何永美，湛方棟，吳炯，高召華，李元

（云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，昆明　650201）

UV-B輻射對元陽梯田水稻根系LMWOAs分泌量和根際微生物數量的影響

何永美，湛方棟，吳炯，高召華，李元*

（云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，昆明650201）

在元陽梯田地方水稻品種——白腳老粳的拔節(jié)孕穗期、抽穗揚花期和成熟期，通過小區(qū)實驗研究不同UV-B輻射強度（0、5.0、10.0 kJ·m-2）對水稻根系低分子量有機酸（LMWOAs）分泌量和根際7個類群微生物數量的影響，并對水稻LMWOAs分泌量和根際微生物數量進行相關分析。結果表明：UV-B輻射增強導致水稻根系草酸和琥珀酸分泌量增加，酒石酸和蘋果酸分泌量下降。水稻根際細菌、真菌、自生固氮菌、纖維分解菌、無機磷細菌和鉀細菌的數量均在成熟期最大，拔節(jié)孕穗期次之，抽穗揚花期最小；但放線菌數量在拔節(jié)孕穗期最大，抽穗揚花期次之，成熟期最小。UV-B輻射增強不改變根際微生物數量隨生育期進程的動態(tài)變化規(guī)律，但導致水稻根際7個類群微生物的數量顯著或極顯著增加。水稻根系草酸分泌量與根際自生固氮菌、纖維分解菌數量呈顯著正相關，琥珀酸分泌量與自生固氮菌數量呈顯著正相關，與細菌、真菌、纖維分解菌、無機磷細菌和鉀細菌數量呈極顯著正相關。綜上可知UV-B輻射增強影響大田水稻根際微生物的數量，與其改變水稻根系低分子量有機酸的分泌量密切相關。

UV-B輻射增強；元陽梯田；水稻根際；低分子量有機酸；微生物數量

何永美，湛方棟，吳炯，等.UV-B輻射對元陽梯田水稻根系LMWOAs分泌量和根際微生物數量的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報，2016，35（4）：613-619.

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由于地球平流層的臭氧層減薄，導致到達地球表面的紫外線B［Ultraviolet-B（UV-B），280～320 nm］增強，對農作物和農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)產生顯著的影響，成為各國科學家關注的全球性重大環(huán)境問題之一［1-3］。

元陽梯田位于云南省元陽縣的哀牢山南部，山頂為自然植被，在平緩的坡面上形成3000多級、面積近1.66萬hm2的梯田［4］。元陽梯田種植的水稻為地方水稻品種，其種植歷史長達300多用，適應梯田的生態(tài)環(huán)境，構成典型的持續(xù)穩(wěn)定農田生態(tài)系統(tǒng)，成為世界各國多學科的學者關注的熱點地區(qū)之一［5-6］。人們開始關注增強UV-B輻射對元陽梯田地方水稻品種地上部的形態(tài)結構［7-8］、礦質營養(yǎng)［9］、生長發(fā)育［10］、生理生化與產量［11-12］等方面的影響，但UV-B輻射對元陽梯田地方水稻品種地下部的影響，尚未見報道。

根際（Rhizosphere）是植物地下部生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的微區(qū)域，這一概念最早由德國微生物學家Lorenz Hiltner于1904用提出，用以描述植物根系分泌物對土壤微生物的影響［13］。植物通過根系分泌物，將光合作用固定的碳釋放到根際土壤中，為根際微生物提供豐富的營養(yǎng)，顯著影響根際微生物的種類、數量和分布，對根際微生物群落結構有選擇塑造作用［14］。另一方面，根際這一特殊的土壤界面擁有極高的微生物數量和多樣性，形成非常復雜的微生物群落，對植物的生長發(fā)育、養(yǎng)分獲取、逆境防御和產量形成起著至關重要的作用［15-16］。然而，UV-B輻射影響水稻根際微生物的研究報道極少。

本文以云南元陽梯田地方水稻品種白腳老粳為研究對象，原位入件種植，進行不同強度（0、5.0、10.0 kJ·m-2）的UV-B輻射處理，分別在水稻的拔節(jié)孕穗期、抽穗揚花期和成熟期采集整株水稻，收集根系分泌物和根際土壤，采用高效液相色譜法測定低分子量有機酸（LMWOAs）含量，稀釋平板法測定根際細菌、真菌、鉀細菌、自生固氮菌、纖維素分解菌、放線菌和有機磷細菌的數量，研究UV-B輻射對元陽梯田水稻根系LMWOAs分泌量與根際微生物數量的影響，分析水稻根系LMWOAs分泌量與根際微生物數量間的關系，為評估UV-B輻射對陸地作物地下生態(tài)系統(tǒng)的影響效應提供科學依據。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

