水稻根系的生長(zhǎng)需要氧，葉片吸收空氣中的氧氣以及自身光合作用釋放的氧氣，通過(guò)葉鞘和莖稈的通氣組織輸送到根系，除供自身呼吸消耗外，還向周?chē)h(huán)境釋放氧氣，氧化環(huán)境中的還原性物質(zhì)。唐建軍等引認(rèn)為，土壤中的氧濃度為3%~5%，對(duì)不減弱水稻根系的吸收能力是需要的，稻田土壤Eh值在300~400mV，即處在氧化狀態(tài)，有利于水稻根系的健康生長(zhǎng)發(fā)育。前人對(duì)氧與水稻根系生長(zhǎng)關(guān)系的認(rèn)識(shí)多來(lái)自于對(duì)水稻灌溉方式的研究。徐芬芬等研究表明，抽穗以后間歇灌溉(有氧)，土表10cm以下根系生物量高于淹灌處理(缺氧)，間歇灌溉處理水稻最大根深為土表下55~60 cm，淹灌處理為土表下50~55 cm，說(shuō)明有氧栽培促進(jìn)稻根縱向生長(zhǎng)。

水稻的根由中柱、皮層、表皮3部分組成，皮層細(xì)胞間隙擴(kuò)大呈空洞，形成裂生通氣組織，以進(jìn)行氣體的輸送。皮層中靠近表皮的一至數(shù)層細(xì)胞為外皮層，在根發(fā)育后期，其細(xì)胞壁往往栓化并增厚，這層細(xì)胞可防止皮層通氣組織崩潰，同時(shí)可減少02滲透到外界環(huán)境中，同時(shí)這層高度木質(zhì)化結(jié)構(gòu)還有阻止土壤在淹水條件下產(chǎn)生的還原性物質(zhì)侵害根內(nèi)細(xì)胞的作用。封克等比較不同水分條件下水稻根系的解剖結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)常規(guī)粳稻在淹水條件下皮層厚壁細(xì)胞排列緊密，細(xì)胞壁加厚程度大，而旱作條件下，這層厚壁細(xì)胞的屏障作用弱化，細(xì)胞壁加厚程度小。增氧處理與旱作有類(lèi)似之處，根系均處于富氧條件下，因此，可能正是由于這部分細(xì)肥壁加厚程度變小，使得增氧處理的根比對(duì)照細(xì)。皮層厚壁細(xì)胞在保障氣體運(yùn)輸?shù)耐瑫r(shí)，會(huì)影響根系對(duì)養(yǎng)分的吸收。

吸收功能是水稻根系的主要功能之一，水稻根系的數(shù)量與吸收作用密切相關(guān)。低劑量的氮、磷、鉀養(yǎng)分可誘導(dǎo)稻根競(jìng)爭(zhēng)性伸長(zhǎng)，高劑量的氮、磷、鉀養(yǎng)分會(huì)抑制稻根生長(zhǎng)以及水稻播種出苗時(shí)“旱長(zhǎng)根，濕長(zhǎng)芽”的結(jié)果均表明，水稻植株具有依據(jù)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度調(diào)節(jié)根系數(shù)量的能力，水稻根系并不是越多越好，否則會(huì)造成根系的冗余生長(zhǎng)。根系環(huán)境氧含量的變化，以及由此引起的根系吸收能力的增強(qiáng)，可能是導(dǎo)致水稻根系數(shù)量減少的原因。

水稻在不同生育階段均需要氧氣。稻苗在三葉期以前，體內(nèi)尚缺乏健全的通氣組織，因此從播種到三葉期，生產(chǎn)上一般采用淺水勤灌或前期育“半旱秧”以后灌水等方法來(lái)培育秧苗;在分蘗期，如缺乏氧氣，分蘗芽就會(huì)悶死，所以分蘗期只能淺水勤灌。

水稻的幼穗對(duì)缺氧也很敏感，但同時(shí)孕穗期至抽穗期，也正是水稻一生中需水的高峰期，兩者矛盾非常突出。我們的研究結(jié)果表明，水稻孕穗初期和抽穗期，營(yíng)養(yǎng)液中的溶氧量分別比無(wú)水稻栽培時(shí)下降約50%和70%，僅僅依靠溶存于水中的氧供根吸收顯然是不足的。傳統(tǒng)的間歇灌溉是解決這一矛盾的有效途徑，但隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的精耕細(xì)作、淺水勤灌的稻作模式已難適應(yīng)稻農(nóng)輕簡(jiǎn)化栽培的要求。因此，有必要在今后進(jìn)一步研究不同類(lèi)型水稻的需氧特性，探討能有效給水稻根系供氧的新途徑。

