根系分泌物是植物與土壤進(jìn)行物質(zhì)交換和信息傳遞的重要載體物質(zhì), 是植物響應(yīng)外界脅迫的重要途徑, 是構(gòu)成植物不同根際微生態(tài)特征的關(guān)鍵因素, 也是根際對(duì)話的主要調(diào)控者。

根系分泌物對(duì)于生物地球化學(xué)循環(huán)、根際生態(tài)過程調(diào)控、植物生長(zhǎng)發(fā)育等均具有重要功能, 尤其是在調(diào)控根際微生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能方面發(fā)揮著重要作用, 調(diào)節(jié)著植物-植物、植物-微生物、微生物-微生物間復(fù)雜的互作過程。

越來越多的研究表明, 不論是同種植物還是不同種植物之間相互作用的正效應(yīng)或是負(fù)效應(yīng), 都是由根系分泌物介導(dǎo)下的植物與特異微生物共同作用的結(jié)果。近年來, 隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的不斷完善, 有關(guān)土壤這一“黑箱”的研究方法與技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步, 尤其是各種宏組學(xué)技術(shù)(meta-omics technology), 如環(huán)境宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)、宏蛋白組學(xué)、宏代謝組學(xué)等的問世, 極大地推進(jìn)了人們對(duì)土壤生物世界的認(rèn)知, 尤其是對(duì)植物地下部生物多樣性和功能多樣性的深層次剖析, 根際生物學(xué)特性的研究成果被廣泛運(yùn)用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

深入系統(tǒng)地研究根系分泌物介導(dǎo)下的植物-土壤-微生物的相互作用方式與機(jī)理, 對(duì)揭示土壤微生態(tài)系統(tǒng)功能、定向調(diào)控植物根際生物學(xué)過程、促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展等具有重要的指導(dǎo)意義。該文綜述了根系分泌物的概念、組成及功能, 論述了根系分泌物介導(dǎo)下植物與細(xì)菌、真菌、土壤動(dòng)物群之間的密切關(guān)系, 總結(jié)了探索根際生物學(xué)特性的各種研究技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn), 并對(duì)該領(lǐng)域未來的研究方向進(jìn)行了展望。

以下為文章主體內(nèi)容

根際沉積與根系分泌物

根際沉積(rhizodeposition)是植物根系通過各種主動(dòng)或被動(dòng)的形式將輸入到根部的有機(jī)、無機(jī)化合物釋放到鄰近的土壤而形成的。植物根際碳的沉積主要來源于植物殘?bào)w、脫落根部細(xì)胞的分解, 根部細(xì)胞的更新, 以及植物生育期內(nèi)的根系分泌物。根際沉積是介導(dǎo)植物與鄰近植物、植物與微生物交流,以及植物與土壤交換的主要媒介, 同時(shí)對(duì)土壤碳循環(huán)起著重要作用。

根系分泌物(root exudate)是指在特定環(huán)境下,活的植物通過根系的不同部位釋放到根際環(huán)境中的有機(jī)物質(zhì)的總稱, 是一種復(fù)雜的非均一體系。

廣義的根系分泌物包括:

(1)滲出物(diffusate), 即由根部細(xì)胞通過被動(dòng)形式擴(kuò)散出來的一些低分子量有機(jī)物質(zhì); 

(2)分泌物(secretion), 即由根部細(xì)胞主動(dòng)釋放的一些具有一定生理功能的有機(jī)物質(zhì), 對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素遷移、植物解毒、信號(hào)傳遞、抵御脅迫等起重要作用;

(3)排泄物(excretion), 即根部細(xì)胞生物代謝過程中產(chǎn)生的分解產(chǎn)物(Neumann & Ro?mheld, 2000; Wern-er, 2000)。狹義的根系分泌物僅包括植物通過溢泌作用進(jìn)入土壤的可溶性物質(zhì)(賀永華等, 2006)。

根系分泌物可以通過改變根際物理、化學(xué)或生物學(xué)特性來提高植物根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用和適應(yīng)外界環(huán)境的變化, 同時(shí)它也是調(diào)控根際微生態(tài)功能的關(guān)鍵因子。

根系分泌物作為根際沉積的重要組成部分, 按分子量可分為高分子量與低分子量根系分泌物, 前者主要包括黏膠和胞外酶, 其中黏膠有聚多糖和多糖醛酸; 后者主要是低分子有機(jī)酸、糖、酚及各種氨基酸(包括非蛋白氨基酸, 如植物鐵載體) (Mar-schner, 1995)。根系分泌物按種類可分為糖類、氨基酸類、有機(jī)酸、酚酸類、脂肪酸、甾醇類、蛋白質(zhì)、生長(zhǎng)因子等(表1)。

根系分泌物的功能

除了為根際土壤微生物系統(tǒng)提供碳源、氮源之外, 根系分泌物還介導(dǎo)植物對(duì)礦質(zhì)元素的吸收利用和對(duì)外界環(huán)境變化的適應(yīng)等。前人研究表明, 有些植物在養(yǎng)分和環(huán)境脅迫時(shí), 根系分泌物的成分和數(shù)量會(huì)產(chǎn)生急劇變化以適應(yīng)變化的環(huán)境, 這些植物一般都具有較高的養(yǎng)分利用效率和利用能力, 具有較強(qiáng)的抗逆性(涂書新等,2000)。

根系分泌物種類眾多,功能包括:

