花生和玉米前茬根系分泌物對冬小麥幼苗生長及抗旱性的影響

張早立， 范合琴， 李永珍， 連延浩， 任永哲， 辛澤毓， 王志強， 林同保

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,河南 鄭州 450002；2.焦作市土壤肥料工作站，河南 焦作 454150)

植物根系在適應(yīng)環(huán)境的同時也會改造環(huán)境，其中根系分泌物是植物根系釋放到根際環(huán)境中的小分子有機物，在植物與環(huán)境互作過程中起著信息傳遞的作用[1]。植物根系分泌物進入土壤后會對受體植物產(chǎn)生化感作用[2]，這種現(xiàn)象普遍存在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的間套作和輪作生產(chǎn)系統(tǒng)中[3]，主要表現(xiàn)在對后茬作物種子萌發(fā)、幼苗生長的促進或抑制作用[4-5]。MATTOO等[6]研究表明，豆科植物毛苕子(ViciavillosaRoth)能夠顯著提高土壤肥力，增加后茬番茄的產(chǎn)量，并且可以通過土壤微生物作用促進番茄根系的生長。楊瑞吉等[7]研究發(fā)現(xiàn)，油菜根系分泌物對油菜、蠶豆、玉米的所有生長特性均表現(xiàn)為抑制作用，而對小麥種子萌發(fā)率、幼苗根長等生長特性表現(xiàn)為促進作用。PEREZ等[8]研究野燕麥(AvenafatuaL.)時發(fā)現(xiàn)，其根系分泌物中的對羥基苯甲酸、香草酸等對小麥胚根與胚芽生長有明顯的抑制作用。孔垂華等[9]研究發(fā)現(xiàn)，豆科作物根瘤分泌物尿囊素對豆科作物生長尤其是根系的生長有低濃度促進，高濃度抑制的化感作用。小麥玉米一年兩熟是黃淮海地區(qū)最主要的種植制度，2016年國家提出了農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革要求，重點是調(diào)整優(yōu)化種植結(jié)構(gòu)，適當調(diào)減非優(yōu)勢區(qū)玉米，改種大豆、花生等豆科作物[10]。河南省政府在2017年提出，到2025年優(yōu)勢花生種植面積要發(fā)展到167萬hm2，將會壓縮一部分玉米種植面積改種花生。所以，探明玉米和花生對后茬冬小麥生長發(fā)育過程的影響及調(diào)控機制，對于該區(qū)域茬口的合理選擇及種植制度的優(yōu)化至關(guān)重要。目前，已有研究多集中于大田試驗下茬口對冬小麥生長及產(chǎn)量形成、麥田土壤理化性狀以及對病蟲害控制等綜合效應(yīng)方面[11-13]，缺乏較為深入的機理機制研究，尤其在根系分泌物的化感效應(yīng)方面更是鮮有報道。因此，本試驗采取室內(nèi)盆栽玉米和花生模擬田間生產(chǎn)中冬小麥的兩種不同茬口處理，開展了兩種茬口及根際分泌物對冬小麥種子萌發(fā)過程、苗期生長發(fā)育、干旱適應(yīng)性調(diào)控效應(yīng)方面的研究，可為進一步推進農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和構(gòu)建合理的麥―花復(fù)種連作栽培理論與技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 室內(nèi)模擬茬口試驗

供試小麥、玉米、花生品種分別為豫農(nóng)211、鄭單958、魯花10。試驗采用沙子盆栽方法，模擬黃淮海地區(qū)一年兩熟制大田生產(chǎn)中的花生和玉米茬口，共設(shè)3個處理，對照(無茬口)、花生茬口和玉米茬口，每個處理重復(fù)12次(盆)。首先將花生、玉米種子用質(zhì)量分數(shù)1% NaClO溶液消毒5 min，用蒸餾水沖洗3次，再用去離子水反復(fù)沖洗，置于設(shè)定溫度為22 ℃恒溫箱中避光催芽。發(fā)芽后挑選大小一致的種子分別播種于裝有同等質(zhì)量沙子的塑料盆中，沙子用前經(jīng)蒸餾水沖洗并在120 ℃下高溫消毒殺菌，對照為無茬口，其他處理條件保持一致。每盆種植4株幼苗，置于光照培養(yǎng)箱(參數(shù)設(shè)置為每天光照16 h(24 ℃)、黑暗8 h(22 ℃)，相對濕度60%，光照強度2 000 lx)，采用完全隨機排列，定期澆灌蒸餾水。

