病害脅迫下植物根系分泌物的響應及作用研究進展

肖 蓉 ，張春芬 ，鄧 舒 ，曹秋芬 ，韓亞慧

（1.山西農業(yè)大學果樹研究所，山西太原030031；2.山西農業(yè)大學生命科學學院，山西太原030031；3.山西大學生命科學學院，山西太原030006）

根系分泌物是指在特定環(huán)境下，活的植物通過根系的不同部位釋放到根際環(huán)境中的有機物質的總稱，是一種復雜的非均一體系。廣義的根系分泌物包括滲出物、分泌物和排泄物；狹義的根系分泌物僅包括植物通過溢泌作用進入土壤的可溶性物質[1]。根系分泌物有很多種類，包括糖類、有機酸類、氨基酸類、酚酸類、蛋白質類、脂肪酸、生長因子等[2]。它是植物和土壤產生聯(lián)系的重要介質，在植物與環(huán)境相互作用過程中發(fā)揮著至關重要的調控作用。其主要功能包括直接提供營養(yǎng)、加強植物營養(yǎng)吸收、調節(jié)土壤質地、化感作用、信號傳導、保護等[2]。根系分泌物的組成取決于植物種類和品種、發(fā)育時期、植物生長基質和脅迫因素。筆者綜述了病害脅迫下根系分泌物在組成和含量2 個維度的響應，以及這些差異響應在植物病害發(fā)展中的正向作用或負向作用。

1 病害脅迫下根系分泌物的響應

植物響應環(huán)境脅迫最明顯、最直接的反應就是根系分泌物組成和數(shù)量的變化。這是不同植物對生存環(huán)境長期適應的結果。不同病害會對不同植物根系分泌物的種類或數(shù)量造成影響。

在蔬菜方面，趙媛媛[3]研究了辣椒疫病脅迫下根系分泌物的變化，結果表明，人工接菌后，培養(yǎng)液中可溶性糖含量與抗病性呈負相關；酯類、醛類和酮類物質的相對含量與辣椒品種抗病能力負相關。ZHOU 等[4]以3 個茄子品種為材料，人工接種黃萎病病原菌，結果表明，抗性型茄子根系分泌物中包含酰胺、acohd、吡喃類、芴等特殊物質，而易感型茄子根系分泌物主要成分為酚、酮、酚酸、酯等。PAN等[5]研究指出，當用枯萎病菌人工接種黃瓜時，抗性品種根系分泌物的氨基酸種類和總量所占比例均高于感病品種。除了氨基酸外，PAN 等[5]在黃瓜根系分泌物中還檢出其他85 種化合物；接種苗根系分泌物中化合物的數(shù)量和豐度均高于未接種苗；對于未接種的幼苗，感病品種根系分泌物中所有化合物的數(shù)量和豐度均高于抗病品種。番茄根系分泌物也受葉片灰霉病菌感染的影響，接種灰霉病菌后，根系分泌物中葡萄糖酸水平升高，蔗糖和肌醇水平下降[6]。番茄根部接種根腐病病原菌后，檸檬酸含量降低，琥珀酸含量增加[7]。趙文宗[8]對不同嫁接組合番茄進行人工接種青枯菌，結果表明，接種青枯菌后，不同嫁接組合根系分泌物的物質成分和相對含量發(fā)生了變化，其中，抗病砧木嫁接植株根系分泌物中的鄰苯二甲酸二丁酯、鄰苯二甲酸二異辛酯和2，4- 二叔丁基苯酚在接菌后提高，而未接菌處理中的上述物質含量降低。

