不同季秸稈全量還田對(duì)夏玉米根系分泌物的影響*

陳翔,許波,吳宇,許輝,蔡洪梅,孫東岳,于敏,劉綠洲,鄭寶強(qiáng),李金才,2**

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)站 合肥 230036;2.江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心南京 210095)

安徽省北部的淮北平原地勢(shì)平坦,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度集約化,以小麥(Triticum aestivum)-玉米(Zea mays)輪作為主,是中國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)地[1]。淮北平原70%以上的耕地為砂姜黑土[2],占全國(guó)砂姜黑土總面積的41.25%[3]。作為典型的中低產(chǎn)田,砂姜黑土質(zhì)地黏重、保墑持肥能力差,旱不保水、澇不能排[4]。近年來(lái),秸稈直接還田是秸稈肥料化利用的重要途徑之一,中國(guó)秸稈直接還田率已超過(guò)60%[5]。合理的秸稈還田方式能夠改良土壤,培肥地力,促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育[6],提升作物產(chǎn)量和品質(zhì)[7]。

根系是作物進(jìn)行水分與養(yǎng)分吸收、運(yùn)輸以及合成多種具有生理活性物質(zhì)的重要功能器官,其在土壤中生長(zhǎng)與分布影響著作物生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)量形成[8-9]。秸稈還田有利于改善土壤水、肥、氣、熱等狀況,促進(jìn)根系生長(zhǎng),提高根系活性[10]。王帥等[6]研究表明秸稈覆蓋還田與秸稈混拌還田均能增加玉米的根長(zhǎng)、根表面積、根干重與活躍吸收面積,其中秸稈混拌還田效果更顯著。慕平等[11]研究表明,連續(xù)9 年、6 年、3 年秸稈全量還田下玉米吐絲期根重密度與根長(zhǎng)密度分別較秸稈不還田處理提高19.9%與36.1%、12.6%與35.5%、13.0%與10.3%。根系分泌物是從根部主動(dòng)(膜轉(zhuǎn)運(yùn))和被動(dòng)(擴(kuò)散)釋放到土壤中的糖類(lèi)、氨基酸、有機(jī)酸、類(lèi)黃酮等物質(zhì),能夠改善根-土界面的理化和微生物特性,且在植物抵抗逆境脅迫中起到重要作用[12]。秸稈還田能降低土壤容重,增加土壤養(yǎng)分有效性,促進(jìn)根系生長(zhǎng),增加根系對(duì)碳的分泌[13-14]。同時(shí)秸稈還田還能使土壤溫度升高,導(dǎo)致根系分泌活動(dòng)能力增強(qiáng)[15-16]。吳宇等[17]研究表明秸稈還田能夠促進(jìn)根系分泌糖類(lèi)、氨基酸類(lèi)和有機(jī)酸類(lèi)等物質(zhì)進(jìn)而促進(jìn)小麥根系的生長(zhǎng)發(fā)育。Sun 等[18]研究報(bào)道秸稈還田能通過(guò)誘導(dǎo)玉米Zm-MATE1基因轉(zhuǎn)錄進(jìn)而增加根系有機(jī)酸的分泌。不同秸稈還田方式會(huì)改變玉米根系的生長(zhǎng)環(huán)境,而玉米根系分泌物對(duì)不同秸稈還田模式具有不同的響應(yīng)特征,篩選適宜的秸稈還田模式是實(shí)現(xiàn)淮北平原玉米生產(chǎn)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展過(guò)程中亟需明確的關(guān)鍵問(wèn)題。

