4種綠化樹種根系分泌物中的化學成分分析

4種綠化樹種根系分泌物中的化學成分分析

王姣龍;諶小勇;閆文德;郝博;張力;任曉軍;劉之洲

【摘 要】[目的]研究我國南方4種常見綠化樹種根系分泌物組分及各組分含量的

差異,為城市綠化樹種的選擇和污染土壤的植物修復與治理提供研究數據.[方法]選

取欒樹(Koelreuteria paniculata)、紫玉蘭(Magnolialilii flora)、樟樹

(Cinnamomum camphora)、桂花(Osmanthus fragrans)4種常用綠化樹種為試

驗材料,對其根系分泌物進行GC-MS分析,同時對根系分泌物中的總碳(TC)和總氮

(TN)質量濃度進行測定.[結果]植物根系分泌物中檢測到的成分數量依次為紫玉蘭

(35種)、桂花(16種)、欒樹(15種)、樟樹(7種),4種綠化樹種根系分泌物成分主要

包括烷烴、苯酚、烯烴、醛、酯、酮、醚、呋喃、胺肟、吡啶、咔唑、喹啉、有機

酸、氨基酸等(按類型分),相對含量較高的為酚醛和烷烴類,其中欒樹、紫玉蘭、樟

樹、桂花根系分泌物中酚醛類相對含量分別為20.22％,13.61％,41.94％和

42.07％,烷烴類相對含量分別為56.65％,7.77％,37.29％和33.13％.有5種化合物

(二十烷、二十三烷、2,2'-亞甲基雙(6-叔丁基-4-甲基)苯酚、3-羧胺吡啶-N-(2-三

氟甲苯基)胺肟、8-羥基-2-甲醛喹啉)在4種綠化樹種的根系分泌物中均可檢測到;

有2種化合物(二十一烷、二十四烷)在欒樹、紫玉蘭、桂花根系分泌物中均可檢測

到;順-14-二十九烯烴在欒樹、樟樹、桂花根系分泌物中均可檢測到.4種綠化樹種

根系分泌物中TC質量濃度依次為:欒樹(28.78 mg/L)＞紫玉蘭(24.15 mg/L)＞桂

花(8.58 mg/L)＞樟樹(7.98 mg/L);TN質量濃度依次為:欒樹(6.65 mg/L)＞樟樹

(5.55mg/L)＞紫玉蘭(0.98 mg/L)＞桂花(0.76mg/L).[結論]不同綠化樹種根系分泌

物中化合物種類及類型存在差異.

【期刊名稱】《西北農林科技大學學報（自然科學版）》

【年(卷),期】2016(044)010

【總頁數】7頁(P107-113)

