根系分泌物介導(dǎo)植物抗逆性研究進(jìn)展與展望*

毛夢(mèng)雪,朱 峰

在自然界中,植物根系在生長過程中不斷被動(dòng)或主動(dòng)地向根際釋放多種生物化學(xué)物質(zhì),這些化合物被稱為根系分泌物[1]。根系分泌物包括低分子量的初級(jí)代謝產(chǎn)物(如糖和氨基酸)、次級(jí)代謝產(chǎn)物(如類黃酮)以及高分子量化合物(如黏液和蛋白質(zhì))[2]。當(dāng)土壤溶液和根細(xì)胞之間存在滲透性差異時(shí),植物根系會(huì)通過擴(kuò)散滲出低分子化合物、運(yùn)用離子通道分泌碳水化合物以及利用囊泡轉(zhuǎn)運(yùn)高分子化合物等方式被動(dòng)分泌根系分泌物[1]。同時(shí),植物也可以根據(jù)其自身營養(yǎng)狀況,通過控制有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)的合成和利用過程或者通過表達(dá)和調(diào)節(jié)外流載體的方式主動(dòng)分泌根系分泌物[3]。根系分泌物的種類和數(shù)量受多種因素影響和制約,包括植物種類、基因型、生長發(fā)育階段以及逆境脅迫、養(yǎng)分或水分的有效性、土壤鹽分或溫度等生物、非生物條件會(huì)改變根系分泌物的組成,而根系分泌物也可以誘導(dǎo)植物與根際生物群(包括細(xì)菌、真菌、線蟲以及昆蟲)之間產(chǎn)生正向或負(fù)向的相互作用[4-7]?？傊?根系分泌物是植物根系與土壤之間進(jìn)行信息交流和能量傳遞的主要媒介,在調(diào)節(jié)與獲取營養(yǎng)物質(zhì)、吸引或排斥某些微生物物種以及緩解環(huán)境脅迫中起著關(guān)鍵作用[8-9]。

在整個(gè)生命周期中,植物受到許多不同的生物與非生物脅迫挑戰(zhàn),對(duì)其關(guān)鍵生理過程和生化機(jī)制產(chǎn)生不利影響,導(dǎo)致全球農(nóng)作物產(chǎn)量的嚴(yán)重?fù)p失。植物根系的分泌作用是其適應(yīng)脅迫環(huán)境的一種重要方式,植物通過分泌不同的生物活性化合物不斷地響應(yīng)和改變其周圍環(huán)境,防止病原微生物或無脊椎動(dòng)物對(duì)根際產(chǎn)生負(fù)面作用,并促進(jìn)有益微生物與根際共生等積極的相互作用,因此研究根系分泌物介導(dǎo)植物主動(dòng)適應(yīng)和抵御各種不良環(huán)境意義重大[10-11]。由于研究方法的局限性及根-土相互作用,許多根系信號(hào)及其產(chǎn)生過程的內(nèi)在機(jī)制仍有待進(jìn)一步研究[3]。本文就生物與非生物脅迫對(duì)植物根系分泌物組成和含量的影響以及根系分泌物與植物根際微域的相互作用等進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié),以期了解環(huán)境刺激下根系分泌物介導(dǎo)植物抗逆性的機(jī)制和影響,為進(jìn)一步了解植物根系-土壤界面進(jìn)行的生理生化過程及其調(diào)控機(jī)制,認(rèn)識(shí)土壤生態(tài)系統(tǒng)功能以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)性提供參考。

