根系分泌物介導的根際效應及在水體生態修復中的應用潛力

王會會 李前正 王 川 周巧紅 吳振斌

(1. 中國科學院水生生物研究所淡水生態和生物技術國家重點實驗室, 武漢 430072; 2. 中國科學院大學, 北京 100049)

早在200多年前, 人們已經展開對植物根系分泌物的有關研究。1768年, Syrennius發現根系可以分泌某種物質; 1795年和1830年, Plenk和Decardolle均觀察到根系分泌物會促進或抑制鄰近植株的生長[1]; 到1904年, “根際”的概念被德國微生物學家Hiltner提出, 且廣泛應用于多種學科的研究, 包括微生物學、土壤學等[2]。根際是指受植物根系活動的影響, 在物理、化學和生物學性質上與原土體不同的微域環境, 是植物與土壤進行物質交換的重要場所, 同時是聚集微生物的一個區域。根系分泌物在保持根際生態系統活力及根際微生態系統中物質遷移和調控方面發揮重要作用[3]。目前根系分泌物研究的對象植物大多是陸生植物, 根系分泌物介導下的植物-微生物-土壤的相互作用關系研究, 對于指導農業生產、林地保護和植物污染修復等發揮了重要的作用[4—6]。水生植物以其生境的特殊性和功能的不可替代性,其根系通過分泌物與水體底質環境發生著交換作用, 充分認識這一過程將為水生植物生態學和水體生態修復領域的發展提供基礎, 并為學科應用潛力的開發提供依據。

1 根系分泌物

1.1 根系分泌物的定義與分類

根系分泌物指植物生長過程中由根部作用釋放到介質中的所有有機物質。大致可以分為4種類型: (1)分泌物: 細胞代謝過程自主釋放的物質, 如激素等。(2)滲出物: 細胞滲出的低分子量化合物, 如糖類等。(3)裂解物質: 成熟的根段表皮細胞分解產物, 脫落的根冠細胞, 細胞碎片和根毛等。(4)黏膠質: 根冠細胞, 沒有形成次生壁的表皮細胞和根毛分泌的黏膠狀物質[7]。根系分泌物的種類據估計在2000種以上, 按其分子量可以分為低分子量和高分子量有機化合物, 其中低分子量有機化合物包括氨基酸、有機酸、糖類、酚類和次生代謝產物, 高分子量有機化合物包括粘液, 蛋白質等[8]。

1.2 根系分泌作用的發生機理

植物根系分泌作用主要有兩條途徑, 即代謝途徑和非代謝途徑。代謝途徑又可分基礎代謝和次生代謝?；A代謝是指植物遇到環境威脅時, 為維持正常的生長發育, 根系主動或被動的釋放各種化學物質的過程[9]。如缺P, 白羽扇豆會分泌檸檬酸[10]; 缺Al, 玉米根系會分泌蘋果酸和硫酸鹽等[11]。此外, 植物根系也會分泌種類繁多的次生代謝產物。次生代謝產物可提高植物對不良環境的適應能力, 但不直接參與植物生長和繁殖。植物根系可以分泌化感物質, 如肉桂酸, 香草醛, 對羥基苯甲酸等。這些物質對周圍植物有抑制作用, 甚至造成自毒作用[12]。非代謝途徑產生的分泌物不受代謝控制, 主要有根表皮衰老細胞的分解產物, 細胞間隙的滲透物及細胞內含物的釋放。通常以酚類化合物和咖啡酸等形式存在[7]。

1.3 影響植物根系分泌作用的因素

植物根系分泌物的組成和含量不僅會受到自身條件的影響, 還與周圍的環境條件密切相關。物種差異、生長階段、影響光合作用的環境因素以及土壤的營養元素水平都影響著根系分泌物的組成與含量。

植物物種差異及生長發育階段植物根系分泌物的組成和含量會受到物種, 生長階段等自身條件的影響。不同植物物種的根系分泌能力差異較大, 例如大白菜和花生的根系分泌物存在顯著差異, 大白菜根系分泌物主要有烴類、酯類、羧酸和含有鹵素及硫的化合物等[13], 而花生主要含有丙三醇、苯甲酸等[14]。植物所處的發育階段也會影響根系分泌物, 紅辣椒在結實期間根系會分泌赤霉素類物質, 酪氨酸也僅在結實期出現[15]。

