苗期甜菜根系分泌物的分布特征研究

王秋紅，宋柏權(quán)，王孝純，景若楠，楊曦婭，周建朝

（黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150080）

0 引言

“根系分泌物”隨同“根際”這一概念一起出現(xiàn)，并成為根際中最重要的組成部分[1]。根系分泌物包含可溶性根系分泌物和根狀沉積物[2]。它在根、土壤微生物組和土壤顆粒之間會引發(fā)一系列根際對話[3-4]，包括促進土壤顆粒物質(zhì)聚集、風化和成土過程、根際養(yǎng)分活化、促進有毒金屬和有機污染物的解毒、植物間和植物內(nèi)信號交換、植物中化感物質(zhì)的釋放、植物-微生物間信號交換、影響微生物群落的大小、組成和活性，影響土壤中的水分流向，推動關鍵土壤過程的變化，如C和養(yǎng)分周轉(zhuǎn)以及溫室氣體排放等。根系分泌物的量及分布特征直接影響著根際微生物的種群、結(jié)構(gòu)和功能，進而間接影響著根際養(yǎng)分的吸收利用以及作物的生長[5]。前人對根系分泌物的研究多采用營養(yǎng)液培養(yǎng)（水培）[6-8]，盡管水培試驗從操作上來講相對容易些，但仍然存在如何將在水培條件下獲得的結(jié)果與土壤環(huán)境進行比較等實際問題。因此，本研究模擬土壤環(huán)境，利用砂培使作物根部氧氣供應較好、更接近于田間土培的自然狀態(tài)、同時也可獲得完整根系等優(yōu)勢，替代土培進行試驗。用濾布將砂分層，使得沿甜菜根表面形成了根系分泌物的分布梯度，在為根際微生物提供能源和碳源的同時，改善了植物根際的養(yǎng)分有效性。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選取甜菜基因型差異的有機氮吸收效率高、低的種質(zhì)材料[9]各一份，材料的來源、倍性及粒性詳見表1。

表1 試驗材料表

1.2 試驗設計與方法

本試驗在黑龍江大學農(nóng)學樓光照培養(yǎng)室完成，采用砂培盆栽法，甜菜培養(yǎng)期間光照強度為200 μmol/(m2·s)，日照14 h，溫度25；夜間10 h，溫度為20。

首先將石英砂進行前處理，先過40目篩，然后用5%鹽酸浸泡6 h，再用自來水沖洗至pH接近中性，之后用蒸餾水浸泡2 h，150，6 h烘干待用。

參照改良后的Hoagland營養(yǎng)液的配方[10]（見表2）將營養(yǎng)液均勻拌入石英砂中。其中N：100 mg/kg，P2O5：150 mg/kg，K2O：150 mg/kg，Ca：200 mg/kg。

表2 培養(yǎng)液的配方

在玻璃視筒（高15 cm，直徑12 cm）底部用紗布封口，放入托盤中，先裝砂1.8 kg，敦實，撫平，蓋一層300目濾布；上面再均勻鋪一層約5 mm砂，再用濾布蓋好；上面鋪3 mm砂，再用濾布蓋好；上面鋪2 mm砂，再用濾布蓋好；在濾布上播種40粒，覆砂至7 mm。生長期間水分管理是從托盤補水，利用毛管張力法供給。每個品種10次重復，設置無苗對照。在光照培養(yǎng)室中培養(yǎng)50天后，甜菜4～6片真葉期開始收獲測定。

