南京土壤所在黄瓜根系分泌物释放特性研究方面取得进展

根系分泌物是植物根系释放到根际环境中的有机物质的总称，占分配到植物地下部总碳量的15%到25%，属于土壤微生物易于分解的、可直接利用的碳源，是植物、土壤和微生物三者间的桥梁，对土壤结构形成、土壤养分转化、植物养分吸收、土壤微生物分布、环境污染修复等方面具有重要的作用，因此植物根系分泌物一直是根际研究的重点。然而，根系分泌物在土壤中会迅速被微生物降解，再加上根系分泌物本身含量较低、组分复杂，迫切需要建立起一套可行、高效、稳定的根系分泌物收集、分离纯化和鉴定方法。

南京土壤研究所段增强课题组改进设计了一套根系分泌物自动循环收集装置，并研究了其对植物根系分泌物的吸收效率。结果表明，对27种植物根系分泌物中常见的小分子有机物，其吸收效率与XAD-4树脂对其吸附性能有关。对吸附在XAD-4树脂上的小分子有机物用乙醇洗脱，洗脱率在70%以上。再用离子交换树脂法将洗脱液中的混合物分离为中性、酸性和碱性三大组分，回收率在80%以上。将整个收集、分离和提纯3个过程效率相乘，得到收集过程的总回收率，糖类在10%左右，有机酸在20%左右，氨基酸在30%左右(J Plant Nutr Soil Sci, 2015)。

对于根系分泌物中痕量糖类的检测，该研究团队利用蔗糖水解酶将根系分泌物中的非还原性糖蔗糖转化为还原性糖果糖和葡萄糖，再利用四氮唑蓝柱后衍生法使其用紫外-可见检测器即可检测。利用配有常规紫外-可见检测器的高效液相色谱仪，果糖、葡萄糖、蔗糖和麦芽糖的检测限就可分别达到0.25、0.43、0.48和1.95 µg/mL，可与脉冲安培检测器媲美，远优于示差折光检测器和蒸发光散射检测器的精度 (J Amer Soc Hort Sci, 2014)。

利用这套研究方法，该课题组开展了大气CO₂浓度和氮水平对黄瓜根系分泌物中糖类、有机酸和氨基酸分泌量影响的研究。CO₂浓度和氮水平可以通过影响黄瓜的碳、氮代谢直接影响黄瓜根系分泌物的单株分泌量，也可以通过改变根系形貌间接影响黄瓜根系分泌物。通过3个CO₂浓度与4个氮水平的水培试验，得到了具有不同形貌的黄瓜根系、根系分泌物中10种小分子有机物的单株分泌量以及这些物质在根内的含量。相关性分析表明，只有葡萄糖、果糖和蔗糖三种糖类以及草酸在根系分泌物的分泌量与其在根系中含量成弱的正相关关系；与根系形貌参数之间的相关性分析表明：三种糖类分泌量与根系表面积相关性最高，而三种有机酸和四种氨基酸分泌量与根尖数相关性最高。通过以上结果和近期关于植物根系中糖类、有机酸和氨基酸外排转运体的报道，我们推测：对于糖类，植物主要是利用根系分泌糖类为根际微生物提供碳源与能量来换取微生物对土壤有机氮的矿化获取无机氮，因此，在大气CO₂浓度升高和缺氮条件下，更多的糖类分配到植物根系，在整个根系通过扩散的方式分泌；对于有机酸，植物往往是在处于逆境，例如缺磷、缺铁或有害金属离子毒害的条件下的防御手段，而植物根尖是最先感受到逆境，也是受毒害最重的区域，因此有机酸与其根内含量相关性不大，主要在植物根尖通过主动运输方式分泌；氨基酸也是植物所需的氮源，因此根系分泌的氨基酸有90 %又被植物根系重新吸收，其作用可能是与根际微生物交换氨基酸或作为信号物质，因此其分泌位置主要在根尖依赖主动运输(Plant Soil, 2018)。

该成果得到了国家自然科学基金、国家科技支撑计划和中科院战略先导专项（B类）的资助。

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