楊紅軍，王浩洋，崔慶華，鄭美娜，李 田*

(1.濱州學(xué)院山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濱州 256600；2.濱州市環(huán)境保護(hù)科學(xué)技術(shù)研究所，山東 濱州 256600)

黃河三角洲是黃河攜帶大量泥沙在渤海凹陷處沉積形成的沖積平原。黃河三角洲的濕地生態(tài)系統(tǒng)是新生的濱海濕地生態(tài)系統(tǒng)[1-2]。目前，黃河三角洲正面臨一系列生態(tài)問(wèn)題，其中土壤鹽漬化問(wèn)題尤為嚴(yán)重。鹽地堿蓬(Suaeda salsa)是聚鹽型鹽生植物的典型代表，其在黃河三角洲廣泛分布。鹽地堿蓬不僅可以從土壤中吸取水分和養(yǎng)分滿足自身所需，同時(shí)也會(huì)向土壤周?chē)尫糯罅坑袡C(jī)物質(zhì)，在根與土壤的界面形成物質(zhì)、能量和信息交換最活躍的區(qū)域，能夠直接影響土壤中微生物活性，進(jìn)而影響土壤的理化性質(zhì)。植物根系的分泌物能夠參與植物與外界之間的信息傳遞和物質(zhì)交換[3]。因此，明確植物根系分泌物與土壤含鹽量的關(guān)系，對(duì)于改善土壤微環(huán)境和植物耐鹽基因的開(kāi)發(fā)具有科學(xué)意義。

已經(jīng)開(kāi)展了鹽脅迫下栽培型番茄對(duì)鈉離子和鉀離子的吸收、分配和轉(zhuǎn)運(yùn)特性[4]、基于CiteSpace的知識(shí)圖譜的植物根系分泌物研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)[5]、蘆葦(Phragmites australis)對(duì)水鹽聯(lián)合脅迫的生理響應(yīng)[6]、鹽脅迫對(duì)水稻(Oryza sativa)老葉和幼葉離子平衡和氮代謝的影響[7]等方面的研究。鹽脅迫使得不同耐鹽黃瓜(Cucumis sativus)品種根系分泌物中氨基酸的數(shù)量和種類(lèi)增加[8]。鹽脅迫下甜菜(Beta vulgaris)[9]和唐古特白刺(Nitraria tangutorum)[10]的根系分泌物使根際土壤中細(xì)菌活性和微生物數(shù)量得到改善，從而直接或間接地影響了它們的生長(zhǎng)。雖然絕大多數(shù)植物根系分泌物的生成機(jī)制暫未確定，但是一些分泌物中的特殊物質(zhì)在生物學(xué)研究中意義重大[11]。甜瓜(Cucumis melo)的根系分泌物積累過(guò)多會(huì)導(dǎo)致其自毒作用[12]。一方面，植物的自毒作用可以調(diào)控土壤微生物的活動(dòng)，從而直接影響作物生長(zhǎng)[13]。在花生(Arachis hypogaea)的根系分泌物中檢測(cè)出自毒物質(zhì)，這些物質(zhì)被證實(shí)能夠抑制花生的生長(zhǎng)[14]。楊樹(shù)分泌的酸類(lèi)物質(zhì)對(duì)土壤微生物和酶活性都存在自毒效應(yīng)[15]。另一方面，植物根系的分泌物可以通過(guò)改變土壤微環(huán)境來(lái)間接影響植物的生長(zhǎng)[16]。當(dāng)病原微生物侵襲時(shí)，植物根系分泌物可以召集有益菌群來(lái)提高機(jī)體的防御能力[17]。水稻根系的分泌物濃度越高，其在土壤中的生物量就越大，水稻對(duì)有機(jī)物的利用能力就越強(qiáng)[18]。土壤中的微生物可以分解和利用植物根系的分泌物，產(chǎn)生有利于自身生長(zhǎng)的物質(zhì)[19]。鹽脅迫是影響植物生長(zhǎng)及其產(chǎn)量的重要因素[20]。已經(jīng)開(kāi)展了一些鹽地堿蓬耐鹽機(jī)制和改良土壤機(jī)制的研究[21-24]。

