吳 宇 ,蔡洪梅 ,許 波 ,于 敏 ,王捧娜 ,代雯慈 ,張夢(mèng)祥,任 驛,武文明,李金才,2**,陳 翔**

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/農(nóng)業(yè)部華東地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)站 合肥 230036;2. 江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210095;3. 安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 合肥 230031)

安徽淮北平原是我國(guó)重要的小麥(Triticum aestivumL.)-玉米(Zea maysL.)輪作區(qū)之一,該地區(qū)土壤為砂姜黑土,占全國(guó)砂姜黑土總面積約2/5。砂姜黑土易旱易澇,嚴(yán)重影響作物的增產(chǎn)增效[1]。近年來(lái)隨秸稈還田大面積推廣應(yīng)用,淮北砂姜黑土區(qū)土壤結(jié)構(gòu)和地力均發(fā)生了很大變化。但由于秸稈還田存在配套技術(shù)不完善、操作不當(dāng)?shù)葐?wèn)題,使得該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中依舊存在小麥出苗率低、幼苗素質(zhì)不高、難以形成壯苗安全越冬等問(wèn)題[2]。全球氣候變暖,越冬前氣溫顯著升高,導(dǎo)致淮北平原在部分年份冬小麥無(wú)穩(wěn)定越冬期,小麥旺長(zhǎng)后抗寒能力降低;加之氣候適宜性下降,極端氣候?yàn)?zāi)害事件發(fā)生概率增加,溫度驟降型凍害仍然時(shí)有出現(xiàn),增加了凍害發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì),2021 年11 月21 日、12 月14 日和25 日淮北平原多次出現(xiàn)大范圍降溫天氣,隨后氣溫回升,因天氣反常造成的凍融交替導(dǎo)致冬小麥出現(xiàn)不同程度的受凍、死苗現(xiàn)象,冬季低溫凍害已成為限制該地區(qū)小麥可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的重要因素。

