植物根系分泌物對解磷微生物的影響研究進展

師仁增鄧霞田琳張媛媛王楠焦子偉

(1. 伊犁師范大學微生物資源保護與開發利用重點實驗室，新疆伊寧 835000；2. 伊犁師范大學生物與地理科學學院，新疆伊寧 835000)

植物根系分泌物是植物根系向根際分泌出的各種物質的統稱，根據性質不同可將其劃分為滲出物、粘膠質、分泌物和裂解物質[1-3]。 根據分泌物性質進一步對其分類，可分為糖類、氨基酸類、有機酸類、酮類、酚酸類和其它物質等[4]。 土壤解磷微生物種類較多，包括細菌、真菌和放線菌等，其中細菌種類最多，主要包括腸細菌屬(Enterbacter)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、歐文氏菌屬(Erwinia)等19個屬[5-9]。 解磷真菌主要包括曲霉屬(Aspergillus)、青霉菌屬(Penicillium)等，除此之外，研究發現菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza，AM)也具有解磷能力[10-12]。 解磷放線菌主要為鏈霉菌屬(Streptomyces)，其解磷能力較差[13]。 根系作為植物地上莖葉與地下土壤基質的介導，不但為植物主體提供有效營養，而且還是植物種間競爭和調控植物生長發育的核心部位[14-15]。 植物根系也是土壤微生物重要的食物來源，對微生物的種類和數量具有決定性作用[16-17]。 因此探究根系分泌物和土壤根際解磷微生物多樣性偶聯關系，掌握根系分泌物對解磷微生物的影響，對于豐富以多營養級視角研究作物磷素高效利用的根系-土壤解磷微生物互作理論、豐富和完善土壤生態學理論等均具有重要意義。

1 根系分泌物對解磷微生物影響概述

1.1 生長發育

植物根系分泌物對根際解磷微生物的生長發育具有促進作用:趙小蓉等[18]對玉米根際解磷細菌分布的研究發現，根系分泌物可促進發酵型細菌的生長，其中以黃桿菌屬、假單胞菌屬等居多，芽孢桿菌屬則相對較少。 另有研究表明，小麥生長初期，根系活動旺盛，分泌物較多，有利于有機磷細菌的生長繁殖，為根系提供更多的可利用磷[19]。 另一方面，根系分泌物對解磷微生物的生長發育亦有抑制作用，且濃度越高抑制作用越強。李倩等[20]研究表明黃花蒿根系分泌釋放的青蒿素對根際解磷細菌產生抑制作用；高濃度的黃連須根浸提液對無機磷細菌B05 和B07 的生長繁殖具有抑制作用，尤其是在濃度高于500 mg/L 之后[21]。 此外在對假蒼耳根系分泌物的研究中也發現，隨著根系分泌物濃度增加，其對鐮刀菌、根瘤菌的抑制作用也越強[22]。

1.2 數量及種群分布

根系分泌物為解磷微生物提供了重要的能量來源，對解磷微生物的數量和種群分布具有重要影響，為解磷微生物的聚集提供了有利條件。 已有研究報道小麥根際土壤解磷微生物的數量遠高于非根際土壤[19]。 另有研究表明，根系分泌物可以促進解磷微生物無芽孢桿菌在根際的聚集[23]。Molla 等[24]研究發現小麥和黑麥草根際解有機磷微生物的種群主要包括芽孢桿菌屬、假單孢菌屬、曲霉屬、微球菌屬和青霉屬等。 趙小蓉等[18]研究發現根際土壤解磷微生物種類遠比非根際的豐富，且種類和數量都不相同。 紀巧鳳等[25]研究報道黃頂菊的生長發育使解磷微生物的優勢種群更加明顯。 不同農作物根際解磷微生物的種類也不同，小麥根際主要為洋蔥假單胞菌屬(Pseudomonas cepacia)[26]，玉米根際主要是歐文氏菌屬(Erwinia)[27]， 大豆為不動桿菌(Acinetobactersp.)[28]，水稻為芽孢桿菌屬(Bacillus)[29]。

