Ảnh hưởng của việc cản trở sự phát triển rễ đến cấu trúc cây trồng ở lúa mì

Springer Science and Business Media LLC - Tập 392 - Trang 323-332 - 2015
Kemo Jin1,2, Jianbo Shen1, Rhys W. Ashton2, Rodger P. White2, Ian C. Dodd3, Andrew L. Phillips2, Martin A. J. Parry2, William R. Whalley2
1Department of Plant Nutrition, College of Resource and Environmental Sciences, China Agricultural University, Beijing, China
2Rothamsted Research, West Common, St Albans, UK
3The Lancaster Environment Centre, Lancaster University, Lancaster, UK

Tóm tắt

Chúng tôi quan tâm đến tác động của cản trở (impedance) đến sự phát triển của rễ lên kiến trúc rễ và thân của cây lúa mì. Đã biết rằng các alen Rht-1 bán thấp làm giảm mức độ ngắn lại của lá do cản trở rễ. Chúng tôi đã so sánh các giống lúa mì thương mại có các alen Rht-1 khác nhau để xác định xem việc ngắn lại của lá do cản trở rễ có khác nhau giữa các giống hay không. Chúng tôi đã điều tra tác động của việc cản trở sự phát triển của rễ lên sự phân tán góc của rễ. Các giống lúa mì Avalon, Robigus và Battalion, mang các alen bán thấp của Rht-1, và giống Cadenza mang alen kiểu hoang dã cao, đã được trồng dưới hai mức độ độ cứng của đất trong một hệ thống văn hóa cát được thiết kế để cho phép điều chỉnh cản trở cơ học môi trường phát triển của rễ độc lập với sự sẵn có của nước và chất dinh dưỡng. Rễ bị cản trở phát triển dốc hơn so với rễ không bị cản trở: sự phân tán góc của rễ giảm từ 55° xuống 43° từ phương thẳng đứng, nhưng tác động của gen thì yếu. Cản trở rễ làm giảm sự kéo dài của lá và số lượng nhánh. Diện tích lá và tổng chiều dài rễ cung cấp mối quan hệ chung giữa tất cả các tổ hợp kiểu gen và điều trị. Việc ngắn lại của lá ở giống Cadenza nghiêm trọng hơn. Dữ liệu của chúng tôi hỗ trợ giả thuyết rằng mức độ ngắn lại của lá do cản trở rễ liên quan đến alen Rht. Rễ bị cản trở có sự phân tán góc nhỏ hơn.

Từ khóa

#cản trở sự phát triển của rễ #kiến trúc thực vật #lúa mì #alen Rht-1 #ảnh hưởng của độ cứng đất

