可视化与测量根系生长 原位 极具挑战性。本文介绍了一种可定制的根箱方法，用于追踪根系在养分富集条件下随时间推移的发育与增殖过程。该方法可用于分析玉米基因型在响应有机氮源时根系可塑性的差异。
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本文内容
摘要
摘要
根系研究历来困难重重。土壤既是视觉障碍，也是机械屏障，使得根系追踪难以进行 原位 无需破坏性采收或昂贵设备。我们提出一种可定制且经济实惠的根箱方法，能够实现对根系生长过程的非破坏性动态观测，特别适用于研究根系对局部资源斑块的可塑性响应。该方法通过评估玉米基因型对含资源斑块的可塑性响应差异进行了验证 15N标记的豆科植物残体。文中描述了随时间获取代表性发育测量数据的方法、测定资源包埋区及对照区根系长度密度的方法、计算根系生长速率的方法，以及确定 15植物根系和地上部分对氮的吸收。本文还讨论了该方法的优势、注意事项及潜在的未来应用。尽管需注意确保实验条件不会对根系生长数据造成偏差，但只要细致操作，本方案所采用的根际盒实验流程可获得可靠的结果。
引言
尽管与地上部分相比常被忽视，根系在植物养分吸收中起着至关重要的作用。由于根系构建和维持需要消耗大量碳资源，植物已进化出仅在资源获取回报值得投入时才发育根系的机制。因此，根系系统可通过在资源富集区（热点区域）增殖、上调吸收速率，并迅速将养分转运至韧皮部以进行进一步运输，从而高效且动态地挖掘资源斑块1。根系的可塑性响应在不同植物物种或基因型之间可能存在显著差异2,3，并取决于所涉养分的化学形态4,5。应进一步探究根系可塑性的变异，因为深入理解根系对异质性土壤资源的复杂响应，有助于指导农业中提高养分利用效率的育种与管理策略。
尽管可视化和量化相关尺度下的根系可塑性对于理解植物系统具有必要性和重要意义，但其在技术上仍面临挑战。从土壤中挖掘根冠（"shovelomics"6）是一种常用方法，但细根往往分布在土壤团聚体之间的微小孔隙中，挖掘过程不可避免地会造成这些脆弱根系的部分丢失。此外，破坏性采收使得无法对同一根系随时间的变化进行连续观测。原位成像技术（如X射线计算机断层扫描）能够以高空间分辨率直接可视化根系与土壤资源
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方案
1. 前后面板及间隔片的制备
- 准备前面板和后面板。
- 每只盒子裁切两块 0.635 cm 厚的透明亚克力板，尺寸为 40.5 cm 宽 × 61 cm 长，或购买预先裁切好的板材（见材料表）。
- 使用专用于亚克力材料的钻头，在距侧边 1.3 cm 处，从顶部起分别在 2.5 cm、19 cm、38 cm 和 53.3 cm 位置钻直径为 0.635 cm 的孔；在距底边 1.3 cm 处，从左侧起分别在 2.5 cm、20.3 cm 和 38 cm 位置钻孔（图 1）。
注意：一次叠加六至十张板材使用台钻操作最为高效，但也可用手持电钻完成。 - 在组装盒子前，移除亚克力板上的任何保护膜，并轻柔清洁两块面板。
图1：....
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结果
根系如预期般优先沿着盒子背面生长。盒子背面被追踪的根系总长度范围为400至1,956 cm，而前面的范围为93至758 cm。计算了扫描所得根长与盒子前面、背面以及前后总和的追踪根长之间的成对Pearson相关系数，以评估追踪法是否能准确反映总根长（n = 23，因其中一个盒子内的植株在实验期间死亡）。扫描得到的总根长与盒子背面的追踪根长显著相关（图5A，p = 0.0059），与前面的追踪根长也显著相关（图5B，p = 0.022），且与前后总和的相关性亦显著（图5C，p = 0.0036）。因此，仅追踪盒子背面可作为反映根系生长的代表性测量方法，同时将追踪所需时间减少一半。然而需要注意的是，追踪法仅能捕获总根长的21.6%至54.6%。尽管根系确实优先沿根盒表面生长，但特别是细小的侧根可能无法被清晰观察并用于追踪。追踪法适用于随时间进行根.......
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讨论
本方案中描述的根箱可用于解答根系与根际科学中的多种问题，并已在其他领域得到广泛应用10,20,21,22,23,24,25其他研究人员已拍摄了根盒的延时图像21,25,26，一些使用自动化系统22,27这些方法可用于对根系长度和构型进行定量分析，而这是传统描迹方法无法实现的。根.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者感谢匿名审稿人提供的反馈意见，同时感谢 J.C. Cahill 和 Tan Bao 在建立根盒实验方案初期给予的指导。本研究由食品与农业研究基金会、美国农业部（USDA）国家食品与农业研究所、农业实验站项目 CA-D-PLS-2332-H 以及加州大学戴维斯分校植物科学系通过向 J.S. 提供的博士后奖学金共同资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 直径1.27 cm的PVC管 | JM Eagle | 530048 | 每盒305 cm，按方案要求切割成指定长度 |
| PVC侧向弯头 | Lasco | 315498 | 每盒2个 |
| PVC 90度弯头 | Charlotte | PVC 02300 0600 | 每盒4个 |
| PVC三通接头 | Charlotte | PVC 02402 0600 | 每盒4个 |
| 挤出式亚克力板 | TAP Plastics | N/A | 每盒2块，厚0.64 cm × 宽40.5 cm × 长61 cm |
| 高密度聚乙烯垫片（侧边） | TAP Plastics | N/A | 每盒2块，厚0.64 cm × 宽2.5 cm × 长57 cm |
| 高密度聚乙烯垫片（底部） | TAP Plastics | N/A | 每盒1块，厚0.64 cm × 宽2.5 cm × 长40.5 cm |
| 高密度聚乙烯垫片（补片） | TAP Plastics | N/A | 每盒2块，厚0.64 cm × 宽3.8 cm × 长28 cm |
| 聚酯棉絮 | Fairfield | #A-X90 | 每盒一条，2.5 cm × 40.5 cm |
| 20螺纹螺钉 | N/A | N/A | 长3.2 cm，直径0.64 cm |
| 垫圈 | N/A | N/A | 内径0.64 cm |
| 六角螺母 | N/A | N/A | 尺寸需与螺钉匹配 |
| 遮光布 | Americover, Inc. | Bold 8WB26.5 | 每盒一块，宽95 cm × 长69 cm |
| 沙子 | Quikrete | No. 1113 | |
| 田间土壤 | N/A | N/A | |
| 用于描图的透明片 | FXN | FXNT1319100S | 每侧盒子使用一张透明片进行描图 |
参考文献
- Hodge, A. Roots: The Acquisition of Water and Nutrients from the Heterogeneous Soil Environment. Progress in Botany 71. , 307-337 (2010).
- Grossman, J. D., Rice, K. J. Evolution of root plasticity responses to variation in soil nutrient distribution and concentration. Evolutionary Applications. 5 (8), 850-857 (2012).
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