1 環(huán)境脅迫改變根系分泌物組成和數(shù)量

1.1 生物脅迫改變植物根系分泌物

生物脅迫是指對(duì)植物生存與發(fā)育不利的各種生物因素,如病害、蟲害、雜草危害等。生物脅迫下植物啟動(dòng)各種各樣的化學(xué)防御機(jī)制,使得代謝產(chǎn)物發(fā)生顯著變化。昆蟲侵害植物地上組織會(huì)改變植物根系分泌物的組成和數(shù)量。研究發(fā)現(xiàn)甘藍(lán)夜蛾(Mamestra brassicae)取食新疆千里光(Senecio jacobaea)葉片后,降低了其根系中生物堿的含量[12]。桃蚜(Myzus persicae)侵染馬鈴薯(Solanum tuberosum)植株后影響了其根系分泌物的組成,并且使葡萄糖和果糖含量降低[13]。此外,地上食草動(dòng)物誘導(dǎo)的根系間接防御化合物的變化還可以進(jìn)一步改變土壤微生物群落的組成[14]。如草地貪夜蛾(Spodoptera frugiperda)侵染玉米(Zae mays)葉片會(huì)誘導(dǎo)玉米根際分泌苯并惡嗪類化合物,從而改變了土壤微生物群落組成[15]。然而,也有部分研究表明與地下部食草動(dòng)物取食相比,地上生物侵染對(duì)植物地下部直接防御的影響不明顯,如具條叩甲(Agriotes lineatus)取食草棉(Gossypium herbaceum)根部后,根組織產(chǎn)生了高水平的萜類和醛類化合物,而甜菜夜蛾(Spodoptera exigua)取食草棉葉片后,沒有對(duì)草棉根部的代謝產(chǎn)物產(chǎn)生影響[16]。研究結(jié)果的不一致可能與植物品種有關(guān)。大多數(shù)可誘導(dǎo)產(chǎn)生的防御性化合物在食草動(dòng)物或病原體攻擊后含量增加[17]。如玉米根葉甲(Diabrotica virgifera)侵染玉米后,玉米冠根分泌了大量的綠原酸以及茉莉酸誘導(dǎo)的1,4-苯并惡嗪-3-酮化合物,這兩種化合物均與玉米抗性有關(guān)[18]。昆蟲侵染會(huì)導(dǎo)致植物根系分泌物中產(chǎn)生揮發(fā)性化合物。如玉米根葉甲取食玉米會(huì)誘導(dǎo)玉米根系分泌積累(E)-β-石竹烯,吸引昆蟲病原線蟲[19]。根象甲幼蟲(Diaprepes abbreviatus)侵染柑橘(Citrus reticulata)后,誘導(dǎo)柑橘根系釋放了4種主要的萜類揮發(fā)物,吸引昆蟲病原線蟲(Steinernema diaprepesi)[20]。此外,生物脅迫還可以改變植物激素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過程。桃蚜對(duì)辣椒(Capsicum annuum)的攻擊通過水楊酸和茉莉酸信號(hào)傳導(dǎo),調(diào)節(jié)植物地下組織防御反應(yīng),增加了有益枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)的數(shù)量[21]。類似的研究發(fā)現(xiàn),煙粉虱(Bemisia tabaci)侵染接種根癌農(nóng)桿菌(Agrobacterium tumefaciens)的煙草(Nicotiana benthamiana)后,植物根系分泌物中水楊酸濃度顯著增加,參與了植物對(duì)農(nóng)桿菌的防御[22]。以上研究表明生物脅迫誘導(dǎo)植物根系分泌了大量的防御性化合物,通過幫助植物募集有益微生物或吸引昆蟲天敵,提高植物抗性。到目前為止,關(guān)于植食性昆蟲對(duì)植物某一組織的取食如何影響其他組織的植物防御研究還較少,現(xiàn)有的研究證據(jù)還不足以揭示地上植食性昆蟲取食對(duì)植物根系防御水平的影響機(jī)制,后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)相關(guān)研究的開展。