(1)營(yíng)養(yǎng)供給; (2)改變土壤質(zhì)地; (3)提高植物營(yíng)養(yǎng)吸收; (4)信號(hào)傳導(dǎo); (5)化感作用; (6)保護(hù)功能等。

表2列出了某些根系分泌物的生態(tài)效應(yīng)。

高等植物光合作用固定的碳20%–60%被轉(zhuǎn)移到植物地下部分, 其中釋放到土壤中的碳多年生植物最高可達(dá)其轉(zhuǎn)移量的70%, 一年生植物最高可達(dá)其轉(zhuǎn)移量的40% (Kuzyakov & Domanski, 2000)。在“根際”這一特殊的生態(tài)環(huán)境中, 植物根系不斷地向土壤中分泌大量的有機(jī)物質(zhì), 形成根際沉積, 這為根際微生物提供了豐富的營(yíng)養(yǎng)和能源。

根系分泌物的種類和數(shù)量決定了根際微生物的種類和數(shù)量, 并對(duì)微生物的生長(zhǎng)繁殖及代謝過程產(chǎn)生影響(Singh &Mukerji, 2006); 而根際微生物群落的動(dòng)態(tài)變化反過來也影響著根際生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),從而影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育及植被多樣性變化(Bar-dgett, 2005a)。由此可見, 植物和土壤、微生物之間的物質(zhì)交換、養(yǎng)分循環(huán)是一個(gè)復(fù)雜的開放系統(tǒng)。

有研究表明, 根系分泌物對(duì)土壤微團(tuán)聚體的大小、分布、穩(wěn)定性、吸附性能及親水性等物理性質(zhì)有顯著影響(Materechera et al., 1992)。根系分泌物還顯著地影響根際土壤pH值, 主要的影響途徑有: (1)植物對(duì)陽(yáng)、陰離子吸收利用的不平衡性;(2)有機(jī)陰離子的釋放; (3)根部呼吸; (4)根際微生物產(chǎn)酸(Gregory, 2007)。

也有研究表明, 根際土壤尤其是根尖土壤的陽(yáng)離子交換量(CEC)顯著增加(Oades,1978), 主要原因可能是根系分泌的黏膠物質(zhì)(如聚糖醛酸)含有大量羧基, 而羧基是很好的陽(yáng)離子交換基團(tuán)。

已有的很多研究表明, 根系分泌物介導(dǎo)植物的營(yíng)養(yǎng)吸收, 尤其是在營(yíng)養(yǎng)脅迫的條件下。Dinkelaker等(1989)報(bào)道, 在缺磷的土壤中, 白羽扇豆(Lupinusalbus)首先在根形態(tài)上產(chǎn)生變化, 即形成“簇狀根”,而后分泌大量的檸檬酸, 而且檸檬酸的增加量隨植株年齡和缺磷程度而改變。雙子葉植物根系在缺鐵時(shí)會(huì)分泌出檸檬酸、草酸和咖啡酸等,通過對(duì)土壤中難溶性鐵的螯合作用來增加鐵的有效性(史剛榮,2004)。Takagi等(1984)研究發(fā)現(xiàn), 禾本科植物缺鐵時(shí), 根系通過分泌一種對(duì)Fe3 具有極強(qiáng)絡(luò)合能力的鐵載體(phytosiderophore, PS)來提高對(duì)Fe的吸收。而且PS對(duì)Fe3 的絡(luò)合不是專一的, 還可與其他的微量金屬元素Cu、Zn、Mn、Co、Ni進(jìn)行絡(luò)合, 提高了根際環(huán)境中這些元素的生物有效性(劉文菊等,2000)。Li等(2007)研究發(fā)現(xiàn), 禾本科植物與豆科植物間套作時(shí), 豆科植物如蠶豆(Vicia faba)根系會(huì)通過釋放有機(jī)酸和質(zhì)子來酸化土壤, 活化土壤難溶性磷, 從而促進(jìn)禾本科植物如玉米(Zea mays)對(duì)磷的吸收利用。

植物的根系分泌物中含有一些具有生物活性的大分子和小分子次生代謝產(chǎn)物, 這些物質(zhì)調(diào)節(jié)著根系周圍的土壤微生物種群與數(shù)量, 調(diào)節(jié)著植物與微生物之間的根際對(duì)話(rhizosphere talk)。Peters等(1986)發(fā)現(xiàn), 在缺氮條件下, 豆科植物根系通過分泌黃酮類和異黃酮類物質(zhì)來誘導(dǎo)啟動(dòng)根瘤菌結(jié)瘤基因(nodD)的表達(dá), 最終導(dǎo)致根瘤菌侵染根系并形成根瘤。Akiyama等(2005)研究發(fā)現(xiàn), Lotus japonicus的根系分泌物中含有一種分枝因子(branching factor:5-deoxystrigol), 在很低濃度時(shí)即可刺激菌根真菌萌發(fā)孢子的菌絲大量分枝。

