植物根系研究方法綜述

郭其強 李江榮 邊巴多吉 馬和平

（1.西藏大學農(nóng)牧學院高原生態(tài)研究所，西藏林芝860000；2.西藏自治區(qū)林業(yè)勘察設(shè)計研究院，西藏拉薩850000）

摘要：本文綜述了植物根系研究的十種方法，即挖掘法、定位法、釘板法、土鉆法、縱剖面壁法、玻璃壁法、容器法、間接法、微根管法和生物技術(shù)法，簡述了每種方法的基本操作，分析了每種方法的優(yōu)缺點，并對其發(fā)展趨勢進行了展望。

關(guān)鍵詞：植物根系；研究方法；優(yōu)點和缺點

基金項目：本文系受西藏地區(qū)自然科學基金項目（28-19）資助

中圖分類號：Q945

文獻標識碼：A

DOI編號：10.14025/j.cnki.jlny.2015.17.072

植物根系承擔著吸收水分和養(yǎng)分的重要功能，是陸地碳儲量的重要組分，還能夠合成和轉(zhuǎn)化氨基酸、激素等微量活性物質(zhì)[1]。根長作為根系生長發(fā)育的重要特征之一，其長度值表征植物獲取養(yǎng)分和水分能力的強弱；根的組織密度被認為是根系自身生理活動的重要標志；比根長表示單位生物量細根的長度，不但是環(huán)境變化的指示器，而且可作為評估根系呼吸的關(guān)鍵形態(tài)參數(shù)，對研究根系呼吸具有重要參考價值[2]。由于植物根系生存在土壤中，要對根系某一特性開展研究，必須找到合適的研究方法。因此，如何找到針對實驗?zāi)康牡目茖W研究方法是根系研究者面臨的首要任務(wù)。

1根系研究法分類

近幾十年來，研究者對植物根系的形態(tài)發(fā)生、生長生理、機能形態(tài)等方面做了大量的探索，取得了一系列研究進展。但是，由于根系生長在地下，一旦離開土壤必然造成根系損失，這是學者們對其開展研究面臨的最大障礙。鑒于此，研究者針對這一問題嘗試用多種方法開展對植物根系的各種研究，本文對近幾十年來有關(guān)獲取植物根系的研究方法的優(yōu)缺點進行總結(jié)。

1.1挖掘法

該方法的最早應(yīng)用是在1727年，Hales挖出作物根系后測定了其形態(tài)、重量和長度[3]。到19世紀70年代，Du Hamel等也應(yīng)用了挖掘法對樹木的根系進行了研究[4]。在此后的100多年里，人們也一直應(yīng)用此法研究植物根系。到19世紀后半葉，由于化學肥料更多地應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，使得農(nóng)學家對根系的研究更加重視起來，在農(nóng)田中挖掘根系的研究逐漸增多。1911年，Cannon用對沙漠植物的根系進行挖掘做了大量根系研究[5]。但是，由于該方法受挖掘深度和范圍的限制，僅在大田生產(chǎn)中有較好的可行性，而由于森林中根系龐大且埋藏地下較深，挖掘法僅能局部取樣，因此存在一定的局限性。

1.2定位法

鑒于挖掘法存在會對根系造成損失，研究者開始利用特定容器分析根系的生長特性。Saohs首創(chuàng)了在玻璃板后跟蹤觀察根系生長的方法，被稱為定位法[6]；受該方法的啟發(fā)，德國人先后建立了兩個專門的根系實驗室開始對根系特性開展了大量研究。1932年日本的科學家OSkamp和Batjer[7]在挖掘平整的土壤縱剖面上把根系暴露出來，然后統(tǒng)計根系數(shù)量和長度等指標參數(shù)，也能獲得根系在土壤縱剖面上的分布特性。該方法最早應(yīng)用在針對樹木根系的取樣研究，后來拓展到草本植物根系。

