多糖和土壤團聚體對扁穗冰草根鞘形成的影響

羅麗朦，王麗學，秦立剛，王 堃

(中國農業大學動物科技學院，北京 100193)

根鞘(rhizosheath)是植物根系表面粘附著大量土壤顆粒形成的、具一定厚度［1］、長度15 cm到30 cm 左右的鞘狀物。Volkens［2］、Bailey 和 Scholes［1］、王瑾［3］、Rhian J［4］等人都曾對世界的不同干旱地區的植物進行調查，發現并報道了根鞘在許多植物根系中的存在。相關研究表明，根鞘對生長在干旱逆境的植物有保水［5-7］、防風固沙、增進養分吸收［3］和形成微生物庫［8］等多種生態意義。

根鞘是植物根系、土壤、微生物相互作用的產物，導致它形成的主要分泌物成分及其作用機理是研究這個生理適應行為的重要課題。考慮到植物的分泌物中，糖類物質本身已經具備多羥基的親水性結構，如果再連上長的疏水鏈就可以產生具有表面活性的物質;同時多聚糖上還可能連有一定的蛋白質及連接糖醛酸所需的陽離子鈣和鎂［9-10］，所以多糖很可能是根鞘中的粘結物質之一。

冰草屬(Agropyron)植物主要分布于我國西北部和中部的干旱草原或沙區，典型的旱生植物，極耐干旱。前人調查研究報道［3］扁穗冰草具有較明顯的根鞘，本文以扁穗冰草為研究對象，將具體的分泌物成分與環境因子的作用結合起來綜合研究分析，以期探索根鞘的形成、作用機理，為揭示具根鞘植物對環境因子的響應機理提供新的思路。

1 材料與方法

1．1 試驗地概況

研究區位于河北省豐寧滿族自治縣西北部的魚兒山牧場中國農業大學科技攻關試驗站，地理坐標為東經 114°16'北緯41°44'，海拔 1460 m。1 年中較長時間受蒙古高壓寒冷干旱氣候控制，年均溫1℃，≥0℃年積溫2000—2800℃，≥10℃年積溫1500—2200℃;無霜期80—100 d;年降水量350—450 mm，主要集中在7—9月，占全年降水量的79%;年蒸發量1700—2300 mm，是降水量的4倍多;全年盛行西風、西北風，年均大風日為60—80 d，春季干旱少雨，風沙較大，年均風速4．3 m/s。

試驗地土質為栗鈣土，總體土壤肥力不高、土層較薄。地上植被主要由有冰草(Agropyron cristatum)、羊草(Leymus chinense)、克氏針茅(Stipa krylovii)、冷蒿(Artemisia frigida)、茵陳蒿(Artemisia Capillaris)、糙隱子草(Cleistogenes squarrosa)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)、星毛委陵菜(Potentilla acaulis)、披堿草(Elymus dahuricus)等組成。

1．2試驗設計與方法

1．2．1 樣地選擇及樣品采集

在試驗區隨機選取4個扁穗冰草單優種斑塊，在其中設置1 m×1 m樣方，左右間隔5—7m處設置重復(3個重復/斑塊)，梅花取樣法在各樣方中進行扁穗冰草根系及土壤樣品的采集(5個采樣點/樣方)。將各樣方中5個整株連根的10cm土柱用保鮮膜包好帶回實驗室做根鞘指標測定。

1．2．2 土壤指標測定

將各樣方中整株連根土柱去除根系后的根鞘周圍環境土，均勻混合后分成3份土壤樣品。第1份用烘干法土壤含水量測定;第2份土壤根據干篩法［11-12］測定土壤團聚體構成:將風干土壤置于8411型電動振篩機上，順次通過孔徑為 4、2、1、0．5、0．25 mm的篩組，對各級篩子上的樣品分別稱重(精確列0．01 g)，記錄數據，計算各級干篩團聚體的百分含量和＜0．25 mm的團聚體的百分含量，每個處理的土壤做3次平行測定;第3份用TOC法測定土壤有機碳含量。