1.2 土壤微生物活動(dòng)改變植物根系分泌物

眾所周知,根系分泌物與微生物多樣性之間存在密切關(guān)系,兩者相互作用、相互影響[23]。微生物侵染會(huì)引起植物根系分泌物組成的變化,如擬南芥(Arabidopsis thaliana)受到番茄紫丁香假單胞菌(Pseudomonas syringaepvtomato)侵染時(shí),根系分泌物中的氨基酸、核苷酸和長鏈有機(jī)酸分泌量顯著增加,糖、醇和短鏈有機(jī)酸分泌量顯著降低[24]。研究發(fā)現(xiàn)根際微生物通過改變根際營養(yǎng)狀況使植物內(nèi)部的生理生化過程發(fā)生變化,進(jìn)而影響根系分泌物的種類和數(shù)量[3]。如常見的土壤微生物假單胞菌(Pseudomonasspp.)釋放的次生代謝化合物2,4-二乙酰氯葡萄糖醇與鐮刀菌(Fusariumspp.)釋放的玉米赤霉烯酮,通過競爭性吸收氨基酸以獲得植物碳資源,顯著增強(qiáng)了紫花苜蓿(Medicago sativa)、蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)、玉米和小麥(Triticum aestivum)根系中氨基酸的分泌[25]。此外,微生物還能分解代謝植物根系分泌的化合物,改變植物根系分泌物模式。Ozan等[26]通過向石英砂和砂土等量混合的土壤中添加鷹嘴豆芽素A和芒柄花黃素兩種異黃酮類化合物,把玉米分別種植在高壓滅菌和不滅菌的土壤中,15 d后發(fā)現(xiàn)未滅菌土壤中異黃酮含量呈時(shí)間依賴性下降,并且鷹嘴豆芽素A的消失速度比芒柄花黃素快,表明土壤微生物種群能夠代謝異黃酮。菜豆(Phaseolus vulgaris)根際存在的巴氏黃桿菌(Chryseobacterium balustinum)改變了菜豆根系黃酮類化合物的種類,接種了巴氏黃桿菌的菜豆根系分泌物中產(chǎn)生了芹菜素,而槲皮素和異甘草素沒有被分泌,這可能是由于巴氏黃桿菌誘導(dǎo)了新的黃酮類化合物的生物合成途徑,也可能是因?yàn)榘褪宵S桿菌通過促進(jìn)植物生長從而增加了菜豆根表面積,又或者是由于巴氏黃桿菌分解代謝了菜豆分泌的黃酮類化合物[27]。綜上所述,土壤微生物通過改變根際營養(yǎng)狀況、分解代謝根系分泌物等方式引起植物根系分泌物種類和數(shù)量的變化,改變植物的根系分泌物模式,為植物和土壤微生物之間的反饋創(chuàng)造了可能性。植物代謝產(chǎn)物的分泌和植物-微生物的相互作用在植物養(yǎng)分吸收和群落動(dòng)態(tài)中起著關(guān)鍵作用,理解其作用機(jī)理對(duì)于建立營養(yǎng)效率更高的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要,然而目前根系分泌物與微生物在何種程度上相互影響尚不清楚,后續(xù)還需要做進(jìn)一步研究。

1.3 非生物脅迫改變植物根系分泌物

不利于植物生存和生長發(fā)育甚至導(dǎo)致傷害、破壞和死亡的非生物的環(huán)境條件為非生物脅迫,包括低溫、高溫、干旱、鹽分等。根系分泌物通常是植物為應(yīng)對(duì)脅迫環(huán)境而產(chǎn)生的,非生物脅迫下根系分泌物組成和數(shù)量一般都明顯增多,非生物因素對(duì)植物根系分泌物含量的影響會(huì)隨著植物狀態(tài)的變化而改變。通過研究干旱、水分脅迫、低K+以及高NH4+/NO3-比率對(duì)扁穗冰草(Agropyron cristatum)根系分泌物數(shù)量和組成的影響,發(fā)現(xiàn)只有在干旱處理下根系分泌物中的有機(jī)酸濃度顯著升高,其中蘋果酸是主要分泌的有機(jī)酸,在所有處理下的分泌物中都檢測(cè)到了反丁烯二酸、丙二酸、琥珀酸和草酸,并且根系分泌物成分會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化,可能是其應(yīng)對(duì)植物生長時(shí)間或脅迫增加產(chǎn)生的反應(yīng)[28]。在鹽分和其他非生物脅迫下,耐性強(qiáng)的植物產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物中多酚化合物的合成和積累通常被誘導(dǎo),這與酚類化合物有較強(qiáng)抗氧化活性有關(guān)[29]。如在中度鹽水灌溉下,成熟狀態(tài)的辣椒總酚含量增加[30]。在水分脅迫下,巴西貫葉連翹(Hypericum brasiliense)中的酚類化合物含量明顯增加[31]。非生物脅迫還會(huì)影響植物根系分泌物中的氨基酸和激素含量。如對(duì)鹽和高溫脅迫等非生物脅迫耐受的植物分泌物中脯氨酸的濃度較高,并且植物激素水楊酸、吲哚乙酸、脫落酸和茉莉酸的根系分泌物普遍增加[5,32-33]。同時(shí),不同的脅迫條件會(huì)在數(shù)量和質(zhì)量上顯著地改變植物根分泌模式。在低或中等鹽度水平下荊芥(Schizonepeta tenuifolia)中的抗氧化劑包括酚類化合物和黃酮類化合物的積累增強(qiáng),但在重鹽度水平時(shí)則下降[34]。光照強(qiáng)度通過影響植物光合作用的變化進(jìn)一步影響根系分泌物的種類及含量。如歐洲榿木(Alnus glutinosa)在16 h光周期的環(huán)境下生長5 d后,根系分泌物中的黃酮類化合物(槲皮素和山奈酚)含量大幅度增加[35]。此外,營養(yǎng)缺乏也會(huì)調(diào)節(jié)根系分泌過程,促進(jìn)有利于植物根系吸收養(yǎng)分的代謝物的分泌[36]。這些研究表明,非生物脅迫主要通過影響植物的生理變化改變了植物根系分泌物的組成和含量,增加了有機(jī)酸、氨基酸、酚類以及黃酮類等化合物的分泌。

