根系分泌物介導的植物對土傳病害的抗性機制

方天一 岳艷玲

（云南農業大學園林園藝學院，昆明 650201）

植物根系在從土壤中吸收水分和養分的同時，也會持續的向外界釋放各類有機化合物、質子和無機分子［1］，這類物質被統稱為根系分泌物（root exudates）。研究發現，植物光合作用所固定的碳有五分之一被用于根系分泌物的合成［2-3］。并通過擴散、離子通道、囊泡、外流載體等方式向根外釋放［4］。在促進植物根系發育、改善土壤結構和環境、穩定土壤菌群結構等方面起著重要作用（圖1），是植物適應外界環境的重要策略。

圖1 植物根系分泌物作用圖Fig.1 Diagram of the action of plant root exudates

生物脅迫，特別是由土壤病原微生物感染引起的土傳病害（soil?borne diseases），對植物生產構成重大威脅。這些疾病通過各種渠道迅速傳播，危害植物的根和莖，嚴重影響作物生產。近年來，猝倒病、枯萎病、根腐病、枯萎病、黃萎病、菌核病、青枯病、根結線蟲等病害造成了較大損失。復雜的土壤環境、嚴格的滅菌流程、艱巨的防控措施，種種因素導致土壤一旦被病原微生物污染，恢復難度很大。這對植物健康和可持續生產構成嚴重威脅。

本文針對土傳病害，以植物根系分泌物為切入點，著重從土壤病原脅迫下植物根系分泌物的表達特征、抗性分泌物及其介導的抗性機制等方面進行綜述和探討，為深入研究植物抗土傳病害機理提供參考，對防控植物土傳病害具有重要意義。

1 土壤病原脅迫下植物根系分泌物的表達特征

1.1 根系分泌物的組成

根系分泌物是植物根系在生長過程中向其生存介質中釋放的多樣物質，包括分泌物質、滲出物質、黏膠物質、植物殘根及其分解的產物［5］。這些物質在植物生長過程起著促進生長或抑制生長的作用。1969 年Rovira［6］將根系分泌物分為三類：（1）大分子有機物（糖、蛋白質等）；（2）小分子酸、酚等；（3）生長激素、黃酮等。

1.2 土壤病原脅迫下根生系分泌物表達差異

植物定植后會通過交互作用以及化感作用對其所處位置的土壤環境進行改造，以改變土壤的酸堿度、分泌誘導物質（如酚類）等方式吸引有利于自身發展的細菌或真菌定居于此，形成一個穩定性較好的微生態圈，塑造出利于自身生長的環境［7-8］。但這種微生態易受到很多環境因素的影響，外界環境始終對植物有脅迫作用，這種脅迫通常被分為物理（光、溫、水）、化學（水楊酸、鋁離子）、生物（微生物、昆蟲）三大類，植物對于脅迫最直接的反應就是其根系分泌物種類和數量的改變，這是植物適應環境后的結果。

植物在染上病原菌后會對代謝途徑進行調控［9］。現有研究表明植物在受病原菌侵染時會通過從頭合成并分泌具有抗菌功能的化合物［10］，這可能介導植物的自然抗病。在植物相對脆弱的生長階段，受病原菌侵襲后其根系會分泌苯并惡嗪類化合物（benzoxazine），這類化合物將對植株有益的菌富集在其根際，抑制有害菌的生長發育，同時植株中有機酸（organic acid）、碳水化合物（carbohydrate）、抗壞血酸（ascorbic acid）、硫代葡萄糖苷（glucosinolates）和羥基肉桂酸（hydroxycinnamic acid）的濃度增加，間接提高了植物的抗性［11-14］。Korenblum 等［15］提出系統誘導的代謝物根系滲出（systemically induced root exudation of metabolites，SIREM）的概念，作者認為植物在面對不同根系微生物時其分泌的根系分泌物會根據微生物種類發生特定的系統性變化，例如，酰基糖次級代謝物的分泌是由芽孢桿菌屬相關細菌的局部定植引發的，說明植物對于不同根系微生物群落的環境，其代謝模式會有一定程度的改變。

