2018-03-16 南京土壤研究所
語音播報
根系分泌物是植物根系釋放到根際環境中的有機物質的總稱，佔分配到植物地下部總碳量的15%到25%，屬土壤微生物易於分解的、可直接利用的碳源，是植物、土壤和微生物三者間的橋梁，在土壤結構形成、土壤養分轉化、植物養分吸收、土壤微生物分布、環境汙染修復等方面起著重要作用。根系分泌物在土壤中會迅速被微生物降解，同時根系分泌物本身含量較低、組分複雜，迫切需要建立可行、高效、穩定的根系分泌物收集、分離純化和鑑定方法，以支撐根際研究。
此前，中國科學院南京土壤研究所段增強課題組改進設計了一套根系分泌物自動循環收集裝置，並研究了其對植物根系分泌物的吸收效率。研究表明，該裝置對27種植物根系分泌物中常見小分子有機物的吸收效率與XAD-4樹脂對其吸附性能有關。用乙醇對吸附在XAD-4樹脂上的小分子有機物進行洗脫，洗脫率在70%以上；用離子交換樹脂法將洗脫液中的混合物分離為中性、酸性和鹼性三大組分，回收率在80%以上；將整個收集、分離和提純3個過程效率相乘，得到收集過程的總回收率，糖類在10%左右，有機酸在20%左右，胺基酸在30%左右。在對根系分泌物中痕量糖類的檢測中，該課題組利用蔗糖水解酶將根系分泌物中的非還原性糖蔗糖轉化為還原性糖果糖和葡萄糖，再利用四氮唑藍柱後衍生法使其用紫外-可見檢測器即可檢測。利用配有常規紫外-可見檢測器的高效液相色譜儀，果糖、葡萄糖、蔗糖和麥芽糖的檢測限可分別達到0.25、0.43、0.48和1.95µg/mL，可與脈衝安培檢測器媲美，遠優於示差折光檢測器和蒸發光散射檢測器的精度。
近期，該課題組利用上述方法開展了關於大氣CO2濃度和氮水平對黃瓜根系分泌物中糖類、有機酸和胺基酸分泌量影響的研究。CO2濃度和氮水平可通過影響黃瓜的碳、氮代謝直接影響黃瓜根系分泌物的單株分泌量，也可通過改變根系形貌間接影響黃瓜根系分泌物。課題組通過3個CO2濃度與4個氮水平的水培試驗，得到了具有不同形貌的黃瓜根系、根系分泌物中10種小分子有機物的單株分泌量以及這些物質在根內的含量。相關性分析表明，只有葡萄糖、果糖和蔗糖三種糖類以及草酸在根系分泌物的分泌量與其在根系中含量成弱的正相關關係。與根系形貌參數之間的相關性分析表明，三種糖類分泌量與根系表面積相關性最高，而三種有機酸和四種胺基酸分泌量與根尖數相關性最高。通過以上結果和近期關於植物根系中糖類、有機酸和胺基酸外排轉運體的報導，課題組推測：植物主要是利用根系分泌糖類為根際微生物提供碳源與能量以換取微生物對土壤有機氮的礦化獲取無機氮，因此在大氣CO2濃度升高和缺氮條件下，更多的糖類分配到植物根系，在整個根系通過擴散的方式分泌；植物往往在缺磷、缺鐵或有害金屬離子毒害條件下的逆境中作出防禦，而植物根尖是最先感受到逆境，也是受毒害最重的區域，因此有機酸與其根內含量相關性不大，主要在植物根尖通過主動運輸方式分泌；胺基酸也是植物所需的氮源，因此根系分泌的胺基酸有90%又被植物根系重新吸收，其作用可能是與根際微生物交換胺基酸或作為信號物質，因此其分泌位置主要在根尖依賴主動運輸。
相關研究成果發表在Plant and Soil上。該研究得到了國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）的資助。
論文連結
不同CO2濃度和氮水平條件下，10種小分子有機物的單株分泌量以及其在根內含量的變化、單株分泌量與其根內含量和根系形貌參數的相關性分析。