健壯的根系是實(shí)現(xiàn)壯苗的地下基礎(chǔ),有助于提高小麥抗寒能力保苗安全越冬[5]。小麥從苗期到越冬期形成的光合產(chǎn)物中約30.2%～55.2%運(yùn)往根部[6],而根系生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中向土壤分泌的有機(jī)酸、氨基酸、糖類(lèi)等次生代謝產(chǎn)物[7]高度影響著土壤營(yíng)養(yǎng)有效性,調(diào)控著根系與根際土壤微生物之間化學(xué)信號(hào)交流的生物學(xué)過(guò)程[8-10]。研究表明[11]有機(jī)無(wú)機(jī)配施顯著降低油菜(Brassica napusL.)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期根系分泌物中有機(jī)酸總量,油菜根系干重與有機(jī)酸分泌總量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。徐國(guó)偉等[12]認(rèn)為在同一施氮水平下,秸稈還田提高了結(jié)實(shí)期水稻(Oryza sativaL.)根系分泌物中有機(jī)酸總量、氨基酸含量及根系活性。不同秸稈還田方式也改變了小麥根系的生長(zhǎng)環(huán)境,而小麥根系分泌物對(duì)不同秸稈還田方式具有不同的響應(yīng)特征,篩選適宜的秸稈還田方式是實(shí)現(xiàn)小麥生產(chǎn)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展過(guò)程中亟需明確的關(guān)鍵問(wèn)題?？衫么x組學(xué)的方法對(duì)特定環(huán)境下收集到的植物代謝產(chǎn)物進(jìn)行定性、定量檢測(cè)分析[13]。而目前淮北平原砂姜黑土區(qū)秸稈全量還田對(duì)小麥根系分泌物代謝組的影響鮮有研究報(bào)道,因此本研究基于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)期定位試驗(yàn),從根際土壤這一特殊的根-土交界微環(huán)境出發(fā),以小麥根際土壤為研究對(duì)象,通過(guò)非靶向代謝組學(xué)分析不同季秸稈全量還田下小麥根際分泌物的差異,從代謝角度探明不同季秸稈全量還田下冬小麥根系分泌物代謝組的異同,為小麥生產(chǎn)的高產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)布設(shè)于安徽省亳州市蒙城縣樂(lè)土鎮(zhèn)的農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華東地區(qū)作物栽培科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站(33°9′44″N,116°32′56″E),該地區(qū)位于安徽省淮北平原中部,屬暖溫帶半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,光熱資源豐富,年均氣溫14.8 ℃,日照時(shí)數(shù)2341.2 h,年均降雨量821.5 mm。供試土壤類(lèi)型為砂姜黑土,開(kāi)始設(shè)置試驗(yàn)時(shí)0～20 cm耕層土壤基礎(chǔ)理化性質(zhì)如下: 全氮0.99 g·kg-1,有機(jī)質(zhì)12.46 g·kg-1,速效磷15.40 mg·kg-1,速效鉀100.30 mg·kg-1,堿解氮80.20 mg·kg-1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依托于2008 年6 月設(shè)置的長(zhǎng)期不同季秸稈全量還田定位試驗(yàn),2020 年是定位試驗(yàn)的第12 年。試驗(yàn)地為小麥-玉米輪作區(qū),供試小麥品種為‘煙農(nóng)19’,小麥于2020 年10 月14 日采用大型旋耕播種機(jī)(SGTNB-200Z4/8A8,西安亞奧機(jī)械有限公司)進(jìn)行機(jī)播,2021 年5 月31 日利用福田雷沃谷神聯(lián)合收割機(jī)(GN6,福田雷沃國(guó)際重工股份有限公司)收獲。玉米成熟后利用博遠(yuǎn)玉米聯(lián)合收割機(jī)(30Y0,河北中農(nóng)博遠(yuǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械有限公司)收獲。還田處理中小麥與玉米秸稈均就地粉碎且長(zhǎng)度小于10 cm,小麥秸稈均勻拋撒并形成覆蓋后免耕播種玉米,小麥播種前玉米秸稈用大型旋耕播種機(jī)進(jìn)行旋耕埋入0～20 cm 土層。不還田處理的小麥與玉米秸稈收獲時(shí)人工進(jìn)行整株移除。

試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)秸稈還田處理: T1 為小麥單季秸稈全量粉碎覆蓋還田+玉米秸稈不還田,T2 為小麥秸稈全量粉碎覆蓋還田+玉米秸稈全量粉碎翻埋還田,T3 為玉米單季秸稈全量粉碎翻埋還田,CK 為秸稈不還田。還田處理的秸稈均來(lái)自于對(duì)應(yīng)小區(qū)的上茬作物全部秸稈。試驗(yàn)小區(qū)面積為8.0 m×5.4 m,3 次重復(fù)。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與檢測(cè)方法

1.3.1 樣品采集

在小麥越冬期(2020 年12 月25 日),每個(gè)處理均采用五點(diǎn)取樣法選點(diǎn)[14],抖土法[15]收集各點(diǎn)處小麥根際土,以0～20 cm 土層小麥根系附近1～2 mm 土樣為標(biāo)準(zhǔn),混合五點(diǎn)樣品后用液氮低溫保存帶回實(shí)驗(yàn)室,-80 ℃保存待測(cè)。以選定植株為中心,鐵鍬深挖20 cm×20 cm×20 cm 土塊,放入60 目尼龍網(wǎng)中,浸泡2 h,流水沖洗干凈后備用。另取部分新鮮根依照高俊鳳[16]的方法測(cè)定根系活力。

1.3.2 根系活力與根形態(tài)測(cè)定

使用臺(tái)式掃描儀和Win RHIZO 根系分析系統(tǒng)測(cè)定小麥根長(zhǎng) (cm)。將洗凈的根系于105 ℃烘箱殺青30 min,75 ℃烘干至恒重后稱(chēng)取根干重(g)。

1.3.3 代謝物的提取與檢測(cè)

