甜菜根系分泌物的氧化还原特性研究

邢启男　杜胜楠　王秋红

摘要 本研究以有机氮高效品种KWS8138和有机氮低效品种BETA176为材料，采用循环伏安方法，研究“土壤—根系分泌物—有机氮”体系中的氧化还原特性的变化，明确具有电子穿梭功能的关键活性物种；测试反应体系中土壤表面根系分泌物形态、结构特征的变化及土壤表面性质的变化，分析腐殖质具有电子穿梭作用的活性官能团及其功能，结合体系中关键微生物种群和关键土壤理化性质，阐明根系分泌物加速土壤有机氮矿化的生物-化学耦合机制。结果表明，有机氮高效品种KWS8138较有机氮低效品种BETA176根系分泌物中溶解态活性物质更容易被氧化、也容易被还原；有机氮高效品种KWS8138与有机氮低效品种BETA176根系分泌物中非溶解态活性物质均不容易被氧化和还原。

关键词 甜菜；根系分泌物；氧化还原

中图分类号 S274   文献标识号 A

文章编号 1007-7731（2023）08-0073-06

Characterization of Redox Studies of Sugar Beet Root Secretions

XING Qinan   DU Shengnan   WANG Qiuhong*

（College of Modern Agriculture and Ecological Environment， Heilongjiang University， Harbin Heilongjiang 150080）

Abstract In this experimental study， the organic nitrogen efficient variety KWS8138 and the organic nitrogen inefficient variety BETA176 were used as materials to study the changes of redox characteristics in the "soil-root secretion-organic nitrogen" system by cyclic voltammetry. The changes of redox characteristics in the system of "soil-root secretion-organic nitrogen" were investigated by cyclic voltammetry， and the key active species with electron shuttle function were identified. To elucidate the biochemical coupling mechanism of root secretions in accelerating soil organic nitrogen mineralization in combination with key microbial populations and soil physical and chemical properties.The results showed that the dissolved active substances in the root secretion of the organic N-efficient variety KWS8138 were more easily oxidized and reduced than those of the organic N-inefficient variety BETA176. The dissolved active substances in the root secretion of KWS8138 and BETA176 were not easily oxidized and reduced.

Keywords sugar beet; root secretion; redox

在植物的整個生长过程中，根系会不断地从生长介质中吸收各种养分和水分，也会不断地向生长介质中释放质子、无机离子和大量的有机物质。这些由根系分泌出来的物质和根组织的自然脱落物通常被称为根系分泌物[1]。根系分泌物的概念与“根际”的概念是在同一时期被提出，其在根际中发挥着至关重要的作用[2-3]。根系分泌物会导致根系、土壤微生物和土壤颗粒之间发生一系列根际交互作用[4-5]。在一定的条件下，由根系的各个部分向根系周围释放出来的有机物被统称为根系分泌物[6-9]。根系中存在各种各样的根系分泌物，而且不同植物的根系分泌物的类型和数目不同。根系分泌物由各个不同的物质组成，而质子和无机离子作为其中之一的组成部分，它们可以通过自身对根际土壤酸碱度和氧化还原电位的调控，进一步影响根际养分的有效性[10]。同时，植物根系分泌出来的某些无机离子和低分子的有机物质也可以再次被植物吸收和利用，使植物体内的物质循环和能量流动得到有效的补充。

根系分泌物是植物将有机物返还土壤的重要组成部分，也是植物与土壤微生物之间的重要纽带。在营养循环、能量流动和有机物循环中，根系分泌物发挥着举足轻重的作用，其作为物质交换和信息传递的重要媒介，在植物与土壤之间发挥着至关重要的作用[11]。以往的研究表明，植物根系分泌物的分泌是一种良好的适应环境的方法[12]。植物和根基环境的物质、能量、信息都是通过根系分泌物进行的。根系分泌物成分的改变，是植物个体的代谢、生长发育的重要标志。根系刚分泌出来的物质可以快速结合土壤颗粒，保护团聚体，避免水损害。土壤结构的形成过程与许多因素密切相关，不仅包括有机质含量、土壤机械组成，还包括气候条件和土壤微生物的活动条件等。然而，在培育和采集植物根系分泌物的整个过程中，植物根系对土壤理化性质和微生物活动具有一定的调节，并直接作用于土壤团聚体[13]。苑亚茹等[14]通过研究植物根系分泌物对根际微生物数量和物种的影响，发现了植物根系分泌物对土壤团聚体聚结过程的影响。结果表明，土壤微生物主要是促进土壤微团聚体的形成，而真菌微生物则是促进微团聚体胶结形成土壤团聚体。

