1、應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報 Chin J Appl Environ Biol Doi: 10.19675/ki.1006-687x.2021.3011收稿日期 Received: 2021-03-05 接受日期 Accepted: 2021-07-20黑龍江省自然科學(xué)基金（YQ2019C005）和黑龍江省博士后科研啟動基金項目（LBH-Q19063）資助 Supported by the Heilongjiang Natural Science Foundation (YQ2019C005) and the Heilongjiang Postdoctoral Research Startup Fund

2、 Project (LBH-Q19063)通訊作者 Corresponding author (E-mail: )植物根系分泌物響應(yīng)非生物脅迫機理研究進(jìn)展李月明1 楊帆1 韓沛霖1 周萬里1 王競紅1 閻秀峰1, 2 藺吉祥1*1 東北林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院 哈爾濱 1500402 溫州大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 溫州 325035摘 要 根系分泌物是指植物在生長過程中，根系的不同部位向其生長介質(zhì)分泌或釋放出種類繁多的一系列物質(zhì)總稱，是植物與土壤進(jìn)行“信息”交換的重要媒介，也是植物在長期進(jìn)化過程中形成的一種適應(yīng)外界環(huán)境變化的重要機制。但一直以來，人們對根系分泌物的認(rèn)知還很有限，缺乏深入的機理性問題解析。

3、基于此，本文從植物根系分泌物的組成與產(chǎn)生機理、根系分泌物對非生物脅迫如鹽堿與干旱脅迫、養(yǎng)分脅迫、金屬脅迫、溫室效應(yīng)（CO2和溫度脅迫）的響應(yīng)機理對國內(nèi)外現(xiàn)有研究進(jìn)行歸納與總結(jié)，研究進(jìn)展表明，各種非生物脅迫可以改變植物根系分泌物的組成和含量，誘導(dǎo)植物分泌大量的物質(zhì)進(jìn)入到根際微環(huán)境中，以抵御逆境脅迫。不同的脅迫類型會刺激植物分泌特定的物質(zhì)，主要有糖類、氨基酸、有機酸和黃酮類等，其中有機酸對環(huán)境脅迫最為敏感。在同一環(huán)境因子脅迫下，不同植物的響應(yīng)不同。最后提出了研究展望，重視實驗方法的深入研究、根系分泌物在化感領(lǐng)域的研究及復(fù)合脅迫因子的協(xié)同作用對根系分泌物的影響等，旨在為明確植物根系分泌物的生理功能、

4、生態(tài)效應(yīng)以及深入挖掘植物響應(yīng)非生物脅迫機理提供一定的科學(xué)依據(jù)。關(guān)鍵詞 根系分泌物；鹽堿脅迫；干旱脅迫；養(yǎng)分脅迫；溫室效應(yīng) Research progress on the mechanism of root exudates in response to abiotic stressesLI Yueming1, YANG Fan1, HAN Peilin1, ZHOU Wanli1, WANG Jinghong1, YAN Xiufeng2, LIN Jixiang1*1 College of Landscape Architecture, Northeast Forestry Univers

5、ity, Harbin 150040, China2 School of Life & Environmental Sciences, Wenzhou university, Wenzhou 325035, ChinaAbstract Root exudates are a series of substances that are secreted or released by different parts of the root system into their surrounding media during the growth of plants. It is an import

6、ant medium for the information interchange between plants and soil, also a kind of mechanism that plants adapt to the external environmental changes during the long-term evolution and growth. However, for a long time, peoples knowledge of root exudates is still very limited, which lacks of advanced

7、considerably mechanism-based analysis. Based on this, the manuscript summarizes the existing domestic and foreign researches on the composition and production mechanism of root exudates, and the progress of mechanism of root exudates in response to abiotic stresses such as salt-alkali and drought st

8、ress, nutrient starvation, metal stress and greenhouse effect (CO2 and temperature stress). Research progress has shown that various abiotic stresses can change the composition and content of root exudates, and induce plants to secrete a large amount of substances into the rhizosphere microenvironme

