Sensitivity of chickpea and faba bean to root-zone hypoxia, elevated ethylene, and carbon dioxide

鷹嘴豆和蠶豆對根區低氧、高乙烯和二氧化碳的敏感性

來源：Plant, Cell & Environment, Volume 42, 2019, pages 85-97

《植物、細胞與環境》，第42卷，2019年，第85-97頁

 

摘要

論文摘要指出，土壤淹水時植物根區經歷氧氣缺乏、乙烯升高和二氧化碳積累。研究評估了乙烯（2 μL L?1）、CO?（2-20% v/v）或脫氧停滯溶液對鷹嘴豆和蠶豆的影響。乙烯和高CO?減少了兩種植物的根生長，但氧氣缺乏的影響最嚴重，尤其是對鷹嘴豆，導致根尖死亡。高CO?抑制根呼吸并減少生長，而糖在根尖積累。蠶豆主根基部的氣體填充孔隙度（23%）高于鷹嘴豆（10%），在無氧介質中內部氧氣移動更明顯。乙烯處理增加了根孔隙度。低氧的破壞性影響如根尖死亡導致再充氧后根生長恢復不良。結論是乙烯和高CO?部分抑制根延伸，但脫氧停滯溶液中的低氧影響最嚴重，鷹嘴豆對低氧更敏感。

 

研究目的

研究目的是評估鷹嘴豆和蠶豆對根區高CO?和乙烯的響應，并與脫氧停滯溶液中的生長進行比較，以了解這些因素如何影響根生長、呼吸和恢復，揭示兩種豆科植物對淹水脅迫的耐受機制。

 

研究思路

研究采用多個實驗設計：實驗1評估7天脫氧停滯溶液、乙烯或高CO?處理對生長和根孔隙度的影響及恢復；實驗2和3測試不同CO?濃度（0-20%）對根生長、呼吸和糖積累的影響。植物在營養液培養中生長，控制溫度、光照條件，測量根延伸速率、根孔隙度、氧氣消耗率、糖水平等參數，通過統計分析和比較得出結果。

 

測量的數據及研究意義

1 根延伸速率：來自圖1和圖4。研究意義：顯示不同處理對根生長的影響，低氧最嚴重抑制生長，高CO?和乙烯也抑制但程度較輕，蠶豆比鷹嘴豆更耐受，表明低氧是主要脅迫因子。

 

 

2 根孔隙度：來自圖2。研究意義：孔隙度影響內部氧氣運輸，蠶豆孔隙度更高有助于在低氧條件下生存，乙烯增加孔隙度，揭示植物通過結構調整適應低氧。

 

3 氧氣消耗率（呼吸）：來自圖6。研究意義：高CO?抑制根呼吸，表明CO?直接影響代謝過程而非底物限制，提供CO?毒性證據。

 

4 糖水平：來自圖6。研究意義：高CO?處理下根尖糖積累，表明呼吸抑制導致糖消耗減少，反映代謝紊亂。

5 恢復生長：來自圖3和圖5。研究意義：評估處理后的恢復能力，鷹嘴豆恢復較差尤其是低氧處理后，蠶豆恢復較好，顯示耐受性差異。

 

 

6 甲基藍染色。研究意義：可視化根部氧氣損失，蠶豆有更好的內部氧氣移動，證實孔隙度對氧運輸的關鍵作用。

 

結論

1 低氧是影響根生長的最嚴重因素，尤其是對鷹嘴豆，導致根尖死亡和恢復不良。

2 高CO?抑制根呼吸和生長，糖在根尖積累，表明直接代謝抑制。

3 乙烯增加根孔隙度但也抑制生長，顯示乙烯的雙重作用。

4 蠶豆比鷹嘴豆更耐受低氧，由于根系孔隙度較高且內部氧氣流動更順暢。

5 恢復后鷹嘴豆生長恢復較差，而蠶豆恢復較好，強調耐受物種的適應性。

 

使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義

研究中使用了丹麥Unisense的氧微電極（MicroResp系統）測量根部氧氣消耗率（呼吸）。該電極提供高精度、實時的氧氣濃度測量，能量化根部呼吸速率。研究意義包括：直接測量高CO?對根呼吸的抑制，顯示CO?的毒性效應；幫助區分氧氣缺乏和CO?積累的影響；為理解根部代謝響應提供數據，支持結論即高CO?抑制呼吸而非底物限制；電極的高靈敏度允許檢測細微變化，增強實驗的可靠性，為植物生理研究提供可靠工具。