冬小麦根系生长的三维仿真模拟

根据冬小麦根系分布的试验测量参数与生长规律,综合考虑根系生长的生理生态模型和虚拟植物模型,构造了描述小麦根系生长的动态模型．在已建立的根系生长模型基础上,运用分形几何理论与计算机图形学技术,对耕作土壤环境下冬小麦根系构型进行了三维仿真模拟．根据根系实测参数,对冬小麦根系生长模拟进行宏观控制,可以真实再现冬小麦地下根系部分的动态生长过程．     

基于傅里叶变换的植物根系图像拼接方法

提出一种基于傅里叶变换的植物根系图像拼接方法.采用快速傅里叶变换方法提高图像处理质量,缩短图像处理时间,实现图像实时处理,便于图像处理和数据统计.算例应用该方法将微根管采集到的植物根系图像拼接成一个完整的根系图像.结果表明该方法可以为生长在固坡中植物的作用机理研究提供全面的根系生长信息,进一步为植物根系的研究提供可靠的数据源.     

叶菜根系图像的变分水平集分割算法

植物根系图像分割是根系构型特征提取和分析的前提.针对传统图像分割方法在处理叶菜根系弱边缘图像中存在分割精度和稳定性较差的问题,提出了一种基于改进C-V(Chan-Vese)模型的变分水平集分割算法.该算法不仅保留了C-V模型对于处理弱边缘图像的适用性,并针对叶菜根系图像局部灰度不均的特点引入了图像梯度信息,改进了原C-V模型.通过对小白菜根系样本图像的分割处理试验,证明了变分水平集分割算法的有效性.研究结果表明,相比传统的阈值处理、边缘检测及区域生长等算法,本文算法能更加精细地解决叶菜根系图像弱边缘和局部灰度不均的问题,并在分割精度和算法稳定性上具有明显的优势.变分水平集算法应用于叶菜根系构型观测系统中,可以有效地提高观测精度.     

植物根系通用三维模型的建模与仿真

为了构建一个通用的植物根系三维仿真模型,根据已有研究的植物根系生长特性,采用几何构造模型的方法描述植物根系的拓扑结构和几何结构,并通过统计分析,研究植物根系生长随机性存在的规律,提出了基于正态分布结合植物根系特征参数均值构造根系模型生长因子的建模方法。通过对模型的模拟仿真,验证了该方法构建通用的植物根系三维模型的合理性和有效性。     

印度梨形孢对黑松幼苗生长量及其根系形态的动态影响

为研究印度梨形孢(Piriformospora indica)对黑松(Pinus thunbergii)幼苗生长及其根系形态的动态影响,在营养杯培育条件下研究了印度梨形孢对黑松地上部分与根系生长、根系构型及根系分形维数的影响。结果表明,印度梨形孢对黑松地下根系生长的促进作用发挥时间早于地上部分、效应显著高于地上部分,接种印度梨形孢15~30 d时对地上部分基本无影响,但对根系促进作用明显,而地上部分在60 d时生长效应显著。接种印度梨形孢可增加黑松地上部分、根系的生物量,也显著地改善了根系长度、分支数、表面积、体积等构型参数与根系分形维数,促进黑松生长。     

垫状锦鸡儿的繁殖方式及其在适应干旱荒漠环境中的生态意义

研究内蒙古荒漠区锦鸡儿属优势种垫状锦鸡儿灌丛结构、分株特征、繁殖倾向和克隆生长特性.结果表明:在荒漠区,垫状锦鸡儿的营养繁殖占主导地位,有性繁殖为辅;其营养繁殖由枝条克隆产生无性系分株,克隆生长构型为密集型.较高的无性繁殖比例、密集型的克隆构型和发达的根系使垫状锦鸡儿能很好地适应荒漠区的干旱环境,并成为荒漠区的优势种.     