光、溫度及CO2等環境條件光合作用是維持植物生長所必須的反應過程。光、溫度及CO2是進行光合作用的重要因素, 這些條件的改變會使植物生長受到影響, 從而進一步影響根系分泌作用。研究表明, 改變光照和溫度條件, 茄子的根系分泌物含量有明顯不同。根系分泌量隨溫度的升高而逐漸增加, 30℃時, 分泌量減少; 根系分泌量隨光照強度的增加而增加, 與不同溫度條件下規律相類似。當在25℃, 300 μmol/(m2·s)的光照條件下,茄子的根系分泌物量最大。環境中CO2濃度升高,水稻中總碳和糖的含量會顯著增加[16]。彭松等[17]發現在高溫脅迫下, 1年生花楸樹幼苗抗壞血酸過氧化物酶(APX)、超氧化物歧化酶(SOD)的含量先增加后降低。

營養元素水平根系所處的土壤礦物質營養水平影響著根系分泌物的組成與含量。植物可通過自身生命活動來適應土壤逆境脅迫, 最先感受這一環境變化的器官為根系。礦物質脅迫可誘導根系特異性的分泌有機酸, 來維持正常生命活動。有機酸可與土壤中鐵、鋁、鈣等離子絡合, 再通過自身相關酶的作用, 使其滿足正常生長。如在缺鐵環境中生長, 花生與大豆等作物檸檬酸分泌量為正常量的5—10倍; 在低磷條件下, 杉木根系主要分泌酒石酸和草酸, 且隨著低磷脅迫程度的加重分泌的有機酸量增多[18]。也有研究表明, 添加K、Ca會使根系分泌物中的K+、Ca2+、及草酸的含量升高, 且水稻產量與草酸含量呈顯著的正相關, 與檸檬酸含量為負相關[19]。

重金屬重金屬脅迫下的根際環境與原土體存在差異, 因此會造成植物根系分泌更多不同的物質。白茅(Imperata condensata)等在Cu刺激下會產生特殊組成的分泌物。這些分泌物在植物體形成高濃度銅有效排除機制過程中有重要作用, 能夠提高植物耐脅迫性[20]。Guo等[21]研究表明, 在兩種大麥(Shang70—119和Gebeina)根系分泌物中添加100 μmol/L鋁, 可顯著提高蘋果酸、檸檬酸和琥珀酸含量。

2 根系分泌物介導的植物-微生物-土壤相互關系

植物根區的研究始于一個世紀前Lorentz Hiltner對于根區概念和范圍的界定[2], 植物將5%—21%的光合作用固定的碳從根系分泌輸出[22], 這些根系分泌物介導植物根系和微生物之間的相互關系, 因而根系分泌物作為植物根區研究的核心而不斷被探索。

2.1 植物-植物相互關系

根系分泌物對種子萌發的影響研究主要集中于連作障礙和輪作前茬作物選擇等農業應用研究領域, 其對種子萌發的促進或抑制作用因物種和分泌物濃度的不同而產生較大差異。6種栽培種及9種野生種土豆的根系分泌物對分枝列當(Orobanche aegyptiaca)種子萌發實驗的研究發現, 栽培種Ferum、Tresor和Momor比野生種L. hirsutumPI247087和L. pennelliiLA 716能誘導分枝列當種子產生更高的萌發率[23]。進一步研究發現, 根系分泌物濃度亦會對種子萌發產生不同的作用效果, 如大蒜根系分泌物對萵苣種子萌發具有低促進、高抑制的特征[24]。

此外, 根系分泌物對植物生理狀況也具有一定影響。研究發現人參的根系分泌物可以抑制人參和西洋參種子的萌發和α-淀粉酶活性[25]。根系分泌物通過化感作用對周圍植物的生長起著不同的作用。在植物種間競爭中, 植物根系可以產生或者釋放某些化合物來干擾周圍植物的生長, 從而贏得競爭中的優勢。黑胡桃根系能夠分泌一種毒素-胡桃醌, 可以抑制周圍植物[26]。當植物遇到病蟲害時,其根系分泌物可以作為信號使周圍植物做出防御反應, 從而降低感染率。

2.2 植物-根際微生物相互關系

趨化吸引物越來越多研究發現, 根系分泌物在植物根際與微生物之間具有關鍵作用。許多分泌物可以作為微生物的化學引誘物, 能夠使微生物借助趨化感應(Chemotaxis response), 游向富含根系分泌物的根際及根表面進行定殖與繁殖, 形成特定的根際微生物群落。細菌(如假單胞菌, 根瘤菌和農桿菌屬)的趨化反應提高了它們在根際的根系定殖效率[27]。研究發現, 熒光假單細胞菌(Pseudomonas fluorescens)可被番茄根系分泌物中的蘋果酸和檸檬酸誘導, 且向根際聚集; 圓褐固氮菌(Azotobacter chroococcum)則被根系分泌中的糖類和氨基酸類誘導[28]。

