CN109105047A - 用于研究根系亲缘识别的试验装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于研究根系亲缘识别的试验装置，包括上端面敞口的培养槽，培养槽上方设置有两块用以阻隔植物根系释放挥发物向地上部空间扩散的盖板，两块盖板沿侧边相互紧贴，在盖板的紧贴边上设置有两个半圆形种植孔，在盖板上方设置有两个用以阻隔植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流的玻璃罩，玻璃罩上设置有与外界空气连通的通气管；本发明还涉及一种用于研究根系亲缘识别的试验装置的工作方法。本发明能够对植物根系亲缘识别作出互惠共存或竞争互斥等行为进行观察研究，并能阻隔植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流，增加实验的准确性。

Description

用于研究根系亲缘识别的试验装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种用于研究根系亲缘识别的试验装置及其工作方法。

技术背景

亲缘识别（Kin recognition）在动物界中非常普遍，是动物利用内部神经区分不同亲缘程度个体的过程。有趣的是，植物不具有动物所特有的视觉、嗅觉等神经系统，也可以通过特定的挥发物、感知光质变化和根系分泌物等途径进行亲缘识别。动植物往往是在亲缘识别之后才作出合作共存、竞争排斥或化感毒杀等行为，以促进自身及亲缘个体的生存与繁衍。目前有关植物能够识别亲缘的研究在北美凤仙花(Impatiens pallida)、马康草(Cakile edentula var. lacustr)、高粱(Sorghum vulgare)等20余种植物上得到了验证：同种植物（同一母株种子培育而成的苗木或相同无性系）之间可通过亲缘识别后启动减少根系生物量分配的行为，以减缓与亲缘邻居的竞争强度；不同植物或同种植物不同母株的子代之间也能通过亲缘识别，以加强与非亲缘邻居的竞争强度。如何深入揭示植物亲缘识别行为所蕴含的自然奥秘已成为当前研究的热点。特别是在土壤养分匮乏环境中，植物无法像动物一样自由移动，不同植物根系对地下公共资源的竞争甚至比地上部分对光的竞争更为强烈，通过研究植物亲缘识别的内在机理，对指导群落构建和管理具重大理论和现实意义。

然而，目前对于植物究竟是通过何种途径对邻居亲缘关系进行识别并通讯交流的内在调控机制仍不完全清楚。这主要是由于不同研究对于亲缘关系的界定标准、实验材料、测定指标、环境因素均存在较大差异，得出的结果也大相径庭，造成有关植物亲缘识别的诱导及调控的关键因子尚不很清楚。有研究表明，根系分泌物是介导植物身份识别的主要途径。将拟南芥（Arabidopsis thaliana）浸泡于含有不同亲缘个体根系分泌物的培养液中，发现邻株根系亲缘识别行为明显；但在加入根系分泌物抑制剂后，这种识别行为即消失。由于根系分泌物组成复杂，具体是哪些物质在起作用还不清楚。其中，植物根系释放的挥发性有机化合物（VOCs）作为根系分泌物的一种化学物质，在种内与种间有识别、吸引和防御等作用。它们少量即可被有机体感知，且可长距离扩散，明显有别于根系分泌物其它化学物质的传播途径。但由于土壤环境条件复杂，难以对根系挥发性化合物等分泌物的释放规律及通讯作用进行实时定位观察和测定，极大限制了人们对根系亲缘识别行为的研究及认识。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供了一种用于研究根系亲缘识别的试验装置及其工作方法，能够对植物根系亲缘识别作出互惠共存或竞争互斥等行为进行观察研究，并能阻隔植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流，增加实验的准确性。

本发明的技术方案是：一种用于研究根系亲缘识别的试验装置，包括上端面敞口的培养槽，培养槽上方设置有两块用以阻隔植物根系释放挥发物向地上部空间扩散的盖板，两块盖板沿侧边相互紧贴，在盖板的紧贴边上设置有两个半圆形种植孔，在盖板上方设置有两个用以阻隔植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流的玻璃罩，玻璃罩上设置有与外界空气连通的通气管。

进一步的，在培养槽底部设置有排水孔，排水孔内设置有与排水孔相配合的活塞，在培养槽侧壁上设置有若干个用以观测植物根系生长状况和补充水分及营养液的注射孔。

本发明提供的另一技术方案是：一种用于研究根系亲缘识别的试验装置的工作方法，包括所述的研究根系亲缘识别的试验装置，其特征在于；

（1）根据实验要求，准备若干组实验装置，每组实验装置设置三台试验装置以及四株植物A实验植株和一株植物B实验植株，在实验植株移植到实验装置内之前，采用¹³C 和¹⁴C同位素示踪技术分别对双株植物从叶片的光合作用途径喂养含¹³C 和¹⁴C的CO₂一定时间；

