镁是植物生长和动物生存必需的矿质营养元素。镁是叶绿素卟啉环的中心原子，在叶绿素合成和光合作用中起重要作用。镁元素影响光合产物的运输与分配，缺镁植株表现出根冠比减小以及叶片淀粉累积等症状^[1-3]；镁元素参与植物的抗氧化防御系统，镁素供应充足能提高植物对高温、高光强以及干旱等非生物胁迫的耐性^[3]；此外，镁还在植物蛋白质合成、酶活化、能量代谢等多个方面扮演重要角色^[4-5]。随着农业生产集约化程度的提高，作物镁营养缺乏的问题日益突出，对科学施用镁肥的需求日趋迫切。研究^[6]表明，我国超过63%的土壤缺镁或严重缺镁(<120 mg/kg)，而华南酸性红壤地区受土壤母质和强烈淋溶作用的影响，作物缺镁问题更加严峻^[7]。

根系是植物吸收养分和水分的主要器官，植物根系构型是指植物根系在生长介质中的空间分布情况^[8]。植物根系构型决定植物资源利用能力的高低^[9-10]。早在2004年，赵静等^[11]报道大豆利用磷的效率与其根系的构型密切相关，浅根型的根系能够促进对土壤磷的吸收，提升大豆的磷利用率和产量。近年来国内外在根系三维定量系统研究方面取得了较大的突破，推动植物根系研究向更深、更广的层次发展^[12-16]。例如，钟南等^[17]采用三次多项式来研究根系构型的生长函数，简单获得了大豆根系生长的图形和根系构型的几何参数。Han等^[18]对大豆根系和根瘤进行3D结构建模，开发了侧根分支和根瘤发育的建模方法。余常兵等^[15]以圆形根箱法为基础，对根系三维定量分析系统中的植物种植体系进行改进，采用根系三维种植、三维成像和三维建模对油菜根系生长开展了动态研究。虽然根系三维定量分析技术趋于成熟，在植物根系研究中取得了较多的进展，但关于镁营养对植物根系三维构型影响的报道较少。

大豆Glycine max (L.) Merr.是我国重要的粮油兼饲用作物。此外，大豆具有生物固氮能力，作为一种优良的轮、间、套种作物，在培肥土壤、提升地力方面具有重要作用^[19]。土壤中较低的镁有效性是限制大豆生产的重要因素。因此，本研究以大豆‘粤春03-3’为试验材料，通过营养液培养方式设置不同镁浓度处理，研究镁的供应强度对大豆生长的影响。在此基础上，利用根系三维定量和重建系统，原位研究镁对大豆根系三维构型的动态影响。研究结果将拓展对镁调控植物根系生长的认识，为指导大豆合理施用镁肥提供理论依据。

1.   材料与方法

1.1   试验材料

试验于2017年6—10月在华南农业大学根系生物学研究中心温室进行。供试大豆为华南农业大学育成的国审品种‘粤春03-3’，磷利用效率较高^[20]，且为浅根型大豆基因型^[11]，比较适合开展根系三维构型的研究。挑选饱满完整、大小均一的大豆种子，采用砂培法进行育苗。当种子萌发到2片子叶完全展开时选择长势一致的植株进行移苗。

1.2   试验设计

以大豆水培营养液配方为基准，MgSO₄·7H₂O为镁源，设置0、262.5、525.0、787.5、1 050.0 μmol /L5个镁浓度，其中525.0 μmol/L为正常营养液的镁供应浓度，即对照。其他营养元素及浓度分别为KNO₃ 1 500 μmol/L、Ca(NO₃)₂·4H₂O 1 200 μmol/L、NH₄NO₃ 400 μmol/L、Fe-EDTA(Na) 40 μmol/L、K₂SO₄ 300 μmol/L、(NH₄)₂SO₄ 300 μmol/L、MnSO₄ 1.5 μmol/L、ZnSO₄ 1.5 μmol/L、CuSO₄ 0.5 μmol/L、(NH₄)₆Mo₇O₂₄ 0.15 μmol/L、NaB₄O₇ 2.5 μmol/L、KH₂PO₄ 0.5 μmol/L。每个处理4次重复。每隔10 d更换1次营养液，并用0.1 mol/L的H₂SO₄或KOH溶液调节pH至5.8~5.9。安装通气管道，通过真空泵给营养液进行间歇式通气，通气频率为15 min/h。