上述研究大多是在單一脅迫條件下進(jìn)行的,在自然生境中,植物通常會(huì)受到更復(fù)雜的脅迫因子組合的影響。鹽、干旱、高濃度CO2、極端溫度等不同脅迫條件的組合在世界許多農(nóng)業(yè)地區(qū)都很常見,嚴(yán)重影響了作物的生產(chǎn)力。研究發(fā)現(xiàn)在正常溫度下,高濃度CO2促進(jìn)苜蓿生長,促進(jìn)生物固氮,從而提高了葉片氨基酸含量,而高溫抑制了高濃度CO2效應(yīng),使葉片氨基酸濃度降低[37]。此外,通過研究CO2含量、干旱以及培育品種對(duì)大麥(Hordeum vulgare)根系分泌物組成的影響,發(fā)現(xiàn)CO2對(duì)大麥根系分泌物組成的影響大于干旱和培育品種因素的影響,干旱對(duì)大麥根系分泌物的影響會(huì)被大氣CO2含量的變化所改變,在低水分、環(huán)境CO2和高CO2濃度條件下,大麥分別分泌出較低和較高的葡萄糖[6]。這些研究表明不同脅迫組合之間存在交互作用,這種作用會(huì)改變植物的根系分泌模式。目前有關(guān)多重脅迫對(duì)植物釋放根系分泌物影響的研究較少,未來還需要更多地探究植物有效防御多種環(huán)境因素時(shí),根系中特殊化合物的存在和作用方式,獲得脅迫下植物響應(yīng)方式的現(xiàn)實(shí)見解。

2 根系分泌物介導(dǎo)植物抗性的作用機(jī)制

2.1 根系分泌物介導(dǎo)植物防御生物脅迫

植物在自然環(huán)境中經(jīng)常會(huì)受到各種病原微生物和食植動(dòng)物的侵害,包括病原真菌、卵菌、細(xì)菌、病毒、線蟲和食根節(jié)肢動(dòng)物等,這些生物棲息在根際[1],它們的生存依賴于自養(yǎng)植物所固定的能量,因此會(huì)想盡一切辦法利用植物作為食物來源。而植物作為固著的生物,不可能逃脫其他生物的攻擊,因此它們必須采取其他策略來保護(hù)自己。為了抵抗感染并使植物組織具有特異性抗性,植物向根際釋放多種生物活性化合物,包括生物堿、萜類、蛋白酶抑制劑等[38],通過直接和間接的化學(xué)防御來抵御食草動(dòng)物侵害。有毒的植物化學(xué)物質(zhì)直接作用于食草動(dòng)物,另一些有機(jī)化合物通過吸引其他營養(yǎng)水平生物體(植食性昆蟲的天敵)起到間接防御作用[39]。因此,通常在受到食草動(dòng)物攻擊后植物釋放的化合物濃度增加。如研究發(fā)現(xiàn)抗薊馬苜蓿品種和感薊馬苜蓿品種均可通過調(diào)節(jié)水楊酸和類黃酮生物合成途徑中的基因表達(dá),誘導(dǎo)防御基因和蛋白(如多酚氧化酶、蛋白酶抑制劑)的表達(dá),提高植物的防御能力[40]。

