烯草酮对谷子幼苗根系形态及根际微生态的影响

《Plants》：Effects of Sethoxydim on Root Morphology and Rhizosphere Microecology of Foxtail Millet Seedlings

　　

中文摘要翻译： 烯草酮（Sethoxydim）是一种抑制乙酰辅酶A羧化酶（ACCase）的环己二酮类除草剂，广泛用于谷子（Setaria italica (L.) Beauv.）田间禾本科杂草的苗后防除。本研究在田间条件下，选用耐受性相对较强的杂交品种张杂谷10号和敏感性相对较强的常规品种中谷19号，研究了烯草酮对根系形态和根际微生态的影响。以往关于烯草酮在谷子上的研究主要集中在地上部生理方面，而整合根系形态、土壤酶活性和根际微生物组的系统评估仍然匮乏。研究人员以112.5、225.0和337.5 g a.i./hm2（推荐剂量的0.5倍、1倍和1.5倍）施用烯草酮，以清水为对照。在施药后0、7、14、21和28天测定根系形态和根际酶活性，并通过高通量测序分析细菌和真菌群落。烯草酮抑制了两个品种的根系生长，但中谷19号始终更为敏感。在337.5 g a.i./hm2处理下，中谷19号的根长、表面积、直径和体积显著降低，而张杂谷10号表现出较轻的抑制作用，且在较低剂量下甚至出现轻微刺激效应。根际脲酶、蔗糖酶和过氧化氢酶活性呈先下降后恢复的趋势。烯草酮改变了根际细菌和真菌的α多样性及群落结构。这些初步研究结果表明，在相似的田间条件下，烯草酮可尝试以推荐剂量或低于推荐剂量（≤225.0 g a.i./hm2）施用，特别是对于张杂谷10号等耐受性品种，但仍需多年试验加以验证。

论文解读

一、研究背景与意义

谷子是中国重要的杂粮作物，具有突出的耐旱性、对贫瘠土壤的适应性和较强的环境抗逆性，在旱作农业中具有不可替代的地位。然而，谷子苗期生长缓慢、竞争能力弱，极易受到杂草危害。杂草防除不及时会严重制约谷子成苗，最终导致显著减产。谷子田杂草既包括狗尾草、稗草、野黍等禾本科杂草，也包括藜属、蓼属、苋属等阔叶杂草。目前阔叶杂草的防除主要依赖莠去津、2,4-D丁酯、甲嘧磺隆和溴苯腙等药剂，禾本科杂草的防除则常用烯草酮、扑草净、精异丙甲草胺和乙草胺等。然而，除草剂药害在实际应用中始终是重要隐患，部分除草剂选择性较差，苗期施用不当或剂量过高会造成严重药害，表现为生长抑制、氧化损伤和光合作用受阻。

烯草酮属于环己二酮类除草剂，是一种选择性内吸传导型苗后除草剂，其作用机制是抑制植物体内乙酰辅酶A羧化酶活性。在推荐剂量225 g a.i./hm²下，烯草酮会对谷子造成短暂伤害，植株可通过生理功能的自我调节而恢复。但苗期施用不当或剂量过高则会造成严重药害，且不同谷子品种间耐受性差异显著。除草剂胁迫会破坏活性氧稳态，抑制根系生长并改变根际分泌物组成，进而招募有益微生物。根际酶活性和微生物群落对养分循环和植物逆境适应至关重要，并显著受到除草剂影响。因此，整合根系形态、酶活性和微生物组分析对于评估除草剂胁迫十分必要。

以往关于烯草酮在谷子上的研究主要集中于地上部生理和光合作用，从根系形态、土壤酶活性和根际微生物群落角度系统分析胁迫效应及品种差异的研究仍然匮乏。为此，研究人员选用中谷19号和张杂谷10号为材料，施用不同浓度烯草酮，测定谷子幼苗根系形态参数、根际土壤酶活性及根际细菌和真菌群落的变化，旨在探究烯草酮对谷子幼苗生理特性和根际生态过程的影响，比较不同品种对烯草酮胁迫的响应差异，为烯草酮在谷子田的安全应用和抗除草剂品种筛选提供理论依据。研究提出了三个假设：烯草酮暴露对敏感品种中谷19号根系形态发育的抑制作用强于耐受品种张杂谷10号；两个品种的土壤酶活性变化存在差异，反映不同的根际代谢响应；烯草酮胁迫下根际微生物组组成发生改变，耐受品种拥有更稳定或更有益的微生物群落结构。该论文发表于《Plants》期刊。