（2）在每组实验装置的培养槽内均装入等量的培养基，在每组三台实验装置中的一套实验装置A内只种植一株植物A，作为研究对照，将植物A的根部埋入培养槽的培养基内，通过盖板的种植孔对植物A进行固定，用玻璃罩将植物A露出盖板上方的部分罩住；

（3）在每组三台实验装置内其他的两台实验装置内均种植双株植物，在其中一台实验装置B的种植孔内种植植物A与植物A，作为同种植物组成的“亲缘邻居关系”实验组，并用两个玻璃罩分别将两株植物A露出盖板上方的部分罩住，防止植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流，在实验装置C的种植孔内种植植物A和植物B，作为不同种类植物组成的“非亲缘邻居关系”实验组，并用两个玻璃罩分别将植物A和植物B露出盖板上方的部分罩住，防止植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流；

（4）定期使用水势测定仪通过培养槽侧壁上的注射孔对培养槽内的培养基进行水势测定，并及时向水势偏低的区域内补充水分或营养液，保持每台实验装置内培养基的的水势相同；

（5）定期选取一组实验装置，并分别对该组三台实验装置内的实验植株根系进行形态学和生理学指标测定，其中形态学指标是通过数字化扫描仪扫描各根系图像，应用图像分析软件对不同亲缘关系植物生长的根系进行定量分析，测定邻株亲缘关系植株根系形态学特征（根系数量、根长度、细根直径、比根长、根表面积、根系分支角、基根生长角度、节间距、根构型均匀度等），进而研究根系对识别不同亲缘关系形态变化及生长趋向性，对于生理学指标主要是利用气相色谱-质谱联用仪等仪器对不同亲缘关系植物根系内源激素、蛋白表达、根系分泌物和根系释放挥发性化合物等生理学指标进行定量分析，探明根系利用化学信息物质进行交流通讯的能力，深入研究不同亲缘关系植株生理代谢与根系亲缘识别的内在关系，通过形态学和生理学指标分析根系通过形态生理响应策略对不同亲缘关系根系作出互惠共存或互斥竞争的反应，研究植物根系间的亲缘识别机制。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）本发明整体结构简单，造价较低，取材和制作方便，有利于对不同植株根系的三维构型进行原位观测；（2）该试验装置可用于模拟水分、养分、生存空间拥挤等胁迫条件下，不同亲缘关系的植物根系如何启动形态生理学响应策略以应对邻株植物，根系是否出现相互避让和相互竞争现象，以获得植物是互斥竞争还是互惠共存的关系，从而揭示出不同亲缘植物根系之间的交流互作机理；（3）该试验装置设置透明方形玻璃罩有效地避免根部上方的干扰，排除植物地上部分挥发性有机化合物（VOCs）的干扰作用，避免试验过程中邻株植株对竞争者叶片VOCs的吸收，进而避免对根系VOCs研究的干扰，增加实验结果准确性。

为使得本发明的上述目的、特征和优点能够更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1-培养槽；2-盖板；3-种植孔；4-注射孔；5-玻璃罩；6-排水孔；7-通气管；8-活塞。

具体实施方式

如图1所示，一种用于研究根系亲缘识别的试验装置，包括上端面敞口的培养槽1，培养槽1上方设置有两块用以阻隔植物根系释放挥发物向地上部空间扩散的盖板2，两块盖板2沿侧边相互紧贴，在盖板2的紧贴边上设置有两个半圆形种植孔3，在盖板2上方设置有两个用以阻隔植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流的玻璃罩5，玻璃罩5上设置有与外界空气连通的通气管7。

本实施例中，在培养槽1底部设置有排水孔6，排水孔6内设置有与排水孔6相配合的活塞8，在培养槽1侧壁上设置有若干个用以观测植物根系生长状况和补充水分及营养液的注射孔4。

一种用于研究根系亲缘识别的试验装置的工作方法，包括所述的研究根系亲缘识别的试验装置；

（1）根据实验要求，准备若干组实验装置，每组实验装置设置三台试验装置以及四株植物A实验植株和一株植物B实验植株，在实验植株移植到实验装置内之前，采用¹³C 和¹⁴C同位素示踪技术分别对双株植物从叶片的光合作用途径喂养含¹³C 和¹⁴C的CO₂一定时间；

（2）在每组实验装置的培养槽1内均装入等量的培养基，在每组三台实验装置中的一套实验装置A内只种植一株植物A，作为研究对照，将植物A的根部埋入培养槽1的培养基内，通过盖板2的种植孔3对植物A进行固定，用玻璃罩5将植物A露出盖板2上方的部分罩住；

（3）在每组三台实验装置内其他的两台实验装置内均种植双株植物，在其中一台实验装置B的种植孔3内种植植物A与植物A，作为同种植物组成的“亲缘邻居关系”实验组，并用两个玻璃罩5分别将两株植物A露出盖板2上方的部分罩住，防止植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流，在实验装置C的种植孔3内种植植物A和植物B，作为不同种类植物组成的“非亲缘邻居关系”实验组，并用两个玻璃罩5分别将植物A和植物B露出盖板2上方的部分罩住，防止植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流；

