王秋紅，宋柏權(quán)，王孝純，景若楠，楊曦婭，周建朝

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)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(huì)引發(fā)一系列根際對(duì)話[3-4]，包括促進(jìn)土壤顆粒物質(zhì)聚集、風(fēng)化和成土過(guò)程、根際養(yǎng)分活化、促進(jìn)有毒金屬和有機(jī)污染物的解毒、植物間和植物內(nèi)信號(hào)交換、植物中化感物質(zhì)的釋放、植物-微生物間信號(hào)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(dòng)關(guān)鍵土壤過(guò)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(jìn)而間接影響著根際養(yǎng)分的吸收利用以及作物的生長(zhǎng)[5]。前人對(duì)根系分泌物的研究多采用營(yíng)養(yǎng)液培養(yǎng)（水培）[6-8]，盡管水培試驗(yàn)從操作上來(lái)講相對(duì)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(jìn)行比較等實(shí)際問(wèn)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(yīng)較好、更接近于田間土培的自然狀態(tài)、同時(shí)也可獲得完整根系等優(yōu)勢(shì)，替代土培進(jìn)行試驗(yàn)。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(shí)，改善了植物根際的養(yǎng)分有效性。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

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

表1 試驗(yàn)材料表

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

本試驗(yàn)在黑龍江大學(xué)農(nóng)學(xué)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(qiáng)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(jìn)行前處理，先過(guò)40目篩，然后用5%鹽酸浸泡6 h，再用自來(lái)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(yíng)養(yǎng)液的配方[10]（見(jiàn)表2）將營(yíng)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(pán)中，先裝砂1.8 kg，敦實(shí)，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(zhǎng)期間水分管理是從托盤(pán)補(bǔ)水，利用毛管張力法供給。每個(gè)品種10次重復(fù)，設(shè)置無(wú)苗對(duì)照。在光照培養(yǎng)室中培養(yǎng)50天后，甜菜4～6片真葉期開(kāi)始收獲測(cè)定。

根據(jù)濾布的分層分別取砂，分層混勻后-70保存待測(cè)。用高效液相色譜儀（ProStar-240型）測(cè)定待測(cè)用砂中有機(jī)酸[11]（包括草酸Oxalicacid，酒石酸Tartaricacid，甲 酸 Formicacid，蘋(píng) 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(lèi)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(jìn)行數(shù)據(jù)整理、Origin8作圖，用IBM SPSS Statistics 25進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

選取甜菜有機(jī)氮吸收效率高的KWS8138和有機(jī)氮吸收效率低的Beta176進(jìn)行室內(nèi)砂培試驗(yàn)，對(duì)收集到的根系分泌物進(jìn)行測(cè)定，分析不同根際距離的根系分泌物種類(lèi)和數(shù)量。

2.1 根系分泌物中氨基酸類(lèi)的變化趨勢(shì)

根系分泌物是植物-土壤-微生物系統(tǒng)中氨基酸的主要來(lái)源之一，對(duì)甜菜苗期根系分泌物中17種氨基酸含量的測(cè)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(shì)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(gè)品種間變化趨勢(shì)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(shì)

在檢測(cè)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(shì)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(shì)

在大分子量的氨基酸中（圖3），Arg（圖3左）在根際的變化趨勢(shì)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(shì)卻是隨著距離根表面越遠(yuǎn)，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(shì)

2.2 根系分泌物中有機(jī)酸類(lèi)的變化趨勢(shì)

用液相色譜測(cè)定根系分泌物中的10種有機(jī)酸，包括 草 酸 Oxalicacid、酒 石 酸 Tartaricacid、甲 酸Formicacid、蘋(píng)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(cè)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(jī)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(shì)，距離根表面越遠(yuǎn)，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(wú)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(shì)

2.3 根系分泌物中糖類(lèi)物質(zhì)的變化趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)根系分泌物中糖類(lèi)物質(zhì)（包括蔗糖、葡萄糖、半乳糖和果糖等4種）含量的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)各種糖類(lèi)物質(zhì)的含量變化順序?yàn)椋浩咸烟牵竟牵菊崽牵景肴樘?。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(shì)，距離根表面越遠(yuǎn)，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(guān)鍵成分[14]，包括糖、有機(jī)酸、氨基酸、酚類(lèi)、次生代謝物、粘液和/或蛋白質(zhì)等[15]，它們對(duì)植物生長(zhǎng)所需的礦質(zhì)營(yíng)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(jī)氮庫(kù)[18-19]，為土壤微生物提供C和N供應(yīng)[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(cè)定結(jié)果相一致，根可以從主要的無(wú)機(jī)氮供應(yīng)轉(zhuǎn)換為主要的有機(jī)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(hù)劑、重要代謝物的前體、反應(yīng)和信號(hào)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(xué)上，谷氨酰胺/谷氨酸家族(Gln、Glu、GABA、Pro、Arg)接近無(wú)機(jī)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(jìn)入有機(jī)氮代謝的“入口點(diǎn)”[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(wú)差異，可見(jiàn)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(shì)

研究表明，氨基酸、有機(jī)酸、糖類(lèi)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(lèi)物質(zhì)通過(guò)被動(dòng)擴(kuò)散釋放到根際土壤中，而有機(jī)酸通過(guò)主動(dòng)外排釋放[27]。有研究表明，根對(duì)糖類(lèi)物質(zhì)的吸收是通過(guò)位于質(zhì)膜上的一種活性的、由ATP酶驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子共轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來(lái)實(shí)現(xiàn)的[28]。選擇有機(jī)氮高效吸收的甜菜品種KWS8138，其根際區(qū)域的糖類(lèi)物質(zhì)（葡萄糖）和有機(jī)酸（草酸、甲酸）含量逐漸高于遠(yuǎn)離根際區(qū)域，根在根際土壤中對(duì)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。