CN103336009A - 原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位分隔观测植物根毛并评测其元素吸收的装置和方法，所述装置包括至少一组观测单元，所述观测单元包括自上而下依次可拆卸设置的植物生长区、元素供给区和水分供给区；其中，植物生长区与元素供给区之间设有阻隔植物根系的分隔装置。本发明将植物根毛对镉的吸收与根表的吸收区分开来，可以有效地评价植物根毛对特定元素（如重金属镉）吸收的贡献率。本发明简单直观、对植物无损伤、成本低廉、操作简单，可用于教学和科研，市场广阔。

Description

原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种植物根毛原位观测及其对元素吸收作用的研究技术，特别涉及一种原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置和方法，开辟了研究植物根毛作用的新途径。

背景技术

由于重金属元素镉可以通过许多营养元素（如Fe、Zn和Ca）的膜载体蛋白或通道进入植物体内，比较容易被植物吸收。土壤性质、作物基因型和农业措施等都可以影响镉在植物体中的累积，但是根系形态特别是根毛性状如何影响植物对镉的吸收还不清楚。

对于在土壤中移动性比较差的元素（如P和Zn），主要通过扩散到达植物根表，根毛对这些元素的吸收起重要作用。在低磷土壤中，根毛对磷吸收的贡献可以达到90%。与没有根毛的大麦突变体比较，野生型大麦扩大了磷的耗竭区域，增加了磷的空间有效性。对于植物必需的微量元素Zn，与Cd有相似的化学性质，野生型大麦单位根表面积的吸收量比无根毛的突变体高27%。还有证据表明，有根毛的野生型大麦对放射性元素铀的吸收显著高于无根毛的突变株。负责铁吸收的铁载体基因也在根毛区有高效表达。通过测定生长在轻度污染土壤中的萝卜的吸水量、Cd和Zn的吸收和土壤溶液中的Cd、Zn浓度并计算表明通过质流提供的Cd、Zn只占吸收总量的40%，说明这两种元素在根际有耗竭。由于镉可以通过许多营养元素的吸收通道进入植物根，且根毛有很多大量元素和微量元素（Ca²⁺、K⁺、NH₄ ⁺、NO₃ ^-、Mn^2＋、Zn^2＋、Cl^-和H₂PO₄ ^-）的吸收系统，根毛对植物吸收镉的作用不容忽视。

如：镉的超累积植物遏兰菜可以大量吸收土壤中的镉，而镉在土壤中主要以扩散形式到达植物根区，会在根际产生严重耗竭，而且遏兰菜根系本身不能通过调节根际pH和分泌根际分泌物活化土壤中的镉，提高镉的化学有效性，因此其发达的根系和长而密的根毛就显得尤为重要。Boominathan和Doran（2003）用染色法表明Cd主要富集在遏兰菜的根毛和根尖部位，而其他部分很少。关于遏兰菜根毛的报道虽然不少，但是一直缺少证据证明遏兰菜根毛对镉的吸收作用及对植物吸收镉的贡献率。

此外，不同植物的根毛形态及作用差异很大，目前对于根毛吸收元素作用的研究技术主要是利用根毛缺陷的植物突变株与野生型的比较，这种技术仅适用于一两种具有根毛缺陷突变体的植物（如拟南芥和大麦），不能用于对其他大部分植物根毛吸收元素的作用研究，适用范围很有限。Gahoonia和Nielsen（1998）利用根毛分隔装置研究了植物根毛对磷（³²P）的吸收作用，这种装置虽然原位直观地验证了根毛对磷的吸收作用，适用于大部分草本植物，但不能准确评定根毛在植物吸收磷元素中的贡献率，而且元素磷可能通过根毛迁移到根垫土壤，影响评测结果。

因此，迫切需要提出一种科学合理的原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置和方法。

发明内容

针对目前还没有有效的方法原位分隔根毛与根表，研究评测根毛对植物吸收元素的作用和贡献率，本发明提供了一种原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置，该装置可以原位观测植物根毛生长，检测根毛对植物吸收元素的作用及贡献率。除重金属元素外，还可以结合同位素技术，用本发明装置和方法研究根毛对植物吸收营养元素的作用和贡献率。

本发明所述原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置包括至少一组观测单元，所述观测单元包括自上而下依次可拆卸设置的植物生长区、元素供给区和水分供给区；其中，植物生长区与元素供给区之间设有阻隔植物根系的分隔装置。