植物根系分泌物中含有一類對(duì)鄰近其他植物或自身產(chǎn)生抑制或促進(jìn)作用的生物活性物質(zhì), 即為化感物質(zhì)(allelochemicals)。Tang和Young(1982)研究了Hemarthria altissima根系分泌物的化感作用, 發(fā)現(xiàn)供體植物根系分泌物中對(duì)受體植物生長(zhǎng)呈抑制作用的主要是酚類化合物。在小麥(Triticum aestivum)、水稻(Oryza sativa)、玉米等作物的根系分泌物中也都檢測(cè)到一些化感物質(zhì), 對(duì)農(nóng)業(yè)雜草都具有抑制作用, 而且化感作用的強(qiáng)弱與品種有關(guān)(何海斌等,2005)。同時(shí), 研究發(fā)現(xiàn)黃瓜(Cucumis sativus)、大豆(Glycine max) 、 煙草 (Nicotiana tabacum) 、 地黃(Rehmannia glutinosa)、西洋參(Panax quinquefolius)等忌連作作物的連作障礙現(xiàn)象與根系分泌物中的化感物質(zhì)密切相關(guān)。Yu和Matsui (1994)發(fā)現(xiàn)黃瓜根系分泌物中含有苯甲酸、對(duì)羥基苯甲酸、2, 5-二羥基苯甲酸、苯丙烯酸等11種酚酸物質(zhì), 其中有10種具有生物毒性。Pramanik等(2000)也從黃瓜根系分泌物中鑒定出苯甲酸及其衍生物、肉桂酸及其衍生物等,并證明這些物質(zhì)會(huì)阻礙黃瓜對(duì)養(yǎng)分的吸收。

近年來的研究也表明, 根系分泌物對(duì)某些入侵植物的成功入侵起到?jīng)Q定性的化學(xué)生態(tài)學(xué)作用。Bais等(2003)研究發(fā)現(xiàn), 矢車菊(Centaurea maculosa)根系分泌釋放的兒茶素( )-Catechin和(–)-Catechin對(duì)其成功入侵起重要作用。

植物可以通過產(chǎn)生和釋放根系分泌物來抵御各種非生物因素的干擾與生物脅迫。在金屬污染物脅迫下, 某些植物的根系分泌物通過螯合、絡(luò)合、沉淀等作用將金屬污染物滯留在根外, 降低土壤中金屬的生物有效性, 減少植物對(duì)有害金屬的吸收(常學(xué)秀等, 2000)。例如, 在Al脅迫下, 一些高等植物可分泌大量的檸檬酸、蘋果酸、酚類化合物以及黏液、蛋白質(zhì)復(fù)合物等來螯合游離的Aln 陽(yáng)離子, 從而降低Al對(duì)植物根系的毒害作用(Neumann, 2007)。

也有研究表明, 某些植物通過分泌蘋果酸、檸檬酸等根系分泌物來緩解重碳酸鹽毒害, 同時(shí)這些分泌物也有利于植物吸收利用P、Fe、Zn、Mn等礦質(zhì)元素(Hajiboland et al., 2003)。近年來還陸續(xù)發(fā)現(xiàn), 某些植物可以通過分泌幾丁質(zhì)酶、β-1, 3-葡聚糖酶、植物抗毒素(phytoalexin)等生物活性物質(zhì)來抑制病原菌的生長(zhǎng)(Neumann et al., 2000; Werner, 2000;Wasaki et al.,2005)。

根系分泌物與根際微生物的相互作用

植物通過光合作用固定的碳可通過根系分泌物的形式釋放到土壤中，為土壤微生物提供豐富的營(yíng)養(yǎng)，而土壤微生物可借助趨化感應(yīng)（chemotaxisresponse)，游向富含根系分泌物的根際及根表面進(jìn)行定殖與繁殖。土壤中聚居的微生物主要包括細(xì)菌、放線菌、真菌、藻類、原生動(dòng)物和病毒等。土壤微生物是土壤中活的有機(jī)體，是最活躍的土壤肥力因子之一，它們的區(qū)系組成和數(shù)量變化通常反映出土壤生物活性水平。

在土壤中，根系分泌物與根際微生物之間的相互作用是一個(gè)十分重要的過程，植物根系通過分泌各種次生代謝物質(zhì)對(duì)根際微生物的種類、數(shù)量和分布產(chǎn)生影響，對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)有選擇塑造作用。

研究證據(jù)表明, 根系分泌物介導(dǎo)下的植物-微生物互作關(guān)系變化對(duì)于土壤肥力、健康狀況, 以及植物生長(zhǎng)發(fā)育有著極其重要的作用(Eisenhauer et al.,2012)。有學(xué)者甚至認(rèn)為, 根際是植物體的一個(gè)組成部分, 根際微生物群落的宏基因組是植物體的第二基因組(Berendsen et al., 2012)。與此類似, Daffon-chio認(rèn)為不應(yīng)僅僅將植物體看作是一個(gè)獨(dú)立的生物體(single organism), 而應(yīng)該把它看成宏生物體(meta-organism), 它是植物自身與周圍微生物組(microbiome)的結(jié)合體(East, 2013)。

本研究團(tuán)隊(duì)多年來一直致力于植物根際生物學(xué)特性的研究, 發(fā)現(xiàn)植物的他感作用、連作障礙、連作促進(jìn)或是間套作增產(chǎn)等, 都是由其根系分泌物介導(dǎo)下的植物與特異微生物共同作用的結(jié)果。

在根際土壤中, 根系分泌物在介導(dǎo)植物與周圍微生物的相互作用中起重要作用。Gschwendtner等(2011)研究發(fā)現(xiàn), 不同的馬鈴薯(Solanum tuberosum)品種之間根際微生物群落差異很大, 而且在不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期, 馬鈴薯根際微生物群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生變化, 這可能都與根系分泌物的組成和數(shù)量不同有關(guān)。同樣, Chaparro等(2013)發(fā)現(xiàn)擬南芥(Arabidopsisthaliana)根系分泌物的組分與含量隨生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期而顯著變化, 根部相關(guān)基因的表達(dá)水平也相應(yīng)變化,同時(shí)對(duì)根際微生物群落進(jìn)行宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序分析還發(fā)現(xiàn), 根際微生物功能基因的表達(dá)模式與擬南芥不同生長(zhǎng)發(fā)育時(shí)期的根系分泌物分泌模式顯著相關(guān)。