基于小波变换的自适应阀值植物根系图像边缘检测

植物根系的生长状况可以反映该地区的气候及土壤特性,现有的根系研究方法如挖掘法、整段标本法和剖面法,都有破坏样本和工作量大等缺点．为了实时跟踪植物根系生长状况,介绍了一种基于多尺度小波变换和自适应阀值的图像处理方法,对采用内窥方法获得的根系图像进行边缘检测,并将边缘提取后的图像进行融合．此方法可以在不损伤植物根系的前提下自动对根系的生长情况进行提取分析,实现实时采集及精确测量根系的物理参数．     

“根系生物学”一个新兴的研究领域

作为现代生物科学的一个新分支,根系生物学(Root Biology Radical Biology)是近年来发展起来的一个边缘交叉学科,它的研究目的是从人们往往忽视的植物地下部分--根系入手,了解并利用根系及其微生态系统的特性和功能,从而为植物的生长调控、遗传改良提供理论基础.该学科的研究内容包括根系的形态、生理、遗传特性与植物功能,根系及根际化学,根际微生物及其共生体系,根际微生态,根系的生物物理特性及模拟,根系的食品和医药利用,等等.涉及到的学科有植物学、植物生理学、植物遗传学和分子生物学、植物营养学、土壤学、农业微生物学、农业工程学、食品科学和医药学等.     

遮荫对草地早熟禾生长的影响

本文以草地早熟禾优异为研究对象,研究了遮荫对其生长的影响,结果证明,遮荫对优异的地上枝条和地下根系生长都有显著影响.遮荫使枝条高生长加快,但叶片的宽度和比叶重下降;根系生长受遮荫抑制,重度遮荫下地上枝条和根系均受到严重抑制;植物的单株分蘖数随遮荫度增加而下降,但是枝条密度却以轻度遮荫最多,苗期轻度遮荫对幼苗成活有利.     

香根草根系在公路边坡土体中的分布特征

模拟实际公路边坡坡度和土质条件,制作模型试验箱,并种植了根系发达的生态护坡植物——香根草.通过全断面开挖法,研究了在模型箱中生长了两年的香根草根系在边坡土体中的分布特征.结果表明:在贫瘠土壤条件下,两年生香根草的根系垂直向下生长,最大根长达1m多,其根系生物量沿土层剖面深度呈二项式函数关系减少;根系直径约为0.8~1.4mm,且根径1mm的根系居多,最粗者可达2.2mm;香根草根系的分布范围随土层深度呈先增大后减小的趋势,其分布规律可以用Gauss曲线来描述;沿土层剖面自上而下,根系密度分布规律服从Logistic曲线关系;香根草的大部分根系偏向坡脚方向生长,坡脚方向生长的根系粗长且密集,而坡顶方向生长的根系则细短且稀疏.以上对根系形态分布规律的研究可为进一步分析植物根系与土体间的相互作用机理、防治边坡水土流失、浅层滑坡等地质灾害提供理论基础.     

Quantitative analysis of 3-dimensional root architecture based on image reconstruction and its application to research on phosphorus uptake in soybean

The root system is an important organ for plants not only because it absorbs water and nutrients, but also because it provides anchorage against uprooting forces[1,2]. Root architecture is the spatial configuration of the root system in the growth medium[…     

Ideal root architecture for phosphorus acquisition of plants under water and phosphorus coupled stresses: From simulation to application

Under water and phosphorus (P) coupled stresses, root architecture may be related to P acquisition efficiency of plants. Understanding the relationship between root architecture and P acquisition efficiency may provide basic information for improving P acquisition efficiency of plants. In the present study, we quantitatively described the effects of root architecture on P acquisition efficiency by computer simulation together with controlled biological experiments so as to determine an ideal root architecture for efficient P acquisition under water and P coupled stresses. Our results indicate that under given soil water conditions, the ideal root architecture for P acquisition efficiency of a tap root plant (as represented by common bean) is an 搖mbrella-shape?root system whose basal roots tend to be shallow in the P-rich topsoil and tap roots tend to be deep for water in the subsoil. Meanwhile, the ideal root architecture for a fibrous root plant (as represented by upland rice) is a beard-shape?root system with the moderately dispersed yet uniformly distributed adventitious and lateral roots so as to keep most roots in the topsoil for P and a few roots in the subsoil for water.     

