水分胁迫对植物根际土壤酶和土壤微生物群落结构的影响

杨昌钰，张 芮，蔺宝军，王腾飞，张彩霞，李红霞，王喜红

(1.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070；2.大禹节水集团股份有限公司，甘肃 酒泉 735000)

1 水分胁迫研究进展

20世纪60年代中期，Jensen和Sletten研究发现，当高粱作物根际土壤相对有效含水率小于25%时开始灌水，其产量会大幅减少，反之影响不大，至此提出了亏水灌溉(EvaportranspirationDeficit irrigation 简称EDI)的定义，又称为限水灌溉(Ater-limited irrigation)或非充分灌溉(Inadequate irrigation)[1]。20世纪90年代，调亏灌溉研究由增产节水机理转向品质改善，这一时期大量文献表明，适度的水分胁迫能够提高果实品质，因此对包括果实糖分、维生素C、类胡萝卜素、可溶性固形物、花青素、可滴定酸、pH等在内的多种品质指标做了详细的研究报道，并在西瓜[2]、葡萄[3]、苹果[4]、鸭梨[5]、枣[6]等果实的研究中，均证实水分胁迫能够改善其果实品质。目前，调亏灌溉技术已不仅限于果树的栽培种植，在多种粮食作物如玉米、小麦等以及多种经济作物如棉花、烟草等和各类蔬菜中得到了广泛应用，而且随着现代基因工程和转基因技术的发展，现在关于水分胁迫方面的研究已经涉猎与植物抗旱相关的功能基因[7]，例如乙醇脱氢酶(ADH)、丙酮酸脱羧酶(PDC)、类钙调神经磷酸酶B亚基(CBL)、9- 顺环氧类胡萝卜素双加氧酶(NCED)、甜菜碱醛脱氢酶(BADH)[8]，以及一些转录因子，例如MYB、MYC、DREB、bZip、WRKY等[7，9，10]，并且随着像高通量测序等先进测试技术的发展，水分胁迫对植物根际土壤生态环境的影响也成为研究的重点和热点。

植物的生长发育对所处土壤环境的各类因子都有很敏感的响应，其中，植物根际土壤土层水分状况是影响土壤环境的主要因素之一，土壤水分过高，土壤通透性差，易导致土壤缺氧，土壤空隙过细，非毛管孔隙度过低，致使土壤气、固、液三相比例失调，土壤容重增大[11]，土壤水分过低又容易形成大量土壤大孔隙，导致水分流失，破坏土壤结构，不能满足作物需水要求[12]。过高和过低的水分条件均可影响土壤环境状况，从而影响土壤各种生化反应、酶促反应以及微生物群落结构，制定科学合理灌溉制度能够调节土壤水分状况，保证土壤水、肥、气、热进行良性循环，可有效的保护土壤生态环境，促进作物生长发育。

2 水分胁迫对植物根际土壤酶活性的影响

土壤酶(Soil enzyme)是土壤微生物、植物根系以及动物产生的一种具有生物催化作用的特殊蛋白类化合物，被称之为“植物营养元素的活性库”[13]，在土壤有机质分解，土壤生态系统的物质循环，养分循环以及能量流动方面具有重要作用[14- 15]，一定程度上反映了土壤的健康状况和相应物质在土壤中的转化情况。目前关于土壤酶研究主要包括水解酶类(主要代表酶有蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶、蛋白酶等)和氧化还原酶类(主要代表酶有氧化氢酶、脱氢酶、多酚氧化酶等)[16]。土壤蔗糖酶广泛存在于土壤中，参与土壤中碳水化合物的转化，为植物和微生物提供可利用的营养物质，它是土壤生物学活性的重要评价[17]。土壤过氧化氢酶能够稀释土壤中生化反应生成的过氧化氢对植物和土壤环境的污染和毒害作用，其活性可以表征土壤呼吸强度[18]。土壤脲酶能够将土壤中难以供植物根系吸收利用的含氮有机质转化为可吸收利用的氨，其活性能够反映土壤的供氮能力[18]。