試驗于2013用在云南省元陽縣新街鎮(zhèn)箐口梯田進行。試驗水稻品種為元陽梯田地方水稻品種白腳老粳，在當地已有300多用的種植歷史，種植于海拔1600 m處的梯田，試驗地位于23毅7憶15.8義N，102毅44憶45.6義E，土壤pH5.32，有機質含量為26.8 g·kg-1，全N、全P和全K含量分別為2.42、0.75、6.07 g·kg-1，堿解N、速效P和速效K含量分別為67.5、20.7、150.1 mg· kg-1。

1.2試驗設計

白腳老粳在2013用3月16日播種育苗，5月9日移栽至試驗小區(qū)內。試驗點布置了6個小區(qū)，每個小區(qū)面積為3.0 m×1.5 m，種植15行×11列水稻，每叢1株秧苗，每個小區(qū)周邊的6行和4列水稻設為保護行。在水稻生長期內不使用任何農藥和化肥，整個生育期保持淹水狀態(tài)。

UV-B輻射處理：選取試驗小區(qū)內居中的11行水稻，在每行居中9列水稻的正上方，懸掛1支40 W的UV-B燈管（北京，UV308，光譜為280～320 nm），模擬UV-B輻射增強。隨水稻植株的生長不斷調節(jié)燈管高度以控制輻照度（以植株上部計），用紫外輻射測定儀（北京師范大學光電儀器廠）測定297 nm波長處的輻射強度。設0（自然光）、5.0、10.0 kJ·m-23個處理水平，分別相當于元陽梯田0%、20%和40%的臭氧衰減（夏至日UV-B輻射背景值為10.0 kJ·m-2）。從水稻秧苗移栽返青后至成熟收獲，每天10：00—17：00輻照7 h（陰雨天除外）。

1.3水稻根際土壤采集與微生物指標測定

分別在元陽梯田水稻的拔節(jié)孕穗期、抽穗揚花期和成熟期，隨機拔取不同強度UV-B輻射處理小區(qū)的水稻稻株各3叢，采樣時將稻株連根拔起放入采樣袋中，貼上標簽，帶回實驗室用于分析。

選用依然鮮活的水稻植株，除去粘附在根表面的土壤，將水稻根系剪成5 cm左右，混合6～8入根系為一樣品，置于盛有100 mL無菌水的三角瓶中，振蕩15 min，獲得水稻根際土壤懸濁液［17］，用于有關微生物的測定。按10倍梯度稀釋法稀釋至合適濃度后，采用稀釋平板法測定土壤中各類微生物的數量。吸取適宜稀釋度的菌懸液0.2 mL，置于牛肉膏蛋白胨瓊脂、馬丁氏、蔗糖硅酸鹽、阿須貝、纖維素剛果紅、改良高氏一號和磷酸三鈣無機磷培養(yǎng)基上進行培養(yǎng)，每一種培養(yǎng)基涂4個平板，涂抹均勻后，于28益入件下，分別培養(yǎng)2 d、3 d、4 d、5 d、6 d和7 d，測定每個平板上細菌、真菌、鉀細菌、自生固氮菌、纖維素分解菌、放線菌和無機磷細菌生長的菌落數量［18］。

用在105益的烘箱中經6～8 h、烘至恒重的濾紙過濾根際土懸濁液，將獲得的根際土烘干至恒重，得到根際土的干重，用于計算根際微生物的單位數量cfu·g-1干土（cfu，colony forming unit）［17-18］。

1.4水稻根系分泌的低分子量有機酸測定

用自來水將水稻根部泥土沖洗干凈后，再用蒸餾水清洗根系3～4次，至根系清洗干凈。然后將整株水稻根系放入濃度為5 mg·L-1的百里酚溶液中，浸泡5 min后移至盛有300 mL CaCl2溶液（0.5 mmol·L-1）的收集裝置中。該裝置采用黑色不透光塑料袋包裹，以保證水稻根部避光。自然光照入件下，靜置2 h，以收集水稻根系分泌物。水稻根系取出后，采用0.45滋m濾膜過濾收集液，以去除水稻根系的脫落物。最后，收集液于40益入件下，采用旋轉蒸發(fā)儀濃縮至3 mL，用于測定草酸、酒石酸、琥珀酸和蘋果酸的含量。檢測入件：色譜柱為Agilent 20RBAX SB-C18色譜柱（250 mm×4.6 mm ID），流動相為2%甲醇水溶液，流速為0.6 mL·min-1，進樣量為15滋L，檢測波長為210 nm，分析時間為40 min［19］。

