张早立， 范合琴， 李永珍， 连延浩， 任永哲， 辛泽毓， 王志强， 林同保

(1.河南农业大学农学院,河南 郑州 450002；2.焦作市土壤肥料工作站，河南 焦作 454150)

植物根系在适应环境的同时也会改造环境，其中根系分泌物是植物根系释放到根际环境中的小分子有机物，在植物与环境互作过程中起着信息传递的作用[1]。植物根系分泌物进入土壤后会对受体植物产生化感作用[2]，这种现象普遍存在于农业生产的间套作和轮作生产系统中[3]，主要表现在对后茬作物种子萌发、幼苗生长的促进或抑制作用[4-5]。MATTOO等[6]研究表明，豆科植物毛苕子(ViciavillosaRoth)能够显著提高土壤肥力，增加后茬番茄的产量，并且可以通过土壤微生物作用促进番茄根系的生长。杨瑞吉等[7]研究发现，油菜根系分泌物对油菜、蚕豆、玉米的所有生长特性均表现为抑制作用，而对小麦种子萌发率、幼苗根长等生长特性表现为促进作用。PEREZ等[8]研究野燕麦(AvenafatuaL.)时发现，其根系分泌物中的对羟基苯甲酸、香草酸等对小麦胚根与胚芽生长有明显的抑制作用。孔垂华等[9]研究发现，豆科作物根瘤分泌物尿囊素对豆科作物生长尤其是根系的生长有低浓度促进，高浓度抑制的化感作用。小麦玉米一年两熟是黄淮海地区最主要的种植制度，2016年国家提出了农业供给侧结构性改革要求，重点是调整优化种植结构，适当调减非优势区玉米，改种大豆、花生等豆科作物[10]。河南省政府在2017年提出，到2025年优势花生种植面积要发展到167万hm2，将会压缩一部分玉米种植面积改种花生。所以，探明玉米和花生对后茬冬小麦生长发育过程的影响及调控机制，对于该区域茬口的合理选择及种植制度的优化至关重要。目前，已有研究多集中于大田试验下茬口对冬小麦生长及产量形成、麦田土壤理化性状以及对病虫害控制等综合效应方面[11-13]，缺乏较为深入的机理机制研究，尤其在根系分泌物的化感效应方面更是鲜有报道。因此，本试验采取室内盆栽玉米和花生模拟田间生产中冬小麦的两种不同茬口处理，开展了两种茬口及根际分泌物对冬小麦种子萌发过程、苗期生长发育、干旱适应性调控效应方面的研究，可为进一步推进农业供给侧结构性改革和构建合理的麦―花复种连作栽培理论与技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 室内模拟茬口试验

供试小麦、玉米、花生品种分别为豫农211、郑单958、鲁花10。试验采用沙子盆栽方法，模拟黄淮海地区一年两熟制大田生产中的花生和玉米茬口，共设3个处理，对照(无茬口)、花生茬口和玉米茬口，每个处理重复12次(盆)。首先将花生、玉米种子用质量分数1% NaClO溶液消毒5 min，用蒸馏水冲洗3次，再用去离子水反复冲洗，置于设定温度为22 ℃恒温箱中避光催芽。发芽后挑选大小一致的种子分别播种于装有同等质量沙子的塑料盆中，沙子用前经蒸馏水冲洗并在120 ℃下高温消毒杀菌，对照为无茬口，其他处理条件保持一致。每盆种植4株幼苗，置于光照培养箱(参数设置为每天光照16 h(24 ℃)、黑暗8 h(22 ℃)，相对湿度60%，光照强度2 000 lx)，采用完全随机排列，定期浇灌蒸馏水。

培养20 d后，拔去花生和玉米幼苗，并去除多余的碎根，随后每盆种植6粒小麦种子(已消毒催芽处理)，无茬口盆栽进行相同处理，置于培养箱继续进行培养。20 d后选取各处理长势均一的小麦幼苗测定株高、地上地下部干质量、叶绿素等形态生理指标，并用根系扫描仪对小麦根系进行扫描。剩余茬口处理未取样的小麦幼苗以备做干旱胁迫试验。

1.2 根系分泌物萌发试验

1.2.1 根系分泌物粗提液制备 供试的沙子事先经过蒸馏水冲洗并在120 ℃下高温杀菌，培养过程中未对幼苗外在施加养分，基本排除了介质中微生物和养分的影响。故以不同茬口沙子的水提取液作为作物的根系分泌物粗提液。花生和玉米茬口处理分别选取6盆，每盆取3个沙子样品，每个样品10 g放入塑料瓶中，加入100 mL去离子水封口后于摇床振荡后静置，并用3层定性滤纸过滤，之后再用0.45 μm的微孔滤膜过滤，减压浓缩至20 mL，置于-80 ℃冰箱保存备用。