培養(yǎng)20 d后，拔去花生和玉米幼苗，并去除多余的碎根，隨后每盆種植6粒小麥種子(已消毒催芽處理)，無茬口盆栽進行相同處理，置于培養(yǎng)箱繼續(xù)進行培養(yǎng)。20 d后選取各處理長勢均一的小麥幼苗測定株高、地上地下部干質(zhì)量、葉綠素等形態(tài)生理指標，并用根系掃描儀對小麥根系進行掃描。剩余茬口處理未取樣的小麥幼苗以備做干旱脅迫試驗。

1.2 根系分泌物萌發(fā)試驗

1.2.1 根系分泌物粗提液制備 供試的沙子事先經(jīng)過蒸餾水沖洗并在120 ℃下高溫殺菌，培養(yǎng)過程中未對幼苗外在施加養(yǎng)分，基本排除了介質(zhì)中微生物和養(yǎng)分的影響。故以不同茬口沙子的水提取液作為作物的根系分泌物粗提液?；ㄉ陀衩撞缈谔幚矸謩e選取6盆，每盆取3個沙子樣品，每個樣品10 g放入塑料瓶中，加入100 mL去離子水封口后于搖床振蕩后靜置，并用3層定性濾紙過濾，之后再用0.45 μm的微孔濾膜過濾，減壓濃縮至20 mL，置于-80 ℃冰箱保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.2 小麥種子前處理及培養(yǎng) 分別挑選籽粒飽滿、整齊一致的供試小麥種子(經(jīng)過消毒處理)，浸泡過夜，均勻的擺在直徑10 cm、鋪有3層濾紙的培養(yǎng)皿中，分別加入20 mL蒸餾水和花生、玉米的根系分泌物提取液，以蒸餾水作為清水對照，每個處理重復(fù)3次，置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。3 d后記錄發(fā)芽種子數(shù)，計算種子發(fā)芽率，同時，每天測量小麥胚根長至第6 d，并計算胚根生長速率(每日補加10 mL根系分泌物，對照補加10 mL蒸餾水)。

1.3 小麥幼苗干旱脅迫試驗

模擬茬口試驗中花生和玉米茬口的小麥幼苗生長20 d后，停止?jié)菜?。待土壤相對含水量降?5%時記為1 d，分別在1、3、5、7 d時取長勢一致的小麥葉片測定相對電導(dǎo)率、相對含水量、MDA含量等生理指標。

1.4 測定項目及方法

種子萌發(fā)指標

發(fā)芽率=最終發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

胚根長用直尺測量，胚根生長速率為單位天數(shù)內(nèi)胚根長的增長量。

幼苗及根系生長指標

株高用卷尺測量，地上地下部質(zhì)量用千分之一天平稱量。

根冠比 =地上部質(zhì)量/地下部質(zhì)量

總根長、根表面積、根投影面積、根體積用WinRHIZO(加拿大REGENT公司)測定。

化感指數(shù)及土壤相對含水量

采用 WILLIAMSON等[14]提出的化感指數(shù)(RI)作為衡量化感作用強度大小的指標。

化感指數(shù)(RI)：T≥C時，RI=1-C/T；當T0時表示促進作用，當RI<0時表示抑制作用，RI的絕對值表示化感作用強度的大小)，土壤相對含水量采用烘干稱重法[15]。

幼苗生理指標

相對葉綠素含量采用乙醇提取法[16]測定，葉片相對含水量采用烘干法測定，相對電導(dǎo)率采用電阻法[17]測定，MDA含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[18]測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理，運用SPSS 22.0軟件進行單因素方差分析和多重比較(LSD法)等統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)采用Graph Pad Prism 8作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬不同茬口下小麥苗期生長狀況

從表1可以看出，花生茬口處理的小麥株高、葉綠素含量、地下部質(zhì)量、地上部質(zhì)量、根冠比較無茬口處理增加了27.7%、12.9%、33.3%、7.1%、25.0%，且達到顯著水平。玉米茬口處理小麥的5項指標均低于無茬口處理，但并未達到顯著水平。這表明花生茬口對小麥幼苗生長具有一定促進作用，玉米茬口對小麥幼苗生長無顯著影響。

