苗期甜菜根系分泌物的分布特征研究

王秋红，宋柏权，王孝纯，景若楠，杨曦娅，周建朝

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

“根系分泌物”随同“根际”这一概念一起出现，并成为根际中最重要的组成部分[1]。根系分泌物包含可溶性根系分泌物和根状沉积物[2]。它在根、土壤微生物组和土壤颗粒之间会引发一系列根际对话[3-4]，包括促进土壤颗粒物质聚集、风化和成土过程、根际养分活化、促进有毒金属和有机污染物的解毒、植物间和植物内信号交换、植物中化感物质的释放、植物-微生物间信号交换、影响微生物群落的大小、组成和活性，影响土壤中的水分流向，推动关键土壤过程的变化，如C和养分周转以及温室气体排放等。根系分泌物的量及分布特征直接影响着根际微生物的种群、结构和功能，进而间接影响着根际养分的吸收利用以及作物的生长[5]。前人对根系分泌物的研究多采用营养液培养（水培）[6-8]，尽管水培试验从操作上来讲相对容易些，但仍然存在如何将在水培条件下获得的结果与土壤环境进行比较等实际问题。因此，本研究模拟土壤环境，利用砂培使作物根部氧气供应较好、更接近于田间土培的自然状态、同时也可获得完整根系等优势，替代土培进行试验。用滤布将砂分层，使得沿甜菜根表面形成了根系分泌物的分布梯度，在为根际微生物提供能源和碳源的同时，改善了植物根际的养分有效性。

1 材料和方法

1.1 试验材料

选取甜菜基因型差异的有机氮吸收效率高、低的种质材料[9]各一份，材料的来源、倍性及粒性详见表1。

表1 试验材料表

1.2 试验设计与方法

本试验在黑龙江大学农学楼光照培养室完成，采用砂培盆栽法，甜菜培养期间光照强度为200 μmol/(m2·s)，日照14 h，温度25；夜间10 h，温度为20。

首先将石英砂进行前处理，先过40目筛，然后用5%盐酸浸泡6 h，再用自来水冲洗至pH接近中性，之后用蒸馏水浸泡2 h，150，6 h烘干待用。

参照改良后的Hoagland营养液的配方[10]（见表2）将营养液均匀拌入石英砂中。其中N：100 mg/kg，P2O5：150 mg/kg，K2O：150 mg/kg，Ca：200 mg/kg。

表2 培养液的配方

在玻璃视筒（高15 cm，直径12 cm）底部用纱布封口，放入托盘中，先装砂1.8 kg，敦实，抚平，盖一层300目滤布；上面再均匀铺一层约5 mm砂，再用滤布盖好；上面铺3 mm砂，再用滤布盖好；上面铺2 mm砂，再用滤布盖好；在滤布上播种40粒，覆砂至7 mm。生长期间水分管理是从托盘补水，利用毛管张力法供给。每个品种10次重复，设置无苗对照。在光照培养室中培养50天后，甜菜4～6片真叶期开始收获测定。

根据滤布的分层分别取砂，分层混匀后-70保存待测。用高效液相色谱仪（ProStar-240型）测定待测用砂中有机酸[11]（包括草酸Oxalicacid，酒石酸Tartaricacid，甲 酸 Formicacid，苹 果 酸 Malicacid，丙 二 酸Malonicacid，乳酸Lacticacid，乙酸Aceticacid，柠檬酸Citricacid，琥珀酸Succinicacid，丙酸Propanoicacid等10种）、氨基酸[12]（包括组氨酸His，丝氨酸Ser，精氨酸Arg，甘氨酸 Gly，天冬氨酸 Asp，谷氨酸Glu，苏氨酸Thr，丙氨酸 Ala，脯氨酸 Pro，半胱氨酸 Cys，赖氨酸Lys，酪氨酸Tyr，蛋氨酸Met，缬氨酸Val，异亮氨酸Ile，亮氨酸Leu，苯丙氨酸Phe等17种）及糖类物质[13]（包括蔗糖、葡萄糖、半乳糖和果糖等4种）的含量。并根据根系分泌物在距根表面不同距离的量的变化，求出其分布情况。

采用Excel 2016进行数据整理、Origin8作图，用IBM SPSS Statistics 25进行方差分析。

2 结果与分析

选取甜菜有机氮吸收效率高的KWS8138和有机氮吸收效率低的Beta176进行室内砂培试验，对收集到的根系分泌物进行测定，分析不同根际距离的根系分泌物种类和数量。

2.1 根系分泌物中氨基酸类的变化趋势

根系分泌物是植物-土壤-微生物系统中氨基酸的主要来源之一，对甜菜苗期根系分泌物中17种氨基酸含量的测定结果（表3）表明，KWS8138从根表面到2 mm的土层中Glu含量较高，占该土层总氨基酸的12.3%、10.6%，距根表面5～20 mm土层中Tyr含量较高，分别占该土层的11%、11.5%、11.7%。根表层土层中Met含量最少，占2.1%；距根表面2～20 mm土层中Ile含量最少，分别为3.4%、2.2%、2.4%、2.2%。Beta176各土层氨基酸含量的变化趋势与KWS8138有相似之处，从根表面到2 mm的土层中Glu含量也较高，占该土层总氨基酸的12%、11.2%，距根表面5～20 mm土层中Tyr含量仍较高，分别占该土层的12.2%、12.8%、12.2%，但根表层到2 mm土层中His含量最少，占2.4%、2.5%，距根表面5 mm土层中Ile含量最少，为3.4%，距根表面5～20 mm土层中Arg含量最少，分别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离的含量 mg/kg

