植物根系分泌物組成、釋放機制和收集技術研究進展

羅 陽 陳 原 丁 娜 賀 瑤 趙浩天

1.貴州正業工程技術投資有限公司，貴州 貴陽 550002；2.桂林理工大學環境科學與工程學院，廣西 桂林 541004；3.南寧理工學院，廣西 桂林 541006

0 引言

20 世紀初，德國微生物學家Lorenz Hiltner首次提出了根際的概念［1］。根際是植物根系與土壤之間進行物質和能量交換的直接界面，是微生物和無脊椎動物聚集的主要區域，是地球上最活躍的界面之一［2］。根系分泌物是植物根系與土壤之間物質循環、能量交換和信息傳遞的重要載體［3］。近年來，科學家對植物根系分泌物的組成、釋放機制進行了大量研究，發現膜蛋白家族能介導根系分泌物的釋放［4］，同時根系分泌物的組成受植物種類、生長階段、環境因素、土壤養分條件和重金屬脅迫等因素的影響［5-6］。為了獲取根系分泌物的組分與含量信息，科學家研究了多種根系分泌物的收集方法。筆者對植物根系分泌物的組成、釋放機制、影響因素及收集方式等進行綜述，了解現有相關研究的不足，以便今后相關學者進一步開展相關研究。

1 植物根系分泌物的組成和釋放機制

1.1 植物根系分泌物的組成

根系分泌物是植物根系在整個生長階段向外界環境釋放的各種化合物的總稱。植物根系分泌物的成分復雜多樣，學術界對其分類一直存在爭議，廣義的根系分泌物可分為滲出物、分泌物、黏膠質、裂解物4 類物質。但目前，學術界普遍將根系分泌物分為初級和次級代謝物（見表1）。初級代謝物包括糖、氨基酸和有機酸，次級代謝物包括類黃酮、硫代葡萄糖苷和生長素，一般初級代謝物比次級代謝物分泌得更多。研究表明，這些代謝物已經在擬南芥、大豆、水稻等植物中得到鑒定和量化［7］。

表1 植物根系分泌物種類和組分

1.2 植物根系分泌物釋放機制

近年來，科學家在分析根系分泌物和根際微生物之間的相互作用方面取得了重要的研究進展，但對根系分泌物的分泌機制仍然知之甚少。根系分泌物主要通過跨膜運輸釋放，根據運輸方式可分為被動運輸和主動運輸，被動運輸主要分為擴散、離子通道和囊泡運輸3 種途徑（見圖1）［8］。在擴散過程中，糖、氨基酸、羧酸和酚類等低分子量物質通過脂質膜的滲透性進行傳遞。這種被動擴散過程取決于根細胞膜的滲透性及滲出化合物的極性。離子通道負責碳水化合物和特定羧酸鹽（檸檬酸鹽、蘋果酸鹽和草酸鹽）的分泌。離子通道是通過蛋白質介導的運輸機制實現跨膜運輸的［9］。離子通道可分為慢陰離子通道（Slow Anion Channels，SLACs）和 快 陰 離 子 通 道（Quick Anion Channels，QUACs）兩種類型，前者需要幾秒激活，而后者只需要幾毫秒［9］。研究表明，當土壤中存在過量Al3+時，會促進植物根系分泌有機酸（主要為蘋果酸），有機酸能螯合并滅活Al3+，從而促使陰離子通道介導有機酸外排［10］。當根際分泌黏液、多糖、蛋白質等高分子量物質時，一般涉及囊泡運輸，這個過程也被稱為“胞吐”，分泌的代謝物一般來自內質網和高爾基體［11］。除3種被動運輸方式外，根系分泌物還可以通過位于根質膜中的蛋白質進行主動運輸。轉運蛋白是一類具有跨膜轉運功能的蛋白質，通常以寡聚物的形式嵌入生物膜，形成獨特的通道結構。轉運蛋白根據是否具有ATP結合域分為兩類：ATP-結合框轉運蛋白（ATP-Binding Cassette，ABC）和多藥和毒性化合物排出轉運蛋白（Multidrug and Toxic Compound Extrusion Transport‐ers，MATE）。ABC 轉運蛋白被認為是初級轉運蛋白，因為其利用ATP 在水解過程中獲得能量來轉移溶質，而MATE 轉運蛋白被認為是次級活性轉運蛋白，其利用電化學梯度讓不同化合物實現跨膜運輸［12］。

圖1 植物根系分泌物釋放機制

2 植物根系分泌物的影響因素

根系分泌物的組成和含量受植物基因型的影響，因此，不同種類植物的根系分泌物的組成和含量存在先天差異［13］。然而，除了先天的基因型影響，植物的生長環境（養分、重金屬含量、含水量、CO2濃度、光照度和土壤微生物）和生長階段也會影響根分泌物的組成和含量［14］。

