植物获取碳新通道的初步研究

郑肖兰 崔昌华 鲁海菊 郑服丛 侯会霞 易克贤

（1.中国热带农业科学院环境与植物保护研究所/农业农村部热带农林有害生物入侵监测与控制重点开放试验室/海南省热带农业有害生物监测与控制重点试验室 海南海口 571101；2.海南经贸职业技术学院海南海口 571127；3.红河学院生物科学与农学学院农学系 云南蒙自 661199；4.海南大学植物保护学院 海南海口 570100）

一般认为，高等植物需要的有机碳营养来自其自身光合作用所固定的CO2，土壤有机物质中的碳不可能替代或补偿自光合作用所固定的CO2[1]。有机肥不直接为植物提供有机碳源，而是在土壤中被分解成矿物质，为植物提供矿质营养[2]。土壤中有机碳所起的作用是有利于根系微生物，对植物并没有直接作用[3-4]。关于植物有机碳营养，尤其是有机碳肥的研究，近年来有许多报道。植物营养理论认定了碳是17 种必需营养元素之首，远高于氮、磷、钾等元素的总含量[5-6]；其中碳、氢、氧3 种元素主要来源于二氧化碳和水，一般在化肥工农业中不予考虑；而二氧化碳气肥多用于大棚栽培，难以在大田使用[7]。农民不断施用氮磷钾复合肥，据报道，近30 年我国土壤中的碳元素降低了50%，而氮元素却增加了30%[8]。土壤中的碳去哪了呢？植物是否能通过其他途径获取外源碳，是否可以通过根系从土壤中获取碳呢？鉴于此疑问，本研究设计不同作物不同处理试验进行相关验证。

国内外研究发现，无机氮可被作物吸收[9-12]。刘千里[13]，李瑞波等[14]则认为，粒径在800 nm以下的小分子水溶有机碳，可被植物和微生物直接吸收，见效快、肥效高。廖宗文等[15]研究发现，玉米、蔬菜喷施有机碳有较大的增产作用[15]。桂丕等[16]研究了在弱光条件下，不含氮的蔗糖、α-酮戊二酸、丙三醇3 种有机碳有促进水稻生长的作用[16]；此外在不同氮水平下喷施α-酮戊二酸和丙三醇有机碳促进蕹菜生长，效果因不同的氮水平及有机碳源而异[17]。卫尤明等[18]研究α-酮戊二酸、丙酮酸、草酰乙酸3 种不同有机碳对玉米、蔬菜有较大的增产作用[18]。但关于土壤碳源对植物光合作用的补偿替代作用，尚未见报道。本研究通过消除微生物的干扰，阻断外源CO2输入，切断正常光合作用途径发现,甘蔗和香蕉在密闭组培瓶中，其生长需要的有机碳可由MS 培养基中添加的葡萄糖、蔗糖或乳糖提供。由此证实，甘蔗和香蕉根系能吸收利用培养基中的有机碳供其正常生长。其次，通过水稻苗的培养，也发现同样处理下，即在MS 培养液中添加的葡萄糖、蔗糖或乳糖浇灌下水稻的生长远优于仅有MS 的处理。具体结果报道如下。

1 材料与方法

1.1 材料

选用常规的甘蔗、香蕉组培苗，水稻种子苗作为材料。使用含与不含葡萄糖、蔗糖和乳糖的MS[Coolaber，pH (5.8±0.2)]作为培养基。MS、葡萄糖、蔗糖和乳糖均为分析纯。试材和培养基详见表1。

表1 三种试材的培养环境 单位：g/L

1.2 方法

1.2.1 试材培育

1.2.1.1 甘蔗和香蕉组培苗本试验于2021 年5月始在海南省海口市中国热带农业科学院环境与植物保护研究所实施，在无菌工作台中，选取增殖培养后长势较好的不定芽（高度2～3 cm），将其转接到表1 中所列的培养基上，促使其生根成长。每瓶培养基内接种甘蔗9～11 株，香蕉4～5株。接入小苗后，用密封组培瓶盖将瓶口密封，防止外界空气进入瓶内，即作物生长空间与外界隔绝，每处理10 个重复。完成上述转接操作后，将瓶移入温度为（26±2）℃、光强为2 000 lx、全日光照光周期的环境中。