由于許多誘導(dǎo)防御并不局限于攻擊部位,而是誘導(dǎo)整個(gè)植物的系統(tǒng)防御,所以地上部取食可以改變根系防御水平。植物可以通過誘導(dǎo)防御化合物的合成和積累調(diào)控對(duì)地上植食性昆蟲的抗性,如甘藍(lán)夜蛾取食千里光葉片后,千里光根系產(chǎn)生組成性防御化合物吡咯烷生物堿,保護(hù)根系抵抗植食性昆蟲[12]。小麥和大豆(Glycine max)植株通過誘導(dǎo)積累某些苯并噁嗪類和黃酮類化合物調(diào)控其對(duì)蚜蟲的系統(tǒng)抗性[41]。然而,目前關(guān)于根系分泌物介導(dǎo)植物防御地上植食性昆蟲的內(nèi)在作用機(jī)制尚不清晰。地下植食性昆蟲取食植物根部后,會(huì)誘導(dǎo)植物根系釋放化學(xué)物質(zhì),吸引昆蟲病原線蟲向氣味源方向移動(dòng),通過間接防御保護(hù)植物根系免受幼蟲侵害[14]。例如,針葉植物北美香柏(Thuja occidentalis)的根在受到葡萄黑耳喙象(Otiorhynchus sulcatus)攻擊時(shí)會(huì)釋放化學(xué)物質(zhì)吸引寄生線蟲異小桿線蟲(Heterorhabditis megidis)[42]。這些化學(xué)物質(zhì)大多屬于揮發(fā)性物質(zhì),它們可以顯著提高植物抵御植食性昆蟲的能力。如玉米根系釋放的半萜類化合物(E)-β-石竹烯強(qiáng)烈吸引線蟲向根系移動(dòng),應(yīng)對(duì)玉米根葉甲對(duì)玉米根系的取食[19]。田間試驗(yàn)表明,在產(chǎn)生植物地下信號(hào)的玉米品種上,玉米根葉甲幼蟲的線蟲感染率比不產(chǎn)生植物信號(hào)的品種高5倍,而在后一個(gè)品種附近的土壤中添加(E)-β-石竹烯,則可使根葉甲成蟲的羽化率降低到一半以下[19]。除了間接防御,植物還可以通過釋放根系分泌物直接防御植食性昆蟲,提高植物抗蟲性。如研究發(fā)現(xiàn)食根幼蟲利用鐵和苯并惡嗪類次生代謝物之間的復(fù)合物把玉米識(shí)別為寄主,在玉米根系內(nèi)覓食并促進(jìn)其生長,同時(shí)玉米植株又使用同樣的苯并惡嗪類化合物來保護(hù)植物免受多食性食草動(dòng)物的侵害,并吸收鐵,這一過程形成了玉米和專食性昆蟲之間的相互作用[43]。綜上所述,由植物根系分泌物介導(dǎo)的植物防御植食性昆蟲主要通過直接防御(改變防御化合物濃度)和間接防御(吸引天敵)抵抗植食性昆蟲侵害(圖1B和D)。但是目前關(guān)于植物對(duì)地下植食性昆蟲的間接防御過程主要是針對(duì)根系釋放的揮發(fā)性化合物,而揮發(fā)性化合物是否屬于根系分泌物目前還沒有明確界定。其次,大部分研究認(rèn)為是植物釋放的揮發(fā)性物質(zhì)吸引了昆蟲天敵,對(duì)于根系分泌的黏液所攜帶的物質(zhì)中是否存在可溶性揮發(fā)物,是否也參與了植物-昆蟲互作機(jī)制,尚不清楚,后續(xù)可以針對(duì)根系分泌的非揮發(fā)性物質(zhì)是否對(duì)植食性昆蟲天敵具有吸引作用開展研究。

