水稻根系研究法的現(xiàn)狀

楊宏波 張亞偉 謝靜波

【摘 要】水稻根系既是吸收水分和營養(yǎng)的器官，又是合成氨基酸和多種激素的場所，與地上部有著密切的物質(zhì)交流，兩相互依存。然而由于根系生長于地下，準(zhǔn)確取樣、測定與觀察存在一定的困難，加上研究方法上的欠缺，從而大大阻了根系研究的深入。本文簡略回顧了根系研究法的進(jìn)展史，對近年來水稻根系研究法作了較為全面的綜述，評價(jià)了存在的問題并展望了發(fā)展前景。

【關(guān)鍵詞】水稻；根系研究法；綜述；展望

1.根系研究法的進(jìn)展概況

鑒于根系對植株的重要性，人們很早就開始了對根系的研究，如中國西漢時(shí)期就相繼采用了“代田法”和“區(qū)田法”， 提出了保護(hù)作物根系、促進(jìn)根系下扎的技術(shù)措施， 但有文獻(xiàn)記載，首次提到對作物根系進(jìn)行比較系統(tǒng)研究的是德國學(xué)者Hales。他在1727年首次采用簡單的挖掘法來研究植物根系在土壤中的分布，其后的100來年人們一直沿用該法來研究根系。直到1892年，美國的King采用先以網(wǎng)狀鐵絲箱將土柱隔離，然后用水沖去土壤的方法得到了近似自然狀態(tài)的植株根系，從而對整個(gè)根系研究法的進(jìn)展起到了巨大的推動作用。這一方法后來由美國的Goff于1897年改進(jìn)成為典型的釘板法[1]。與此同時(shí)，有關(guān)學(xué)者開始采用水培法和盆栽法進(jìn)行根系的研究，如德國的Knop、Nobbe以及Saussure等，從而拓寬了根系研究法的視野。其后的美國植物生態(tài)學(xué)家Weaver對挖掘法進(jìn)行了系統(tǒng)研究，將它改進(jìn)成經(jīng)典挖掘法而使其風(fēng)靡了上百年，并于1923年將它首次用于水稻根系的研究，從而使水稻根系的研究也步入了正軌[1-4]。至今人們?nèi)栽诮Y(jié)合其他方法的優(yōu)點(diǎn)對挖掘法進(jìn)行改造而予以應(yīng)用。之后隨著高新技術(shù)在根系研究中的應(yīng)用，根系研究方法和水平不斷提高，如從20世紀(jì)50年代開展的示蹤技術(shù)，為評價(jià)根系的功能提供了強(qiáng)有力的手段；最近二三十年發(fā)展起來的影像技術(shù)使在田間定點(diǎn)觀測根系的生長和形態(tài)成為可能；新興的計(jì)算機(jī)技術(shù)使根樣的分析更快而詳細(xì)[4]。

2.水稻根系研究法的現(xiàn)狀

水稻根系由于纖細(xì)并長期生長在淹水環(huán)境中，進(jìn)行準(zhǔn)確而完整取樣、測定與觀察都存在一定的困難，因而在研究法上相對滯后，大多是在借鑒其他植物根系研究法的基礎(chǔ)上結(jié)合其自身特點(diǎn)加以改造而成。現(xiàn)將水稻根系研究的一些主要方法綜述如下。

2.1挖掘法類

自從1923年Weaver將挖掘法首次應(yīng)用于水稻根系研究后，水稻根系研究法開始步入正軌。如今人們在其基礎(chǔ)上結(jié)合其他方法的優(yōu)點(diǎn)創(chuàng)新出了一系列的研究水稻根系分布形態(tài)的挖掘法。

2.1.1原狀土片法

用鐵板取根器（厚3mm，長寬各30cm，一端磨利），以稻株為中心，掘取長等于行距、寬5cm、深30cm的土片，將薄的一面固定在釘盤上噴霧，洗去泥土沙礫，從而得到保持原有伸展形態(tài)的稻根標(biāo)本[5]。

2.1.2原狀土柱法

用鐵板取根器或西瓜刀，以稻株為中心掘取長等于行距，寬等于株距，深等于30cm的土柱，按厚5cm橫切成4～6層，裝入尼龍網(wǎng)袋，在50%鹽水中浸1～2d，洗去泥土，淘去沙礫，剔除雜物，得到單株各層次的稻根，然后按需要測定各層稻根的鮮重、體積和干重。此法簡單易行，對根系損傷較小，可展現(xiàn)稻根在土中的立體分布。