1.3 抗病品種和感病品種根系分泌物表達的差異

研究發現對于某種病害的抗感品種其根系分泌物存在顯著的差異，香蕉抗性品種的根系分泌物中游離氨基酸和有機酸的含量高于易感品種，其中乙酸和脯氨酸的含量分別為易感品種的3.7 倍和2.4倍，抗性品種的根系分泌物顯著抑制尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）的孢子萌發［16］。Zhang 等［17］研究表明黑脛病的抗感品種煙草的根系分泌物包括有機酸、生物堿（alkaloid）、脂肪酸（fatty acid）和酯等均不同，抗性品種中苯丙烷（phenylpropane）以及水楊酸（salicylic acid）、脂肪酸、6?羥基己酸（6?hydroxyhexanoic acid）和 氫 化 茉 莉 酮 酸 酯（hydrogenated jasmonate ester）等物質含量高于易感品種。花生感病品種根系分泌物中糖、丙氨酸、總氨基酸的含量顯著高于抗性品種，而對羥基苯甲酸（p?hydroxybenzoic acid）、苯甲酸（benzoic acid）、對香豆酸（p?coumaric acid）和總酚酸的含量顯著低于抗性品種［18］。除此之外本文列舉了幾種已被研究的植物土傳病害對應的抗性根系分泌物（表1）。

表1 抗性功能根系分泌物Table 1 Root exudates with resistance function

2 抗性根系分泌物代謝途徑

植物在長期的與病原菌對抗生存中，逐漸進化出了復雜的防御系統，這種防御系統可以被根系分泌物所激活并增強［24］。植物對病原菌的免疫反應主要包括病原侵染過程中植物識別病原相關分子模式（pathogen?associated molecular patterns, PAMPs）激發的免疫反應（PAMP?triggered immunity, PTI）、植物釋放的損傷相關分子模式（danger?or?damage associated molecular patterns, DAMPs）激發的免疫反應（DAMP?triggered immunity, DTI）以及侵染后植物識別效應因子被PRR 受體識別所激發的免疫反應［25-27］，細胞產生活性氧（ROS）以抑制或殺滅病原菌并且啟動一系列下游防御基因釋放抗性化學物質，此后通過跨膜載體蛋白擴散或外排載體和通道蛋白運輸至根際［28-29］，此為植物的第一套防御機制模式觸發免疫（PAMP?triggered Immunity, PTI）；然而少數病原菌進化出了相應的對策，可以釋放毒性因子（效應子）來抑制PTI 途徑，這時候植物會啟動第二套防御機制效應子觸發免疫（effector?triggered immunity，ETI），由NLR 受體接受效應子信號，通過MAPK 反應級聯與PTI 共同啟動下游防御反應，此外在PTI 無法處理的情況下會誘導受染細胞的超敏性死亡（HR）［30-31］。研究表明植物的第一層免疫系統（PTI）對激活第二層免疫系統（ETI）輸出正常的免疫反應，尤其是在調控活性氧的產生方面起重要作用。活性氧作為能夠直接殺死病原菌的分子，以及放大植物其他免疫事件的信號，對植物抵抗病原菌的入侵具有重要作用（圖2）。結合近20 年左右的研究成果，完整的植物免疫信號轉導由細胞表面的膜受體如PRR 識別PAMP 并招募共受體BAK1起始，信號由此傳遞至胞內經由RLCK VII?4 激活MEKK1?MKK1/MKK2?MPK4（MAPK）信號級聯，并借由MPK4 底物MKS1/WRKY33 啟動抗病響應基因（例如PAD3 等）的表達分泌多種抗性物質，再由胞間連絲、載體蛋白、細胞間隙（圖1）釋放至根系［29］，最終完成植物抗病的調節過程［32］。

