RhizosphereII生物炭通过调节生理途径改善烟草根系生长和氮代谢

河南农业大学烟草学院代晓燕教授课题组在烤烟营养调控领域取得重要进展，其研究成果《Biochar improves root growth and nitrogen metabolism in tobacco through physiological pathways modulation》近日发表于生物学期刊Rhizosphere。该研究系统解析了生物炭通过改善根际土壤质量-促进根系发育-提高氮代谢基因表达量和酶活性提升烟草氮素利用效率的关键机制。

                                                                                     备注：图片来源网络
生物炭已被证明会影响作物根系发育和氮代谢；然而，在不同作物种类之间其效果存在显著差异。为探究生物炭对烟草根系发育及氮代谢的具体影响及其调控机制，采用大田试验研究，生物炭由河南省生物炭工程技术研究中心提供。研究结果表明，生物炭处理使烟草根系活力显著提升58.23%，过氧化物酶（POD）与超氧化物歧化酶（SOD）活性分别增加30.17%和26.38%。土壤硝态氮与铵态氮含量同比提升38.99%和99.94%，根系硝酸还原酶（NR）及谷氨酰胺合成酶（GS）活性分别增强28.14%和41.87%。此外，生物炭还通过调控内源激素动态平衡，构建了根系发育-氮代谢协同增效的生理通路。最后我们利用代谢组学研究发现，生物炭促进了烟叶中的氨基酸代谢，提高了烟株的氮代谢效率。本研究不仅为生物炭在农业生产中的应用提供了理论依据，还为减少化学肥料的使用、提升作物产量提供了新的思路。
研究结果

1生物炭对烟草根系生长的影响

生物炭处理显著促进了烟株根系的生长。移栽后45天时，与对照（CK）相比，T2处理提高了烟株的根体积、根鲜重和根干重，分别显著增加了69.38%、72.50%和89.49%。这一变化表明，生物炭对烟草根系的早期生长具有显著促进作用。在移栽后75天时，T2处理的的总根长和平均根径分别增加了23.97%和33.82%。这一结果表明，随着生长阶段的推进，生物炭对根系发育仍具有显著的促进作用，特别是在根系的总长度和根直径方面。
2生物炭对烟草根系激素水平的影响
不同处理下，根系激素水平随生长阶段表现出相对一致的变化趋势，呈现下降的趋势，这可能是因为根系在烟株生长后期发育逐渐缓慢有关。移栽后45天时，生物炭对根系激素水平的影响并不显著，仅T2和T3处理的激素水平有所上升（图1，A–C）。然而，在移栽后75天时，T1和T2处理的三种激素水平均显著高于对照（CK）（p < 0.05；图14，D–F），表明生物炭施用在不同生长阶段对根系激素水平的调节作用存在差异。具体而言，生物炭对根系激素的影响不仅受到生长阶段的影响，也与生物炭的施用量密切相关。

图1 生物炭对烟株根系激素水平的影响

3 生物炭对烟草根系活力和抗氧化酶活性的影响
生物炭的施用显著增强了烟株在不同生长阶段的根系活力。移栽后45天时，根系活力相对较低，生物炭的影响也相对较小。在移栽后75天时，根系活力在不同处理之间出现了显著差异。与对照（CK）相比，T2处理组的根系活力显著提高了58.23%，表明生物炭在促进根系生长与活力方面的效果。在烟株生长过程中，根系过氧化物酶（POD）和超氧化物歧化酶（SOD）的活性均呈上升趋势。移栽后75天时，其中T2处理的POD和SOD的活性为处理间最高，较CK处理显著提高了30.17%和26.38%。根系的丙二醛（MDA）含量在不同处理间表现出相似的变化趋势。施用生物炭的处理根系MDA含量显著低于CK。移栽后75天时，相较于CK，T2处理的根系MDA含量的下降幅度达到了21.93%。这些结果表明，生物炭不仅增强了根系的活力，还提高根系抗逆性，并在一定程度上延缓了根系衰老的进程。

图2 生物炭对烟草根系活力和抗氧化酶活性的影响

3生物炭对根际土壤氮含量和根系氮素积累量的影响
施用生物炭显著提高了土壤中不同形态氮素的含量。移栽后45天时，相较于对照处理（CK），T2处理的根际土壤NO3^–-N和NH4⁺-N含量显著提高了38.99%和99.94%。移栽后75天时，生物炭处理的根际土壤碱解氮（AN）和总氮（TN）含量显著提高，其中T2处理相较于CK分别显著增长了39.26%和24.73%。这些结果表明，生物炭能够有效地改善土壤养分含量，促进不同形式氮的转化和积累。随着生长的推进，烟株根系中的氮素积累量逐渐增加。施用生物炭显著促进了根系中氮素的积累。移栽后45天时，不同炭基肥处理的根系氮素积累量相比CK增加了30.85%-75.30%。

图3 生物炭对烟株根际土壤不同形态氮素含量的影响

4 生物炭对烟株根系氮代谢相关酶活性的影响
在不同生长阶段，施用生物炭均能显著提高了根系中硝酸还原酶（NR）和谷氨酰胺合成酶（GS）活性。其中，移栽后75天时，T2处理的NR和GS活性相较于对照（CK）显著提高了98.75%和118.62%。然而，生物炭对根系NIR活性的影响并不显著（图18B, E）。这一结果表明，生物炭在提高烟株根系氮代谢酶活性方面发挥了积极作用，尤其是在NR和GS活性上，但对NIR的影响较小。

 

 

图6 生物炭对烟株根系氮代谢相关基因表达量的影响

图7 激素与根系特性的相关性分析及激素之间的拟合分析

本研究首次系统地揭示了生物炭通过生理途径调控烟草根系发育和氮代谢效率的机制。结果表明，生物炭通过增加根系活力、抗氧化酶活性和激素水平促进了根系生长。同时，通过提高土壤氮含量、增强氮代谢相关酶的活性和根系基因表达以及促进叶片氨基酸代谢来调节氮代谢效率。生物炭的可持续土壤改良，可以有效提高烟草等作物的氮素利用效率，减少环境污染，推动绿色农业的发展。这一研究成果对于实现农业生产的可持续发展具有重要的实践意义。

供稿/杨杰（研究生）编辑/李沛岩（研究生）黄治宏（研究生）