氮是植物生长和发育的重要物质。土壤中的微生物会直接参与到有机氮矿化这个过程中，并通过自己本身的生命活动将其他有机态氮转化成无机态氮，从而被植物根系吸收并加以利用[15]。植物周围土壤环境中的某些重金属也可以被根系分泌物所氧化。大量研究结果表明，植物可以通过根系分泌物氧化和还原一些重金属，从而改善重金属对植物本身的伤害和某些污染物对自然环境的影响[16]。纵观国内外关于根系分泌物氧化还原电位的研究，许多研究表明，植物的存在能够为根系分泌物的氧化还原电位起到催化作用[17-18]。本研究以甜菜为试验材料，研究2种不同含氮量的甜菜品种“土壤—根系分泌物—有机氮”体系中的氧化还原特性，为进一步研究甜菜的氧化还原特性提供参考和依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 土壤准备。取黑龙江大学呼兰校区试验田（45°59′46.84″ N、126°38′1.62″ E）黑土表层10 cm的土壤，风干后用玛瑙研钵研磨至粉状，分别过0.15 mm（100目）的尼龙筛。土壤特性如下：全N 1.86 g/kg，全P2O5 1.18 g/kg，全K2O 28.10 g/kg，有机质含量33.95 g/kg，pH 6.92，碱解氮 182.28 mg/kg，速效P2O5 196.44 mg/kg，速效K2O 304.28 mg/kg。

1.1.2 根系分泌物准备。选取土壤有机氮高效品种KWS8138和有机氮低效品种BETA176进行水培试验。将上述2个品种的种子用蛭石育苗，每个品种育苗300株/盆，出苗后（两片子叶在同一水平面），每个品种选取60株（每个玻璃槽5穴，每穴3株，每个品种4个玻璃槽）转入含改良后的Hoagland培养液中[19]（表1），在黑龙江大学农作物研究院植物光照培养室培养，光强200 ?mol·m-2·s-1，日温25 ℃，夜温18 ℃，每3 d更换一次营养液。生长至6～8片真叶后收集根系分泌物。

1.1.3 根系分泌物收集。更换营养液过夜后，取出植株，用自来水及去离子水洗净根系，依次放入50 mL 0.2 mmol/L Cacl2 2 h和50 mL 30 mg/L氯霉素溶液0.5 h，然后用自来水及去离子水冲洗干净，置于含有50 mL去离子水的三角瓶中（三角瓶外用黑塑料袋包裹），在瓶口用海绵将植株固定，每瓶3株，重复3次，6 h后收集于棕色瓶中，4 ℃保存。

1.2 土壤—根系分泌物—有机氮反应体系的建立

设计3个不同的处理反应体系：①土壤（CK1）；②土壤+第1个品种根系分泌物；③土壤+第2个品种根系分泌物按土∶根系分泌物母液比1∶10的比例，将已过0.15 mm筛的土样添加到50 mL西林瓶中，以0.06 m3·min-1速度充氮气30 min，然后将反应样品放在（25±0.1） ℃的厌氧工作台中静置反应。西林瓶数目根据采样次数确定。每次取样测定时，随机取2～3小瓶，将悬液摇匀，用注射器抽取样品进一步测定。

