【应用案例】根际氧气与二氧化碳的动态变化——基于平面光极技术的植物与沉积物间地下气体交换研究

   

   

 

   

   

本研究对亮叶水玉簪（Lobelia dortmanna）根系介导的二氧化碳吸收、氧气释放过程，以及这些过程对其根际氧气和二氧化碳动态变化的影响展开了调查。

新型平面光极技术可对单根周围的二氧化碳和氧气分布进行成像，借助该技术，研究深入了解了根系、沉积物和微生物群落之间气体交换的时空模式。

在光照条件下，氧气释放和二氧化碳吸收现象显著，在根系周围形成了明显的富氧区（半径约3 mm）和二氧化碳亏缺区（半径约2 mm）。然而与此同时，根系周围更大区域（半径约10 mm）内的微生物二氧化碳生成受到刺激。这使得形成了这样一种独特模式：根系表面二氧化碳含量最低，距离根系约2毫米处二氧化碳含量最高。在黑暗条件下，二氧化碳吸收停止，二氧化碳亏缺区在2小时内消失。相比之下，富氧根区在8小时后仍然存在，但会随时间显著减小。

研究证明了亮叶水玉簪根际光合作用过程与氧气和二氧化碳时空动态变化之间存在紧密耦合关系，并且我们认为，沉积物中微生物群落受氧气刺激而活性增强，会通过在根际建立二氧化碳储备库，增加光合作用所需无机碳的供应。

为开展亮叶水玉簪根际氧气和二氧化碳相关研究，在样本制备上，先将根箱填充一半沉积物并加水混合，让其自然沉降后缓慢排水侧放，再直立根箱并在距前面板1厘米处挖孔种植挑选好的样本，测量根系留于沉积物表面朝向前面板，接着倾斜根箱45°角取下前面板，将选定根系与之对齐，把氧或二氧化碳敏感的光极薄膜水下附着在前面板形成均匀无气泡水膜固定，安装前面板覆盖根系后沿后面板缓慢加水保持45°角，测量时直立根箱并加满水；在光极研究方面，采用基于荧光成像、空间分辨率达25微米的VisiSens TD成像系统（含图像采集硬件与处理软件），分别使用特定规格的氧、二氧化碳敏感光极薄膜，用1292×964像素相机在距根箱约20厘米处采集图像，明暗周期内连续测量，时间分辨率因光照情况不同，光源定时与采集同步，之后用VisiSens ScientifiCal软件校准和初始处理，ImageJ（Fiji版本）进一步定量采集数据，最后用Qgis v.2.18.1和Gimp v.2.8.18软件使根系在光极图像中清晰呈现并生成重叠图。

   

   

   

   

   

图2. 亮叶水玉簪（Lobelia dortmanna）单根周围氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）浓度的空间变化。(a、b、e、f) 光照（左）和黑暗（右）条件下氧气和二氧化碳浓度空间分布的光极图像。单根的确切位置如图(a)所示。(c、d、g、h) 光照和黑暗条件下氧气和二氧化碳浓度的横截面分布曲线；灰色条带表示根的位置和宽度。曲线位置如图(a、e)中虚线所示。氧气浓度以大气平衡状态下淡水中的氧气饱和百分比（% atm. sat.）表示。二氧化碳以pCO₂测量，并以大气压下的二氧化碳百分比表示。  

   

   

 

   

   

该系统可用于监测O₂、CO₂或pH浓度的变化，VisiSens TD系统是O₂、CO₂和pH箔片的二维读出装置，采用荧光化学光学感应箔整合成像技术，在样品不均匀的情况下，能轻松实现根际区域对O₂、pH和CO₂二维可视化测量分布图。

pH ：2.5-4.5  5.5-7.5；

CO₂：0-1% 1-25%