研究简介：气候变化导致洪水事件增加，土壤水淹成为常见现象，这对植物生长构成威胁。水淹会导致土壤缺氧，因为土壤孔隙被水取代，氧气扩散速度在水中远低于空气，限制了氧气从大气中的补充。植物根系的内部通气能力是其在水淹土壤中生长的重要特征。植物通常通过产生新的不定根来适应土壤缺氧，这些不定根通常会形成通气组织，为氧气从根-茎连接处向根尖的扩散提供低阻力通道。许多湿地植物还会在根的外层细胞形成阻止氧损失的屏障，以减少根向周围缺氧土壤的氧扩散。研究人员使用了玉米自交系Mi29、Zea nicaraguensis以及一个包含Zea nicaraguensis染色体3短臂（包含ROL屏障形成位点）的玉米染色体段渗入线。实验中，种子经过表面消毒后，在湿润的滤纸上发芽，随后转移到含有半强度营养液的容器中继续生长。


11天后，将溶液更换为静止、缺氧的营养液，以模拟水淹条件。通过氧气微传感器测量根系周围的氧浓度分布，评估根系的氧损失情况。通过根套电极测量侧根的径向氧损失；利用甲基蓝染色法定性评估根系的氧损失情况；通过荧光染料Fluorol Yellow 088检测根系外皮层/表皮层的亚油酸沉积，并测量通气组织的面积。研究结果表明，Zea nicaraguensis的不定根和侧根在缺氧条件下具有更高的组织氧状态，而Mi29则较低。这表明Zea nicaraguensis能够通过形成ROL屏障来维持根内的氧气水平。Zea nicaraguensis和IL#468的侧根在缺氧条件下形成了ROL屏障，而Mi29的侧根则没有。这表明Zea nicaraguensis和IL#468能够通过减少氧气向周围土壤的扩散来维持根内的氧气水平。此外，Zea nicaraguensis的侧根中亚油酸沉积更为明显，且通气组织的比例也更高，这有助于维持根内的氧气水平。


Zea nicaraguensis的侧根能够在缺氧条件下形成ROL屏障，减少氧气损失，维持根内的氧气水平，从而在水淹土壤中更好地生长。玉米染色体段渗入线IL#468也能够形成ROL屏障，这表明通过染色体段渗入可以将Zea nicaraguensis的这一特性引入玉米中。这一发现对于理解植物在水淹土壤中的适应机制以及改良作物的水淹耐受性具有重要意义。


Unisense微电极系统的应用


Unisense微电极系统被用于测量根系周围的氧浓度分布，具体包括根系组织内的氧浓度以及根系与外界介质之间的氧交换情况。使用了两种不同直径的Unisense微电极：25微米（OX25）和10微米（OX10）的氧微电极。微电极被放置在根系周围的扩散边界层中，从距离根表面500微米的位置开始测量，逐步向根内部移动，直至进入根组织约500微米深处。根系内部氧浓度分布使用了10微米的微电极，以10微米的空间分辨率测量根系内部的氧浓度，从根表面约100微米的位置开始，穿透皮层、中柱，直至从根的另一侧穿出。


测试的氧浓度数据评估了根系的径向氧损失（Radial Oxygen Loss,ROL）和内部氧状态，从而揭示侧根是否形成了阻止氧损失的屏障。Unisense微呼吸系统（MicroResp system）被用于测量根系的呼吸作用，具体是通过测定根段的氧气消耗率来评估根系的呼吸活性。从11天大的植物中选取长度为65–90毫米的不定根，切取10毫米长的根段，立即置于含有新鲜培养基的4毫升玻璃瓶中。每个瓶子中插入两个根段，并在瓶子中加入搅拌子，设置搅拌速度为600转/分钟。使用Unisense微呼吸系统中的O2 optode（OPMR）每隔10到15分钟测量一次瓶中的氧气浓度，通过计算两个时间点之间的氧气浓度差，并减去培养基的背景氧气消耗，得到根段的氧气消耗率。通过测量根系的呼吸作用，为研究人员提供了植物在不同生长条件下的能量代谢信息。

实验结果


研究发现侧根（lateral roots）和不定根（adventitious roots）都能形成径向氧损失（Radial Oxygen Loss,ROL）屏障，减少氧气向周围缺氧土壤的流失。Z.nicaraguensis（耐涝性强）和玉米渗入系IL#468（含Z.nicaraguensis的ROL屏障基因）在缺氧条件下，侧根和不定根均能形成ROL屏障，而普通玉米自交系Mi29则不能。ROL屏障的形成依赖于木栓质（suberin）在根皮下层/外皮层的沉积。计算模型表明，有ROL屏障的侧根最大可生长至74 mm，而无屏障的仅33 mm，说明ROL屏障对根系在缺氧环境中的延伸至关重要。