圖2 與植物自身免疫聯系的抗性分泌物代謝途徑Fig.2 Metabolic pathways of resistant exudates linked to plant autoimmunity

3 抗性機制

3.1 根系分泌物作用于病原微生物

除了激活植物本身的抗性機制，現有的研究表明植物對病原菌的抵抗是由根系分泌物直接或間接參與其中的，這些根系分泌物會誘導植物本身的抗病信號傳導以及激活其防御反應［33-34］。

多數研究表明根系分泌物對土壤病原微生物有著抑制作用：番茄根系分泌物鄰苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate）能明顯抑制根節線蟲卵的孵化以及殺傷2 齡的根節線蟲（J2），并且抗性根系分泌物對于根節線蟲有明顯的排斥作用［35］；人參根系分泌物中的有機酸以及皂苷可以直接抑制部分有害菌的活性，而對于生防菌有偏利作用［36］；光果甘草（Glycyrrhiza glabra L.）的根系分泌物中除了對香豆酸（coumalic acid）對腐皮鐮刀菌（Fusarium solani）有促進萌發作用，其余的8 種酚酸類物質包括綠原酸（chlorogenic acid）、沒食子酸（gallic acid）、 水 楊 酸（salicylic acid）、 對 羥 基 苯 甲 酸（p?Hydroxybenzoic acid）等均能抑制尖孢鐮刀菌和腐皮鐮刀菌的生長和繁殖，阻礙根腐病的發生［37］。陳娜等［38］通過對根系分泌物中酚酸種類和含量的測定,及其對煙草青枯病病原菌的抑制作用，發現低濃度的酚酸會促進青枯菌（Ralstonia solanacearum）菌絲的生長，而高濃度的酚酸則表現出抑制作用。同一類型的有機酸或者皂苷也存在抑制病原菌抑或促進病原菌的物質，如苯甲酸、阿魏酸等［39-40］。所以濃度效應和宿主類型也是決定根系分泌物抑病作用的關鍵。因此，對部分特殊的抗性根系分泌物還有待重新定義。

研究表明，大麥在接種禾谷鐮刀菌（Fusarium graminearum）2 d 后t?肉桂酸（t cinnamic acid）、對香豆酸（4?hydroxycinnamic acid）、阿魏酸（ferulicacid）、丁香酸（syringic acid）和香草酸（vanillic acid）這5種苯丙素類抗菌物質被大量分泌，并強烈抑制或殺滅病原菌［10］。研究發現抗性煙草會分泌苯丙烷以及水楊酸、脂肪酸、6?羥基己酸（6?hydroxyhexanoate）和氫化茉莉酮酸酯（Hydrogenated jasmonate）等以防御病原微生物［17,41-43］。

綜合來看，植物介導抗性的根系分泌物大致分為黃酮類、苯丙烷類、酚類、酯類以及萜類化合物，這些物質大都來自糖酵解/糖異生、苯丙烷合成、類黃酮生物合成和亞油酸等相關途徑［43-44］。植物在被病原菌侵染后會激發多種信號通路以達到快速啟動防御反應的效果，這些信號通路會啟動防御功能不同的基因表達，其中包括功能多樣的抗病蛋白、轉錄因子以及代謝物和產生抗病激素的基因（如OsALDH2B1、BSRD1、GRF9、HD16、DWARF11、GLW7/SPL13 和EBR1 等）［45］；通過抗性基因表達直接分泌大量抗性物質殺滅或抑制病原菌［46］，揭示了根系分泌物直接介導土傳病害的抗性機制，但其中關鍵的調控基因仍需挖掘。

3.2 根系分泌物改善土壤環境

根系分泌物可以通過調控土壤微生物進而影響土壤質量，Zhang 等［47］認為植物根系釋放各種有機物質，促進土壤中有機物的分解，提高土水接觸面，增加水分下滲，從而達到調節土壤溫度、提高水分利用率、降低土壤蒸發等作用［14］。

