水影響自然濕地和耕地，由于持續的氣候變化，洪水的頻率和強度在過去幾十年有所增加。水稻作為一種作物，在雨水灌溉的低地也會受到洪水的影響，在這些地區，植物在生命周期早期面臨很高的淹沒風險。深水水稻的一個被充分研究的特征是其卓越的浮潛能力，其節間伸長高達30厘米d?1，使植物能夠跟蹤上升的水位。浮潛有助于從大氣中獲取氧氣，從而維持內部通氣。部分淹沒開始后不久，莖被淹沒部分的節點上生長出大量水生不定根。眾所周知，在許多濕地植物物種中，莖節中出現不定根是對部分淹沒的響應。這些根通常不會到達土壤表面，而是在洪水中漂浮，因此被稱為水生不定根。深水水稻水中不定根的功能與從洪水中氮和磷的養分獲取有關在本研究中，報道了兩種類型的水生不定根的形成，在出現的時間和關鍵的形態學和解剖學特征上有顯著差異。研究發現，葉鞘延遲了淹水后根系發育相關基因的時空表達，決定了根系出現的時間，甚至在淹水后期提高了根系的粗細和伸長能力。淹沒是一種復合壓力，因此，耐受性是由一系列特征賦予的。由于莖伸長和水中不定根的形成發生在淹沒后不久，本研究假設了莖生長和不定根的調節是遺傳相關的。研究驗證了在深水水稻中促進莖生長響應淹沒的qtl也促進不定根生長的假設。


Unisense微電極系統的應用


使用O2微傳感器測量附著在莖節上的水生不定根的徑向O2分布。從主莖上切下具8-10 cm長AR1或AR2節間的莖；AR1在這個位置有一些橫向分支，在測量過程中這些分支仍然存在。帶有一個目標根的莖塊(額外的根被修剪掉)固定在一個金屬網上，放置在一個小水族館中，并浸入空氣平衡的去離子水中?？諝馐蔡峁睾偷臍馀莶迦氲剿逑渲?，以確保擴散邊界層(DBL)之間恒定。使用氧氣微傳感器(OX-10;Unisense丹麥)，從DBL內部的根表面內側400-500μm開始，以10-25μm為步長進行徑向測量。傳感器的定位使用unisense微電極進行調整，水稻根部的視覺輔助使用一個臂架解剖徠卡顯微鏡。對pO2的分析一直持續到傳感器尖端完全穿過根的石碑為止。在測量過程中，使用O2光電傳感器(Unisense)和溫度傳感器監測大體積水的O2和溫度。根據制造商的說明，每天使用兩點校準校準兩個O2傳感器。


實驗結果


賦予水稻抗洪能力的一個關鍵特征是生長不定根的能力，作為對淹沒的反應。決定水生不定根(AAR)發育和特征的深水水稻遺傳性狀尚未得到評價。利用漸滲的近等基因系驗證了深水水稻顯著的莖伸長能力與數量性狀位點1和12相關也促進了AAR的發展。深水水稻基因型NIL-12在莖節處有擴大區域，在那里有大量AAR作為對淹沒的反應。在淹水3天(AR1)~7天(AR2)內形成了兩種根系類型(AR1和AR2)，出現時間明顯，形態解剖特征差異較大。葉鞘提供的機械阻抗使AR2出現較晚，根系較粗，伸長能力較強，耐干燥能力較強。關鍵基因的上調提示在激活AAR中分生組織的共同貢獻，增強了這些組織的發展，以應對淹沒。形態和解剖特征表明，AR2比AR1更適應長期淹水。因此提出了AR2在深水水稻中的作用是一種進化防御策略，以應對周期性淹沒。

圖1、展示實驗條件和子實驗相互關系的概念圖。(a)不定根形成的表型作為對部分淹沒的反應和目標基因型的選擇。(b)nil12的解剖和生理特征。(c)基因表達對存在或不存在機械阻抗的響應。(d)數據類型、目標組織和數據表示。AR=不定根;NIL=近等基因系。

圖2、深水水稻(Oryza sativa L.)QTL1和QTL12在水稻背景T65中促進不定根的形成。(a)T65、NIL-1、NIL-3、NIL-12、NIL-1+3+12和深水水稻C9285部分淹水7天。(b)去除葉片的代表性莖顯示出不定根生長的節點(白色箭頭)的位置。(c)T65、NIL-1、NIL-3、NIL-12、NIL-1+3+12和C9285浸水7天植株各節點(節點1為最年輕、最上面的節點)上出現的ar平均數量。(d)在指示節點上生長的ARs的平均長度由三個獨立的實驗確定。(e)T65、NIL-1、NIL-3、NIL-12、NIL-1+3+12和C9285浸水7天植株均有淋巴結。低地水稻T65有2-3個節，深水水稻C9285有10個節。AR=不定根;NIL=近等基因系。QTL=數量性狀位點。