颠茄发根培养系统的建立

用种子萌发获得颠茄无菌苗,用发根农杆菌A4侵染颠茄无菌苗真叶,所有感染了的叶片都从伤口处产生发根．在无激素培养基中,发根表现出高频侧向分支、生长迅速、失去向地性的典型形态特征．PCR检测表明rolB、rolC确实整合到颠茄发根基因组中,用MS液体培养基发酵培养35 d,3个发根单克隆中发根生物量最大增长率达7．5倍,T6单克隆莨菪碱含量最高(5．61 mg／g),与种植在田间的颠茄植株的根相比,提高7倍;T2单克隆东莨菪碱含量最高,提高9倍多(2．35 mg／ g)．本研究揭示了rol基因足以诱导获得生长迅速和次生代谢产物积累的发根．表明颠茄转基因发根的发酵培养不失为生产托品烷类生物碱的一条好途径．     

林木根际微生态过程与细根寿命调控机制研究进展

细根在森林生态系统中具有重要的生物学和生态学地位。细根寿命取决于树种本身,也受控于环境条件。根际作为植物、土壤与微生物三者交互作用的区域,其中的微生态过程对细根寿命的调控具有决定意义。笔者基于当前国内外细根寿命调控的主要因素,分别从根际碳沉积与根际微生态过程、根系对根际微生物群落构建的影响、根际微生物对细根寿命调控的可能机制3个方面对根际微生物与根系的互作效应,及其对细根寿命调控机制的相关研究进展进行综述。在此基础上,提出了:①酚酸介导的植物-微生物化学对话机制是未来根土互作研究的重要领域;②根系与微生物互作主要以光合产物碳作为枢纽,根际碳沉积促进了土壤微生物在根际的定殖,进而导致根际的微生物群落在组成和结构上与非根际土壤的呈现显著差异;③根土互作过程中由根系和根际微生物产生的信号物质可能对根系的生长发育产生显著影响;④作为细菌的主要群感信号分子,酰化高丝氨酸内脂(AHLs)可参与调控根系细胞的凋亡;真菌侵染根系后也可能导致根内活性氧(ROS)累积,进而调控根系细胞凋亡。目前未见根际微生物参与根系寿命调控的研究报道。建议进一步构建细菌群落演变-群感信号表达-细根寿命关系模型,以及真菌侵染-活性氧信号内稳态调控-细根寿命关系模型,这些对深入揭示林木细根衰老和凋亡的微生态调控机制具有重要理论意义。     

群体行为影响的根系可塑性建模

依据根系生长发育过程中群体行为,构建了一种带偏好的群体交互模型,用于对虚拟根系可塑性的建模与仿真。视根尖作为根系群体中的智能个体。依据根尖个体对资源的竞争以及共享行为,构建根尖个体间交互模型。采用L系统构建简单动态根系生长模型,用于控制根系生长发育。结合群体交互模型与根系生长模型,在三种不同的土壤资源分布场景中分析群体行为对根系长度、根系在土壤中分布以及根系形态。结果表明群体交互影响下的根系生长能够感知土壤资源分布,并进行适应性的根系结构调整,从而为根系仿真提供一种简单的方法。     

中亚热带优势灌木根系对土壤抗剪切力的影响

在浙江南部的山体滑坡、泥石流易发区,对中亚热带常绿阔叶林中3种优势灌木植物(檵木、麂角杜鹃和香港黄檀)根系进行野外和室内剪切测试,探讨了灌木植物根系增强土壤抗剪切强度的作用。结果表明:须根相对丰富的植物能明显提高表层土壤的抗剪强度;根系抗拉力和抗剪力均与根径呈幂函数正相关关系;檵木和麂角杜鹃根系抗拉强度与根径呈幂函数负相关关系,而香港黄檀根系抗拉强度与根径无明显相关性;细根或比粗根更有利于土壤加固和抗剪强度的提高。     

