水分脅迫對植物根際土壤酶和土壤微生物群落結構的影響

楊昌鈺，張 芮，藺寶軍，王騰飛，張彩霞，李紅霞，王喜紅

(1.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.大禹節水集團股份有限公司，甘肅 酒泉 735000)

1 水分脅迫研究進展

20世紀60年代中期，Jensen和Sletten研究發現，當高粱作物根際土壤相對有效含水率小于25%時開始灌水，其產量會大幅減少，反之影響不大，至此提出了虧水灌溉(EvaportranspirationDeficit irrigation 簡稱EDI)的定義，又稱為限水灌溉(Ater-limited irrigation)或非充分灌溉(Inadequate irrigation)[1]。20世紀90年代，調虧灌溉研究由增產節水機理轉向品質改善，這一時期大量文獻表明，適度的水分脅迫能夠提高果實品質，因此對包括果實糖分、維生素C、類胡蘿卜素、可溶性固形物、花青素、可滴定酸、pH等在內的多種品質指標做了詳細的研究報道，并在西瓜[2]、葡萄[3]、蘋果[4]、鴨梨[5]、棗[6]等果實的研究中，均證實水分脅迫能夠改善其果實品質。目前，調虧灌溉技術已不僅限于果樹的栽培種植，在多種糧食作物如玉米、小麥等以及多種經濟作物如棉花、煙草等和各類蔬菜中得到了廣泛應用，而且隨著現代基因工程和轉基因技術的發展，現在關于水分脅迫方面的研究已經涉獵與植物抗旱相關的功能基因[7]，例如乙醇脫氫酶(ADH)、丙酮酸脫羧酶(PDC)、類鈣調神經磷酸酶B亞基(CBL)、9- 順環氧類胡蘿卜素雙加氧酶(NCED)、甜菜堿醛脫氫酶(BADH)[8]，以及一些轉錄因子，例如MYB、MYC、DREB、bZip、WRKY等[7，9，10]，并且隨著像高通量測序等先進測試技術的發展，水分脅迫對植物根際土壤生態環境的影響也成為研究的重點和熱點。

植物的生長發育對所處土壤環境的各類因子都有很敏感的響應，其中，植物根際土壤土層水分狀況是影響土壤環境的主要因素之一，土壤水分過高，土壤通透性差，易導致土壤缺氧，土壤空隙過細，非毛管孔隙度過低，致使土壤氣、固、液三相比例失調，土壤容重增大[11]，土壤水分過低又容易形成大量土壤大孔隙，導致水分流失，破壞土壤結構，不能滿足作物需水要求[12]。過高和過低的水分條件均可影響土壤環境狀況，從而影響土壤各種生化反應、酶促反應以及微生物群落結構，制定科學合理灌溉制度能夠調節土壤水分狀況，保證土壤水、肥、氣、熱進行良性循環，可有效的保護土壤生態環境，促進作物生長發育。

2 水分脅迫對植物根際土壤酶活性的影響

土壤酶(Soil enzyme)是土壤微生物、植物根系以及動物產生的一種具有生物催化作用的特殊蛋白類化合物，被稱之為“植物營養元素的活性庫”[13]，在土壤有機質分解，土壤生態系統的物質循環，養分循環以及能量流動方面具有重要作用[14- 15]，一定程度上反映了土壤的健康狀況和相應物質在土壤中的轉化情況。目前關于土壤酶研究主要包括水解酶類(主要代表酶有蔗糖酶、β-葡萄糖苷酶、脲酶、磷酸酶、蛋白酶等)和氧化還原酶類(主要代表酶有氧化氫酶、脫氫酶、多酚氧化酶等)[16]。土壤蔗糖酶廣泛存在于土壤中，參與土壤中碳水化合物的轉化，為植物和微生物提供可利用的營養物質，它是土壤生物學活性的重要評價[17]。土壤過氧化氫酶能夠稀釋土壤中生化反應生成的過氧化氫對植物和土壤環境的污染和毒害作用，其活性可以表征土壤呼吸強度[18]。土壤脲酶能夠將土壤中難以供植物根系吸收利用的含氮有機質轉化為可吸收利用的氨，其活性能夠反映土壤的供氮能力[18]。

