植物根系分泌物组成、释放机制和收集技术研究进展

罗 阳 陈 原 丁 娜 贺 瑶 赵浩天

1.贵州正业工程技术投资有限公司，贵州 贵阳 550002；2.桂林理工大学环境科学与工程学院，广西 桂林 541004；3.南宁理工学院，广西 桂林 541006

0 引言

20 世纪初，德国微生物学家Lorenz Hiltner首次提出了根际的概念［1］。根际是植物根系与土壤之间进行物质和能量交换的直接界面，是微生物和无脊椎动物聚集的主要区域，是地球上最活跃的界面之一［2］。根系分泌物是植物根系与土壤之间物质循环、能量交换和信息传递的重要载体［3］。近年来，科学家对植物根系分泌物的组成、释放机制进行了大量研究，发现膜蛋白家族能介导根系分泌物的释放［4］，同时根系分泌物的组成受植物种类、生长阶段、环境因素、土壤养分条件和重金属胁迫等因素的影响［5-6］。为了获取根系分泌物的组分与含量信息，科学家研究了多种根系分泌物的收集方法。笔者对植物根系分泌物的组成、释放机制、影响因素及收集方式等进行综述，了解现有相关研究的不足，以便今后相关学者进一步开展相关研究。

1 植物根系分泌物的组成和释放机制

1.1 植物根系分泌物的组成

根系分泌物是植物根系在整个生长阶段向外界环境释放的各种化合物的总称。植物根系分泌物的成分复杂多样，学术界对其分类一直存在争议，广义的根系分泌物可分为渗出物、分泌物、黏胶质、裂解物4 类物质。但目前，学术界普遍将根系分泌物分为初级和次级代谢物（见表1）。初级代谢物包括糖、氨基酸和有机酸，次级代谢物包括类黄酮、硫代葡萄糖苷和生长素，一般初级代谢物比次级代谢物分泌得更多。研究表明，这些代谢物已经在拟南芥、大豆、水稻等植物中得到鉴定和量化［7］。

表1 植物根系分泌物种类和组分

1.2 植物根系分泌物释放机制

近年来，科学家在分析根系分泌物和根际微生物之间的相互作用方面取得了重要的研究进展，但对根系分泌物的分泌机制仍然知之甚少。根系分泌物主要通过跨膜运输释放，根据运输方式可分为被动运输和主动运输，被动运输主要分为扩散、离子通道和囊泡运输3 种途径（见图1）［8］。在扩散过程中，糖、氨基酸、羧酸和酚类等低分子量物质通过脂质膜的渗透性进行传递。这种被动扩散过程取决于根细胞膜的渗透性及渗出化合物的极性。离子通道负责碳水化合物和特定羧酸盐（柠檬酸盐、苹果酸盐和草酸盐）的分泌。离子通道是通过蛋白质介导的运输机制实现跨膜运输的［9］。离子通道可分为慢阴离子通道（Slow Anion Channels，SLACs）和 快 阴 离 子 通 道（Quick Anion Channels，QUACs）两种类型，前者需要几秒激活，而后者只需要几毫秒［9］。研究表明，当土壤中存在过量Al3+时，会促进植物根系分泌有机酸（主要为苹果酸），有机酸能螯合并灭活Al3+，从而促使阴离子通道介导有机酸外排［10］。当根际分泌黏液、多糖、蛋白质等高分子量物质时，一般涉及囊泡运输，这个过程也被称为“胞吐”，分泌的代谢物一般来自内质网和高尔基体［11］。除3种被动运输方式外，根系分泌物还可以通过位于根质膜中的蛋白质进行主动运输。转运蛋白是一类具有跨膜转运功能的蛋白质，通常以寡聚物的形式嵌入生物膜，形成独特的通道结构。转运蛋白根据是否具有ATP结合域分为两类：ATP-结合框转运蛋白（ATP-Binding Cassette，ABC）和多药和毒性化合物排出转运蛋白（Multidrug and Toxic Compound Extrusion Transport‐ers，MATE）。ABC 转运蛋白被认为是初级转运蛋白，因为其利用ATP 在水解过程中获得能量来转移溶质，而MATE 转运蛋白被认为是次级活性转运蛋白，其利用电化学梯度让不同化合物实现跨膜运输［12］。

图1 植物根系分泌物释放机制

2 植物根系分泌物的影响因素

根系分泌物的组成和含量受植物基因型的影响，因此，不同种类植物的根系分泌物的组成和含量存在先天差异［13］。然而，除了先天的基因型影响，植物的生长环境（养分、重金属含量、含水量、CO2浓度、光照度和土壤微生物）和生长阶段也会影响根分泌物的组成和含量［14］。