1．2．3 根鞘指標的測定

將采集的扁穗冰草樣品，取下根鞘，同一株植物的根鞘放入離心管中，冷凍干燥至恒重待用。將每個樣方中所有植株的根鞘作為一個整體，借助根系分級軟件測量并統計根鞘的相對厚度;采用熱水醇沉法［13-18］提取根鞘中粗多糖，計算出膏率，用優化后的高效離子交換色譜技術［19］檢測根鞘中粗多糖各組分含量。高效離子交換色譜條件及優化:為了避免TFA濃度過高碳化樣品，同時要盡可能使粗多糖水解完全，本文對2 mol/L TFA的用量(2、3、4 mL)和水解時間(1、2、4 h和6 h)進行考察，最終確定2 mol/L TFA的用量為4 mL，水解時間為4 h(圖1)。

圖1 水解時間對產物峰面積的影響Fig．1 Effect of reaction time on the peak areas

粗多糖檢測的色譜條件:采用syminetry C18的色譜柱(150 mm×4．6 mm);流動相 A 為0．05%三氟乙酸水溶液，B為乙腈;運用梯度洗脫的方式洗脫;熒光檢測激發波長為313 nm，發射波長為358 nm;柱溫30℃;流速1 mL/min。該方法在熒光檢測下檢出限為 1．45×10－3—4．53×10－3mol/L。且各組份回歸方程的相關系數均大于0．99具有較高的線性相關度。

1．3 數據分析

采用Excel 2007對實驗數據進行初步的處理和作圖，運用Spss 18．0軟件對根鞘周圍土壤指標和根鞘樣品指標做方差分析、因子分析、相關分析和多元回歸分析，并且計算擬合度、殘差、截距等相應的檢驗結果，結果用平均值±標準差表示。

因子分析的原理是根據因子載荷矩陣的不唯一性，對初始公共因子進行因子旋轉，使每一個變量僅在公共因子上有較大的載荷，而在其余公共因子上的載荷較小。用斜交旋轉的方式對17個原始觀測項目做因子分析，還摒棄了因子間彼此獨立的限制，使因子的實際意義更易解釋。在斜交旋轉分析中，模式矩陣即為因子載荷矩陣。結構矩陣是公共因子和原始變量的相關矩陣［20］。

2 結果與討論

2．1 多糖成分組成及含量

用優化后的色譜條件對扁穗冰草樣品進行分析，結果其多糖中均檢出:半乳糖(Gal)、半乳糖醛酸(Gal-UA)、葡萄糖 (Glu)、甘露糖 (Man)、核糖(Rib)、巖藻糖(Fuc)、鼠李糖(Rha)，說明根鞘提取的粗多糖中熱水溶性多糖含有以上各組份。出峰時間見圖2，多糖成分組成及各單糖含量通過標準曲線進行校正獲得。各組份所占多糖比例含量依次為:1．423∶0．049∶2．134∶0．790∶1．584∶0．267∶0．413。

圖2 樣品的p-AMBA衍生物的色譜分離圖Fig．2 HPLC separation of p-AMBA derivatives of samp le1:半乳糖(Gal)，2:半乳糖醛酸(Gal-UA)，3:葡萄糖(Glu)，4:甘露糖(Man)，5核糖(Rib)，6:巖藻糖(Fuc)，7:鼠李糖(Rha)

2．2 粗多糖中各成分、土壤質地、根鞘表觀特性三類指標的因子分析

2．2．1 因子分析結果

本文采用5次因子斜交旋轉后收斂，除甘露糖提取信息是0．565外，其他變量提取信息均超過70%，其中以根鞘相對體積提取信息(0．949)最高。由因子分析前3個主成分的貢獻率分別為58.839%、23．971%和 7．277%，累計可解釋原始變量90.087%的信息，說明了選擇這3個主成分來分析原始變量的效果比較好。