本发明所述原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置，植物生长区、元素供给区和水分供给区均为中空的PVC管，其中植物生长区的管径等于元素供给区，小于水分供给区。优选水分供给区的管径略大于元素供给区以更好地保证两区的含水量一致，水分供给区的底部设有一托盘。

其中，本发明所述的分隔装置包括由钢丝网和聚四氟乙烯膜（简称PTFE膜）构成的MP分隔装置和PM分隔装置，所述MP分隔装置为固定在植物生长区下端部的钢丝网和紧绷在钢丝网下方的聚四氟乙烯膜；所述的PM分隔装置为固定在植物生长区下端部的聚四氟乙烯膜和紧绷在聚四氟乙烯膜下方的钢丝网；所述分隔装置底部和元素供给区顶部之间的间距可调，该间距可以为0-3mm，优选为0、1、2mm。

更具体地，将钢丝网平展地紧绷在植物生长区（B管）的下切口上，然后将聚四氟乙烯膜紧绷在钢丝网外面，并用透明胶带固定（mesh then PTFE，简称MP）形成MP分隔装置，这样根不能穿过钢丝网而根毛可以穿过钢丝网和PTFE膜；分隔装置底部（即聚四氟乙烯膜）和元素供给区顶部之间的间距可调，优选为0-3mm，更优选为0、1、2mm，本发明依据MP分隔装置底部（即聚四氟乙烯膜）和元素供给区顶部间距的大小（0、1、2mm）可依次将其定义为MP0、MP1、MP2，该实施方式下，只有根毛参与元素供给区元素的吸收。

同样地，将聚四氟乙烯膜紧绷在植物生长区（B管）的下切口上，再将钢丝网平展地紧绷在膜的下方（PTFE then mesh，简为PM）形成PM分隔装置，这样根（包括根毛）可以穿过PTFE膜，到达钢丝网表面，根毛可以穿过钢丝网。分隔装置底部（即钢丝网）和元素供给区顶部之间的间距为0mm（即PM0），此时，根毛和根表共同参与元素供给区元素的吸收。

本发明所述的钢丝网可以采用现有技术公开的常见结构，钢丝网孔径为25-38μm、网丝粗度为25-30μm，厚度为50-60μm；优选所述钢丝网孔径为35μm、网丝粗度为30μm，厚度为60μm。

本发明所述的聚四氟乙烯膜（PTFE）是一种很好的疏水材料，根或根毛穿过膜以后仍然可以阻挡水分和离子的通过，避免了元素供给区的特定待测元素通过水分流动到达植物生长区（根垫）。所述PTFE膜疏水性能好，且柔韧性强，可以在根或根毛穿过的同时阻止水分子和离子的通过。预试验中，当植物根或根毛穿过PTFE膜后，膜上面保持1cm高的水面一个月而不会渗漏。该聚四氟乙烯膜（PTFE）同样为现有技术公开的结构，本发明优选为九牧产品，型号是F213的聚四氟乙烯膜（PTFE）。

此外，作为本发明的另一种实施方式，所述的分隔装置为固定在植物生长区下端部的透明塑料板。这种分隔装置主要有利于原位观察根毛的生长状况。本发明定义这种结构的分隔装置为control0。

本发明所述PVC管和钢丝网均用稀酸浸泡，并用去离子水洗净。

作为本发明的一种优选实施方式，所述原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置包括三组观测单元，每组观测单元采用不同的分隔装置，每组观测单元的分隔装置分别为MP分隔装置、PM分隔装置和透明塑料板。其中，分隔装置为透明塑料板的观测单元主要用于原位观测根毛状况；而MP分隔装置中，通过调控植物生长区底部与元素供给区顶部的间距（0-2mm）评价根毛对元素的吸收作用；MP和PM分隔装置相结合主要用于评测计算根毛在根对元素吸收中的贡献率，且MP分隔装置和PM分隔装置中，植物生长区底部与元素供给区顶部的间距均为0mm，即MP0和PM0。

所述的植物生长区、元素供给区和水分供给区均设有土面平整的基质土壤，其中元素供给区和水分供给区内基质土壤的容量分别为100%和90%，且元素供给区和水分供给区内基质土壤的含水量始终相同。

所述的植物生长区内基质土壤的高度占植物生长区高度的1/5-1/10（构成根垫），植物生长区基质土壤上部的其余部分铺设蛭石。具体基质土壤的用量可依具体的植物种类而定。

所述的基质土壤为过1mm筛，砂土比为1:1的混合基质；所述基质土壤经射线灭菌后，按200mg N-Ca(NO₃)₂·4H₂O kg^-1，160mgP-Ca(H₂PO₄)₂·H₂O kg^-1，200mg K-K₂SO₄，100mg Mg-MgSO₄·7H₂Okg^-1施入基肥，其中，元素供给区内基质土壤内进一步加入特定的待测元素供给。

