甜菜根系分泌物的氧化還原特性研究

邢啟男　杜勝楠　王秋紅

摘要 本研究以有機氮高效品種KWS8138和有機氮低效品種BETA176為材料，采用循環伏安方法，研究“土壤—根系分泌物—有機氮”體系中的氧化還原特性的變化，明確具有電子穿梭功能的關鍵活性物種；測試反應體系中土壤表面根系分泌物形態、結構特征的變化及土壤表面性質的變化，分析腐殖質具有電子穿梭作用的活性官能團及其功能，結合體系中關鍵微生物種群和關鍵土壤理化性質，闡明根系分泌物加速土壤有機氮礦化的生物-化學耦合機制。結果表明，有機氮高效品種KWS8138較有機氮低效品種BETA176根系分泌物中溶解態活性物質更容易被氧化、也容易被還原；有機氮高效品種KWS8138與有機氮低效品種BETA176根系分泌物中非溶解態活性物質均不容易被氧化和還原。

關鍵詞 甜菜；根系分泌物；氧化還原

中圖分類號 S274? ?文獻標識號 A

文章編號 1007-7731（2023）08-0073-06

Characterization of Redox Studies of Sugar Beet Root Secretions

XING Qinan? ?DU Shengnan? ?WANG Qiuhong*

（College of Modern Agriculture and Ecological Environment， Heilongjiang University， Harbin Heilongjiang 150080）

Abstract In this experimental study， the organic nitrogen efficient variety KWS8138 and the organic nitrogen inefficient variety BETA176 were used as materials to study the changes of redox characteristics in the "soil-root secretion-organic nitrogen" system by cyclic voltammetry. The changes of redox characteristics in the system of "soil-root secretion-organic nitrogen" were investigated by cyclic voltammetry， and the key active species with electron shuttle function were identified. To elucidate the biochemical coupling mechanism of root secretions in accelerating soil organic nitrogen mineralization in combination with key microbial populations and soil physical and chemical properties.The results showed that the dissolved active substances in the root secretion of the organic N-efficient variety KWS8138 were more easily oxidized and reduced than those of the organic N-inefficient variety BETA176. The dissolved active substances in the root secretion of KWS8138 and BETA176 were not easily oxidized and reduced.

Keywords sugar beet; root secretion; redox

在植物的整個生長過程中，根系會不斷地從生長介質中吸收各種養分和水分，也會不斷地向生長介質中釋放質子、無機離子和大量的有機物質。這些由根系分泌出來的物質和根組織的自然脫落物通常被稱為根系分泌物[1]。根系分泌物的概念與“根際”的概念是在同一時期被提出，其在根際中發揮著至關重要的作用[2-3]。根系分泌物會導致根系、土壤微生物和土壤顆粒之間發生一系列根際交互作用[4-5]。在一定的條件下，由根系的各個部分向根系周圍釋放出來的有機物被統稱為根系分泌物[6-9]。根系中存在各種各樣的根系分泌物，而且不同植物的根系分泌物的類型和數目不同。根系分泌物由各個不同的物質組成，而質子和無機離子作為其中之一的組成部分，它們可以通過自身對根際土壤酸堿度和氧化還原電位的調控，進一步影響根際養分的有效性[10]。同時，植物根系分泌出來的某些無機離子和低分子的有機物質也可以再次被植物吸收和利用，使植物體內的物質循環和能量流動得到有效的補充。

根系分泌物是植物將有機物返還土壤的重要組成部分，也是植物與土壤微生物之間的重要紐帶。在營養循環、能量流動和有機物循環中，根系分泌物發揮著舉足輕重的作用，其作為物質交換和信息傳遞的重要媒介，在植物與土壤之間發揮著至關重要的作用[11]。以往的研究表明，植物根系分泌物的分泌是一種良好的適應環境的方法[12]。植物和根基環境的物質、能量、信息都是通過根系分泌物進行的。根系分泌物成分的改變，是植物個體的代謝、生長發育的重要標志。根系剛分泌出來的物質可以快速結合土壤顆粒，保護團聚體，避免水損害。土壤結構的形成過程與許多因素密切相關，不僅包括有機質含量、土壤機械組成，還包括氣候條件和土壤微生物的活動條件等。然而，在培育和采集植物根系分泌物的整個過程中，植物根系對土壤理化性質和微生物活動具有一定的調節，并直接作用于土壤團聚體[13]。苑亞茹等[14]通過研究植物根系分泌物對根際微生物數量和物種的影響，發現了植物根系分泌物對土壤團聚體聚結過程的影響。結果表明，土壤微生物主要是促進土壤微團聚體的形成，而真菌微生物則是促進微團聚體膠結形成土壤團聚體。

