盐胁迫下盐地碱蓬根系分泌物中化合物的种类和含量研究

杨红军，王浩洋，崔庆华，郑美娜，李 田*

(1.滨州学院山东省黄河三角洲生态环境重点实验室，山东 滨州 256600；2.滨州市环境保护科学技术研究所，山东 滨州 256600)

黄河三角洲是黄河携带大量泥沙在渤海凹陷处沉积形成的冲积平原。黄河三角洲的湿地生态系统是新生的滨海湿地生态系统[1-2]。目前，黄河三角洲正面临一系列生态问题，其中土壤盐渍化问题尤为严重。盐地碱蓬(Suaeda salsa)是聚盐型盐生植物的典型代表，其在黄河三角洲广泛分布。盐地碱蓬不仅可以从土壤中吸取水分和养分满足自身所需，同时也会向土壤周围释放大量有机物质，在根与土壤的界面形成物质、能量和信息交换最活跃的区域，能够直接影响土壤中微生物活性，进而影响土壤的理化性质。植物根系的分泌物能够参与植物与外界之间的信息传递和物质交换[3]。因此，明确植物根系分泌物与土壤含盐量的关系，对于改善土壤微环境和植物耐盐基因的开发具有科学意义。

已经开展了盐胁迫下栽培型番茄对钠离子和钾离子的吸收、分配和转运特性[4]、基于CiteSpace的知识图谱的植物根系分泌物研究现状及趋势[5]、芦苇(Phragmites australis)对水盐联合胁迫的生理响应[6]、盐胁迫对水稻(Oryza sativa)老叶和幼叶离子平衡和氮代谢的影响[7]等方面的研究。盐胁迫使得不同耐盐黄瓜(Cucumis sativus)品种根系分泌物中氨基酸的数量和种类增加[8]。盐胁迫下甜菜(Beta vulgaris)[9]和唐古特白刺(Nitraria tangutorum)[10]的根系分泌物使根际土壤中细菌活性和微生物数量得到改善，从而直接或间接地影响了它们的生长。虽然绝大多数植物根系分泌物的生成机制暂未确定，但是一些分泌物中的特殊物质在生物学研究中意义重大[11]。甜瓜(Cucumis melo)的根系分泌物积累过多会导致其自毒作用[12]。一方面，植物的自毒作用可以调控土壤微生物的活动，从而直接影响作物生长[13]。在花生(Arachis hypogaea)的根系分泌物中检测出自毒物质，这些物质被证实能够抑制花生的生长[14]。杨树分泌的酸类物质对土壤微生物和酶活性都存在自毒效应[15]。另一方面，植物根系的分泌物可以通过改变土壤微环境来间接影响植物的生长[16]。当病原微生物侵袭时，植物根系分泌物可以召集有益菌群来提高机体的防御能力[17]。水稻根系的分泌物浓度越高，其在土壤中的生物量就越大，水稻对有机物的利用能力就越强[18]。土壤中的微生物可以分解和利用植物根系的分泌物，产生有利于自身生长的物质[19]。盐胁迫是影响植物生长及其产量的重要因素[20]。已经开展了一些盐地碱蓬耐盐机制和改良土壤机制的研究[21-24]。

本研究在黄河三角洲土壤含盐量不同的盐地碱蓬群落区中，采集了盐地碱蓬全株样品，鉴定了其根系分泌物中化合物的种类，测定了各种化合物的含量，分析了土壤不同含盐量条件下盐地碱蓬根系分泌物中化合物的种类及其含量特征，以期为盐地碱蓬适应环境的策略和改良土壤的机制研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 采样地布设和样品采集

在黄河三角洲土壤含盐量存在显著差异的3处盐沼中，分别设置了1 块采样地。采样地1、采样地2 和采样地3 的土壤含盐量的(平均值±标准误)分别为(1.63±0.31) g/kg、(3.88±0.58) g/kg 和(7.26±0.64) g/kg，其中心点的纬度和经度分别为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。在采样地1 和采样地2 中分布的主要植物群落都为芦苇群落、盐地碱蓬群落和獐茅(Aeluropus sinensis)群落，在采样地3 中分布的主要植物群落为芦苇群落、盐地碱蓬群落和柽柳(Tamarix chinensis)群落。在3 块采样地土壤含盐量分别为1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 的盐地碱蓬群落区中，各布设了3个规格为5 m×5 m的样方。