Tài liệu tham khảo

Atwell BJ (1990) The effect of soil compaction on wheat during early tillering. New Phytol 115:37–41. doi:10.1111/j.1469-8137.1990.tb00919.x Band LE, Hwang T, Hales TC, Vose J, Ford C (2012) Ecosystem processes at the watershed scale: mapping and modeling ecohydrological controls of landslides. Geomorphology 137:159–167. doi:10.1016/j.geomorph.2011.06.025 Bastien R, Bohr T, Moulia B, Douady S (2013) Unifying model of shoot gravitropism reveals proprioception as a central feature of posture control in plants. Proc Natl Acad Sci U S A 110:755–760. doi:10.1073/pnas.1214301109 Beemster GTS, Masle J (1996) Effects of soil resistance to root penetration on leaf expansion in wheat (Triticum aestivum L): composition, number and size of epidermal cells in mature blades. J Exp Bot 47:1651–1662. doi:10.1093/jxb/47.11.1651 Bengough AG, Mullins CE (1991) Penetrometer resistance, root penetration resistance and root elongation rate in 2 sandy loam soils. Plant Soil 131:59–66 Bengough AG, Croser C, Pritchard J (1997) A biophysical analysis of root growth under mechanical stress. Plant Soil 189:155–164. doi:10.1023/A:1004240706284 Bengough AG, Gordon DC, Al-Menaie H, Ellis RP, Allan D, Keith R, Thomas WTB, Forster BP (2004) Gel observation chamber for rapid screening of root traits in cereal seedlings. Plant Soil 262:63–70. doi:10.1023/B:Plso.0000037029.82618.27 Bengough AG, Bransby MF, Hans J, McKenna SJ, Roberts TJ, Valentine TA (2006) Root responses to soil physical conditions; growth dynamics from field to cell. J Exp Bot 57:437–447. doi:10.1093/Jxb/Erj003 Boonsirichai K, Guan C, Chen R, Masson PH (2002) ROOT GRAVITROPISM: an experimental tool to investigate basic cellular and molecular processes underlying mechanosensing and signal transmission in plants. Annu Rev Plant Biol 53:421–447. doi:10.1146/annurev.arplant.53.100301.135158 Butler JD, Byrne PF, Mohammadi V, Chapman PL, Haley SD (2005) Agronomic performance of Rht alleles in a spring wheat population across a range of moisture levels. Crop Sci 45:939–947. doi:10.2135/cropsci2004.0323 Chapman N, Whalley WR, Lindsey K, Miller AJ (2011) Water supply and not nitrate concentration determines primary, but not secondary root growth in Arabidopsis. Plant Cell Environ 34:1630–1638. doi:10.1111/j.1365-3040.2011.02358.x Chen XC, Zhang J, Chen YL, Li Q, Chen FJ, Yuan LX, Mi GH (2014) Changes in root size and distribution in relation to nitrogen accumulation during maize breeding in China. Plant Soil 374:121–130. doi:10.1007/s11104-013-1872-0 Clark LJ, Cope RE, Whalley WR, Barraclough PB, Wade LJ (2002) Root penetration of strong soil in rainfed lowland rice: comparison of laboratory screens with field performance. Field Crop Res 76:189–198 Clark LJ, Price AH, Steele KA, Whalley WR (2008) Evidence from near-isogenic lines that root penetration increases with root diameter and bending stiffness in rice. Funct Plant Biol 35:1163–1171. doi:10.1071/Fp08132 Coelho Filho M, Colebrook E, Lloyd DA, Webster C, Mooney S, Phillips A, Hedden P, Whalley W (2013) The involvement of gibberellin signalling in the effect of soil resistance to root penetration on leaf elongation and tiller number in wheat. Plant Soil: 1–14. doi: 10.1007/s11104-013-1662-8 Dexter AR, Hewitt JS (1978) Deflection of plant roots. J Agric Eng Res 23:17–22. doi:10.1016/0021-8634(78)90075-6 Dodd IC (2005) Root-to-shoot signalling: assessing the roles of “up” in the up and down world of long-distance signalling in planta. Plant Soil 274:257–275 Dodd IC, Whalley WR, Ober ES, Parry MAJ (2011) Genetic and management approaches to boost UK wheat yields by ameliorating water deficits. J Exp Bot 62:5241–5248. doi:10.1093/Jxb/Err242 Flintham JE, Borner A, Worland AJ, Gale MD (1997) Optimizing wheat grain yield: Effects of Rht (gibberellin-insensitive) dwarfing genes. J Agric Sci 128:11–25. doi:10.1017/S0021859696003942 Ge ZY, Rubio G, Lynch JP (2000) The importance of root gravitropism for inter-root competition and phosphorus acquisition efficiency: results from a geometric simulation model. Plant Soil 218:159–171. doi:10.1023/a:1014987710937 Gewin V (2010) Food an underground revolution. Nature 466:552–553. doi:10.1038/466552a Hamada A, Nitta M, Nasuda S, Kato K, Fujita M, Matsunaka H, Okumoto Y (2012) Novel QTLs for growth angle of seminal roots in wheat (Triticum aestivum L.). Plant Soil 354:395–405 Ho MD, Rosas JC, Brown KM, Lynch JP (2005) Root architectural tradeoffs for water and phosphorus acquisition. Funct Plant Biol 32:737–748. doi:10.1071/FP05043 Jin K, Shen J, Ashton RW, Dodd IC, Parry MAJ, Whalley WR (2013) How do roots elongate in a structured soil? J Exp Bot 64:4761–4777. doi:10.1093/jxb/ert286 Jin K, Shen J, Ashton RW, White RP, Dodd IC, Parry MAJ, Whalley WR (2015) Wheat root