本发明所述的装置，元素供给区与水分供给区之间设有可透水的钢丝网。

此外，本发明进一步提供了一种原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的方法，具体采用如下技术方案：

（1）构建三组观测单元，所述观测单元包括自上而下依次可拆卸设置的植物生长区、元素供给区和水分供给区；其中，植物生长区与元素供给区之间设有阻隔植物根系的分隔装置，每组观测单元的分隔装置分别为MP分隔装置、PM分隔装置和透明塑料板；

（2）分别向植物生长区、元素供给区和水分供给区加入基质土壤；其中元素供给区和水分供给区内基质土壤的容量分别在90%以上，优选分别为100%和90%，植物生长区内基质土壤的高度占植物生长区高度的1/5-1/10（视植物种类定），且植物生长区基质土壤上部的其余部分铺设蛭石，元素供给区内基质土壤含有一定浓度的待测元素；

（3）将长势相近的供试植物分别植入观测单元，培养；

（4）在显微镜下观测透明塑料板分隔装置中植物的根毛长度和根毛密度；

（5）根据塑料板分隔装置中测定得到的根毛长度，计算MP分隔装置中，植物生长区底部和元素供给区顶部不同间距条件下（0、1、2mm），生长到达元素供给区并参与元素吸收的根毛数量的百分比，并检测MP（MP0、MP1、MP2）分隔装置中植物体内特定元素的含量。通过分析参与特定元素吸收的根毛数量百分比与植物体内特定元素的含量的相关性回答植物根毛对特定元素的吸收是否有作用；

（6）为进一步研究确定根毛在根吸收特定元素中的贡献率，在植物生长区底部与元素供给区顶部间距为0mm条件下，检测PM分隔装置和MP分隔装置中植物体内特定元素的含量并计算吸收总量，比较PM0和MP0分隔装置中特定元素的吸收总量来计算根毛贡献率，根毛的贡献率（%）=全部根毛吸收待测元素到地上部的量/根表面和根毛共同吸收待测元素到地上部的量×100%；根表面的贡献率（%）=1-根毛的贡献率（%）。

上述方法中所述的供试植物可以为任意一种草本植物，优选性质稳定，生长周期较快的植物，如小麦、大麦、油菜等，此外，对根外泌植物（如本发明中的Thlaspi arvense）而言，该评测方法的结果可能存在偏差，可以通过缩短处理时间减小由于外泌作用引起的偏差，处理时间最好不要超过一周，并须检测根垫土中特定元素的含量。

采用上述技术方案，本发明具有如下优点：

1、本发明将植物根毛对镉的吸收与根表的吸收区分开来，可以有效地评价植物根毛（如超累积植物Thlaspi caerulescens）对特定元素（如重金属镉）吸收的贡献率。但不宜对根外泌植物如Thlaspiarvense的根毛吸收特定元素的贡献率进行定量评价。

2、本发明可以用来原位观察和测定植物根毛性状。

3、本发明也可用来研究和评价根毛对植物吸收其他元素的贡献率，但要求根垫土中目标元素的含量要足够低，或者结合同位素技术，用目标元素的同位素代替镉元素。

4、本发明简单直观、对植物无损伤、成本低廉、操作简单，可用于教学和科研，市场广阔。

附图说明

图1a是本发明装置的结构示意图；

图1b是本发明MP分隔装置的结构示意图；

图1c是本发明PM分隔装置的结构示意图；

图1d是本发明透明塑料板分隔装置的结构示意图；

图2（a-c）为显微镜下Thlaspi caerulescens的原位根毛照片；

图3为利用control0中测得的根毛长度和密度估算得到的Thlaspiarvense和Thlaspi caerulescens在不同处理中生长在C中污染土中的根毛数量的百分数示意图；

图4为不同处理下，Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens的地上部（a）和根的生物量（b）的示意图；

图5为不同处理下，Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens的地上部（a）和根（b）中的镉含量示意图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例中，原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置包括三组观测单元，所述观测单元包括自上而下依次可拆卸设置的植物生长区（A、B所示）、元素供给区（C所示）和水分供给区（D所示）；其中，植物生长区与元素供给区之间设有阻隔植物根系的分隔装置（F所示）。每组观测单元采用不同的分隔装置，每组观测单元的分隔装置分别为MP分隔装置（图1b）、PM分隔装置（图1c）和透明塑料板（图1d）。其中，分隔装置为透明塑料板的观测单元主要用于原位观测根毛状况；而MP分隔装置、PM分隔装置主要用于评测计算根毛对元素吸收作用。