越來越多的證據(jù)表明,根系分泌物啟動(dòng)和調(diào)節(jié)植物根系與土壤微生物之間的對(duì)話[10],在建立植物與微生物益生關(guān)系的過程中具有重要作用。微生物可以誘導(dǎo)植物分泌提高自身抗性的化合物,幫助植物抵抗植食性昆蟲侵害。如在熒光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens)菌株SS101誘導(dǎo)擬南芥對(duì)番茄紫丁香假單胞菌DC3000和甜菜夜蛾抗性反應(yīng)中,植物分泌的植保素和芥子苷顯著提高了植物抗性,并且擬南芥對(duì)番茄紫丁香假單胞菌的抗性反應(yīng)依賴于水楊酸信號(hào)[44]。同時(shí),根系分泌物對(duì)植物促生菌生長有重要作用,植物可以通過釋放特定的根系分泌物促進(jìn)促生菌的定殖,發(fā)揮激發(fā)植物的作用[33]。此外,根分泌物作為植物-微生物-土壤體系的信息物質(zhì),可以改變土壤微生物群落的組成。研究發(fā)現(xiàn)擬南芥的根系分泌物中存在的植物化學(xué)物質(zhì)的天然混合物(糖、糖醇、氨基酸和酚類)可以調(diào)節(jié)土壤微生物群,不同種類的化合物對(duì)土壤微生物組成有不同程度的影響[45]。而被改變的根際微生物群落反過來又可以通過改變根系分泌物的組成和數(shù)量,增強(qiáng)植物對(duì)各種病原體和昆蟲的防御[46-47]。如甜菜夜蛾取食玉米后,玉米根系釋放的防御性次生代謝產(chǎn)物苯并噁嗪類化合物,通過調(diào)節(jié)土壤,改變了根際相關(guān)真菌和細(xì)菌群落,這些變化增加了茉莉酸信號(hào)和植物的葉片防御能力,抑制了甜菜夜蛾的生長,降低了植物生長,并且決定了下一代植物微生物群的形成,抑制了取食下一代植物的昆蟲生長[15]。此外,植物可以通過主動(dòng)分泌化合物吸引和募集有益微生物,塑造根際微生物群落,抵御生長過程中遭遇的逆境脅迫,促進(jìn)自身發(fā)展[45,48](圖1C)。Yuan等[24]在同一個(gè)土壤中種植了多代(5代)葉片上接種了番茄紫丁香假單胞菌的擬南芥,通過病原菌地上部的侵染,調(diào)節(jié)地下部的土壤記憶,通過測(cè)定下一代(第6代)根際微生物群落組成以及植物生長在病原菌條件土壤與對(duì)照條件土壤(種植的5代擬南芥葉片注射消毒水)中的表現(xiàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)擬南芥受到番茄紫丁香假單胞菌的侵染時(shí),植株分泌物模式發(fā)生改變,長鏈有機(jī)酸和氨基酸的根系分泌物增加,茉莉酸水平提高,根系分泌物的這些變化幫助植物募集有益根際微生物群落,提高了植物對(duì)病原菌抗性,并為下一代植物帶來益處。在番茄(Lycopersicon esculentum)植株中,灰霉菌(Botrytis cinerea)懸浮液誘導(dǎo)根系生物活性分子的產(chǎn)生和釋放,從而增加對(duì)有益土壤微生物哈茨木霉(Trichoderma harzianum)的化學(xué)吸引作用,幫助番茄抵抗生物脅迫[8]。其中,酚類化合物作為土壤中一大類微生物的特異底物或信號(hào)分子,能有效地吸引土壤微生物,在植物與根際微生物的交流中發(fā)揮關(guān)鍵作用[45]。如黃秋葵(Abelmoschus esculentus)根系分泌物中的酚類物質(zhì)不僅能吸引內(nèi)生的糞產(chǎn)堿菌(Alcaligenes faecalis),而且能促進(jìn)其在寄主根表面的定殖,這些微生物在定殖后,通過使植物根系分泌物中的酚類物質(zhì)和防御性酶上調(diào),進(jìn)一步改善了寄主的內(nèi)在防御機(jī)制,增強(qiáng)了植物抵抗任何形式病原體攻擊的能力[49]。葉面病原菌番茄紫丁香假單胞菌誘導(dǎo)了擬南芥根系中的三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物L(fēng)-蘋果酸的分泌,使植物可以募集有益的枯草芽孢桿菌FB17,與病原體拮抗[50]。這些研究表明,植物根系分泌物通過改變根際微生物群落或募集有益微生物,間接防御病原體或植食性昆蟲侵害。

面對(duì)生物脅迫時(shí),植物還可以通過水楊酸、茉莉酸、乙烯和其他各種揮發(fā)性化合物等信號(hào)分子介導(dǎo)的內(nèi)部和外部機(jī)制來協(xié)調(diào)防御機(jī)制。在辣椒中,煙粉虱侵染葉片誘導(dǎo)了植物根系中的水楊酸、茉莉酸和乙烯信號(hào),調(diào)控了地下微生物群的組成,增加了與根相關(guān)的革蘭氏陽性細(xì)菌和真菌的數(shù)量,增強(qiáng)了對(duì)葉片病原菌斑點(diǎn)病原菌(Xanthomonas axonopodispv.vesicatoria)、土傳病原菌青枯菌(Ralstonia solanacearum)的抗性[51]。紫花苜蓿通過改變與水楊酸合成相關(guān)的苯丙酸生物合成,及茉莉酸和類黃酮生物合成相關(guān)的亞油酸代謝途徑,提高苜蓿對(duì)苜蓿斑蚜(Therioaphis trifolii)抗性[52]。綜上所述,根系分泌物通過直接作用、提高植食性昆蟲天敵的有效性以及與土壤微生物互作來介導(dǎo)植物對(duì)生物脅迫的防御。近年來,植物根系分泌物混合物的調(diào)控過程和誘導(dǎo)變化的研究取得了很大進(jìn)展,證明了植物地下防御系統(tǒng)的復(fù)雜性和準(zhǔn)確性[1]。根系分泌物在介導(dǎo)植物-微生物互作過程中發(fā)揮重要作用,但其具體機(jī)制還知之甚少,未來有望結(jié)合蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等多組學(xué)方法進(jìn)一步揭示植物根際的奧秘。