圖3、水稻(Oryza sativa)的NIL-12株在其節點上產生兩種不同的AR類型。(a)NIL-12莖節，用虛線紫色和紅線表示不定根發展的兩個位置。(b)(a)所示位置的節點截面。在較低位置發育的不定根稱為不定根1，在被葉鞘覆蓋的節點上部發育的不定根稱為不定根2。(c)顯示AR1和AR2的掃描電子顯微照片。Bar,300μm。(d)有代表性的AR1和AR2伸長。棒，5毫米。(e)從NIL-12的第4年輕節的AR1和AR2的橫切面在根尖后5mm切除，用甲苯胺藍染色。(f)AR2顯示氣管元件(TE)、中心柱體(CC)、皮層(Co)和外細胞層(OCL)。橫切面取根尖后5mm。棒材，0.2 mm。(g-l)測定了NIL-12植株第4幼節AR1和AR2的平均長度、橫截面積、皮層面積、中柱面積或木質部/中柱比。AR-不定根;NIL-近等基因系。

圖4、水稻AR1和AR2供氧量和呼吸速率的比較(a)AR1發育側根，AR2不發育側根。(b)在距離根尖不同距離處測定未(去除側根)或有側根(原始狀態)的AR1和未在這些位置形成側根的AR2的呼吸速率。從浸入水中的NIL-12植物的8-10厘米長的根中收集根尖(50-70毫米)處20毫米(10-30毫米)、40毫米(30-50毫米)和60毫米的根段。對不同根類型和位置的呼吸速率進行對數轉換數據的單因素方差分析和Tukey檢驗AR1在所有位置n=5,AR2在距離根尖20和40 mm，位置n=6，距離根尖60 mm位置n=5。(c)連續測定第3和第5年輕節點(節點3和5)的AR1和AR2的平均長度。淹沒60天后，AR1和AR2在NIL-12的節點5生長。(d)一個固定的AR浸泡在水中，用距離尖端60毫米處的微傳感器測量氧氣(紅星)。AR連接的桿的切割端用硅膠管和小玻璃珠密封。為了使氧氣能夠通過閥桿擴散供應，硅管被刺穿，并與氣罐上方的空氣接觸，同時防止坑腔被淹沒。大量的水被空氣輕輕凈化，以保持氧張力接近大氣平衡，并維持穩定的擴散邊界層。(e,f)距離AR1(e)或AR2(f)尖端60mm處的徑向氧分布。紅色箭頭表示氧氣從水中擴散到根部。紅色星號表示中央石碑。(g,h)中位皮層(g)或中柱(h)pO2，由每種根類型的n=5個徑向O2剖面計算，描繪為盒狀須狀圖，顯示平均值(+)、中位值(水平線)、50%四分位數(盒)、最小值和最大值(柱)，圓圈表示單個數據點。根類型和位置之間的統計比較采用雙向方差分析Tukey測試顯示，AR1和AR2在距離尖端40和60 mm處的中柱O2有顯著差異。AR-不定根;NIL-近等基因系。

圖5、在水稻中，AR2構成了氣體擴散屏障，而AR1不構成氣體擴散屏障。(a)在距離根尖的距離處顯示AR1或AR2的木栓體染色。由黃色箭頭所示的黃-綠顏色可見墊層片層。藍色箭頭指向細胞壁自動熒光。(b)AR1或AR2的木質素染色可見粉紅色，并用紅色箭頭表示。棒材，20μm。(c)在AR1中酸通過外質體發生周期性擴散，但在AR2中沒有。紫色箭頭表示檢測到周期性酸的皮層細胞層。棒材，50μm。AR=不定根。


結論與展望


本論文報道了兩種類型的水生不定根的形成，在出現的時間和關鍵的形態學和解剖學特征上有顯著差異。相關研究發現，葉鞘延遲了淹水后根系發育相關基因的時空表達，決定了根系出現的時間，甚至在淹水后期提高了根系的粗細和伸長能力。研究人員為了深水水稻的不定生根部的氧濃度分布，使用O2微傳感器測量附著在水稻莖節上的水生不定根的徑向O2分布。研究表明深水水稻中的AR2可以作為一種進化防御策略來應對周期性和長期的淹沒。形態和解剖特征表明，AR2比AR1更適應水淹。葉鞘是影響AR2生長速率、伸長能力和根徑的關鍵因素。與水稻(T65)相比，NIL-1和NIL-12在淹水過程中產生更多的AR2，說明控制AR2發育的關鍵基因包含在QTL1和QTL12中。研究人員展望下一步研究這兩個qtl中調控AR2生長的基因。此外AR2在部分淹水過程中關于水和養分吸收的功能必須被闡明，以證明在經歷長期淺淹的地區引入水生不定根的現代品種是合理的。