1.3.3.1 樣品處理

每個(gè)處理選取4 次技術(shù)重復(fù)送檢,進(jìn)行代謝組分析(上海鹿明生物科技有限公司)。稱(chēng)取500 mg 根際土壤樣品,加入10 μL 內(nèi)標(biāo)和1 mL 提取液(V甲醇∶V水=1∶1),于-20 ℃環(huán)境預(yù)冷2 min 后研磨成漿。將勻漿后的樣品轉(zhuǎn)移至15 mL 離心管中,用1 mL 提取液將管壁全部殘留轉(zhuǎn)移至離心機(jī),離心10 min(4 ℃,7700 r·min-1)后取上清液2.5 mL 于5 mL 離心管中凍干。然后將樣品用300 μL 甲醇復(fù)溶,渦旋震蕩60 s,超聲30 s 后離心10 min (4 ℃,12 000 r·min-1)。取150 μL 上清液于色譜瓶待測(cè),采用LC-MS 進(jìn)行樣品分析。同時(shí)將所有樣品提取液等體積混合制備質(zhì)控樣本(QC)上機(jī)檢測(cè)。

1.3.3.2 色譜條件

樣品檢測(cè)使用賽默飛世爾科技公司的超高效液相(Dionex U3000 UPLC)串聯(lián)QE 高分辨質(zhì)譜儀組成的UPLC-MS。采用Waters 的ACQUITY UPLC HSS T3 (100 mm×2.1 mm,1.8 μm)色譜柱45 ℃條件下對(duì)樣品中化合物進(jìn)行分離。液相色譜的流動(dòng)相中A 相為含0.1%甲酸水溶液,B 相為含0.1%甲酸乙腈溶液。流速: 0.35 mL·min-1,進(jìn)樣體積: 2 μL。洗脫梯度依次為0.01 min、95% A;2 min、95% A;4 min、70% A;8 min、50% A;10 min、20% A;14 min、0 A;15 min、0 A;15.1 min、95% A;18 min、95% A。

1.3.3.3 質(zhì)譜條件

采用QE 高分辨質(zhì)譜儀,離子源為ESI,分別采用正負(fù)離子掃描模式進(jìn)行樣品質(zhì)譜信號(hào)采集。具體參數(shù)為鞘氣流速: 40 Arb;輔助氣流速: 8 Arb;毛細(xì)管溫度: 320 ℃;探頭加熱器溫度: 350 ℃;碰撞能: 10/20/40 NCE 模式;噴射電壓: 3.8 kV (正離子)或-3.2 kV (負(fù)離子);S-lens 射頻電平: 50 V;質(zhì)量范圍: 100～1000;全毫秒分辨率: 70 000;MS/MS 分辨率: 17 500。

1.4 數(shù)據(jù)分析

通過(guò)SPSS 24.0 進(jìn)行根干重、根長(zhǎng)、根系活力的方差分析,采用Excel 2016 進(jìn)行圖表繪制。測(cè)序的原始數(shù)據(jù)經(jīng)Progenesis QIv2.3 軟件處理后,使用The Human Metabolome Database (HMDB)、Lipidmaps(v2.3)和METLIN 數(shù)據(jù)庫(kù)以及自建庫(kù)進(jìn)行定性。對(duì)提取到的數(shù)據(jù),刪除組內(nèi)缺失(0 值)均＞50%的離子峰,并將0 值以最小值的一半替換,并根據(jù)化合物定性結(jié)果打分(Score)對(duì)定性得到的化合物進(jìn)行篩選,36 分以下(滿(mǎn)分60 分)視為定性結(jié)果不準(zhǔn)確并刪除。正負(fù)離子數(shù)據(jù)合并進(jìn)行后續(xù)分析。代謝數(shù)據(jù)采用主成分分析(PCA)、偏最小二乘法分析(OPLS-DA)、結(jié)合單變量分析t檢驗(yàn)與P值篩選各組間的顯著差異代謝物。在OPLS-DAF 分析中,模型變量權(quán)重值(variable important in projection,VIP)可以衡量各代謝物積累差異對(duì)各處理樣本分類(lèi)判別的影響強(qiáng)度和解釋能力,變化倍數(shù)(fold change,FC)是代謝物在兩組樣本中平均表達(dá)量的比值。篩選標(biāo)準(zhǔn): VIP 值＞1 且P＜0.05,并以log2FC＞0 表示上調(diào)、log2FC＜0 表示下調(diào)?；贙EGG 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)差異代謝物進(jìn)行代謝通路富集分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同季秸稈全量還田對(duì)小麥根長(zhǎng)、根干重以及根系活力的影響