土壤水分是植物吸收水分的主要来源，也是导致土壤生态环境变化的主要因素。土壤中一切水、肥、气、热状况以及外源因素对土壤酶的响应非常敏感，其活性能够反应土壤中各种生化反应的过程和程度，因此通常将土壤酶作为评估土壤质量的重要指标之一[19]。水分胁迫处理是影响土壤酶活性的措施之一，Chrost等研究表明，土壤水分过高时，土壤酶活性减弱，当土壤含水率适中时土壤酶活性偏高[20]；Gramss等研究也表明，合理的水分胁迫措施能够刺激植物根系分泌更多的酶数量[21]。关于土壤酶的研究大多集中于森林、农田和草地生态系统，土壤酶对环境胁迫的响应十分强烈，马伟伟等在对高山林地的土壤酶活性检测中发现，土壤含水率降低显著降低了β-D-葡萄糖苷酶、β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶和多酚氧化酶活性，对过氧化物酶和酸性磷酸酶并无显著影响[22]，周来良等人对不同水分胁迫下刺槐、柠檬桉、大叶相思根际土壤酶活性研究发现，随着胁迫程度增加刺槐根际土壤蔗糖酶、淀粉酶、磷酸酶、蛋白酶、脲酶以及过氧化氢酶活性呈减小趋势；柠檬桉根际土壤蔗糖酶、淀粉酶、磷酸酶、蛋白酶、脲酶呈减小趋势；大叶相思根际土壤蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶磷酸酶、呈减小趋势，但淀粉酶呈增加趋势，同时还发现未栽种任何植物的土壤酶活性总体趋于降低[23]，但也有研究结果表明，土壤水分并未影响亚高山针叶林土壤转化酶、脲酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶活性[24]。肖新等开展了水分胁迫对农田生态系统土壤活性的研究，发现与常规灌溉相比，控制灌溉显著提高稻基农田土壤脲酶、土壤过氧化氢酶、土壤磷酸酶、土壤转化酶活性[25]。但张超宇在对农田载参土壤酶活性的研究中得出了与之不同的结论，研究结果表明，土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶与水分之间存在相关性，水分含量越高，土壤酶活性越强，而水分对土壤酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性影响较小[26]，但王玉才等人研究结果又表明，充分灌溉和轻度水分亏缺不会显著影响河西绿洲菘蓝农田0～20cm土层中脲酶活性[27]。草地生态系统也是土壤酶研究的重要场所，研究结果表明，增水处理降低了内蒙古典型草原纤维素酶活性，增加了β-葡糖苷酶活性[28]。孙彩丽研究发现轻度水分胁迫降低了长芒草、白羊草根际土壤酸性磷酸酶水解酶，但有助于提高两种植物根际土壤β- 1，4-乙酰-葡糖胺糖苷酶，β- 1，4-葡糖苷酶，β- 1，4-木糖苷酶，纤维素二糖水解酶、多酚氧化酶、亮氨酸氨基肽酶[29]。还有学者开展了水分胁迫处理措施下，植物根际土壤酶活性的时空变化规律，发现随着土层深度增加，土壤酶活性降低[30]，Song等研究发现，在拔节期、抽穗期和灌浆期水分胁迫降低玉米杂交种根际土壤蛋白酶活性，但苗期水分胁迫有助于提高蛋白酶活性[31]。土壤酶种类繁多，来源复杂，且与土壤温度、土壤基本理化性质、碳氮磷组分、pH、土壤微生物等相互影响、协同制约，同时又受植物类型，生长发育阶段的不同而变化，尽管目前对于水分胁迫下土壤酶活性变化的研究甚多，但植物根际土壤酶活性对水分胁迫的响应具有很强的不确定性，因此因地制宜制定科学合理的灌溉制度非常必要，而且如何通过水分胁迫调节土壤酶特性同时减小干旱环境对植物造成的不利影响也将是研究重点。

3 水分胁迫对植物根际土壤微生物群落结构的影响

土壤微生物是土壤生态系统中做活跃的因素，在土壤形成和发育、土壤有机质分解、物质和能量输入、养分转化以及肥力演变等有着重要作用，是物质循环生态链中的重要环节，主要包括细菌、真菌以及放线菌[32]；植物根际促生菌(plant growth promoting rhizobacteria， PGPR)是定殖在植物根际表面促进植物生长发育的一类有益菌[33]。PGPR能够抑制土壤中非寄生性根际有害微生物(DRMO) 与有害病原微生物，分泌利于植物生长的代谢产物，促进植物矿物质营养的吸收和利用[34，35]。常见的PGPR有假单孢菌属(Pseudomonas)、黄杆菌属(Flavobacterium)、芽孢杆菌属(Bacillus)、肠杆菌属(Enterobacter)、农杆菌属(Agrobacterium)、埃文氏菌属(Eriwinia)等[36]，PGPR能够分泌一些嗜铁素，促进植物对土壤中铁元素的吸收利用(Fe3+→Fe2+)，大部分的根际促生菌还能分泌一些固氮酶，溶磷酶以及一些有机酸，固定氮素并且能够分解土壤中的难溶磷，根际促生菌对于植物生长发育有显著的促进作用，这还与促生菌产生的植物生长激素有关。还有一些放线菌群，主要有链霉菌属(Streptomyces)、诺卡氏菌属(Nocardia)，研究表明：链霉菌和诺卡氏菌能够产生大量抗生类物质，防止病虫害，例如防治水稻纹枯的井冈霉素、对引起植物白叶枯病的细菌，以及原虫、病毒有作用的间型霉素等，一些乳酸菌群、酵母菌群、光合成菌群也能够分泌一些促生素等物质促进植物生长发育，增加抗病能力。