代謝組學(xué)是研究生物體系受擾動(dòng)或刺激后,對(duì)其代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性與定量分析的一門(mén)學(xué)科[19]。目前關(guān)于淮北平原砂姜黑土區(qū)不同季秸稈還田對(duì)夏玉米根系分泌物影響的研究鮮有報(bào)道,可利用代謝組學(xué)定性分析不同秸稈還田模式下夏玉米根系分泌物組分變化,篩選出適宜淮北平原砂姜黑土區(qū)的秸稈還田模式。因此本研究基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)期秸稈還田定位試驗(yàn),從玉米根系-土壤這一擁有特殊理化性質(zhì)的界面出發(fā),應(yīng)用代謝組學(xué)分析不同秸稈還田模式下夏玉米根系分泌物的差異,以期為秸稈資源的高效利用和玉米高產(chǎn)高質(zhì)高效生產(chǎn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地為位于安徽省亳州市蒙城縣的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站(33°9′44″N,116°32′56″E,海拔28 m)的長(zhǎng)期定位田,該定位試驗(yàn)始于2008 年,2022 年為該試驗(yàn)的第14 年。該地區(qū)位于安徽省淮北平原中部,屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,光熱資源豐富,年均氣溫14.8 ℃,日照時(shí)數(shù)2341.2 h,年均降雨量821.5 mm,但時(shí)空分布不均,冬季干旱少雨,夏季炎熱多雨。供試土壤類(lèi)型為砂姜黑土,屬于美國(guó)土壤分類(lèi)中的Vertisol,開(kāi)始設(shè)置試驗(yàn)時(shí)0～20 cm土層有機(jī)質(zhì)含量12.46 g·kg-1,全氮含量0.99 g·kg-1,堿解氮含量80.20 mg·kg-1,速效磷含量15.40 mg·kg-1,速效鉀含量100.30 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

玉米供試品種為當(dāng)?shù)刂髟杂衩灼贩N‘鄭單958’ (河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所,國(guó)審玉20000009)。前茬冬小麥成熟后,使用福田雷沃谷神聯(lián)合收割機(jī)(GN6,福田雷沃國(guó)際重工股份有限公司)收獲。夏玉米播種前,小麥秸稈不還田處理將秸稈全部人工整株移除,還田處理將小麥秸稈就地粉碎且長(zhǎng)度小于10 cm,均勻覆蓋在土壤表面。玉米成熟后,使用博遠(yuǎn)玉米聯(lián)合收割機(jī)(30Y0,河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司)收獲。不還田處理的秸稈全部人工移除,還田處理將秸稈粉碎至長(zhǎng)度小于10 cm,然后使用大型旋耕機(jī)(SGTNB-200Z4/8A8,西安亞奧機(jī)械有限公司)將秸稈旋入土壤,使其均勻分布在0～20 cm 土層中。秸稈還田方式每年均保持一致。2022 年6 月10 日使用2BYF-4 型免耕直播機(jī)(河北神禾農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司)播種夏玉米,播種密度為67 500 株·hm-2(行寬60 cm、株距25 cm)。夏玉米生長(zhǎng)季施純氮 300 kg·hm-2,采用基肥和大喇叭口期追肥分2 次施入,基追比5∶5。磷肥(P2O5)用量為90.0 kg·hm-2,全部作為基肥施入。所施肥料為復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)和尿素(含N 46.4%)。試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理(表1),每小區(qū)長(zhǎng)8 m,寬5.4 m,3 次重復(fù)。夏玉米生長(zhǎng)過(guò)程中適時(shí)灌溉以保證不受水分脅迫的影響,且4 個(gè)處理除秸稈還田方式不同外,其他栽培管理措施均保持一致。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1 Experimental design

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.3.1 樣品采集

在夏玉米開(kāi)花期(2022 年8 月1 日),各小區(qū)均采用五點(diǎn)取樣[20]法選取5 株長(zhǎng)勢(shì)基本一致的玉米植株,先將玉米的根部完整地從土壤中挖出,盡量不損傷玉米根部,輕輕抖動(dòng)根部去除多余土壤,留下附著在根部表面的厚約1 mm 的土壤,將根際土用刷子刷下裝入50 mL 無(wú)菌離心管中,放入液氮中保存[21],將5個(gè)點(diǎn)的土壤樣品均勻混在一起作為一次重復(fù),3 次重復(fù)。采用挖掘法收集玉米根系,以植株為中心,沿1/2 行距和1/2 株距挖深30 cm 的土體[22](60 cm×25 cm×30 cm),裝入尼龍網(wǎng)袋,使用流水沖洗表面泥土,然后收集根系帶回實(shí)驗(yàn)室。地上部分裝入牛皮紙袋帶回實(shí)驗(yàn)室。