1.2.1.2 水稻苗将稻种播种于河沙中，稻苗转绿时移入人工气候箱，每瓶50 株。人工气候箱的环境参数：温度为（28±2）℃、湿度80%、10 h光照/14 h 黑暗。培育期间，瓶内加注一定量的培养液（空白对照瓶加注等量的去离子水），以补充营养和水分，每隔2 天加注1 次，共加注20 次，加注总量690 mL/瓶。

1.2.2 试验设计按照随机区组方法设计试验。试验处理包括：3 种碳源的MS 培养基（G、S、L）、碳源空白对照（CK）和阴性对照（MS），共5 种处理。每种处理3 次重复。每种试材共15 个小区，每小区4 瓶试材。

1.2.3 数据采集在组培瓶培养的甘蔗和香蕉长到瓶子高度前，每7 天观察、记录1 次各试验小区瓶内试材的叶片和根系生长情况以及分蘖（甘蔗）情况。当处理中有苗长到瓶高时，将瓶中试材取出，用清水冲洗脱去黏着的培养基，纱布吸干水分后，以试验小区为单位称量并记录鲜重、株高、根长、分蘖数等。然后，将已晾干的试材体置于70℃干燥箱中，干燥处理48 h 后，检测、记录干重。

水稻苗每周观察记录一次株高，长势及叶片颜色等，在MS 瓶中的试材未枯死之前，每7 天观察、记录1 次各试验小区瓶内试材的株高，长势及叶片颜色等。当MS 的瓶中大部分试材枯死时，将瓶中试材取出，用清水冲洗脱去黏着的基质，晾干后，以试验小区为单位称量并记录鲜重。然后，将已晾干的试材置于70℃干燥箱中，干燥处理48 h 后，检测、记录干重。

水稻苗培育基质理化性质的测定：水稻苗拔出后，将剩余的瓶子（含培养沙子）置于70℃干燥箱中，干燥处理72 h，取出后同一处理的基质混匀过筛，去除其中断落的水稻根叶等杂质，各种处理取其中1 kg 送往中国热带农业科学院分析测试中心进行检测。

1.2.4 数据统计处理按随机区组试验设计的数据处理方法整理试验数据，使用SPSS 方法，对试验数据进行分析。

2 结果与分析

2.1 不同碳源处理对甘蔗生长的影响

2.1.1 不同碳源处理对甘蔗株高的影响从图1得知，在含蔗糖的培养基中甘蔗生长最好，组培苗平均高度为66.6 mm，叶色浓绿，全部组培苗均正常生长抽梢，且全部生根，与其他处理相比较差异极显著；其次生长好的是葡萄糖培养基，组培苗平均高度为52.7 mm，叶色绿，均有生长且大部分有抽新梢，生根正常；在乳糖培养基中甘蔗有生长，组培苗平均高度为33.2 mm，但甘蔗瘦弱，发黄，长势明显比在蔗糖和葡萄糖中弱很多，基本观察不到生根；甘蔗在去离子水中能抽梢生长，但瘦弱，发黄严重，无生根；甘蔗在基础不含碳源的MS 培养基中没有生长，也没有生根，推测导致该结果的原因是甘蔗如果在无足量CO2或培养基无碳源情况下即使全日光照，甘蔗组培苗也难以进行营养元素的吸收，无法合成生长所需的物质。总体结果显示，在组培瓶无外源CO2情况下有参试的3 种碳源补充，组培苗均能生长，但甘蔗组培苗对不同碳源的利用吸收情况不一样，蔗糖最好，葡萄糖次之，乳糖较差。对于去离子水中的甘蔗组培苗没有死亡而能抽梢生长，推测是利用自身储存的营养物质，以及瓶子里的水维持生命。由此结果初步得出以下推测：（1）甘蔗能通过根部吸收小分子有机碳源（蔗糖、葡萄糖和乳糖）合成碳水化合物促进植株生长。（2）即使是大中微量元素配比合适的MS 培养基上，甘蔗在无外源碳补充的情况下不能合成足够的碳水化合物供植株正常生长。（3）即使组培瓶原有一些CO2和甘蔗呼吸作用产生CO2也不足以支撑甘蔗苗正常生长。