2.1 植物种类和生长阶段

不同植物种类的根系分泌物的数量和含量各不相同。研究表明，大麦根系分泌物中含有10.8%氨基酸、47.2%有机酸、2.8%脂肪酸、15.0%糖类及15.0%磷酸，玉米根系分泌物中含有5.7%氨基酸、27.8%有机酸、13.0%脂肪酸、17.8%糖类、24.0%磷酸和9.6%尿素［14］。刘欣宇等［15］研究表明，大豆、油菜、大白菜、刺槐、人参和丹参根系分泌物中均含有酯类物质，而蚕豆根系分泌物中没有。此外，科学家还发现，植物品种也影响根系分泌物的类型。Du 等［16］量化了两个不同品种水稻根际分泌的有机酸，发现其存在显著差异，积累高邻苯二甲酸酯的水稻品种分泌的草酸、柠檬酸和丙二酸的含量是另一个品种的2 倍。另外，同一植物在不同的生长阶段，根系分泌物的组成和含量也有很大差异。有研究表明，拟南芥根系分泌物的组成随着植物的生长而变化，糖和糖醇的分泌水平在植物生长早期阶段较高，随着植物的生长，糖和糖醇的分泌水平逐渐降低，而氨基酸和酚类物质的分泌水平逐渐增高［17］。Neumann 等［18］研究表明，土壤缺磷会诱导白扇羽豆产生簇根，簇根形成初期会分泌较多的苹果酸，簇根形成后期会释放更多的柠檬酸。

2.2 植物生长环境

植物的生长环境时刻影响着植物的生理状态。当植物面临土壤养分供应不足和重金属胁迫时，根系会分泌不同的化合物帮助植物适应环境变化以获取营养和抵抗胁迫。Khorassani 等［19］研究表明，土壤缺磷会增加甜菜中有机酸（柠檬酸和水杨酸）的含量，以此提高土壤中磷的有效性。Carvalhais等［20］研究发现，土壤中铁和钾的缺失往往会提高玉米根系分泌物中糖和有机酸的含量。大量研究也表明，植物在重金属胁迫下会显著改变根系分泌物的组成和含量。Fu 等［21］发现，在镉胁迫下，水稻根系分泌物中含有较多的有机酸（包括草酸、酒石酸、苹果酸、柠檬酸和乙酸）和氨基酸（包括赖氨酸、甘氨酸、丙氨酸、蛋氨酸和组氨酸），其中酒石酸和组氨酸含量最高。Zhao 等［22］研究发现，铜可以诱导黄瓜中苏氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸和多酚的积累，同时有机酸和氨基酸可以帮助植物应对铜胁迫。土壤是植物赖以生存的环境，干旱和洪水会使植物分泌相关的代谢物应对这种胁迫。干旱会增加土壤颗粒对植物根系的压力，刺激植物根系分泌黏液，使土壤颗粒覆盖在根表面形成根鞘，以减少水分流失。Henry 等［23］研究发现，干旱使冰草植物根分泌物中的总有机碳增加71%，琥珀酸、富马酸和苹果酸的分泌量增加，而淹水使根分泌物中的总有机碳增加45%，草酸和丙二酸的分泌量增加。温度能够影响植物的光合作用和呼吸作用，因此，温度对植物根系分泌物的组成和含量均有影响。马志良［24］研究发现，高温能显著提高窄叶鲜卑花根系分泌物中碳和氮的通量，分别增加了57.2%和46.9%。另外，研究发现CO2浓度和光照度也能影响根系分泌物的种类和含量。Goufo 等［25］研究发现，随着CO2浓度的升高，成熟水稻根际大多数酚类化合物的浓度显著增加。Martin 等［26］研究表明，低光照会改变海草根系分泌物，减少植物根际的有益微生物。根系分泌物作用于根系周围的环境，产生根际效应。根际微生物定殖于植物根际，能分解和转化根系分泌物和脱落物，在改变根系分泌物方面发挥着重要作用。由于根际微生物的存在，根系分泌物大量增加。Prikryl等［27］发现，小麦根系分泌物在自然条件下是灭菌条件下的2倍，表明根际微生物刺激了根系分泌物的释放。

3 植物根系分泌物的收集方式

3.1 溶液培养收集法

溶液培养收集法是通过在溶液中培养植物来获取根系分泌物，传统的溶液培养收集法一般指水培法。该方法使用无菌水冲洗植物根系，将其放在含有微生物抑制剂的超纯水中培养一段时间，取出植物后收集培养液过滤，用树脂去除营养离子，获得根系分泌物。例如，Tu 等［28］利用霍格兰营养液培养植株2 d，用浸根法收集根系分泌物，分离测定植酸和草酸。水培法易于操作，在收集根系分泌物时几乎不会对植物根系造成损害，且能较好地控制无菌条件，避免微生物分解和利用根系分泌物。但水培环境易导致植物根系缺氧，同时缺乏根际微生物的反馈调节和土壤颗粒的机械压缩，从而影响植物根系的形态和根系分泌物的含量［12］。因此，水培法主要应用于实验室样品根系分泌物的收集，在收集过程中要尽量缩短时间，防止缺氧对植物根系造成损害。

