研究簡(jiǎn)介：氣候變化導(dǎo)致洪水事件增加，土壤水淹成為常見現(xiàn)象，這對(duì)植物生長(zhǎng)構(gòu)成威脅。水淹會(huì)導(dǎo)致土壤缺氧，因?yàn)橥寥揽紫侗凰〈?，氧氣擴(kuò)散速度在水中遠(yuǎn)低于空氣，限制了氧氣從大氣中的補(bǔ)充。植物根系的內(nèi)部通氣能力是其在水淹土壤中生長(zhǎng)的重要特征。植物通常通過產(chǎn)生新的不定根來適應(yīng)土壤缺氧，這些不定根通常會(huì)形成通氣組織，為氧氣從根-莖連接處向根尖的擴(kuò)散提供低阻力通道。許多濕地植物還會(huì)在根的外層細(xì)胞形成阻止氧損失的屏障，以減少根向周圍缺氧土壤的氧擴(kuò)散。研究人員使用了玉米自交系Mi29、Zea nicaraguensis以及一個(gè)包含Zea nicaraguensis染色體3短臂（包含ROL屏障形成位點(diǎn)）的玉米染色體段滲入線。實(shí)驗(yàn)中，種子經(jīng)過表面消毒后，在濕潤(rùn)的濾紙上發(fā)芽，隨后轉(zhuǎn)移到含有半強(qiáng)度營(yíng)養(yǎng)液的容器中繼續(xù)生長(zhǎng)。

11天后，將溶液更換為靜止、缺氧的營(yíng)養(yǎng)液，以模擬水淹條件。通過氧氣微傳感器測(cè)量根系周圍的氧濃度分布，評(píng)估根系的氧損失情況。通過根套電極測(cè)量側(cè)根的徑向氧損失；利用甲基藍(lán)染色法定性評(píng)估根系的氧損失情況；通過熒光染料Fluorol Yellow 088檢測(cè)根系外皮層/表皮層的亞油酸沉積，并測(cè)量通氣組織的面積。研究結(jié)果表明，Zea nicaraguensis的不定根和側(cè)根在缺氧條件下具有更高的組織氧狀態(tài)，而Mi29則較低。這表明Zea nicaraguensis能夠通過形成ROL屏障來維持根內(nèi)的氧氣水平。Zea nicaraguensis和IL#468的側(cè)根在缺氧條件下形成了ROL屏障，而Mi29的側(cè)根則沒有。這表明Zea nicaraguensis和IL#468能夠通過減少氧氣向周圍土壤的擴(kuò)散來維持根內(nèi)的氧氣水平。此外，Zea nicaraguensis的側(cè)根中亞油酸沉積更為明顯，且通氣組織的比例也更高，這有助于維持根內(nèi)的氧氣水平。

Zea nicaraguensis的側(cè)根能夠在缺氧條件下形成ROL屏障，減少氧氣損失，維持根內(nèi)的氧氣水平，從而在水淹土壤中更好地生長(zhǎng)。玉米染色體段滲入線IL#468也能夠形成ROL屏障，這表明通過染色體段滲入可以將Zea nicaraguensis的這一特性引入玉米中。這一發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解植物在水淹土壤中的適應(yīng)機(jī)制以及改良作物的水淹耐受性具有重要意義。

Unisense微電極系統(tǒng)的應(yīng)用

Unisense微電極系統(tǒng)被用于測(cè)量根系周圍的氧濃度分布，具體包括根系組織內(nèi)的氧濃度以及根系與外界介質(zhì)之間的氧交換情況。使用了兩種不同直徑的Unisense微電極：25微米（OX25）和10微米（OX10）的氧微電極。微電極被放置在根系周圍的擴(kuò)散邊界層中，從距離根表面500微米的位置開始測(cè)量，逐步向根內(nèi)部移動(dòng)，直至進(jìn)入根組織約500微米深處。根系內(nèi)部氧濃度分布使用了10微米的微電極，以10微米的空間分辨率測(cè)量根系內(nèi)部的氧濃度，從根表面約100微米的位置開始，穿透皮層、中柱，直至從根的另一側(cè)穿出。

測(cè)試的氧濃度數(shù)據(jù)評(píng)估了根系的徑向氧損失（Radial Oxygen Loss,ROL）和內(nèi)部氧狀態(tài)，從而揭示側(cè)根是否形成了阻止氧損失的屏障。Unisense微呼吸系統(tǒng)（MicroResp system）被用于測(cè)量根系的呼吸作用，具體是通過測(cè)定根段的氧氣消耗率來評(píng)估根系的呼吸活性。從11天大的植物中選取長(zhǎng)度為65–90毫米的不定根，切取10毫米長(zhǎng)的根段，立即置于含有新鮮培養(yǎng)基的4毫升玻璃瓶中。每個(gè)瓶子中插入兩個(gè)根段，并在瓶子中加入攪拌子，設(shè)置攪拌速度為600轉(zhuǎn)/分鐘。使用Unisense微呼吸系統(tǒng)中的O2 optode（OPMR）每隔10到15分鐘測(cè)量一次瓶中的氧氣濃度，通過計(jì)算兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)之間的氧氣濃度差，并減去培養(yǎng)基的背景氧氣消耗，得到根段的氧氣消耗率。通過測(cè)量根系的呼吸作用，為研究人員提供了植物在不同生長(zhǎng)條件下的能量代謝信息。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)側(cè)根（lateral roots）和不定根（adventitious roots）都能形成徑向氧損失（Radial Oxygen Loss,ROL）屏障，減少氧氣向周圍缺氧土壤的流失。Z.nicaraguensis（耐澇性強(qiáng)）和玉米滲入系IL#468（含Z.nicaraguensis的ROL屏障基因）在缺氧條件下，側(cè)根和不定根均能形成ROL屏障，而普通玉米自交系Mi29則不能。ROL屏障的形成依賴于木栓質(zhì)（suberin）在根皮下層/外皮層的沉積。計(jì)算模型表明，有ROL屏障的側(cè)根最大可生長(zhǎng)至74 mm，而無屏障的僅33 mm，說明ROL屏障對(duì)根系在缺氧環(huán)境中的延伸至關(guān)重要。