于2020年7月25日，在每个样方中，采用挖掘法，利用铁锹，采集5 株植株高度为40 cm 的盐地碱蓬全株样品。在每个样方中，采用对角线取样法，利用直径为5 cm 的土钻，采集0～20 cm 深度的土壤样品，然后，将采集到的土壤样品混合均匀，作为1份土壤样品。将所有样品运回实验室。

1.2 实验方法

采用烘干法，测定土壤样品的烘干残渣总量和可溶性盐分质量。

采用溶液培养收集法[25]，利用Agilent 7890A/5975C 气相色谱质谱联用仪，鉴定盐地碱蓬根系分泌物中化合物的种类和测定其含量。

1.3 数据统计方法

利用Excel 2010 软件和Origin 8.0 软件，整理和统计实验数据。

2 结果与分析

2.1 不同含盐量下盐地碱蓬根系分泌物中化合物的种类及其含量

在土壤含盐量为1.5 g/kg条件下，盐地碱蓬根系分泌物中共有45 种化合物，包括4 种酯类、4 种胺类、2 种酮类、3 种苯类、1 种吲哚类、17 种烷烃类、2 种噻唑类、2 种酚类、2 种醛类、5 种酸类、2 种烯类和1种腈类化合物(表1)。各种化合物的含量变化在0.579%～20.100%之间。

在土壤含盐量为3.5 g/kg条件下，盐地碱蓬根系分泌物中共有84 种化合物，包括3 种酯类、4 种胺类、6 种酮类、1 种苯类、38 种烷烃类、1 种噻唑类、3 种酚类、3 种酸酐类、3 种烯类、4 种腈类、9 种醇类、7 种醚类、1 种盐类和1 种抗氧化剂化类合物，未检测出吲哚类和醛类化合物，却检测出土壤含盐量为1.5 g/kg 条件下根系分泌物中所没有的醇类、醚类、盐和抗氧化剂类化合物(表2)。各种化合物的含量变化在0.306%～4.885%之间。

在土壤含盐量为7.0 g/kg条件下，盐地碱蓬根系分泌物中共有45 种化合物，包括7 种酯类、2 种胺类、2 种酮类、4 种苯类、1 种吲哚类、21 种烷烃类、2 种噻唑类、2 种酚类、1 种酸类、1 种烯类、1 种醌类和1种吡喃类化合物(表3)。未检测出土壤含盐量为1.5 g/kg 条件下根系分泌物中的醛类和腈类化合物，也未检测出土壤含盐量中等条件下根系分泌物中的醇类、醚类、盐和抗氧化剂类化合物，其中的醌类和吡喃类化合物是土壤含盐量为7.0 g/kg 条件下盐地碱蓬特根系分泌物中特有的化合物。各种化合物的含量变化在0.562%～8.379%之间。

表3 土壤含盐量为7.0 g/kg条件下盐地碱蓬根系分泌物中化合物的种类及其含量Table 3 Types and contents of compounds in root exudates of Suaeda salsa under conditions of 7.0 g/kg salt content

2.2 不同含盐量下盐地碱蓬根系分泌物中各类化合物的含量

在土壤含盐量分别为1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 条件下，盐地碱蓬根系分泌物中有14 类化合物，包括酯类、胺类、酮类、苯类、吲哚类、烷烃类、酚类、醛类、酸类、烯类、噻唑类、醇类、腈类和醚类化合物。

由表4 可知，在土壤含盐量分别为1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg 的条件下，盐地碱蓬根系分泌物的各类化合物含量中的最大值为土壤含盐量为7.0 g/kg条件下烷烃类化合物的含量(54.040%)，其最小值为土壤含盐量为3.5 g/kg 条件下噻唑类化合物的含量(0.351%)。

表4 土壤含盐量为1.5 g/kg、3.5 g/kg和7.0 g/kg条件下盐地碱蓬根系分泌物中各类化合物的含量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