1.3.2 根形態(tài)和根系活力測(cè)定

使用臺(tái)式掃描儀(Epson V700,Japan)進(jìn)行根系掃描。掃描獲得的圖片通過(guò)WinRHIZO 圖像分析系統(tǒng)獲得根長(zhǎng)(cm)和根表面積(cm2)。取玉米次生根根尖2 cm 的根系使用紫外分光光度計(jì)通過(guò)氯化三苯基四氮唑法(TTC)測(cè)定根系活力[23]。

1.3.3 根干物質(zhì)重和地上部干物質(zhì)重

將掃描后的根系放入牛皮紙袋,與地上部分一起放入105 ℃烘箱中殺青30 min,然后75 ℃烘干至恒重,使用天平稱(chēng)量植株地上部和根系的干物質(zhì)重。根冠比=根干物質(zhì)重/地上部干物質(zhì)重。

1.3.4 根系分泌物提取與檢測(cè)

1)代謝物的提取。稱(chēng)取500 mg 根際土樣品,放入1.5 mL 離心管中;加入1 mL 甲醇-水(V甲醇∶V水=1∶1,含L-2-氯苯丙氨酸2 μg·mL-1)和兩粒研磨珠,-40 ℃預(yù)冷2 min 后,放入研磨機(jī)中研磨(60 Hz,2 min);將研磨后的樣品轉(zhuǎn)移到15 mL 離心管中,用1 mL 甲醇-水(V甲醇∶V水=1∶1,含L-2-氯苯丙氨酸2 μg·mL-1)轉(zhuǎn)移管壁殘留,重復(fù)上述操作1 次(此時(shí)溶液共3 mL);離心10 min (7700 r·min-1,4 ℃)取上清液1.2 mL 于5 mL 離心管中,凍干;用300 μL 甲醇-水(V甲醇∶V水=1∶1)復(fù)溶,渦旋1 min,超聲3 min,將溶液轉(zhuǎn)移至1.5 mL 離心管中;離心10 min (12 000 r·min-1,4 ℃),取150 μL 的上清液裝入玻璃衍生小瓶中;使用冷凍濃縮離心干燥器揮干樣品;向玻璃衍生小瓶中加入80 μL 的甲氧胺鹽酸鹽吡啶溶液(15 mg·mL-1),渦旋振蕩2 min 后,于37 ℃振蕩培養(yǎng)箱中60 min,進(jìn)行肟化反應(yīng);將樣品取出后再加入50 μL的BSTFA 衍生化試劑和20 μL 的正己烷,加入10 種內(nèi)標(biāo)(C8/C9/C10/C12/C14/C16/C18/C20/C22/C24,均為氯仿配置) 10 μL,渦旋振蕩2 min 后,于70 ℃反應(yīng)60 min;取出樣本后,在室溫下放置30 min,進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)代謝組學(xué)分析。

2)氣相色譜條件。DB-5MS 毛細(xì)管柱(30 m ×0.25 mm × 0.25 μm,Agilent J&W Scientific,Folsom,CA,USA),載氣為高純氦氣(純度≥99.999%),流速1.0 mL·min-1,進(jìn)樣口溫度為260 ℃。進(jìn)樣量1 μL,不分流進(jìn)樣,溶劑延遲時(shí)間為6.2 min。升溫程序如下:初始溫度60 ℃,保持0.5 min;以8 ℃·min-1程序升溫至125 ℃;8 ℃·min-1升溫至210 ℃;15 ℃·min-1升溫至270 ℃;20 ℃·min-1升溫至305 ℃,保持5 min。