在作物方面，張海平等[9]對2 種抗性不同的大豆資源接種胞囊線蟲，結果表明，與不接種對照相比，接種后2 種大豆根系分泌物氨基酸總量都表現(xiàn)為增加，且易感品種增幅大于抗性品種，這些氨基酸可以分為3 類：與抗性正相關類（苯丙氨酸）；與抗性不相關類（蛋氨酸、絲氨酸和蘇氨酸）；與抗性負相關類（其他13 種氨基酸）。董艷等[10]研究表明，不同蠶豆種質根系分泌的氨基酸組分與含量的差異直接影響蠶豆對枯萎病的抗性差異，較高的絲氨酸、賴氨酸、甲硫氨酸含量及較高的絲氨酸/丙氨酸、絲氨酸/甘氨酸值能抑制枯萎病，而蘇氨酸、天門冬氨酸、甘氨酸、纈氨酸、丙氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸含量高時能促進枯萎病的發(fā)生。

在其他植物方面，YUAN 等[11]研究了香蕉幼苗在感染尖孢鐮刀菌（FOC）后根系分泌物的變化，結果發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)OC 感染后根系分泌鄰苯二甲酸、肉桂酸和水楊酸能力增強。接種西瓜專化型尖孢鐮刀菌（FON）能顯著提高西瓜根系分泌物中酚酸的含量，增加了酚酸的種類[12]。REN 等[13]研究指出，西瓜枯萎病病原菌感染后會引發(fā)琥珀酸和草酸產生。對于烤煙，人工接種黑脛病菌促進了有機酸的分泌，且分泌量隨接種時間延長而增加；有機酸含量方面，感病品種大于抗病品種，但酒石酸除外[14]。干露[15]研究發(fā)現(xiàn)，在沒有接種病原菌的玉米、煙草、辣椒、番茄根系分泌物中均不含糖類物質，而分別用病原菌接種后則檢測出糖類物質。WALKER 等[16]將羅勒幼苗與病原微生物銅綠假單胞菌在試管內共培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)在病原菌作用下羅勒的根系分泌物中酚酸類物質含量顯著增加，如迷迭香酸（RA）。

2 病害脅迫下根系分泌物的作用

2.1 根系分泌物加重病害

由于土壤中不乏病原細菌和真菌，植物根系分泌物為它們的生長繁殖提供了豐富的碳源，因此，植物根系分泌物對土壤微生物數(shù)量及多樣性變化有重要影響。在與病原細菌或真菌互作中，一方面根系分泌物能夠作為化學信號物質對土壤病原菌的活性進行調控，另一方面通過改變土壤微生態(tài)環(huán)境誘導土傳病害的發(fā)生。因此，明確根系分泌物與病原微生物，以及由根系分泌物介導的植物—病原微生物—微生態(tài)之間的關系對理解土傳病害的發(fā)生與調控技術的研發(fā)具有重要意義。

趨化是許多病原物感知寄主植物信號進而入侵寄主植物的關鍵途徑。LEI 等[17]研究指出，3 種人參根系分泌物對人參軟腐菌的趨化性有正向作用，但隨著濃度的增加趨化作用減弱。BALENDRES 等[18]研究指出，當瘡痂病發(fā)生時，在馬鈴薯根系分泌物中檢測到24 種低分子量的有機化合物，并鑒定出特定的氨基酸、糖、有機酸和其他化合物，這些化合物刺激了地下休眠孢子的萌發(fā)，比對照提前釋放更多的游動孢子。劉志慶[19]研究指出，人參類皂苷對人參根部病菌（根腐菌、銹腐菌）均有較強的趨化作用，使人參連作障礙加重。雷鋒杰[20]研究指出，人參根系分泌物也對人參細菌性軟腐菌具有趨化性，軟腐病菌在人參根系周圍大量聚集，增加了該病菌成功侵染人參的概率。李石力[21]研究指出，煙草根系分泌物中的肉桂酸、延胡索酸、苯甲酸、肉豆蔻酸能夠作為化學引誘劑，誘導青枯雷爾氏菌的運動、趨化活性，并強烈誘集青枯菌在煙草根部的定殖，一定濃度下這些根系分泌物均能夠顯著刺激青枯雷爾氏菌生物膜形成的相關調控基因epsE、lecM的表達，提高青枯病的發(fā)病程度，其中以肉桂酸的刺激效果最明顯。