本研究在黃河三角洲土壤含鹽量不同的鹽地堿蓬群落區(qū)中，采集了鹽地堿蓬全株樣品，鑒定了其根系分泌物中化合物的種類(lèi)，測(cè)定了各種化合物的含量，分析了土壤不同含鹽量條件下鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類(lèi)及其含量特征，以期為鹽地堿蓬適應(yīng)環(huán)境的策略和改良土壤的機(jī)制研究提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 采樣地布設(shè)和樣品采集

在黃河三角洲土壤含鹽量存在顯著差異的3處鹽沼中，分別設(shè)置了1 塊采樣地。采樣地1、采樣地2 和采樣地3 的土壤含鹽量的(平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)分別為(1.63±0.31) g/kg、(3.88±0.58) g/kg 和(7.26±0.64) g/kg，其中心點(diǎn)的緯度和經(jīng)度分別為37.923 95° N 和118.577 1° E、38.021 68° N 和118.733 9°E、37.987 79°N 和118.604 2°E。在采樣地1 和采樣地2 中分布的主要植物群落都為蘆葦群落、鹽地堿蓬群落和獐茅(Aeluropus sinensis)群落，在采樣地3 中分布的主要植物群落為蘆葦群落、鹽地堿蓬群落和檉柳(Tamarix chinensis)群落。在3 塊采樣地土壤含鹽量分別為1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 的鹽地堿蓬群落區(qū)中，各布設(shè)了3個(gè)規(guī)格為5 m×5 m的樣方。

于2020年7月25日，在每個(gè)樣方中，采用挖掘法，利用鐵鍬，采集5 株植株高度為40 cm 的鹽地堿蓬全株樣品。在每個(gè)樣方中，采用對(duì)角線取樣法，利用直徑為5 cm 的土鉆，采集0～20 cm 深度的土壤樣品，然后，將采集到的土壤樣品混合均勻，作為1份土壤樣品。將所有樣品運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用烘干法，測(cè)定土壤樣品的烘干殘?jiān)偭亢涂扇苄喳}分質(zhì)量。

采用溶液培養(yǎng)收集法[25]，利用Agilent 7890A/5975C 氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，鑒定鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類(lèi)和測(cè)定其含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法

利用Excel 2010 軟件和Origin 8.0 軟件，整理和統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同含鹽量下鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類(lèi)及其含量

在土壤含鹽量為1.5 g/kg條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中共有45 種化合物，包括4 種酯類(lèi)、4 種胺類(lèi)、2 種酮類(lèi)、3 種苯類(lèi)、1 種吲哚類(lèi)、17 種烷烴類(lèi)、2 種噻唑類(lèi)、2 種酚類(lèi)、2 種醛類(lèi)、5 種酸類(lèi)、2 種烯類(lèi)和1種腈類(lèi)化合物(表1)。各種化合物的含量變化在0.579%～20.100%之間。

在土壤含鹽量為3.5 g/kg條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中共有84 種化合物，包括3 種酯類(lèi)、4 種胺類(lèi)、6 種酮類(lèi)、1 種苯類(lèi)、38 種烷烴類(lèi)、1 種噻唑類(lèi)、3 種酚類(lèi)、3 種酸酐類(lèi)、3 種烯類(lèi)、4 種腈類(lèi)、9 種醇類(lèi)、7 種醚類(lèi)、1 種鹽類(lèi)和1 種抗氧化劑化類(lèi)合物，未檢測(cè)出吲哚類(lèi)和醛類(lèi)化合物，卻檢測(cè)出土壤含鹽量為1.5 g/kg 條件下根系分泌物中所沒(méi)有的醇類(lèi)、醚類(lèi)、鹽和抗氧化劑類(lèi)化合物(表2)。各種化合物的含量變化在0.306%～4.885%之間。