【關鍵詞】欒樹;紫玉蘭;樟樹;桂花;根系分泌物;化學成分

【作 者】王姣龍;諶小勇;閆文德;郝博;張力;任曉軍;劉之洲

【作者單位】中南林業科技大學 生命科學與技術學院,湖南長沙410004;中南林業

科技大學 生命科學與技術學院,湖南長沙410004;中南林業科技大學 南方林業生態

應用技術國家工程實驗室,湖南長沙410004;College of Arts and

Sciences,Governors State University,USA Illinois 60484;中南林業科技大學 生

命科學與技術學院,湖南長沙410004;中南林業科技大學 南方林業生態應用技術國

家工程實驗室,湖南長沙410004;中南林業科技大學 城市森林生態湖南省重點實驗

室,湖南長沙410004;中南林業科技大學 生命科學與技術學院,湖南長沙410004;中

南林業科技大學 生命科學與技術學院,湖南長沙410004;中南林業科技大學 生命科

學與技術學院,湖南長沙410004;中南林業科技大學 生命科學與技術學院,湖南長沙

410004

【正文語種】中 文

【中圖分類】S792.119;X173

根系分泌物在增加土壤養分的有效性，調節有機體之間的化感效應和改變土壤根際

區微生物種群組成、數量及其活力等方面發揮著獨特的作用[1]；且根系分泌物通

過直接或間接途徑，能夠有效地螯合、活化、轉化、降解直至去除土壤中的有害污

染物，使土壤質量得以提升或改善，這種功能特征被認為是污染土壤植物修復的主

要理論基礎之一[1-3]。因此，依據植物根系分泌物的功能和修復機理，開展污染

環境(包括污染土壤)的修復是一種非常有前途的生物修復和治理技術，已成為土壤

和生態環境科學研究的熱點領域[4-6]。

目前研究已發現，不同植物根系分泌物的物質種類在200種以上[7-8]，按照分子

質量大小可分為低分子分泌物和高分子分泌物兩大類，前者主要包括有機酸、糖類、

酚類和各種氨基酸，后者主要有多糖、多糖醛酸等黏膠以及酶類[1,8]。植物分泌

物數量可以達到植物總光合產物的30%～40%[9]，大量有機物質通過根系分泌進

入土壤，不僅可為土壤動物和微生物提供能源和碳源，而且深刻影響著土壤的理化

性質和養分狀況。由于植物種類之間特性的差異，不同種類植物根系分泌物的組成

成分、數量、化合物的相對比例以及分泌過程是不盡相同的。比如，農作物中油菜

和肥田蘿卜的根系分泌物中主要有機酸種類不同，油菜中主要為檸檬酸和蘋果酸，

而肥田蘿卜中主要為酒石酸、丁二酸和蘋果酸[8]；油菜和蕎麥根系分泌物中含有

的5-乙基-2-壬醇、2-十四醇，在小麥的根系分泌物中都不存在。即使同一種屬的

植物，其根系分泌物也有差別，Moscatiello等[10]認為，生長季差異使代謝活動

不同,從而導致根系分泌物種類及含量有一定差異。朱旭恒[11]研究表明，在杉木

幼苗脅迫初期根系分泌物種類和數量眾多，在脅迫中后期分泌物種類和數量大幅減

少。俞元春等[12]用溶液培養法研究了不同種源馬尾松和杉木苗木根系有機酸的分

泌差異，結果表明，不同種源的杉木和馬尾松分泌的有機酸種類不同。以上結果表

明，林木自身的生態型和基因型決定了根系分泌物的種類和數量。

近幾十年來，有關根系分泌物及其在生態學中的應用研究取得了很大進展，在分泌

機理和實踐應用等方面取得了一系列的研究成果[5,13]，然而這些研究主要集中在

農作物、蔬菜和果樹方面，針對林木的研究不多，對不同樹種根系分泌物組成成分、

分布特征以及分泌量的變化尚不清楚。作為植物根系分泌物對有機化合物污染土壤

修復技術研究項目的一部分，本試驗著重描述了我國南方4種主要城市綠化樹種

(欒樹(Koelreuteria paniculata)、紫玉蘭(Magnolia liliiflora)、樟樹

(Cinnamomum camphora)、桂花(Osmanthus fragrans))根系分泌物的組成特

征，揭示這4種綠化樹種在正常生長條件下，其根系分泌物在種類和相對比例上

的差異，以期為進一步探討不同植物種類根系分泌物在各種環境脅迫下的反應、深

入研究根系分泌物降解和清除土壤有害污染物的機制提供基礎數據和參考依據，同

時也為城市綠化樹種的選擇和城市森林的建設、管理提供科學指導。

1.1 緩苗處理

試驗于2014年5-8月在中南林業科技大學南方林業生態應用技術國家工程實驗室