1.2.2 小麦种子前处理及培养 分别挑选籽粒饱满、整齐一致的供试小麦种子(经过消毒处理)，浸泡过夜，均匀的摆在直径10 cm、铺有3层滤纸的培养皿中，分别加入20 mL蒸馏水和花生、玉米的根系分泌物提取液，以蒸馏水作为清水对照，每个处理重复3次，置于光照培养箱中培养。3 d后记录发芽种子数，计算种子发芽率，同时，每天测量小麦胚根长至第6 d，并计算胚根生长速率(每日补加10 mL根系分泌物，对照补加10 mL蒸馏水)。

1.3 小麦幼苗干旱胁迫试验

模拟茬口试验中花生和玉米茬口的小麦幼苗生长20 d后，停止浇水。待土壤相对含水量降至55%时记为1 d，分别在1、3、5、7 d时取长势一致的小麦叶片测定相对电导率、相对含水量、MDA含量等生理指标。

1.4 测定项目及方法

种子萌发指标

发芽率=最终发芽种子数/供试种子数×100%

胚根长用直尺测量，胚根生长速率为单位天数内胚根长的增长量。

幼苗及根系生长指标

株高用卷尺测量，地上地下部质量用千分之一天平称量。

根冠比 =地上部质量/地下部质量

总根长、根表面积、根投影面积、根体积用WinRHIZO(加拿大REGENT公司)测定。

化感指数及土壤相对含水量

采用 WILLIAMSON等[14]提出的化感指数(RI)作为衡量化感作用强度大小的指标。

化感指数(RI)：T≥C时，RI=1-C/T；当T0时表示促进作用，当RI<0时表示抑制作用，RI的绝对值表示化感作用强度的大小)，土壤相对含水量采用烘干称重法[15]。

幼苗生理指标

相对叶绿素含量采用乙醇提取法[16]测定，叶片相对含水量采用烘干法测定，相对电导率采用电阻法[17]测定，MDA含量采用硫代巴比妥酸(TBA)法[18]测定。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2016进行数据整理，运用SPSS 22.0软件进行单因素方差分析和多重比较(LSD法)等统计分析，数据采用Graph Pad Prism 8作图。

2 结果与分析

2.1 模拟不同茬口下小麦苗期生长状况

从表1可以看出，花生茬口处理的小麦株高、叶绿素含量、地下部质量、地上部质量、根冠比较无茬口处理增加了27.7%、12.9%、33.3%、7.1%、25.0%，且达到显著水平。玉米茬口处理小麦的5项指标均低于无茬口处理，但并未达到显著水平。这表明花生茬口对小麦幼苗生长具有一定促进作用，玉米茬口对小麦幼苗生长无显著影响。

由表2可以看出，花生茬口处理的小麦总根长、根表面积、根投影面积、根体积较无茬口处理分别提高了43.8%、34.5%、37.1%、48.3%，均达到显著水平。玉米茬口处理的总根长、根表面积、根投影面积略高于无茬口处理，根体积略低于无茬口处理，但并未达到显著水平。这表明花生茬口能一定程度地促进小麦根系生长发育，而玉米茬口对小麦根系生长并无显著影响。

表1 不同茬口处理对小麦幼苗形态及生理指标的影响Table 1 Effects of different stubble treatments on the morphological and physiological indexes of wheat seedlings

注:同列数字的不同字母表示在0.05水平差异显著。下同。

Note: Different letters in the same column represent significant difference at 0.05 level. The same as below.

表2 模拟不同茬口下小麦根系生长指标Table 2 The simulative growth index of wheat root system under different stubble

2.2 不同根系分泌物处理对小麦种子发芽率及胚根生长状况的影响

由表3可以看出，花生根系分泌物处理下的小麦种子发芽率最高，对小麦种子萌发有一定促进作用，玉米根系分泌物处理下小麦种子的发芽率略低于对照，但均未达到显著水平。花生根系分泌物处理的小麦种子胚根长和胚根生长速率在整个测定期均高于清水对照，并达到显著水平，在6 d时差异达到最大，胚根长和胚根生长速率分别提高了25.9%(P<0.05)和28.3%(P<0.05)。玉米根系分泌物处理下小麦种子的胚根长和胚根生长速率与对照并无显著差异。这表明花生根系分泌物对小麦种子萌发期胚根生长有一定的促进作用。

表3 不同根系分泌物处理下小麦种子发芽率、胚根长和胚根生长速率Table 3 Germination rate，radicle length and radicle growth rate of wheat seeds under the treatment with different root exudates

2.3 不同根系分泌物处理对小麦化感指数的影响

由图1可以看出，花生根系分泌物对小麦种子的萌发起到促进作用，玉米根系分泌物对小麦种子萌发有一定抑制作用，二者的化感作用程度均较弱，化感指数分别为0.004和-0.006。花生和玉米的根系分泌物对小麦种子胚根长和胚根生长速率均有化感促进作用，花生根系分泌物对小麦胚根长和胚根生长速率的化感促进程度较大，化感指数分别为0.206和0.221。