2.1.2 不同碳源处理对甘蔗分蘖的影响从图2可看出，甘蔗分蘖数最多的是含蔗糖的培养基，平均分蘖数为2.71 个/株，且分蘖枝相对其他处理高大粗壮；其次是葡萄糖培养基，平均分蘖数为2.39 个/株，与蔗糖培养基中相比差异不显著，但分蘖枝较弱小，且生长高度明显低于蔗糖培养基中的分蘖枝；乳糖和去离子水培养基下生长的甘蔗分蘖数很少，分别为1.54 和1.40 个/株，分蘖枝瘦弱；不含碳源的MS 培养基上甘蔗无分蘖。且经持续观察得知，随着时间的推移，分蘖数越多，处理间差异愈发显著。由此结果得出：（1）甘蔗能通过根部吸收小分子有机碳源（蔗糖、葡萄糖和乳糖）促进甘蔗的分蘖。（2）即使是大中微量元素合适的MS 培养基上，甘蔗在无外源碳补充的情况下也不能正常分蘖。

2.1.3 不同碳源处理对甘蔗干鲜重的影响从图3 可看出，在含蔗糖的培养基中甘蔗组培苗无论是干重还是鲜重都是最大的，其平均干鲜重分别为0.055 2、0.461 0 g/株，与其他处理相比较差异极显著；其次是在含葡萄糖的培养基中生长的甘蔗，其平均干鲜重分别为0.030 4、0.251 5 g/株；乳糖、去离子水和无碳源MS 培养基下生长的甘蔗干重分别是0.013 7、0.010 7、0.002 6 g/株，鲜重分别为0.129 1、0.110 3、0.065 8 g/株。甘蔗干重增长率结果如下：蔗糖、葡萄糖、乳糖与MS处理比较，分别为95.2%、91.3%、80.7%；与CK去离子水比较分别为80.6%、64.8%、21.5%；证明在含碳源的培养基中参试植株积累的碳水化物增加极显著。进一步证实：（1）甘蔗能通过根部吸收小分子有机碳源（蔗糖、葡萄糖和乳糖）合成甘蔗正常生长的碳水化合物。（2）即使是MS培养基上，甘蔗在无外源碳补充的情况下合成的碳水化合物也很有限，不足以供应其正常生长。（3）即使组培瓶原有一些CO2和甘蔗呼吸作用产生的CO2也不能合成足量的碳水化合物以支撑甘蔗苗正常生长。

2.2 不同碳源处理对香蕉生长的影响

2.2.1 不同碳源处理对香蕉生长高度的影响由图4 可知，香蕉组培苗在含蔗糖的培养基中生长最好，组培苗平均高度为60.0 mm，叶色浓绿，全部组培苗均正常抽梢，生长粗壮，且全部生根，与其他处理相比较差异极显著；其次是在葡萄糖培养基中，组培苗平均高度为44.2 mm，叶色绿，生根正常；在乳糖培养基中香蕉苗生长较弱，平均高度为36.8 mm，但香蕉生根很少，叶片窄小、下部叶片发黄，长势明显比在蔗糖和葡萄糖中弱；香蕉在CK 去离子水中能抽梢生长，但瘦弱，发黄严重，无生根；香蕉苗在基础不含碳源的MS培养基中基本不生长，也没有生根。结果显示在缺CO2情况下有参试的3 种碳源补充，香蕉组培苗均能生长，但组培苗对不同碳源的利用吸收情况不一样，体现在生长高度、叶宽和叶色等方面，总体结果显示，蔗糖最好，葡萄糖次之，乳糖较差。结果证明：（1）香蕉能通过根部吸收小分子有机碳源（蔗糖、葡萄糖和乳糖）合成香蕉正常生长物质，有利于作物的生长。（2）即使是在MS培养基上，香蕉苗在无外源碳补充的情况下生长弱。（3）即使组培瓶中存有一些CO2和呼吸作用产生的CO2也不足以支撑香蕉苗正常生长。

2.2.2 不同碳源处理对香蕉苗干鲜重的影响从图5 可知，在含蔗糖的培养基中香蕉组培苗无论是鲜重还是干重的值都最大，分别为0.898 2、0.054 2 g/株，与其他处理相比差异极显著；其次是在含葡萄糖培养基中，其平均鲜重和干重分别为0.397 6、0.026 5 g/株；乳糖、去离子水（CK）和无碳源MS 中生长的香蕉组培苗鲜重分别是0.326 6、0.256 4、0.248 8 g/株，干重分别为0.026 1、0.018 8、0.010 9 g/株。香蕉苗干重增长率结果如下：蔗糖、葡萄糖、乳糖与MS 处理比较，分别为79.9%、58.8%、58.2%；与CK 去离子水比较分别为65.2%、28.8%、27.8%；说明在含碳源的培养基中参试植株积累的碳水化物增加极显著。由此结果进一步证实：（1）香蕉苗能通过根部吸收小分子有机碳源（蔗糖、葡萄糖和乳糖）合成正常生长所需的碳水化合物。（2）在大中微量元素合适的MS 培养基上，无外源碳补充的情况下香蕉苗合成碳水化合物有限，不足以供应其正常生长。（3）即使组培瓶中原有一些CO2和呼吸作用产生的CO2也不能合成足量的碳水化合物以支撑香蕉苗正常生长。