1.3釘板法

美國農(nóng)學家King于1892年將一定體積的金屬籠內(nèi)穿上金屬棒，以此分割成不同的空間，后塞滿土壤，取樣時先用水沖去土壤，然后觀察保存下近似自然狀態(tài)的植物根系。到1897年，Goff又進一步改良了該方法，也就是經(jīng)典的釘板法[8]。同時，也有人將該方法與挖掘法相結(jié)合，對灌木植物根系展開研究，也獲得了較好效果。

1.4土鉆法

在20世紀20年代之前，根系研究主要集中在大田作物為主，隨著研究開展農(nóng)學家在研究根系的同時也開始關(guān)注根系生長的生態(tài)條件，這也催生了根生態(tài)學的發(fā)展。20世紀50年代，土鉆開始被農(nóng)學家們逐漸使用獲取土壤和根系的混合樣，然后用水淋洗出根系，測定其各項生理指標[9]，該方法也被其他從事根系研究的科學家所認可。在1953年，Hall等[10]引入放射性示蹤元素研究根系生態(tài)學特性，但是由于這種方法主要是一種輔助性的研究工具，因而被應(yīng)用的時間并不長，但是由于同位素法在研究根系的生理學特性時具有明顯優(yōu)勢，因而也取得了較多的成果。

1.5縱剖面壁法

該方法是由美國科學家Weaver于1919年最先發(fā)明的，具體操作是在土壤縱剖面上移除3～5厘米的土壤，以便記錄根的各項指標參數(shù)[11]。由于其僅能在剖面上觀察到根系，因而1964年Reijmerink提出了薄片法，具體操作是先在土壤縱剖面緊貼放置有機玻璃板，后直接把觀察到根系形狀繪制在玻璃板上并統(tǒng)計其參數(shù)。若是根據(jù)根系的水平分布取樣，可采用橫剖面法。根據(jù)根系生態(tài)學研究的采樣原理，應(yīng)用縱剖面壁法研究根系的數(shù)量和分布都是科學可行的，尤其是在不同的地點和條件下比較同種植物根系生長的差異，壟作條件下觀察根系分布狀況具有一定的優(yōu)勢，且不受土壤類型的限制。為更加詳細了解根系生長的動態(tài)過程，60年代開始科學家們根據(jù)縱剖面壁法原理建造了更加現(xiàn)代化的根系實驗室，其應(yīng)用方法是通過地下通道內(nèi)的透明玻璃墻可便捷地連續(xù)觀察植物根系的生長情況。

1.6玻璃壁法

為連續(xù)監(jiān)測、記錄一定剖面上根系生長，科學家發(fā)明了玻璃壁法。早在1873年，Sachs在盆栽容器壁上安裝了玻璃窗以觀察根系，在大約50年后McDougall將該技術(shù)應(yīng)用到了大田種植中[12]。后來研究者應(yīng)用這一原理又進行了技術(shù)改進，建立了專門的小型根室和現(xiàn)代化的地下根室。隨著實驗條件的改善，根系研究也獲得了新的發(fā)展。然而，由于根系實驗室造價較高，而且僅局限于對小型的植物根系的研究，這就迫使研究者又不得不探索更為廣譜的根系研究方法。

1.7容器法

該方法不僅能監(jiān)測根系的形態(tài)、生理和生化等指標參數(shù)，而且能監(jiān)測根系的生態(tài)學特性。如果把容器法和多種處理因素進行有機結(jié)合來監(jiān)測根系發(fā)育，便能夠獲得更加詳實的有關(guān)根系發(fā)育特征及其與影響因子的相關(guān)關(guān)系。根據(jù)研究目的可以選擇不同的容器類型，如花盆，木箱、柱形管等。為方便監(jiān)測根系的生長，還可以在容器的一側(cè)安裝透明的玻璃或者塑料板來追蹤根系的生長。這種容器多為一次性使用，成本相對較低，實驗結(jié)束后可剪破容器取出根系樣品。