由模式矩陣輸出的結果知:第一主因子主要由半乳糖、葡萄糖、核糖、含水量、有機碳含量、4 mm團聚體、2 mm團聚體、1 mm團聚體、0．5 mm團聚體和＜0．25 mm團聚體決定，其載荷值均在0．8以上，該主因子反映了形成根鞘的土壤結構;第二主因子主要由甘露糖量、巖藻糖量、鼠李糖量3個變量決定，其在該主因子上的載荷全在0．7以上，反映了根鞘分泌物中的多糖組分;第三主因子主要由半乳糖醛酸、根鞘相對體積和0．25 mm團聚體3個變量決定，三者的載荷都在0．6以上，反映形成根鞘的主要原因(圖3)。

同時，由結構矩陣分析結果得根鞘相對體積與第二個因子的相關性達到顯著水平，其相關系數為0．680。并且由三大主成分間的相關矩陣結果顯示:第2個和第3個主成分間的相關性達到顯著水平，其相關系數為0．559(表1)。說明甘露糖、鼠李糖、巖藻糖等多糖物質的含量和占多糖的比例也對根鞘的形成有一定的影響。

表1 因子分析的結構矩陣與成分相關矩陣結果Table 1 Structure matrix and component correlation matrix of common factor

2．2．2 討論

第一主因子中，除包括土壤團聚體、土壤含水量和土壤有機碳含量等土壤結構指標外，還包括葡萄糖、半乳糖和核糖3個多糖指標。其中葡萄糖構成了主要的細胞壁骨架，它通過(1—4)β連結形成纖維素微纖維，進一步環繞整個細胞;核糖主要分布在植物及微生物細胞核中，是生命物質的結構組分。推論葡萄糖和核糖可能來自植物根部脫落的細胞或微生物的細胞核內。第一主因子反映了形成根鞘的環境土壤結構特性。

第二主因子包括甘露糖、巖藻糖和鼠李糖，代表生物分泌出的多糖主要組分。

圖3 因子分析的結果Fig．3 The result of common factor

根鞘相對體積、0．25 mm團聚體和半乳糖醛酸組成了第三主因子。據報道同聚半乳糖醛酸(HGAs)和鼠李糖半乳糖醛酸(RGI)是果膠的最基本的兩種組成結構［21］。同聚半乳糖醛酸經甲酯化和去甲酯化的作用過程，可以與鈣離子交聯結合形成較大分子量的膠狀物［22］。由此表明第三主因子反映了根鞘形成的主要原因。

2．3 相對體積與根鞘內粗多糖、根鞘周圍土壤特性的相關分析

采用SPSS軟件分析各指標的Pearson相關系數(表2)，以揭示根鞘根系特性與根鞘周圍土壤特性之間的內在關系。

表2 根鞘根系特性與根鞘周圍土壤特性之間的相關性Table 2 Correlation between rhizosheath root characteristics and surrounding soil properties

2．3．1 相關分析結果

與根鞘的相對體積呈顯著性相關(P＜0．05)的是根鞘周圍環境土的4、2、0．25 mm級土壤團聚體以及鼠李糖含量，其相關系數依次為－0．588、－0．621、0.820、－0．651，尤其是 0．25 mm 級的團聚體占總團聚體的百分量與根鞘相對體積為極顯著相關。

半乳糖與葡萄糖、核糖、巖藻糖、4 mm和1 mm土壤團聚體呈顯著相關，與含水量、有機碳、0．5 mm和小于0．25 mm土壤團聚體呈極顯著相關。葡萄糖與半乳糖、核糖、土壤含水量、土壤有機碳、4、2、1、0．5 mm和小于0．25 mm土壤團聚體呈極顯著相關。半乳糖醛酸與土壤有機碳、4、2、1、0．5 mm 和小于 0．25 mm土壤團聚體呈顯著性相關。核糖與巖藻糖、2 mm土壤團聚體呈顯著相關，與半乳糖、葡萄糖、土壤含水量、土壤有機碳、4、2、1、0．5 mm 和小于 0．25 mm土壤團聚體呈極顯著相關。巖藻糖與半乳糖、甘露糖、核糖、土壤含水量和土壤有機碳呈顯著性相關。甘露糖與巖藻糖呈顯著性相關。鼠李糖與0．25 mm土壤團聚體呈極顯著相關。同時，各級土壤團聚體內部之間呈極顯著相關，團聚體與土壤含水量、土壤有機碳也達到極顯著相關水平。