在土壤含鹽量為7.0 g/kg條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中共有45 種化合物，包括7 種酯類(lèi)、2 種胺類(lèi)、2 種酮類(lèi)、4 種苯類(lèi)、1 種吲哚類(lèi)、21 種烷烴類(lèi)、2 種噻唑類(lèi)、2 種酚類(lèi)、1 種酸類(lèi)、1 種烯類(lèi)、1 種醌類(lèi)和1種吡喃類(lèi)化合物(表3)。未檢測(cè)出土壤含鹽量為1.5 g/kg 條件下根系分泌物中的醛類(lèi)和腈類(lèi)化合物，也未檢測(cè)出土壤含鹽量中等條件下根系分泌物中的醇類(lèi)、醚類(lèi)、鹽和抗氧化劑類(lèi)化合物，其中的醌類(lèi)和吡喃類(lèi)化合物是土壤含鹽量為7.0 g/kg 條件下鹽地堿蓬特根系分泌物中特有的化合物。各種化合物的含量變化在0.562%～8.379%之間。

表3 土壤含鹽量為7.0 g/kg條件下鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類(lèi)及其含量Table 3 Types and contents of compounds in root exudates of Suaeda salsa under conditions of 7.0 g/kg salt content

2.2 不同含鹽量下鹽地堿蓬根系分泌物中各類(lèi)化合物的含量

在土壤含鹽量分別為1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中有14 類(lèi)化合物，包括酯類(lèi)、胺類(lèi)、酮類(lèi)、苯類(lèi)、吲哚類(lèi)、烷烴類(lèi)、酚類(lèi)、醛類(lèi)、酸類(lèi)、烯類(lèi)、噻唑類(lèi)、醇類(lèi)、腈類(lèi)和醚類(lèi)化合物。

由表4 可知，在土壤含鹽量分別為1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 的條件下，鹽地堿蓬根系分泌物的各類(lèi)化合物含量中的最大值為土壤含鹽量為7.0 g/kg條件下烷烴類(lèi)化合物的含量(54.040%)，其最小值為土壤含鹽量為3.5 g/kg 條件下噻唑類(lèi)化合物的含量(0.351%)。

表4 土壤含鹽量為1.5 g/kg、3.5 g/kg和7.0 g/kg條件下鹽地堿蓬根系分泌物中各類(lèi)化合物的含量Table 4 Contents of various type compounds in root exudates of Suaeda salsa under conditions of 1.5 g/kg,3.5 g/kg and 7.0 g/kg salt contents

隨著土壤含鹽量的增大，鹽地堿蓬根系分泌物中烷烴類(lèi)化合物的含量逐漸增大，而酸類(lèi)和烯類(lèi)化合物的含量逐漸減小，尤其是酸類(lèi)化合物的含量大幅減??；酯類(lèi)、酮類(lèi)、苯類(lèi)、酚類(lèi)和噻唑類(lèi)化合物的含量呈單谷型變化，即當(dāng)土壤含鹽量為3.5 g/kg時(shí)，這些化合物的含量最小。

3 討 論

植物根系分泌物是根際微生態(tài)系統(tǒng)的中心樞紐，其組成和含量的改變集中反映了植物對(duì)外界環(huán)境變化的相應(yīng)[26]。植物通過(guò)調(diào)節(jié)自身根系的分泌物來(lái)適應(yīng)外界環(huán)境的改變[27]。對(duì)于不同程度的鹽分脅迫，植物的響應(yīng)存在差異，其根系分泌物中化合物的種類(lèi)和含量也不同[28]。