3)質(zhì)譜條件。電子轟擊離子源,離子源溫度230 ℃,四極桿溫度150 ℃,電子能量70 eV。掃描方式為全掃描模式(SCAN),質(zhì)量掃描范圍: m/z 50～500。使用QC 樣本在樣本檢測(cè)前用于平衡“色譜-質(zhì)譜”系統(tǒng),在樣本檢測(cè)過(guò)程中用于評(píng)價(jià)質(zhì)譜系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 26.0 對(duì)根形態(tài)、根系活力和植株干物質(zhì)重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行方差分析,使用Origin 2023 作圖。代謝物數(shù)據(jù)使用Progenesis QIv3.0 處理,然后通過(guò)The Human Metabolome Database (HMDB)、Lipidmaps (v2.3)和METLIN 數(shù)據(jù)庫(kù)以及EMDB2.0 (自建庫(kù))對(duì)代謝物進(jìn)行定性。代謝數(shù)據(jù)采用主成分分析(PCA)、偏最小二乘法分析(OPLS-DA)、結(jié)合t檢驗(yàn)與P值篩選各組間的顯著差異代謝物。在OPLS-DAF 分析中,模型變量權(quán)重值(variable important in projection,VIP)可以衡量各代謝物積累差異對(duì)各處理樣本分類(lèi)判別的影響強(qiáng)度和解釋能力,對(duì)差異代謝物的平均表達(dá)量的比值(FC)取2 的對(duì)數(shù)log2(FC),篩選標(biāo)準(zhǔn): VIP＞1,P＜0.05,log2(FC)＞0 表示上調(diào)、log2(FC)＜0 表示下調(diào)。使用KEGG 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)差異代謝物進(jìn)行代謝通路富集分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季秸稈全量還田對(duì)玉米根系特性與植株生物量積累的影響

由表2 可見(jiàn),秸稈還田處理較不還田處理均能增加開(kāi)花期夏玉米根長(zhǎng)、根表面積、根干物質(zhì)重與根系活力。其中T1 和T2 處理的根長(zhǎng)、根表面積、根干物質(zhì)重及根系活力較CK 處理分別顯著增加9.8%、21.2%、20.9%、16.4%和12.4%、23.9%、29.2%、21.3% (P＜0.05),T3 處理與CK 差異不顯著。此外,T1、T2 處理地上部干物質(zhì)重和根冠比較CK 處理顯著增加5.1%、14.7%和7.5%、20.0% (P＜0.05)。表明T1和T2 均促進(jìn)了夏玉米根系的生長(zhǎng),提高根系活力,進(jìn)而增加植株地上部生物量的積累。

表2 不同季秸稈全量還田對(duì)開(kāi)花期玉米根系特性與植株生物量積累的影響Table 2 Effects of all straw returning in different seasons on root characteristics and biomass accumulation of maize at flowering stage

2.2 不同季秸稈全量還田對(duì)開(kāi)花期玉米根系分泌物的影響

2.2.1 PCA 分析與OPLS-DA 分析

對(duì)GC-MS 條件下得到的不同季秸稈全量還田處理的根系分泌物進(jìn)行主成分分析(圖1),結(jié)果表明PC1、PC2 的解釋率分別為34.0%和17.3%。T1、T2 與CK 處理分布在第1 主成分軸(PC1)兩側(cè),T1、CK 與T2 處理分布在第2 主成分軸(PC2)兩側(cè),表明T1、T2 與CK 處理兩兩之間的玉米根系分泌物存在明顯差異性。而QC 緊密聚集在一起,表明此次檢測(cè)中GC-MS 運(yùn)行穩(wěn)定,數(shù)據(jù)可信度高,可用來(lái)進(jìn)一步分析不同還田模式下夏玉米的差異代謝物。

圖1 不同季秸稈全量還田玉米根系分泌物PCA 得分圖(A)與OPLS-DA 得分圖(B、C、D)Fig.1 PCA score (A) and OPLS-DA score (B,C,D) of maize root exudates under all straw returning in different seasons

為準(zhǔn)確了解不同秸稈還田模式下夏玉米根系分泌物的差異性,對(duì)根系分泌物進(jìn)行OPLS-DA 分析,結(jié)果表明,T1、T2、T3 處理的根系分泌物與CK 存在較大差異。R2X、R2Y與Q2分別代表模型在X軸、Y軸解釋率和預(yù)測(cè)能力。T1、T2 和T3 的R2X、R2Y與Q2分別為0.827、1.000、0.985,0.758、1.000、0.971 和0.741、1.000、0.972。3 個(gè)秸稈還田處理的各項(xiàng)參數(shù)均大于 0.5,且R2Y值等于1 或接近于1,表明模型符合預(yù)期。由此可知,T1、T2、T3 處理的玉米根系分泌物與CK 之間存在較大差異。