2．3．2 討論

根鞘周圍環境土的4、2 mm和0．25 mm級團聚體結構影響著根鞘的相對體積;土壤中0．25 mm級土壤團聚體所占比例越多，所形成的根鞘越厚，說明土壤團聚體的構成直接影響了根鞘的形成。

土壤團聚體也受其內部結構、土壤特性和多糖組分的影響，這表明多糖影響著土壤團聚體的構成。具體分析分泌物中的各成分得出:鼠李糖和巖藻糖是根鞘內粗多糖的主要成分，其中鼠李糖和0．25 mm級團聚體構成有關;巖藻糖對土壤含水量有作用。半乳糖醛酸是根鞘形成的主要原因，它和土壤團聚體結構組成有關;半乳糖既影響含水量又影響團聚體結構組成。半乳糖、半乳糖醛酸和巖藻糖同時也影響了根鞘周圍土壤有機碳的含量。葡萄糖和核糖可能來自植物根部細胞或微生物細胞內，他們對根鞘生長的環境土壤含水量、有機碳含量和土壤團聚體結構發揮作用。

分析結果表明:土壤團聚體構成是根鞘形成的直接原因;多糖物質發揮多糖的粘性膠結作用，并且通過多糖的親水、吸水、保水的作用影響土壤團聚體的結構和比例，從而形成具有多種生態意義的根鞘。

2．4 多元回歸分析

0．25 mm級土壤團聚體對根鞘的形成具有重大意義，并且由相關分析得多糖對團聚體結構會有影響。那么用多糖各組分對0．25 mm級團聚體做回歸分析，即可預測出是何種多糖對0．25 mm級團聚體產生作用的。經逐步回歸后得最優回歸方程結果為:

0．25 mm 級團聚體=24．186－68．279×鼠李糖－8.87×

半乳糖－72．953×半乳糖醛酸

模型的 R2=0．866，擬合效果較好(P=0．001)，表明此模型能較好解釋形成根鞘的環境中多糖與0．25 mm級團聚體之間的關系。經t檢驗，常數項、鼠李糖、半乳糖和半乳糖醛酸的系數的P值依次為:0.000、0．001、0．004、0．037，因而都有顯著性意義。經多元回歸分析得出的模型，說明根鞘粗多糖中的鼠李糖、半乳糖和半乳糖醛酸影響了根鞘周圍土壤的0．25 mm級團聚體構成，從而進一步影響著根鞘的形成。

黏液中可能存在強大的表面活性物質，使其能減少水分表面張力，它在改變襯質勢和其他物理性質方面具有重要作用［23］。如果根系生產出足夠多的表面活性物質，它會用來總體上降低根際的表面張力，而不是用來粘結土壤［24］。綜上研究扁穗冰草根鞘形成的機理為:在干旱的土壤環境中，由于黏液的表面張力促使襯質勢下降，并且由于黏液失水后提高了粘性，從而吸附更多0．25 mm級微團聚體的土壤顆粒。在晝夜溫差大的情況下，土壤顆粒在黏液往復固著下越來越牢固，增加了穩定的鞘狀物;根鞘內多糖中半乳糖、巖藻糖和鼠李糖等成分發揮了多糖的親水、吸水和保水的作用，由此導致根鞘的抗旱、保濕、儲水等生態功能。草原植物根部的碳水化合物是植物對應外界干擾或脅迫時的緩沖物質，在植物抗逆性和維持生態系統穩定性方面具有重要作用，它有助于維持植物的合適度［25］。根鞘是植物應對惡劣環境的形態對策，根鞘的形成機理表明，根鞘可能是衡量植物耐受性的一個指標。

3 結論

(1)葡萄糖和核糖可能來自植物根部脫落的細胞或微生物的細胞核內，他們與各級土壤團聚體構成了第一主因子的因素，反映了形成根鞘的環境中土壤的結構特性。

(2)甘露糖、巖藻糖和鼠李糖是根鞘內生物分泌出的多糖主要組分。根鞘相對體積與多糖主要成分、根鞘周圍環境土的團聚體結構都具有較高的相關性，并且后兩者之間也互相相關。綜合研究結果將多糖各組分作為一個整體來考慮，說明多糖物質發揮粘性膠結作用，并且通過多糖的親水、吸水、保水的特性對根鞘形成做出貢獻。