1.5數據來理方法

運用Microsoft Excel對實驗數據進行處理，計算平均值和標準差。采用SPSS17.0數據處理系統(tǒng)進行方差分析和多重比較，對水稻根系LMWOAs分泌量與根際微生物數量進行相關分析。

2　結果與分析

2.1元陽梯田水稻根系低分子量有機酸的分泌量

UV-B輻射增強導致白腳老粳根系LMWOAs的分泌量發(fā)生變化，但不同種類LMWOAs間存在差異。5.0 kJ·m-2UV-B輻射處理下，拔節(jié)孕穗期和成熟期水稻根系分泌的琥珀酸數量極顯著增加（P＜0.01），而抽穗揚花期的酒石酸、成熟期的草酸和蘋果酸分泌量極顯著減少（P＜0.01）；10.0 kJ·m-2UV-B輻射處理下，拔節(jié)孕穗期和成熟期的草酸、拔節(jié)孕穗期和抽穗揚花期的琥珀酸以及拔節(jié)孕穗期的蘋果酸極顯著增加（P＜0.01），而抽穗揚花期的蘋果酸極顯著減少（P＜0.01）?？梢姡琔V-B輻射增強導致水稻根系草酸和琥珀酸分泌量增加，酒石酸和蘋果酸分泌量下降（圖1）。

2.2UV-B輻射對元陽梯田水稻根際三大類群微生物數量的影響

隨水稻生育期的進程，自然光照、5.0、10.0 kJ·m-2UV-B輻射3個處理的根際細菌數量依次為成熟期＞拔節(jié)孕穗期＞抽穗揚花期；根際放線菌數量隨水稻生育期進程下降，為拔節(jié)孕穗期和抽穗揚花期＞成熟期；根際真菌數量在成熟期最大，為成熟期＞拔節(jié)孕穗期和抽穗揚花期。

與自然光照處理相比，5.0 kJ·m-2UV-B輻射導致水稻3個生育期的根際細菌數量極顯著增加（P＜0.01），增幅為1.6～2.6倍；成熟期根際真菌數量極顯著增加（P＜0.01），增加了5.3倍。10.0 kJ·m-2UV-B輻射導致拔節(jié)孕穗期的根際細菌顯著增加（P＜0.05），成熟期極顯著增加（P＜0.01），分別增加0.9、1.4倍；抽穗揚花期和成熟期的根際放線菌數量顯著增加（P＜0.05），拔節(jié)孕穗期極顯著增加（P＜0.01），增幅為1.4～1.8倍；拔節(jié)孕穗期的根際真菌顯著增加（P＜0.05），增加了2.3倍。表明UV-B輻射增強增加元陽梯田水稻根際細菌、放線菌和真菌的數量，但不改變水稻根際三大類群微生物數量隨生育期進程的動態(tài)變化規(guī)律（圖2）。

2.3UV-B輻射對元陽梯田水稻根際四個生理功能類群微生物數量的影響

隨水稻生育期的進程，3個處理水稻根際的4種生理功能類群的數量變化規(guī)律一致，均為成熟期＞拔節(jié)孕穗期＞抽穗揚花期。

在水稻撥節(jié)孕穗期，5.0 kJ·m-2UV-B輻射處理的自生固氮菌和無機磷細菌數量極顯著增加（P＜0.01），分別增加4.4、3.7倍；10.0 kJ·m-2UV-B輻射處理的自生固氮菌和無機磷細菌數量分別顯著（P＜0.05）和極顯著增加（P＜0.01），分別增加1.9、1.8倍。在抽穗揚花期，5.0 kJ·m-2UV-B輻射處理的纖維分解菌和鉀細菌數量極顯著減少（P＜0.01），分別降低64%和32%，無機磷細菌數量顯著降低（P＜0.05），減少了37%。在成熟期，5.0 kJ·m-2UV-B輻射處理的纖維分解菌、無機磷細菌和鉀細菌數量極顯著增加（P＜0.01），分別增加2.4、4.2、5.9倍，自生固氮菌數量顯著增加（P＜0.05），增加了1.3倍；10.0 kJ·m-2UV-B輻射處理的4種生理功能類群的數量均極顯著增加（P＜0.01），增幅為2.9～3.5倍。可見，UV-B輻射增強總體導致元陽梯田水稻根際4個生理功能類群微生物的數量增加（圖3）。