植物根系分泌物的產(chǎn)生是植物根部長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果, 是適應(yīng)環(huán)境的一種體現(xiàn), 不是一個(gè)完全被動(dòng)的過程, 因?yàn)橹参锏娜魏未x功能都直接或間接地消耗碳源和能量。由于根部一直處于土壤中, 無時(shí)無刻不與周圍的生物、非生物因子做斗爭(zhēng), 所以植物能夠根據(jù)周圍環(huán)境的變化不斷地調(diào)整自身根系分泌物的組成和數(shù)量來積極響應(yīng)(Walker et al.,2003)。在根際中, 根系分泌物對(duì)某些微生物具有吸引作用, 這類具有趨化性的細(xì)菌或真菌就能夠在根際中大量聚集和繁殖, 比如豆科植物對(duì)根瘤菌的誘導(dǎo); 而對(duì)有些病原菌卻具有抑制作用, 比如小麥根系分泌物中的酚酸具有抗細(xì)菌的活性, 并且其抗菌活性具有協(xié)同作用(Wu et al., 2001)。Fierer等(2012)運(yùn)用宏基因組學(xué)技術(shù)對(duì)取自寒漠、熱沙漠、森林、草原、苔原的16份土樣的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)來自沙漠區(qū)的土壤微生物群落明顯區(qū)別于非沙漠區(qū)的, 進(jìn)一步的宏基因組功能分析發(fā)現(xiàn)來自沙漠區(qū)的微生物類群中與營(yíng)養(yǎng)循環(huán)、分解代謝植物源有機(jī)化合物相關(guān)的基因含量很低, 尤其是來自寒漠地區(qū)的微生物群落, 其種類多樣性和功能多樣性都最低, 可見地上部物種多樣性水平顯著影響地下部微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性。相反, 地下部微生物群落也會(huì)對(duì)地上部植物的生理代謝、生長(zhǎng)發(fā)育等產(chǎn)生重要影響。

Badri等(2013)運(yùn)用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)分析發(fā)現(xiàn), 土壤微生物群落對(duì)植物葉片的代謝物組分有顯著影響, 進(jìn)而影響昆蟲對(duì)葉片的取食行為。Mendes等(2011)運(yùn)用PhyloChip芯片技術(shù)對(duì)抑病型土壤(disease suppressive soil)和利病型土壤(disease conducive soil)中的微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析, 發(fā)現(xiàn)種植于抑病型土壤的甜菜(Beta vulgaris)其根際優(yōu)勢(shì)群落普遍為拮抗病原菌相關(guān)的微生物,如放線菌門、β變形菌門、γ變形菌門等, 尤其是其中的假單胞菌在抑病型土壤中的數(shù)量極顯著高于利 病型土壤中, 這是由根系分泌物介導(dǎo)下植物與根際特異微生物共同作用的結(jié)果。

Zolla等(2013)研究發(fā)現(xiàn), 在適度干旱脅迫下將擬南芥幼苗種植于同域土 壤(sympatric soil, 即長(zhǎng)期種植擬南芥的土壤)中, 可以顯著地促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高生物量, 而種植于非同域土壤(non-sympatric soil, 如長(zhǎng)期種植松樹和玉米的土壤)中對(duì)植物生物量沒有影響。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn), 這是由于同域土壤中存在很多與降低植物干旱脅迫響應(yīng)相關(guān)的促生根際菌(plant growth promot-ing rhizobacteria, PGPR), 如伯克氏菌屬、芽孢桿菌屬、不動(dòng)桿菌屬等。

Lakshmanan等(2012)研究還發(fā)現(xiàn),番茄(Lycopersicon esculentum)葉片受到病原菌侵染后, 可通過調(diào)節(jié)根系分泌物組分與含量, 如增加根系蘋果酸分泌釋放量, 使更多的蘋果酸進(jìn)入根際,從而招募更多的有益菌向根際聚集, 這些有益菌可進(jìn)一步引發(fā)植物的誘導(dǎo)性系統(tǒng)抗性(induced systemicresistance)以對(duì)病原菌產(chǎn)生防御反應(yīng), 可見根系分泌物在植物-微生物互作關(guān)系中所扮演的重要角色。

近年來, 對(duì)于植物化感作用的研究也傾向于根際微生物群落結(jié)構(gòu), 因?yàn)槟壳皩?duì)于化感物質(zhì)的成分與有效濃度仍存在較大爭(zhēng)議, 有的學(xué)者認(rèn)為酚酸類化感物質(zhì)抑制雜草生長(zhǎng)作用的有效濃度較高, 在田間自然條件下很難達(dá)到有效濃度, 故提出酚酸類不是化感物質(zhì), 而萜類和黃酮類才是化感物質(zhì)(Kato-Noguchi, 2009)。但是現(xiàn)在更多的學(xué)者認(rèn)為,化感物質(zhì)進(jìn)入根際土壤之后勢(shì)必會(huì)受到微生物的代謝分解、加工轉(zhuǎn)化等, 所以植物化感作用并非是在供體植物與受體植物之間直接發(fā)揮作用(林文雄等,2007; Kaur et al., 2009)。顯然, 作物化感作用是植物化感物質(zhì)與其根際土壤微生物綜合作用的結(jié)果。

