間作玉米大豆根系分泌物中有機(jī)酸的變化特征

陳　利　肖靖秀　鄭　毅,

(1. 西南林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201)

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間作玉米大豆根系分泌物中有機(jī)酸的變化特征

陳利1肖靖秀2鄭毅1,2

(1. 西南林業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，云南 昆明 650224；2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201)

通過水培試驗(yàn)，收集了不同生育期單作玉米、單作大豆、玉米大豆分隔間作 (根系用尼龍網(wǎng)分隔) 及玉米大豆間作 (根系不分隔) 下的根系分泌物，并通過高效液相色譜方法分析不同種植模式下不同生育期的玉米大豆根系分泌物中有機(jī)酸的變化特征。結(jié)果表明：與單作相比，在有機(jī)酸分泌種類上，分隔間作玉米苗期增加蘋果酸，減少順丁烯二酸；喇叭口期無變化；孕穗期減少蘋果酸。間作玉米苗期增加蘋果酸，喇叭口期減少酒石酸和蘋果酸，孕穗期減少乳酸和順丁烯二酸；分隔間作大豆苗期增加檸檬酸，花期減少酒石酸和乳酸、增加乙酸，鼓粒期增加酒石酸和蘋果酸；間作大豆苗期增加檸檬酸，花期減少酒石酸和蘋果酸、增加乙酸，鼓粒期增加酒石酸和蘋果酸、減少乳酸和順丁烯二酸。在分泌速率上，分隔間作玉米喇叭口期增加了284.80%，間作玉米在喇叭口期和孕穗期分別增加了159.24%、88.01%；間作大豆在鼓粒期增加了149.59%，分隔間作大豆在苗期、花期和鼓粒期分別增加了114.65%、24.24%、389.38%。間作和分隔間作改變了有機(jī)酸分泌種類，間作能更長時期提高玉米有機(jī)酸分泌速率，分隔間作能更長時期提高大豆根系的有機(jī)酸分泌速率。

玉米；大豆；間作；根系；有機(jī)酸；分泌物

植物在生長發(fā)育的同時，不僅進(jìn)行著呼吸作用、光合作用，同時在其根部進(jìn)行著更為復(fù)雜的新陳代謝過程，即根系分泌物的分泌過程。1979年Rovira和Warembourg的定義被認(rèn)為是經(jīng)典定義因而被普遍接受[1]。根據(jù)其定義，根系分泌物可分為4類物質(zhì)：分泌物、滲出物、裂解物質(zhì)及粘膠質(zhì)。概括的說，根系分泌物是植物生長期間，根系向介質(zhì)分泌所有化合物的總稱，包括低分子量的有機(jī)、無機(jī)離子 (H+、Cl-、SO42-、NO3-等)、高分子質(zhì)量的黏膠物質(zhì)、維生素、植物激素、根細(xì)胞脫落物及其分解物等。其中有機(jī)物包括糖類、有機(jī)酸、氨基酸、酶類、酚類、黃酮類、脂肪酸和甾類化合物等。

植物向土壤分泌根系分泌物，不僅影響自身的生長，還會影響根際微生物的生長。這些微生物包括病原菌和促生菌。它們的生長繁殖會對植物的生長發(fā)育產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用。如根系分泌物中的有機(jī)酸不僅能活化植物所需的多種營養(yǎng)元素，還能影響植物根際土的pH，從而影響多種微生物的生長繁殖[2-3]。營養(yǎng)元素的活化使得植物的養(yǎng)分可用性大大提高，從而影響植物生長。有機(jī)酸的代謝反應(yīng)主要發(fā)生在三羧酸循環(huán)，由于有機(jī)酸在活化營養(yǎng)元素方面起著重要作用，有機(jī)酸大量分泌的原因曾一度引起研究者的重視。

玉米 (Zeamays) 大豆 (Glycinemax) 間作的研究大多是對營養(yǎng)元素吸收、生物量等進(jìn)行常規(guī)研究，而在間作條件下的根系分泌物卻鮮有探究。本試驗(yàn)旨在探究玉米、大豆間作苗期、喇叭口期/花期、孕穗期/鼓粒期等時期的根系分泌物中有機(jī)酸的種類和數(shù)量的變化特征，為進(jìn)一步理解植物種間互作、根土互作影響土壤養(yǎng)分利用效率提供參考依據(jù)。

1　材料和方法

1.1試驗(yàn)材料

供試大豆品種為鮮博士218，玉米品種為耕源135。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

種植方法：1) 大豆單作 (2株/盆)，玉米單作 (2株/盆)；2) 大豆和玉米分隔間作 (1株大豆+1株玉米，根系用200目尼龍網(wǎng)分隔，根系不能通過，肥水可以相互通過)；3) 大豆和玉米間作，根系不分隔 (1株大豆+1株玉米，根系和肥水相互通過)。

