抗碱植物芦苇根分泌对抗碱性的影响机理研究

Soil alkalization and salinization frequently co-occur. Soil alkalization has become a global environmental problem. However, relatively little attention has been given to this problem, and the insight into mechanisms of alkali tolerance was lacking. Reducing the availability and toxicity of alkali sress before they enter plant body is one of the main mechanisms of plant resistance to alkali stress. Root system is the most sensitive part of plant and it also the first entrance of stress from soil into plant. It can excrete organic acids, amino acids, sugars, growth substances etc. into rhizosphere. In present study, we chosen an alkali-tolerant Phragmites Adans as the test organisms, researched focus on root exudates under different alkali stress, study on the pH adjustment ability of root exudates, and analysis on the effects of root exudates on nutrient absorption. Physiological effect of plant root exudates in alkali resistance is revealed. Meantime, analysis on the interaction between root exudates and soil environment, and find out the effects of root exudates on soil physical and chemical properties. The effects of root exudates on the metabolism, ecological distribution of rhizospheric microorganisms and the inhibitive effect of pathogenic microorganisms were also discussed. Ecological effect of plant root exudates in alkali resistance is revealed. Increased knowledge in this area should help to establish methods and technologies for enhancing alkali tolerance and to discusse the root exudates in agriculture and environmental applications, in order to focus research aimed at enhancing the sustainability of agricultural development and environment recovery.

土壤碱化与土壤盐化往往相伴发生，碱胁迫对植物的伤害远大于盐胁迫。然而，碱胁迫这一严重的环境问题却常常被人们所忽视甚至与盐胁迫混淆。碱胁迫发生之前将其有效性和毒性降低是植物的主要抗碱机制之一。根系是植物体最先受到伤害的部位，同时也是土壤污染物进入植物的门户，它能分泌有机酸、氨基酸、糖、生长物质等根分泌物到根际环境，影响植物自身的抗性。本研究拟利用抗盐碱生态型芦苇为材料，直接针对根分泌，研究不同碱胁迫程度下，根分泌对高pH和营养元素吸收的调节作用，揭示根分泌在抗碱中的生理作用。同时，研究植物根分泌与土壤环境相互作用关系，查明根分泌对碱性土壤理化性质的影响和改良作用，以及根分泌对根际微生物代谢、生态分布、病原微生物抑制作用的影响，揭示根分泌在抗碱中的生态效应。研究结果可望为植物抗碱机理研究找出明确的方向和新的思路, 为根分泌在农业和环境中的应用以及盐碱化地的恢复和治理提供理论支持。

碱胁迫与盐胁迫相比，除了渗透胁迫和离子毒害外还涉及高 pH 的伤害。高pH会直接影响植物根系的生长发育，影响植物矿质元素的吸收，阻碍离子稳态重建。以抗碱盐生植物芦苇为主要研究对象，用代谢组、离子组、土壤学和微生物学等研究方法，阐明碱胁迫下芦苇根分泌对营养吸收的调节作用，发现芦苇根分泌对碱性土壤的改良作用以及对根际微生物生态分布的影响。研究发现，碱环境下芦苇根系分泌大量乙酸和甲酸来实现根外pH调节，进一步研究发现芦苇根系外pH调节作用可能主要在根表皮细胞壁内或根皮层质外体空间中进行。芦苇对碱胁迫具有较强的适应能力，在总盐度为112.83μmol/g，pH值10.13，电导度690.67μs/cm的碱土中仍能生存。芦苇主要依靠吸收大量无机离子和合成大量有机溶质来抵抗渗透胁迫；采取在根中控制 Na+促进 K+向茎叶运输的策略来减少离子毒害；通过积累大量有机酸来维持细胞内离子平衡和pH稳定。但是当碱胁迫强度超过根系调节能力时，根系和叶片中的Na+含量急剧增高，造成叶绿体破坏、光合色素含量下降，碳同化能力也急剧下降。代谢组学结果表明，通过 GC-MS 检测出70个代谢物，主要包括碳水化合物、氨基酸、有机酸等, 主成分分析结果显示全部样本均分布在 95%的置信区间内。碱胁迫下芦苇根系中积累大量的苹果酸、琥珀酸等有机酸，但造成糖类(果糖、蔗糖)及多元醇(肌醇、山梨糖醇)和氨基酸(γ-氨基丁酸、丙氨酸)含量显著下降。芦苇根系在碱胁迫下糖酵解、细胞膜脂代谢和氨基酸合成受到明显的抑制, 但三羧酸循环显著增强。这些结果表明碱胁迫对碳素合成和储存有明显的负效应, 降低代谢合成碳骨架和能量, 使得清除活性氧能力明显下降。碱胁迫下根外部质子缺乏造成NO3– 含量降低, 影响氮素吸收利用, 导致氨基酸合成受阻。三羧酸循环增强为生成有机酸类化合物和调控pH平衡提供能量, 这可能是植物适应碱胁迫的一种特殊对应策略。结果为植物抗碱机理研究找出明确的方向和新的思路, 为盐碱化地的恢复和治理提供理论支持。