由表1 可得,T1 根長(zhǎng)、根干重較T2、T3 和CK處理均顯著增加(P＜0.05),T3 根長(zhǎng)較CK 顯著降低21.35% (P＜0.05),T2、T3 和CK 處理之間根干重?zé)o顯著性差異。不同季秸稈全量還田降低越冬期小麥根系活力,T1、T2 和T3 根系活力較CK 分別顯著降低21.8%、25.5%和20.0%,還田處理間差異不顯著。說(shuō)明不同季秸稈全量還田雖降低越冬期小麥根系活力,但改變苗期小麥根系形態(tài)特征,單季小麥秸稈還田有利于越冬期小麥根系的生長(zhǎng)發(fā)育。

表1 不同季秸稈全量還田對(duì)小麥根系活力以及形態(tài)特征的影響Table 1 Effects of all straws return to field in different seasons on root viability and morphological characteristics of wheat

2.2 不同季秸稈全量還田對(duì)小麥根系分泌物的影響

2.2.1 PCA 分析與OPLS-DA 分析

對(duì)不同處理的代謝物結(jié)果進(jìn)行主成分分析,結(jié)果表明PC1、PC2 分別貢獻(xiàn)了總體方差的32.6%和11.3%,其中由PC1 (32.6%)將T1 與其他處理的差異區(qū)分開(kāi),CK 與T2、T3 的差異主要由PC2 (11.3%)區(qū)分開(kāi),且T2 與T3 間差異不顯著。QC 緊密聚集表明數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和重復(fù)性較好(圖1A)。利用OPLS-DA將組間差異最大化反映在PC1 上并直接區(qū)分組間變異的特點(diǎn),最大化區(qū)分各處理樣本間的差異。T1、T2、T3 與CK 在OPLS-DA 得分圖上均能沿第1 主成分區(qū)分開(kāi),解釋了總變異的69.4%、46.1%、46.9%和18.7%。R2X、R2Y、Q2分別表示所建模型對(duì)X和Y矩陣的解釋率和模型的預(yù)測(cè)能力,越接近于1,模型越穩(wěn)定可靠,Q2＞0.5 時(shí)認(rèn)為模型有效。與CK 相比,T1 的模型累計(jì)解釋率R2X、R2Y、Q2分別為0.854、0.999、0.986,T2 分別為0.742、0.999、0.956,T3 分別為0.786、0.997、0.902。上述參數(shù)均大于0.5,本試驗(yàn)所得模型可為后續(xù)數(shù)據(jù)分析予以支持,T1 與T2、T3、CK 間代謝物表型明顯不同,且小麥秸稈還田處理(T1)與秸稈不還田處理間的根系分泌物表型差異較其他還田處理更顯著(圖1)。

圖1 不同季秸稈全量還田小麥根系分泌物PCA 得分圖(A)與OPLS-DA (B、C、D)得分圖Fig.1 PCA score (A) and OPLS-DA score (B,C,D) of wheat root exudates affected by return to field of all straws of different corps