1.3水培試驗(yàn)及管理

試驗(yàn)于2015年4月21日至6月24日進(jìn)行。玉米和大豆種子用濃度30% H2O2消毒10 min，用去離子水沖洗3～5次，至無H2O2殘留，在育種塑料盤溫室中育種。大豆根系接種根瘤菌。為了更好地模擬田間生長情況，大豆根系接種了根瘤菌：費(fèi)氏中華根瘤菌 (Sinorhizobiumfredii)。菌種來源于中國農(nóng)業(yè)微生物菌種保藏中心 (ACCC 15109)。根瘤菌需先在根瘤菌瓊脂-1培養(yǎng)基中培養(yǎng)。根瘤菌瓊脂-1培養(yǎng)基 (1 L) 配方為：蔗糖10 g，MgSO4·7H2O 0.2 g，K2HPO40.5 g，CaSO40.2 g，NaCl 0.1 g，酵母粉1 g，NaMoO4(1%) 1 mL，MnSO4(1%) 1 mL，F(xiàn)eC6H5O7(1%) 1 mL，H3BO3(1%) 1 mL，瓊脂粉20 g，培養(yǎng)溫度28 ℃。接種大豆方法：待大豆胚芽剛出時，將菌苔刮下用無菌水制成8.2 × 108/mL菌懸液，每株大豆苗接種2 mL。

試驗(yàn)地點(diǎn)：西南林業(yè)大學(xué)格林溫室；容器規(guī)格：塑料盆 (直徑22 cm、高27 cm)；營養(yǎng)液體積：10 L，2葉齡后，進(jìn)行水培實(shí)驗(yàn)。定植于5 cm厚泡沫板上，重復(fù)3次。營養(yǎng)液配比[4]，營養(yǎng)液更換頻率：5 d/次。通氣：通氣泵通氣24 h。

1.4根系分泌物的收集和測定

分別于5月27日 (玉米、大豆均為苗期)、6月8日 (玉米喇叭口期、大豆花期)、6月24日 (玉米孕穗期、大豆鼓粒期) 把玉米、大豆苗從營養(yǎng)液中取出，先用自來水沖洗3 次，再用去離子水沖洗3次，沖洗過程中盡量避免傷根。根系洗凈后先用5 mg/L的百里酚溶液浸泡3 min，在原光照條件下將植株移植到盛有1 L蒸餾水的收集袋中培養(yǎng)，收集袋用繩子系在培養(yǎng)泡沫板上，放入裝有大半桶水的培養(yǎng)桶中，用使收集袋中的蒸餾水浸沒整個根系。在上述條件下培養(yǎng)4 h (10:00—14:00)后，將作物根系取出，所得溶液即為根系分泌物，40 ℃于旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀濃縮至10 mL待測。

有機(jī)酸測定使用儀器為島津LC-10A高效液相色譜儀 (DGU-20A3脫氣機(jī)，LC-20AB泵，SIL-20A進(jìn)樣器，CTO-20A柱溫箱，SPD-20A紫外可見檢測器)。色譜柱：Inertstil ODS-SP，粒徑5 μm，4.6 mm I.D × 250 mm。柱溫度為28 ℃；流動相濃度為18 mmol/L的KH2PO4，pH為2.43 (用磷酸調(diào)節(jié)pH)，流速1.0 mL/min，紫外檢測計(jì) (SPD-10A) 波長214 nm，進(jìn)樣量10 μL，分析時間15 min；用外標(biāo)法進(jìn)行定性和定量計(jì)算。8種有機(jī)酸混合標(biāo)準(zhǔn)品色譜圖如圖1所示，回歸方程及線性范圍如表1所示。

1.5數(shù)據(jù)分析

分泌速率的計(jì)算公式為單位時間 (h) 單位干根 (g) 分泌的有機(jī)酸含量。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用Excel 2010和SPSS 22.0 進(jìn)行處理及分析，用LSD法進(jìn)行多重差異性比較。

圖1有機(jī)酸標(biāo)準(zhǔn)曲線色譜

Fig.1　Chromatogram of organic acid standards

注：回歸方程中，y為濃度，x為峰面積。

2　結(jié)果與分析

2.1玉米根系分泌物有機(jī)酸種類和分泌速率特征

如圖2所示，與單作玉米相比，間作玉米分泌有機(jī)酸分泌速率分別在苗期降低了52.67%，喇叭口期增加了159.24%，孕穗期的有機(jī)酸分泌增加了88.01%；分隔間作玉米在苗期降低了53.67%，喇叭口期增加了284.80%，孕穗期降低了8.81%。