其中，透明塑料板3构成的分隔装置（图1d）主要有利于原位观察根毛的生长状况，其固定在植物生长区下端部（control0）。

如图1b和图1c所示，MP分隔装置为固定在植物生长区下端部的钢丝网1和紧绷在钢丝网下方的聚四氟乙烯膜2；所述的PM分隔装置为固定在植物生长区下端部的聚四氟乙烯膜2和紧绷在四氟乙烯膜下方的钢丝网1。

更具体地，将钢丝网1平展地紧绷在植物生长区（B管）的下切口上，然后将聚四氟乙烯膜2紧绷在钢丝网1外面，并用透明胶带固定（mesh then PTFE，简称MP）形成MP分隔装置，这样根不能穿过钢丝网而根毛可以穿过钢丝网1和PTFE膜2；分隔装置底部和元素供给区之间的间距可调，依据MP分隔装置底部和元素供给区顶部间距的大小（0、1、2mm）可依次将其定义为MP0、MP1、MP2，此时只有根毛参与元素供给区元素的吸收。

同样地，将聚四氟乙烯膜2紧绷在植物生长区（B管）的下切口上，再将钢丝网1平展地紧绷在膜的下方（PTFE then mesh，简为PM）形成PM分隔装置，这样根（包括根毛）可以穿过PTFE膜2，到达钢丝网1表面，根毛可以穿过钢丝网1。植物生长区内分隔装置底部和元素供给区顶部之间的间距为0mm，此时，根毛和根表共同参与元素供给区元素的吸收。

其中，钢丝网1的钢丝孔径为35μm、网丝粗度为30μm，厚度为60μm。聚四氟乙烯膜2（PTFE）为九牧产品，型号是F213。

此外，植物生长区、元素供给区和水分供给区均为中空的PVC管，其中植物生长区与元素供给区等径设置，水分供给区的管径略大于元素供给区以更好地保证两区的含水量一致，元素供给区与水分供给区之间设有可透水的钢丝网，水分供给区的底部设有一托盘e。

本实施例中，植物生长区、元素供给区和水分供给区均设有土面平整的基质土壤（观测单元中的b、c、d），其中元素供给区和水分供给区内基质土壤的容量分别为100%和90%，且元素供给区和水分供给区内基质土壤的含水量始终相同。植物生长区内基质土壤的高度占植物生长区高度的1/5（构成根垫b），且植物生长区基质土壤上部的其余部分铺设蛭石（见植物生长区的a部）。所述的基质土壤为过1mm筛，砂土比为1:1的混合基质；所述基质土壤经射线灭菌后，按200mg N-Ca(NO₃)₂·4H₂O kg^-1，160mg P-Ca(H₂PO₄)₂·H₂Okg^-1，200mg K-K₂SO₄，100mg Mg-MgSO₄·7H₂O kg^-1施入基肥，其中，元素供给区内基质土壤内进一步加入特定的待测元素供给。

实施例2

与实施例1相比，区别点仅在于，本实施例所述的原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置包括三组观测单元，所述观测单元包括自上而下依次可拆卸设置的植物生长区、元素供给区和水分供给区。其中，植物生长区与元素供给区之间设有阻隔植物根系的分隔装置。每组观测单元采用不同的分隔装置，每组观测单元的分隔装置分别为MP0分隔装置、PM0分隔装置和透明塑料板。

植物生长区、元素供给区和水分供给区均设有土面平整的基质土壤，其中元素供给区和水分供给区内基质土壤的容量分别为100%和90%，且元素供给区和水分供给区内基质土壤的含水量始终相同。植物生长区内基质土壤的高度占植物生长区高度的1/7（构成根垫b），且植物生长区内基质土壤上面的其余部分铺设蛭石。

实施例3

与实施例1相比，区别点仅在于，本实施例植物生长区、元素供给区和水分供给区均设有土面平整的基质土壤，其中元素供给区和水分供给区内基质土壤的容量分别为100%和95%，且元素供给区和水分供给区内基质土壤的含水量始终相同。植物生长区内基质土壤的高度占植物生长区高度的1/10（构成根垫b），且植物生长区内基质土壤上面的其余部分铺设蛭石。