有些根系分泌物是寄主專化性信號分子[22]，如大豆根系分泌物中異黃酮黃豆苷和染料木黃酮能夠特異性吸引大豆疫霉游動孢子，但是不吸引疫霉屬其他種游動孢子[23]。據(jù)研究，多種外源氨基酸和可溶性糖類對大豆疫霉游動孢子有趨化作用[24-25]，還對 3 種腐霉 （Pythium aphanidermatum、Pythium dissoto-cum 和Pythium catenulatum）游動孢子行為有影響[26]。

2.2 根系分泌物減輕病害

2.2.1 根系分泌物抑制有害菌 植物在受到病害脅迫時會分泌具有直接防御性質的抗菌化合物。BAIS 等[27]研究發(fā)現(xiàn)，當受到終極腐霉菌（Pythium ultimum）入侵時，紫花羅勒根部會大量分泌一種具有抗菌活性的咖啡酸衍生物——迷迭香酸，它能夠殺滅多種土壤細菌和病原體，并強烈抑制終極腐霉菌。PAN 等[28]研究指出，9 個小麥品種的根系分泌物含有30 種不同的有機化合物，其組成與品種相關，其中一些是已知的化感物質，對鐮孢菌菌絲生長和孢子均有不同程度的抑制作用。對于香蕉，有研究指出，高抗枯萎病的香蕉根系能夠分泌大量有機成分，并殺死病原菌孢子，中抗品種根系分泌物也顯著抑制病菌孢子萌發(fā)和菌絲生長[29]。

YANG 等[30]研究了阿魏酸、苯甲酸、肉桂酸的作用，發(fā)現(xiàn)甜瓜根部滲出液對病原菌鐮刀菌的孢子萌發(fā)及菌絲生長有抑制作用。酚酸對煙草青枯病病原菌的生長也有影響。陳娜等[31]研究指出，施用鉀肥時，能在生產上有效防控煙草青枯病，其根系分泌物中的酚酸能顯著抑制致病菌的生長。王戈[14]研究指出，人工接種黑脛病菌促進了有機酸的分泌，添加有機酸基本抑制了黑脛病菌菌落生長，且抑制作用隨有機酸濃度增加而增大。周寶利等[32]研究了嫁接茄根系分泌物質對黃萎菌菌絲生長的影響，結果表明，鄰苯二甲酸二丁酯在0.05～0.50 mmol/L 濃度范圍內表現(xiàn)出隨濃度增加抑制作用先增強然后有所減弱；而棕櫚酸和豆蔻酸均表現(xiàn)出隨濃度增加先促進后抑制。另外，百里香的根滲出物兒茶素，對多種土壤細菌具有抑菌活性[33]。

2.2.2 根系分泌物促進有益菌 病害的發(fā)生不僅與病原菌的存在相關，還與病原拮抗菌的存在相關。天然存在的有益細菌和真菌可以通過多種機制抑制疾病的發(fā)生或嚴重程度，包括抗生作用，對營養(yǎng)物質和空間的競爭作用。植物在受到病害脅迫時可以通過根系分泌物成分的改變，招徠功能性的微生物，通過有益菌對病原菌的生物控制，共同構筑防御系統(tǒng)，以適應環(huán)境變化。

大量研究表明，在根系分泌物的作用下，具有趨化性的細菌或真菌能夠在根際大量聚集和繁殖。ZHOU 等[4]研究結果表明，抗性型茄子根系分泌物不僅直接影響病原菌的生長發(fā)育，而且通過調節(jié)土壤微生物群落組成間接影響病原菌的生長發(fā)育，從而提高抗病性；而易感型茄子表現(xiàn)出相反的趨勢。RUDRAPPA等[34]研究表明，擬南芥感染紫丁香假單胞菌后，根分泌大量蘋果酸，這是一種化學引誘劑，能夠引誘生物控制菌株枯草芽孢桿菌FB17 進入植株根部。