二、主要关键技术方法

研究人员在山西农业大学定襄试验站开展田间试验，供试土壤为砂壤土。供试材料为中谷19号（中国农业科学院作物科学研究所提供）和张杂谷10号（河北省张家口市农业科学院选育）。烯草酮为12.5%乳油，设置112.5、225.0和337.5 g a.i./hm²三个剂量及清水对照，采用随机完全区组设计，4次重复。根系形态采用Epson V700扫描仪结合WinRHIZO Pro 5.0软件分析。根际土壤酶活性测定采用苯酚-次氯酸钠比色法（脲酶）、3,5-二硝基水杨酸比色法（蔗糖酶）和高锰酸钾滴定法（过氧化氢酶）。根际微生物群落采用Illumina NovaSeq 6000平台高通量测序，细菌16S rRNA基因V4区和真菌ITS区扩增，DADA2降噪后基于QIIME2流程构建ASV特征表，分别比对SILVA和UNITE数据库进行物种注释。α多样性指数、主坐标分析（PCoA）、PERMANOVA和LEfSe差异分析用于群落评估。微生物测序仅在施药后0天和28天两个时间点进行。

三、研究结果

3.1 烯草酮施用对根系形态的影响

单因素方差分析表明，除草剂剂量显著影响两个品种的大多数根系形态参数。各处理根系参数随生育期推进逐渐增加，高浓度处理显著抑制根系生长。施药后28天，中谷19号各处理根系参数较对照均下降，高浓度处理降幅最大，总根长、表面积、平均直径和体积下降12.96%至25.25%。相比之下，张杂谷10号在低浓度和中浓度下抑制轻微，中浓度下平均根直径甚至增加3.13%，表现出低浓度刺激效应，高浓度下总根长和表面积分别下降15.22%和14.73%。这表明张杂谷10号根系对烯草酮胁迫可能具有更强的适应性和可塑性。

3.2 对根际土壤酶活性的影响

除草剂剂量对两个品种的大多数根际土壤酶活性有显著影响。脲酶活性在两个品种中均呈下降-上升-恢复模式，中谷19号波动更大，施药后7天抑制最严重，高浓度下较对照下降47.42%；施药后14天各处理均超过对照。张杂谷10号仅在施药后7天高浓度下出现显著抑制，14天出现短暂升高，21至28天恢复至对照水平。蔗糖酶活性在两个品种中总体受到抑制，中谷19号主要在14至21天受抑，28天恢复正常；张杂谷10号在7天显著下降，高浓度处理在21至28天仍显著低于对照，表明高浓度烯草酮对蔗糖酶活性具有更持久的抑制作用。过氧化氢酶活性在施药后早期升高，后期恢复，中谷19号在7至21天高于对照，高浓度增幅最明显；张杂谷10号主要在7天响应，此后无明显差异，恢复更为迅速。

3.3 对根际细菌群落的影响

独立样本t检验显示，施药后28天，两个品种高浓度处理与对照间的细菌α多样性指数均存在显著差异，施药前无显著差异。中谷19号的Chao1指数显著升高，Shannon和Pielou均匀度指数下降，Simpson指数无显著变化；张杂谷10号的Chao1、Shannon和Simpson指数均下降，Pielou均匀度指数显著升高。PCoA分析显示，施药前处理组与对照组无明显分离，施药后28天样本偏离0天区域。PERMANOVA显示四个组间差异显著，但28天对照与高浓度处理的配对比较未达显著水平。LEfSe分析鉴定出多个响应高剂量烯草酮胁迫的细菌生物标志物。门水平上，中谷19号对照富集放线菌门，高浓度处理富集疣微菌门；张杂谷10号高浓度处理富集放线菌门、粘球菌门和厚壁菌门。属水平上，中谷19号高浓度处理富集Luteolibacter、Duganella和未分类Pedosphaeraceae；张杂谷10号高浓度处理富集Devosia、Pseudomonas、Croceibacterium和Lentzea。

