電容法和微根管法在根系動態(tài)研究中的運用
電容法是一種原位、無損、間接測量根系生長和活性的方法，近些年越來越受到關注。最近，Cseresnyes等在“Electrical Capacitance versus Minirhizotron Technique: AStudy of Root Dynamics in Wheat–Pea Intercrops”一文中，介紹了電容法的基本假設和優(yōu)缺點，并同時采用電容法和微根管法研究了小麥和豌豆間作系統(tǒng)的根系動態(tài)。
電容法利用低頻交流電流測量植物莖干基部與根區(qū)土壤之間的電容，根土系統(tǒng)的電容（CR）與根系大小相關。目前傾向接受Dalton提出的概念模型，將根假設成泄漏的圓柱形電容，導電的根滲出液被極化的膜電介質從導電的土壤溶液中分離出來。膜儲存的電荷與其表面積成比例，改變交流信號的相位和振幅。
因一些研究結果與Dalton假設的結果不一致，所以也有學者質疑電容法的可行性。Dietrich提供了一個新模型，認為電極間的電容由莖干基部控制，與莖干的橫截面積相關。他們認為電容與根系大小間的相關性僅僅是因為根莖間存在異速生長關系。也有研究發(fā)現(xiàn)電流泄漏主要發(fā)生在根頸和近端根，遠端節(jié)段較少。與此相反，水培植物的連續(xù)根切除和浸根實驗支持根在基質中的位置對電容影響很大。目前普遍認可植物器官內的電流路徑受到組織特性的影響。因此，電容法的一大優(yōu)勢是，電容能夠反映根系大小和生理狀態(tài)，例如水分含量、膜的完整性和滲透性等。由于近端根系與遠端根系之間存在異速生長關系，所以認為電容與根系的水分吸收活性相關。
快速電容法適用于監(jiān)測同一株植物的時間動態(tài)和篩選植物種群。由于相鄰植株間根系彼此不相連，電容法僅適用于植株尺度。該技術的一個明顯缺點是完全缺乏根的可視化，不能量化根系功能屬性，更適用于生長在相同基質的相同物種在相同條件下測定的根系大小的相對比較�；谖锓N建立的函數(shù)關系需考慮土壤含水量對電容的影響，土壤介質響應會降低電容法的有效性，特別是在含有大量表面帶電膠體粒子的復雜土壤中。盡管潛在的生物物理機制存在不確定性，但該方法在一些研究中已被證明是有用的，可用于評估草本植物和作物以及盆栽或田間生長的樹苗的根系大小。
微根管法廣泛用于原位非損傷可視化研究土壤剖面特定位置根系功能屬性動態(tài)過程，包括根系構型、分支、深度分布、根長密度、根生長、根壽命、根死亡、周轉和分解。微根管法可基于視覺評估評估根系的生理狀態(tài)（活性），但微根管圖像分析費時費力，只能期盼自動圖像處理方法早日出現(xiàn)。
Cseresnyes等同時采用電容法和微根管法，監(jiān)測了包括三個冬小麥品種、兩種種植模式和兩個水分梯度，共計12種處理，盆栽實驗的整個生長期的小麥根系活性（CR）、根長（RL）和根表面積（RSA）。發(fā)現(xiàn)，CR、RL、RSA呈現(xiàn)相似的季節(jié)性動態(tài)，峰值大約在花期；間作豌豆會降低最大CR、RL、RSA；干旱會顯著降低CR，但增加微根管法觀測到的根系大小；CR與RSA之間存在顯著的線性相關，干旱脅迫的比根電容顯著更小；CR傾向于預測根系功能；同時采用電容法和微根管法研究根系可提高根動態(tài)和植物響應的評價效果。
該研究微根管圖像分析采用的Root Snap是一款半自動微根管圖像分析軟件，在觸摸屏電腦上，單根手指沿著根系大致的延展方向劃過，Root Snap將自動擬合根生長軌跡，即可選中根系，獲取根長、根表面積、平均直徑等根系功能屬性。
圖1 電容的季節(jié)性動態(tài)
圖2 根長、根表面積和平均直徑的季節(jié)性動態(tài)
圖3 電容與根表面積間的線性相關
原文信息
Cseresnyes I, Kelemen B, TakacsT, Fuzy A, Kovacs R, Megyeri M, Paradi I, Miko P (2021). Electrical Capacitanceversus Minirhizotron Technique: A Study of Root Dynamics in Wheat-PeaIntercrops. Plants-Basel, 10(10),1991, doi: 10.3390/plants10101991.