本试验采用三维定根网营养液水培种植系统^{[15, 21]}，动态观测不同镁浓度对大豆生长及根系三维构型的影响。大豆种子萌发后转移至含0和525.0 μmol/L MgSO₄·7H₂O的营养液中进行镁处理，处理1、3、5、7和9 d后分别利用三维成像系统对大豆根系进行原位拍摄，并分析根系形态构型相关指标。

1.3   测定指标及方法

1.3.1   样品的采集与测定

不同镁浓度处理22 d后收获大豆植株，测定并记录植株的分枝数、株高及主根长，并利用SPAD仪分别测定其第1片三出复叶(老叶)及最新完全展开叶(新叶)的SPAD，每片叶测3~5次，取平均值。新鲜根系采用根系扫描仪进行扫描，通过WinRHIZO软件测定根系总长度和根系平均直径等相关指标。植株地上部和根系于90 ℃杀青30 min，并降温至75 ℃烘24 h至恒质量，称量获得干质量。

1.3.2   根系动态观测和三维重建

在余常兵等^[15]的基础上，对根系三维重建平台进行优化和改进。成像系统主要包括光学平台、摄影暗棚、单反相机、控制系统等部件。通过该成像系统，并结合营养液定根栽培系统，利用Canon EOS 6D(W)单反相机对大豆根系生长发育情况开展原位360°动态拍摄。进一步结合三维重建定量系统RootReader3D^[13]，获取大豆总根长、总根表面积、根重心(指整个根系质心的垂直位置)、根尖数、凸包体积(指包围整个根系的凸包的体积，凸包体积是根系的所有水平截面切片的凸包体积相加求和，是包含切片中所有其他根体素的最小凸集)、最大根宽、最小根宽、最大根深、最大根宽/最大根深、充实度(根系体积/凸包体积，是根系密度的参考指标)、分根繁茂度(最大根数/中位根数)、根体积分布(根系上方1/3根深包含的体积/根系下方1/3根深包含的体积)等根系形态构型的定量化数据。植株移苗后每2 d拍摄1次，连续拍摄5次。

1.4   数据分析

所有数据均用Microsoft Excel 2013(Microsoft Company)进行平均值和标准误差计算，并用SPSS软件进行数据的统计分析。试验结果先进行单因子方差分析，再通过Duncan’s多重比较分析数据之间的差异显著性。

2.   结果与分析

2.1   根系三维系统的主要性能优化

本研究优化了根系三维重建平台及其分析方法(图1)。优化包括选用Canon EF 85 mm f/1.8 USM中远定焦镜头，将植株到镜头的成像距离由1.43 m减少到1.07 m，单株植物根系的成像时间缩短到7 min，显著提高系统的成像速度(图1A)。由于成像距离缩短，采用帐篷式摄影暗棚(长1.35 m、宽1.00 m、高1.00 m)(图1B)替代传统暗室。成像水缸背面采用亚黑色的亚克力板，配合高清的LED面板灯源，增强成像对比度(图1C)。此外，基于单片机BeagleBone Black搭建的控制系统(图1D)，支持直接通过手机或者其他终端设备无线连接操作(图1E)。优化后的操作界面更友好、更简便。在保留控制相机自动拍摄、图像预览、照片批量命名和传送、控制植株旋转等原系统功能的同时，系统的构建成本显著降低，为原系统的1/5。最后参考余常兵等^[15]的方法，用已知长度的直径为0.6 mm的细铁丝缠绕模拟植物根系，利用RootReader3D软件对拍摄的二维照片进行三维重建和分析，测定结果表明，系统测定结果重现性好(根长变异系数<1.08%)，根长测定值(x)和真实值(y)呈极显著正相关，回归方程为y=0.949 7x−0.077 6 (r=0.998，P<0.01，n=20)。