共生作用與植物防御特定信號分子的產生, 促進了植物與共生體之間的分子相互作用。豆科植物在缺氮時會分泌黃酮類和異黃酮類物質, 使啟動根瘤菌結瘤基因(nodD)表達, 根瘤菌侵染根系最終形成根瘤[4]。根系分泌氨基酸、糖類化合物作為化學引誘劑吸引植物促生菌(PGPR)的定殖, 這些PGPR中的某些物種可以利用根系分泌的特定化合物, 合成植物生長激素, 促進植物生長。如PGPR可以利用色氨酸合成植物激素吲哚乙酸(IAA), 能夠顯著促進甜菜、芥菜、小麥等植物的生長[29]。

植物通過分泌特異性抗菌物質、抑制微生物群體感應和分泌具有保護作用的邊界細胞, 抵抗病原體的入侵。水稻、玉米、大豆、擬南芥和蒺藜苜蓿都能夠分泌吲哚類、萜類和黃酮類抗菌物質[30]。Halkier等[31]研究發現, 細菌、真菌或是寄生蟲入侵根系時, 十字花科的植物會將儲存在細胞液泡中的硫代葡萄糖甙釋放用以抵抗。植物通過根冠分泌具有代謝活性的邊界細胞, 這些細胞能夠攻擊線蟲和游動孢子、結合病原菌[32]。這些具有特殊功能的分泌物可以進一步通過塑造根際微生物群落來驅動植物對生長和防御的反饋[33]。

根系微生物影響植物根系分泌能力通過根系分泌作用, 植物會在根際形成并維持一個特殊的根際細菌群落結構。這些細菌能夠產生多種次級代謝物, 它們可促進植物生長, 提高礦物質和氮素利用率, 降低凍害敏感性, 最終使植物對病原體產生抗體, 從而促進植物正常生長, 發育和繁殖[34]。微生物影響根系分泌作用主要有四條途徑: (1)影響根細胞通透性; (2)影響根的代謝; (3)修飾根的分泌;(4)改變根際營養組分。如小麥根際細菌Pseudomonas putida可使小麥根系分泌物中的糖等有機物轉化, 刺激根系分泌物的分泌[35]。

2.3 植物-根際微生物互作對土壤的影響

植物根際區域是植物與土壤相互作用最為活躍的區域, 植物要依靠土壤中的營養物質完成生長發育的各個生命周期, 同時植物生長過程中向根際釋放的各種化學物質, 又進一步改善著土壤肥力和土壤元素的生物有效性。

改變土壤物理性質植物根系分泌物在改變土壤結構及物理狀態, 促進微團聚體形成等方面發揮著重要作用。土壤團聚體是優良的土壤結構體, 具有水穩性和多孔性的特點, 使得土壤中固液氣三相相互協調。根系分泌物還可以改變土壤pH。根系分泌物中含有H+和大量低分子量的有機酸, 如甲酸、乳酸、蘋果酸等, 從而使土壤中H+濃度增加, 土壤酸化, 使得根際土壤pH降低。黏膠物質有時也以酸的形式出現, 它攜帶的羧基等酸性基團釋放出的H+離子對于土壤也具有明顯的酸化作用[15]。

影響土壤物質周轉植物根部可以釋放大量的, 不同類型的含碳化合物來刺激根際微生物的生長[36]。Haichar等[37]利用自制的根際模擬裝置, 研究了葡萄糖、草酸和甘氨酸三種能量特性具有明顯差異的根系分泌物組分對亞高山人工林土壤碳循環的影響。結果發現, 三種分泌物組分通過誘導不同的微生物機制而驅動差異化的土壤C發效應。如草酸通過促進微生物與胞外酶活性, 從而增強土壤有機質礦化過程而表現出正激發效應(即降低土壤C含量)。植物根系釋放的有機化合物可以通過改變根系微生物的活性促進土壤原有機質的分解,這一過程被稱為“激發效應”[38], 正向的激發效應可以將土壤有機質的周轉速率平均提高59%[39], 有機質分解礦化所釋放的有機和無機態的小分子化合物, 可以進一步被植物和微生物所利用。

某些植物根系還可釋放化合物來抑制或者減緩土壤硝化作用。硝化作用即通過微生物活動產生硝酸鹽的過程, 它是全球氮循環的關鍵過程。如水稻根系分泌物具有顯著的生物硝化抑制效應, 其中1, 9-癸二醇已經被鑒定, 作為一種新型生物硝化抑制劑, 其主要通過抑制氨單加氧酶來抑制硝化作用[40]。