9、nt to resist adversity stress. Different types of stresses stimulate plants to secrete specific substances, which mainly include carbohydrate, amino acids, organic acids and flavonoids, etc. Among them, organic acids of root exudates are particularly sensitive to environmental stress. Under the same

10、 environmental factor stress, different plants respond differently. Finally put forward the research prospects, such as paying attention to the in-depth study of experimental methods, the research of root exudates in the field of allelopathy and the coordinate effect of compound stress factors on ro

11、ot exudates. Aiming to provide certain scientific basis on clarifying the physiological functions and ecological effects of plant root exudates, and digging deeper into the mechanism of plant response to abiotic stresses.Keywords Root exudates; Salt-alkali stress; Drought stress; Nutrient starvation

12、; Greenhouse effect根系分泌物是指植物在生長過程中，根系的不同部位向其生長介質(zhì)釋放出種類繁多的一系列物質(zhì)總稱，其中包括一些低分子量有機物質(zhì)、高分子的黏膠物質(zhì)、根細(xì)胞脫落物，還有一些氣體、質(zhì)子和養(yǎng)分離子等1。人們最初對根系分泌物的研究可以追溯到18世紀(jì)末期，Plenk等人觀察到植物的根系會向外分泌某些物質(zhì)，從而對鄰近的植株產(chǎn)生促進(jìn)或抑制作用2；之后Hiltner于1904年首次提出了根際（Rhizosphere）的概念，同時指出，根系分泌物的產(chǎn)生是引起植物根際和非根際土壤理化性質(zhì)發(fā)生改變的主要誘因3。20世紀(jì)70年代以后，隨著現(xiàn)代生物分析儀器和技術(shù)手段的迅猛發(fā)展，對于植物根系分

13、泌物生理功能以及生態(tài)效應(yīng)的研究愈發(fā)受到人們的關(guān)注。植物的根系分泌物數(shù)量巨大，同時發(fā)揮著重要的生理功能4。其通過不斷改變自身組分與含量，一定程度改變根際微環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)，從而積極地協(xié)助植物適應(yīng)不同的生物與非生物脅迫環(huán)境因子5。在這一過程中，根系的物質(zhì)滲出模式會發(fā)生改變，具體機制包括根膜的直接擴散、離子通道的轉(zhuǎn)運、囊泡轉(zhuǎn)運等，這也與滲出代謝物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)6。近年來，隨著城市化與工業(yè)化進(jìn)程的加快，引起了一些如溫室效應(yīng)（溫度與CO2濃度增加）、土壤重金屬污染、旱化與鹽漬化的環(huán)境問題7-9。據(jù)報道，我國約有超過2.0109 hm的農(nóng)田受到不同程度的金屬污染（如鎘、鋁、鉛和鈾等）10，同時也有4.5

14、107 hm的農(nóng)田受到了鹽漬化的影響11。植物的生長發(fā)育與繁殖不斷受到非生物（逆境脅迫）、生物環(huán)境因子（競爭和微生物）的作用，而這些因素均可以一定程度在“量”與“性”上改變植物的根系分泌物，誘發(fā)植物分泌大量物質(zhì)至根際微環(huán)境中，以抵御逆境脅迫或生物脅迫。一直以來，由于技術(shù)手段的限制，人們對根系分泌物的認(rèn)知往往集中于宏觀生理生態(tài)學(xué)水平上的初步分析，缺乏細(xì)致、機理性的深入探討。隨著分子生物學(xué)以及生物技術(shù)的高速發(fā)展，利用氣相色譜法（GC）、氣質(zhì)聯(lián)用（GC-MS）、液質(zhì)聯(lián)用（LC-MS）、離子色譜（IC）等以及“組學(xué)”思想可以更深入地從根系分泌物產(chǎn)生原因12、組成與代謝途徑的角度挖掘植物響應(yīng)環(huán)境因子的機