1.3 “土壤—根系分泌物—有机氮”体系中的氧化还原特性

采用循环伏安方法[20-21]与传统的三电极体系[22-23]测试“土壤—甜菜根系分泌物—有机氮”反应体系中的活性物质的氧化还原电位。

1.4 试验设计

1.4.1 反应溶液中溶解态活性物种的表征。从不同处理的西林瓶中抽取反应溶液，以8 000 r/min 高速冷冻离心20 min，上清液以玻碳电极为工作电极，Ag/AgCl电极（饱和KCl，222 mV，SHE）为参比电极，铂电极为辅助电极，曝氮气20 min后用电化学工作站进行循环伏安扫描，扫描范围为?1.5～1.2 V，扫描速率为200 mV/s。测试反应溶液中溶解态[24-26]物质的氧化还原特性。

1.4.2 反应溶液中非溶解态活性物质的表征。将上述试验设计1.4.1中反应溶液离心搜集的沉淀用去离子水重新悬浮，采用1.4.1相同的方法测试反应溶液中非溶解态[24-26]活性物质的氧化还原特性。

1.4.3 不同基因型甜菜根系分泌物的活性物质的表征。搜集不同基因型甜菜根系分泌物，通过与上述试验设计1.4.1相同的方法测试反应液中活性物质的氧化还原特性。

2 结果与分析

2.1 “土壤—根系分泌物—有机氮”体系中的氧化还原特性

2.1.1 反应溶液中溶解态活性物质的表征。2个品种根系分泌物中溶解态活性物质的CV曲线如图1所示，该测试在常温下进行，有机氮高效品种KWS8138阳极回扫电位分别为0.11、0.51和0.66 V，阴极电流随着阳极回扫电位的正移而增加，并且在阳极曲线上会出现一个明显的峰电位，为0.66 V。随着阳极电位的增加，阴极电流并没有随着阳极回扫电位的正移而增加，而是同阳极电流一样基本不变，且在阳极电流中出现了电位肩（0.51～0.66 V），阳极电流峰电位为0.66 V比，氮低效品种BETA176显著增加。此外，2个品种的阴极电流峰出现在0.13～0.15 V及-0.81 V的位置。阴极峰在2个品种中差異不大。

根据循环伏安曲线的比较，可以看到出现了几对明显的氧化还原峰，通过其氧化还原峰的峰电流比值，算出峰电位差（△EP），根据△EP是否<59 mV，考虑能否说明其具有可逆性。另外通过获得的△EP值，并根据可逆体系的循环伏安分析理论（△EP=59 m V/n，其中n为电子转移数），可以推测这是几个电子转移的电化学反应。图1中各氧化还原峰数据如表3所示。

可见有机氮高效品种KWS8138较有机氮低效品种BETA176根系分泌物中溶解态活性物质更容易被氧化也容易被还原，具有很好地接受电子和供电子能力。

2.1.2 反应溶液中非溶解态活性物种的表征。2个品种根系分泌物中非溶解态活性物质的CV曲线如图2所示，该测试在常温下进行，有机氮高效品种KWS8138阳极回扫电位没有出现明显的峰位点，阴极电流随着阳极回扫电位的正移而增加。随着阳极电位的增加，阴极电流并没有随着阳极回扫电位的正移而增加，而是同阳极电流一样基本不变，在阳极电流中没有出现电位肩。

通过循环伏安曲线的比较可以看到，有机氮高效品种KWS8138与有机氮低效品种BETA176根系分泌物中非溶解态活性物质均不容易被氧化和还原，接受电子和供电子能力无显著差异，均较差。

2.1.3 不同基因型甜菜根系分泌物的活性物质的表征。由图3可以看出，2个品种的根系分泌物均未发现非常明显的峰电位，未表现出很强的氧化还原特性。相比较之下有机氮高效品种KWS8138较有机氮低效品种BETA176的根系分泌物活性物质更容易被氧化和还原，接受电子和供电子能力相对强一些。