（4）定期使用水势测定仪通过培养槽1侧壁上的注射孔4对培养槽1内的培养基进行水势测定，并及时向水势偏低的区域内补充水分或营养液，保持每台实验装置内培养基的的水势相同；

（5）定期选取一组实验装置，并分别对该组三台实验装置内的实验植株根系进行形态学和生理学指标测定，其中形态学指标是通过数字化扫描仪扫描各根系图像，应用图像分析软件对不同亲缘关系植物生长的根系进行定量分析，测定邻株亲缘关系植株根系形态学特征（根系数量、根长度、细根直径、比根长、根表面积、根系分支角、基根生长角度、节间距、根构型均匀度等），进而研究根系对识别不同亲缘关系形态变化及生长趋向性，对于生理学指标主要是利用气相色谱-质谱联用仪等仪器对不同亲缘关系植物根系内源激素、蛋白表达、根系分泌物和根系释放挥发性化合物等生理学指标进行定量分析，探明根系利用化学信息物质进行交流通讯的能力，深入研究不同亲缘关系植株生理代谢与根系亲缘识别的内在关系，通过形态学和生理学指标分析根系通过形态生理响应策略对不同亲缘关系根系作出互惠共存或互斥竞争的反应，研究植物根系间的亲缘识别机制。

上述操作流程及软硬件配置，仅作为本发明的较佳实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于研究根系亲缘识别的试验装置，其特征在于：包括上端面敞口的培养槽，培养槽上方设置有两块用以阻隔植物根系释放挥发物向地上部空间扩散的盖板，两块盖板沿侧边相互紧贴，在盖板的紧贴边上设置有两个半圆形种植孔，在盖板上方设置有两个用以阻隔植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流的玻璃罩，玻璃罩上设置有与外界空气连通的通气管。

2.根据权利要求1所述的用于研究根系亲缘识别的试验装置，其特征在于：在培养槽底部设置有排水孔，排水孔内设置有与排水孔相配合的活塞，在培养槽侧壁上设置有若干个用以观测植物根系生长状况和补充水分及营养液的注射孔。

3.一种用于研究根系亲缘识别的试验装置的工作方法，包括如权利要求1所述的研究根系亲缘识别的试验装置，其特征在于：

（1）根据实验要求，准备若干组实验装置，每组实验装置设置三台试验装置以及四株植物A实验植株和一株植物B实验植株，在实验植株移植到实验装置内之前，采用¹³C 和¹⁴C同位素示踪技术分别对双株植物从叶片的光合作用途径喂养含¹³C 和¹⁴C的CO₂一定时间；

（2）在每组实验装置的培养槽内均装入等量的培养基，在每组三台实验装置中的一套实验装置A内只种植一株植物A，作为研究对照，将植物A的根部埋入培养槽的培养基内，通过盖板的种植孔对植物A进行固定，用玻璃罩将植物A露出盖板上方的部分罩住；

（3）在每组三台实验装置内其他的两台实验装置内均种植双株植物，在其中一台实验装置B的种植孔内种植植物A与植物A，作为同种植物组成的“亲缘邻居关系”实验组，并用两个玻璃罩分别将两株植物A露出盖板上方的部分罩住，防止植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流，在实验装置C的种植孔内种植植物A和植物B，作为不同种类植物组成的“非亲缘邻居关系”实验组，并用两个玻璃罩分别将植物A和植物B露出盖板上方的部分罩住，防止植物之间通过根系上部释放化学挥发物进行信息交流；

（4）定期使用水势测定仪通过培养槽侧壁上的注射孔对培养槽内的培养基进行水势测定，并及时向水势偏低的区域内补充水分或营养液，保持每台实验装置内培养基的的水势相同；

（5）定期选取一组实验装置，并分别对该组三台实验装置内的实验植株根系进行形态学和生理学指标测定，其中形态学指标是通过数字化扫描仪扫描各根系图像，应用图像分析软件对不同亲缘关系植物生长的根系进行定量分析，测定邻株亲缘关系植株根系形态学特征（根系数量、根长度、细根直径、比根长、根表面积、根系分支角、基根生长角度、节间距、根构型均匀度等），进而研究根系对识别不同亲缘关系形态变化及生长趋向性，对于生理学指标主要是利用气相色谱-质谱联用仪等仪器对不同亲缘关系植物根系内源激素、蛋白表达、根系分泌物和根系释放挥发性化合物等生理学指标进行定量分析，探明根系利用化学信息物质进行交流通讯的能力，深入研究不同亲缘关系植株生理代谢与根系亲缘识别的内在关系，通过形态学和生理学指标分析根系通过形态生理响应策略对不同亲缘关系根系作出互惠共存或互斥竞争的反应，研究植物根系间的亲缘识别机制。