鹽脅迫下鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類和含量研究

楊紅軍，王浩洋，崔慶華，鄭美娜，李 田*

(1.濱州學院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室，山東 濱州 256600；2.濱州市環(huán)境保護科學技術研究所，山東 濱州 256600)

黃河三角洲是黃河攜帶大量泥沙在渤海凹陷處沉積形成的沖積平原。黃河三角洲的濕地生態(tài)系統(tǒng)是新生的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。目前，黃河三角洲正面臨一系列生態(tài)問題，其中土壤鹽漬化問題尤為嚴重。鹽地堿蓬(Suaeda salsa)是聚鹽型鹽生植物的典型代表，其在黃河三角洲廣泛分布。鹽地堿蓬不僅可以從土壤中吸取水分和養(yǎng)分滿足自身所需，同時也會向土壤周圍釋放大量有機物質，在根與土壤的界面形成物質、能量和信息交換最活躍的區(qū)域，能夠直接影響土壤中微生物活性，進而影響土壤的理化性質。植物根系的分泌物能夠參與植物與外界之間的信息傳遞和物質交換[3]。因此，明確植物根系分泌物與土壤含鹽量的關系，對于改善土壤微環(huán)境和植物耐鹽基因的開發(fā)具有科學意義。

已經開展了鹽脅迫下栽培型番茄對鈉離子和鉀離子的吸收、分配和轉運特性[4]、基于CiteSpace的知識圖譜的植物根系分泌物研究現狀及趨勢[5]、蘆葦(Phragmites australis)對水鹽聯(lián)合脅迫的生理響應[6]、鹽脅迫對水稻(Oryza sativa)老葉和幼葉離子平衡和氮代謝的影響[7]等方面的研究。鹽脅迫使得不同耐鹽黃瓜(Cucumis sativus)品種根系分泌物中氨基酸的數量和種類增加[8]。鹽脅迫下甜菜(Beta vulgaris)[9]和唐古特白刺(Nitraria tangutorum)[10]的根系分泌物使根際土壤中細菌活性和微生物數量得到改善，從而直接或間接地影響了它們的生長。雖然絕大多數植物根系分泌物的生成機制暫未確定，但是一些分泌物中的特殊物質在生物學研究中意義重大[11]。甜瓜(Cucumis melo)的根系分泌物積累過多會導致其自毒作用[12]。一方面，植物的自毒作用可以調控土壤微生物的活動，從而直接影響作物生長[13]。在花生(Arachis hypogaea)的根系分泌物中檢測出自毒物質，這些物質被證實能夠抑制花生的生長[14]。楊樹分泌的酸類物質對土壤微生物和酶活性都存在自毒效應[15]。另一方面，植物根系的分泌物可以通過改變土壤微環(huán)境來間接影響植物的生長[16]。當病原微生物侵襲時，植物根系分泌物可以召集有益菌群來提高機體的防御能力[17]。水稻根系的分泌物濃度越高，其在土壤中的生物量就越大，水稻對有機物的利用能力就越強[18]。土壤中的微生物可以分解和利用植物根系的分泌物，產生有利于自身生長的物質[19]。鹽脅迫是影響植物生長及其產量的重要因素[20]。已經開展了一些鹽地堿蓬耐鹽機制和改良土壤機制的研究[21-24]。

本研究在黃河三角洲土壤含鹽量不同的鹽地堿蓬群落區(qū)中，采集了鹽地堿蓬全株樣品，鑒定了其根系分泌物中化合物的種類，測定了各種化合物的含量，分析了土壤不同含鹽量條件下鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類及其含量特征，以期為鹽地堿蓬適應環(huán)境的策略和改良土壤的機制研究提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 采樣地布設和樣品采集

在黃河三角洲土壤含鹽量存在顯著差異的3處鹽沼中，分別設置了1 塊采樣地。采樣地1、采樣地2 和采樣地3 的土壤含鹽量的(平均值±標準誤)分別為(1.63±0.31) g/kg、(3.88±0.58) g/kg 和(7.26±0.64) g/kg，其中心點的緯度和經度分別為37.923 95° N 和118.577 1° E、38.021 68° N 和118.733 9°E、37.987 79°N 和118.604 2°E。在采樣地1 和采樣地2 中分布的主要植物群落都為蘆葦群落、鹽地堿蓬群落和獐茅(Aeluropus sinensis)群落，在采樣地3 中分布的主要植物群落為蘆葦群落、鹽地堿蓬群落和檉柳(Tamarix chinensis)群落。在3 塊采樣地土壤含鹽量分別為1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 的鹽地堿蓬群落區(qū)中，各布設了3個規(guī)格為5 m×5 m的樣方。