2.2.2 差異代謝產(chǎn)物分析

為進(jìn)一步比較不同季秸稈全量還田對(duì)小麥根系分泌物的影響,對(duì)所得差異代謝物經(jīng)HMDB、Lipidmaps (v2.3)和METLIN 數(shù)據(jù)庫(kù)以及自建庫(kù)匹配后明確代謝物名稱(chēng),然后對(duì)T1、T2、T3 較CK 差異代謝物總數(shù)、上調(diào)數(shù)與下調(diào)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(圖2)。差異代謝物總數(shù)、上調(diào)數(shù)排序: T1 (330、295)＞T2 (110、56)＞T3 (89、44),下調(diào)數(shù)排序: T1 (35)＜T3 (45)＜T2 (54)。

圖2 與秸稈不還田的CK 處理相比不同秸稈還田處理的小麥根系分泌物差異代謝物的數(shù)量Fig.2 Number of differential metabolites of wheat root exudates affected by return to field of all straws of different corps compared with CK of no straw returned to the field

對(duì)VIP 值前50 的顯著差異代謝物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖3),結(jié)果表明: 各處理差異代謝物總計(jì)81 種,主要涵蓋有機(jī)酸10 種(12.4%),氨基酸、肽和類(lèi)似物9 種(11.1%),糖類(lèi)及其衍生物23 種(28.4%),脂質(zhì)類(lèi)和類(lèi)脂質(zhì)分子9 種(11.1%),酚類(lèi)2 種(2.5%),苯類(lèi)2 種(2.5%),苯丙烷和聚酮化合物1 種(1.2%),核苷、核苷酸和類(lèi)似物2 種(2.5%),有機(jī)硫化合物1 種(1.23%),有機(jī)雜環(huán)化合物1 種(1.23%),未分類(lèi)的物質(zhì)21 種(25.9%)。說(shuō)明不同季秸稈全量還田對(duì)越冬期小麥根系分泌物主要影響糖類(lèi)及其衍生物,其次是氨基酸、肽和類(lèi)似物與有機(jī)酸。

圖3 與秸稈不還田的CK 處理相比不同秸稈還田處理的小麥根系分泌物差異代謝物分類(lèi)Fig.3 Classification of differential metabolite of wheat root exudates affected by return to field of all straws of different corps compared with CK treatment of no straw returned to field

由表2 可得,T1 與CK 對(duì)比共有3-羥基癸二酸、4-庚酸、肉桂酸等7 種有機(jī)酸上調(diào),L-纈氨酸、L-異亮氨酸、L-谷氨酸、谷氨酰精氨酸、D-谷氨酰胺等7 種氨基酸、肽和類(lèi)似物上調(diào);13 種糖類(lèi)及其衍生物中,光敏醇B3、棉子糖、2,6-二甲氧基-1,4-苯醌下調(diào),蔗糖、麥芽三糖、水蘇糖、根皮素、糖原、(3,4,5,6-四羥基氧雜-2-基)乙酸甲酯、D-麥芽糖、D-半乳糖、毛蕊花糖、纖維六糖上調(diào)。T2 與CK 對(duì)比共有4 種有機(jī)酸,3 種氨基酸、肽和類(lèi)似物,15 種糖類(lèi)及其衍生物的差異代謝物。T3 與CK 對(duì)比共有7種有機(jī)酸,2 種氨基酸、肽和類(lèi)似物,18 種糖類(lèi)及其衍生物的差異代謝物。

表2 VIP 值前50 中有機(jī)酸類(lèi)、氨基酸類(lèi)、糖類(lèi)顯著差異代謝物統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of metabolites with significant differences in organic acids,amino acids,and carbohydrates in the top 50 VIP values

2.3 不同季秸稈全量還田下小麥根系分泌物差異代謝物KEGG 富集分析

T1、T2、T3 較CK 差異代謝物進(jìn)行KEGG 通路富集分析,選取P＜0.05 的代謝通路分析并繪制氣泡圖(圖4)。Rich factor 為對(duì)應(yīng)通路中表達(dá)的差異代謝物數(shù)目與該通路檢測(cè)注釋到的差異代謝物總數(shù)的比值,該值越大表示富集程度越大;P值越接近于0 時(shí)富集越顯著。結(jié)果顯示T1、T2、T3 較CK 共注釋到34 條與小麥根系生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)且差異顯著的代謝途徑。代謝通路的數(shù)目: T1 (28)＞T2 (15)＞T3 (7),包含2 條核酸類(lèi)代謝途徑、9 條氨基酸類(lèi)代謝途徑、5 條糖類(lèi)相關(guān)代謝途徑、4 條酯類(lèi)相關(guān)代謝途徑、7條次生代謝物相關(guān)途徑、3 條部分信號(hào)通路以及4條與細(xì)菌相關(guān)的代謝通路。