圖1　UV-B輻射增強對白腳老粳根系低分子量有機酸分泌量的影響Figure 1　Effect of UV-B radiation on exudation of LMWOAs by Baijiaolaojing roots

2.4元陽梯田水稻根系低分子量有機酸分泌量與根際微生物數量的相關性

對3個處理、3個生育期的水稻根系低分子量有機酸分泌量與根際微生物數量進行相關分析，結果表明：水稻根系草酸分泌量與根際自生固氮菌、纖維分解菌數量呈顯著（P＜0.05）正相關，琥珀酸分泌量與根際自生固氮菌數量呈顯著（P＜0.05）正相關，與根際細菌、真菌、纖維分解菌、無機磷細菌和鉀細菌5個類群的數量呈極顯著（P＜0.01）的正相關，水稻根系酒石酸、蘋果酸的分泌量與根際微生物數量則沒有顯著相關性（表1）。

表1　元陽梯田白腳老粳根系LMWOAs分泌量與根際微生物數量的相關系數Table 1　Correlation coefficients between LMWOAs exudation and microorganism quantities in Baijiaolaojing rhizosphere

3　討論

3.1增強UV-B輻射對植物根際微生物數量的影響

本試驗中，元陽梯田水稻根際微生物（除放線菌外）的數量均表現為成熟期最大、拔節(jié)孕穗期次之、抽穗揚花期最小的變化規(guī)律。這與隨水稻生長根際微生物數量在成熟期最低的研究報道不同［20］，也與水稻根際微生物數量在孕穗期最低、之后隨著水稻繼續(xù)生長又逐漸增加的研究結果不一致［21］，表明元陽梯田水稻根際微生物數量的動態(tài)變化不同于其他地區(qū)和品種的水稻。這與水稻品種、生長狀況、根系分泌物等影響因素有關。元陽梯田水稻5月初移栽，9月底收獲，其生育期長于我國其他地區(qū)的水稻，拔節(jié)孕穗期水稻根系的分泌生理強于抽穗揚花期，被認為是抽穗揚花期根際微生物數量降低的重要原因［22］；到了成熟期，元陽梯田水稻根系衰老甚至出現部分死亡，可能為根際微生物提供了大量可利用的營養(yǎng)源，導致成熟期根際微生物數量增加。但對于元陽梯田水稻根系生理活動與根際微生物生長之間的內在關系，還有待深入研究。

圖2　UV-B輻射對白腳老粳根際細菌、放線菌和真菌數量的影響Figure 2　Effects of UV-B radiation on quantities of bacteria，actinomyces，and fungi in Baijiaolaojing rhizosphere

圖3　UV-B輻射對白腳老粳根際四個生理功能類群微生物數量的影響Figure 3　Effect of UV-B radiation on quantities of four microbial physiological groups in Baijiaolaojing rhizosphere

UV-B輻射不改變元陽梯田水稻根際微生物數量的動態(tài)變化規(guī)律，與UV-B輻射不改變4個甘蔗割手密無性系［23］、20個春小麥［24］等作物不同生育期根際微生物數量變化的研究報道結論一致。UV-B輻射總體導致元陽梯田水稻根際7個類群的微生物數量增加，但不同生育期和類群的微生物數量變化程度不同。這與UV-B輻射對大豆、春小麥、割手密等作物根際微生物數量的影響研究結論有所不同。與自然光照相比，UV-B增強處理顯著降低大豆根際細菌和放線菌的數量［25］，對大豆根際氨氧化細菌數量無顯著影響［26］，但導致割手密耐性無性系根際真菌數量顯著增加［23］。李元等報道了UV-B輻射對降低春小麥根際細菌、放線菌和真菌的數量，對自生固氮菌、亞硝酸細菌、反硝化細菌、纖維素分解菌和解磷細菌數量也有顯著的影響，但存在生育期間的差異［24］。這些研究表明UV-B輻射對作物根際微生物群落結構的影響，存在不同物種、生育期和微生物類群間的差異。

3.2增強UV-B輻射影響植物根系分泌物及其介導的根際微生物數量變化

UV-B輻射增強對植物根系分泌物有顯著的影響。UV-B輻射增強入件下，植物葉片光合作用下降，葉片同化碳的能力降低，影響光合產物的分配，導致植物根系分泌低分子量有機酸的數量與組分產生明顯的變化［27］。如UV-B輻射導致沼澤植物紅毛羊胡子草（Eriophorum russeolum）根際土壤乙酸和丙酸含量增加，草酸含量下降［28］。本研究中，UV-B輻射增強總體導致水稻根系草酸和琥珀酸分泌量增加，酒石酸和蘋果酸分泌量下降，可見UV-B輻射增強顯著影響植物根系低分子量有機酸的分泌量。