土壤水分是植物吸收水分的主要來源，也是導致土壤生態環境變化的主要因素。土壤中一切水、肥、氣、熱狀況以及外源因素對土壤酶的響應非常敏感，其活性能夠反應土壤中各種生化反應的過程和程度，因此通常將土壤酶作為評估土壤質量的重要指標之一[19]。水分脅迫處理是影響土壤酶活性的措施之一，Chrost等研究表明，土壤水分過高時，土壤酶活性減弱，當土壤含水率適中時土壤酶活性偏高[20]；Gramss等研究也表明，合理的水分脅迫措施能夠刺激植物根系分泌更多的酶數量[21]。關于土壤酶的研究大多集中于森林、農田和草地生態系統，土壤酶對環境脅迫的響應十分強烈，馬偉偉等在對高山林地的土壤酶活性檢測中發現，土壤含水率降低顯著降低了β-D-葡萄糖苷酶、β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶和多酚氧化酶活性，對過氧化物酶和酸性磷酸酶并無顯著影響[22]，周來良等人對不同水分脅迫下刺槐、檸檬桉、大葉相思根際土壤酶活性研究發現，隨著脅迫程度增加刺槐根際土壤蔗糖酶、淀粉酶、磷酸酶、蛋白酶、脲酶以及過氧化氫酶活性呈減小趨勢；檸檬桉根際土壤蔗糖酶、淀粉酶、磷酸酶、蛋白酶、脲酶呈減小趨勢；大葉相思根際土壤蔗糖酶、過氧化氫酶、脲酶磷酸酶、呈減小趨勢，但淀粉酶呈增加趨勢，同時還發現未栽種任何植物的土壤酶活性總體趨于降低[23]，但也有研究結果表明，土壤水分并未影響亞高山針葉林土壤轉化酶、脲酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶活性[24]。肖新等開展了水分脅迫對農田生態系統土壤活性的研究，發現與常規灌溉相比，控制灌溉顯著提高稻基農田土壤脲酶、土壤過氧化氫酶、土壤磷酸酶、土壤轉化酶活性[25]。但張超宇在對農田載參土壤酶活性的研究中得出了與之不同的結論，研究結果表明，土壤脲酶、蛋白酶和蔗糖酶與水分之間存在相關性，水分含量越高，土壤酶活性越強，而水分對土壤酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性影響較小[26]，但王玉才等人研究結果又表明，充分灌溉和輕度水分虧缺不會顯著影響河西綠洲菘藍農田0～20cm土層中脲酶活性[27]。草地生態系統也是土壤酶研究的重要場所，研究結果表明，增水處理降低了內蒙古典型草原纖維素酶活性，增加了β-葡糖苷酶活性[28]。孫彩麗研究發現輕度水分脅迫降低了長芒草、白羊草根際土壤酸性磷酸酶水解酶，但有助于提高兩種植物根際土壤β- 1，4-乙酰-葡糖胺糖苷酶，β- 1，4-葡糖苷酶，β- 1，4-木糖苷酶，纖維素二糖水解酶、多酚氧化酶、亮氨酸氨基肽酶[29]。還有學者開展了水分脅迫處理措施下，植物根際土壤酶活性的時空變化規律，發現隨著土層深度增加，土壤酶活性降低[30]，Song等研究發現，在拔節期、抽穗期和灌漿期水分脅迫降低玉米雜交種根際土壤蛋白酶活性，但苗期水分脅迫有助于提高蛋白酶活性[31]。土壤酶種類繁多，來源復雜，且與土壤溫度、土壤基本理化性質、碳氮磷組分、pH、土壤微生物等相互影響、協同制約，同時又受植物類型，生長發育階段的不同而變化，盡管目前對于水分脅迫下土壤酶活性變化的研究甚多，但植物根際土壤酶活性對水分脅迫的響應具有很強的不確定性，因此因地制宜制定科學合理的灌溉制度非常必要，而且如何通過水分脅迫調節土壤酶特性同時減小干旱環境對植物造成的不利影響也將是研究重點。

3 水分脅迫對植物根際土壤微生物群落結構的影響

土壤微生物是土壤生態系統中做活躍的因素，在土壤形成和發育、土壤有機質分解、物質和能量輸入、養分轉化以及肥力演變等有著重要作用，是物質循環生態鏈中的重要環節，主要包括細菌、真菌以及放線菌[32]；植物根際促生菌(plant growth promoting rhizobacteria， PGPR)是定殖在植物根際表面促進植物生長發育的一類有益菌[33]。PGPR能夠抑制土壤中非寄生性根際有害微生物(DRMO) 與有害病原微生物，分泌利于植物生長的代謝產物，促進植物礦物質營養的吸收和利用[34，35]。常見的PGPR有假單孢菌屬(Pseudomonas)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、腸桿菌屬(Enterobacter)、農桿菌屬(Agrobacterium)、埃文氏菌屬(Eriwinia)等[36]，PGPR能夠分泌一些嗜鐵素，促進植物對土壤中鐵元素的吸收利用(Fe3+→Fe2+)，大部分的根際促生菌還能分泌一些固氮酶，溶磷酶以及一些有機酸，固定氮素并且能夠分解土壤中的難溶磷，根際促生菌對于植物生長發育有顯著的促進作用，這還與促生菌產生的植物生長激素有關。還有一些放線菌群，主要有鏈霉菌屬(Streptomyces)、諾卡氏菌屬(Nocardia)，研究表明：鏈霉菌和諾卡氏菌能夠產生大量抗生類物質，防止病蟲害，例如防治水稻紋枯的井岡霉素、對引起植物白葉枯病的細菌，以及原蟲、病毒有作用的間型霉素等，一些乳酸菌群、酵母菌群、光合成菌群也能夠分泌一些促生素等物質促進植物生長發育，增加抗病能力。

