电容法和微根管法在根系动态研究中的运用
2022-03-07 来源:本站 点击次数:2689
电容法是一种原位、无损、间接测量根系生长和活性的方法，近些年越来越受到关注。最近，Cseresnyes等在“Electrical Capacitance versus Minirhizotron Technique: AStudy of Root Dynamics in Wheat–Pea Intercrops”一文中，介绍了电容法的基本假设和优缺点，并同时采用电容法和微根管法研究了小麦和豌豆间作系统的根系动态。
电容法利用低频交流电流测量植物茎干基部与根区土壤之间的电容，根土系统的电容（CR）与根系大小相关。目前倾向接受Dalton提出的概念模型，将根假设成泄漏的圆柱形电容，导电的根渗出液被极化的膜电介质从导电的土壤溶液中分离出来。膜储存的电荷与其表面积成比例，改变交流信号的相位和振幅。
因一些研究结果与Dalton假设的结果不一致，所以也有学者质疑电容法的可行性。Dietrich提供了一个新模型，认为电极间的电容由茎干基部控制，与茎干的横截面积相关。他们认为电容与根系大小间的相关性仅仅是因为根茎间存在异速生长关系。也有研究发现电流泄漏主要发生在根颈和近端根，远端节段较少。与此相反，水培植物的连续根切除和浸根实验支持根在基质中的位置对电容影响很大。目前普遍认可植物器官内的电流路径受到组织特性的影响。因此，电容法的一大优势是，电容能够反映根系大小和生理状态，例如水分含量、膜的完整性和渗透性等。由于近端根系与远端根系之间存在异速生长关系，所以认为电容与根系的水分吸收活性相关。
快速电容法适用于监测同一株植物的时间动态和筛选植物种群。由于相邻植株间根系彼此不相连，电容法仅适用于植株尺度。该技术的一个明显缺点是完全缺乏根的可视化，不能量化根系功能属性，更适用于生长在相同基质的相同物种在相同条件下测定的根系大小的相对比较。基于物种建立的函数关系需考虑土壤含水量对电容的影响，土壤介质响应会降低电容法的有效性，特别是在含有大量表面带电胶体粒子的复杂土壤中。尽管潜在的生物物理机制存在不确定性，但该方法在一些研究中已被证明是有用的，可用于评估草本植物和作物以及盆栽或田间生长的树苗的根系大小。
微根管法广泛用于原位非损伤可视化研究土壤剖面特定位置根系功能属性动态过程，包括根系构型、分支、深度分布、根长密度、根生长、根寿命、根死亡、周转和分解。微根管法可基于视觉评估评估根系的生理状态（活性），但微根管图像分析费时费力，只能期盼自动图像处理方法早日出现。
Cseresnyes等同时采用电容法和微根管法，监测了包括三个冬小麦品种、两种种植模式和两个水分梯度，共计12种处理，盆栽实验的整个生长期的小麦根系活性（CR）、根长（RL）和根表面积（RSA）。发现，CR、RL、RSA呈现相似的季节性动态，峰值大约在花期；间作豌豆会降低最大CR、RL、RSA；干旱会显著降低CR，但增加微根管法观测到的根系大小；CR与RSA之间存在显著的线性相关，干旱胁迫的比根电容显著更小；CR倾向于预测根系功能；同时采用电容法和微根管法研究根系可提高根动态和植物响应的评价效果。
该研究微根管图像分析采用的Root Snap是一款半自动微根管图像分析软件，在触摸屏电脑上，单根手指沿着根系大致的延展方向划过，Root Snap将自动拟合根生长轨迹，即可选中根系，获取根长、根表面积、平均直径等根系功能属性。
图1 电容的季节性动态
图2 根长、根表面积和平均直径的季节性动态
图3 电容与根表面积间的线性相关
原文信息
Cseresnyes I, Kelemen B, TakacsT, Fuzy A, Kovacs R, Megyeri M, Paradi I, Miko P (2021). Electrical Capacitanceversus Minirhizotron Technique: A Study of Root Dynamics in Wheat-PeaIntercrops. Plants-Basel, 10(10),1991, doi: 10.3390/plants10101991.