实施例4结合同位素技术测评植物根毛对元素吸收作用的方法（以³²P为例）

本实施例选取植物大量营养元素——磷作为目标元素，磷在土壤中广泛存在（如果不用同位素示踪技术很难用本发明准确评测植物根毛对磷的吸收作用及贡献率）。

本实施例与实施例1的区别在于，元素供给区内基质土壤内进一步加入目标元素磷的同位素³²P（185kBq g^-1干土），以用于测评植物根毛对磷元素吸收的作用。

实施例5测评植物根毛对元素吸收作用的方法

本实施例所述的方法包括如下步骤：

（1）构建三组观测单元，所述观测单元包括自上而下依次可拆卸设置的植物生长区、元素供给区和水分供给区；其中，植物生长区与元素供给区之间设有阻隔植物根系的分隔装置，每组观测单元的分隔装置分别为MP分隔装置、PM分隔装置和透明塑料板；透明塑料板装置用来原位观察和测定根毛特征，定义为control0；MP分隔装置中，依据植物生长区和元素供给区间距的大小（0、1、2mm）可依次将其定义为MP0、MP1、MP2；MP分隔装置中，另设一个元素供给区不装基质土壤的处理，定义为control；PM分隔装置中，依据植物生长区和元素供给区间距的大小（0mm）将其定义为PM0。

（2）分别向植物生长区、元素供给区和水分供给区加入基质土壤；其中元素供给区和水分供给区内基质土壤的容量分别为100%和90%，control中元素供给区不装任何基质；植物生长区内基质土壤的高度占植物生长区高度的1/5，且植物生长区基质土壤上部的其余部分铺设蛭石，元素供给区内基质土壤含有一定浓度的待测元素；

（3）将长势相近的供试植物分别植入观测单元，培养；

（4）在显微镜下观测透明塑料板分隔装置中植物的根毛长度和根毛密度，据此估算生长在MP0、MP1、MP2装置中元素供给区根毛数量的百分比；分别检测MP分隔装置中（control、MP0、MP1、MP2）植物体内特定元素的含量，从而定性说明根毛对目标元素吸收的作用；分别检测PM0和MP0分隔装置中植物体内特定元素的含量，比较PM0和MP0分隔装置中特定元素的吸收总量来计算根毛贡献率，根毛的贡献率（%）=全部根毛吸收目标元素到地上部的量/根表面和根毛共同吸收目标元素到地上部的量×100%，即根毛的贡献率（%）=MP0分隔装置中植物体内目标元素的总吸收量/PM0分隔装置中植物体内目标元素的总吸收量。

以下本发明补充了以重金属镉为检测对象展开的试验例，利用本发明所述装置进行根毛对元素吸收检测的方法进行解释说明。但本领域技术人员可以理解，本发明所述的装置及方法不限于对镉吸收的检测与分析，其他元素，如铅、铜、铬等，都可以适用于本发明，篇幅所限，此处不一一例举。

试验例1

1.材料与方法

1.1供试植物

镉的超累积植物遏兰菜Thlaspi caerulescens的生态型Ganges和非超累积植物Thlaspi arvense。Tc.Ganges种子从法国购买；Thlaspiarvense种子来自我国新疆。

本试验装置按照功能设计分为三种（图1中的a、b、c），ABCD均为PVC管。其中，AB段相连构成植物生长区，A中装有10g蛭石，B中装有16g沙土混合基质（形成5mm土层，无Cd污染）。

将孔径为38μm、网丝粗度为30μm（厚度为60μm）的钢丝网1平展得紧绷在B管的下切口上，然后将聚四氟乙烯膜2紧绷在钢丝网1外面，并用透明胶带固定（mesh then PTFE，简称MP，图1b所示），这样根不能穿过钢丝网1而根毛可以穿过钢丝网1和PTFE膜2；另一部分先将聚四氟乙烯膜2紧绷在B管的下切口上，再将钢丝网1平展地紧绷在膜的下方（PTFE then mesh，简为PM，图1c所示），这样根（包括根毛）可以穿过PTFE膜2，到达钢丝网1表面，根毛可以穿过钢丝网1。

C管只用钢丝网封底，平展地紧绷在下切口上。C装置中装有49g污染土，土面平整且与上切口平行，其中镉含量为100mg/kg。

D中装有300g土，起蓄水和导水作用，D下面与托盘相通，将水浇入托盘，水通过D进入C，称重法保持D中土的含水率为19-20%，从而保证C中土壤相同的含水率。

BCD中装的土均为过1mm筛、砂土比为1：1的混合基质，其中土壤采自北京市昌平区农田表层（0-20cm）耕作土。基质经射线灭菌，施入基肥为200mg N-Ca(NO₃)₂·4H₂O kg^-1，160mgP-Ca(H₂PO₄)₂·H₂O kg^-1，200mg K-K₂SO₄，100mg Mg-MgSO₄·7H₂Okg^-1。C中土加镉的形态为CdSO₄，陈化一个月。所有PVC管和钢丝网均用稀酸浸泡，并用去离子水洗净。PTFE膜疏水性能好，且柔韧性强，可以在根穿过的同时阻止水分子和离子的通过。预试验中，当植物根或根毛穿过PTFE膜后，膜上面保持1cm高的水面一个月而不会渗漏。