于2020年7月25日，在每個樣方中，采用挖掘法，利用鐵鍬，采集5 株植株高度為40 cm 的鹽地堿蓬全株樣品。在每個樣方中，采用對角線取樣法，利用直徑為5 cm 的土鉆，采集0～20 cm 深度的土壤樣品，然后，將采集到的土壤樣品混合均勻，作為1份土壤樣品。將所有樣品運回實驗室。

1.2 實驗方法

采用烘干法，測定土壤樣品的烘干殘渣總量和可溶性鹽分質量。

采用溶液培養(yǎng)收集法[25]，利用Agilent 7890A/5975C 氣相色譜質譜聯(lián)用儀，鑒定鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類和測定其含量。

1.3 數據統(tǒng)計方法

利用Excel 2010 軟件和Origin 8.0 軟件，整理和統(tǒng)計實驗數據。

2 結果與分析

2.1 不同含鹽量下鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類及其含量

在土壤含鹽量為1.5 g/kg條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中共有45 種化合物，包括4 種酯類、4 種胺類、2 種酮類、3 種苯類、1 種吲哚類、17 種烷烴類、2 種噻唑類、2 種酚類、2 種醛類、5 種酸類、2 種烯類和1種腈類化合物(表1)。各種化合物的含量變化在0.579%～20.100%之間。

在土壤含鹽量為3.5 g/kg條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中共有84 種化合物，包括3 種酯類、4 種胺類、6 種酮類、1 種苯類、38 種烷烴類、1 種噻唑類、3 種酚類、3 種酸酐類、3 種烯類、4 種腈類、9 種醇類、7 種醚類、1 種鹽類和1 種抗氧化劑化類合物，未檢測出吲哚類和醛類化合物，卻檢測出土壤含鹽量為1.5 g/kg 條件下根系分泌物中所沒有的醇類、醚類、鹽和抗氧化劑類化合物(表2)。各種化合物的含量變化在0.306%～4.885%之間。

在土壤含鹽量為7.0 g/kg條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中共有45 種化合物，包括7 種酯類、2 種胺類、2 種酮類、4 種苯類、1 種吲哚類、21 種烷烴類、2 種噻唑類、2 種酚類、1 種酸類、1 種烯類、1 種醌類和1種吡喃類化合物(表3)。未檢測出土壤含鹽量為1.5 g/kg 條件下根系分泌物中的醛類和腈類化合物，也未檢測出土壤含鹽量中等條件下根系分泌物中的醇類、醚類、鹽和抗氧化劑類化合物，其中的醌類和吡喃類化合物是土壤含鹽量為7.0 g/kg 條件下鹽地堿蓬特根系分泌物中特有的化合物。各種化合物的含量變化在0.562%～8.379%之間。

表3 土壤含鹽量為7.0 g/kg條件下鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類及其含量Table 3 Types and contents of compounds in root exudates of Suaeda salsa under conditions of 7.0 g/kg salt content

2.2 不同含鹽量下鹽地堿蓬根系分泌物中各類化合物的含量

在土壤含鹽量分別為1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中有14 類化合物，包括酯類、胺類、酮類、苯類、吲哚類、烷烴類、酚類、醛類、酸類、烯類、噻唑類、醇類、腈類和醚類化合物。

由表4 可知，在土壤含鹽量分別為1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 的條件下，鹽地堿蓬根系分泌物的各類化合物含量中的最大值為土壤含鹽量為7.0 g/kg條件下烷烴類化合物的含量(54.040%)，其最小值為土壤含鹽量為3.5 g/kg 條件下噻唑類化合物的含量(0.351%)。

表4 土壤含鹽量為1.5 g/kg、3.5 g/kg和7.0 g/kg條件下鹽地堿蓬根系分泌物中各類化合物的含量Table 4 Contents of various type compounds in root exudates of Suaeda salsa under conditions of 1.5 g/kg,3.5 g/kg and 7.0 g/kg salt contents