3 结果与讨论

根系分泌物是一种重要的物质交换和信号传递的载体，其中的某些还原物质也是引起氧化还原电位改变的重要因子[27-28]。根系分泌物的氧化还原特性的研究始于20世纪60年代[29]。孙玉等[30]研究表明，具有高氧化还原电位的电子受体的活性较高，供体与受体的氧化还原电势差越大，电子传递速率越快。宋俊鸣[31]通过稻草还田的试验得出氮含量越高，氧化还原能力越强。Reddy等[32]研究发现，在可耕条件下，氧化还原电位变化可以很好地反映土壤中的氮素流失。本试验结果表明，不同基因型甜菜根系分泌物中均有还原峰电位，其中KWS8138的峰电位较明显，BETA176的峰电位相对较弱。在土壤氧化还原平衡中，有机质的还原性物质作为电子供体被氧化，与之相互作用的电子受体也会被还原。这种氧化还原耦的氧化数（价数）的变化，标志着原子或离子的电子转移，而将物质转化的氧化还原反应也是经过了电子获得和损失的过程所形成的。品种KWS8138的根系比品种BETA176更發达，根际的根系分泌物产生量大，促进土壤中的有机氮矿化。有机氮高效品种KWS8138具有较好的抗氧化还原性。

研究表明，根系分泌物中溶解态活性物质比非溶解态活性物质的氧化还原能力更强[33]，其原因是根系分泌物以还原性物质为主，而土壤吸附正电荷的还原性物质。根系分泌物的溶解态活性物质所包含的还原性物质高于非溶解态的还原性物质，而且溶解态活性物质的氧化还原作用比非溶解态活性物质快而强，所以会出现比较明显的峰电位变化，进一步表明根系分泌物的溶解态活性物质的氧化还原性高于非溶解态活性物质。

综上所述，根系分泌物是植物生长过程中从根系不同部位分泌或释放到生长介质中的各种物质，种类繁多。根系分泌物中的溶解态和非溶解态2类活性物质溶解度不同，溶解态活性物质含有更多的还原性物质，而且其氧化还原作用快而强。KWS8138和BETA176是一组不同的基因型品种，其根系分泌物中存在着不同的质子和无机离子，可以调控根际土壤的氧化还原电位。有机氮高效品种KWS8138比有机氮低效品种BETA176分泌的质子和无机离子种类和数量更多，因此其根系分泌物中活性物质的氧化还原特性更为明显。

4 参考文献

[1] 洪常青，聂艳丽.根系分泌物及其在植物营养中的作用[J].生态环境，2003，12（4）：508-511.

[2] HANEY C H，SAMUEL B S，BUSH J，et al. Associations with rhizosphere bacteria can confer an adaptive advantage to plants[J].Nature Plants，2015，1（6）：15051.

[3] OBURGER E，JONES D L. Sampling root exudates-mission impossible[J]. Rhizosphere，2018（6）：116-133.

[4] BAIS H P，WEIR T L，PERRY L G，et al.The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms[J]. Annual Review of Plant Biology，2006，57：233-266.

[5] PHILIPPOT L，HALLIN S，B?RJESSON G，et al. Biochemical cycling in the rhizosphere having an impact on global change[J]. Plant Soil，2009，321：61-81.

[6] PATERSON E，GEBBING T，ABEL C，et al.Rhizodeposition shapes rhizosphere microbial community structure in organic soil[J]. New Phytologist，2007，173（3）：600-610.

[7] EAST R. Microbiome：soil science comes to life[J]. Nature，2013，501（26）：S18-S19.

[8] 陆玉芳，施卫明.生物硝化抑制剂的研究进展及其农业应用前景[J]. 土壤学报，2021，58（3）：545-557.

[9] WU H W，HAIG T，PRATLEY J，et al.Allelo-chemicals in wheat （Triticum aestivum L.）：cultivar difference in the exudation of phenolic acids[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry，2001，27（1）：125-135.

[10] 王明霞，周志峰.植物根系分泌物在植物中的作用[J].安徽农业科学，2012，40（11）：6357-6359.

[11] 吴林坤，林向民，林文雄.根系分泌物介导下植株-土壤-微生物互作关系研究进展与展望[J]. 植物生态学报，2014，38（3）：298-310.

[12] 常二华，杨建昌.根系分泌物及其在植物生长中的作用[J].耕作与栽培，2006（5）：13-16.

[13] 罗晓虹，王子芳，陆畅，等.土地利用方式对土壤团聚体稳定性和有机碳含量的影响[J].环境科学，2019，40（8）：3816-3824.