本實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用現(xiàn)代生理生化技術(shù)、土壤宏基因組學(xué)并結(jié)合實(shí)時(shí)熒光定量PCR (qRT-PCR)技術(shù)等研究發(fā)現(xiàn),化感水稻與非化感水稻根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)存在明顯差異, 化感水稻根際存在30種特異微生物,其中7種被鑒定為黏細(xì)菌(myxobacteria)(林瑞余等,2007; 林輝鋒, 2011), 它們對(duì)雜草(如稗(Echino-chloacrusgali))的發(fā)芽生長(zhǎng)具有顯著抑制作用。進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn), 這些與水稻化感作用相關(guān)的黏細(xì)菌具有群體效應(yīng)(quorum sensing), 而且水稻根系分泌物中的酚酸類物質(zhì)對(duì)這類細(xì)菌具有明顯的趨化促進(jìn)作用(李穎哲, 2013)。連作障礙, 也稱再植病或土壤病, 是一種特殊的植物化感現(xiàn)象, 是指同一地塊連續(xù)多年種植相同作物造成作物生長(zhǎng)狀況變差, 產(chǎn)量和品質(zhì)降低, 病蟲害發(fā)生加劇的現(xiàn)象。

前人研究表明, 造成作物連作障礙的原因可能是多方面的, 比如土壤營(yíng)養(yǎng)失衡、土壤理化性質(zhì)惡化、自毒物質(zhì)積累等(張重義和林文雄, 2009)。但是, 近年來越來越多的學(xué)者認(rèn)為, 根系分泌物生態(tài)效應(yīng)的間接作用及土壤微生物區(qū)系紊亂是導(dǎo)致植物連作障礙形成的主要因素(Qi et al., 2009), 這可能是由于在根系分泌物特定組分的介導(dǎo)下, 某些類群的微生物(如土傳病原菌)大量繁殖, 同時(shí)抑制其他有益微生物(如假單胞菌等拮抗菌)的生長(zhǎng), 進(jìn)而改變了植物根系分泌物的組分和數(shù)量, 為趨化性病原微生物提供更多的碳源、能源, 形成惡性循環(huán), 造成植物生長(zhǎng)發(fā)育不良。

本研究團(tuán)隊(duì)通過對(duì)地黃、太子參(Pseudostellariae hetero-phylla)、甘蔗(Saccharum officinarum)、煙草等不同作物連作下的根際微生態(tài)特性進(jìn)行研究, 也均發(fā)現(xiàn)類似結(jié)果(陳冬梅等, 2010; 張重義等, 2010; 林茂茲等,

2012)。Zhou和Wu (2012)通過外源添加黃瓜自毒物質(zhì)2010; 張重義等, 2010; 林茂茲等,2012)。Zhou和Wu (2012)通過外源添加黃瓜自毒物質(zhì)

——香豆酸至土壤中, 也發(fā)現(xiàn)香豆酸對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響, 導(dǎo)致厚壁菌門、β變形菌門等細(xì)菌大量增加, 而使擬桿菌門、δ變形菌門、浮霉菌門等細(xì)菌顯著減少, 同時(shí)還造成土壤中病原菌(如尖孢鐮 刀菌等)大量繁殖增長(zhǎng)。

可見, 根系分泌物介導(dǎo)下的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能多樣性變化對(duì)其他植物或植物自身的生長(zhǎng)發(fā)育都產(chǎn)生重要的影響。

根系分泌物介導(dǎo)的植物-微生物互作關(guān)系是處在不斷進(jìn)化之中的。Walker等(2004)將Ocimum ba-silicum幼苗與病原微生物銅綠假單胞菌在試管內(nèi)共培養(yǎng), 發(fā)現(xiàn)在病原菌作用下Ocimum basilicum根系分泌物中酚酸類物質(zhì)(如迷迭香酸(rosmarinic acid,RA)這一抗菌物質(zhì))含量顯著增加, 進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌具有群體效應(yīng), 能夠在抗菌成分RA還未積累到有效作用濃度時(shí)便迅速產(chǎn)生生物被膜(biofilm), 以抵御植物分泌的抗菌物質(zhì)對(duì)其造成傷害, 進(jìn)而繼續(xù)侵染植物根系。相反, 也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn), 某些植物如豌豆(Pisum sativum)、大豆、水稻、苜蓿屬(Medicago)植物等通過長(zhǎng)期的進(jìn)化, 對(duì)病原微生物形成一種防御機(jī)制, 即能夠通過產(chǎn)生AHL類似物、AHL信號(hào)阻斷物或降解酶等途徑來干擾某些病原細(xì)菌的群體效應(yīng), 抑制其生長(zhǎng)或干擾其正常生理功能, 從而保護(hù)植物自身(Fray, 2002)。

真菌作為土壤微生物群落的主要組分之一, 在根際與植物形成密切關(guān)系, 尤其是叢枝菌根(arbuscular mycorrhizae, AM)能與大多數(shù)高等植物形成共生關(guān)系。叢枝菌根幾乎在各種陸地生態(tài)系統(tǒng)中都有分布。