2.1 植物種類和生長階段

不同植物種類的根系分泌物的數量和含量各不相同。研究表明，大麥根系分泌物中含有10.8%氨基酸、47.2%有機酸、2.8%脂肪酸、15.0%糖類及15.0%磷酸，玉米根系分泌物中含有5.7%氨基酸、27.8%有機酸、13.0%脂肪酸、17.8%糖類、24.0%磷酸和9.6%尿素［14］。劉欣宇等［15］研究表明，大豆、油菜、大白菜、刺槐、人參和丹參根系分泌物中均含有酯類物質，而蠶豆根系分泌物中沒有。此外，科學家還發現，植物品種也影響根系分泌物的類型。Du 等［16］量化了兩個不同品種水稻根際分泌的有機酸，發現其存在顯著差異，積累高鄰苯二甲酸酯的水稻品種分泌的草酸、檸檬酸和丙二酸的含量是另一個品種的2 倍。另外，同一植物在不同的生長階段，根系分泌物的組成和含量也有很大差異。有研究表明，擬南芥根系分泌物的組成隨著植物的生長而變化，糖和糖醇的分泌水平在植物生長早期階段較高，隨著植物的生長，糖和糖醇的分泌水平逐漸降低，而氨基酸和酚類物質的分泌水平逐漸增高［17］。Neumann 等［18］研究表明，土壤缺磷會誘導白扇羽豆產生簇根，簇根形成初期會分泌較多的蘋果酸，簇根形成后期會釋放更多的檸檬酸。

2.2 植物生長環境

植物的生長環境時刻影響著植物的生理狀態。當植物面臨土壤養分供應不足和重金屬脅迫時，根系會分泌不同的化合物幫助植物適應環境變化以獲取營養和抵抗脅迫。Khorassani 等［19］研究表明，土壤缺磷會增加甜菜中有機酸（檸檬酸和水楊酸）的含量，以此提高土壤中磷的有效性。Carvalhais等［20］研究發現，土壤中鐵和鉀的缺失往往會提高玉米根系分泌物中糖和有機酸的含量。大量研究也表明，植物在重金屬脅迫下會顯著改變根系分泌物的組成和含量。Fu 等［21］發現，在鎘脅迫下，水稻根系分泌物中含有較多的有機酸（包括草酸、酒石酸、蘋果酸、檸檬酸和乙酸）和氨基酸（包括賴氨酸、甘氨酸、丙氨酸、蛋氨酸和組氨酸），其中酒石酸和組氨酸含量最高。Zhao 等［22］研究發現，銅可以誘導黃瓜中蘇氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸和多酚的積累，同時有機酸和氨基酸可以幫助植物應對銅脅迫。土壤是植物賴以生存的環境，干旱和洪水會使植物分泌相關的代謝物應對這種脅迫。干旱會增加土壤顆粒對植物根系的壓力，刺激植物根系分泌黏液，使土壤顆粒覆蓋在根表面形成根鞘，以減少水分流失。Henry 等［23］研究發現，干旱使冰草植物根分泌物中的總有機碳增加71%，琥珀酸、富馬酸和蘋果酸的分泌量增加，而淹水使根分泌物中的總有機碳增加45%，草酸和丙二酸的分泌量增加。溫度能夠影響植物的光合作用和呼吸作用，因此，溫度對植物根系分泌物的組成和含量均有影響。馬志良［24］研究發現，高溫能顯著提高窄葉鮮卑花根系分泌物中碳和氮的通量，分別增加了57.2%和46.9%。另外，研究發現CO2濃度和光照度也能影響根系分泌物的種類和含量。Goufo 等［25］研究發現，隨著CO2濃度的升高，成熟水稻根際大多數酚類化合物的濃度顯著增加。Martin 等［26］研究表明，低光照會改變海草根系分泌物，減少植物根際的有益微生物。根系分泌物作用于根系周圍的環境，產生根際效應。根際微生物定殖于植物根際，能分解和轉化根系分泌物和脫落物，在改變根系分泌物方面發揮著重要作用。由于根際微生物的存在，根系分泌物大量增加。Prikryl等［27］發現，小麥根系分泌物在自然條件下是滅菌條件下的2倍，表明根際微生物刺激了根系分泌物的釋放。

3 植物根系分泌物的收集方式

3.1 溶液培養收集法

溶液培養收集法是通過在溶液中培養植物來獲取根系分泌物，傳統的溶液培養收集法一般指水培法。該方法使用無菌水沖洗植物根系，將其放在含有微生物抑制劑的超純水中培養一段時間，取出植物后收集培養液過濾，用樹脂去除營養離子，獲得根系分泌物。例如，Tu 等［28］利用霍格蘭營養液培養植株2 d，用浸根法收集根系分泌物，分離測定植酸和草酸。水培法易于操作，在收集根系分泌物時幾乎不會對植物根系造成損害，且能較好地控制無菌條件，避免微生物分解和利用根系分泌物。但水培環境易導致植物根系缺氧，同時缺乏根際微生物的反饋調節和土壤顆粒的機械壓縮，從而影響植物根系的形態和根系分泌物的含量［12］。因此，水培法主要應用于實驗室樣品根系分泌物的收集，在收集過程中要盡量縮短時間，防止缺氧對植物根系造成損害。