图  1  根系三维原位成像系统

Figure  1.  Three-dimensional in situ imaging system for plant roots

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2.2   供镁水平对大豆生长的影响

营养液培养结果表明，镁素供应水平显著影响大豆苗期生长(P<0.05) (图2、3)。镁处理22 d后，缺镁处理的大豆植株矮小，叶片失绿黄化并出现褐色斑点，根系短小、稀疏。适量增加镁至262.5 μmol/L，大豆缺素症状明显缓解；且随着镁浓度增加至过量，大豆的生长表型没有明显变化(图2)。进一步分析大豆在不同镁浓度下的生物量、根冠比、株高、分枝数以及叶片SPAD等。结果显示，缺镁处理(0 μmol/L )显著降低大豆生物量，大豆地上部及根部的干质量仅为对照(525.0 μmol/L)的10.96%及5.51%(图3A、3B)。而随着镁浓度的升高，大豆地上部及根部的干质量也随之增加。当镁浓度为262.5、787.5和1 050.0 μmol/L时，大豆地上部干质量分别是对照的95.43%、111.73%和125.71%(图3A)，根系干质量分别是对照的87.23%、86.15%和108.45%(图3B)。类似地，0 μmol/L镁条件下，根冠比、株高以及分枝数分别为对照的51.33%、59.52%和53.85%(图3C、3D、3E)。此外，缺镁也显著降低了大豆新叶和老叶的叶绿素含量，表现在0 μmol/L缺镁处理的老叶和新叶SPAD分别为对照的48.58%和74.53%(图3F)。而其他3个镁处理水平(262.5、787.5和1 050.0 μmol/L)下，大豆植株的根冠比、株高、分枝数以及叶片SPAD与对照相比差异较小(图3C~3F)。这些结果暗示大豆生长对外界镁有效性的适应范围较广，外界镁浓度达到262.5 μmol/L已经可以满足大豆生长初期的需求，而1 050.0 μmol/L的镁浓度也尚不足以对大豆植株的生长造成负面效应。

图  2  不同镁浓度处理22 d后大豆的生长状况

Figure  2.  Growth of soybean seedlings after 22 d treatment under different Mg concentrations

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图  3  不同镁(Mg)浓度处理22 d对大豆生长的影响

各小图柱子上方的不同小写字母表示不同镁浓度间差异显著，小图F中新叶SPAD的显著性差异用不同大写字母表示(P<0.05，Duncan’s法)

Figure  3.  Effects of different magnesium (Mg) concentrations on soybean growth after 22 d treatment

Different lowercase letters on the columns in each figure indicate significant differences among different magnesium concentrations, differences in SPAD of young leaves are labeled as different capital letters in figure F (P<0.05, Duncan’s method)

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2.3   供镁水平对根系生长的影响

本研究进一步分析了镁调控的大豆根系性状；结果表明，镁有效性显著影响大豆的根系生长。0 μmol/L缺镁条件下，大豆主根长、根系总长度、根系总面积和根系平均直径分别比对照显著降低了34.83%、93.36%、94.31%和14.35%(图4)。但其他3个镁浓度处理与对照差异较小。

图  4  不同镁(Mg)浓度处理22 d对大豆根系生长的影响

各小图柱子上方的不同小写字母表示不同镁浓度间差异显著(P<0.05，Duncan’s法)

Figure  4.  Effects of different magnesium (Mg) concentrations on growth of soybean roots after 22 d treatment

Different lowercase letters on the columns in each figure indicate significant differences among different magnesium concentrations (P<0.05, Duncan’s method)

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2.4   缺镁对大豆苗期根系三维构型的影响

为进一步分析大豆根系生长对镁营养的响应规律，本研究利用优化后的根系三维重建分析系统研究了缺镁处理(0 μmol/L )和正常镁处理(525.0 μmol/L)下，大豆植株根系形态构型的变化规律。结果(图5、6)发现，移苗后7 d前，大豆根系的形态构型在对照和0 μmol/L缺镁处理间无明显差异。移苗后第9天，三维重建获得的大豆总根长和总根表面积均与“2.3”通过WinRHIZO软件所测定的数据趋势一致，即缺镁显著降低大豆总根长和总根系表面积。且与0 μmol/L缺镁处理相比，对照处理大豆根系的根重心的下移速率以及根尖数均显著增加。此外，0 μmol/L缺镁情况下，大豆根系的最大和最小根宽变化较为平缓，最大根深有所降低。进一步分析根系充实度和分根繁茂度，结果显示，随时间延长，大豆根系充实度迅速下降，2个镁处理间无显著差异；类似地，分根繁茂度随时间延长也逐渐降低，而0 μmol/L缺镁处理大豆根系的分根繁茂度比对照整体降低。根体积分布在对照与处理之间也存在差异，试验结果表明，镁供应充足时，大豆根系在上层分布较多，3 d达到最高比例，然后逐步下降；与对照相比，0 μmol/L缺镁处理减少了大豆根系在上层的分布，但随着时间推移，上层根系比例逐步增加，7 d达到最高值后再下降。

图  5  镁(Mg)浓度对大豆苗期动态生长的影响

Figure  5.  Dynamic growth of soybean seedlings under different magnesium (Mg) concentrations

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图  6  镁营养对大豆苗期根系三维构型的影响

“*”和“**”分别表示缺镁处理(0 μmol·L⁻¹)与对照(525.0 μmol·L⁻¹)在P < 0.05和P <0.01水平差异显著(t检验)