電容法利用低頻交流電流測量植物莖干基部與根區(qū)土壤之間的電容，根土系統(tǒng)的電容（CR）與根系大小相關。目前傾向接受Dalton提出的概念模型，將根假設成泄漏的圓柱形電容，導電的根滲出液被極化的膜電介質從導電的土壤溶液中分離出來。膜儲存的電荷與其表面積成比例，改變交流信號的相位和振幅。
因一些研究結果與Dalton假設的結果不一致，所以也有學者質疑電容法的可行性。Dietrich提供了一個新模型，認為電極間的電容由莖干基部控制，與莖干的橫截面積相關。他們認為電容與根系大小間的相關性僅僅是因為根莖間存在異速生長關系。也有研究發(fā)現(xiàn)電流泄漏主要發(fā)生在根頸和近端根，遠端節(jié)段較少。與此相反，水培植物的連續(xù)根切除和浸根實驗支持根在基質中的位置對電容影響很大。目前普遍認可植物器官內的電流路徑受到組織特性的影響。因此，電容法的一大優(yōu)勢是，電容能夠反映根系大小和生理狀態(tài)，例如水分含量、膜的完整性和滲透性等。由于近端根系與遠端根系之間存在異速生長關系，所以認為電容與根系的水分吸收活性相關。
快速電容法適用于監(jiān)測同一株植物的時間動態(tài)和篩選植物種群。由于相鄰植株間根系彼此不相連，電容法僅適用于植株尺度。該技術的一個明顯缺點是完全缺乏根的可視化，不能量化根系功能屬性，更適用于生長在相同基質的相同物種在相同條件下測定的根系大小的相對比較�；谖锓N建立的函數(shù)關系需考慮土壤含水量對電容的影響，土壤介質響應會降低電容法的有效性，特別是在含有大量表面帶電膠體粒子的復雜土壤中。盡管潛在的生物物理機制存在不確定性，但該方法在一些研究中已被證明是有用的，可用于評估草本植物和作物以及盆栽或田間生長的樹苗的根系大小。
微根管法廣泛用于原位非損傷可視化研究土壤剖面特定位置根系功能屬性動態(tài)過程，包括根系構型、分支、深度分布、根長密度、根生長、根壽命、根死亡、周轉和分解。微根管法可基于視覺評估評估根系的生理狀態(tài)（活性），但微根管圖像分析費時費力，只能期盼自動圖像處理方法早日出現(xiàn)。
Cseresnyes等同時采用電容法和微根管法，監(jiān)測了包括三個冬小麥品種、兩種種植模式和兩個水分梯度，共計12種處理，盆栽實驗的整個生長期的小麥根系活性（CR）、根長（RL）和根表面積（RSA）。發(fā)現(xiàn)，CR、RL、RSA呈現(xiàn)相似的季節(jié)性動態(tài)，峰值大約在花期；間作豌豆會降低最大CR、RL、RSA；干旱會顯著降低CR，但增加微根管法觀測到的根系大小；CR與RSA之間存在顯著的線性相關，干旱脅迫的比根電容顯著更小；CR傾向于預測根系功能；同時采用電容法和微根管法研究根系可提高根動態(tài)和植物響應的評價效果。
該研究微根管圖像分析采用的Root Snap是一款半自動微根管圖像分析軟件，在觸摸屏電腦上，單根手指沿著根系大致的延展方向劃過，Root Snap將自動擬合根生長軌跡，即可選中根系，獲取根長、根表面積、平均直徑等根系功能屬性。
圖1 電容的季節(jié)性動態(tài)圖2 根長、根表面積和平均直徑的季節(jié)性動態(tài)圖3 電容與根表面積間的線性相關原文信息
Cseresnyes I, Kelemen B, TakacsT, Fuzy A, Kovacs R, Megyeri M, Paradi I, Miko P (2021). Electrical Capacitanceversus Minirhizotron Technique: A Study of Root Dynamics in Wheat-PeaIntercrops. Plants-Basel, 10(10),1991, doi: 10.3390/plants10101991.
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