水分脅迫措施能夠影響植物根際土壤微生物菌群結構，一是水分脅迫會對土壤微生物產生滲透壓力直接影響微生物菌群結構變化，滲透調節物質積累假說(Osmolyte accumulation hypothesis，OAH)認為在水分脅迫條件下，土壤微生物群落通過積累更多的滲透調節物質(多糖、多元醇和氨基酸等)來維持細胞的壓力勢，而在濕潤條件下，釋放滲透物質，同時微生物群落具有更快的周轉速率和死亡率，在水分脅迫下真菌趨向于積累多元醇，而細菌主要利用氨基酸和多糖來抵抗干旱脅迫[37]。二是水分脅迫會通過影響植物光合作用間接影響土壤微生物菌群結構，光合作用涉及光吸收、電子傳遞、光合磷酸化、碳同化等重要反應步驟，水分脅迫能夠間接影響土壤微生物可利用碳源的質和量[38]。

Tian et al.采用實時定量PCR和TRFLP技術對青藏高原高山濕地干旱年份和濕潤年份土壤古細菌群落大小和結構研究發現干旱導致古細菌群落數量的顯著減少[39]。王義祥等人采用平板計數法對圓葉決明盆栽進行水分脅迫處理發現，水分脅迫明顯增加了圓葉決明根際土壤細菌、真菌、放線菌以及固氮菌的數量，并且隨著脅迫周期的延長，土壤真菌和放線菌的數量有所增長[40]。孫彩麗等人采用磷脂脂肪酸(PLFA)方法研究了水分脅迫處理對黃土高原三種主要禾木草根際土壤微生物群落結構的影響，結果表明輕度水分脅迫較充分供水顯著降低了白羊草根際土壤PLFA總量、細菌PLFAs、真菌PLFAs、革蘭氏陽性菌PLFAs、革蘭氏陰性菌PLFAs及土壤真菌/細菌的PLFAs比率，水分脅迫處理增加了狗尾草根際土壤革蘭氏陰性菌PLFAs，其余各PLFAs量均顯著降低，生長當年，水分脅迫處理的長芒草根際土壤各PLFAs量均顯著降低，但是次年水分脅迫處理土壤PLFA總量、革蘭氏陽性菌PLFAs顯著增加[29]。孔鈺鳳等人采用變性梯度凝膠電泳(DGGE)技術分析栽培和野生大豆的根際土壤微生物變化，結果表明，水分脅迫明顯降低了栽培和野生大豆根際土壤真菌數量，但提高了野生大豆根際土壤細菌香農指數和條帶數；水分脅迫降低了野生大豆基根際細菌中Rhizobiumsp.的比例，提高Bradyrhizobiumsp.和Sphingomonassp.(Band- 16)的比例，研究還發現Sulfitobactersp.只出水分脅迫處理的野生大豆中，因此研究指出水分脅迫措施可能會刺激植物對特定的菌群做出選擇并與之建立聯系以抵御環境變化[41]。高江力利用MiSeq高通量測序方法研究荒漠植物根際和非根際土壤微生物豐度，研究結果表明，隨著水分脅迫長度降低，Acidobacteria、Chloroflexi和Gemmatimonadetes的相對分度增加，且根際土壤中的Bacteroidetes相對豐度顯著高于非根際土壤[42]。說明植物根際分泌物能夠提升土壤微生物活性和豐度。由此發現，植物根際土壤微生物對植物種類和不同水分脅迫反應異常敏感，為最優化利用土壤微生物益處，需要更加明確水分脅迫下植物根際土壤微生物群落變化的原因，根據當地植物種類、種植模式以及土壤類型等確定最佳脅迫程度和脅迫時間，以有效的改善土壤生態環境、提高土壤質量，實現水資源集約利用。

4 結語

因此，從生理節水角度入手，因地制宜采取高效節水灌溉技術，系統研究水分脅迫下植物根際土壤生態環境對水分調控的響應機理，對于改善土壤環境、構建植物與土壤微生物間的信號傳導、提高水資源利用效率、建設農業循環經濟、促進植物生長發育具有重要意義。