15、理，而現(xiàn)有研究對此往往有所忽視?；诖?，本文從植物根系分泌物的組成與產(chǎn)生機理、根系分泌物對非生物脅迫如鹽堿與干旱脅迫、養(yǎng)分脅迫、金屬脅迫、溫室效應(yīng)（CO2和溫度脅迫）的響應(yīng)機理對國內(nèi)外現(xiàn)有研究進(jìn)行了歸納與總結(jié)，并提出了研究展望，旨在為明確植物根系分泌物的生理功能與生態(tài)效應(yīng)，以及深入挖掘植物響應(yīng)非生物脅迫機理提供一定的科學(xué)依據(jù)。1 根系分泌物的組成和產(chǎn)生機理1.1 根系分泌物的組成學(xué)術(shù)界關(guān)于根系分泌物的分類還沒有統(tǒng)一的看法，廣義的根系分泌物包括4種類型：1）滲出物，即根系細(xì)胞通過主動擴散作用釋放出的小分子化合物；2）分泌物，即細(xì)胞代謝釋放的物質(zhì)；3）粘膠質(zhì)，包括根冠細(xì)胞、未形成次生壁的表皮細(xì)胞和

16、根毛分泌的粘膠狀物質(zhì)；4）裂解物，從破裂的或者已經(jīng)死亡細(xì)胞中釋放出來的化學(xué)物質(zhì)。而狹義根系分泌物包括可溶性低分子量化合物、高分子量粘膠類物質(zhì)以及無機化合物和離子13-14。目前已經(jīng)鑒定出來的根系分泌有機化合物超過200種，主要有有機酸、糖類、氨基酸、甾醇類、脂肪酸、生長因子和維生素、黃酮類、酶類、核苷酸/嘌呤以及其他物質(zhì)如甜菜堿、葡萄糖苷等15；而無機化合物為一些常見的弱電解質(zhì)，如H2CO3、NH3H2O、H2S等，無機離子主要包括H+、Na+、K+、Ca2+、SO42-、Mg2+、NH4+、NO3-、HPO42-等16（圖1）。圖1 植物根系分泌物對環(huán)境因子的響應(yīng).Fig. 1 Root e

17、xudates in response to the environmental factors.1.2 根系分泌物的產(chǎn)生機理根系分泌物的產(chǎn)生機理主要分為代謝途徑和非代謝途徑兩種。代謝途徑由初級代謝與次級代謝組成，初級代謝產(chǎn)物是保持植物生長發(fā)育的必需物質(zhì)，次級代謝產(chǎn)物則并不直接參與植物生長，但在植物抗病、抗逆等環(huán)境應(yīng)答中發(fā)揮著極其重要的作用17。非代謝性途徑一般不受代謝過程的調(diào)節(jié)，主要指來源于根表皮衰老細(xì)胞的分解和死亡細(xì)胞釋放的物質(zhì)。植物根系分泌物的產(chǎn)生機制多種多樣，但總體來說主要有主動釋放和被動釋放兩種類型。大多數(shù)的根系分泌物的分泌是一個被動過程，包括：擴散、離子通道和囊泡運輸三種18。如擴

18、散釋放低分子量化合物：氨基酸、糖和羧酸等。離子通道釋放碳水化合物和特定的羧酸：蘋果酸和草酸；這是通過蛋白質(zhì)介導(dǎo)的跨膜運輸來進(jìn)行的，其中主要有兩種陰離子通道，分別為慢負(fù)離子通道（SLACs）和快速陰離子通道（QUACs）。慢負(fù)離子通道又稱s型，需要幾秒鐘才能激活；而快速陰離子通道又叫作r型，可以在幾毫秒內(nèi)迅速被激活，如ALMT轉(zhuǎn)運蛋白可以參與多種不同生理過程，其中AtALMT3主要參與缺磷條件下根系蘋果酸的分泌19。對于囊泡運輸來說，一般是指囊泡中高分子量化合物的分泌20，因此這個過程也被稱為胞吐作用，釋放的代謝物來自內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或高爾基體，有助于植物抵抗病原體的侵襲21。 對于主動釋放機制來說，其分