2.3 不同碳源处理对水稻生长的影响

2.3.1 生长高度由图6 结果发现，随着时间推移，含碳源的处理下，3 种处理水稻苗均一直往上长，无干枯死亡现象；而MS 处理则生长从上升到迟缓，逐渐干枯死亡；对照处理则生长相对慢，后期也停止增高并回枯。试验记录也验证MS浇灌培养的水稻苗由叶片宽大浓绿，长势优，逐渐到叶子黄绿，黄化，直至死亡；而在此过程中，MS 含乳糖、葡萄糖、蔗糖中的水稻苗均正常生长，叶子绿，叶片坚挺；而对照去离子水中，不含必需元素也不含碳元素，水稻苗生长一直较弱，矮小，后期叶片回枯多，发黄。

从图7、8 得知，MS 处理的植株大多干枯死亡，平均高度为15.49 cm；根短，有部分腐烂，洗出时根很脆弱，断根现象多，平均根长5.90 cm。蔗糖和乳糖处理的叶片绿，植株坚挺，平均高度分别为25.87 和28.22 cm；根健康，黄褐色，断根极少，根长平均分别为7.29 和8.09 cm。葡萄糖处理的植株叶片绿，叶子相对宽大柔软，平均高度26.11 cm；根颜色深褐至黑褐色，根长平均7.60 cm。对照处理则植株矮小，回枯严重，平均高度17.63 cm；根健康，浅褐色至白色，根长最长，平均长度为8.54 cm。总体上含3 种碳源处理的水稻苗与2 个对照生长高度比较差异极显著，3 种碳源相互比较生长高度未达到差异极显著；从该试验结果得知，仅MS 营养液缺少碳元素，即使光照温度等外界条件良好，水稻苗还是生长不良，甚至死亡；而添加碳元素，即补充蔗糖、乳糖、葡萄糖均可使水稻苗生长良好；从而证明在光照充足，CO2充足的情况下，即水稻苗在正常光合作用下，依然能通过根系直接吸收碳元素，而且土壤中含有碳元素更有利于水稻苗正常生长。

2.3.2 不同碳源处理对水稻苗干鲜重的影响从图9 可看出，不同碳源处理的水稻干鲜重差异明显，平均干鲜重从大到小分别是乳糖>蔗糖>葡萄糖>对照>MS，鲜重分别为4.32、3.46、3.36、1.14、1.03 g/株，干重分别为0.90、0.71、0.63、0.33、0.25 g/株。干重增长率结果如下：蔗糖、葡萄糖、乳糖与MS 处理比较，分别为65.4%、60.8%、72.8%；与CK 去离子水比较分别为54.2%、48.0%、64.0%。由此进一步证明：（1）水稻能通过根部吸收小分子有机碳源（蔗糖、葡萄糖和乳糖）合成有利于水稻正常生长的碳水化合物。（2）仅有MS培养液浇灌的水稻苗合成的碳水化合物不足以供应其正常生长。而且长期大量浇灌MS 培养液会导致水稻苗干枯死亡，然而添加了适量小分子有机碳（蔗糖、葡萄糖和乳糖）浇灌则可以很好地生长。

2.3.3 不同碳源处理对水稻土壤理化性质的影响从表3 得知，不同碳源处理下土壤理化性质测定结果差异明显，MS 处理的pH 明显低于其它处理，仅为8.5，葡萄糖处理的pH 最高，为9.7，乳糖和蔗糖处理均为9.4，对照处理为9.3。MS 处理的有机质明显低于其它处理，仅为0.444 g/kg，而乳糖、蔗糖和葡萄糖处理的有机质分别为2.29、2.07 和1.90 g/kg，对照处理为0.838 g/kg。结合2.3.1 和2.3.2 水稻苗的生长状况，本试验结果发现，培养基质pH 降低原因是MS 过量施用，且土壤碳源缺乏导致，证实土壤碳源，即高有机质含量是维持pH 稳定的重要因子。