圖2玉米根系分泌有機(jī)酸總分泌速率變化特征

Fig.2The secretion rate variation characteristics of organic acids of maize root

如表2所示，在苗期，單作、間作和分隔間作玉米根系都沒有酒石酸的分泌。與單作相比，間作和分隔間作都增加了蘋果酸的分泌，但分隔間作減少了順丁烯二酸的分泌，其他有機(jī)酸種類相同。分隔間作增加分泌的有機(jī)酸有蘋果酸、乙酸和反丁烯二酸；間作增加分泌的有機(jī)酸有蘋果酸、乙酸、順丁烯二酸和反丁烯二酸。

在喇叭口期，間作減少了酒石酸和蘋果酸的分泌；分隔間作和單作都有8種有機(jī)酸的分泌。分隔間作玉米增加分泌的有機(jī)酸有草酸、酒石酸、蘋果酸、乳酸、順丁烯二酸、檸檬酸和反丁烯二酸；間作玉米增加分泌的有機(jī)酸有草酸、乙酸、順丁烯二酸和檸檬酸。

在孕穗期，分隔間作在孕穗期沒有蘋果酸的分泌；間作玉米根系分泌有機(jī)酸種類沒有乳酸和順丁烯二酸的分泌。分隔間作玉米增加分泌的有機(jī)酸有酒石酸、乳酸、乙酸、順丁烯二酸和檸檬酸；間作玉米增加分泌的有機(jī)酸有草酸、蘋果酸、乙酸、檸檬酸、反丁烯二酸。

表2　玉米根系分泌有機(jī)酸分泌速率比較

注：本文表中測定數(shù)據(jù)后的小寫字母表示同一時期處理間差異顯著水平P< 0.05。

2.2大豆根系分泌物有機(jī)酸種類和分泌速率變化特征

如圖3所示，與單作大豆相比，間作大豆分泌有機(jī)酸分泌速率分別在苗期降低了76.56%，花期降低了54.03%，在鼓粒期有機(jī)酸分泌增加了149.59%；分隔間作大豆在苗期增加了114.65%，花期增加了24.24%，鼓粒期增加了389.38%。

圖3大豆根系分泌有機(jī)酸總分泌速率變化特征

Fig.3The secretion rate variation characteristics of organic acids of soybean root

如表3所示，在苗期，與單作大豆相比，間作和分隔間作大豆有檸檬酸的分泌。3種種植方式里均沒有酒石酸的分泌。分隔間作大豆增加分泌的有機(jī)酸有草酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、順丁烯二酸、檸檬酸和反丁烯二酸；間作大豆增加分泌的有機(jī)酸有檸檬酸和反丁烯二酸。

在花期，分隔間作無酒石酸和乳酸，而有乙酸的分泌；間作大豆無酒石酸和蘋果酸，而有乙酸的分泌。分隔間作大豆增加分泌的有機(jī)酸有蘋果酸、乙酸、順丁烯二酸、檸檬酸、反丁烯二酸。間作大豆增加分泌的有機(jī)酸有乙酸、檸檬酸、反丁烯二酸。

在鼓粒期，間作大豆增加了酒石酸和蘋果酸，減少了乳酸和順丁烯二酸的分泌；分隔間作也增加了酒石酸和蘋果酸的分泌。分隔間作大豆增加分泌的有機(jī)酸有酒石酸、蘋果酸、乳酸、乙酸和反丁烯二酸；間作大豆增加分泌的有機(jī)酸有草酸、酒石酸、蘋果酸、乙酸、反丁烯二酸。

表3　大豆根系分泌有機(jī)酸分泌速率比較

3　結(jié)論與討論

結(jié)果表明間作和分隔間作能改變玉米大豆有機(jī)酸的種類。這與周麗莉[4]關(guān)于玉米大豆間作研究的結(jié)果相同。與郝艷茹等[5]在小麥和玉米水培間作體系中在苗期發(fā)現(xiàn)間作增加了小麥和玉米有機(jī)酸分泌的種類和速率。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)分隔間作玉米僅喇叭口期有機(jī)酸的分泌速率增加，而間作玉米在喇叭口期和孕穗期增加；間作大豆僅鼓粒期的分泌速率增加，分隔間作能增加大豆全生育期的有機(jī)酸分泌速率。說明間作能更長時期提高玉米有機(jī)酸分泌速率，分隔間作能更長時期提高大豆根系的有機(jī)酸分泌速率。