自動調節溫室中進行，供試材料為我國南方城市4種常用綠化樹種(欒樹

lata、紫玉蘭lora、樟樹ra、桂花ns)。購買

各樹種2年生實生苗，將幼苗根系用清水洗凈后，移植到直徑20 cm塑料盆中，

每盆裝石英砂3 kg，每盆1株，每個樹種10盆。每隔2 d澆灌1次營養液，每

次100 mL。營養液大量元素采用改良Hoagland配方，微量元素采用Amon配

方。用1 mol/L Ca(OH)2或質量分數20% H2SO4調整全營養液pH值，整體調

整到5.5左右。

1.2 根系分泌物收集

緩苗處理30 d后，將幼苗根系用自來水小水流沖洗干凈，再用新制去離子水(同時

加入少量百里酚以抑制微生物活動)浸泡5 min并沖洗3次，然后以2株為單元放

置在裝有300 mL 0.5 mmol/L CaCl2的廣口瓶中，用錫箔紙包裹廣口瓶，使根系

處在黑暗狀態，收集過程連續通氣，收集24 h。收集分泌物的容器預先高溫消毒

處理。將濾紙過濾后的根系分泌物置于冰箱冷藏(4 ℃)保存，用于化學成分測定。

1.3 根系分泌物提純

將得到的根系分泌物減壓濃縮至20 mL(濃縮15倍)，加入40 mL CH2Cl2，振蕩

6 h，分液，重復2次，將2次收集的有機溶劑合并，過0.45 μm膜，減壓濃縮

至干，加入過0.45 μm膜的CH2Cl2 2 mL，于-20 ℃冰箱保存，留作GC-MS分

析。

1.4 根系分泌物成分的GC-MS及總碳(TC)、總氮(TN)分析

用GC6890/MS5973氣相色譜-質譜聯用儀分析根系分泌物成分，測定條件為：

毛細管柱DB-5ms(30 m×0. 25 mm，涂膜厚0.25 μm)。進樣口溫度 280 ℃，柱

溫 50 ℃，保持 3 min，以 10 ℃/min 程序升溫至290 ℃，保持20 min。載氣為

He，流量1 mL/min，進樣量1 μL/mL。MS電子轟擊源70 eV，掃描范圍M/Z

35～800 AMU，掃描速度0.2 s掃全程，離子源溫度200 ℃，接口溫度250 ℃，

檢測電壓1 kV，溶劑切除時間3 min。應用NIST 107質譜數據庫，通過計算機

檢索進行未知物及其相對含量(面積歸一化法)的測定。根系分泌物成分中的總碳

(TC)與總氮(TN)質量濃度采用日本島津TOC-500測定儀測定。

1.5 數據分析

數據采用Excel 2010進行統計分析，利用SPSS 18.0統計分析軟件進行方差分析

和差異顯著性分析，P<0.05為差異顯著。

2.1 4個樹種根系分泌物的化學成分

從欒樹根系分泌物中共檢測出15種化合物(表1)，其中包括7種烷烴(56.64%,相

對含量數據,下同)、1種酚醛類(20.22%)、4種烯烴(17.02%)以及3種雜環類化合

物(6.12%)；從紫玉蘭根系分泌物中共檢測到35種化合物(表2)，其中包括10種

烷烴(7.77%)、5種酚醛類(13.61%)、1種吡啶(28.13%)、1種氨基酸(8.65%)、1

種烯烴(0.71%)、1種酯(0.81%)、4種酮(5.35%)、1種醚(4.72%)、2種有機酸

(3.3%)、4種雜環類化合物(20.26%)及其他物質(6.69%)；從樟樹根系分泌物中共

檢測到7種化合物(表3)，包括3種烷烴(37.29%)、1種酚醛類(41.94%)、1種烯

烴(6.39%)以及2種雜環類化合物(14.38%)；從桂花根系分泌物中共檢測到16種

化合物(表4)，其中包括7種烷烴(33.13%)、2種酚醛類(42.07%)、3種烯烴

(13.39%)、1種有機酸(1.75%)、2種雜環類化合物(3.28%)及其他物質(6.38%)。

4種綠化樹種根系分泌物中相對含量較高的均為酚醛類和烷烴類，其中欒樹、紫玉

蘭、樟樹、桂花根系分泌物中酚醛類相對含量分別為20.22%，13.61%，41.94%

和42.07%，烷烴類相對含量分別為56.64%，7.77%，37.29%和33.13%。從4

種綠化樹種根系分泌物中共檢測到3種有機酸，分別為異丁烯酸、棕櫚油酸和十

八烯酸，另檢測到1種氨基酸(庚酸庚酯-L-甲硫氨酸)。有5種化合物(二十烷、二

十三烷、2,2′-亞甲基雙(6-叔丁基-4-甲基)苯酚、3-羧胺吡啶-N-(2-三氟甲苯基)胺

肟、8-羥基-2-甲醛喹啉)在4種綠化樹種根系分泌物中均可檢測到，2種化合物

(二十一烷、二十四烷)在欒樹、紫玉蘭、桂花根系分泌物中均可檢測到，順-14-二