改善土壤元素的生物有效性植物可以通過根系分泌物影響土壤物質周轉。特定分泌物可以和難溶礦物質發生發應, 使其變得相對易溶解。植物還能分泌部分具有還原性的物質, 可以與土壤中金屬離子發生置換發應, 提高土壤生物有效性。Nardi等[41]研究發現, 玉米種子中所含根系分泌物對土壤氮素由無機態向有機態轉化有促進作用。棉花根系分泌物能顯著促進速效磷和速效鉀含量的增加, 同時可以提高土壤中轉化酶活性, 而且土壤轉化酶活性隨根系分泌物濃度增加而顯著增強[42]。

根系分泌物對重金屬污染的植物生長有促進作用, 也可促進植物對重金屬的富集作用。如一些高等植物在Al脅迫下可分泌大量蘋果酸、檸檬酸、酚類化合物及黏液、蛋白質復合物等來螯合游離Aln+離子, 使Al對植物根系的毒害作用降低[43]。根系分泌物不僅能協助植物應對高濃度脅迫, 對低營養脅迫也有協助作用。根系分泌物對根際土壤中一些惰性離子有活化作用。如西瓜嫁接到南瓜根上, 研究根系分泌物對西瓜抗性的影響發現, 有機酸的產生使植物對P、Fe、Mn等營養元素的吸收有促進作用[44]。

目前, 開展根系分泌物研究的植物類型多集中于陸生植物, 以農作物最多, 包括水稻、小麥、玉米、大麥、高粱等谷物, 大豆、豌豆、苜蓿等豆科植物, 煙草、人參等經濟作物, 以及模式生物擬南芥[45]。所屬的生態系統類型涵蓋森林、草原、農田等多種陸地生態系統[45]。然而以水生植物為對象的分泌物的研究相對缺乏。水生植物是一類與水環境關系密切的生態類群, 在維持生物多樣性及湖泊清水穩態等方面均有重要作用。湖泊水生植被的恢復是湖泊環境和生態綜合治理的一個重要環節, 是支撐國家《水污染防治行動計劃》中長期目標有關水生態系統功能初步恢復和生態系統實現良性循環的生態措施之一。然而湖泊植被的恢復常常因底泥條件不佳而面臨根系定植困難、繁殖體萌發障礙等問題, 這些問題的發生都是以根際區域為核心。因而, 闡明水生植物根際區域分泌物介導的根系-沉積物-微生物之間的動態過程, 將為湖泊水生植被的恢復策略及內源污染的控制方法提供更有力的科學支持。

3 水生植物根系分泌物研究在水體生態修復中的應用潛力

水生植物依其生活型分為挺水植物、浮葉植物、漂浮植物和沉水植物, 這四類生活型植物在湖泊中由陸域逐漸向水體過渡。水質惡化和生態結構退化是當下我們面臨著的水體生態系統問題, 系統的修復和重建離不開水生植物的正常生長和群落穩定化。已有研究表明, 水生植物對受污染水體和沉積物具有較好的修復效果, 利用陸生植物根系分泌物介導下的植物-微生物關系的研究成果, 有望進一步提升水生植物的污染修復潛力。

3.1 水體污染和水生態退化現狀

我國湖泊數量眾多且分布廣泛, 約有2萬個湖泊, 為全世界天然湖泊的1/10。但是, 隨著經濟的高速發展和城市化進程的加速, 我國流域水污染也日趨嚴重。目前, 湖泊亟待解決的問題有水質惡化與富營養化、生態功能退化、資源急劇減少及河湖連通受阻等。《2017年中國生態環境狀況公報》顯示, 在國控重點湖泊(水庫)中, 富營養、中營養和貧營養的湖泊(水庫)比例分別為30%、61%和8%[46]。20世紀60—90年代間, 太湖水生植物物種由66種縮減至17種, 苦草代替馬來眼子菜成為沉水植物優勢種, 五里湖已無天然水生植被, 竺山湖沉水植物也幾近消失[47]。

3.2 水生植物對沉積物污染修復的能力

目前, 針對水生植物根區的研究主要在以下兩個方面: 沉積物污染物去除和沉積物修復以及對沉積物微生物群落結構的影響。水生植物對于沉積物N、P、重金屬、特殊有機污染物都有明顯的去除效果。利用苦草去除沉積物N、P負荷的研究表明, 苦草生物量達最高時, 底泥中和N的含量可降低一半左右[48]。與無植物組對比, 茭白和寬葉香蒲對TP的去除率分別提高10.8%和11.2%[49]。沉水植物根區對水體中的酞酸酯類化合物具有顯著的富集作用, 對鄰苯二甲酸二異辛酯的富集比非根區高出61%; 對沉積物中多環芳烴類化合物菲(Phenanth-rene)的去除率最高達到88.3%, 并且根區微生物群落響應顯著[50—52]。