3.2 土壤培養收集法

Petriacq 等［29］研究玉米根際土壤化學性質時利用了土壤培養收集法。土壤培養收集法是將植物種植于土壤中，生長一段時間后將植物從土壤中移出，用蒸餾水沖洗植物根際土壤，再通過離心和過濾獲得根系分泌物。土壤顆粒會對植物根系產生一定的壓力，從而刺激植物根系分泌化合物。因此，采用此方法時，植物每克干質量產生的根系分泌物含量可能高于水培條件下收集的根系分泌物含量。但采用這種方法需要提取植物根際土壤溶液，且土壤成分復雜，無法消除土壤中微生物的影響。同時，采用土壤培養收集法會對植物根系造成損害，導致收集的植物根系分泌物中含有內含物和根系汁液。

3.3 基質培養收集法

基質培養收集法與土壤培養收集法相似，僅植物的生長介質不同，常用的基質有石英砂、瓊脂、蛭石、人造營養土等。植物在基質中種植一段時間后，將石英砂等浸泡在蒸餾水或有機溶劑中，以提取黏附在基質中的有機物，再將收集到的飽和溶液濃縮過濾得到根系分泌物。Kudoyarova 等［30］將小麥幼苗種植在石英砂基質中進行根系分泌物的收集。采用石英砂培養收集法時，不僅管理方便，而且石英砂透氣性和惰性強，很難與根系分泌物發生化學反應，可以得到更多的分泌物。因此，在收集根系分泌物時石英砂常代替土壤作為植物生長基質。但基質培養收集法也有一定的缺點，如玻璃珠、石英砂等基質保水能力較差，缺乏植物所需的營養元素，將其作為基質時常需要添加營養液供給植物所需的營養元素和水分。同時，在植物生長過程中要注意基質中苔蘚的生長，其可能對整個試驗造成干擾。

3.4 連續收集法和原位收集法

目前，科學家對傳統的根系分泌物收集方法做了一定的改進與創新，連續收集法和原位收集法逐漸進入人們的視野。連續收集法要求將植物移植到底部帶有根系分泌物收集器的培養基質中，并定期注入適量培養液。采用連續收集法時，根系分泌物中的有機物在收集器中不斷富集，而含有無機離子的培養液由氣泡驅動進入充氣泵的培養容器中，從而使液體循環流動。采用連續收集法能對植物根系分泌物進行連續、實時地收集，同時不會損害植物根系，能夠保持無菌條件，從而避免微生物的影響。但該方法需要在特定的裝置內進行，且該裝置需要定期維護。王占義等［31］設計了一種新型的根系分泌物收集裝置，用于大豆根系有機酸分泌的研究。原位收集法是指利用特殊器具，對植物根際土壤溶液或者土壤進行原位采集后處理得到根系分泌物。采用原位收集法能對植物真實的根系分泌情況進行實時監測，但難以避免自然條件下微生物和土壤成分對根系分泌物產生的影響。質譜成像（Mass Spectrometry Imaging，MSI）是一種能夠原位揭示目標樣品中多種分子分布的方法。與其他成像技術相比，MSI可以創建離子圖像，用來研究化合物的功能和起源。

4 結論與展望

4.1 結論

植物通過被動運輸和主動運輸的方式不斷向根際釋放各種化合物，這些化合物被稱為根系分泌物。研究表明，植物種類、生長階段和生長環境是根系分泌物組成、含量及釋放機制的關鍵影響因素。同時，植物根系分泌物在改善土壤理化性質、促進植物養分吸收和緩解環境脅迫等方面發揮著重要作用。此外，筆者對根系分泌物的收集方法做了總結，認為傳統的根系分泌物收集方式具有一定局限性，連續收集法和原位收集法能較好地還原植物根際真實的情況，有較高的科學研究價值及應用價值。

4.2 展望

基于上述研究綜述，我國學者可以從以下方向開展進一步研究：①近年來關于植物根系分泌物原位收集法和連續收集法的模擬試驗越來越多，新型試驗技術在一定程度上解決了之前根系分泌物收集方面的問題，但新型技術只能對少部分根系分泌物組分進行分析，很多未知組分有待研究；②目前關于根系分泌物組分的研究還集中在總量分析上，缺乏對特定物質的分析，未來應綜合利用代謝組學、基因組學、轉錄組學和蛋白組學了解植物在應對各種脅迫時特定物質的響應規律；③根系分泌物在調節植物生長發育與根際微生物群落結構中發揮著重要作用，但其相互作用機制還不清楚，亟待進行深入研究。