growth responses to horizontal stratification of fertiliser in a water-limited environment. Plant Soil 386:77–88. doi:10.1007/s11104-014-2249-8 Lynch JP (2007) Roots of the second green revolution. Aust J Bot 55:493–512. doi:10.1071/Bt06118 Lynch JP (2011) Root phenes for enhanced soil exploration and phosphorus acquisition: tools for future crops. Plant Physiol 156:1041–1049. doi:10.1104/pp. 111.175414 Lynch JP (2013) Steep, cheap and deep: an ideotype to optimize water and N acquisition by maize root systems. Ann Bot-London 112:347–357. doi:10.1093/Aob/Mcs293 Manschadi AM, Christopher J, Devoil P, Hammer GL (2006) The role of root architectural traits in adaptation of wheat to water-limited environments. Funct Plant Biol 33:823–837. doi:10.1071/Fp06055 Manschadi AM, Hammer GL, Christopher JT, deVoil P (2008) Genotypic variation in seedling root architectural traits and implications for drought adaptation in wheat (Triticum aestivum L.). Plant Soil 303:115–129. doi:10.1007/s11104-007-9492-1 Masle J, Passioura JB (1987) The effect of soil strength on the growth of young wheat plants. Aust J Plant Physiol 14:643–656 Mckee GW (1964) A coefficient for computing leaf area in hybrid corn. Agron J 56:240–241 Mi GH, Chen FJ, Wu QP, Lai NW, Yuan LX, Zhang FS (2010) Ideotype root architecture for efficient nitrogen acquisition by maize in intensive cropping systems. Sci China Life Sci 53:1369–1373. doi:10.1007/s11427-010-4097-y Oyanagi A, Sato A, Wada M (1992) Effect of water potential of culture-medium on geotropic response of primary seminal root in Japanese wheat cultivars. Jpn J Crop Sci 61:119–123 Rebetzke GJ, Kirkegaard JA, Watt M, Richards RA (2014) Genetically vigorous wheat genotypes maintain superior early growth in no-till soils. Plant Soil 377:127–144. doi:10.1007/s11104-013-1985-5 Rubio V, Linhares F, Solano R, Martin AC, Iglesias J, Leyva A, Paz-Ares J (2001) A conserved MYB transcription factor involved in phosphate starvation signaling both in vascular plants and in unicellular algae. Gene Dev 15:2122–2133. doi:10.1101/Gad.204401 Sharp RE, Silk WK, Hsiao TC (1988) Growth of the maize primary root at low water potentials: I. Spatial \distribution of expansive growth. Plant Phys 87: 50–57 Shen JB, Li CJ, Mi GH, Li L, Yuan LX, Jiang RF, Zhang FS (2013) Maximizing root/rhizosphere efficiency to improve crop productivity and nutrient use efficiency in intensive agriculture of China. J Exp Bot 64:1181–1192. doi:10.1093/Jxb/Ers342 Staehelin LA, Zheng HQ, Yoder TL, Smith JD, Todd P (2000) Columella cells revisited: novel structures, novel properties, and a novel gravisensing model. Gravit Space Biol Bull : Publ Am Soc Gravit Space Biol 13:95–100 To J, Kay BD (2005) Variation in penetrometer resistance with soil properties: the contribution of effective stress and implications for pedotransfer functions. Geoderma 126:261–276. doi:10.1016/j.geoderma.2004.08.006 Toyota M, Gilroy S (2013) Gravitropism and mechanical signaling in plants. Am J Bot 100:111–125. doi:10.3732/Ajb.1200408 Trachsel S, Kaeppler SM, Brown KM, Lynch JP (2013) Maize root growth angles become steeper under low N conditions. Field Crop Res 140:18–31. doi:10.1016/j.fcr.2012.09.010 Verslues PE, Ober ES, Sharp RE (1998) Root growth and oxygen relations at low water potentials. Impact of oxygen availability in polyethylene glycol solutions. Plant Phys 116:1403–1412 Whalley WR, Finch-Savage WE, Cope RE, Rowse HR, Bird NRA (1999) The response of carrot (Daucus carota L.) and onion (Allium cepa L.) seedlings to mechanical impedance and water stress at sub-optimal temperatures. Plant Cell Environ 22:229–242. doi:10.1046/j.1365-3040.1999.00412.x Whalley WR, Clark LJ, Gowing DJG, Cope RE, Lodge RJ, Leeds-Harrison PB (2006) Does soil strength play a role in wheat yield losses caused by soil drying? Plant Soil 280:279–290. doi:10.1007/s11104-005-3485-8 Whalley WR, To J, Kay BD, Whitmore AP (2007) Prediction of the penetrometer resistance of soils with models with few parameters. Geoderma 137:370–377. doi:10.1016/j.geoderma.2006.08.029 Whalley WR, Watts CW, Gregory AS, Mooney SJ, Clark LJ, Whitmore AP (2008) The effect of soil strength on the yield of wheat. Plant Soil 306:237–247 Whalley WR, Dodd IC, Watts CW, Webster CP, Phillips AL, Andralojc J, White RP, Davies WJ, Parry MAJ (2013) Genotypic variation in the ability of wheat roots to penetrate wax layers. Plant Soil 364:171–179. doi:10.1007/s11104-012-1342-0 White PJ, George TS, Gregory PJ, Bengough AG, Hallett PD, McKenzie BM (2013) Matching roots to their environment. Ann Bot-London 112:207–222. doi:10.1093/aob/mct123 Zuo Q, Shi J, Li Y, Zhang R (2006) Root length density and water uptake distributions of winter wheat under sub-irrigation. Plant Soil 285:45–55. doi:10.1007/s11104-005-4827-2