随着土壤含盐量的增大，盐地碱蓬根系分泌物中烷烃类化合物的含量逐渐增大，而酸类和烯类化合物的含量逐渐减小，尤其是酸类化合物的含量大幅减小；酯类、酮类、苯类、酚类和噻唑类化合物的含量呈单谷型变化，即当土壤含盐量为3.5 g/kg时，这些化合物的含量最小。

3 讨 论

植物根系分泌物是根际微生态系统的中心枢纽，其组成和含量的改变集中反映了植物对外界环境变化的相应[26]。植物通过调节自身根系的分泌物来适应外界环境的改变[27]。对于不同程度的盐分胁迫，植物的响应存在差异，其根系分泌物中化合物的种类和含量也不同[28]。

在本研究中，在土壤含盐量为1.5 g/kg、3.5 g/kg和7.0 g/kg条件下，盐地碱蓬的根系分泌物中分别有45 种、84 种和45 种化合物，但是这些化合物并不是根系分泌物中的全部化合物，在测定过程中，或许已经损失了一些化合物。烷烃类化合物是盐地碱蓬初生和次生代谢产物，其本身具有一定的化感作用。在正常环境条件下，盐地碱蓬烷烃类根系分泌物以正构烷烃为主。当盐地碱蓬受盐胁迫时，其根系会产生大量的支链烷烃(或烯烃)化合物，此类化合物可以为植物根系微生物提供碳源，从而使植物更好地适应胁迫环境[29]。在辣椒(Capsicum annuum)的根系分泌物中，检测出28种化合物，其中有13种化合物为烷烃类化合物[30]。在芦苇根系分泌物中，共检测出54种化合物，其中19种为烷烃类化合物[31]。在马铃薯(Solanum tuberosum)根系分泌物中，检测出较多的酸性物质[32]。采用乙酸乙酯三相萃取方法，提取烤烟根系分泌物中的化合物，也获取了大量的酸性物质[33]。本研究在盐地碱蓬根系分泌物中检测到的酸类化合物的总含量(18.788%)较小，检测到的醇类化合物的总含量(34.343%)较大，醇与酸类化合物之间易发生酯化反应，使得酸类化合物的含量减小，酯类化合物的含量增大。在本研究中，当土壤含盐量为3.5 g/kg时，盐地碱蓬根系分泌物中化合物的种类(84 种)最多，这可能是盐地碱蓬通过调节自身根系分泌物中化合物的组成来适应盐胁迫：在土壤含盐量为1.5 g/kg条件下，盐地碱蓬的自身调节能力完全能够适应外界的盐胁迫，根系分泌物中化合物种类的增加是盐地碱蓬自身防御的反馈[34]；在土壤含盐量为7.0 g/kg条件下，盐地碱蓬的自身调节能力已经无法适应外界环境的盐胁迫，自身的生长状况受到了严重的负面影响，根系分泌物中的化合物种类减少也反映出植物自身状况不佳的事实，即盐地碱蓬无法适应高盐胁迫环境，生存受到了严重威胁，这与现实生态恢复过程中盐生植物也有盐度生态阈值相符合，植物恢复必须尊重自然规律，根据自然环境条件选择合适的植物物种进行植物恢复，才能做到事半功倍。随着土壤含盐量的增大，盐地碱蓬根系分泌物中的烷烃类化合物的含量逐渐增大，酸类和烯类等化合物的含量在不断减小，而酯类、酮类、苯类、酚类和噻唑类化合物的含量在土壤含盐量为3.5 g/kg 条件下最小，这可能是在土壤含盐量逐渐增大的过程中，盐地碱蓬代谢调节与土壤微生物综合作用的结果[35-36]。

4 结 论

在土壤含盐量分别为1.5 g/kg、3.5 g/kg 和7.0 g/kg条件下，盐地碱蓬根系分泌物中的化合物种类分别为45 种、84 种和45 种，都以烷烃类化合物的种类居多。

随着土壤含盐量的增大，盐地碱蓬根系分泌物中的烷烃类化合物的含量逐渐增大，土壤含盐量为7.0 g/kg 条件下的烷类化合物含量(54.040%)为盐地碱蓬根系分泌物中各类化合物含量的最大值；酸类和烯类等化合物的含量在不断减小。酯类、酮类、苯类、酚类和噻唑类化合物的含量都在土壤含盐量为3.5 g/kg时最小。