它的主要優(yōu)點是比大田種植簡便，還可以在多種栽培基質(zhì)中多次重復(fù)使用，而缺點是容器大小一定且為非自然條件，會對根系生長造成一定的限制，由于缺少了大田根系的相互競爭，會給實驗帶來一定的誤差。

1.8間接法

間接法主要包括染色法和痕量元素法[13]。前者是把特殊染色的溶液注射到植物莖干中，然后觀察彩色液體在根系內(nèi)的分布情況，以此區(qū)分開不同植物的根系，但其使用范圍也僅限于個體較小的植株。后來，隨著放射性示蹤元素在科學研究中的應(yīng)用，使得根系生理生態(tài)的相關(guān)研究日趨活躍。據(jù)統(tǒng)計，放射性元素中應(yīng)用最為廣泛的是32P，還有86Pb、131I、42K和45Ca等，也有應(yīng)用14C來研究根系活力的。間接法的優(yōu)點在于無需將根土分離就能對根系開展相關(guān)研究，省時省力，缺點是它僅是一種輔助性的研究。

1.9微根管法

微根管法是通過插入土壤中的透明監(jiān)測管，形成一個小觀察窗，利用長筒觀察鏡或微型數(shù)碼相機在管內(nèi)定期拍攝記錄觀察管外壁新根生長動態(tài)的一項根系監(jiān)測研究方法[14]，具體操作是野外采集的圖像數(shù)據(jù)，到室內(nèi)應(yīng)用專門的計算機軟件進行統(tǒng)計根系各參數(shù)。該方法的優(yōu)點是可以無損地對根系進行觀測研究，實時追蹤記錄同一根系的動態(tài)生長過程，但是其局限性在于設(shè)備成本較高，適用范圍也受到一定的限制。

1.10生物技術(shù)法

生物技術(shù)法就是應(yīng)用新的設(shè)備，利用轉(zhuǎn)基因和突變體等新材料研究根系發(fā)育規(guī)律的方法，主要包括3個方面的內(nèi)容，即根系伸長、分枝和側(cè)根的分化[15]。植物側(cè)根是整個根系發(fā)育、伸長和增粗的基礎(chǔ)，同時也能發(fā)育成根毛以便從土壤中吸收水分和養(yǎng)分。因此，研究側(cè)根構(gòu)造是探討根系發(fā)育的熱點問題之一。據(jù)此，科學家應(yīng)用一些攜帶調(diào)控根系發(fā)育基因的突變體和轉(zhuǎn)基因擬南芥研究根系的發(fā)育與調(diào)控機制，也獲得了一系列重要的研究進展。

2結(jié)論與展望

綜上所述，對植物根系的研究主要應(yīng)用了以上10種研究方法。其中較為經(jīng)典的挖掘法、土鉆法和容器法等現(xiàn)在仍然被廣泛采用；而微根管法是近十幾年來結(jié)合光電成像技術(shù)和軟件分析，集成研究植物根系發(fā)育的新方法，也是開展長期生態(tài)定位研究較為理想的方法之一，可對多種研究對象的根系形態(tài)進行長期追蹤觀測，尤其適用于對根系發(fā)生、生長、死亡動態(tài)的持監(jiān)測，還可以分析細根生產(chǎn)、分解和周轉(zhuǎn)量[16]。生物技術(shù)法則是借助新設(shè)備和轉(zhuǎn)基因技術(shù)，應(yīng)用分子生物學手段研究根系分化、發(fā)育及其調(diào)控機制，對于從微觀上認識根系孕育和形成機制具有重要意義。

以上方法在根系研究中各具特長，鑒于根系發(fā)育和功能的復(fù)雜性、隱蔽性和可塑性，一些新的數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)、新的實驗材料也會逐步應(yīng)用到根系研究中去，使得人們了解到更多有關(guān)根系功能與動態(tài)發(fā)育細節(jié)問題。

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作者簡介：郭其強，碩士，西藏大學農(nóng)牧學院高原生態(tài)研究所，副教授，研究方向：植物生理生態(tài)學。