3.4 对根际真菌群落的影响

施药后28天，两个品种高浓度处理与对照间的真菌α多样性指数均存在显著差异。中谷19号Chao1指数显著下降，Simpson和Pielou均匀度指数升高，Shannon指数无显著变化；张杂谷10号Chao1、Shannon、Simpson和Pielou均匀度指数均显著下降。PCoA分析显示真菌群落结构在施药前后发生明显变化，28天处理组与对照组沿PC1轴呈现分离趋势，中谷19号的分离趋势较张杂谷10号更明显，但配对比较均未达显著水平。门水平上，子囊菌门在两个品种中均表现下降趋势，担子菌门在中谷19号中升高而在张杂谷10号中下降。属水平上，中谷19号高浓度处理富集Fusarium、Magnaporthiopsis、Myrmecridium等属，对照富集Plectosphaerella、Clonostachys、Idriella和Coprinopsis；张杂谷10号高浓度处理富集Alternaria，对照富集Sarocladium、Albifimbria、Magnaporthiopsis、Microdochium和Coprinopsis。

四、讨论与结论

研究人员指出，根系是水分和养分吸收的主要器官，也是感知土壤除草剂胁迫的前沿。烯草酮显著抑制谷子幼苗根系生长，且浓度越高效应越强，两个品种呈现不同响应模式。土壤酶活性是生物活性和养分循环强度的敏感指标。脲酶活性的下降-上升-恢复模式与短暂扰动及随后的微生物适应一致，蔗糖酶总体受抑表明土壤碳代谢受到持续干扰，过氧化氢酶仅在早期升高表明氧化还原状态快速恢复。张杂谷10号脲酶和过氧化氢酶恢复更快，可能与其更好地维持根系分泌物有关。

根际微生物群落对植物养分获取、逆境适应和土壤生态平衡具有重要作用。烯草酮改变了谷子根际细菌和真菌群落的α多样性和结构，且存在品种特异性响应模式。张杂谷10号在胁迫下富集了Devosia、Pseudomonas等具有促生和逆境适应潜力的细菌类群，并保持了较高的群落稳定性。中谷19号在胁迫下出现Clonostachys丧失和Fusarium富集的现象，但基于扩增子测序的相对丰度数据无法确认致病性或绝对种群变化。虽然PERMANOVA未显示28天对照与高浓度处理间存在显著整体群落差异，但LEfSe鉴定出多个响应除草剂胁迫的特异性类群，表明胁迫对特定类群产生选择性压力而非整体群落重构。

研究结论指出，烯草酮显著抑制根系生长，浓度越高效应越强。张杂谷10号在试验条件下表现出更强的耐受性和根系可塑性，仅在最高剂量下出现明显抑制，脲酶和过氧化氢酶活性恢复也更快。根际微生物群落分析进一步显示，张杂谷10号维持了较高的细菌群落稳定性，并富集了Clonostachys等有益真菌类群，而中谷19号在烯草酮胁迫下真菌群落组成发生显著变化。研究建议烯草酮应以推荐剂量225.0 g a.i./hm²或更低剂量施用，特别是对于中谷19号等敏感品种，以减轻药害和根际生态扰动。对于种植张杂谷10号等耐受品种的田块，推荐剂量在试验条件下对根系生长和土壤微生态产生不利影响的风险较低。然而，这些剂量建议来源于初步试验，仍需通过更多田间试验加以验证。研究存在以下局限性：微生物测序仅在施药后0天和28天进行，缺乏中间时间点的动态数据；未测定根际烯草酮残留和根系分泌物组成；试验仅在单一地点、单一生长季进行；田间条件存在固有的环境变异性。未来研究应整合代谢组学和宏基因组学方法，开展长期田间试验以进一步阐明其作用机制。