2.2.2 差異代謝產(chǎn)物分析

如圖2 所示,對(duì)T1、T2、T3 處理的OPLS-DA模型中第1 主成分VIP＞1 的根系分泌物數(shù)據(jù)進(jìn)行t檢驗(yàn),篩選出P＜0.05 的數(shù)據(jù),確定為T(mén)1、T2、T3 處理較CK 的顯著差異根系分泌物。對(duì)顯著差異根系分泌物的平均表達(dá)量的比值(FC 值)取2 的對(duì)數(shù)log2(FC),log2(FC)＞0 表示上調(diào)、log2(FC)＜0 表示下調(diào)。GC-MS 條件下T1、T2、T3 處理較CK 顯著差異根系分泌物總數(shù)、上調(diào)數(shù)、下調(diào)數(shù)分別為60、48、12,38、34、4 和39、38、1。綜上所述,秸稈還田處理較秸稈不還田處理均表現(xiàn)為上調(diào)顯著差異根系分泌物數(shù)大于下調(diào)數(shù)。

圖2 不同季秸稈全量還田較秸稈不還田(CK)處理玉米根系差異代謝物火山圖Fig.2 Volcanic maps of different metabolites of maize root system under all straw returning in different seasons compared with CK(no straw returned to field) treatment

由圖3 可見(jiàn),秸稈還田處理較CK 所得到的差異代謝物可分為9 大類(lèi),共富集到有機(jī)雜環(huán)化合物6 種,3 種苯類(lèi)化合物。未分類(lèi)化合物13 種,核苷、核苷酸和類(lèi)似物3 種,有機(jī)氧化物3 種,脂質(zhì)和類(lèi)脂質(zhì)分子10 種,氨基酸、肽和類(lèi)似物18 種,有機(jī)酸及其衍生物7 種,碳水化合物21 種。表明秸稈還田對(duì)夏玉米根系分泌物中碳水化合物和氨基酸類(lèi)的影響更明顯。

圖3 不同季秸稈全量還田較秸稈不還田(CK)處理玉米根系差異代謝物的分類(lèi)Fig.3 Classification of differential metabolites of maize root system under all straw returning in different seasons compared with CK (no straw returned to field) treatment

由表3 可知,T1 處理較CK 處理有48 種差異代謝物上調(diào),包括δ-生育酚等2 種苯類(lèi)化合物,阿卓糖、D-麥芽糖、6-磷酸甘露糖、槐花糖等9 種碳水化合物,琥珀酸胍、亮氨酸、L-谷氨酸、L-酪氨酸等15種氨基酸、多肽和類(lèi)似物,丁二酸、氨乙基磷酸、延胡索酸等6 種有機(jī)酸及其衍生物。T2 處理較CK有34 種差異代謝物上調(diào),包含2 種苯類(lèi)化合物,13種氨基酸、多肽和類(lèi)似物,8 種碳水化合物和4 種有機(jī)酸及其衍生物。T3 處理較CK 有38 種差異代謝物上調(diào),包含11 種氨基酸、多肽和類(lèi)似物,16 種碳水化合物和延胡索酸。

表3 不同季秸稈全量還田較秸稈不還田(CK)處理根系分泌物中苯類(lèi)、碳水化合物類(lèi)、氨基酸類(lèi)和有機(jī)酸類(lèi)差異代謝物統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of differential metabolites of benzenes,carbohydrates,amino acids and organic acids in root exudates of maize treated with total straw returning in different seasons compared with those treated with no straw returning (CK)

2.3 不同季秸稈全量還田對(duì)開(kāi)花期玉米根系分泌物差異代謝通路的影響

將各處理差異代謝物進(jìn)行KEGG 通路富集分析,圖4 為富集到的P＜0.05 的代謝通路氣泡圖,Rich factor 為富集到該通路的差異代謝物個(gè)數(shù)與該通路中總代謝物個(gè)數(shù)的比值,比值越大富集程度越高。P值越小差異越顯著。T1、T2、T3 處理與CK 相比分別富集到45、56 和39 條顯著差異代謝通路。