水分胁迫措施能够影响植物根际土壤微生物菌群结构，一是水分胁迫会对土壤微生物产生渗透压力直接影响微生物菌群结构变化，渗透调节物质积累假说(Osmolyte accumulation hypothesis，OAH)认为在水分胁迫条件下，土壤微生物群落通过积累更多的渗透调节物质(多糖、多元醇和氨基酸等)来维持细胞的压力势，而在湿润条件下，释放渗透物质，同时微生物群落具有更快的周转速率和死亡率，在水分胁迫下真菌趋向于积累多元醇，而细菌主要利用氨基酸和多糖来抵抗干旱胁迫[37]。二是水分胁迫会通过影响植物光合作用间接影响土壤微生物菌群结构，光合作用涉及光吸收、电子传递、光合磷酸化、碳同化等重要反应步骤，水分胁迫能够间接影响土壤微生物可利用碳源的质和量[38]。

Tian et al.采用实时定量PCR和TRFLP技术对青藏高原高山湿地干旱年份和湿润年份土壤古细菌群落大小和结构研究发现干旱导致古细菌群落数量的显著减少[39]。王义祥等人采用平板计数法对圆叶决明盆栽进行水分胁迫处理发现，水分胁迫明显增加了圆叶决明根际土壤细菌、真菌、放线菌以及固氮菌的数量，并且随着胁迫周期的延长，土壤真菌和放线菌的数量有所增长[40]。孙彩丽等人采用磷脂脂肪酸(PLFA)方法研究了水分胁迫处理对黄土高原三种主要禾木草根际土壤微生物群落结构的影响，结果表明轻度水分胁迫较充分供水显著降低了白羊草根际土壤PLFA总量、细菌PLFAs、真菌PLFAs、革兰氏阳性菌PLFAs、革兰氏阴性菌PLFAs及土壤真菌/细菌的PLFAs比率，水分胁迫处理增加了狗尾草根际土壤革兰氏阴性菌PLFAs，其余各PLFAs量均显著降低，生长当年，水分胁迫处理的长芒草根际土壤各PLFAs量均显著降低，但是次年水分胁迫处理土壤PLFA总量、革兰氏阳性菌PLFAs显著增加[29]。孔钰凤等人采用变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术分析栽培和野生大豆的根际土壤微生物变化，结果表明，水分胁迫明显降低了栽培和野生大豆根际土壤真菌数量，但提高了野生大豆根际土壤细菌香农指数和条带数；水分胁迫降低了野生大豆基根际细菌中Rhizobiumsp.的比例，提高Bradyrhizobiumsp.和Sphingomonassp.(Band- 16)的比例，研究还发现Sulfitobactersp.只出水分胁迫处理的野生大豆中，因此研究指出水分胁迫措施可能会刺激植物对特定的菌群做出选择并与之建立联系以抵御环境变化[41]。高江力利用MiSeq高通量测序方法研究荒漠植物根际和非根际土壤微生物丰度，研究结果表明，随着水分胁迫长度降低，Acidobacteria、Chloroflexi和Gemmatimonadetes的相对分度增加，且根际土壤中的Bacteroidetes相对丰度显著高于非根际土壤[42]。说明植物根际分泌物能够提升土壤微生物活性和丰度。由此发现，植物根际土壤微生物对植物种类和不同水分胁迫反应异常敏感，为最优化利用土壤微生物益处，需要更加明确水分胁迫下植物根际土壤微生物群落变化的原因，根据当地植物种类、种植模式以及土壤类型等确定最佳胁迫程度和胁迫时间，以有效的改善土壤生态环境、提高土壤质量，实现水资源集约利用。

4 结语

因此，从生理节水角度入手，因地制宜采取高效节水灌溉技术，系统研究水分胁迫下植物根际土壤生态环境对水分调控的响应机理，对于改善土壤环境、构建植物与土壤微生物间的信号传导、提高水资源利用效率、建设农业循环经济、促进植物生长发育具有重要意义。