2.1.3網(wǎng)袋法

移栽前按每株計(jì)劃的面積在田間打入一根相應(yīng)直徑、深30cm的鐵管，挖去管入泥土，再用直徑小1cm的鐵管包裹尼龍袋貼于大管管壁，將內(nèi)管填滿泥土，最后依次抽出兩根鐵管。簡而言之，就是在田間預(yù)先埋入一個(gè)網(wǎng)袋，正中種稻一株，根據(jù)需要在一定時(shí)期連袋挖回，沖凈泥土，獲得較完整的根系，可用于各項(xiàng)指標(biāo)的測定。此法是1991年Steen，E.首先采用的，其優(yōu)點(diǎn)是直接在大田進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，所獲得的根系樣本具有較好的普遍性和代表性。

2.1.4簡易根箱法

我國著名水稻專家丁穎曾用此法在水稻根系研究中取得突破性進(jìn)展，其優(yōu)點(diǎn)是可準(zhǔn)確可靠地展現(xiàn)水稻根系在土壤中的立體分布情形。具體操作為：在未移栽水稻之前預(yù)先在田間挖一方形坑，長寬為稻株的株行距或其整倍數(shù)，深約30cm，然后放入一相應(yīng)大小的木制框架，框架的空間用鐵絲網(wǎng)或不銹鋼紗窗網(wǎng)格分隔成幾層，每填一層挖起的土壤就固定一層。直到與稻田齊平，然后就成了稻田的一部分。這樣就保證了箱框內(nèi)水稻與大田生長的完全一致，需用時(shí)從田間挖出來，用水由上至下逐層淋洗掉土壤沙礫，就露出了由紗窗網(wǎng)格（鐵絲網(wǎng)）固定支撐的完整的根系立體分布圖。如果能用數(shù)碼相機(jī)或攝像機(jī)將此分布圖拍攝下來輸入電腦，制成根系標(biāo)本并作相應(yīng)的處理，就可進(jìn)行各根的坐標(biāo)定位和各項(xiàng)根系參數(shù)的測試[6]。

2.1.5塑料管土柱法

將工程塑料硬管先橫向切成長度不等（因需要而定）的管段（直徑等于株距），再將管縱向劈為兩半，不論橫向縱向都用金屬套加螺絲合攏固定，立于深土坑中，管口與地面齊平，內(nèi)裝按試驗(yàn)需要所配制的“配合土壤”（由蛭石、細(xì)沙、細(xì)土組成）。播前根據(jù)管口面積和體積在表層30cm內(nèi)施入N、P、K肥和有機(jī)肥，并灌水保持水稻適宜生長的土壤濕度。為便于取樣和防止水分沿管壁滲出，內(nèi)襯塑料袋，并在管底裝適宜的沙土，以防根系盤結(jié)。取樣時(shí)先將地上部收割，再將管挖出，平放于水池中；去掉塑料管的合攏套，打開塑料管，露出土柱；待土柱變松散后，用水清洗根系；沖洗干凈后從水中取出完整根系，可進(jìn)行各項(xiàng)指標(biāo)測定[7～9]。此法是近年來世界各國科研人員在作物根系研究上應(yīng)用較多的方法[6]，用于旱稻根系的研究較方便，其實(shí)質(zhì)是揉合了容器法優(yōu)點(diǎn)的挖掘法。

2.2非挖掘法類

2.2.1霧培法

霧培法又叫氣培法，整個(gè)培養(yǎng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、水泵、培養(yǎng)箱（桶）組成。培養(yǎng)箱（桶）為圓筒形，直徑和高度視作物而定。桶頂蓋有夾板，植株由苯乙烯泡沫塊固定，生長在夾板的孔中，孔距為株行距。每個(gè)泡沫塊直徑與夾板的孔徑相一致，在其中有一個(gè)中心孔，底部包一塊尼龍網(wǎng)，種子播于其上。容器中的營養(yǎng)液被空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的高壓氣體霧化，經(jīng)底部的噴嘴不斷地噴到稻根上，多余的營養(yǎng)液又滴回到桶底容器中而得到回收。霧培系統(tǒng)中的空氣、營養(yǎng)液成分和噴出的壓力可根據(jù)需要予以調(diào)節(jié)[10]。此法既可得到完整的根系，又可充分地利用營養(yǎng)液。它是目前所有的無土栽培技術(shù)中解決根系供氧問題的最好方法[11]，雖然目前使用的范圍不夠大，但在宇宙航天上有良好的發(fā)展前景[12]。