由表4 可得,T1 較CK 有丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝,氨酰生物合成,精氨酸生物合成等9 條氨基酸類(lèi)代謝通路;乙醛酸酯和二羧酸酯代謝、丙酮酸代謝等4 條碳水化合物代謝通路;氧化磷酸化等1 條能量代謝通路,核苷酸代謝通路2 條,ABC 轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、cAMP 信號(hào)通路等信號(hào)通路2 條;煙酸和煙酰胺代謝、泛酸和輔酶a 的生物合成、泛素酮等萜類(lèi)醌的生物合成等次生代謝通路4 條;細(xì)菌趨化性、原核生物中的碳固定途徑、磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)(PTS)等微生物代謝通路4 條。T2 較CK 富集到氨基酸類(lèi)代謝通路11 條、碳水化合物類(lèi)代謝通路6 條、能量代謝途徑1 條、核苷酸代謝通路2 條、信號(hào)通路2 條、次生代謝通路5 條和微生物代謝通路6 條。T3 較CK 富集到氨基酸類(lèi)代謝通路10 條、碳水化合物代謝通路3 條、信號(hào)通路1 條、次生代謝通路3 條和微生物代謝通路3 條。由此可知,秸稈還田主要影響玉米根系的氨基酸類(lèi)代謝和碳水化合物代謝,其中以T2 處理影響效果最明顯。

表4 與秸稈不還田(CK) 處理相比不同秸稈還田處理的玉米根系分泌物差異代謝通路統(tǒng)計(jì)Table 4 Differential metabolic pathways of maize root exudates affected by total straw returning in different seasons compared with those treated with no straw returning (CK)

3 討論

3.1 不同季秸稈全量還田對(duì)玉米根系特性與植株生物量積累的影響

根系是作物與土壤進(jìn)行物質(zhì)交換和信息交流的橋梁,為作物冠層提供水和礦質(zhì)養(yǎng)分[24]。根系與土壤的接觸面積隨根表面積的增大而增加,較大的根表面積吸收養(yǎng)分的能力更強(qiáng)[25]。本研究發(fā)現(xiàn)T1 與T2均能顯著提高開(kāi)花期夏玉米根系長(zhǎng)度、根表面積、根干物質(zhì)重與根系活力。研究表明,秸稈還田能改善土壤的水、肥、氣、熱條件,有利于根系生長(zhǎng)和保持較高的根系活力,從而促進(jìn)生物量積累[10,26]。地上部干物質(zhì)積累量與玉米產(chǎn)量呈正相關(guān)[27],本研究發(fā)現(xiàn),各秸稈還田處理均能較CK 顯著增加地上部分干物質(zhì)的積累,與前人研究結(jié)果一致[28]。根冠比反映地上部與地下部的養(yǎng)分和光合產(chǎn)物的分配情況[29],合理的根冠比能夠使植株根深葉茂,延緩生育后期根系衰老,提高作物產(chǎn)量。本研究發(fā)現(xiàn),T1 與T2 較CK處理的根冠比均顯著提高,表明T1 與T2 能夠優(yōu)化玉米根冠比,合理分配養(yǎng)分,使根冠協(xié)同,有利于提高玉米對(duì)養(yǎng)分的吸收能力和抵御逆境脅迫的能力。