氮是植物生長和發育的重要物質。土壤中的微生物會直接參與到有機氮礦化這個過程中，并通過自己本身的生命活動將其他有機態氮轉化成無機態氮，從而被植物根系吸收并加以利用[15]。植物周圍土壤環境中的某些重金屬也可以被根系分泌物所氧化。大量研究結果表明，植物可以通過根系分泌物氧化和還原一些重金屬，從而改善重金屬對植物本身的傷害和某些污染物對自然環境的影響[16]。縱觀國內外關于根系分泌物氧化還原電位的研究，許多研究表明，植物的存在能夠為根系分泌物的氧化還原電位起到催化作用[17-18]。本研究以甜菜為試驗材料，研究2種不同含氮量的甜菜品種“土壤—根系分泌物—有機氮”體系中的氧化還原特性，為進一步研究甜菜的氧化還原特性提供參考和依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 土壤準備。取黑龍江大學呼蘭校區試驗田（45°59′46.84″ N、126°38′1.62″ E）黑土表層10 cm的土壤，風干后用瑪瑙研缽研磨至粉狀，分別過0.15 mm（100目）的尼龍篩。土壤特性如下：全N 1.86 g/kg，全P2O5 1.18 g/kg，全K2O 28.10 g/kg，有機質含量33.95 g/kg，pH 6.92，堿解氮 182.28 mg/kg，速效P2O5 196.44 mg/kg，速效K2O 304.28 mg/kg。

1.1.2 根系分泌物準備。選取土壤有機氮高效品種KWS8138和有機氮低效品種BETA176進行水培試驗。將上述2個品種的種子用蛭石育苗，每個品種育苗300株/盆，出苗后（兩片子葉在同一水平面），每個品種選取60株（每個玻璃槽5穴，每穴3株，每個品種4個玻璃槽）轉入含改良后的Hoagland培養液中[19]（表1），在黑龍江大學農作物研究院植物光照培養室培養，光強200 ?mol·m-2·s-1，日溫25 ℃，夜溫18 ℃，每3 d更換一次營養液。生長至6～8片真葉后收集根系分泌物。

1.1.3 根系分泌物收集。更換營養液過夜后，取出植株，用自來水及去離子水洗凈根系，依次放入50 mL 0.2 mmol/L Cacl2 2 h和50 mL 30 mg/L氯霉素溶液0.5 h，然后用自來水及去離子水沖洗干凈，置于含有50 mL去離子水的三角瓶中（三角瓶外用黑塑料袋包裹），在瓶口用海綿將植株固定，每瓶3株，重復3次，6 h后收集于棕色瓶中，4 ℃保存。

1.2 土壤—根系分泌物—有機氮反應體系的建立

設計3個不同的處理反應體系：①土壤（CK1）；②土壤+第1個品種根系分泌物；③土壤+第2個品種根系分泌物按土∶根系分泌物母液比1∶10的比例，將已過0.15 mm篩的土樣添加到50 mL西林瓶中，以0.06 m3·min-1速度充氮氣30 min，然后將反應樣品放在（25±0.1） ℃的厭氧工作臺中靜置反應。西林瓶數目根據采樣次數確定。每次取樣測定時，隨機取2～3小瓶，將懸液搖勻，用注射器抽取樣品進一步測定。

1.3 “土壤—根系分泌物—有機氮”體系中的氧化還原特性

采用循環伏安方法[20-21]與傳統的三電極體系[22-23]測試“土壤—甜菜根系分泌物—有機氮”反應體系中的活性物質的氧化還原電位。

1.4 試驗設計

1.4.1 反應溶液中溶解態活性物種的表征。從不同處理的西林瓶中抽取反應溶液，以8 000 r/min 高速冷凍離心20 min，上清液以玻碳電極為工作電極，Ag/AgCl電極（飽和KCl，222 mV，SHE）為參比電極，鉑電極為輔助電極，曝氮氣20 min后用電化學工作站進行循環伏安掃描，掃描范圍為?1.5～1.2 V，掃描速率為200 mV/s。測試反應溶液中溶解態[24-26]物質的氧化還原特性。

1.4.2 反應溶液中非溶解態活性物質的表征。將上述試驗設計1.4.1中反應溶液離心搜集的沉淀用去離子水重新懸浮，采用1.4.1相同的方法測試反應溶液中非溶解態[24-26]活性物質的氧化還原特性。

1.4.3 不同基因型甜菜根系分泌物的活性物質的表征。搜集不同基因型甜菜根系分泌物，通過與上述試驗設計1.4.1相同的方法測試反應液中活性物質的氧化還原特性。

2 結果與分析

2.1 “土壤—根系分泌物—有機氮”體系中的氧化還原特性

2.1.1 反應溶液中溶解態活性物質的表征。2個品種根系分泌物中溶解態活性物質的CV曲線如圖1所示，該測試在常溫下進行，有機氮高效品種KWS8138陽極回掃電位分別為0.11、0.51和0.66 V，陰極電流隨著陽極回掃電位的正移而增加，并且在陽極曲線上會出現一個明顯的峰電位，為0.66 V。隨著陽極電位的增加，陰極電流并沒有隨著陽極回掃電位的正移而增加，而是同陽極電流一樣基本不變，且在陽極電流中出現了電位肩（0.51～0.66 V），陽極電流峰電位為0.66 V比，氮低效品種BETA176顯著增加。此外，2個品種的陰極電流峰出現在0.13～0.15 V及-0.81 V的位置。陰極峰在2個品種中差異不大。