根據(jù)濾布的分層分別取砂，分層混勻后-70保存待測。用高效液相色譜儀（ProStar-240型）測定待測用砂中有機酸[11]（包括草酸Oxalicacid，酒石酸Tartaricacid，甲 酸 Formicacid，蘋 果 酸 Malicacid，丙 二 酸Malonicacid，乳酸Lacticacid，乙酸Aceticacid，檸檬酸Citricacid，琥珀酸Succinicacid，丙酸Propanoicacid等10種）、氨基酸[12]（包括組氨酸His，絲氨酸Ser，精氨酸Arg，甘氨酸 Gly，天冬氨酸 Asp，谷氨酸Glu，蘇氨酸Thr，丙氨酸 Ala，脯氨酸 Pro，半胱氨酸 Cys，賴氨酸Lys，酪氨酸Tyr，蛋氨酸Met，纈氨酸Val，異亮氨酸Ile，亮氨酸Leu，苯丙氨酸Phe等17種）及糖類物質(zhì)[13]（包括蔗糖、葡萄糖、半乳糖和果糖等4種）的含量。并根據(jù)根系分泌物在距根表面不同距離的量的變化，求出其分布情況。

采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理、Origin8作圖，用IBM SPSS Statistics 25進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

選取甜菜有機氮吸收效率高的KWS8138和有機氮吸收效率低的Beta176進行室內(nèi)砂培試驗，對收集到的根系分泌物進行測定，分析不同根際距離的根系分泌物種類和數(shù)量。

2.1 根系分泌物中氨基酸類的變化趨勢

根系分泌物是植物-土壤-微生物系統(tǒng)中氨基酸的主要來源之一，對甜菜苗期根系分泌物中17種氨基酸含量的測定結(jié)果（表3）表明，KWS8138從根表面到2 mm的土層中Glu含量較高，占該土層總氨基酸的12.3%、10.6%，距根表面5～20 mm土層中Tyr含量較高，分別占該土層的11%、11.5%、11.7%。根表層土層中Met含量最少，占2.1%；距根表面2～20 mm土層中Ile含量最少，分別為3.4%、2.2%、2.4%、2.2%。Beta176各土層氨基酸含量的變化趨勢與KWS8138有相似之處，從根表面到2 mm的土層中Glu含量也較高，占該土層總氨基酸的12%、11.2%，距根表面5～20 mm土層中Tyr含量仍較高，分別占該土層的12.2%、12.8%、12.2%，但根表層到2 mm土層中His含量最少，占2.4%、2.5%，距根表面5 mm土層中Ile含量最少，為3.4%，距根表面5～20 mm土層中Arg含量最少，分別1.8%、0.9%。

表3 甜菜苗期根系分泌物中不同氨基酸距根表面不同距離的含量 mg/kg

根際0～20 mm的土層中總氨基酸的含量在根表面含量最高（圖1），隨后逐漸減少，在距離根表面0～5 mm之間降幅最大，在5 mm之后逐漸趨于平緩。KWS8138與Beta176 2個品種間變化趨勢一致，KWS8138總氨基酸含量略高于Beta176。

圖1 甜菜苗期根系分泌物中總氨基酸距根表面的變化趨勢

在檢測的17種氨基酸中，3種小分子量的氨基酸（Gly、Ala和Ser）變化趨勢和總氨基酸基本一致（圖2），根際0～5 mm范圍內(nèi)含量降低很快，從5 mm之后就的含量變化逐漸平緩，KWS8138略高于Beta176。

圖2 甜菜苗期根系分泌物中小分子量氨基酸距根表面的變化趨勢

在大分子量的氨基酸中（圖3），Arg（圖3左）在根際的變化趨勢與總氨基酸和小分子量的氨基酸相似，距根表面0～5 mm范圍內(nèi)含量降低很快，隨后降速變緩，但是，不同的是KWS8138略低于Beta176。Tyr（圖3右）在0～20 mm的根際范圍內(nèi)KWS8138雖然略高于Beta176，但整體變化趨勢卻是隨著距離根表面越遠，含量越低。

圖3 甜菜苗期根系分泌物中大分子量氨基酸距根表面的變化趨勢

2.2 根系分泌物中有機酸類的變化趨勢

用液相色譜測定根系分泌物中的10種有機酸，包括 草 酸 Oxalicacid、酒 石 酸 Tartaricacid、甲 酸Formicacid、蘋果酸Malicacid、丙二酸Malonicacid、乳酸Lacticacid、乙酸Aceticacid、檸檬酸Citricacid、琥珀酸Succinicacid、丙酸Propanoicacid等10種，從測定結(jié)果看，草酸含量最高。另外草酸、甲酸的變化結(jié)果有規(guī)律可循（圖4），其他8種有機酸含量很低，有的甚至未檢出。草酸在距離根表面0～20 mm范圍內(nèi)呈近似線性的下降趨勢，距離根表面越遠，含量越少；甲酸的變化是在0～5 mm范圍內(nèi)降低很快，隨后降速稍變緩。無論草酸還是甲酸，KWS8138均略高于Beta176。