Figure  6.  Effect of magnesium nutrition on root 3D system architecture of soybean in seedling stage

“*” and “**” indicate significant differences at P < 0.05 and P < 0.01 levels between magnesium dificiency treatment (0 μmol·L⁻¹) and the control (525.0 μmol·L⁻¹) (t test)

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3.   讨论与结论

在大豆的农业生产过程中，主要注重大豆的产量和品质。土壤中的镁离子因水合半径大，易于淋洗损失，在酸性土壤中表现尤为严重^[22]。土壤镁素供应不足将显著影响大豆的生长发育^[23-24]。曾秀成等^[25]研究显示，当外界缺镁时，大豆的地上部生物量比对照降低78.0%。然而，大豆生长对外界镁有效性的适应范围尚不清楚。因此，本研究设置了不同的镁水平，通过水培试验对不同镁浓度处理条件下大豆的生长进行了分析。本研究发现，大豆对镁浓度的适应范围较广，除了在完全不供给镁的条件下，大豆植株矮小、叶片失绿黄化、根系短小以外，262.5~1 050.0 μmol/L的镁浓度均能满足大豆对该养分的需求；尤其是水培试验所设置的最高镁浓度为1 050.0 μmol/L，在该浓度下，大豆植株未表现出镁中毒的情况，表明此浓度仍在大豆植株对镁的耐受范围内。其中，以生物量为标准，525.0 μmol/L镁处理为大豆生长最优浓度。这为大豆实际农田生产镁肥的施用提供了参考。

前期研究^[26]显示，镁缺乏会导致光合产物淀粉的累积，转运受阻。利用根冠比来表示大豆地上部碳水化合物向根系的转运速率，发现缺镁导致大豆光合产物向下转运受阻，影响根系生长，尤其会降低根系干质量、总根长和总根表面积等。类似的结果在其他植物上也有报道。例如，Gruber等^[27]探究了缺乏不同的营养元素对拟南芥根系结构的影响。其中，缺镁导致植株根系发育不良、根系总体短小、根少。虽然有关镁缺乏对植物根系影响的研究已取得一定进展，但关于镁如何影响植物根系构型的报道还较少。因此，本研究对Clark等^[13]建立的三维根系重建系统及其配套的RootReader3D软件进行了优化，提高了分析效率，降低了分析成本。结果显示，移苗后前7 d，不同镁处理之间大豆植株的根系性状并无显著差异；而第9天，大豆植株的根系性状在缺镁处理和对照处理间开始出现明显差异，即缺镁显著降低了大豆总根长和根系表面积，这与通过WinRHIZO软件测定的趋势一致，说明优化后的三维重建平台能动态反映镁供应对大豆根系生长的影响，数据可信度高。此外，进一步分析发现，与缺镁相比，对照处理的大豆根系的根重心的下移速率以及根尖数均显著增加，暗示在镁充足条件下，地上部的光合产物不断运往根系，促进新根的形成，导致根系重心下移。进一步对根系充实度和分根繁茂度的分析也验证了该假设，即虽然根系充实度在不同镁处理之间无显著差异，但缺镁处理整体降低了大豆根系的分根繁茂度。根系充实度是根系密度的参考指标；而分根繁茂度则是根分支复杂度的量度或者新根占比标记^[28]。因此，上述结果表明缺镁抑制大豆新根的形成。此外，大豆根系的最大和最小根宽变化在缺镁条件下变得较为平缓，最大根深降低。根宽和根深分别反映根系在生长介质中横向和纵向分布的能力，两者的变化最终导致最大根宽/最大根深明显提升，说明缺镁情况下大豆根系更多选择往水平方向延伸，限制垂直方向的伸长。根体积分布也再次验证了缺镁对大豆根系构型的影响。试验结果表明，镁供应充足时，大豆根系在上层的分布在第3天达到最高比例，然后逐步下降；而缺镁处理随着时间推移，上层根系比例逐步增加，7 d达到最高值后再下降。说明缺镁情况下，大豆植株早期会优先保障上层根系的发育，导致根构型变浅。

综上所述，本研究利用营养液培养以及优化的三维重建分析技术平台，对镁调控的大豆生长及其根系形态构型进行了系统的分析，明确了大豆对外界镁有效性的适应范围较广，解析了大豆根系形态构型在不同镁浓度条件下的时空变化，研究结果对大豆镁肥的合理施用和镁营养诊断有一定的指导意义。