許多研究表明菌根真菌和菌根植物之間存在互相感知的系統(tǒng), 菌根植物的根系分泌物中存在能被菌根真菌識(shí)別的物質(zhì), 如來自Lotus japo-nicus的獨(dú)腳金萌發(fā)素內(nèi)酯(5-deoxystrigol)(Buee etal., 2000; Akiyama et al., 2005)。在菌根真菌與植物的對(duì)話中, 植物產(chǎn)生的根系分泌物為菌根真菌的生長(zhǎng)繁殖提供了豐富的碳源和能量, 而菌根真菌也能夠幫助植物改善營(yíng)養(yǎng), 如通過溶解釋放無機(jī)磷或水解有機(jī)磷來提高植物對(duì)磷元素的吸收利用, 抵御各種生物和非生物脅迫。

然而也有研究發(fā)現(xiàn), 植物與菌根真菌的關(guān)系也不是一成不變的, 在特定的環(huán)境下, 二者可能從互利共生變成寄生關(guān)系, 比如當(dāng)為植物提供足夠的化肥和有機(jī)肥時(shí), 菌根真菌為植物提供磷元素的效益就可能無法補(bǔ)償植物提供給菌根真菌碳源的成本, 從而引發(fā)二者關(guān)系的變化(Joh-nson et al., 1997)。

內(nèi)生真菌(fungal endophyte)也與植物關(guān)系密切, 微生物學(xué)家Rusty J. Rodriguez甚至使用了一個(gè)新詞“symbiogenics” (共生基因?qū)W)或稱為“symbiosis-altered genetic expression” (共生改變基因表達(dá))來形象地描述二者的關(guān)系。他的研究發(fā)現(xiàn)將分離自耐旱沙丘草本植物中的內(nèi)生真菌與水稻共培養(yǎng), 不但可以顯著降低水稻對(duì)水分的需求量, 而且還可以促進(jìn)水稻生長(zhǎng), 提高產(chǎn)量。同樣, 將來自喜熱稗的內(nèi)生真菌與小麥共培養(yǎng)后, 小麥可在70 °C高溫下生長(zhǎng), 并且對(duì)水分的需求量減半(East, 2013)。

由于土壤中不乏病原真菌, 植物也進(jìn)化形成了各種抵御病原真菌的有效機(jī)制。Bais等(2002a)研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)受到終極腐霉菌Pythium ultimum侵害時(shí),Ocimum basilicum根系會(huì)大量分泌迷迭香酸, 從而減輕該病菌的危害, 并殺滅多種土壤細(xì)菌和病原體,顯示出強(qiáng)大的抑菌活性。

也有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn), Phy-tolacca americana的發(fā)根會(huì)向根際分泌許多抗真菌活性蛋白, 如核糖體失活蛋白(RIP)、幾丁質(zhì)酶等(Park et al., 2002a)。RIP通過具N-糖苷酶活性來抑制蛋白合成, 或選擇性地刪除28S rRNA保守區(qū)的腺嘌呤殘基(Nielsen & Boston, 2001; Vepachedu et al.,2003)。根系分泌的RIP還具有抗真菌特性, 如能夠抑制根腐菌Rhizoctonia solani和Trichoderma reesei(Park et al., 2002b)。

動(dòng)物群除了細(xì)菌、放線菌、真菌3大主要微生物類群外, 土壤中還存在個(gè)體大小差異明顯的各式各樣的動(dòng)物區(qū)系。

根據(jù)土壤動(dòng)物個(gè)體大小可以將其劃分為:

(1)微動(dòng)物區(qū)系(<0.1 mm, 如原生動(dòng)物、線蟲等); (2)中型動(dòng)物區(qū)系(0.1–2.0 mm, 如甲螨、原尾蟲等); (3)廣動(dòng)物區(qū)系(>2 mm, 如蚯蚓、白蟻、馬陸等)(Bardgett, 2005b)。

土壤動(dòng)物作為生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)中的重要消費(fèi)者, 在生態(tài)系統(tǒng)中起著重要的作用。土壤動(dòng)物群的生長(zhǎng)、分布與植物根系分泌物關(guān)系密切。有研究表明, 根際土中的原生動(dòng)物數(shù)量明顯高于非根際土中的, 這可能是由于根系分泌物促進(jìn)了土壤細(xì)菌、真菌的生長(zhǎng)繁殖, 從而有利于以細(xì)菌、真菌為食的原生動(dòng)物的生長(zhǎng)(Zwart et al., 1994)。

土壤動(dòng)物區(qū)系除了通過食用植物殘?bào)w碎屑, 捕食細(xì)菌、真菌, 改變土壤微生物區(qū)系, 改善土壤理化性質(zhì)來加速土壤物質(zhì)循環(huán)外, 很多土壤動(dòng)物(如原生動(dòng)物、蚯蚓等)還能分泌一些激素類有機(jī)物來促進(jìn)植物生長(zhǎng)(Canellas et al., 2002)。

當(dāng)然, 土壤中也存在一些危害植物生長(zhǎng)的有害土壤動(dòng)物區(qū)系, 如植物病原線蟲等, 但是某些植物能夠通過釋放特定的根系分泌物來抵御有害動(dòng)物的威脅。Wu等(1999)通過體外發(fā)根-蚜蟲共培試驗(yàn)發(fā)現(xiàn), 在蚜蟲的刺激下, 植物能夠大量分泌一種植物抗毒素——聚乙烯。Bais等(2002b)發(fā)現(xiàn), Oxalistuberosa的根系分泌物中含有一種會(huì)發(fā)熒光的物質(zhì)——β咔巴啉生物堿衍生物, 經(jīng)鑒定, 為駱駝蓬堿(harmine)和駱駝蓬堿二氫(harmaline), 有抗菌殺蟲作用。Larson等(1988)也發(fā)現(xiàn), β咔巴啉生物堿衍生物對(duì)某些細(xì)菌、土壤動(dòng)物具有光毒性。