根際是植物、土壤和微生物相互作用的重要界面。植物根系分泌的低分子量有機酸進入根際土壤中，易被根際微生物利用，為根際微生物提供了重要的營養(yǎng)源。UV-B輻射通過改變植物根系分泌物的數量，顯著影響到植物根際環(huán)境中的微生物數量與多樣性［29-30］。本研究中，水稻根系草酸、琥珀酸的分泌量與部分根際微生物數量呈顯著或極顯著正相關，提示UV-B輻射改變水稻根系低分子量有機酸的分泌量，可能是其影響水稻根際微生物數量的重要原因之一。因此，研究植物根系分泌物對UV-B輻射增強的響應，可部分揭示UV-B輻射增強對植物地下部生態(tài)系統(tǒng)的影響機理，然而UV-B輻射影響植物地下生態(tài)系統(tǒng)的過程與機理研究依然還很少，迫切需要加強。

4　結論

UV-B輻射改變水稻根系低分子量有機酸的分泌量，導致水稻根系草酸和琥珀酸分泌量增加，酒石酸和蘋果酸分泌量下降。UV-B輻射不改變水稻根際微生物數量的動態(tài)變化規(guī)律，但導致水稻根際7個類群微生物的數量顯著或極顯著增加。水稻根系草酸、琥珀酸分泌量與部分根際微生物數量呈顯著或極顯著的正相關，表明UV-B輻射增強影響水稻根際微生物的數量，與其改變水稻根系低分子量有機酸的分泌量密切相關。

致謝：感謝云南農業(yè)大學2010級環(huán)境科學專業(yè)的周忠輝、雷強等同學的幫助。

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Effects of UV+B radiation on rice roots+exudated LMWOAs and rhizospheric microorganism quantities in a paddy field of Yuanyang Terraces，Yunnan Province

HE Yong-mei，ZHAN Fang-dong，WU Jiong，GAO Zhao-hua，LI Yuan*
（College of Resources and Environment，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China）

A local rice variety，“Baijiaolaojing”，was grown in a paddy field in the Yuanyang Terrace under ambient and elevated（5.0 and 10.0 kJ·m-2）ultraviolet-B（UV-B，280～315 nm）radiation.The rice plant and rhizospheric soil were sampled at jointing-booting，headingflowering and maturity stages of rice.The exudation of low-molecular-weight organic acids（LMWOAs）including oxalic acid，succinic acid，tartaric acid，and malic acid by rice roots and the quantity of 7 microbial groups in rice rhizosphere were determined.Results showed that elevated UV-B radiation increased the concentrations of oxalic acid and succinic acid，but decreased tartaric acid and malic acid.Rhizospheric bacteria，fungi，azotobacteria，cellulose-decomposing bacteria，inorganic phosphobacteria and potassium bacteria were found to be the highest at the maturity stage，the next at the jointing-booting stage，and the lowest at the heading-flowering stage.The maximum rhizospheric actinomycetes was observed at the jointing-booting stage，the second at the heading-flowering stage，and the lowest at the maturity stage.Elevated UV-B radiation didn憶t alter the dynamics of rice rhizospheric microorganism quantities along with the rice growth stages，but induced a significant or very significant increase in the quantities of the 7 microbial groups in the rice rhizosphere.Significant positive correlations were found between oxalic acid exudation and the quantities of rhizospheric azotobacteria and cellulose-decomposing bacteria，between succinic acid and azotobacteria；and very significant positive correlations between succinic acid exudation and the quantity of bacteri-a，fungi，cellulose-decomposing bacteria，inorganic phosphobacteria and potassium bacteria.These findings indicate that elevated UV-B radiation influences rhizospheric microorganism quantity rice under field，which is closely associated with LMWOAs exudation by rice roots.

elevated UV-B radiation；Yuanyang Terrace；rice rhizosphere；low-molecular-weight organic acids；microbial quantity

X591

A

1672-2043（2016）04-0613-07

10.11654/jaes.2016.04.001

2015-11-15

國家自然科學基金項目（41565010，31460141，41205113）

何永美（1980—），女，博士，副教授，主要從事紫外輻射與農業(yè)生態(tài)研究。E-mail：heyongmei06@126.com

李元E-mail：liyuan@ynau.edu.cn