在本研究中，在土壤含鹽量為1.5 g/kg、3.5 g/kg和7.0 g/kg條件下，鹽地堿蓬的根系分泌物中分別有45 種、84 種和45 種化合物，但是這些化合物并不是根系分泌物中的全部化合物，在測(cè)定過(guò)程中，或許已經(jīng)損失了一些化合物。烷烴類(lèi)化合物是鹽地堿蓬初生和次生代謝產(chǎn)物，其本身具有一定的化感作用。在正常環(huán)境條件下，鹽地堿蓬烷烴類(lèi)根系分泌物以正構(gòu)烷烴為主。當(dāng)鹽地堿蓬受鹽脅迫時(shí)，其根系會(huì)產(chǎn)生大量的支鏈烷烴(或烯烴)化合物，此類(lèi)化合物可以為植物根系微生物提供碳源，從而使植物更好地適應(yīng)脅迫環(huán)境[29]。在辣椒(Capsicum annuum)的根系分泌物中，檢測(cè)出28種化合物，其中有13種化合物為烷烴類(lèi)化合物[30]。在蘆葦根系分泌物中，共檢測(cè)出54種化合物，其中19種為烷烴類(lèi)化合物[31]。在馬鈴薯(Solanum tuberosum)根系分泌物中，檢測(cè)出較多的酸性物質(zhì)[32]。采用乙酸乙酯三相萃取方法，提取烤煙根系分泌物中的化合物，也獲取了大量的酸性物質(zhì)[33]。本研究在鹽地堿蓬根系分泌物中檢測(cè)到的酸類(lèi)化合物的總含量(18.788%)較小，檢測(cè)到的醇類(lèi)化合物的總含量(34.343%)較大，醇與酸類(lèi)化合物之間易發(fā)生酯化反應(yīng)，使得酸類(lèi)化合物的含量減小，酯類(lèi)化合物的含量增大。在本研究中，當(dāng)土壤含鹽量為3.5 g/kg時(shí)，鹽地堿蓬根系分泌物中化合物的種類(lèi)(84 種)最多，這可能是鹽地堿蓬通過(guò)調(diào)節(jié)自身根系分泌物中化合物的組成來(lái)適應(yīng)鹽脅迫：在土壤含鹽量為1.5 g/kg條件下，鹽地堿蓬的自身調(diào)節(jié)能力完全能夠適應(yīng)外界的鹽脅迫，根系分泌物中化合物種類(lèi)的增加是鹽地堿蓬自身防御的反饋[34]；在土壤含鹽量為7.0 g/kg條件下，鹽地堿蓬的自身調(diào)節(jié)能力已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)外界環(huán)境的鹽脅迫，自身的生長(zhǎng)狀況受到了嚴(yán)重的負(fù)面影響，根系分泌物中的化合物種類(lèi)減少也反映出植物自身狀況不佳的事實(shí)，即鹽地堿蓬無(wú)法適應(yīng)高鹽脅迫環(huán)境，生存受到了嚴(yán)重威脅，這與現(xiàn)實(shí)生態(tài)恢復(fù)過(guò)程中鹽生植物也有鹽度生態(tài)閾值相符合，植物恢復(fù)必須尊重自然規(guī)律，根據(jù)自然環(huán)境條件選擇合適的植物物種進(jìn)行植物恢復(fù)，才能做到事半功倍。隨著土壤含鹽量的增大，鹽地堿蓬根系分泌物中的烷烴類(lèi)化合物的含量逐漸增大，酸類(lèi)和烯類(lèi)等化合物的含量在不斷減小，而酯類(lèi)、酮類(lèi)、苯類(lèi)、酚類(lèi)和噻唑類(lèi)化合物的含量在土壤含鹽量為3.5 g/kg 條件下最小，這可能是在土壤含鹽量逐漸增大的過(guò)程中，鹽地堿蓬代謝調(diào)節(jié)與土壤微生物綜合作用的結(jié)果[35-36]。

4 結(jié) 論

在土壤含鹽量分別為1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg條件下，鹽地堿蓬根系分泌物中的化合物種類(lèi)分別為45 種、84 種和45 種，都以烷烴類(lèi)化合物的種類(lèi)居多。

隨著土壤含鹽量的增大，鹽地堿蓬根系分泌物中的烷烴類(lèi)化合物的含量逐漸增大，土壤含鹽量為7.0 g/kg 條件下的烷類(lèi)化合物含量(54.040%)為鹽地堿蓬根系分泌物中各類(lèi)化合物含量的最大值；酸類(lèi)和烯類(lèi)等化合物的含量在不斷減小。酯類(lèi)、酮類(lèi)、苯類(lèi)、酚類(lèi)和噻唑類(lèi)化合物的含量都在土壤含鹽量為3.5 g/kg時(shí)最小。