2.2 根系分泌物介導(dǎo)植物防御非生物脅迫

土壤鹽漬化、干旱及高溫脅迫等非生物脅迫是限制農(nóng)作物產(chǎn)量,威脅糧食安全的主要環(huán)境因子,植物發(fā)展出各種各樣的策略來抵抗這些非生物脅迫。植物根系分泌物調(diào)控植物適應(yīng)非生物脅迫是一個(gè)復(fù)雜的過程,涉及一系列滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的合成和積累[53]。脯氨酸作為一種滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)和信號(hào)分子,主要通過維持滲透調(diào)節(jié)、活性氧清除、調(diào)節(jié)抗氧化代謝產(chǎn)物和抗氧化防御系統(tǒng)主要酶組分來提高植物耐受性,脯氨酸的積累是植物應(yīng)對(duì)鹽脅迫和干旱脅迫的重要適應(yīng)機(jī)制之一[54]。如高粱(Sorghum bicolor)通過積累脯氨酸提高水分利用效率和保護(hù)抗氧化活性以緩解鹽脅迫[9]。在熱、低溫和UV-B輻射等其他多種非生物脅迫下,植物體內(nèi)脯氨酸水平升高也有報(bào)道[5]。除了氨基酸,蔗糖對(duì)植物的非生物脅迫反應(yīng)也有重要作用,可以作為滲透保護(hù)劑直接提高植物耐受性[55],也可以通過與激素系統(tǒng)的相互作用間接提高植物耐受性[56]。葡萄糖和果糖也通過在葉和根的滲透調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用,特別是在鹽脅迫下,增強(qiáng)植物耐受性[57]。此外,非生物脅迫下植物細(xì)胞氧化損傷的程度是由抗氧化能力控制的,耐鹽性有利于提高抗氧化能力,維持細(xì)胞的氧化還原狀態(tài)。谷胱甘肽作為一種強(qiáng)大的抗氧化劑,是植物提高氧化能力,應(yīng)對(duì)非生物脅迫的一種重要代謝物[58]。研究發(fā)現(xiàn)在高濃度NaCl下添加脯氨酸和谷胱甘肽成功地緩解了鹽脅迫對(duì)水稻(Oryza sativa)莖尖生長的影響[59]。酚類化合物也會(huì)通過直接影響抗氧化活性提高植物耐鹽性。以上研究表明,植物通過釋放具有滲透調(diào)節(jié)功能及抗氧化能力的根系分泌物來抵抗非生物脅迫,包括氨基酸、糖類、肽類以及酚類化合物(圖1A)。

越來越多的研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物是植物-植物間重要的信號(hào)物質(zhì),其中乙烯、水楊酸、茉莉酸等作為植物根際有效的信號(hào)物質(zhì),能夠在植物-植物互作中進(jìn)行信息傳遞,激發(fā)種內(nèi)和種間特異性的地下響應(yīng)[60]。植物激素可以調(diào)節(jié)植物適應(yīng)不利環(huán)境,提高植物脅迫耐受性[61]。如鹽脅迫下一種依賴脫落酸的方式,使番茄被辣椒疫霉菌(Phytophthora capsici)侵染后容易感染根腐病和冠腐病,水楊酸和茉莉酸則可以抵抗這種作用,提高番茄抗性[62]。紫花苜蓿通過改變與水楊酸合成相關(guān)的苯丙酸生物合成以及與茉莉酸和類黃酮生物合成相關(guān)的亞油酸代謝途徑,提高抗性[52]。此外,有研究表明植物激素與脯氨酸的協(xié)同作用可以提高植物的抗逆性,促進(jìn)促生菌的定殖,激發(fā)植物生長效益[63]。如通過研究鹽脅迫和熱脅迫下,抗熱鹽敏感柑橘品種‘卡里佐枳橙’(Carrizo citrange)和耐鹽熱敏感柑橘品種‘大葉柑橘’(Citrus macrophylla)對(duì)惡臭假單胞菌(Pseudomonas putida)KT2440和新鞘氨醇桿菌(Novosphingobium)HR1a的影響,發(fā)現(xiàn)對(duì)每種特定脅迫有抗性的基因型的根系分泌物中含有更多的脯氨酸和水楊酸。鹽脅迫下耐鹽品種‘大葉柑橘’根系分泌物誘導(dǎo)細(xì)菌生長的速率高于鹽敏感品種‘卡里佐枳橙’。熱脅迫下熱敏感品種‘大葉柑橘’植物根系分泌物促進(jìn)細(xì)菌的生長比抗熱品種‘卡里佐枳橙’更為明顯,表明柑橘根系分泌物的存在增強(qiáng)了兩種根際細(xì)菌的活性,使其作為植物脅迫的生物傳感器[33]。綜上所述,在非生物脅迫下,植物根系分泌物與植物激素協(xié)同作用,提高根際微生物活性,改善植物生長和提高植物脅迫耐受水平。