1.3 解磷能力

植物根系分泌的有機酸、糖類、酚酸類和氨基酸類等物質直接或間接地影響解磷微生物的解磷能力，從而影響土壤磷的有效性[30]。 韓玲玲[31]在對黃頂菊根系分泌物和解磷微生物的研究中發現，經根系分泌物處理后，40個芽孢桿菌菌株中有26個大幅度提高土壤有效磷含量；另外，分泌物濃度和菌株種類對無機磷量均有顯著影響，且不同菌株和濃度的組合也顯著提高無機解磷量。李娟等[32]研究發現根系分泌物中的有機酸和氫離子促進解磷微生物解磷能力的提升。 另外，根系分泌物濃度對解磷微生物的解磷能力具有抑制作用，王玉書[21]研究表明空心蓮子草根系分泌物濃度升高，解磷微生物分解有機酸和氫離子的速率降低，從而抑制解磷微生物的解磷量；黃連根系分泌物的濃度提高，則解磷微生物B07 和B09 的溶磷量也顯著降低。

2 根系分泌物主要成分對解磷微生物的影響

2.1 糖類

糖類是植物根際解磷微生物重要的能源物質，對根際解磷微生物的聚集、解磷能力、解磷酶活性、種群數量及群落組成具有重大影響，且糖的種類和濃度不同對解磷微生物的影響也不同。 根系分泌物中的糖類主要包括葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖等，研究發現根系分泌物中的糖類物質對解磷細菌YL6 有一定的導向性，有助于其在小白菜根際的定殖[33]。 糖類物質對解磷微生物的解磷活性也有很大影響，解磷微生物的解磷能力隨著玉米根系分泌物中糖類物質的增加而增強[34]。在對菜地解磷微生物的研究中發現，糖類物質可以提升解磷微生物的活性，提高植物利用有效磷的效率[35]。 另外小麥根際解磷細菌也可以通過對分泌物中糖類物質的利用提高解磷微生物的解磷活性[36]。 研究表明，分泌物中糖類物質不同，解磷微生物解磷能力也不同，陳令等[37]研究發現葡萄糖為碳源時解磷微生物解磷效果最好；韋宜慧等[38]發現蔗糖為碳源時解磷微生物解磷效果最好；劉小玉等[39]也發現蔗糖為碳源時解磷微生物的解磷效果最好。 此外，不同濃度糖類物質會造成土壤環境碳氮比和碳磷比不同，從而導致解磷能力與種群分布的差別，在對棗樹根際解磷微生物的研究中發現，當碳氮比為35∶1 時，解磷菌株P7 的解磷能力最強[40]。 劉小玉等[39]在對油茶根際解磷微生物的研究中發現當碳氮比為40∶1時，解磷微生物的解磷效果最好。 虞偉斌等[41]研究報道碳氮比為8∶1 時解磷菌K3 溶解磷酸三鈣的能力較強，解磷量最高。 在對馬尾松根際溶磷細菌的研究中發現當碳氮比為10∶1 時解磷菌株WJ2 的解磷能力最強[42]。 另外，碳磷比不同對解磷微生物群落組成和多樣性也有很大影響，研究表明黑麥草根際土壤中碳磷比較高，顯著增加酸桿菌門、降低α-變形菌門相對豐度[43]。 水芹根際土壤中碳磷比增高顯著改變細菌群落組成，厚壁菌門和β-變形菌門數量顯著增加[44]。 種植水稻土壤中碳磷比提高，纖維孤菌屬和粘球菌屬顯著增加，而伯克霍氏菌屬顯著降低，且當碳磷比小于200 時堿性磷酸酶活性增加，解磷微生物的豐度增加[45]；當碳磷比大于300 時解磷微生物則具有固定磷素的能力[46]。