植物不同生長時期的根系分泌物對土壤塑造也存在差異，在植物生長緩慢的時期，土壤中因植物代謝產生的組織碎屑較少且含氮量低，這使得土壤真菌的豐度更甚，導致土壤營養循環速度的降低，從而土壤肥力下降，而在快速生長時期植物會向土壤釋放更多的資源，促使細菌繁衍，加快養分循環速度，使土壤肥力提高［48］。張海龍等［49］發現根系分泌物中的碳氮比對于土壤性質有重要意義，碳氮比在10 時，土壤有機碳會加速分解，而在100 時則延緩有機碳的分解，并且隨著根系分泌物碳氮比的增加，土壤銨態氮含量降低，所以不同的植物根系微生物的組成比例也因此大不相同，土壤中營養成分以及pH 等因素的改變對于微生物來說是一種篩選，所富集而來的微生物會與植物相互作用，分解土壤中有機質幫助植物吸收并釋放一些化感物質與植物根系分泌物共同塑造土壤的理化性質［50］。

3.3 根系分泌物改善土壤微生物群落組成

在根際環境中根際微生物在植物的生命周期內扮演著重要角色，根際微生物組和植物宿主之間的關系決定了寄主植物的生存命運［51］。研究表明有益菌的數量多于有害菌才能抑制有害菌對植物的侵害［52］，有益菌不僅在植物生長上可以起到固氮、增磷、產生植物生長激素，還能合成鐵的載體、調控乙烯水平以及誘導植物產生抗性［25］。根系分泌物對于根際生物群體的調控有著很大作用，能誘導土壤微生物的活動和生命周期，例如生物膜的形成、種群結構的調整等［53］；Zhuang 等［54］發現紅樹林的根系分泌物會篩選根際的細菌和真菌群落，使對其生長有益的菌群在根際扎根；根系分泌物也會介導抗生素對微生物的毒性，在由根系分泌物塑造的環境中抗生素可以改變菌落結構的組成，并改變了他們的功能特性［55］。Velezensis SQR9 是一種促進黃瓜（Cucumis sativus L.）生長并保護其植株的菌，Feng等［56］研究發現這種菌會受到黃瓜根系分泌物的吸引，通過質譜檢測發現黃瓜根系分泌物中有39 種化學引誘劑，而化學趨避性的物質只有5 種，說明黃瓜在主動塑造根系微生物群落。綜上所述，植物可以依靠根系分泌物對土壤以及根際的生物群落進行塑造，將土壤環境變得適宜自身生長并富集有益菌以抑制病原菌的生長繁殖。

植物根系分泌物除了直接抑制或殺滅病原菌，還有一部分則可以改變根際的微生態環境，例如改變土壤酸堿度、營養結構或釋放一些引誘劑促進有益菌的生長繁殖，占領更多的生態位，以特殊環境條件抑制病原菌的生長從而達到抵抗的作用；這些微生物可以分解有機質、幫助植物根系吸收養分、抵御病原菌的入侵等。目前有研究表明，芽孢桿菌（Bacillus）、假單胞菌科（Pseudomonas）、伯克霍爾德菌科（Burkholderia）、黃單胞菌（Xanthomonas）和放線桿菌（Actinobacteria）對植物有益［57-58］。芽孢桿菌具有很強的抗性，對高溫、紫外線、干燥、輻射等有較強的抵抗力，是多種病原微生物的拮抗細菌，對許多細菌和真菌有顯著的抑制作用［59-60］，如防治灰霉病、白粉病、黑脛病、根腐病、青枯病等。擬南芥（Arabidopsis thaliana L.Heynh.）接種番茄細菌性葉斑病菌后，其根系會分泌大量蘋果酸（malic acid）以促進枯草芽孢桿菌在根系上定殖并形成一層生物膜保護植株免受病原菌侵染［61］；除此之外，番茄葉片被病原菌侵染后，其根系也會向土壤釋放蘋果酸以富集大量可以誘導番茄啟動自身防御的有益菌［62］。近年來也有研究發現植物在沒有被病原菌侵染時也會分泌許多低分子量或高分子量的抗性化合物［63］，被稱為組成型表達（指這類基因的表達不受時期、部位、環境影響），我們猜測這是一種預備防御機制，在病原菌入侵的時候可以立即與其對抗，給植物本身啟動防御系統提供時間。