根際生物學(xué)特性的研究方法

根系分泌物的收集鑒定是探索植物-植物、植物-微生物、植物-昆蟲之間相互作用的基礎(chǔ)。

根系分泌物的研究方法總體上可以概括為: (1)受體植物的培養(yǎng); (2)根系分泌物的收集; (3)根系分泌物生物活性測(cè)試; (4)不同極性溶劑萃取; (5)色譜再分離并進(jìn)行生物活性測(cè)試; (6)活性物質(zhì)定性定量分析。

根系分泌物收集按培養(yǎng)介質(zhì)的不同可以分為水培收集法、土培收集法、基質(zhì)培(蛭石培、砂培等)收集法。根據(jù)原位檢測(cè)與否, 又可分為擾動(dòng)收集和原位收集(如放射性檢測(cè)法)。

根系分泌物的鑒定方法主要有儀器分析法和生物測(cè)試法。儀器分析法,如紫外-可見光譜儀(UV-VIS)、紅外光譜儀(IR)、毛細(xì)管電泳儀(CK)、氣相色譜儀(GC)、液相色譜儀(LC)、離子色譜儀(HPIC)、質(zhì)譜儀(MS)和核磁共振儀(NMR)分析以及色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS、LC-MS)等; 生物測(cè)試法是根據(jù)某些細(xì)菌、真菌和植物幼苗對(duì)分泌物中特定組分的敏感性進(jìn)行定性分析。因此, 可根據(jù)根際特異微生物類群的生物量、活性或群落分布對(duì)根系分泌物進(jìn)行定性或定量研究(賀永華等, 2006)。

微生物群落多樣性是指群落中的微生物種群類型和數(shù)量、種的豐富度和均勻度, 以及種的分布情況。常用多樣性指數(shù)(辛普森多樣性指數(shù)、香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)等)、豐富度指數(shù)、均一度指數(shù)來評(píng)價(jià)某一微生物群落結(jié)構(gòu)及其多樣性變化。

常見的微生物群落結(jié)構(gòu)研究方法主要包括以下兩大類: 基于化學(xué)或生物的方法和基于現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的方法。

基于化學(xué)或生物的方法主要有: (1)傳統(tǒng)的平板計(jì)數(shù)法(plate count method)、(2)熒光染色法(fluorescent staining method)、(3)免疫熒光技術(shù)(immunofluorescence techniques)、(4)群落水平生理學(xué)指紋方法(community level physiological profil-ing, 如Biology微平板分析)、(5)醌指紋法(quinonesprofiling)和(6)磷脂脂肪酸譜圖分析方法(phospho-lipid fatty acid analysis, PLFA)/脂肪酸甲酯譜圖分析方法(fatty acid methyl ester analysis, FAME)。

基于現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的方法主要有: (1)群落水平總DNA分析方法, 如群落總DNA堿基組成百分?jǐn)?shù)分析方法(guanine plus cytosine); (2)基于分子雜交技術(shù)的分子標(biāo)記法, 如熒光原位雜交和微觀放射自顯影集成技術(shù)(MAR-FISH)、同位素標(biāo)記技術(shù)(isotopelabeling techniques)、DNA微陣列技術(shù)(DNA micro-array); (3)基于報(bào)告基因的研究方法, 如微生物報(bào)告基因技術(shù)(microbial bioreporters technology); (4)基于PCR技術(shù)的研究方法, 如隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA技術(shù)(RAPD)、擴(kuò)增片段長(zhǎng)度多態(tài)性技術(shù)(AFLP)、限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性技術(shù)(RFLP)、末端限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性技術(shù)(T-RFLP)、單鏈構(gòu)象多態(tài)性技術(shù)(SSCP)、變性梯度凝膠電泳(DGGE和TGGE)、核糖體基因間區(qū)序列分析技術(shù)(RISA)等; (5)基于DNA或RNA序列測(cè)定的研究方法, 如宏基因組測(cè)序技術(shù)(metagenome sequencing) 、 宏轉(zhuǎn)錄組測(cè)序技術(shù)(metatranscriptome sequencing)等。

僅對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究, 還無法深入探索土壤微生態(tài)系統(tǒng)的功能, 也無法為根系分泌物-土壤-微生物相互作用的復(fù)雜過程和機(jī)制提供有力的直接證據(jù)。

傳統(tǒng)的平板計(jì)數(shù)法和基于DNA的現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)都還存在很大的局限性。傳統(tǒng)可培養(yǎng)方法的不足之處顯而易見, 因?yàn)橥寥乐羞€存在大量的不可培養(yǎng)微生物, 這極大地限制了對(duì)整個(gè)土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能研究。雖然, 基于DNA的現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)(如T-RFLP、DGGE、TGGE、SSCP等)在很大程度上克服了傳統(tǒng)可培養(yǎng)方法的不足, 但是這些技術(shù)本身也存在一些局限性, 原因有兩個(gè): (1)行使功能的生物大分子是蛋白質(zhì), 然而DNA甚至是mRNA與蛋白質(zhì)之間并沒有直接的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,蛋白質(zhì)翻譯后的修飾也無法在這些現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)中得到體現(xiàn); (2)土壤生態(tài)系統(tǒng)是一個(gè)由植物根系、微生物(細(xì)菌、放線菌、真菌)、土壤動(dòng)物群(原生動(dòng)物、中型動(dòng)物區(qū)系、廣動(dòng)物區(qū)系)等組成的復(fù)雜系統(tǒng), 土壤中的生物化學(xué)過程并不只與微生物相關(guān),僅僅利用微生物群落結(jié)構(gòu)研究技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