植物單間作的問題，已經(jīng)有大量的研究者進(jìn)行研究[6-9]，他們主要是從生物量及營養(yǎng)元素的吸收進(jìn)行研究或者只是研究單作條件下的根系分泌物的變化特征[10]。研究根系分泌物時，一般研究養(yǎng)分脅迫對根系分泌物的影響。玉米大豆間作時，會引起養(yǎng)分競爭，可能引起有機(jī)酸分泌速率的增加。在缺素情況下，往往改變有機(jī)酸分泌種類和數(shù)量[11]，并且分泌種類和數(shù)量增加。當(dāng)玉米在N、P、K、Fe的缺失時有機(jī)酸分泌量會增加[12]。

根系分泌物的影響因素是多方面的，主要因素有植物自身因素：如植物的種類及生育時期；另外還有光、溫度因素；根系的土壤因素：pH、水分含量及通氣情況、養(yǎng)分脅迫、根系微生物種類[13-14]。在本研究中，由于玉米對大豆的遮擋和養(yǎng)分競爭，影響因素主要是光和養(yǎng)分脅迫。這2個因素很可能引起單間作有機(jī)酸種類和分泌速率的差異。

在根系分泌物中對營養(yǎng)元素起活化作用主要是有機(jī)酸，植物根系分泌物中最常見的有機(jī)酸有：草酸、檸檬酸、乙酸、琥珀酸、酒石酸、蘋果酸和丙二酸等[15]。它們一方面可降低根際土壤的pH值，提高難溶性的磷化合物的溶解度，另一方面可與鈣、鋁、鐵等金屬元素形成螯合物[16]，使根際土壤中難溶性的磷釋放出來，從而顯著提高根際土壤有效磷的濃度，達(dá)到自身調(diào)節(jié)和改善營養(yǎng)狀況的目的。另外，還能與土壤中的毒害金屬離子發(fā)生反應(yīng)，形成毒性較小的化合物，減輕毒害離子對植物根系的毒害作用[17]。玉米大豆間作根系有機(jī)酸分泌速率增加為作物提高產(chǎn)量提供了保證。

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(責(zé)任編輯張坤)

Characteristics of Organic Acids from Root Exudation in Maize and Soybean Intercropping

Chen Li1, Xiao Jingxiu2, Zheng Yi1,2

(1. College of Life Science, Southwest Forestry University, Kunming Yunnan 650224, China; 2. College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming Yunnan 650201, China)

By hydroponic experiment, collected root exudation of different growth stages in monocropped maize, monocropped soybean, separation intercropping maize and soybean(roots mesh barrier)and intercropping maize and soybean (roots no mesh barrier) and by HPLC method for analysis variation characteristics of organic acids from root exudates in the different planting modes, different growth stages of maize and soybean intercropping system. The results showed that compared with monoculture, in the kinds of organic acids, separation intercropping maize: malic acid was identified and maleic acid was not identified in seedling stage; No change in bell mouth period; Malic acid was not identified in booting stage. Intercropping maize: malic acid was identified in seedling stage; tartaric acid and malic acid were not identified in bell mouth period; Lactic acid and maleic acid were not identified in booting stage. Separation intercropping soybean: citric acid was identified in in seedling stage; Tartaric acid and malic acid were not identified and acetic acid was identified in flowering phase; Tartaric acid and malic acid were identified in seed filling period. Intercropping soybean: citric acid was identified in seedling stage; Tartaric acid and malic acid were not identified and acetic acid was identified in flowering phase; Tartaric acid and malic acid were identified in seed filling period, Lactic acid and maleic acid were not identified in seed filling period. The secretion rate of organic acids, separation intercropping maize was increased by 284.80% in bell mouth period, intercropping maize was increased by 159.24%, 88.01% in bell mouth period and booting stage respectively. Intercropping soybean was increased by 149.59% in seed filling period, separation intercropping soybean was increased by 114.65%, 24.24%, 389.38% in seedling, flowering and seed filling stage respectively. Intercropping and separation intercropping affect kind of organic acids, Intercropping increased the rate of organic acid secretion of maize in the longer period, separation intercropping increased the rate of organic acid secretion of soybean root in the longer period.

maize, soybean, intercropping, root system, organic acids, secretion

10. 11929/j. issn. 2095-1914. 2016. 05. 013

2016-03-07

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (31260504, 31560581, 31460551)。

鄭毅 (1964—)，男，博士，教授。研究方向：土壤與植物營養(yǎng)。Email: zhengyi-64@163.com。

S311

A

2095-1914(2016)05-0078-06

第1作者：陳利 (1990—)，男，碩士生。研究方向：間作系統(tǒng)中根系互作對根系分泌物的影響。Email: 765203673@qq.com。