为了更好地原位观察根的生长和测定根毛长度和密度，另将透明塑料平展地紧绷在B的下切口上，AB相连，所装基质同上（没有C和D），设为control0（图1d所示）。

原理：如图1b，在mesh then PTFE（MP）装置中，B与C之间留有0、1、2mm的缝隙，将植物种植在AB中，在B中形成根垫b，随着缝隙宽度变大，生长在C中污染土中的根毛数量百分比就会减少，则植株体内的Cd含量也会减小。mesh then PTFE（MP）装置可以阻挡根在钢丝网的表面，而根毛可以穿过网和膜，只有根毛参与对C中土壤Cd的吸收，而根表面不参与吸收；PTFE then mesh（PM）装置（图1c）中B与C之间没有缝隙（即缝隙宽度为0mm），PM可以使根连带根毛穿过膜但被钢丝网阻挡，根表面可以接触C中的污染土，根毛和根表面共同参与对C中土壤Cd的吸收。

1.2植物培养

先将Tc.Ganges种子催芽，露白后移入蛭石培养，两周后将Thlaspi arvense种子催芽，露白后移入蛭石培养。待Tc.Ganges长到4叶期，Thlaspi arvense长到两叶期时，同时将大小一致的植株移入已经准备好的装置AB中，每个装置移6株，用称重法加去离子水补充水分，使B中土的含水量为19-20%。

之后向D下面的托盘中加去离子水，称重法使CD中土的含水量为19-20%。当C中土壤的含水量达到19%时，将AB和C组合为一个整体，置于D的土柱上面，以后浇水只需保持D中土柱的含水量为19-20%就可以保证C中土的含水量。装置组合后，向每个装置A中浇灌等量的营养液（配方见表1）培养，并用称重法加去离子水补充水分，使B中土的含水量为19-20%。使B中土保持19-20%的含水量所需要的水分量在预试验中得到。

试验在昼夜光照12/12h，昼夜温度25/16℃，光强350μmol/m²/s的培养室中进行。

表1遏兰菜营养液组分

1.4试验处理

试验分6个处理（见表2），每个处理4个重复，植株在装置中培养4周。

表2试验处理说明

注：——表示B下面没有C

1.5收获和测定

植物在装置中培养4周后，将处理control0倒置在显微镜下拍照测定两种植物的根毛长度和根毛密度。每盆任选100个根毛测定根毛长度，任选10个1mm根段测定根毛密度，然后分别取平均值。分取其他处理中的植物地上部和根，去离子水洗净，105℃杀青半小时，70℃烘干，粉碎，待测。定量称取准备好的待测样，HNO₃-H₂O₂微波消煮，ICP-AES测定植物样品中Cd元素的含量。收获植物样时取少量根垫土，仔细尽量除尽土中附带的碎根，风干后HNO₃-HClO₄-HCl-HF消煮，GFAAS测定Cd含量，用来检验根垫土是否被C中的镉污染。

1.6数据分析

样品均值的比较采用Tukey检验（p<0.05）。数据进行双因素方差分析，比较检验两种植物间、不同处理间的显著性差异。所有统计分析均在SPSS16.0软件下进行。

根毛的贡献率（%）=全部根毛吸收镉到地上部的量/根表面和根毛共同吸收镉到地上部的量×100%；根表面的贡献率（%）=1-根毛的贡献率（%）。

2结果

2.1根毛生长状况

为了直观地证实根毛可以穿过钢丝网和聚四氟乙烯膜，在体视显微镜下拍照并观察了BC缝隙中的根毛（图2c）。通过control0原位拍照（图2a,b）测定表明，Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens的平均根毛长度没有显著差异，Thlaspi caerulescens的根毛密度比Thlaspi arvense高50%（表3），并且通过测得的不同的根毛长度估算了可能生长在C中污染土中的根毛数量的百分率。随着B、C之间缝隙宽度的减小，生长在C中加镉土壤中的根毛数量越来越多（图3a）。

