油菜根系角度对紧实土壤的响应及其调控机制

Soil strength play an important role in plant root angle, and then influence root to explore the nutrient from the soil. To further understand root adaptive responses to environment and its processes of maximum nutrient uptake is very important. In this program, we will choose different Brassica napus cultivars to do the research. First, we will study the effect of soil compaction on root growth angle and phosphorus uptake, to know about the genotypic variability. Second, we will use sand culture system to simulate soil compaction, measure root growth angle, root bio-mechanical properties, root anatomical traits and auxin concentration, to make clear the relationship of phytohormone (auxin), root bio-mechanical properties and root growth angle. At last, we will explore the effect of auxin on root cell wall and root mechanical properties, to finally reveal the mechanism of root angle response to strong soil. Our finding will shed light on Brassica napus breeding strategies to improve nutrient efficiency in strong soil.

土壤紧实度是诱发作物根系角度发生变化的主要因素之一，影响作物根系对土壤中养分的挖掘和吸收。研究紧实土壤中油菜根系如何发挥自身的生物学潜力，去“适应”环境，最大限度的利用土壤中的养分资源具有重要意义。本项目以具有不同根系形态构型的甘蓝型油菜为研究材料，通过田间试验、砂培试验以及悬浮细胞系培养，采用先进的激光侵蚀成像、根系力学性质测定和原子力显微镜测定等手段和方法，研究不同土壤紧实度水平下，油菜根系角度的变化及其对磷吸收的影响，明确油菜根系角度响应土壤紧实度的基因型差异，解析不同土壤紧实度水平下激素 (生长素)、根系生物力学性质与根系角度的相关性，揭示生长素对细胞壁结构和力学性质的调控作用，阐明油菜根系角度对紧实土壤的响应机制。研究结果可为甘蓝型油菜磷高效抗逆品种的筛选提供科学依据。

本项目围绕“甘蓝型油菜根系角度对紧实土壤的响应及其机制”这一重点，研究甘蓝型油菜品种根系角度对紧实土壤的响应及基因型差异，通过探明紧实胁迫下根系解剖结构和根系细胞壁组分所反映的根系生物力学性质；通过揭示根系生长素对紧实土壤的响应，阐明油菜根系角度响应紧实土壤的机制，具体开展了下述研究：（1）明确不同根构型油菜响应土壤紧实度的基因型差异及对磷吸收的影响；（2）通过研究根系解剖结构、根系力学性质和根系生长素浓度，探明不同土壤紧实度水平下生长素、根系生物力学性质与根系角度的相关性；（3）对比不同类型根系（油菜直根系，玉米须根系）响应紧实土壤的生理机制差异；（4）解析根系生长素调控根系生物力学性质对紧实土壤的响应机制。主要取得了以下重要进展：（1）建立了油菜根系角度研究方法及油菜TNDH群体根系角数据库，为紧实土壤条件下根系角度相关基因的研究提供了重要研究支撑；（2）揭示了不同根系构型油菜基因型响应低磷胁迫的生理和形态特点，发现表层粗根（直径）对磷吸收非常关键，直接影响根系角度；（3）发现在紧实胁迫下，不同甘蓝型油菜品种根系角度在20-30度和30-40度o范围内的比例增加，该角度范围的根系对土壤紧实度反应较敏感；（4）紧实胁迫下根尖直径增粗，木质部直径和皮层厚度增加，显著提高根系的生物力学性质，从而增加其在紧实土壤中的适应性；（5）紧实处理条件下，根系木质素和半纤维素含量均降低，根系抗拉应力增加，而抗张强度降低；（6）紧实胁迫条件下，根系生长素含量增加。此外，选取根系角度极端材料NY7（深根型）和Y7（浅根型），诱导产生悬浮细胞系用于测定细胞壁力学性质测定。本研究可为选育适应不同土壤条件的甘蓝型油菜磷高效抗逆品种提供重要科学依据。基于紧实土壤条件下，如何最大限度的发挥根系的生物学潜力，在Trends in Plant Science上发表文章（IF2019=14.006，第一标注），可为后续深入开展甘蓝型油菜及响应紧实土壤提供重要的理论指导，并为其它作物根系响应紧实土壤研究提供借鉴。