根系分泌物是植物根系釋放到根際環境中的有機物質的總稱，佔分配到植物地下部總碳量的15%到25%，屬土壤微生物易於分解的、可直接利用的碳源，是植物、土壤和微生物三者間的橋梁，在土壤結構形成、土壤養分轉化、植物養分吸收、土壤微生物分布、環境汙染修復等方面起著重要作用。根系分泌物在土壤中會迅速被微生物降解，同時根系分泌物本身含量較低、組分複雜，迫切需要建立可行、高效、穩定的根系分泌物收集、分離純化和鑑定方法，以支撐根際研究。
此前，中國科學院南京土壤研究所段增強課題組改進設計了一套根系分泌物自動循環收集裝置，並研究了其對植物根系分泌物的吸收效率。研究表明，該裝置對27種植物根系分泌物中常見小分子有機物的吸收效率與XAD-4樹脂對其吸附性能有關。用乙醇對吸附在XAD-4樹脂上的小分子有機物進行洗脫，洗脫率在70%以上；用離子交換樹脂法將洗脫液中的混合物分離為中性、酸性和鹼性三大組分，回收率在80%以上；將整個收集、分離和提純3個過程效率相乘，得到收集過程的總回收率，糖類在10%左右，有機酸在20%左右，胺基酸在30%左右。在對根系分泌物中痕量糖類的檢測中，該課題組利用蔗糖水解酶將根系分泌物中的非還原性糖蔗糖轉化為還原性糖果糖和葡萄糖，再利用四氮唑藍柱後衍生法使其用紫外-可見檢測器即可檢測。利用配有常規紫外-可見檢測器的高效液相色譜儀，果糖、葡萄糖、蔗糖和麥芽糖的檢測限可分別達到0.25、0.43、0.48和1.95µg/mL，可與脈衝安培檢測器媲美，遠優於示差折光檢測器和蒸發光散射檢測器的精度。
近期，該課題組利用上述方法開展了關於大氣CO2濃度和氮水平對黃瓜根系分泌物中糖類、有機酸和胺基酸分泌量影響的研究。CO2濃度和氮水平可通過影響黃瓜的碳、氮代謝直接影響黃瓜根系分泌物的單株分泌量，也可通過改變根系形貌間接影響黃瓜根系分泌物。課題組通過3個CO2濃度與4個氮水平的水培試驗，得到了具有不同形貌的黃瓜根系、根系分泌物中10種小分子有機物的單株分泌量以及這些物質在根內的含量。相關性分析表明，只有葡萄糖、果糖和蔗糖三種糖類以及草酸在根系分泌物的分泌量與其在根系中含量成弱的正相關關係。與根系形貌參數之間的相關性分析表明，三種糖類分泌量與根系表面積相關性最高，而三種有機酸和四種胺基酸分泌量與根尖數相關性最高。通過以上結果和近期關於植物根系中糖類、有機酸和胺基酸外排轉運體的報導，課題組推測：植物主要是利用根系分泌糖類為根際微生物提供碳源與能量以換取微生物對土壤有機氮的礦化獲取無機氮，因此在大氣CO2濃度升高和缺氮條件下，更多的糖類分配到植物根系，在整個根系通過擴散的方式分泌；植物往往在缺磷、缺鐵或有害金屬離子毒害條件下的逆境中作出防禦，而植物根尖是最先感受到逆境，也是受毒害最重的區域，因此有機酸與其根內含量相關性不大，主要在植物根尖通過主動運輸方式分泌；胺基酸也是植物所需的氮源，因此根系分泌的胺基酸有90%又被植物根系重新吸收，其作用可能是與根際微生物交換胺基酸或作為信號物質，因此其分泌位置主要在根尖依賴主動運輸。
相關研究成果發表在Plant and Soil上。該研究得到了國家自然科學基金、國家科技支撐計劃、中科院戰略性先導科技專項（B類）的資助。
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不同CO2濃度和氮水平條件下，10種小分子有機物的單株分泌量以及其在根內含量的變化、單株分泌量與其根內含量和根系形貌參數的相關性分析。