圖4 與秸稈不還田的CK 處理相比不同秸稈還田處理的小麥根系分泌物的差異代謝物KEGG 富集分析Fig.4 KEGG enrichment analysis of differential metabolites of the root secretions of wheat affected by return to field of all straws of different corps compared with CK treatment of no straw returned to field

T1、T2、T3 較CK 的差異代謝物主要注釋到氨基酸類(lèi)、糖類(lèi)與酯類(lèi)相關(guān)代謝途徑。秸稈全量還田較不還田處理主要影響小麥根際氨基酸、糖類(lèi)與有機(jī)酸代謝過(guò)程。T1 較CK 代謝通路的數(shù)量明顯高于T2、T3,表明單季小麥秸稈還田處理下小麥根系代謝更為活躍。T1 較CK 富集到半乳糖代謝、果糖和甘露糖代謝、精氨酸和脯氨酸代謝與植物抗寒、根系生長(zhǎng)、根際土壤菌群相關(guān)的代謝通路,單季小麥秸稈還田可能通過(guò)以上代謝通路促進(jìn)根系生長(zhǎng)并提高作物抗寒能力。T2 較CK 集中于氨基酸類(lèi)與糖類(lèi)通路上,富集到半乳糖代謝、戊糖磷酸途徑、氰基氨基酸代謝、精氨酸和脯氨酸代謝等代謝通路上;T3 較CK 富集到半乳糖代謝、磷酸戊糖途徑(表3)。

表3 與秸稈不還田的CK 處理相比不同秸稈還田處理的小麥根系分泌物差異代謝通路統(tǒng)計(jì)Table 3 Differential metabolic pathways of wheat root exudates affected by return to field of all straws of different corps compared with CK treatment of no straw returned to field

3 討論

3.1 不同季秸稈全量還田對(duì)小麥根系形態(tài)與根系活力的影響

秸稈還田對(duì)提高農(nóng)田土壤肥力,增加作物產(chǎn)量具有重要意義。但不同秸稈類(lèi)型、秸稈還田方式以及整地質(zhì)量[17]影響著苗期小麥根系的生長(zhǎng)發(fā)育。根系是作物吸收土壤水分與營(yíng)養(yǎng)的部位,根長(zhǎng)、根干重、根系活力等決定了地上部植株養(yǎng)分供應(yīng)效率與幼苗素質(zhì),是評(píng)價(jià)小麥壯苗的重要指標(biāo)[18]。本研究表明T1 顯著增加了越冬期小麥根長(zhǎng)與根干重,這與常程等[19]研究深翻+秸稈還田能增加玉米根量及根干重的結(jié)果一致。同時(shí)趙維峰等[20]的研究表明澳洲堅(jiān)果(Macadamia integrifoliaMaiden &Betche)根系分泌物顯著增加咖啡(Coffea arabicaL.)根系總長(zhǎng)與根系活力;而王璐等[21]研究發(fā)現(xiàn)玉米等作物的根系分泌物對(duì)小麥幼苗根長(zhǎng)表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)根系生長(zhǎng),高濃度抑制根系生長(zhǎng)的作用。本研究中不同季秸稈全量還田均降低了小麥根系活力,這可能是因?yàn)椴煌窘斩捜窟€田改變了根系分泌物較CK 的差異代謝物組分與相對(duì)含量、富集的代謝通路,而不同成分的根系分泌物導(dǎo)致作物根系形態(tài)與生理特性發(fā)生了變化[22]。

