Barley varieties tolerant to waterlogged reduced soil show the better root growth in hypoxia

耐澇退化土壤的大麥品種在缺氧條件下表現出更好的根系生長

來源：Plant Production Science, 26:4, 429-439

 

1. 摘要核心內容

 

論文通過對比不同大麥品種在澇漬還原土壤及缺氧條件下的生長表現，發現耐澇品種（如Deder 2、Hayakiso 2、Akashinriki）在還原土壤中能維持90%以上的綠葉面積，且其根系在缺氧條件下伸長能力顯著優于敏感品種（如Haruna Nijo、Houshun）。研究首次證實，耐澇大麥品種的根系具有更強的缺氧耐受性，根系長度可作為篩選耐澇品種的關鍵指標。

 

2. 研究目的

 

明確耐澇大麥品種是否具備“缺氧耐受根系”。

量化澇漬還原土壤中的氧氣分布與氧化還原電位變化。

評估20個商業大麥品種（包括歷史品種與地方種質）對澇漬還原土壤的耐受性。

分析缺氧條件對耐澇/敏感品種根系生長的抑制差異。

 

3. 研究思路

 

采用雙重實驗設計：

 

實驗（i）：土壤模擬系統

方法：添加可溶性淀粉（0.1%中度還原、0.2%重度還原）模擬高C/N比土壤，創建澇漬還原環境。

評估對象：20個大麥品種的幼苗耐受性（綠葉面積比例）。

環境監測：Unisense微電極測氧氣垂直分布（圖1），氧化還原電位儀測土壤電位（圖2）。

 

 

實驗（ii）：水培缺氧系統

方法：水培液中添加0.1%瓊脂模擬缺氧（0.1 mg/L O?）vs. 充氧對照（7.3 mg/L O?）（表2）。

 

評估對象：7個品種（耐澇/敏感）的根系伸長（最大根長、總根長）和地上部生長（圖4-5）。

 

 

 

 

4. 測量數據及研究意義

測量指標 圖表來源 研究意義

土壤氧氣垂直分布 圖1 首次量化碳源添加對土壤氧耗的加劇效應：0.2%淀粉使土壤表層氧濃度驟降至1.1%空氣飽和度，闡明有機質分解加重澇漬缺氧的機制。

土壤氧化還原電位（Eh） 圖2 證實碳源濃度與還原強度正相關（0.2%淀粉Eh降至-282~124 mV），為土壤還原程度提供量化標準。

綠葉面積比例 圖3a-c 篩選耐澇品種的核心表型指標：重度還原下，Deder 2、Hayakiso 2、Akashinriki保持>90%綠葉面積（圖3c）。

根系伸長參數 圖5a-b 揭示耐缺氧根系表型：耐澇品種（Deder 2、Hayakiso 2）缺氧下根長無顯著差異（p>0.01），敏感品種（Haruna Nijo）根長抑制>50%（p<0.01）。

地上部生長參數 圖4a-b 缺氧抑制地上部生長，但耐澇品種（如Deder 2）葉面積無顯著下降，提示根系耐受性主導整體耐澇性。

 

 

5. 核心結論

 

新品種耐澇性發現：地方品種Akashinriki和Hayakiso 2在重度還原土壤中保持>90%綠葉面積（圖3c），為耐澇育種提供新種質。

根系缺氧耐受性機制：耐澇品種（如Deder 2）在缺氧下根系伸長不受抑制（圖5a），首次證實其根系具備固有缺氧適應能力。

表型篩選價值：根系長度（尤其是最大根長）是可靠的耐澇性指標，可替代傳統田間表型（易受環境干擾）。

敏感品種預警：主流商業品種Haruna Nijo（麥芽品質標桿）和Houshun在還原土壤中綠葉面積損失>50%，根系缺氧抑制顯著，需改良。

 

6. Unisense電極數據的詳細解讀

數據來源

 

圖1：使用丹麥Unisense OX-N微電極測量土壤剖面的氧濃度（μmol L?1），對比純澇漬（無碳源）與還原土壤（0.2%淀粉）的氧氣梯度。

 

關鍵結果與意義

觀測點 結果 科學意義

土壤表層氧濃度 還原土壤：242.3 μmol L?1（84.8%飽和度） 表明水界面氧氣充足，缺氧主因是土壤微生物耗氧，非水體擴散限制。

氧氣驟降深度 還原土壤：地表下0–5 mm驟降至9.6 μmol L?1 量化根系實際缺氧暴露強度：幼苗根尖（生長區）直接暴露于<5%氧濃度環境。

根系缺氧閾值 25 mm深度氧濃度≈0 μmol L?1 解釋深層根系生長停滯：氧濃度低于植物存活閾值（通常<10 μmol L?1）。

碳源加劇效應 0.2%淀粉使近地表氧濃度降至純澇漬的1/25 闡明有機質管理的重要性：高C/N比秸稈還田顯著加劇澇漬缺氧，需育種干預。

研究價值

 

技術優勢：Unisense微電極實現毫米級分辨率的土壤氧測繪，克服傳統Eh測定無法直接反映生物可用氧的局限。

機制解析：數據直接關聯微生物活性（碳源驅動）與根際缺氧程度，為耐澇品種的根系氧需求提供量化依據。

育種指導：明確耐澇品種需在0–10 mm土層維持根系功能（如通氣組織形成），為表型組學篩選提供空間標準。

 

總結

 

本研究通過土壤-水培雙系統實驗，結合Unisense高分辨氧監測，首次證實大麥耐澇品種的核心優勢在于根系固有缺氧耐受性。研究建立了基于根系伸長和綠葉保持率的快速篩選體系，為澇漬頻發區（如稻麥輪作區）的品種選育提供了理論依據與實用工具。丹麥Unisense電極數據的關鍵作用在于量化根際真實氧環境，揭示了有機質分解對澇漬缺氧的放大效應，強調了耐缺氧根系育種的必要性。