根系性状表征是目前仍处于起步阶段的研究领域之一，尤其是在甘蔗中。整合多种方法对甘蔗根系进行精确表型分析，可获得全面且整体性的结果，从而有助于将所鉴定的性状和机制应用于常规育种和分子育种。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
根系是水分和养分吸收的主要通道，在逆境条件下对维持植物生长和产量具有关键作用。植物根系的研究在方法上存在诸多困难 原位 评估与取样，这一点在甘蔗中尤为明显（甘蔗属 spp.)。20世纪20年代的传统方法记录了甘蔗根系的基因型变异，此后关于甘蔗根系性状的研究报道甚少。 本身 直到最近。除了形态特征外，根际特性（包括化感作用和/或对微生物共生的亲和性）也决定了植物的定植与存活。
根系最终决定了甘蔗地上部分的生产力。随着对气候适应型品种需求的增加，探索和利用甘蔗根系性状的变异变得愈发重要。本文介绍了由印度农业研究委员会甘蔗育种研究所（ICAR-SBI）科研团队采用的多种甘蔗根系表型分析方法，包括通过沟槽取样进行田间挖掘、使用根芯取样器、利用抬高平台进行根系取样，以及在水培条件下种植植株等方法。
通过沟槽取样进行田间挖掘对于评估植物根系在其自然生长环境中的状况至关重要。使用模拟田间条件的抬高平台以及根芯取样器是替代方法，可显著节省时间、获得均匀的样品尺寸，并减少根系材料的损失。水培植物培养技术可用于研究根系形态、解剖特征及根际生物学，包括有机化合物的分泌以及与微生物的相互作用。利用不同取样方法开展的多种实验所产生的数据，共同丰富了关于甘蔗根系性状的信息资源。
引言
甘蔗（Saccharum spp.）是一种重要的食物和生物能源来源，是适合在热带和亚热带气候条件下种植的重要经济作物。由于具有C4光合作用途径，甘蔗在碳同化过程中效率高，能够高效利用水和肥料等农业生产投入。甘蔗收获后的加工可产生糖和粗糖等具有经济价值的产品，同时副产品包括糖蜜、乙醇和能源。全球近100个国家种植甘蔗，总面积达2597万公顷，约占全球耕地总面积的1.5%。仅印度就占全球甘蔗产量的16%（约3.06亿吨），平均单产为70吨·公顷−1 1。严重影响甘蔗生产的非生物胁迫主要包括水分亏缺、积水、温度极端以及土壤特性如养分缺乏、盐渍化、碱化和碱性等。培育抗非生物胁迫作物面临的最大挑战是确定在胁迫条件下能够显著提高产量的具体性状。
甘蔗生理学的多个方面尚未被充分理解，其中包括对甘蔗产量具有显著影响的根-茎关系。尽管甘蔗的根系存在不同类型（如种根、茎生根和成年根），可能在发育过程和功能上各不相同，但相较于茎部，其根系的研究仍较为不足。在萌发过程中，不同基因型在种根的数量和长度方面已观察到存在差异2。种根参与甘蔗芽的萌发过程，确保作物早期的正常建立，随后将被茎生根取代；茎生根更为强健，从发育中的茎基部产生3。在种根上观察到的细小分支有助于幼苗固定，并在被茎生根替代前协助水分和....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
1. 通过探槽取样进行野外挖掘
- 按照推荐的栽培技术规范（POP），将两芽蔗段以行距120 cm、株距90 cm种植于田间，培育商业甘蔗杂交种（下文称为“品种”），以确保良好的出苗和生长。
- 在作物成熟期结束时，使用挖掘机在田间挖掘一条深1.5 m、宽1.0 m的沟槽。通过持续的水射流冲洗，清除根区附着的土壤，同时避免损伤根系（图1）。
- 当附着土壤松脱后，将甘蔗连同根系一起挖出，并移至实验室，人工测量根的数量、根长、体积和重量。
图1：田间根系挖掘的剖面取样方法。（A）沿田间开挖的侧向沟槽，（B）水射流冲....
