展示實(shí)驗(yàn)條件和子實(shí)驗(yàn)相互關(guān)系的概念圖。(a)不定根形成的表型作為對(duì)部分淹沒(méi)的反應(yīng)和目標(biāo)基因型的選擇。(b)nil12的解剖和生理特征。(c)基因表達(dá)對(duì)存在或不存在機(jī)械阻抗的響應(yīng)。(d)數(shù)據(jù)類型、目標(biāo)組織和數(shù)據(jù)表示。AR=不定根;NIL=近等基因系。

圖2、深水水稻(Oryza sativa L.)QTL1和QTL12在水稻背景T65中促進(jìn)不定根的形成。(a)T65、NIL-1、NIL-3、NIL-12、NIL-1+3+12和深水水稻C9285部分淹水7天。(b)去除葉片的代表性莖顯示出不定根生長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)(白色箭頭)的位置。(c)T65、NIL-1、NIL-3、NIL-12、NIL-1+3+12和C9285浸水7天植株各節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)1為最年輕、最上面的節(jié)點(diǎn))上出現(xiàn)的ar平均數(shù)量。(d)在指示節(jié)點(diǎn)上生長(zhǎng)的ARs的平均長(zhǎng)度由三個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)確定。(e)T65、NIL-1、NIL-3、NIL-12、NIL-1+3+12和C9285浸水7天植株均有淋巴結(jié)。低地水稻T65有2-3個(gè)節(jié)，深水水稻C9285有10個(gè)節(jié)。AR=不定根;NIL=近等基因系。QTL=數(shù)量性狀位點(diǎn)。

圖3、水稻(Oryza sativa)的NIL-12株在其節(jié)點(diǎn)上產(chǎn)生兩種不同的AR類型。(a)NIL-12莖節(jié)，用虛線紫色和紅線表示不定根發(fā)展的兩個(gè)位置。(b)(a)所示位置的節(jié)點(diǎn)截面。在較低位置發(fā)育的不定根稱為不定根1，在被葉鞘覆蓋的節(jié)點(diǎn)上部發(fā)育的不定根稱為不定根2。(c)顯示AR1和AR2的掃描電子顯微照片。Bar,300μm。(d)有代表性的AR1和AR2伸長(zhǎng)。棒，5毫米。(e)從NIL-12的第4年輕節(jié)的AR1和AR2的橫切面在根尖后5mm切除，用甲苯胺藍(lán)染色。(f)AR2顯示氣管元件(TE)、中心柱體(CC)、皮層(Co)和外細(xì)胞層(OCL)。橫切面取根尖后5mm。棒材，0.2 mm。(g-l)測(cè)定了NIL-12植株第4幼節(jié)AR1和AR2的平均長(zhǎng)度、橫截面積、皮層面積、中柱面積或木質(zhì)部/中柱比。AR-不定根;NIL-近等基因系。

圖4、水稻AR1和AR2供氧量和呼吸速率的比較(a)AR1發(fā)育側(cè)根，AR2不發(fā)育側(cè)根。(b)在距離根尖不同距離處測(cè)定未(去除側(cè)根)或有側(cè)根(原始狀態(tài))的AR1和未在這些位置形成側(cè)根的AR2的呼吸速率。從浸入水中的NIL-12植物的8-10厘米長(zhǎng)的根中收集根尖(50-70毫米)處20毫米(10-30毫米)、40毫米(30-50毫米)和60毫米的根段。對(duì)不同根類型和位置的呼吸速率進(jìn)行對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的單因素方差分析和Tukey檢驗(yàn)AR1在所有位置n=5,AR2在距離根尖20和40 mm，位置n=6，距離根尖60 mm位置n=5。(c)連續(xù)測(cè)定第3和第5年輕節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)3和5)的AR1和AR2的平均長(zhǎng)度。淹沒(méi)60天后，AR1和AR2在NIL-12的節(jié)點(diǎn)5生長(zhǎng)。(d)一個(gè)固定的AR浸泡在水中，用距離尖端60毫米處的微傳感器測(cè)量氧氣(紅星)。AR連接的桿的切割端用硅膠管和小玻璃珠密封。為了使氧氣能夠通過(guò)閥桿擴(kuò)散供應(yīng)，硅管被刺穿，并與氣罐上方的空氣接觸，同時(shí)防止坑腔被淹沒(méi)。大量的水被空氣輕輕凈化，以保持氧張力接近大氣平衡，并維持穩(wěn)定的擴(kuò)散邊界層。(e,f)距離AR1(e)或AR2(f)尖端60mm處的徑向氧分布。紅色箭頭表示氧氣從水中擴(kuò)散到根部。紅色星號(hào)表示中央石碑。(g,h)中位皮層(g)或中柱(h)pO2，由每種根類型的n=5個(gè)徑向O2剖面計(jì)算，描繪為盒狀須狀圖，顯示平均值(+)、中位值(水平線)、50%四分位數(shù)(盒)、最小值和最大值(柱)，圓圈表示單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。根類型和位置之間的統(tǒng)計(jì)比較采用雙向方差分析Tukey測(cè)試顯示，AR1和AR2在距離尖端40和60 mm處的中柱O2有顯著差異。AR-不定根;NIL-近等基因系。

圖5、在水稻中，AR2構(gòu)成了氣體擴(kuò)散屏障，而AR1不構(gòu)成氣體擴(kuò)散屏障。(a)在距離根尖的距離處顯示AR1或AR2的木栓體染色。由黃色箭頭所示的黃-綠顏色可見(jiàn)墊層片層。藍(lán)色箭頭指向細(xì)胞壁自動(dòng)熒光。(b)AR1或AR2的木質(zhì)素染色可見(jiàn)粉紅色，并用紅色箭頭表示。棒材，20μm。(c)在AR1中酸通過(guò)外質(zhì)體發(fā)生周期性擴(kuò)散，但在AR2中沒(méi)有。紫色箭頭表示檢測(cè)到周期性酸的皮層細(xì)胞層。棒材，50μm。AR=不定根。

結(jié)論與展望

本論文報(bào)道了兩種類型的水生不定根的形成，在出現(xiàn)的時(shí)間和關(guān)鍵的形態(tài)學(xué)和解剖學(xué)特征上有顯著差異。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，葉鞘延遲了淹水后根系發(fā)育相關(guān)基因的時(shí)空表達(dá)，決定了根系出現(xiàn)的時(shí)間，甚至在淹水后期提高了根系的粗細(xì)和伸長(zhǎng)能力。研究人員為了深水水稻的不定生根部的氧濃度分布，使用O2微傳感器測(cè)量附著在水稻莖節(jié)上的水生不定根的徑向O2分布。研究表明深水水稻中的AR2可以作為一種進(jìn)化防御策略來(lái)應(yīng)對(duì)周期性和長(zhǎng)期的淹沒(méi)。形態(tài)和解剖特征表明，AR2比AR1更適應(yīng)水淹。葉鞘是影響AR2生長(zhǎng)速率、伸長(zhǎng)能力和根徑的關(guān)鍵因素。與水稻(T65)相比，NIL-1和NIL-12在淹水過(guò)程中產(chǎn)生更多的AR2，說(shuō)明控制AR2發(fā)育的關(guān)鍵基因包含在QTL1和QTL12中。研究人員展望下一步研究這兩個(gè)qtl中調(diào)控AR2生長(zhǎng)的基因。此外AR2在部分淹水過(guò)程中關(guān)于水和養(yǎng)分吸收的功能必須被闡明，以證明在經(jīng)歷長(zhǎng)期淺淹的地區(qū)引入水生不定根的現(xiàn)代品種是合理的。