3.2 不同季秸稈全量還田對(duì)小麥根系分泌物中糖類(lèi)物質(zhì)的影響

植物根系通過(guò)分泌不同組分與含量的根系分泌物調(diào)控其適應(yīng)非生物逆境的過(guò)程十分復(fù)雜。根系分泌物中糖類(lèi)、氨基酸類(lèi)物質(zhì)一方面作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和信號(hào)分子,通過(guò)調(diào)節(jié)抗氧化系統(tǒng)、維持滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)與激素系統(tǒng)互作等方式提高作物根系對(duì)逆境的抵抗能力[6];另一方面作為根際土壤微生物的營(yíng)養(yǎng)源促進(jìn)了根圍細(xì)菌移動(dòng)到植物根際,間接幫助植物生長(zhǎng)[23]。本研究發(fā)現(xiàn),T1、T2、T3 較CK 均富集到半乳糖代謝、T1 較CK 富集到果糖和甘露糖代謝、糖酵解/糖異生途徑,T2、T3 較CK 富集到戊糖磷酸途徑。T1 較CK 水蘇糖、毛蕊花糖等棉子糖系列寡糖水平相對(duì)含量上調(diào),T2、T3 較CK 下調(diào),表明T1小麥根系分泌物中含有更多的糖類(lèi)物質(zhì)。小麥幼苗受到低溫脅迫時(shí)蔗糖水平會(huì)迅速提高,并通過(guò)根細(xì)胞膜脂的磷酸化保護(hù)細(xì)胞膜,提高膜的滲透性[24],果糖與棉子糖提高單磷脂與磷脂雙分子層的穩(wěn)定性,從而增強(qiáng)植物抗性。半乳糖代謝中的己糖激酶(hexokinase,HXK)同是糖酵解的限速酶[25-26],其活性影響植物的呼吸。植物利用磷酸戊糖途徑產(chǎn)生的大量煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)進(jìn)行細(xì)胞各種生理活動(dòng)。T1 與CK 相比小麥根系可能主要通過(guò)糖酵解/糖異生途徑進(jìn)行糖類(lèi)代謝并為其他物質(zhì)合成與代謝提供能量,而T2、T3 則通過(guò)戊糖磷酸途徑進(jìn)行糖類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化并為其他合成代謝提供多種原料。本研究中T1 可能通過(guò)增加小麥根部棉子糖系列寡糖水平,利用糖酵解途徑提供能量,提高膜的滲透性與穩(wěn)定性以增強(qiáng)越冬期小麥根系的抗寒能力,而T2、T3 根部棉子糖系列寡糖水平較低,但是通過(guò)戊糖磷酸途徑進(jìn)行糖類(lèi)物質(zhì)轉(zhuǎn)化并為其他合成代謝提供多種原料。