3 結(jié)論和展望

水培混合系統(tǒng)以及將根盒與根系分泌物收集工具(SOIL-REC)結(jié)合使用的創(chuàng)新方法[64-65]。而基于土壤的滲出物取樣方法結(jié)合代謝組學(xué)分析是目前闡明驅(qū)動(dòng)植物-微生物-土壤相互作用和根際格局的有效方法。此外,目前有關(guān)脅迫條件下植物的調(diào)控機(jī)制研究大部分只針對(duì)單一脅迫條件,而植物在自然生境中通常會(huì)同時(shí)受到多重脅迫因子的組合影響,因此后續(xù)還應(yīng)進(jìn)一步探索多重脅迫對(duì)植物的影響。最后,應(yīng)基于多組學(xué)結(jié)合的方法,如(宏)基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué),研究根系分泌物-微生物相互作用及其相關(guān)機(jī)制,從而促進(jìn)植物在惡劣環(huán)境中的適應(yīng)能力。

自然界中,生物和非生物脅迫往往對(duì)植物的生長與生產(chǎn)力帶來負(fù)面影響,而根系分泌物對(duì)于提高植物環(huán)境適應(yīng)能力和抵御各種不良環(huán)境具有重要意義。在逆境中,植物會(huì)通過改變根系分泌物組成和含量保護(hù)自身免受侵害。根系分泌物介導(dǎo)植物防御生物脅迫時(shí),主要通過植物根系釋放有毒化學(xué)物質(zhì)直接防御、特殊的揮發(fā)性化合物(萜類、苯并噁嗪類化合物)吸引植食性昆蟲天敵以及與微生物互作(氨基酸、有機(jī)酸、酚類化合物)間接防御的方式提高植物抗性,保護(hù)植物免受侵害。根系分泌物介導(dǎo)植物防御非生物脅迫時(shí),主要通過植物釋放具有滲透調(diào)節(jié)和抗氧化能力的根系分泌物(氨基酸、糖類、肽類以及酚類化合物)以及與植物激素信號(hào)協(xié)同作用的方式(氨基酸類化合物)以提高抗逆性。后續(xù)研究生物與非生物脅迫下植物根系分泌物的作用時(shí),可以針對(duì)脅迫類型優(yōu)先選擇相應(yīng)化合物測(cè)定和分析。根系作為植物個(gè)體與微生態(tài)環(huán)境相互作用的直接載體,研究根系分泌物對(duì)于明確和協(xié)調(diào)植物和環(huán)境之間的關(guān)系有很大的理論和實(shí)踐意義。

當(dāng)今分析技術(shù)的快速發(fā)展使我們能夠更好地識(shí)別根系分泌物的廣泛多樣性,然而目前根系分泌物的研究主要是基于水培系統(tǒng)中生長和取樣的植物,如何將人工條件與土壤環(huán)境下獲得的根系滲出結(jié)果進(jìn)行比較,尤其在滲出物驅(qū)動(dòng)的根際過程中,仍然是一個(gè)問題。其次,由于受到土壤中微生物消耗、土壤吸附以及有機(jī)質(zhì)分解等影響,在真實(shí)的土壤環(huán)境中幾乎不可能收集到純凈的根系分泌物,土壤中根系分泌物的定量和定性測(cè)量存在許多問題,從土壤植物中提取根系分泌物的最佳方法尚不清楚,目前基于土壤的根系分泌物取樣較合理的方法有土壤