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
甘蔗品种根系形态性状的差异
在图5A、B中展示了通过田间沟槽取样法挖掘出的Co 62175品种根系系统及其在水培条件下生长的代表性图像。在Co 62175和Co 99006两个品种中均观察到较长的根系（约100 cm），而Co 99006的根系重量最高（127 g·丛−1）。采用根芯取样器记录根系性状，结果显示，Co 62175在总根长、根表面积和根体积方面均优于Co 99006（图5C–E）。然而，Co 99006的平均根直径高于Co 62175（图5F）。
根系形态性状的变异 甘蔗属 spp. 克隆
形态特征在形.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
根系决定了甘蔗地上部分的生产力，因此必须全面探索和深入理解其各个层面，以培育出适应气候变化的品种。印度农业研究委员会-甘蔗研究所（ICAR-SBI）的一支由植物生理学家、微生物学家、农业工程师、生物化学家和植物育种专家组成的科研团队，采用了多种方法对甘蔗根系进行表型分析，包括通过沟槽取样进行田间挖掘、使用根芯取样器、搭建 elevated platforms（抬高平台）进行根系取样，以及在水培条件下种植植株。由于单一方法可能不够全面和/或具有局限性，因此需要整合多种信息，以揭示理想根系表型所包含的性状特征及其作用机制。以往的根系取样方法虽各自独立，但为本研究中所述策略的制定提供了有益基础。
Venkatraman 和 Thomas5率先开展了甘蔗根系的研究，提出了三种适宜的观察方法。第一种方法是在植株一侧挖掘一个深坑，使根系得以从土壤中分离出来，随后用白灰水涂刷并拍摄其自然分布状态。第二种方法是在植株两侧相对的位置挖掘深坑，在靠近植株的坑壁处紧贴设置由2英寸孔径铁丝网构成的框架，并将铁棒横穿于两坑之间的土壤中，以固定根系在原位。随后用.......
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
所有作者均声明不存在利益冲突。
致谢
作者感谢印度科因巴托尔印度农业研究委员会甘蔗育种研究所所长提供的基础设施和支持，这些支持用于建立甘蔗根系表型分析设施。感谢印度政府科学技术部科学与工程研究委员会以早期职业研究奖形式向KV提供的资助（项目编号：ECR/2017/000738）。作者对Brindha、Karpagam、Rajesh、Sivaraj和Amburose在精确生成数据过程中所提供的协助表示感谢。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 带管路附件的曝气泵 | 购自本地来源 | NA | 用于甘蔗水培培养 |
| 硼酸 | Sisco Research Laboratories，印度 | 80266 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 硝酸钙 | Central Drug House，印度 | 27606 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 堆肥椰糠 | 购自本地来源 | NA | 用于甘蔗种茎的萌发 |
| 硫酸铜 | Sisco Research Laboratories，印度 | 38869 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 二乙氨基乙基纤维素（DEAE-纤维素） | Sisco Research Laboratories，印度 | 10529 | 用于根系分泌物处理的阴离子交换树脂 |
| EDTA-铁钠盐 | Sisco Research Laboratories，印度 | 59389 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 农家肥 | 购自本地来源 | NA | 用于甘蔗种茎的萌发 |
| 玻璃水培槽 | 实验室自制 | NA | 用于甘蔗水培培养 |
| 高效液相色谱仪（HPLC） | Agilent Technologies | 1200 Infinity | 定量分析根系分泌物中的有机酸 |
| 硫酸镁 | Sisco Research Laboratories，印度 | 29117 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 氯化锰 | Sisco Research Laboratories，印度 | 75113 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 钼酸 | Sisco Research Laboratories，印度 | 49664 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 磷酸二氢钾 | Central Drug House，印度 | 29608 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 硝酸钾 | Central Drug House，印度 | 29638 | 配制改良型霍格兰溶液 |
| 育苗穴盘（Protrays） | 实验室自制 | NA | 用于甘蔗种茎的萌发 |
| 红壤 | 购自本地来源 | NA | 用于甘蔗种茎的萌发 |
| 根系取芯采样器 | 实验室自制 | NA | 用于原位根系取样 |
| 沙子 | 购自本地来源 | NA | 用于甘蔗种茎的萌发 |
| 阳离子交换树脂 Seralite-120 | Sisco Research Laboratories，印度 | 14891 | 用于根系分泌物处理的阳离子交换树脂 |
| 支撑架 | 购自本地来源 | NA | 用于甘蔗水培培养 |
| 水泵 | 购自本地来源 | NA | 用于甘蔗水培培养 |
| Whatman 1号滤纸 | Universal Scientific | 1001090 | 用于根系分泌物处理 |
| WinRhizo PRO（软件） | Regent Instruments Inc.，加拿大 | STD4800 | 配备分析软件的二维根系扫描仪 |
| 硫酸锌 | Sisco Research Laboratories，印度 | 76455 | 配制改良型霍格兰溶液 |
参考文献
- Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO). Crops and livestock products. FAOSTAT. , Available from: http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC (2019).
- Venkatraman, T. S., Thomas, R. Studies of sugarcane roots at different stages of growth. Agricultural Journal of India. 23, 166-176 (1928).
- Smith, D. M., Inman-Bamber, N. G., Thorburn, P. J.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