3.4 根系分泌物對植物根系的影響

目前有大量的研究發現特定的作物間作可以增強作物對土傳病害的抗性，楊帆［64］發現在洋蔥、薄荷等根系分泌物的刺激下，接種根節線蟲的番茄根系多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、超氧化物歧化酶（SOD）的酶活性會顯著提高。并顯著提高了根系的抗病蛋白基因 PR1、多酚氧化酶（PPO）基因、脂氧合酶（LOX）基因相對表達量。呂慧芳［65］、李春霞［66］發現小麥的根系分泌物強烈誘導西瓜根系SA 合成關鍵酶?PAL 酶和BA2H 酶活性的升高，并誘導西瓜根系中抗病相關基因（NPRI、PRI、PR2、WRKY1、WRKY6、WRKY8）、防 御 素 基因（CIPDF2.1、CIPDF2.4）和抗氧化酶基因（CAT、SOD、APX、PPO）的表達時間提前，并且表達量明顯上調。肖靖秀［67］也發現小麥的根系分泌物能夠降低蠶豆枯萎病的發病率以及病情指數。說明根系分泌物可以通過作用于植物根系而提高其對土傳病害的抗性。本文總結了現有的根系分泌物介導植物土傳病害的抗性機制（圖3）。

圖3 根系分泌物介導抗性機制簡圖Fig.3 Sketch of root exudate-mediated resistance mechanisms

4 結論與展望

自然界中，土壤病原菌造成的土傳病害給植物的生長和生產帶來嚴重的負面影響，而根系分泌物在植物抗性調控中尤為重要，其介導植物防御病原菌脅迫時, 主要通過植物根系釋放抑菌活性物質（有機酸、酚酸、萜類化合物等）殺滅或抑制病原菌的直接防御以及與通過分泌物改變土壤環境從而富集有益菌，使土壤的菌落結構發生改變，以此來抑制病原菌生長的間接防御方式提高植物抗性, 保護植物免受侵害。

在目前的研究中，研究者對于根系分泌物種類的鑒定，根際物質遷移和信息傳遞、根際理化環境動態、根際微生物群落特征等方面都取得了很多研究結果，但還有許多方面應深入研究。（1）植物對于病原菌的抵抗涉及的反應太過繁雜，參與調控的途徑更是盤根交錯，為植物抗病的分子機理的研究增添許多困難，后續研究根系分泌物調控機制時可以從上下游差異基因表達的變化入手縮小范圍，關注代謝物的變化，完善根系分泌物調控機制；（2）由于受到土壤中微生物消耗、土壤吸附以及有機質分解等影響, 在真實的土壤環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量存在許多問題，現今根系分泌物的研究多是水培取樣的方法，但自然條件下土壤對植物根系的機械作用是水培所不具備的，由此可能會造成實驗結果的誤差，因此后續的研究應尋找一種可以模擬土壤條件又方便根系分泌物取樣的方法；（3）為了解植物對根際環境的塑造過程，如今已可以使用可視化方法（同位素成像、化學成像、微生物成像等）了解根系分泌物與微生物群落的時空分布關系并建立模型，幫助更深入地研究根系分泌物種類對微生物的作用；（4）根系分泌物介導的植物抗性與植物自身免疫有著潛在的關系，但目前還沒有其詳細調控機制的報道，未來可以從根系分泌物切入，以物質反推代謝途徑，關注途徑中的關鍵調控酶，最后與植物自身免疫聯系，完善植物土傳病害抗性機制。