FERNANDEZ 等[6]研究發(fā)現(xiàn)，番茄葉片受灰霉病菌感染后，番茄根系分泌物中葡萄糖酸水平升高，而葡萄糖酸存在下生防菌T34 的生長增強，并由此引發(fā)番茄抗病性，從而降低了灰霉病的嚴重程度。SOOD[35]研究表明，番茄根系分泌物中的氨基酸類和糖類對圓褐固氮菌有誘導作用，而檸檬酸和蘋果酸對熒光假單細胞菌有誘導作用。LAKSHMANAN 等[36]研究還發(fā)現(xiàn)，番茄葉片受到病原菌侵染后，可以通過調節(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，這些有益菌可進一步引發(fā)植物的誘導性系統(tǒng)抗性，以對病原菌產生防御反應。

YUAN 等[11，37]在香蕉上的研究結果表明，香蕉根際分泌物中的有機酸（OAs）可誘導有益菌NJN-6的趨化性和生物膜的形成，當使用50 μmol/L 的OAs 時，發(fā)現(xiàn)最強的趨化和生物膜反應，更具體地說，蘋果酸表現(xiàn)出最大的趨化反應，而富馬酸顯著誘導生物膜的形成，表明香蕉根系分泌物，尤其是釋放的OAs，在吸引和啟動宿主根上的植物促生菌（PGPR）定殖中起著至關重要的作用；同時研究還發(fā)現(xiàn)，香蕉根系分泌物中酚酸含量增高潛在地增強了生防菌芽孢桿菌NJN-6 在根的定殖和對病原體的抑制能力。

3 展望

當受到病害脅迫時，根系分泌物在調控植物與環(huán)境相互作用過程中發(fā)揮著至關重要的作用。根系分泌物介導著植物—植物、植物—微生物、微生物—微生物（個體以及群體）的對話及相互作用。在這些復雜過程的研究中，一方面，根系分泌物的獲取、分離、活性測試及鑒定是基礎；另一方面，植物、微生物的個體和群體響應研究是關鍵。目前，研究者在根際分泌物種類鑒定、根際顯微特征、根際物質遷移和信息傳遞、根際理化環(huán)境動態(tài)、根際生物群落特征等方面都取得了很多研究結果，但仍然還有一些方面需要突破。比如，（1）目前根系分泌物的分離鑒定大多先通過有機溶劑萃取，再采用色譜和質譜法進行測定，這樣的流程不僅耗時耗力，還會與真實情況有較大的偏差，如果能夠采用原位收集、原位檢測方法將會更簡便及準確。（2）在研究根系分泌物與土壤中微生物的相互關系時，傳統(tǒng)的平板計數(shù)法顯然是不夠的，因為土壤中絕大多數(shù)微生物目前還處于非可培養(yǎng)狀態(tài)。即使是基于DNA 的現(xiàn)代分子生物學技術（TGGE、DGGE、RFLPP 等）都還有很大的局限性，因為土壤總DNA 與最終行使功能的蛋白質并不是一一對應的關系。即使是mRNA，也會由于蛋白質翻譯后的修飾，而使研究對象與生物功能之間相差甚遠。近年來，興起及蓬勃發(fā)展的土壤宏蛋白質組學研究有望克服上述問題，為研究根系分泌物介導下的根際生物學特性奠定基礎。

總之，根系分泌物研究在整個土壤生態(tài)系統(tǒng)功能研究方面占據(jù)著重要作用。對病害脅迫下植物根系分泌物的響應及作用機制的揭示將在指導植物病害防控、改善生態(tài)農業(yè)管理、建立作物高產與環(huán)境保護相協(xié)調的綜合管理體系方面發(fā)揮極其重要的作用。