2.2 氨基酸類

根系分泌物中的氨基酸物質對解磷微生物的定殖、生物量、解磷活性和生物膜形成有重要作用，蔣益[47]研究發現番茄根系分泌物中的天冬氨酸、谷氨酸和賴氨酸是影響菌株能否在根部成功定殖的重要物質。 李碩[48]的研究表明巨大芽孢桿菌通過對氨基酸的利用促進茄苗的生長發育。胡小加等[49]的研究表明油菜根系分泌物促進枯草芽孢桿菌的聚集，從而提升其溶解無機磷的能力。 沈仁芳等[50]發現蔬菜根系分泌氨基酸可吸引根際促生菌在根際定殖。 董麗紅等[51]研究報道精氨酸、丙氨酸、賴氨酸等氨基酸對枯草芽孢桿菌NCD-2 菌株的聚集具有重要作用。 氨基酸對解磷微生物的生物量也有影響，巨大芽孢桿菌用氨基酸處理后，其生物量大幅提升[48]。 張超等[52]研究發現枯草芽孢桿菌通過添加天冬氨酸、苯丙氨酸和谷氨酸，產量大幅提高。 此外氨基酸對解磷微生物解磷活性也有影響，研究發現蘇丹草和玉米根系分泌的氨基酸物質，可提升解磷微生物的活性，從而提升可用磷量，促進植物生長發育[53]。 朱麗霞等[54]研究也發現，玉米和蘇丹草在缺磷情況下會分泌氨基酸提高解磷微生物的解磷活性。 此外，氨基酸不僅可以提升解磷微生物的解磷能力，還可以提升植物抗逆性[55]。 研究顯示纈氨酸可以促進銅綠假單胞桿菌生物膜的形成[56]。 氨基酸種類不同對解磷微生物生物膜形成的作用也不同，董麗紅等[51]研究發現枯草芽孢桿菌NCD-2 經脯氨酸、賴氨酸和纈氨酸處理后菌株的生物膜生成能力明顯提升。

2.3 有機酸類

植物根系分泌物中的有機酸主要包括草酸、琥珀酸、丙酮酸、蘋果酸、丁酮二酸和延胡索酸等[57]，其對解磷微生物的生長定殖、種群數量及其導致的pH 值變化對解磷微生物都有重要影響。 研究表明根際土壤中有機酸含量很低，但也顯著高于非根際土壤[58-59]。 已有研究發現水稻根際解無機磷細菌的數量在成熟期最大，根系分泌物中的琥珀酸與解無機磷微生物的數量呈正相關趨勢[60]。 顧金剛等[61]研究報道有機酸促進熒光假單胞菌RB-89、RB-42 在煙草根際生長繁殖。 另有研究表明，番茄根系分泌的有機酸是假單胞菌在其根部生長繁殖的重要條件之一[62]。此外，根系分泌物中的L-蘋果酸能夠吸引枯草芽孢桿菌的生長定殖[63]。 Ling 等[64]也發現西瓜根系分泌的蘋果酸和檸檬酸能吸引多粘類芽孢桿菌的定殖。 Tan 等[65]研究發現番茄根系分泌的蘋果酸、檸檬酸和琥珀酸促進了解磷微生物T-5 在根際的生長繁殖。 另外，根系分泌有機酸使根際解磷微生物功能群種類數量發生變化，在低磷水平下，有機酸分泌量高，導致酸桿菌門和放線菌的相對豐度顯著增加[66]。 有機酸分泌量不同導致土壤pH 值不同，從而間接影響根際解磷微生物群落，pH 值在3.8 ～4.3 之間時，綠彎菌和放線菌為主要菌落；pH 值在5.6 ～6.1 之間時，厚壁菌門為主要種群；pH 值在6.7～7.8 之間時，綠彎菌門、變形菌門和放線菌最為豐富[43]。

2.4 酮類

酮類物質對根際解磷微生物的集聚、生物量、細胞結構以及作為信號因子影響根瘤菌結瘤都有重要影響。 研究發現澳洲堅果根系分泌物的黃酮類物質對AM 真菌有促生作用，可以促進真菌孢子萌發、菌絲生長和孢子生長聚集[67]。 酮類物質可以作為信號因子促進根瘤菌結瘤，張琴等[68]研究豆科植物根瘤菌結瘤因子發現，豆科植物根系分泌物中的類黃酮物質可以誘導根瘤菌在根部的定殖和結瘤。 此外，豆科植物中這種類黃酮物質可以作為信號因子促進細胞內Ca2+濃度的快速增加，推動根瘤菌結瘤[69]。 國外研究者也發現苜蓿根系分泌物中的黃酮類物質可以促進根瘤菌結瘤[70]。 大豆根系分泌物中的兩種黃酮類物質可以提升菌株生長量近3 倍[71]。 另有研究表明空心蓮子草內多種類黃酮類化感物質，能夠破壞細胞膜的結構，導致生長發育功能出現障礙[72-73]。