根际0～20 mm的土层中总氨基酸的含量在根表面含量最高（图1），随后逐渐减少，在距离根表面0～5 mm之间降幅最大，在5 mm之后逐渐趋于平缓。KWS8138与Beta176 2个品种间变化趋势一致，KWS8138总氨基酸含量略高于Beta176。

图1 甜菜苗期根系分泌物中总氨基酸距根表面的变化趋势

在检测的17种氨基酸中，3种小分子量的氨基酸（Gly、Ala和Ser）变化趋势和总氨基酸基本一致（图2），根际0～5 mm范围内含量降低很快，从5 mm之后就的含量变化逐渐平缓，KWS8138略高于Beta176。

图2 甜菜苗期根系分泌物中小分子量氨基酸距根表面的变化趋势

在大分子量的氨基酸中（图3），Arg（图3左）在根际的变化趋势与总氨基酸和小分子量的氨基酸相似，距根表面0～5 mm范围内含量降低很快，随后降速变缓，但是，不同的是KWS8138略低于Beta176。Tyr（图3右）在0～20 mm的根际范围内KWS8138虽然略高于Beta176，但整体变化趋势却是随着距离根表面越远，含量越低。

图3 甜菜苗期根系分泌物中大分子量氨基酸距根表面的变化趋势

2.2 根系分泌物中有机酸类的变化趋势

用液相色谱测定根系分泌物中的10种有机酸，包括 草 酸 Oxalicacid、酒 石 酸 Tartaricacid、甲 酸Formicacid、苹果酸Malicacid、丙二酸Malonicacid、乳酸Lacticacid、乙酸Aceticacid、柠檬酸Citricacid、琥珀酸Succinicacid、丙酸Propanoicacid等10种，从测定结果看，草酸含量最高。另外草酸、甲酸的变化结果有规律可循（图4），其他8种有机酸含量很低，有的甚至未检出。草酸在距离根表面0～20 mm范围内呈近似线性的下降趋势，距离根表面越远，含量越少；甲酸的变化是在0～5 mm范围内降低很快，随后降速稍变缓。无论草酸还是甲酸，KWS8138均略高于Beta176。

图4 甜菜苗期根系分泌物中草酸和甲酸距根表面的变化趋势

2.3 根系分泌物中糖类物质的变化趋势

通过对根系分泌物中糖类物质（包括蔗糖、葡萄糖、半乳糖和果糖等4种）含量的测定，发现各种糖类物质的含量变化顺序为：葡萄糖＞果糖＞蔗糖＞半乳糖。其中葡萄糖含量的变化是在距离根表面0～20 mm范围内呈近似线性的下降趋势，距离根表面越远，含量越少。KWS8138略高于Beta176。

3 结论与讨论

根际是植物、土壤、微生物及其环境相互作用的中心，是距离根表面2 mm范围内的区域。根系分泌物是根际的关键成分[14]，包括糖、有机酸、氨基酸、酚类、次生代谢物、粘液和/或蛋白质等[15]，它们对植物生长所需的矿质营养的获取具有重要的直接或间接影响[16]。在根系分泌物中，氨基酸直接参与植物与根际微生物之间的互作[17]，是根系释放到根际的主要有机氮库[18-19]，为土壤微生物提供C和N供应[20-22]。氨基酸的主要释放部位在根尖区域，沿着根部向根基的外流速率逐渐下降[23]。氨基酸吸收速率在靠近土壤-根界面处形成了明显的衰减区，这与笔者的测定结果相一致，根可以从主要的无机氮供应转换为主要的有机氮源[23]。特定的氨基酸可以提高植物的抗逆性能力，作为渗透保护剂、重要代谢物的前体、反应和信号分子或在活性氧物种的解毒中均可发挥作用[24-25]。在生物化学上，谷氨酰胺/谷氨酸家族(Gln、Glu、GABA、Pro、Arg)接近无机氮[即谷氨酰胺合成酶/谷氨酰胺-羟戊二酸氨基转移酶(GS/GOGAT)循环]进入有机氮代谢的“入口点”[25]。本研究表明0～2 mm土层（根际）中Glu含量最多，和谷氨酰胺/谷氨酸家族的Pro、Arg等总和占该土层总氨基酸的24%以上，而且在品种间无差异，可见在甜菜苗期（室内播种50天以内）的根际土层中谷氨酰胺/谷氨酸家族的矿化量很低，能够消耗的微生物数量也少。

图5 甜菜苗期根系分泌物中葡萄糖距根表面的变化趋势

研究表明，氨基酸、有机酸、糖类物质等根系分泌物的释放主要集中在根尖区域[26]，氨基酸和糖类物质通过被动扩散释放到根际土壤中，而有机酸通过主动外排释放[27]。有研究表明，根对糖类物质的吸收是通过位于质膜上的一种活性的、由ATP酶驱动的质子共转运蛋白来实现的[28]。选择有机氮高效吸收的甜菜品种KWS8138，其根际区域的糖类物质（葡萄糖）和有机酸（草酸、甲酸）含量逐渐高于远离根际区域，根在根际土壤中对这些分泌物的释放及吸收限制了根外分泌物的积累，更重要的是也控制了根际微生物种群的大小。