然而, 土壤蛋白質(zhì)組學(xué)克服了傳統(tǒng)培養(yǎng)方法和基于DNA的現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)的不足之處, 成為現(xiàn)代研究根際生物學(xué)特性不可或缺的技術(shù)手段。

近年來, 隨著土壤蛋白質(zhì)提取方法的不斷優(yōu)化,土壤宏蛋白質(zhì)的提取效率越來越高, 提取的純度也越來越高, 足以進(jìn)行土壤蛋白質(zhì)雙向電泳, 這就為土壤差異宏蛋白質(zhì)組學(xué)研究奠定了基礎(chǔ)。應(yīng)用土壤宏蛋白質(zhì)組學(xué)(soil metaproteomics)方法與技術(shù)研究植物根際生物學(xué)特性及其分子機(jī)理已成為當(dāng)前科學(xué)研究的熱點(diǎn)問題(Pierre-Alain et al., 2007; Wang et al., 2011)。Wang等(2011)利用土壤蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)分析常見作物(水稻、太子參、地黃、甘蔗、煙草)根際生物學(xué)特性發(fā)現(xiàn), 隨機(jī)挑取的189個(gè)土壤蛋白質(zhì)中, 有107個(gè)蛋白質(zhì)來源于植物(56.61%), 有72個(gè)蛋白質(zhì)來源于微生物(39.68%), 有10個(gè)蛋白質(zhì)來源于動(dòng)物(5.29%)。

該研究還通過T-RFLP技術(shù)對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), T-RFLP技術(shù)與土壤蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)既有相似性又有互補(bǔ)性, 二者都無法取代對(duì)方, 而是相互驗(yàn)證。Wu等(2011)進(jìn)一步運(yùn)用本實(shí)驗(yàn)優(yōu)化建立的土壤宏蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對(duì)連作下地黃根際土壤蛋白質(zhì)表達(dá)譜變化進(jìn)行研究, 發(fā)現(xiàn)地黃連作對(duì)來自植物、微生物的土壤蛋白質(zhì)表達(dá)都產(chǎn)生顯著影響, 發(fā)生差異表達(dá)的土壤蛋白質(zhì)涉及能量、氨基酸、核酸代謝、次級(jí)代謝、脅迫防御、信號(hào)傳遞等功能，它們?cè)谥参?微生物的“根際對(duì)話”中發(fā)揮著重要作用。同樣，Lin等（2013）運(yùn)用土壤宏蛋白質(zhì)組學(xué)技術(shù)對(duì)新種植與宿根甘蔗根際土壤的宏蛋白表達(dá)譜變化進(jìn)行分析，也發(fā)現(xiàn)了很多介導(dǎo)植物-微生物根際對(duì)話的關(guān)鍵土壤蛋白。

展 望

近年來, 根際生物學(xué)特性的研究不論是在研究方法與技術(shù)上, 還是在研究成果轉(zhuǎn)化和生產(chǎn)實(shí)踐指導(dǎo)上都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是, 根際生物學(xué)特性的研究還需要從以下幾方面進(jìn)行突破: 

近年來, 生物傳感器的問世在很大程度上促進(jìn)了根系分泌物研究的發(fā)展, 如各種酚酸生物傳感器的出現(xiàn)給農(nóng)業(yè)科學(xué)與環(huán)境科學(xué)工作者提供了極大的便利(Soloducho & Cabaj, 2013)。

雖然PTI和ETI在植物天然免疫性中的作用已被認(rèn)知, 但參與PTI及ETI信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的許多信號(hào)分子及蛋白組分仍未明確, 需要進(jìn)一步確認(rèn)。

比如, 將來自耐旱或喜熱植物中的內(nèi)生真菌與其他植物進(jìn)行共培, 可顯著提高其他植物的耐旱性和耐熱性, 但是內(nèi)生真菌如何激活啟動(dòng)植物體內(nèi)相關(guān)代謝途徑以降低水分消耗和促進(jìn)植物生長(zhǎng)尚不清楚, 有待進(jìn)一步研究。

在自然界中, 存在很多具有群體效應(yīng)的有益或有害微生物, 如很多的植物病原菌都存在群體效應(yīng), 調(diào)控著病原菌在宿主根際的定殖過程及其對(duì)宿主的致病性, 通過深入研究這些植物病原菌的群體效應(yīng)機(jī)制及其與宿主的互作過程, 可以幫助建立合理的農(nóng)藝措施或通過轉(zhuǎn)基因方法來控制這些具有群體效應(yīng)的病原菌爆發(fā)成災(zāi)(von Bodman et al., 2003)。

當(dāng)然, 通過對(duì)這些具有群體效應(yīng)的有益菌的深入研究, 也可為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù), 本研究團(tuán)隊(duì)目前也在積極探索化感水稻根際中有關(guān)群體效應(yīng)菌群(如黏細(xì)菌)在化感水稻抑制雜草過程中的作用, 但對(duì)于黏細(xì)菌與水稻根系分泌物的互作關(guān)系以及根系分泌物對(duì)黏細(xì)菌群體效應(yīng)啟動(dòng)的研究還處于初步探索階段。

Lanfranco 和 Young

基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金(2012CB126309、U1205021和81303170)和福建農(nóng)林大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文資助基金(324-1122yb005)。