Responses of key root traits in the genus Oryza to soil flooding mimicked by stagnant, deoxygenated nutrient solution  

水稻屬關鍵根系性狀對模擬土壤淹水的停滯脫氧營養液的響應  

來源：Journal of Experimental Botany, Volume 74, 2023, Pages 2112-2126

《實驗植物學雜志》第74卷（2023年），第2112-2126頁，

 

摘要內容

 

研究比較了8種野生稻（Oryza屬）和3個栽培稻（O. sativa）基因型在模擬淹水環境（停滯脫氧營養液）下的根系響應。核心發現包括：  

根系孔隙度：淹水條件下多數物種根系孔隙度顯著增加（如O. nivara↑1.9倍），但干地物種O. granulata無響應（圖1A）。  

 

 

徑向氧損失（ROL）屏障：淹水誘導了ROL屏障形成，降低氧氣外泄（表觀滲透率P_A↓，圖2A），并減少徑向水損失（RWL↓，圖2B）。  

 

 

解剖結構：淹水使根系增粗，皮層/中柱比（CSR）升高（O. australiensis CSR↑至28.8，圖3D），增強氧氣縱向運輸能力。  

 

表型可塑性：栽培稻（如IR42）和濕地野生稻（如O. glumaepatula）可塑性指數（RDPI=0.40）顯著高于干地物種O. granulata（RDPI=0.20，圖4）。  

 

 

研究目的

評估水稻野生近緣種對淹水脅迫的根系性狀響應差異。  

 

量化根系解剖與生理性狀的表型可塑性。  

 

篩選具有高淹水耐受潛力的種質資源。  

 

研究思路

實驗設計：  

 

水培系統模擬淹水（停滯脫氧營養液）與排水良好（通氣營養液）條件。  

 

測量根系孔隙度、ROL屏障強度、徑向水損失、解剖結構等。  

數據分析：  

 

計算相對距離可塑性指數（RDPI）量化性狀響應。  

 

主成分聚類（HCPC）分析物種分組（圖5）。  

 

測量數據及研究意義

根系孔隙度（圖1A）  

 

數據：淹水使O. nivara孔隙度從22%升至41%，O. granulata保持40%不變。  

 

意義：反映通氣組織形成能力，決定氧氣縱向擴散效率，直接影響根系在缺氧土壤中的存活。  

ROL屏障強度（圖2A）  

 

數據：淹水后P_A（氧氣表觀滲透率）下降，如O. glumaepatula降幅達94%。  

 

意義：屏障減少氧氣向土壤流失，提升根系內部氧濃度，是淹水適應的關鍵機制。  

徑向水損失（RWL）（圖2B）  

 

數據：ROL屏障強的物種RWL顯著降低（如淹水后O. glumaepatula RWL↓94%）。  

 

意義：證實ROL屏障同時限制水分擴散，可能增強干旱脅迫下的保水能力。  

解剖結構（圖3）  

 

數據：淹水使皮層增厚，CSR升高（O. australiensis CSR從15.6升至28.8）。  

 

意義：高CSR降低代謝耗氧，優化氧氣向根尖的輸送效率。  

表型可塑性指數（RDPI）（圖4）  

 

數據：栽培稻IR42的RDPI=0.40，干地野生稻O. granulata僅0.20。  

 

意義：量化物種對環境變化的適應能力，為育種提供可塑性高的種質資源。  

 

丹麥Unisense電極測量數據的詳細研究意義

 

使用Unisense微電極（O?微傳感器，型號OX-25）測量根系皮層氧氣動態：  

高精度定量ROL屏障  

 

方法：電極插入根皮層175μm，實時監測氧通量（圖2A）。  

 

意義：直接獲得P_A值，克服傳統化學示蹤法的間接性，精準量化屏障強度。  

揭示屏障形成機制  

 

發現：淹水誘導的P_A下降與木質素/栓質沉積相關（圖2D）。  

 

意義：為基因篩選提供表型依據，如低P_A物種可能攜帶屏障形成關鍵基因。  

關聯多性狀響應  

 

數據：P_A與RWL顯著正相關（r=0.651，圖2C）。  

 

意義：證明ROL屏障的多功能特性（阻氧+保水），深化對根系適應機制的理解。  

 

結論

物種差異顯著：濕地野生稻（如O. glumaepatula）和栽培稻（IR42）對淹水響應強烈，干地物種（O. granulata）可塑性低。  

 

關鍵適應性狀：ROL屏障形成、高孔隙度、高CSR是淹水耐受的核心機制。  

 

育種潛力：高可塑性野生稻（如O. longistaminata）可作為改良栽培稻淹水耐受性的基因資源。