由表2可以看出，花生茬口處理的小麥總根長、根表面積、根投影面積、根體積較無茬口處理分別提高了43.8%、34.5%、37.1%、48.3%，均達到顯著水平。玉米茬口處理的總根長、根表面積、根投影面積略高于無茬口處理，根體積略低于無茬口處理，但并未達到顯著水平。這表明花生茬口能一定程度地促進小麥根系生長發(fā)育，而玉米茬口對小麥根系生長并無顯著影響。

表1 不同茬口處理對小麥幼苗形態(tài)及生理指標的影響Table 1 Effects of different stubble treatments on the morphological and physiological indexes of wheat seedlings

注:同列數(shù)字的不同字母表示在0.05水平差異顯著。下同。

Note: Different letters in the same column represent significant difference at 0.05 level. The same as below.

表2 模擬不同茬口下小麥根系生長指標Table 2 The simulative growth index of wheat root system under different stubble

2.2 不同根系分泌物處理對小麥種子發(fā)芽率及胚根生長狀況的影響

由表3可以看出，花生根系分泌物處理下的小麥種子發(fā)芽率最高，對小麥種子萌發(fā)有一定促進作用，玉米根系分泌物處理下小麥種子的發(fā)芽率略低于對照，但均未達到顯著水平。花生根系分泌物處理的小麥種子胚根長和胚根生長速率在整個測定期均高于清水對照，并達到顯著水平，在6 d時差異達到最大，胚根長和胚根生長速率分別提高了25.9%(P<0.05)和28.3%(P<0.05)。玉米根系分泌物處理下小麥種子的胚根長和胚根生長速率與對照并無顯著差異。這表明花生根系分泌物對小麥種子萌發(fā)期胚根生長有一定的促進作用。

表3 不同根系分泌物處理下小麥種子發(fā)芽率、胚根長和胚根生長速率Table 3 Germination rate，radicle length and radicle growth rate of wheat seeds under the treatment with different root exudates

2.3 不同根系分泌物處理對小麥化感指數(shù)的影響

由圖1可以看出，花生根系分泌物對小麥種子的萌發(fā)起到促進作用，玉米根系分泌物對小麥種子萌發(fā)有一定抑制作用，二者的化感作用程度均較弱，化感指數(shù)分別為0.004和-0.006。花生和玉米的根系分泌物對小麥種子胚根長和胚根生長速率均有化感促進作用，花生根系分泌物對小麥胚根長和胚根生長速率的化感促進程度較大，化感指數(shù)分別為0.206和0.221。

圖1 不同根系分泌物處理對小麥種子發(fā)芽率、胚根長和胚根生長速率化感指數(shù)的影響

2.4 模擬不同茬口處理下的小麥幼苗耐旱性評價

由圖2可知，隨著干旱天數(shù)的增加，花生和玉米茬口下的小麥葉片相對電導(dǎo)率和MDA含量均呈增加趨勢，葉片相對含水量則逐漸下降?；ㄉ缈谛←溔~片相對電導(dǎo)率在測定期間均低于玉米茬口，7 d時玉米茬口小麥葉片相對電導(dǎo)率急劇升高，達到89.0%，顯著高于花生茬口的4.9%，這表明此時玉米茬口處理下的小麥葉片受到嚴重的干旱脅迫，而花生茬口的小麥植株則表現(xiàn)較好?；ㄉ缈谛←溔~片MDA含量在整個干旱時期均低于玉米茬口，從3 d開始玉米茬口小麥葉片MDA含量迅速增加并于5 d時與花生茬口差異達到顯著水平，較花生茬口增加了64.4%。隨著干旱程度的加劇，2種茬口小麥葉片的相對含水量均呈下降趨勢，花生茬口下干旱1～5 d時小麥葉片相對含水量的下降速率要明顯低于玉米茬口?；ㄉ缈谛←溔~片的相對含水量在整個測定時期均高于玉米茬口，在5 d時花生和玉米茬口小麥葉片相對含水量分別為85.3%和23.4%，此時差異最大且達到顯著水平。