图1 不同根系分泌物处理对小麦种子发芽率、胚根长和胚根生长速率化感指数的影响

2.4 模拟不同茬口处理下的小麦幼苗耐旱性评价

由图2可知，随着干旱天数的增加，花生和玉米茬口下的小麦叶片相对电导率和MDA含量均呈增加趋势，叶片相对含水量则逐渐下降。花生茬口小麦叶片相对电导率在测定期间均低于玉米茬口，7 d时玉米茬口小麦叶片相对电导率急剧升高，达到89.0%，显著高于花生茬口的4.9%，这表明此时玉米茬口处理下的小麦叶片受到严重的干旱胁迫，而花生茬口的小麦植株则表现较好。花生茬口小麦叶片MDA含量在整个干旱时期均低于玉米茬口，从3 d开始玉米茬口小麦叶片MDA含量迅速增加并于5 d时与花生茬口差异达到显著水平，较花生茬口增加了64.4%。随着干旱程度的加剧，2种茬口小麦叶片的相对含水量均呈下降趋势，花生茬口下干旱1～5 d时小麦叶片相对含水量的下降速率要明显低于玉米茬口。花生茬口小麦叶片的相对含水量在整个测定时期均高于玉米茬口，在5 d时花生和玉米茬口小麦叶片相对含水量分别为85.3%和23.4%，此时差异最大且达到显著水平。

注:*代表差异达到显著水平(P<0.05)。

3 结论与讨论

选择合理的茬口有助于小麦壮苗的形成，利于小麦高产[19]。本研究通过排除微生物及养分等环境条件的影响，证实了花生根系分泌物对后茬小麦生长具有正向促进作用。邵云等[20]在大田试验中发现，花生比玉米茬口更有利于小麦植株养分的积累以及产量的形成，是冬小麦适宜的前茬作物。强大的根系有助于提高作物水肥利用效率[21]。本研究发现，花生茬口下的小麦植株各项根系形态指标均优于玉米茬口，从而促进小麦幼苗的生长，形成较高的根冠比，发达的根系也更有利于小麦前期养分的积累，这与前人的研究结果基本一致[22]。根系分泌物通过对根际难溶性养分的酸化、螯合、离子交换作用及还原作用等提高了根际土壤养分的有效性，促进了植物对根际养分的吸收[23]。土壤中的氮素是植物养分的主要来源，也是影响植物叶绿素合成及光合作用的重要因素[24]。MIYAMOTO等[25]研究发现，水芹幼苗胚根分泌物中的二糖Lepidimoide能够促进植物叶绿素的合成，进而促进植物生长。本研究下花生茬口提高了小麦幼苗叶绿素含量，这可能是由于花生根系分泌物促进了小麦对根际养分的吸收，进而促进叶绿素的合成，增强了其光合能力和氮素利用。根系分泌物作为根系生理的重要组成部分，对根系的生长发育起到重要调控作用[5]，种子萌发期的胚根生长对于后期根系形态建成至关重要。而本研究也发现，花生根系分泌物可促进小麦种子萌发阶段的胚根伸长，这可能与后期发达根系的形成有关。

前人关于花生根系分泌物化感物质成分的分离鉴定的研究已有较多报道，其中主要化感物质有对羟基苯甲酸、邻苯二甲酸、油酸、十二酸等酚酸、脂肪酸类物质[26-28]。酚酸被许多学者普遍认为是作物生长的抑制剂[29-31]，但低浓度的酚酸也会对作物的萌发和幼苗生长有一定的促进作用[32]，这很可能是花生根系分泌物促进小麦种子萌发和幼苗生长的原因之一。本研究表明，花生和玉米根系分泌物对小麦种子萌发率和胚根生长的化感作用程度均不相同，这可能是两种根系分泌物化感物质成分和浓度的差异造成的，具体物质和作用机理还有待进一步探究。

本研究发现花生茬口能够显著提高小麦苗期的抗旱性，这一方面可能是由于花生茬口处理下的小麦根系更为发达，吸水保水能力更强，另一方面也可能是花生根系分泌物中某种化学物质起到提升了小麦抗旱能力的作用[33-35]。有研究表明，花生根系分泌物中苯甲醛、对乙基苯甲酸及阿魏酸等物质能够提高花生SOD和POD活力及MDA含量[33]，而保护酶SOD和POD的活性增加，有利于减轻植物受到的逆境胁迫危害[36-37]。本研究仅仅是从干旱生理角度阐述了花生根系分泌物对小麦抗旱能力的影响，还需要对作物代谢活动、光合作用等方面进行深入的研究才能进一步确定化感物质种类和作用机制。综合分析来看，花生前茬下根系分泌物对促进冬小麦生长及抗旱性具有重要作用，这可能对大田小麦的节水生产有一定的指导意义，后续将结合大田试验开展进一步的深入研究。

相较于玉米，花生的根系分泌物能够显著促进小麦根系生长，形成较高的根冠比，同时可以提高种子萌发期胚根的生长速率，具有正向的化感作用，同时也提高了小麦的抗旱性，因此，花生可作为黄淮海地区一年两熟复种体系冬小麦良好的前茬作物，对该区域冬小麦节水生产具有重要意义。