水稻作為半水生作物，其根系生長(zhǎng)與根際氧環(huán)境密切相關(guān)。氧微電極（O?Microsensor）因其高時(shí)空分辨率，成為研究水稻根際氧動(dòng)態(tài)及根系響應(yīng)的有力工具。以下是該研究的核心內(nèi)容、方法及潛在發(fā)現(xiàn)：

一、研究背景與意義

水稻根際氧環(huán)境特殊性

稻田土壤通常處于缺氧狀態(tài)（水層覆蓋導(dǎo)致O?擴(kuò)散受限），但水稻根系通過(guò)通氣組織（aerenchyma）將O?從地上部運(yùn)輸至根部，形成獨(dú)特的氧化圈（Oxic rhizosphere）。

根際氧含量直接影響根系呼吸、養(yǎng)分吸收（如Fe/Mn氧化還原）及微生物群落（如甲烷氧化菌）。

科學(xué)問(wèn)題

根際不同區(qū)域的O?梯度如何分布？

O?濃度如何調(diào)控根系構(gòu)型（根長(zhǎng)、側(cè)根發(fā)生）？

低氧脅迫下根系適應(yīng)性機(jī)制（如通氣組織形成）與O?供應(yīng)的關(guān)系？

二、氧微電極技術(shù)的應(yīng)用

1.氧微電極的優(yōu)勢(shì)

高分辨率：尖端直徑僅幾微米，可無(wú)損測(cè)量根-土界面微米級(jí)O?梯度（如根尖、根毛區(qū)）。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)：結(jié)合微操縱系統(tǒng)，可追蹤根系生長(zhǎng)過(guò)程中的O?變化。

多環(huán)境適配：適用于水培、土培及原位稻田測(cè)量。

2.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)示例

材料：水稻幼苗（如粳稻vs秈稻，耐低氧品種vs敏感品種）。

處理：

不同O?供應(yīng)（通氣vs缺氧水培）。

土壤氧化還原電位（Eh）調(diào)控（如添加有機(jī)質(zhì)模擬還原條件）。

測(cè)量：

沿根系縱向/徑向的O?分布（如根尖、成熟區(qū)、根基部）。

根系形態(tài)（根長(zhǎng)、側(cè)根密度）與O?濃度的相關(guān)性。

三、關(guān)鍵研究發(fā)現(xiàn)方向

1.根際氧空間異質(zhì)性

根尖區(qū)域因細(xì)胞分裂活躍，O?消耗快，常形成低氧微區(qū)。

通氣組織發(fā)達(dá)的品種，根表O?滲出量更高，氧化圈范圍更大（可通過(guò)O?微電極繪圖驗(yàn)證）。

2.低氧脅迫的根系響應(yīng)

形態(tài)適應(yīng)：低氧誘導(dǎo)根系縮短但側(cè)根增多（增加吸收表面積）。

生理適應(yīng)：

發(fā)酵代謝增強(qiáng)（乙醇脫氫酶活性上升）。

抗氧化酶（SOD、POD）活性變化。

3.微生物互作

根際O?滲出驅(qū)動(dòng)好氧微生物（如固氮菌、甲烷氧化菌）的富集，影響?zhàn)B分循環(huán)。

四、技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

挑戰(zhàn)應(yīng)對(duì)策略

土壤顆粒干擾測(cè)量使用凝膠模擬土壤（如瓊脂包埋法）。

根系移動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移固定根系+微電極自動(dòng)定位系統(tǒng)。

長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)穩(wěn)定性選用抗污染涂層電極（如Clark型傳感器）。

五、未來(lái)研究方向

多傳感器聯(lián)用：

結(jié)合pH、H?S微電極，解析根際化學(xué)微環(huán)境互作。

基因型篩選：

利用O?微電極高通量篩選耐低氧水稻品種。

田間原位監(jiān)測(cè)：

開(kāi)發(fā)微型化無(wú)線(xiàn)氧傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)稻田實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

六、結(jié)論

氧微電極技術(shù)為揭示水稻根際氧動(dòng)態(tài)與根系生長(zhǎng)的關(guān)系提供了不可替代的工具，未來(lái)可通過(guò)跨學(xué)科合作（植物生理+微傳感技術(shù)+微生物組學(xué)）進(jìn)一步挖掘水稻適應(yīng)水田低氧的機(jī)制，助力耐澇品種選育與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。