[14] 苑亚茹，李娜，邹文秀，等.典型黑土区不同生态系统土壤团聚体有机碳分布特征[J].生态学报，2018，38（17）：6025-6032.

[15] 孟梁.根系分泌物及其在有机污染土壤修复中的作用[J].上海农业学报，2013，29（2）：90-94.

[16] 王小平，肖肖.根系分泌物及其对植物根际土壤微生态环境的影响探究[J].南方农机，2015，46（7）：47，49.

[17] WIENER A，KAPPELMEYER U，KUSCHK P，et al. Influence of the redox condition dynamics on the removal efficiency of a laboratory-scale constructed wetland[J]. Water Ｒesearch，2005，39（1）：248-256.

[18] FENNESSY M S，CRONK J K，MITSCH W J. Macrophyte productivity and community development in created freshwater wetlands under experimental hydrological conditions.Ecological[J]. Engineering，1994，3（4）：469-484.

[19] CHEN Z H，LI H Z. Hoagland nutrient solution promotes the growth of cucumber seedlings under light-emitting diode light[J]. Acta Agriculturae Scandinavica，Section B-Soil & Plant Science，2015，65（1）74-82.

[20] 于雪云.简述循环伏安法实验技术的应用[J]. 德州学院学报，2012，28（S1）：204-205.

[21] 张丽，陆嘉星，张千峰.循环伏安法研究CO2电还原行为[J].安徽工业大学学报（自然科学版），2010，27（1）：24-26，33.

[22] GARRICK T R，GAO J，YANG X Y，et al. Modeling electrochemical transport within a three-electrode system[J]. Journal of The Electrochemical Society，2021，168（1）010530.

[23] INABA， MASANORI， QUINSON， et al.The Influence of Catalyst Ink on the urea oxidation reaction activity evaluated in a three-electrode system[J]. ECS Meeting Abstracts，2019.

[24] HOROWITZ A J，ELRICK K A，HOOPER R C. A comparison of instrumental dewatering methods for the separation and concentration of suspended sedinment for subsequent trace element analysis[J]. Hydrological Processes，1989，3（2）：163-184.

[25] ARTHUR J.Horowitz.Monitoring suspended sediments and sssociated chemical constituents in urban environments：Lessons from the city of Atlanta，Georgia，USA water quality monitoring program[J]. Journal of Soils and Sediments，2009，9（4）：342-363.

[26] 曾凡亮.色度对循环水浊度测定的影响[J]. 2007全国水处理技术研讨会论文集，2007.

[27] 吴清莹，林宇龙，孙一航，等.根系分泌物对植物生长和土壤养分吸收的影響研究进展[J].中国草地学报，2021，43（11）：97-104.

[28] 吴林坤，林向民，林文雄.根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系研究进展与展望[J].植物生态学报，2014，38（3）：298-310.

[29] VORENHOUT M，VANDER GEEST H G，VANMARUM D，et al.Automated and continuous redox potential measurements in soil[J]. Journal of Environmental Quality，2004，33（4）：1562-1567.

[30] 孙玉，陈珈.植物细胞质膜氧化还原系统与信号转导[J]. 植物生理学通讯，1997（3）：161-167.

[31] 宋俊鸣. 寒地稻草还田对土壤还原性物质和水稻生长的影响[D]. 哈尔滨：东北农业大学，2021.

[32] REDDY K R，PATRICK W H. Effect of alternate aerobic and anaerobic condition on redox potential，organic matter decomposition and nitrogen loss in a flooded soil[J]. Soil Biol.Biochem.，1975（7）：87-94.

[33] 鲍士旦.土壤农化分析（第三版）[M]. 北京：中国农业出版社，2000.

（责编：何 艳）

基金项目 财政部和农业农村部国家现代农业产业技术体系“甜菜养分管理与土壤肥料岗位”（CARS-170204）。

作者简介 邢启男（1997—），女，河北唐山人，硕士。研究方向：植物发育与营养调控。

收稿日期 2022-08-15