2.5 酚酸類

植物根系分泌物中的酚類化合物對解磷微生物的生長定殖、生物量以及解磷能力影響巨大。研究發現，植物根系分泌的酚類化合物可引導一些特異性解磷微生物種群的聚集[74]。 當苯酚濃度為0.01～0.2 0 mg/mL 時，解磷微生物巨大芽孢桿菌F71 的數量得到極大提升[31]。 馬瑞霞等[75]研究表明一定濃度苯甲酸顯著促進枯草芽孢桿菌的生長發育，而阿魏酸則對其生物量有抑制作用。郝文雅等[76]研究發現西瓜根系分泌物中芬酸類物質能夠提升尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)的孢子數量。 Sood[77]研究表明番茄根部分泌的酸液能誘導熒光假單胞桿菌(Pseudomonas fluorescens)的定殖。 空心蓮子草根系分泌物中的酚酸類化感成分可以抑制無機磷細菌分泌有機酸和氫離子，從而影響無機磷細菌的解磷能力[21]。 另外，酚類物質的濃度對解磷微生物的解磷能力也有影響。 研究發現，黃頂菊根系分泌物中苯酚濃度為0.1 mg/mL 時，能夠大幅提升土壤有效磷含量[31]。

2.6 其它類

植物根系分泌物中的一些維生素如維生素B6可以使土壤中解磷微生物的相對豐度發生改變，毛云飛等[78]研究發現以10 g/株維生素B6處理蘋果樹，提高了其根際土壤細菌中變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)的相對豐度，降低了擬桿菌門(Bacteroidetes)和酸桿菌門(Acidobacteria)的相對豐度；提高了真菌中擔子菌門(Basidiomycota)的相對豐度，降低了接合菌門(Zygomycota)的相對豐度。 根系分泌物也會分泌一些生物堿類物質，對解磷微生物的生長具有抑制作用。 研究發現，在黃連的根系分泌物中，小檗堿成分含量最高而且其化感作用最強[79]。 小檗堿是黃連的活性成分之一，會對銅綠假單胞菌細胞的膜蛋白和流動性產生不利影響，從而阻礙其生長繁殖[80]。

3 展望

截至目前，國內外學者對以根系分泌物為介導的植物和根際解磷微生物的相關研究取得了積極進展，根際解磷微生物在促進磷素吸收和利用等方面發揮重要作用，但對其不同種類和功能機制以及與農作物根系相互作用等方面的研究還相對薄弱[46，81]。 將根系分泌物和根際解磷微生物功能群結合起來，探討它們的互作如何促進植物磷素高效吸收和利用的相關研究報道也很少。 今后要進一步開展以解磷微生物為介導的植物-解磷微生物-土壤之間的反饋機制研究，運用原位觀測根系互作的先進技術如熒光標記技術、DNA標記技術、正電子發射斷層掃描技術及核磁共振成像技術，實現根系二維或三維的動態可視化，從而加深對根際互作機制的理解，以及其在影響植物營養成分利用效率、調控營養及能量在根-土界面中的遷移轉化及利用規律的機制研究[82-84]。

隨著分子技術的發展和對微觀世界認知的不斷提高，土壤生態學家在根際解磷微生物促進植物磷素吸收利用方面的研究正不斷加強[85-86]。通過采用宏基因組、DNA 指紋圖譜和基因標記等分子生物學技術，揭示解磷微生物解磷機制及其與病原菌的互作、宿主植物的識別機制等，開展影響根際土壤微生物中活化磷素的關鍵功能群和磷循環功能基因的相關研究，以及進行磷高效基因型植物鑒定、磷高效基因型植株培育等方面的研究、試驗與示范應用。

根系分泌物的變化與植物種類、重金屬類型等多種因素也有關聯，在根系分泌物研究領域取得的成果不斷增多[87]。 加大對不同磷水平下根系分泌物類型和成分的研究力度，進一步探討其對有效磷的轉化機制。 強化根系分泌物與解磷微生物相互作用的研究以及在實際生產過程中的應用。 研究根系分泌物與土壤微生物、土壤動物的互作機理，并鑒定、篩選、分離其有益成分，制作生物農藥化肥，明確其在土壤中的遷移、轉化、滯留過程等，以提高其在土壤中的效力和持續時間。通過對不同類型植物根系分泌物成分和變化規律的研究，開發土壤磷素活化劑，搭配特有種植體系如套作和農-林復合體系等，為提升農作物產量和品質、國家化肥減施增效為目標的綠色和可持續發展提供可行性技術參考。