电容法利用低频交流电流测量植物茎干基部与根区土壤之间的电容，根土系统的电容（CR）与根系大小相关。目前倾向接受Dalton提出的概念模型，将根假设成泄漏的圆柱形电容，导电的根渗出液被极化的膜电介质从导电的土壤溶液中分离出来。膜储存的电荷与其表面积成比例，改变交流信号的相位和振幅。
因一些研究结果与Dalton假设的结果不一致，所以也有学者质疑电容法的可行性。Dietrich提供了一个新模型，认为电极间的电容由茎干基部控制，与茎干的横截面积相关。他们认为电容与根系大小间的相关性仅仅是因为根茎间存在异速生长关系。也有研究发现电流泄漏主要发生在根颈和近端根，远端节段较少。与此相反，水培植物的连续根切除和浸根实验支持根在基质中的位置对电容影响很大。目前普遍认可植物器官内的电流路径受到组织特性的影响。因此，电容法的一大优势是，电容能够反映根系大小和生理状态，例如水分含量、膜的完整性和渗透性等。由于近端根系与远端根系之间存在异速生长关系，所以认为电容与根系的水分吸收活性相关。
快速电容法适用于监测同一株植物的时间动态和筛选植物种群。由于相邻植株间根系彼此不相连，电容法仅适用于植株尺度。该技术的一个明显缺点是完全缺乏根的可视化，不能量化根系功能属性，更适用于生长在相同基质的相同物种在相同条件下测定的根系大小的相对比较。基于物种建立的函数关系需考虑土壤含水量对电容的影响，土壤介质响应会降低电容法的有效性，特别是在含有大量表面带电胶体粒子的复杂土壤中。尽管潜在的生物物理机制存在不确定性，但该方法在一些研究中已被证明是有用的，可用于评估草本植物和作物以及盆栽或田间生长的树苗的根系大小。
微根管法广泛用于原位非损伤可视化研究土壤剖面特定位置根系功能属性动态过程，包括根系构型、分支、深度分布、根长密度、根生长、根寿命、根死亡、周转和分解。微根管法可基于视觉评估评估根系的生理状态（活性），但微根管图像分析费时费力，只能期盼自动图像处理方法早日出现。
Cseresnyes等同时采用电容法和微根管法，监测了包括三个冬小麦品种、两种种植模式和两个水分梯度，共计12种处理，盆栽实验的整个生长期的小麦根系活性（CR）、根长（RL）和根表面积（RSA）。发现，CR、RL、RSA呈现相似的季节性动态，峰值大约在花期；间作豌豆会降低最大CR、RL、RSA；干旱会显著降低CR，但增加微根管法观测到的根系大小；CR与RSA之间存在显著的线性相关，干旱胁迫的比根电容显著更小；CR倾向于预测根系功能；同时采用电容法和微根管法研究根系可提高根动态和植物响应的评价效果。
该研究微根管图像分析采用的Root Snap是一款半自动微根管图像分析软件，在触摸屏电脑上，单根手指沿着根系大致的延展方向划过，Root Snap将自动拟合根生长轨迹，即可选中根系，获取根长、根表面积、平均直径等根系功能属性。
图1 电容的季节性动态图2 根长、根表面积和平均直径的季节性动态图3 电容与根表面积间的线性相关原文信息
Cseresnyes I, Kelemen B, TakacsT, Fuzy A, Kovacs R, Megyeri M, Paradi I, Miko P (2021). Electrical Capacitanceversus Minirhizotron Technique: A Study of Root Dynamics in Wheat-PeaIntercrops. Plants-Basel, 10(10),1991, doi: 10.3390/plants10101991.
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