注:*代表差異達到顯著水平(P<0.05)。

3 結(jié)論與討論

選擇合理的茬口有助于小麥壯苗的形成，利于小麥高產(chǎn)[19]。本研究通過排除微生物及養(yǎng)分等環(huán)境條件的影響，證實了花生根系分泌物對后茬小麥生長具有正向促進作用。邵云等[20]在大田試驗中發(fā)現(xiàn)，花生比玉米茬口更有利于小麥植株養(yǎng)分的積累以及產(chǎn)量的形成，是冬小麥適宜的前茬作物。強大的根系有助于提高作物水肥利用效率[21]。本研究發(fā)現(xiàn)，花生茬口下的小麥植株各項根系形態(tài)指標均優(yōu)于玉米茬口，從而促進小麥幼苗的生長，形成較高的根冠比，發(fā)達的根系也更有利于小麥前期養(yǎng)分的積累，這與前人的研究結(jié)果基本一致[22]。根系分泌物通過對根際難溶性養(yǎng)分的酸化、螯合、離子交換作用及還原作用等提高了根際土壤養(yǎng)分的有效性，促進了植物對根際養(yǎng)分的吸收[23]。土壤中的氮素是植物養(yǎng)分的主要來源，也是影響植物葉綠素合成及光合作用的重要因素[24]。MIYAMOTO等[25]研究發(fā)現(xiàn)，水芹幼苗胚根分泌物中的二糖Lepidimoide能夠促進植物葉綠素的合成，進而促進植物生長。本研究下花生茬口提高了小麥幼苗葉綠素含量，這可能是由于花生根系分泌物促進了小麥對根際養(yǎng)分的吸收，進而促進葉綠素的合成，增強了其光合能力和氮素利用。根系分泌物作為根系生理的重要組成部分，對根系的生長發(fā)育起到重要調(diào)控作用[5]，種子萌發(fā)期的胚根生長對于后期根系形態(tài)建成至關(guān)重要。而本研究也發(fā)現(xiàn)，花生根系分泌物可促進小麥種子萌發(fā)階段的胚根伸長，這可能與后期發(fā)達根系的形成有關(guān)。

前人關(guān)于花生根系分泌物化感物質(zhì)成分的分離鑒定的研究已有較多報道，其中主要化感物質(zhì)有對羥基苯甲酸、鄰苯二甲酸、油酸、十二酸等酚酸、脂肪酸類物質(zhì)[26-28]。酚酸被許多學(xué)者普遍認為是作物生長的抑制劑[29-31]，但低濃度的酚酸也會對作物的萌發(fā)和幼苗生長有一定的促進作用[32]，這很可能是花生根系分泌物促進小麥種子萌發(fā)和幼苗生長的原因之一。本研究表明，花生和玉米根系分泌物對小麥種子萌發(fā)率和胚根生長的化感作用程度均不相同，這可能是兩種根系分泌物化感物質(zhì)成分和濃度的差異造成的，具體物質(zhì)和作用機理還有待進一步探究。

本研究發(fā)現(xiàn)花生茬口能夠顯著提高小麥苗期的抗旱性，這一方面可能是由于花生茬口處理下的小麥根系更為發(fā)達，吸水保水能力更強，另一方面也可能是花生根系分泌物中某種化學(xué)物質(zhì)起到提升了小麥抗旱能力的作用[33-35]。有研究表明，花生根系分泌物中苯甲醛、對乙基苯甲酸及阿魏酸等物質(zhì)能夠提高花生SOD和POD活力及MDA含量[33]，而保護酶SOD和POD的活性增加，有利于減輕植物受到的逆境脅迫危害[36-37]。本研究僅僅是從干旱生理角度闡述了花生根系分泌物對小麥抗旱能力的影響，還需要對作物代謝活動、光合作用等方面進行深入的研究才能進一步確定化感物質(zhì)種類和作用機制。綜合分析來看，花生前茬下根系分泌物對促進冬小麥生長及抗旱性具有重要作用，這可能對大田小麥的節(jié)水生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義，后續(xù)將結(jié)合大田試驗開展進一步的深入研究。

相較于玉米，花生的根系分泌物能夠顯著促進小麥根系生長，形成較高的根冠比，同時可以提高種子萌發(fā)期胚根的生長速率，具有正向的化感作用，同時也提高了小麥的抗旱性，因此，花生可作為黃淮海地區(qū)一年兩熟復(fù)種體系冬小麥良好的前茬作物，對該區(qū)域冬小麥節(jié)水生產(chǎn)具有重要意義。