2.2.2同位素示蹤法

該法簡稱示蹤法，是用同位素示蹤劑研究被追蹤物質(zhì)的運(yùn)動、轉(zhuǎn)化規(guī)律的方法。通常運(yùn)用根系的有4種[13～14]。根部標(biāo)記法：以稻株為圓心，取四周不同半徑及離地面不同深度的若干點(diǎn)，引入放射性同位素或化合物，常用7.4～22.2MPq的KH2-32PO4、NaH232PO4與86Rbc溶液0.05～0.20mL。經(jīng)過一定時(shí)間，測定稻株地上部的任意部位的放射性活度，就能得知該稻株根系的活力。稻株地上部標(biāo)記法：主要是從莖基部引入放射性同位素（如32P、86Rb），經(jīng)過一定時(shí)間，在根系分布區(qū)的一定部位，取整段土壤樣品，從中分別取代表性樣點(diǎn)進(jìn)行測定，從各點(diǎn)測得的活度，可分析各點(diǎn)根系的含量和分布。放射自顯影法：該法是利用放射性同位素產(chǎn)生的放射線使乳膠感光顯示根系中放射性物質(zhì)的分布狀態(tài)。其優(yōu)點(diǎn)是能將根系的形態(tài)機(jī)能和代謝統(tǒng)一起來研究，可在不破壞土體和根細(xì)胞結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行觀測。中子照相法：此法是利用中子發(fā)生器產(chǎn)生的熱中子，使其透過種有水稻的金屬盆缽，照射到后面銦轉(zhuǎn)換器上，通過（n，γ）反應(yīng)而放出γ射線使照相底片感光而得到根系的照片。相對而言，同位素示蹤法主要是作為根系研究的輔助手段而加以應(yīng)用[15]。

2.2.3桶（盆）缽栽培法

此法簡便易行，不需額外設(shè)施，在水稻根系研究中應(yīng)用較多?？芍苯油谌〈筇锬嗤?xí)窀膳楹蠓Q重裝入塑料桶（盆），然后加水，按需要插入所需秧苗，從而可進(jìn)行類似大田般的管理與研究。其優(yōu)點(diǎn)是桶缽易于挪移，適于同時(shí)采用多種土類和設(shè)置不同處理，在互不干擾的條件下對根系生長進(jìn)行研究[16]。該法用以研究完整根系稍嫌不足，但如能配用上超聲波洗滌器等清洗，也易獲得完整的根系。

2.2.4沙培法

沙培法就是將水稻種植在浸潤有其生長必需營養(yǎng)成分的營養(yǎng)液的沙子基質(zhì)中的一種無土栽培法[11]。此法是目前最常用的研究根系方法中的一種，它不存在因清洗土壤沙礫而導(dǎo)致的對根系的傷損，而且很容易獲得完整無損的根系。沙培法與水培法都可采用春日氏等配方的營養(yǎng)液[5]。

2.2.5水培法

水培法是把水稻種植在設(shè)置有固體支撐裝置（如泡沫板等）、內(nèi)含水稻必需營養(yǎng)成分的營養(yǎng)液中的一種無土栽培法[11]。水培法與沙培法都是目前最常用的研究水稻根系的方法，都可用于進(jìn)行各種元素不同濃度或缺素試驗(yàn)。如S、Ca在水稻體內(nèi)難移動，缺S缺Ca先在新生葉片上表現(xiàn)失綠；而N、P、K、Mg、Fe在水稻體內(nèi)可移動再利用，缺乏時(shí)先在老葉上表現(xiàn)癥狀[17]。采用水培式或沙培式營養(yǎng)液無土栽培法研究水稻根系由于具有取樣方便、工作量小、樣本損傷小、容易得到完整的根系等優(yōu)點(diǎn)而使其成為現(xiàn)代水稻根系研究的重要手段。水培法采用的營養(yǎng)液與沙培法相同，浮床與固定基質(zhì)可參考水上栽培法的，也可用于較大群體的培養(yǎng)。

2.2.6水上栽培法

此法在較大的自然水域（如魚塘、水庫等）上進(jìn)行，可采用自配的含N、P、K等大量元素及其他的大量與微量元素的、能緩慢釋放的固體混合肥為肥料；水上水稻可采用規(guī)格為150cm×100cm×5cm的聚苯乙烯發(fā)泡板作種植用浮床，行株距為20cm×15cm、種植孔4.5cm，以海綿為固定基質(zhì)；待陸地秧田育的秧達(dá)到7～8葉齡進(jìn)行雙本插（或單本插），從而就可進(jìn)行比水田更方便的管理、觀察和研究。中國水稻研究所的有關(guān)人員自1989年以來對此進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)與研究，取得了一系列的喜人成果[18～22]，如1990年他們在魚塘水面種了0.09hm2水稻，實(shí)收產(chǎn)量高達(dá)7440kg/hm2。據(jù)此，吳偉明等（2000）認(rèn)為采用營養(yǎng)液栽培、霧培方法研究水稻根系雖然有很大的優(yōu)勢，但難以取得與水田相仿的水稻群體和產(chǎn)量，因而主要集中在基礎(chǔ)研究，應(yīng)用研究相對較少；而采用水上栽培法的水稻群體和產(chǎn)量與水田基本接近，因此其根系的生理和形態(tài)能較好地反映高產(chǎn)群體的狀況。他們還認(rèn)為此法不僅兼有水培等無土栽培法的優(yōu)點(diǎn)，而且還具有無需營養(yǎng)液以及其他保障設(shè)施等優(yōu)點(diǎn)其培育出的水上水稻的根系在數(shù)量、根粗及根表面積等測定指標(biāo)方面均與水田水稻表現(xiàn)出較好的一致性[22]。