3.2 不同季秸稈全量還田對(duì)玉米根系分泌碳水化合物的影響

根系分泌物是主動(dòng)或被動(dòng)從根組織分泌的糖、氨基酸等物質(zhì),調(diào)控非生物和生物過(guò)程,改變土壤理化性質(zhì),抑制競(jìng)爭(zhēng)植物的生長(zhǎng),調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng),增強(qiáng)作物抗逆能力,并調(diào)節(jié)微生物群落[30]。碳水化合物對(duì)維持滲透調(diào)節(jié)、根系生長(zhǎng)和根系對(duì)養(yǎng)分的吸收具有重要意義。Li 等[31]研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物中的碳水化合物與根表面積顯著正相關(guān)。本研究中,T1、T2 與T3 較CK 分別有9、8、16 種碳水化合物上調(diào),表明秸稈還田處理較CK 處理的玉米根系分泌物中含有更多的碳水化合物。但本研究中,根表面積較大的T1、T2 處理根系分泌物中碳水化合物上調(diào)數(shù)少于T3,這可能是因?yàn)門(mén)1 與T2 處理均富集到丙酮酸代謝、檸檬酸循環(huán)(TCA 循環(huán))途徑,能夠?qū)被?、脂質(zhì)和糖類(lèi)物質(zhì)相互轉(zhuǎn)換[32],不僅可將碳水化合物分解轉(zhuǎn)化為氨基酸等物質(zhì),也可將其徹底氧化分解。同時(shí)TCA 循環(huán)是合成生長(zhǎng)素等植物激素的重要途徑[33],能夠調(diào)節(jié)玉米的生長(zhǎng)發(fā)育。T1 與T2 較CK 富集到氧化磷酸化途徑,產(chǎn)生大量ATP,能夠?yàn)楦瞪L(zhǎng)、養(yǎng)分吸收和抵抗逆境脅迫提供能量。T2 處理較CK 半乳糖代謝途徑上調(diào),半乳糖代謝是產(chǎn)生抗壞血酸的重要途徑,有利于提高根系對(duì)高溫脅迫的抵抗能力[34]。T2 提高根系中的糖含量,富集到丙酮酸代謝、TCA 循環(huán)與氧化磷酸化途徑為根系活動(dòng)提供能量,提高根系的滲透調(diào)節(jié)能力和膜的穩(wěn)定性,進(jìn)而提高根系的抗高溫能力。

3.3 不同季秸稈全量還田對(duì)玉米根系分泌氨基酸類(lèi)的影響

氨基酸在植物代謝過(guò)程參與滲透調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)合成、調(diào)節(jié)離子轉(zhuǎn)運(yùn)、重金屬解毒并影響許多關(guān)鍵細(xì)胞酶的合成和活性。Li 等[31]研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物中氨基酸含量與根尖數(shù)和土壤氮含量有關(guān)。本研究中,T1、T2 與T3 處理較CK 分別有15、13、11 種氨基酸類(lèi)物質(zhì)上調(diào),可能是因?yàn)榻斩掃€田能夠增加土壤氮含量和根尖數(shù)量[18,35],進(jìn)而增加了根系分泌物中氨基酸含量。秸稈還田能夠增加土壤微生物的多樣性和豐富度[36],而根系分泌物中氨基酸類(lèi)物質(zhì)能有選擇性地吸引多種有益微生物到根際定殖,促進(jìn)作物生長(zhǎng)與產(chǎn)量形成,微生物也能促進(jìn)根系分泌氨基酸[37]。丙氨酸、天冬氨酸和谷氨酸代謝中檢測(cè)到琥珀酸胍、L-谷氨酰胺等氨基酸上調(diào),酪氨酸代謝通路中檢測(cè)到琥珀酸胍和酪氨酸上調(diào)。T1 與T2 處理較CK 谷氨酰胺、酪氨酸、反-4-羥基-L-脯氨酸等氨基酸上調(diào),脯氨酸可以作為植物信號(hào)分子、活性氧清除、細(xì)胞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定劑等作用[38],調(diào)節(jié)作物生長(zhǎng)發(fā)育;酪氨酸是維生素E 的合成前體,在逆境脅迫下,植物可將酪氨酸轉(zhuǎn)化為維生素E,調(diào)節(jié)體內(nèi)活性氧的產(chǎn)生,減輕逆境脅迫對(duì)植株的損傷[39];谷氨酸和谷氨酰胺與植株對(duì)氮的同化有關(guān),根系對(duì)氮的同化能力增強(qiáng)有利于根系的生長(zhǎng)[40]。T1 與T2 較CK 富集到了TCA 循環(huán)與氧化磷酸化途徑,能為氨基酸的代謝提供物質(zhì)和能量基礎(chǔ),可能是T1 與T2 根系活力、根長(zhǎng)、根干重與根表面積較CK 顯著增加的原因。T1、T2 處理反-4-羥基-L-脯氨酸含量上升能提高根系滲透調(diào)節(jié)、自由基清除、維持細(xì)胞酸堿平衡能力,改善根際環(huán)境。