表3 不同碳源处理下水稻基质理化性质测定结果

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究通过设定特殊的环境，让甘蔗和香蕉组培苗在全日光照、无微生物、无外源CO2输入情况下进行不同的碳源处理，结果显示组培苗在含30 g/L 蔗糖的培养基中生长最好，叶片浓绿，高大粗壮；其次是在含30 g/L 葡萄糖培养基中生长较好且叶片绿；在乳糖上面生长较差。

一般认为，植物所需的碳元素是吸收大气中CO2、通过光合作用提供养分，任何有机物质中的碳元素都不可能替代或补充大气中CO2中的碳[1]；碳是补给整个生态系统中的微生物，而不是直接给农作物[3-4]。因此理论上，植物在缺少CO2的情况下，即使给与全日光照，也无法完成光合作用合成有机物维持正常生长。本试验结果显示，甘蔗和香蕉可以通过根部直接吸收蔗糖、葡萄糖和乳糖，获取生长所需要的碳源，进行正常生长。由此证实在合适的碳源，且碳源充足的情况下，植物在缺少外源CO2，没有微生物的环境中依然可以生长良好；由此证实可以通过根部直接获取小分子有机碳如蔗糖、葡萄糖、乳糖等；即本试验发现，植物营养元素碳源的获取途径除光合作用外，还可以通过根直接吸收获取。

因此本试验结果进一步完善了李比希植物矿质养分学说，该学说认为，土壤中矿物质是一切绿色植物唯一的养料，厩肥和别的有机肥对植物生长起作用不是因为它们含有有机质，而是因为这些有机质分解后生成了矿物质。而本试验结果证实，植物可以在无微生物分解情况下直接吸收小分子碳源蔗糖、葡萄糖和乳糖，证实土壤中有机物也是绿色植物的养料之一。该结果与李瑞波[14]认为粒径在800 nm 以下的小分子水溶有机碳可被植物直接吸收的推测相吻合，与廖宗文等[15]、桂丕等[16-17]、卫尤明等[18]研究不同有机碳对作物生长有增产作用相一致。

本研究还通过水稻苗在充足CO2、合适光照下和不同碳源处理下进行生长测试，发现没有碳元素参与而仅有MS 营养液时，当营养液中MS浓度积累到一定程度会抑制水稻苗的生长，而含碳和MS 的处理则依然正常生长。由此证实，水稻在施肥过程中，哪怕施用当前植物营养公认合理配比的MS 营养液，过量施用依然不能促进水稻的生长，反而会抑制水稻生长甚至导致水稻死亡；然而施肥过程中如果同时施入小分子有机碳源，则可以有效促进水稻生长，由此进一步证实水稻可以通过根吸收葡萄糖、蔗糖和乳糖，同时发现参试的3 种碳源与MS 配施均能有效促进水稻的生长，从而证实参试碳源均能有效化解单纯MS 过量施入导致的不良影响，即碳源与MS 配施更合理。

此外只有矿物质元素的MS（包括常用的大中微量元素）而无碳源的情况下，甘蔗苗、香蕉苗均生长不好，几乎无法生长。本试验使用的矿物元素无机化合物MS 一共4.6 g/L，而参试的碳源蔗糖、葡萄糖、乳糖均为30 g/L，该试验设计依据植物的组成结构推算，结果也确实与碳是基础元素，碳水化合物占干物质的90%以上[19-21]相吻合，是非常重要而又易被忽视的植物必需营养元素。

本研究持续少量给水稻苗施加不同碳源处理，结果发现，MS 过量施用，且土壤碳源缺乏会导致土壤pH 降低。由此证实过量施用化肥，是导致土壤酸化的最主要因素之一，而土壤中有机质即碳源的增加可以有效保障土壤pH 的稳定，因此要想改良酸化土壤，最好的土壤改良剂应该为有机肥，大量增施有机肥，能有效缓解土壤酸性。

3.2 结论

通过甘蔗、香蕉和水稻在特殊环境下的系列研究，得出以下结论：（1）参试植物可以通过根部吸收碳源（蔗糖、葡萄糖和乳糖），获取生长所需要的碳源，合成所需物质供正常生长发育。（2）参试植物在大中微量元素合适的MS 培养基上，若无外源碳补充，合成碳水化合物有限，不足以供应其正常生长。（3）即使组培瓶中原有一些CO2和呼吸作用产生CO2也不能合成足量的碳水化合物用以支撑参试香蕉苗和甘蔗苗的正常生长。（4）参试水稻苗能通过根系直接吸收碳源，同时发现MS 过量施用且缺乏碳源能导致土壤pH降低。