以上研究結果表明水生植物的恢復對沉積物污染物去除和沉積物修復產生顯著的影響, 以根系分泌物為核心的水生植物根區效應研究逐漸受到學者們的關注。挺水植物根系可以分泌氨基酸、有機酸、糖類及脂肪酸、酚酸、芳香酸、酚類、酯類、胺類等物質[53]。水生植物在生長過程中能夠分泌大量的有機酸和氨基酸等, 在體外將抗生素降解為毒性極小甚至無害的小分子物質[54]。沉水植物穗華狐尾藻能夠分泌酚類物質來抑制藻類及異養細菌的生長[55]。此外, 3種水生植物伊樂藻, 狐尾藻和半邊蓮的根系分泌物研究表明, 它們均可通過根系分泌有機碳源, 從而增加微生物生物量(ATP)和微生物的活性(leucine uptake)[56]。

3.3 利用根系分泌物的研究成果解決水體生態修復若干問題的潛力

國內外諸多研究均報道了湖泊植被隨水體惡化而消亡以及隨水質改善而恢復的現象[57, 58], 最長的時間尺度跨越一個世紀[59]。水體內源污染和水生植被的恢復是解決湖泊生態修復的兩大重要問題。對于湖泊生態系統而言, 底泥中過高的營養鹽水平會脅迫植物種子萌發, 對幼苗生長甚至有毒害作用, 從而影響整個湖泊生態恢復進程。為了加快這一恢復進程, 常常使用人工輔助的方式進行植物恢復。對于人工輔助植物恢復, 其首要問題是根系的成功定植和生物量的擴大, 其次是植物復合群落的建立和越冬之后的植物繁殖體的自然萌發。

水生植物人工恢復的需求與陸生植物類似, 例如根的定植與生物量擴大類似于農作物高產的需求, 沉積物條件改善以利植物群落多樣化類似于土壤微環境改善以利植物生長。目前, 針對陸生植物根系分泌物的研究我們可以知道: (1)根系分泌某些化合物(氨基酸、糖類等)可以作為化學引誘劑吸引植物促生菌(PGPR)的定殖, 這些PGPR中的某些物種可以利用根系分泌的化合物, 合成植物生長激素;(2)根系分泌某些化合物還可以促進植物對營養物質的吸收, 增強植物對病原微生物的抵抗以及根系對土壤微環境的改善。

根據水生植物與陸生植物的相似性及陸生植物已有的研究基礎, 水生植物根系分泌物介導的植物-微生物-沉積物的相互關系研究在水體生態修復過程中具有較大潛力。例如具有IAA產生能力和ACC-脫氨酶活性的PGPR, 可以通過降低植物在污染脅迫下乙烯的產生量, 增強植物應對脅迫的能力,并促進植物細胞的增殖與根系伸長。這些研究將為湖泊內源污染和水生植被的恢復提供新思路, 拓展植物-微生物關系的理論成果并在湖泊生態恢復中應用。

4 展望

目前, 根系分泌物雖已成為熱點被許多人研究,但多集中于陸生植物, 水生植物因其特殊的水域生長環境, 其在分泌物的收集、分離、鑒定方面仍有許多困難, 需進一步的研究和完善。盡管陸生植物根系分泌物的研究前沿已經進入了植物根系分泌物生物合成網絡在特異性根系微生物群落中的作用[60], 水生植物根系分泌物介導的根際研究仍在起步階段, 對根系介導的植物-根際-微生物及周圍土壤環境的相互關系及內在聯系需要進一步的研究和探索。沉水植物恢復初期的群落演替過程中, 根系分泌物與根際微生物如何驅動著植物群落的演替方向？這種驅動力與湖泊理化水文條件的驅動如何相互作用？水生植物根區對污染物的降解是否具有分泌物類型與污染物類型的內在相關性？這種相關性是源自于植物的基因型差異還是環境誘導作用？系統而深入的研究并回答這些問題將更好地服務于水污染治理和水生態系統恢復的應用實踐。在水體生態問題較為嚴峻的今天, 充分認識水生植物根系分泌物介導的根際過程將為水生植物生態學和水體生態修復領域的發展提供基礎,并為學科應用潛力的開發提供依據。