(3)相關分析和回歸分析結果表明，土壤團聚體的構成直接影響了根鞘的形成:根鞘生長的周圍環境土的4、2 mm和0．25 mm級團聚體結構影響著根鞘的相對體積;土壤中0．25 mm級土壤團聚體所占比例越多，所形成的根鞘越厚。

(4)鼠李糖、半乳糖和半乳糖醛酸對0．25 mm級土壤團聚體的形成具有重要作用;具粘液特性的膠狀物是根鞘形成的根本原因。

［1］ Bailey C，Scholes M．Rhizosheath occurrence in South African grasses．South African Journal of Botany，1997，63:484-490．

［2］ Volkens G．Die Flora der Aegyptisch-arabischen Wuste:auf Grundlage Anatomisch-Physiologischer Forschungen．Berlin:Gebrüder Borntraeger，1887．

［3］ Wang J，Wang K．The Research on Rhizosheath in Agriculturepasturage Landscape Boundary，Northern China［D］．Beijing:China Agricultural University，2009．

［4］ Smitho R J，Hoppero S D，Shane M W．Sand-binding roots in Haemodoraceae:global survey and morphology in a phylogenetic context．Plant and Soil，2011，348(1/2):453-470．

［5］ Shane M W，McCully M E，Canny M J，Pate JS，Huang C，Ngo H，Lambers H．Seasonal water relations of Lyginia barbata(Southern rush) in relation to root xylem development and summer dormancy of root apices．New Phytologist，2010，185(4):1025-1037．

［6］ Robards A W，Clarkson D T，Sanderson J．Structure and permeability of the epidermal/hypodermal layers of the sand sedge(Carex arenaria L．)．Protoplasma，1979，101(4):331-347．

［7］ WattM，McCully M E，Canny M J．Formation and stabilization of rhizosheaths of Zea may L．(effect of soil-water content)．Plant Physiology，1994，106(1):179-186．

［8］ Iijima M，Higuchi T Barlow P W．Contribution of root cap mucilage and presence of an intact root cap in maize(Zea mays)to the reduction of soilmechanical impedance．Annals of Botany，2004，94(3):473-477．

［9］ Abbott T P，Wu Y V，Carlson K D，Slodki M E，Kleiman R．Isolation and preliminary characterization of Lesquerella fendleri gums from seed， presscake， and defatted meal． Journal of Agricultural and Food Chemistry，1994，42(8):1678-1685．

［10］ Liu X F，Tan D Y．Ecological significance of seed mucilage in desert plants． Chinese Bulletin of Botany，2007，24(3):414-424．

［11］ Huang C Y．Agrology．Beijing:China Agriculture Press，2000．

［12］ Nanjing Soil Research Institute，Chinese Academy of Sciences，Soil Physics Laboratory．Soil Physical Properties Determination Method．Beijing:Science Press，1978．

［13］ Lin H D，Ka-HingWong，Jiao H，HuangW J，Xi X L，Liang G B，Huang JH．Monosaccharide composition of polysaccharides in Borojo in tropical rain forest．Modern Food Science and Technology，2010，26(11):1264-1266．

［14］ Yu R M，Ma W X，Zhang H，Yao X S．Studies on the polysaccharides in the cell cultures and the leaves of Ginkgo Biloba．Chinese Journal of Biochemical Pharmaceutics，1999，20(5):217-220．

［15］ Zhang K，Dai L，Deng Z R．Isolation and characterization of an acidic polysaccharide from Agrimonia pilosa Ledeb．Chinese Journal of Biochemical Pharmaceutics，2008，29(3):171-174．

［16］ Hua Y F，Chen Y L，Zhang M．Comparative studies on three dendrobium medicinal plants．Journal of Zhejiang University:Engineering Science，2004，38(2):249-252．