3.問題與展望

近年來水稻根系研究法取得了長足的進(jìn)步，每一種方法都憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而發(fā)揮了巨大的作用，從而大大推動了水稻根系研究的進(jìn)展。與此同時(shí)，我們也應(yīng)清醒地看到目前的水稻根系研究法還不能完全滿足水稻根系研究的需要，現(xiàn)存的每一種方法都有其相應(yīng)的不足與局限性，如挖掘法操作煩瑣、工作量大，對根系進(jìn)行大量而連續(xù)性的調(diào)查與測定難以完成；無土栽培法存在著水稻生長條件與自然環(huán)境相差較大的不足；水上栽培法則還處于成長階段，相應(yīng)的配套技術(shù)尚需不斷完善。

因此，每一種水稻根系研究法都應(yīng)隨著現(xiàn)代科技的迅猛發(fā)展而不斷相互取長補(bǔ)短、推陳出新。尤其是在根系研究中結(jié)合高新技術(shù)的應(yīng)用，使水稻根系研究法的水平不斷提高。我們有充分的理由相信水稻根系研究法將一定會成為初現(xiàn)端倪的水稻根系育種的一把利劍，將一同成為我國水稻單產(chǎn)取得第三次飛躍的有力憑借。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬元喜，等.小麥的根[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1999.

[2] 伯姆.根系研究法[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

[3] 吳偉明，程式華.水稻根系育種的意義與前景[J].中國水稻科學(xué)，2005，19（2）：174～180.

[4] 張英喜.作物根系與土壤水利用[M].北京：氣象出版社，1999.

[5] 林文，鄭景生，姜照偉等.水稻根系研究方法[J].福建稻麥科技，1997，15（4）：18～21.

[6] 陳建峰，潘曉云，劉宜柏.作物根系研究法最新進(jìn)展[J].江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1999，11（4）：55～59.

[7] Leman，V.G，M.C.Engelke. Heritability estimatesofcreepingbestgrass rootsystemsgrown in flexible tubes[J]. CropSc.i，1991，31：1680～1684.

[8] Turman，P.C，W. J. Wiebold，J.A.Wrather.Cultivarand plantingdate effectson soybean rootgrowth[J]. PlantSoi，l 1995，176：235～241.

[9] Kristian，T.K.Rootgrowth ofgreen pea （Pisum satiuml） [J]. GenotypesCrop Sc.i，1998，38：1445～1451.

[10] Armenta-soto，J. A newmethod of studying root system [J]. IRRNewsle，t 1982，7（1）：28.

[11] 劉士哲.無土栽培技術(shù)[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2001.

[12] 邢禹賢.新編無土栽培技術(shù)[M].北京中國農(nóng)業(yè)出版社，2002.128～129.

[13] 王福鈞.核技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用[M].北京：北京農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，1993.

[14] 陳子元.核農(nóng)學(xué)[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1997.

[15] 黃瑞東.植物根系研究方法的發(fā)展[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1991，22（2）：164～168.

[16] 廖興其.根系研究方法評述[J].世界農(nóng)業(yè)，1995，12（7）：23～24.

[17] 華東師范大學(xué).植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].北京：高等教育出版社，1988.

[18] 宋祥甫，應(yīng)火冬，朱敏，等.自然水域無土栽培水稻研究[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，1991，14（4）：8～13.

[19] 宋祥甫，吳偉明，應(yīng)火冬，等.自然水域無土栽培水稻的生態(tài)適應(yīng)性研究[J].中國水稻科學(xué)，1996，10（4）：227～234.

[20] 吳偉明，宋祥甫，鄒國燕.水上種植條件下雜交水稻根系生長與活力變化[A].中國水稻研究所年報(bào)[C].杭州：中國水稻研究所，1996.

[21] 吳偉明，宋祥甫，應(yīng)火東等.湖床水稻的干物質(zhì)生產(chǎn)特性[J].中國水稻科學(xué)，1998，12（4）：223～228.

[22] 吳偉明，宋祥甫，鄒國燕.利用水上栽培方法研究水稻根系[J].中國水稻科學(xué)，2000，14（3）：189～192.