表3处理control0中显微镜下原位观察测定的Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens的平均根毛长度和根毛密度

注：同列中不同的字母表示植物种间差异显著（p<0.05）。

图3示意了利用control0中测得的根毛长度和密度估算得到的Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens在不同处理中生长在C中污染土中的根毛数量的百分数（a）；不同处理条件下根垫土壤中的镉含量（b）。其中，control为对照，C中不装土；MP0、MP1、MP2表示只有根毛参与C中土壤镉的吸收，BC之间的缝隙宽度分别为0、1、2mm，PM0表示根表面和根毛共同参与C中土壤镉的吸收，C中土壤的镉含量为100mg/kg。柱顶不同的小写和大写字母分别表示Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens不同处理间差异显著（p<0.05）。

2.2根垫土中镉含量的变化

随BC之间的缝隙宽度减小，Thlaspi arvense根垫土的镉含量有所上升，且在处理PM0中，根垫土的镉含量要显著高于对照（p<0.05），而Thlaspi caerulescens根垫土的镉含量没有随BC缝隙宽度的减小而增大（图3b）。由于在预试验中，当Thlaspi arvense和Thlaspicaerulescens的根穿过聚四氟乙烯膜后，保持A中1cm水柱仍然不会有水渗漏，因此Thlaspi arvense根垫土中镉含量的升高可以归因于植物根对镉的外泌作用。已经有报道表明，Thlaspi arvense是一种excluder，可以通过根向环境中排放已经吸收的有毒金属元素来增加抗性（Baker,1981;Puschenreiter et al.,2003）。图5bThlaspi arvense根中镉含量在PM0中的显著减小与根垫土中镉含量的升高相对应，PM0中根毛和根表同时对C中镉的吸收很可能诱导了Thlaspiarvense根对镉的外泌作用。培养Thlaspi caerulescens的根垫土没有受到下面C中加镉土壤的污染。随着BC缝隙宽度的减小，根垫土镉含量并不显著的小幅增加是由于根垫土中的植物细根难以完全除尽的缘故。

2.3植物生物量

BC之间的缝隙宽度从2mm减小到0mm，Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens的地上部生物量都明显增加（p<0.05），根的生物量也有增加（图4）。MP处理与对照相比，Thlaspi arvense和Thlaspicaerulescens的地上部生物量分别增加了5.8-48%和0.6-20%，而PM0分别增加了66%和26%。但在MP0和PM0两个处理中，两种植物地上部和根的生物量均没有显著差异。这也进一步说明了植物根毛对植物吸收养分和水分等的重要性。

图4示意了不同处理下，Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens的地上部（a）和根的生物量（b）。其中，control为对照，C中不装土；MP0、MP1、MP2表示只有根毛参与C中土壤镉的吸收，BC之间的缝隙宽度分别为0、1、2mm，PM0表示根表面和根毛共同参与C中土壤镉的吸收，C中土壤的镉含量为100mg/kg。柱顶不同的小写和大写字母分别表示Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens不同处理间差异显著（p<0.05）。

2.4各处理中植物对镉的吸收累积

随着BC之间缝隙宽度的减小，两种植物地上部和根中的镉含量及地上部的镉富集总量均有显著增加（p<0.001），且植物种类和缝隙宽度处理间有显著交互作用（p<0.0001）（图5a,b,d），体现了根毛对镉吸收的重要作用。Thlaspi caerulescens全部根毛吸收累积在地上部和根部的镉含量分别是Thlaspi arvense的13倍和7倍。处理PM0中Thlaspi arvense地上部的镉含量和总富集量分别显著比MP0高45%和61%（p<0.05），而对于Thlaspi caerulescens两个处理间没有显著差异。这表明Thlaspi caerulescens根表对镉的吸收并不是主要途径。由于PM0中Thlaspi arvense地上部的镉一部分来自根外排后的再吸收，因此与MP0比较会夸大根表对镉的吸收作用。

图5示意了不同处理下，Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens的地上部（a）和根（b）中的镉含量，镉从根到地上部的迁移系数（c）和地上部镉的总富集量（d）。control为对照，C中不装土；MP0、MP1、MP2表示只有根毛参与C中土壤镉的吸收，BC之间的缝隙宽度分别为0、1、2mm，PM0表示根表面和根毛共同参与C中土壤镉的吸收，C中土壤的镉含量为100mg/kg。柱顶不同的小写和大写字母分别表示Thlaspi arvense和Thlaspi caerulescens不同处理间差异显著（p<0.05）。