根據循環伏安曲線的比較，可以看到出現了幾對明顯的氧化還原峰，通過其氧化還原峰的峰電流比值，算出峰電位差（△EP），根據△EP是否<59 mV，考慮能否說明其具有可逆性。另外通過獲得的△EP值，并根據可逆體系的循環伏安分析理論（△EP=59 m V/n，其中n為電子轉移數），可以推測這是幾個電子轉移的電化學反應。圖1中各氧化還原峰數據如表3所示。

可見有機氮高效品種KWS8138較有機氮低效品種BETA176根系分泌物中溶解態活性物質更容易被氧化也容易被還原，具有很好地接受電子和供電子能力。

2.1.2 反應溶液中非溶解態活性物種的表征。2個品種根系分泌物中非溶解態活性物質的CV曲線如圖2所示，該測試在常溫下進行，有機氮高效品種KWS8138陽極回掃電位沒有出現明顯的峰位點，陰極電流隨著陽極回掃電位的正移而增加。隨著陽極電位的增加，陰極電流并沒有隨著陽極回掃電位的正移而增加，而是同陽極電流一樣基本不變，在陽極電流中沒有出現電位肩。

通過循環伏安曲線的比較可以看到，有機氮高效品種KWS8138與有機氮低效品種BETA176根系分泌物中非溶解態活性物質均不容易被氧化和還原，接受電子和供電子能力無顯著差異，均較差。

2.1.3 不同基因型甜菜根系分泌物的活性物質的表征。由圖3可以看出，2個品種的根系分泌物均未發現非常明顯的峰電位，未表現出很強的氧化還原特性。相比較之下有機氮高效品種KWS8138較有機氮低效品種BETA176的根系分泌物活性物質更容易被氧化和還原，接受電子和供電子能力相對強一些。

3 結果與討論

根系分泌物是一種重要的物質交換和信號傳遞的載體，其中的某些還原物質也是引起氧化還原電位改變的重要因子[27-28]。根系分泌物的氧化還原特性的研究始于20世紀60年代[29]。孫玉等[30]研究表明，具有高氧化還原電位的電子受體的活性較高，供體與受體的氧化還原電勢差越大，電子傳遞速率越快。宋俊鳴[31]通過稻草還田的試驗得出氮含量越高，氧化還原能力越強。Reddy等[32]研究發現，在可耕條件下，氧化還原電位變化可以很好地反映土壤中的氮素流失。本試驗結果表明，不同基因型甜菜根系分泌物中均有還原峰電位，其中KWS8138的峰電位較明顯，BETA176的峰電位相對較弱。在土壤氧化還原平衡中，有機質的還原性物質作為電子供體被氧化，與之相互作用的電子受體也會被還原。這種氧化還原耦的氧化數（價數）的變化，標志著原子或離子的電子轉移，而將物質轉化的氧化還原反應也是經過了電子獲得和損失的過程所形成的。品種KWS8138的根系比品種BETA176更發達，根際的根系分泌物產生量大，促進土壤中的有機氮礦化。有機氮高效品種KWS8138具有較好的抗氧化還原性。

研究表明，根系分泌物中溶解態活性物質比非溶解態活性物質的氧化還原能力更強[33]，其原因是根系分泌物以還原性物質為主，而土壤吸附正電荷的還原性物質。根系分泌物的溶解態活性物質所包含的還原性物質高于非溶解態的還原性物質，而且溶解態活性物質的氧化還原作用比非溶解態活性物質快而強，所以會出現比較明顯的峰電位變化，進一步表明根系分泌物的溶解態活性物質的氧化還原性高于非溶解態活性物質。

綜上所述，根系分泌物是植物生長過程中從根系不同部位分泌或釋放到生長介質中的各種物質，種類繁多。根系分泌物中的溶解態和非溶解態2類活性物質溶解度不同，溶解態活性物質含有更多的還原性物質，而且其氧化還原作用快而強。KWS8138和BETA176是一組不同的基因型品種，其根系分泌物中存在著不同的質子和無機離子，可以調控根際土壤的氧化還原電位。有機氮高效品種KWS8138比有機氮低效品種BETA176分泌的質子和無機離子種類和數量更多，因此其根系分泌物中活性物質的氧化還原特性更為明顯。

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（責編：何 艷）

基金項目 財政部和農業農村部國家現代農業產業技術體系“甜菜養分管理與土壤肥料崗位”（CARS-170204）。

作者簡介 邢啟男（1997—），女，河北唐山人，碩士。研究方向：植物發育與營養調控。

收稿日期 2022-08-15