3.2 土壤培养收集法

Petriacq 等［29］研究玉米根际土壤化学性质时利用了土壤培养收集法。土壤培养收集法是将植物种植于土壤中，生长一段时间后将植物从土壤中移出，用蒸馏水冲洗植物根际土壤，再通过离心和过滤获得根系分泌物。土壤颗粒会对植物根系产生一定的压力，从而刺激植物根系分泌化合物。因此，采用此方法时，植物每克干质量产生的根系分泌物含量可能高于水培条件下收集的根系分泌物含量。但采用这种方法需要提取植物根际土壤溶液，且土壤成分复杂，无法消除土壤中微生物的影响。同时，采用土壤培养收集法会对植物根系造成损害，导致收集的植物根系分泌物中含有内含物和根系汁液。

3.3 基质培养收集法

基质培养收集法与土壤培养收集法相似，仅植物的生长介质不同，常用的基质有石英砂、琼脂、蛭石、人造营养土等。植物在基质中种植一段时间后，将石英砂等浸泡在蒸馏水或有机溶剂中，以提取黏附在基质中的有机物，再将收集到的饱和溶液浓缩过滤得到根系分泌物。Kudoyarova 等［30］将小麦幼苗种植在石英砂基质中进行根系分泌物的收集。采用石英砂培养收集法时，不仅管理方便，而且石英砂透气性和惰性强，很难与根系分泌物发生化学反应，可以得到更多的分泌物。因此，在收集根系分泌物时石英砂常代替土壤作为植物生长基质。但基质培养收集法也有一定的缺点，如玻璃珠、石英砂等基质保水能力较差，缺乏植物所需的营养元素，将其作为基质时常需要添加营养液供给植物所需的营养元素和水分。同时，在植物生长过程中要注意基质中苔藓的生长，其可能对整个试验造成干扰。

3.4 连续收集法和原位收集法

目前，科学家对传统的根系分泌物收集方法做了一定的改进与创新，连续收集法和原位收集法逐渐进入人们的视野。连续收集法要求将植物移植到底部带有根系分泌物收集器的培养基质中，并定期注入适量培养液。采用连续收集法时，根系分泌物中的有机物在收集器中不断富集，而含有无机离子的培养液由气泡驱动进入充气泵的培养容器中，从而使液体循环流动。采用连续收集法能对植物根系分泌物进行连续、实时地收集，同时不会损害植物根系，能够保持无菌条件，从而避免微生物的影响。但该方法需要在特定的装置内进行，且该装置需要定期维护。王占义等［31］设计了一种新型的根系分泌物收集装置，用于大豆根系有机酸分泌的研究。原位收集法是指利用特殊器具，对植物根际土壤溶液或者土壤进行原位采集后处理得到根系分泌物。采用原位收集法能对植物真实的根系分泌情况进行实时监测，但难以避免自然条件下微生物和土壤成分对根系分泌物产生的影响。质谱成像（Mass Spectrometry Imaging，MSI）是一种能够原位揭示目标样品中多种分子分布的方法。与其他成像技术相比，MSI可以创建离子图像，用来研究化合物的功能和起源。

4 结论与展望

4.1 结论

植物通过被动运输和主动运输的方式不断向根际释放各种化合物，这些化合物被称为根系分泌物。研究表明，植物种类、生长阶段和生长环境是根系分泌物组成、含量及释放机制的关键影响因素。同时，植物根系分泌物在改善土壤理化性质、促进植物养分吸收和缓解环境胁迫等方面发挥着重要作用。此外，笔者对根系分泌物的收集方法做了总结，认为传统的根系分泌物收集方式具有一定局限性，连续收集法和原位收集法能较好地还原植物根际真实的情况，有较高的科学研究价值及应用价值。

4.2 展望

基于上述研究综述，我国学者可以从以下方向开展进一步研究：①近年来关于植物根系分泌物原位收集法和连续收集法的模拟试验越来越多，新型试验技术在一定程度上解决了之前根系分泌物收集方面的问题，但新型技术只能对少部分根系分泌物组分进行分析，很多未知组分有待研究；②目前关于根系分泌物组分的研究还集中在总量分析上，缺乏对特定物质的分析，未来应综合利用代谢组学、基因组学、转录组学和蛋白组学了解植物在应对各种胁迫时特定物质的响应规律；③根系分泌物在调节植物生长发育与根际微生物群落结构中发挥着重要作用，但其相互作用机制还不清楚，亟待进行深入研究。