表4Thlaspi caerulescens的根表面、根毛对地上部镉累积的贡献率

注：数值和“ns”分别表示贡献率显著（p<0.05）和不显著。

根表面对Thlaspi caerulescens地上部的镉累积没有显著贡献，根毛的贡献率可以达到76.9%（表4）。由于Thlaspi arvense可以通过根的外泌作用将吸收到体内的镉重新释放到根垫土中，因此不能准确评价其根毛对镉的吸收贡献。本发明不适用于评测这种根外泌植物根毛对镉吸收的贡献率，但是可以原位观察根毛的生长状况。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的装置，其特征在于：包括至少一组观测单元，所述观测单元包括自上而下依次可拆卸设置的植物生长区、元素供给区和水分供给区；其中，植物生长区与元素供给区之间设有阻隔植物根系的分隔装置。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的植物生长区、元素供给区和水分供给区均为中空的PVC管，其中植物生长区的管径等于元素供给区，小于水分供给区。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的分隔装置包括由钢丝网和聚四氟乙烯膜构成的MP分隔装置和PM分隔装置，所述MP分隔装置为固定在植物生长区下端部的钢丝网和紧绷在钢丝网下方的聚四氟乙烯膜；所述的PM分隔装置为固定在植物生长区下端部的聚四氟乙烯膜和紧绷在四氟乙烯膜下方的钢丝网；所述分隔装置底部与元素供给区顶部之间的间距可调。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的分隔装置为固定在植物生长区下端部的透明塑料板。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的植物生长区、元素供给区和水分供给区均设有土面平整的基质土壤，其中元素供给区内基质土壤的容量为100%，土面与上切口齐平；水分供给区内土壤的容量为90-100%，优选90%；控制元素供给区和水分供给区内基质土壤的含水量相同。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的植物生长区内基质土壤的高度占植物生长区高度的1/5-1/10，且植物生长区内基质土壤上部的其余部分铺设蛭石。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的基质土壤为过1mm筛，砂土比为1:1的混合基质；所述基质土壤经射线灭菌后，按200mg N-Ca(NO₃)₂·4H₂O kg^-1，160mg P-Ca(H₂PO₄)₂·H₂O kg^-1，200mg K-K₂SO₄，100mg Mg-MgSO₄·7H₂O kg^-1施入基肥，其中，元素供给区内基质土壤内进一步加入特定的待测元素供给。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述装置包括三组观测单元，每组观测单元的分隔装置分别为MP分隔装置、PM分隔装置和透明塑料板。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述钢丝网孔径为25-38μm、网丝粗度为25-30μm，厚度为50-60μm；优选所述钢丝网孔径为35μm、网丝粗度为30μm，厚度为60μm。

10.一种原位观测植物根毛并评测其元素吸收作用的方法，包括如下步骤：

（1）构建三组观测单元，所述观测单元包括自上而下依次可拆卸设置的植物生长区、元素供给区和水分供给区；其中，植物生长区与元素供给区之间设有阻隔植物根系的分隔装置，每组观测单元的分隔装置分别为MP分隔装置、PM分隔装置和透明塑料板；

（2）分别向植物生长区、元素供给区和水分供给区加入基质土壤；其中元素供给区和水分供给区内基质土壤的容量分别在90%以上，植物生长区内基质土壤的高度占植物生长区高度的1/5-1/10，且植物生长区基质土壤上部的其余部分铺设蛭石，元素供给区内基质土壤含有一定浓度的待测元素；

（3）将长势相近的供试植物分别植入观测单元，培养；

（4）在显微镜下观测透明塑料板分隔装置中植物的根毛长度和根毛密度；

（5）根据塑料板分隔装置中测定得到的根毛长度，计算MP分隔装置中，植物生长区底部和元素供给区顶部不同间距0、1、2mm的条件下，生长到达元素供给区并参与元素吸收的根毛数量的百分比，并检测MP分隔装置中植物体内特定元素的含量，通过分析参与特定元素吸收的根毛数量百分比与植物体内特定元素的含量的相关性回答植物根毛对特定元素的吸收是否有作用；

（6）为进一步研究确定根毛在根吸收特定元素中的贡献率，在植物生长区底部与元素供给区顶部间距为0mm条件下，检测PM分隔装置和MP分隔装置中植物体内特定元素的含量并计算吸收总量，比较PM0和MP0分隔装置中特定元素的吸收总量来计算根毛贡献率，根毛的贡献率（%）=全部根毛吸收待测元素到地上部的量/根表面和根毛共同吸收待测元素到地上部的量×100%；根表面的贡献率（%）=1-根毛的贡献率（%）。

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