［17］ Wang Z Y，Dai L，Zhang K．Research on extraction techniques and antioxidantactivity of polysaccharides from Scutellaria Barbata D．Don．Chinese Journal of Biochemical Pharmaceutics，2008，29(2):96-103．

［18］ Shang P，Yang T H，Jia M，Mei Q B，Zhao W M，Cao Z X，Zhao D H．Purification and analysisof polysaccharidesof Angelica sinensis(oliv．)diels．Journal of the Fourth Military Medical University，2001，22(14):1311-1314．

［19］ Hao G T，Chen SW，Zhu S，Yin H P，Dai J，Cao Y H．Analysis ofmonosaccharides and uronic acids in polysaccharides by Pre-column derivatization with p-aminobenzoic acid and high performance liquid chromatography． Chinese Journal of Chromatography，2007，25(1):75-79．

［20］ Zhu X Y，Chen Y Q．SPSS Statistics Analysis Method and Application．Beijing:Tsinghua University Press，2011．

［21］ Caffall K H， Mohnen D． The structure， function， and biosynthesis of plant cell wall pectic polysaccharides．Carbohydrate Research，2009，344(14):1879-1900．

［22］ Mo J H．The Effect of Pectin Content in Root Cell Wall of Arabidopsis on Its Resistant to Cadmium Stress［D］．Hangzhou:College of Life Science，Zhejiang University，2010．

［23］ Anderson M A，Hung A Y C，Mills D，Scott M S．Factors affecting the surface tension of soil solutions and solutions ofhumic acids．Soil Science，1995，160(2):111-116．

［24］ Read D B，Gregory P J，Bell A E．Physical properties of axenic maize rootmucilage．Plant and Soil，1999，211(1):87-91．

［25］ Kleijn D，Treier U A，Müller-Scharer H．The importance of nitrogen and carbohydrate storage for plant growth of the alpine herb Veratrum album． New Phytologist， 2005， 166(2):565-575．

參考文獻:

［3］ 王瑾，王堃．華北農牧交錯帶地區植物根系根鞘研究初探［D］．北京:中國農業大學，2009．

［10］ 劉曉風，譚敦炎．荒漠植物種子粘液的生態學意義．植物學通報，2007，24(3):414-424．

［11］ 黃昌勇．土壤學．北京:中國農業出版社，2000．

［12］ 中國科學院南京土壤研究所土壤物理研究室．土壤物理性質測定法．北京:科學出版社，1978．

［13］ 林海丹，Wong K H，焦紅，黃文健，奚星林，梁公壁，黃健豪．熱帶雨林博羅霍果多糖的單糖組成分析．現代食品科技，2010，26(11):1264-1266．

［14］ 于榮敏，馬文霞，張輝，姚新生．銀杏細胞培養物多糖與銀杏葉多糖的研究．中國生化藥物雜志，1999，20(5):217-220．

［15］ 張凱，戴玲，鄭子瑞．仙鶴草多糖的分離純化及理化性質研究．中國生化藥物雜志，2008，29(3):171-174．

［16］ 華允芬，陳云龍，張銘．三種藥用石斛多糖成分的比較研究．浙江大學學報:工學版，2004，38(2):249-252．

［17］ 王志遠，戴玲，張凱．半枝蓮多糖的提取純化及抗氧化活性研究．中國生化藥物雜志，2008，29(2):96-103．

［18］ 商澎，楊鐵虹，賈敏，梅其炳，趙文明，曹之憲，趙德化．當歸多糖的分離、純化及分析鑒定．第四軍醫大學學報，2001，22(14):1311-1314．

［19］ 郝桂堂，陳尚衛，朱松，尹鴻萍，戴軍，曹玉華．對氨基苯甲酸衍生化高效液相色譜法分析多糖中的單糖及糖醛酸組成．色譜，2007，25(1):75-79．

［20］ 朱星宇，陳勇強．SPSS多元統計分析方法及應用．北京:清華大學出版社，2011．

［22］ 莫基浩．擬南芥根細胞壁中的果膠含量對植物抗鎘脅迫的影響［D］．杭州:浙江大學，2010．