镉胁迫下生物质炭对蔬菜生长特性的影响

采用盆栽试验,研究了施用生物质炭对外加镉污染土壤上小白菜生长性状和根系耐性指数的影响。结果表明,重金属镉加入时,抑制了小白菜根系的生长,随着镉污染浓度的增加,抑制趋势显著。但随着生物质炭浓度的增加,植物根长并没有因镉污染浓度的变化而显著变化,根长生长趋于稳定。镉污染对小白菜叶的生长有胁迫作用,无论是否有重金属污染,生物质炭对小白菜株高和叶宽的指标都有不同程度的促进作用。在施加生物质炭并且受镉污染的小白菜的根系耐性指数＞1.0。     

低磷胁迫下杉木无性系根系形态及养分利用响应研究

【目的】研究不同杉木无性系苗木在低磷胁迫下的根系形态和养分利用特征,为提高杉木养分利用效率的遗传改良提供参考。【方法】以5个杉木无性系组培苗为材料,采用土壤盆栽实验,设置缺磷(PO, KH₂PO₄ 0 mmol/L)和正常供磷(PN, KH₂PO₄ 1.0 mmol/L)两种改良Hoagland营养液进行浇灌处理,培养60 d后测定其生物量(根、茎、叶)、根系形态参数及其养分(磷、氮、钾、钙、镁)累积量和利用效率。【结果】①随施磷水平的变化,杉木无性系的干物质质量和根系形态指标显示出极显著的基因型效应差异。②缺磷处理使杉木无性系的根、茎、叶和整株干物质质量分别减少20.06%、20.68%、14.07%和16.78%,根冠比则增加,总根长、总根表面积、总根体积分别增加17.31%、17.69%、24.77%,根平均直径减少8.22%,细根比例显著提高。③缺磷使杉木无性系整株磷累积量减少17.91%,而磷利用效率呈上升趋势,同时磷在根系中的含量降低16.35%,但茎、叶中的含量在处理间差异不显著; 缺磷还使整株对钾的累积量减少27.58%,钙和氮分别减少18.56%和14.95%,镁减少12.85%。④经主成分分析发现,杉木无性系植株的粗根长、细根长、根冠比、根干物质质量与低磷胁迫响应密切; 回归分析显示,细根量对植株的磷吸收量有显著正向效应。【结论】杉木无性系根系形态指标随施磷水平变化呈极显著的基因型效应差异,缺磷胁迫使苗木地上部干物质质量减少,根平均直径减少,细根比例增大,根冠比增大,根系趋向于磷高效吸收的根构型转变,进而提高对低磷胁迫的遗传适应性。     

调控根系对玉米幼苗生长及氮素利用的影响

在石英砂培养条件下,研究了切除种子根和阻止不定根下扎,对不同根系构成的玉米形态建成、氮素吸收和利用及吸收根补偿效应的影响。结果表明,玉米地上部形态建成随根系形态建成的抑制而抑制,反映为全株干物重随根的干物重、长度、表面积和体积的减弱而显著下降,根冠比减小。控制不定根扎入砂中但保留种子根（处理Ⅰ）及切除种子根且控制不定根扎入砂中（处理Ⅱ）的植株与对照相比,虽全株氮吸收量显著下降,但通过加强氮素在地上部分配利用及大幅提高氮素吸收效率而体现了较高的氮素利用效率。处理Ⅰ和处理Ⅱ的玉米吸收根表现出强烈补偿生长现象,但不同根系形态性状对吸收根补偿效应的贡献随根系间差异、特别是根的粗细差异而变化。与对照相比,处理Ⅰ植株和处理Ⅱ植株中,补偿效应最强的是根长、其次是根表面积、第三是根体积、根干物质重最弱;但处理Ⅱ与处理Ⅰ比较,根干物质重补偿效应最强、根长和根表面积相近居其次、根体积最弱。表明当玉米根体积差别大时,根长比根干物质重更能体现根系功能,而当玉米根体积相近时,根干物质重比根长对根系功能更有意义。