隨著土壤含鹽量的增大，鹽地堿蓬根系分泌物中烷烴類化合物的含量逐漸增大，而酸類和烯類化合物的含量逐漸減小，尤其是酸類化合物的含量大幅減小；酯類、酮類、苯類、酚類和噻唑類化合物的含量呈單谷型變化，即當土壤含鹽量為3.5 g/kg時，這些化合物的含量最小。

3 討 論

植物根系分泌物是根際微生態(tài)系統(tǒng)的中心樞紐，其組成和含量的改變集中反映了植物對外界環(huán)境變化的相應[26]。植物通過調節(jié)自身根系的分泌物來適應外界環(huán)境的改變[27]。對于不同程度的鹽分脅迫，植物的響應存在差異，其根系分泌物中化合物的種類和含量也不同[28]。

在本研究中，在土壤含鹽量為1.5 g/kg、3.5 g/kg和7.0 g/kg條件下，鹽地堿蓬的根系分泌物中分別有45 種、84 種和45 種化合物，但是這些化合物并不是根系分泌物中的全部化合物，在測定過程中，或許已經損失了一些化合物。烷烴類化合物是鹽地堿蓬初生和次生代謝產物，其本身具有一定的化感作用。在正常環(huán)境條件下，鹽地堿蓬烷烴類根系分泌物以正構烷烴為主。當鹽地堿蓬受鹽脅迫時，其根系會產生大量的支鏈烷烴(或烯烴)化合物，此類化合物可以為植物根系微生物提供碳源，從而使植物更好地適應脅迫環(huán)境[29]。在辣椒(Capsicum annuum)的根系分泌物中，檢測出28種化合物，其中有13種化合物為烷烴類化合物[30]。在蘆葦根系分泌物中，共檢測出54種化合物，其中19種為烷烴類化合物[31]。在馬鈴薯(Solanum tuberosum)根系分泌物中，檢測出較多的酸性物質[32]。采用乙酸乙酯三相萃取方法，提取烤煙根系分泌物中的化合物，也獲取了大量的酸性物質[33]。本研究在鹽地堿蓬根系分泌物中檢測到的酸類化合物的總含量(18.788%)較小，檢測到的醇類化合物的總含量(34.343%)較大，醇與酸類化合物之間易發(fā)生酯化反應，使得酸類化合物的含量減小，酯類化合物的含量增大。在本研究中，當土壤含鹽量為3.5 g/kg時，鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類(84 種)最多，這可能是鹽地堿蓬通過調節(jié)自身根系分泌物中化合物的組成來適應鹽脅迫：在土壤含鹽量為1.5 g/kg條件下，鹽地堿蓬的自身調節(jié)能力完全能夠適應外界的鹽脅迫，根系分泌物中化合物種類的增加是鹽地堿蓬自身防御的反饋[34]；在土壤含鹽量為7.0 g/kg條件下，鹽地堿蓬的自身調節(jié)能力已經無法適應外界環(huán)境的鹽脅迫，自身的生長狀況受到了嚴重的負面影響，根系分泌物中的化合物種類減少也反映出植物自身狀況不佳的事實，即鹽地堿蓬無法適應高鹽脅迫環(huán)境，生存受到了嚴重威脅，這與現實生態(tài)恢復過程中鹽生植物也有鹽度生態(tài)閾值相符合，植物恢復必須尊重自然規(guī)律，根據自然環(huán)境條件選擇合適的植物物種進行植物恢復，才能做到事半功倍。隨著土壤含鹽量的增大，鹽地堿蓬根系分泌物中的烷烴類化合物的含量逐漸增大，酸類和烯類等化合物的含量在不斷減小，而酯類、酮類、苯類、酚類和噻唑類化合物的含量在土壤含鹽量為3.5 g/kg 條件下最小，這可能是在土壤含鹽量逐漸增大的過程中，鹽地堿蓬代謝調節(jié)與土壤微生物綜合作用的結果[35-36]。

4 結 論

在土壤含鹽量分別為1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中的化合物種類分別為45 種、84 種和45 種，都以烷烴類化合物的種類居多。

隨著土壤含鹽量的增大，鹽地堿蓬根系分泌物中的烷烴類化合物的含量逐漸增大，土壤含鹽量為7.0 g/kg 條件下的烷類化合物含量(54.040%)為鹽地堿蓬根系分泌物中各類化合物含量的最大值；酸類和烯類等化合物的含量在不斷減小。酯類、酮類、苯類、酚類和噻唑類化合物的含量都在土壤含鹽量為3.5 g/kg時最小。