十九烯烴在欒樹、樟樹、桂花根系分泌物中均可檢測到。

2.2 4種樹根系分泌物中TC與TN質量濃度的比較

如圖1所示，4種綠化樹種根系分泌物中TC質量濃度大小順序為：欒樹(28.78

mg/L)>紫玉蘭(24.15 mg/L)>桂花(8.58 mg/L)>樟樹(7.98 mg/L)；樟樹與桂花

之間TC質量濃度濃度不存在顯著性差異，其余樹種之間均存在顯著性差異

(P<0.05)。4種綠化樹種根系分泌物中TN質量濃度大小順序為：欒樹(6.65

mg/L)>樟樹(5.55 mg/L)>紫玉蘭(0.98 mg/L)>桂花(0.76 mg/L)；欒樹與紫玉蘭、

桂花根系分泌物中TN質量濃度存在顯著性差異(P<0.05)，樟樹與紫玉蘭、桂花之

間也存在顯著性差異(P<0.05)，樟樹與欒樹及紫玉蘭與桂花之間無顯著性差異。

本研究利用GC-MS分析，從欒樹根系分泌物中共檢測出15種化合物，紫玉蘭中

檢測到35種，樟樹中檢測到7種，桂花中檢測到16種。4種綠化樹種根系分泌

物中含量較高的均為酚醛類和烷烴類，其中欒樹、紫玉蘭、樟樹、桂花根系分泌物

中酚醛類相對含量分別為20.22%，13.61%，41.94%和 42.07%，烷烴類相對含

量分別為56.65%，7.77%，37.29%和33.13%。4種綠化樹種根系分泌物中共檢

測到3種有機酸(異丁烯酸、棕櫚油酸和十八烯酸)以及1種氨基酸(庚酸庚酯-L-甲

硫氨酸)。本研究供試4種綠化樹種根系分泌物中主要組成成分與之前研究結果有

一定的相似性。如邵東華等[14]研究了油松和虎榛子不同林型根系分泌物組分的差

異，得出在3種林型中檢測到的化合物主要包括有機酸、酯類和酚酸類，3種林型

根際分泌物中酯類和酚酸類含量存在顯著差異。柴強等[15]對玉米根系分泌物的

GC-MS鑒定表明，玉米根系分泌物的CH2Cl2提取物主要包括烴類、苯、噻唑、

酸、酮、酰胺、酯、醇和酚。劉成等[16]對重茬大豆根系分泌物的成分進行了分析，

發現重茬大豆根系分泌物成分主要包括烴、有機酸、醇、酯、酮、酚、醛、苯、噻

唑、酰胺等物質。張新慧等[17]對當歸根際土壤提取液中化合物進行分離鑒定，從

當歸根際土壤水提液中鑒定到17個化合物，包括有機酸、酮、醛、酯和烴類等化

感物質。

本研究4種綠化樹種中，只有紫玉蘭和桂花的根系分泌物中存在有機酸，得到的

酸類物質含量明顯少于其他植物。郜峰等[18]研究認為，地黃根系分泌物的酸性組

分與中堿性組分中相似度在80%的有機化合物分別有20和19種，其中從酸性組

分中鑒定出酸類物質13種。胡元森等[19]采用GC-MS分析法鑒定發現，黃瓜水

培液根分泌物中含有苯甲酸、對羥基苯甲酸、香草酸、阿魏酸、苯丙酸等多種有機

酸。高欣欣[20]通過對中煙100根系分泌物提取物進行GC-MS分析，在中性提取

條件下得到2-羥基丙酸、苯甲酸、丁二酸、延胡索酸、月桂酸、肉豆蔻酸、辛酸

和十五烷酸。此外，本研究從供試4種綠化樹種根系分泌物中只檢測到1種氨基

酸，而王雪等[21]在供試的5種大豆品種根系分泌物中共檢測到了14種氨基酸，

潘凱等[22]在5種不同抗性黃瓜品種根系分泌物中檢測到16種氨基酸，分別為半

胱氨酸Cys、蘇氨酸Thr、丙氨酸Ala、纈氨酸Val、異亮氨酸Lle、天冬氨酸Asp、

亮氨酸Leu、苯丙氨酸Phe、甘氨酸Gly、甲硫氨酸Met、組氨酸His、谷氨酸

Glu、酪氨酸Tyr、賴氨酸Lys、絲氨酸Ser和精氨酸Arg。

根系分泌物是林木與土壤環境進行物質、能量和信息交流的重要載體。根系分泌物

種類繁多，包括糖類、有機酸、氨基酸和酚類化合物等。根系分泌物中TC含量反

映的是植物根系通過分泌作用向根基環境的碳輸入情況，TN則反映了植物根系與

根基環境的氮素交換情況。4種綠化樹種根系分泌物中TC質量濃度大小順序為欒

樹>紫玉蘭>桂花>樟樹，欒樹根系分泌物中TC質量濃度顯著高于其余3種樹種，

說明欒樹通過根系分泌物向根際環境中釋放的碳素較多。4種綠化樹種根系分泌物

中TN質量濃度大小順序為欒樹>樟樹>紫玉蘭>桂花，欒樹根系分泌物中TN質量

濃度顯著高于紫玉蘭、桂花，樟樹與紫玉蘭、桂花之間也存在顯著性差異，可見4

種綠化樹種通過根系分泌物向根際環境輸入的氮素情況不同，且欒樹在碳素和氮素

輸入方面存在優勢。

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