3.3 不同季秸稈全量還田對(duì)小麥根系分泌物中氨基酸類(lèi)物質(zhì)的影響

脯氨酸作為典型的滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和活性氧清除劑,在植物遭遇非生物逆境脅迫時(shí),各組織器官中的部分氨基酸水平會(huì)顯著上調(diào)以保護(hù)植物細(xì)胞膜和蛋白質(zhì)[27],同時(shí)有研究表明植物激素與脯氨酸互作可提高植物抗逆性,通過(guò)促進(jìn)促生菌的定殖來(lái)激發(fā)植物的生長(zhǎng)效益[28]。氨基酸代謝相關(guān)的通路中,T1 較CK 精氨酸和脯氨酸代謝中檢測(cè)到L-谷氨酸、酪胺、L-脯氨酸等物質(zhì)上調(diào)。但T2、T3 較CK 脯氨酸相對(duì)含量并無(wú)明顯變化。T1 較CK 精氨酸生物合成中檢測(cè)到L-谷氨酸、L-天冬氨酸、N-乙酰-L-谷氨酸5-半醛上調(diào),D-谷氨酰胺和 D-谷氨酸代謝中檢測(cè)到D-谷氨酰胺、L-谷氨酸上調(diào)。T1 處理小麥根系分泌更多L-脯氨酸、L-纈氨酸、L-蘇氨酸、L-異亮氨酸等氨基酸吸引變形菌門(mén)(Proteobacteria)、放線菌門(mén)(Actinobacteria)、厚壁菌門(mén)(Firmicutes)、酸桿菌門(mén)(Acidobacteria)等有益菌定殖[8],通過(guò)微生物的作用間接改變根系中激素含量使T1 根長(zhǎng)高于CK[28]。谷氨酸和谷氨酰胺調(diào)節(jié)植物對(duì)銨的同化[29],提升根系氮同化能力進(jìn)而增加T1 根系干重。徐國(guó)偉等[12]的研究表明同一施氮水平下,秸稈還田提高了水稻根系分泌物中氨基酸總量和根系活力。這與本試驗(yàn)中單季小麥秸稈還田增加了小麥根系分泌物中氨基酸含量的結(jié)果一致,但本試驗(yàn)條件下秸稈還田處理根系活力均小于不還田處理,可能是由于秸稈還田后的腐解液對(duì)小麥幼苗根系活力具有抑制作用[30]。

本研究中T1 處理增加了小麥根系分泌物中脯氨酸等氨基酸含量,改善根際營(yíng)養(yǎng),吸引有益菌定殖促進(jìn)根系生長(zhǎng)。通過(guò)精氨酸和脯氨酸代謝與D-谷氨酰胺和 D-谷氨酸代謝兩條氮代謝通路提高植株的氮同化能力,促進(jìn)小麥根系生長(zhǎng),增加根長(zhǎng)與根干重,進(jìn)一步提高小麥對(duì)低溫的適應(yīng)能力。

3.4 不同季秸稈全量還田對(duì)小麥根系分泌物中有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)的影響

根系分泌中有機(jī)酸通過(guò)對(duì)土壤酸化、螯合、還原作用改善逆境條件下根際土壤養(yǎng)分環(huán)境[31-33],緩解環(huán)境脅迫程度促進(jìn)根系生長(zhǎng),T1 根系干重與根長(zhǎng)高于CK 的原因可能與T1 根系分泌物中有機(jī)酸含量增加有關(guān)[10]。本試驗(yàn)中在T1 與CK 對(duì)比篩選到的差異代謝物里有3-羥基葵二酸、3-異丙烯基戊二酸、4-庚酸、肉桂酸等7 種有機(jī)酸顯著上調(diào),表明單季小麥秸稈全量還田可能通過(guò)促進(jìn)小麥根系分泌物中有機(jī)酸含量的增加,進(jìn)而促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明單季小麥秸稈全量粉碎覆蓋還田提高越冬期小麥根長(zhǎng)與干重,且在秸稈還田條件下維持較高的根系活力。對(duì)淮北平原砂姜黑土區(qū)不同季秸稈全量還田下冬小麥越冬期根系分泌物進(jìn)行代謝物差異分析以及代謝通路富集分析,共篩選出差異代謝物529 種,富集到84 條代謝通路,主要集中于糖類(lèi)、氨基酸類(lèi)、有機(jī)酸類(lèi)物質(zhì)。秸稈全量還田較秸稈不還田小麥根系分泌物組分與含量上具有差異,單季小麥秸稈全量還田差異最顯著,可能通過(guò)增加根部蔗糖、葡萄糖、脯氨酸等物質(zhì)含量,提高膜的滲透性與穩(wěn)定性以增強(qiáng)越冬期小麥根系抗寒性,涉及果糖和甘露糖代謝、精氨酸和脯氨酸代謝等代謝通路,增加根系分泌物中氨基酸與有機(jī)酸水平,改善根際土壤營(yíng)養(yǎng),促進(jìn)根系生長(zhǎng)。本研究為淮北平原砂姜黑土區(qū)秸稈資源的高效利用和小麥生產(chǎn)的高產(chǎn)高質(zhì)高效發(fā)展提供了理論支撐。