3.4 不同季秸稈全量還田對(duì)玉米根系分泌有機(jī)酸的影響

淮北平原砂姜黑土特點(diǎn)是有機(jī)質(zhì)含量低,缺磷少氮。砂姜黑土中磷酸二鈣與閉蓄態(tài)磷占土壤無(wú)機(jī)態(tài)磷的68%左右[41],土壤對(duì)磷的固定會(huì)影響玉米根系對(duì)磷的吸收,進(jìn)而影響玉米物質(zhì)合成與能量代謝。近年來(lái),隨著工業(yè)氮肥的大量使用,導(dǎo)致土壤酸化,當(dāng)土壤pH 值低于5.5 時(shí),土壤中的鋁將會(huì)以Al3+的形式釋放,抑制根系生長(zhǎng),進(jìn)而影響根系對(duì)水和養(yǎng)分的吸收[42]。根系通過(guò)分泌有機(jī)酸酸化土壤、改善土壤環(huán)境、動(dòng)員土壤中的微量元素和活化土壤中的磷,促進(jìn)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收,進(jìn)而促進(jìn)玉米根系的生長(zhǎng)[43]。在受到鋁脅迫時(shí),根系通過(guò)分泌羧酸與土壤中的Al3+螯合,使其不溶,降低其毒性[44]。Sun 等[18]研究表明秸稈還田通過(guò)誘導(dǎo)玉米ZmMATE1基因轉(zhuǎn)錄,增加有機(jī)酸的分泌。本研究只檢測(cè)到7 種顯著差異有機(jī)酸,數(shù)量低于碳水化合物類(lèi)與氨基酸類(lèi),可能有以下3點(diǎn)原因: 1)秸稈還田提高了土壤氮素有效性,根系能吸收更多的氮素,使根系氮代謝能力增強(qiáng),從而需要消耗更多的有機(jī)酸為氨基酸的合成提供碳骨架[45];2)砂姜黑土黏粒和膠體含量高[46],對(duì)根系分泌的有機(jī)酸具有較強(qiáng)的吸附作用[47];3)秸稈還田后使土壤微生物大量增殖,將根系分泌的有機(jī)酸迅速分解[48],這些可能是導(dǎo)致根系分泌物中檢測(cè)到顯著差異的有機(jī)酸較少的原因。此外,本研究發(fā)現(xiàn),T1 與T2 處理較CK 分別有7 和4 種有機(jī)酸上調(diào),根長(zhǎng)、根表面積、根系活力較CK 顯著增加,表明T1、T2 均能通過(guò)增加玉米根系有機(jī)酸的分泌提升土壤的養(yǎng)分有效性,促進(jìn)根系的生長(zhǎng)。

4 結(jié)論

本研究表明小麥季秸稈全量粉碎覆蓋還田+玉米季秸稈全量粉碎翻埋還田能顯著提高玉米開(kāi)花期根系長(zhǎng)度和根系表面積,協(xié)調(diào)玉米根冠比。通過(guò)對(duì)根系分泌物的分析,共富集到74 種差異代謝物,主要包含碳水化合物和氨基酸類(lèi)。不同季秸稈全量還田處理間根系分泌物存在差異,其中以小麥季秸稈全量粉碎覆蓋還田+玉米季秸稈全量粉碎翻埋還田(T2)差異最顯著。T2 通過(guò)增加根系半乳糖、反-4-羥基-L-脯氨酸等物質(zhì)含量增加滲透調(diào)節(jié)能力與細(xì)胞膜的穩(wěn)定性提高玉米對(duì)開(kāi)花期高溫?zé)岷Φ牡挚鼓芰?。有機(jī)酸分泌能改善根際營(yíng)養(yǎng)環(huán)境,有利于根系生長(zhǎng)和對(duì)養(yǎng)分的吸收。本研究為淮北平原砂姜黑土區(qū)秸稈資源的高效利用和夏玉米高產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展提供了理論依據(jù)。