圖4 甜菜苗期根系分泌物中草酸和甲酸距根表面的變化趨勢

2.3 根系分泌物中糖類物質(zhì)的變化趨勢

通過對根系分泌物中糖類物質(zhì)（包括蔗糖、葡萄糖、半乳糖和果糖等4種）含量的測定，發(fā)現(xiàn)各種糖類物質(zhì)的含量變化順序為：葡萄糖＞果糖＞蔗糖＞半乳糖。其中葡萄糖含量的變化是在距離根表面0～20 mm范圍內(nèi)呈近似線性的下降趨勢，距離根表面越遠，含量越少。KWS8138略高于Beta176。

3 結(jié)論與討論

根際是植物、土壤、微生物及其環(huán)境相互作用的中心，是距離根表面2 mm范圍內(nèi)的區(qū)域。根系分泌物是根際的關鍵成分[14]，包括糖、有機酸、氨基酸、酚類、次生代謝物、粘液和/或蛋白質(zhì)等[15]，它們對植物生長所需的礦質(zhì)營養(yǎng)的獲取具有重要的直接或間接影響[16]。在根系分泌物中，氨基酸直接參與植物與根際微生物之間的互作[17]，是根系釋放到根際的主要有機氮庫[18-19]，為土壤微生物提供C和N供應[20-22]。氨基酸的主要釋放部位在根尖區(qū)域，沿著根部向根基的外流速率逐漸下降[23]。氨基酸吸收速率在靠近土壤-根界面處形成了明顯的衰減區(qū)，這與筆者的測定結(jié)果相一致，根可以從主要的無機氮供應轉(zhuǎn)換為主要的有機氮源[23]。特定的氨基酸可以提高植物的抗逆性能力，作為滲透保護劑、重要代謝物的前體、反應和信號分子或在活性氧物種的解毒中均可發(fā)揮作用[24-25]。在生物化學上，谷氨酰胺/谷氨酸家族(Gln、Glu、GABA、Pro、Arg)接近無機氮[即谷氨酰胺合成酶/谷氨酰胺-羥戊二酸氨基轉(zhuǎn)移酶(GS/GOGAT)循環(huán)]進入有機氮代謝的“入口點”[25]。本研究表明0～2 mm土層（根際）中Glu含量最多，和谷氨酰胺/谷氨酸家族的Pro、Arg等總和占該土層總氨基酸的24%以上，而且在品種間無差異，可見在甜菜苗期（室內(nèi)播種50天以內(nèi)）的根際土層中谷氨酰胺/谷氨酸家族的礦化量很低，能夠消耗的微生物數(shù)量也少。

圖5 甜菜苗期根系分泌物中葡萄糖距根表面的變化趨勢

研究表明，氨基酸、有機酸、糖類物質(zhì)等根系分泌物的釋放主要集中在根尖區(qū)域[26]，氨基酸和糖類物質(zhì)通過被動擴散釋放到根際土壤中，而有機酸通過主動外排釋放[27]。有研究表明，根對糖類物質(zhì)的吸收是通過位于質(zhì)膜上的一種活性的、由ATP酶驅(qū)動的質(zhì)子共轉(zhuǎn)運蛋白來實現(xiàn)的[28]。選擇有機氮高效吸收的甜菜品種KWS8138，其根際區(qū)域的糖類物質(zhì)（葡萄糖）和有機酸（草酸、甲酸）含量逐漸高于遠離根際區(qū)域，根在根際土壤中對這些分泌物的釋放及吸收限制了根外分泌物的積累，更重要的是也控制了根際微生物種群的大小。