19、泌的代謝產(chǎn)物是由位于根質(zhì)膜的蛋白質(zhì)所介導(dǎo)的。膜轉(zhuǎn)運蛋白有兩大家族，分別為ATP 結(jié)合盒式蛋白（ABC）超家族和多藥及毒性化合物外排蛋白（MATE）22。ABC轉(zhuǎn)運體家族被認(rèn)為是主要的轉(zhuǎn)運體，因為它們利用ATP（三磷酸腺苷）水解的能量來轉(zhuǎn)運多種溶質(zhì)23。Badri等人發(fā)現(xiàn)，在擬南芥根系中25個ABC轉(zhuǎn)運蛋白基因過度表達(dá)，這些基因在根系分泌的過程中起著至關(guān)重要的作用24。2 植物根系分泌物對非生物脅迫的響應(yīng)2.1 鹽堿與干旱脅迫土壤產(chǎn)生的鹽堿脅迫與干旱脅迫是全球范圍內(nèi)植物生長面臨的最主要脅迫類型。一般來說，鹽堿脅迫會同時產(chǎn)生離子毒害和滲透脅迫，堿脅迫由于獨具高pH，往往會對植物產(chǎn)生更強的抑制效應(yīng)2

20、5-26，也因此影響根系分泌物的組成和含量。當(dāng)植物受到鹽堿脅迫時，體內(nèi)會合成大量脯氨酸并釋放到根際，通常情況下鹽堿耐受性較強的植物根系分泌物中脯氨酸成分含量較高，與此同時分泌物中如草酸、水楊酸、吲哚乙酸和脫落酸的分泌量也普遍增加。有報道稱，在離體條件下培養(yǎng)杏樹（Armeniaca vulgaris L.）的根在鹽脅迫處理下會分泌出大量的脯氨酸，這是植物應(yīng)對鹽脅迫的一種適應(yīng)機制27。也有研究結(jié)果表明，在鹽脅迫下，柑橘（Citrus sinensis）根系脯氨酸分泌量為對照的8.55倍，這可以一定程度上作為根際有益微生物的碳、氮來源，促進(jìn)其生長，進(jìn)而協(xié)助植物共同抵御脅迫逆境。同時植物激素的含量也會

21、有所增加，其中脫落酸（ABA）、水楊酸（SA）和桂皮酸（CIN）分別比對照增加2.02倍、1.57倍和4.25倍，SA和CIN可以溶解養(yǎng)分，而生長素則可以誘導(dǎo)根的生長28。Dardanelli等人通過對大豆（Glycine max）和菜豆（Phaseolus vulgaris）的研究，發(fā)現(xiàn)兩種植物根系分泌物中都含有幾種黃酮類化合物，分別是芹黃、槲皮素和傘形酮等。當(dāng)植物面臨鹽脅迫逆境時，黃酮類化合物的生物合成途徑發(fā)生改變，黃豆苷元和染料木黃酮含量極低且不穩(wěn)定；其它黃酮類化合物的濃度均會大幅度增加，比對照高4.68-7.23倍。植物類黃酮，特別是異黃酮，可以抑制微生物的生長而成為豆科植物對抗病原菌

22、的關(guān)鍵成分29。綜上，植物根系分泌物會分泌大量脯氨酸、植物激素以及黃酮類化合物等來提高耐鹽性。較多報道已經(jīng)證實，有機酸是植物面對鹽堿脅迫根系分泌物的主要物質(zhì)。Soraya等人研究了鹽脅迫對缺鋅條件下玉米（Zea mays L.）根系分泌物中有機酸（蘋果酸、檸檬酸和乙酸）釋放的影響。結(jié)果表明隨著鹽濃度和營養(yǎng)液中鋅濃度的增加，玉米根系分泌物中蘋果酸、檸檬酸和乙酸的分泌速率降低。在鹽度（60 mM）的條件下，蘋果酸和檸檬酸的分泌速率分別只有1.40和0.55 mgg RDW1，其中蘋果酸分泌速率顯著高于檸檬酸（3倍）和乙酸（15倍）。當(dāng)鹽度為60 mM時，鋅的轉(zhuǎn)運速率最高，有機酸的分泌速率最低。綜上

23、所述，鋅濃度的增加對玉米根系有機酸分泌有一定的抑制作用。鹽脅迫下具體的有機酸釋放機制，有待于進(jìn)一步研究30。楊慧等人研究發(fā)現(xiàn)菊芋（Helianthus tuberosus L.）根系分泌物也會受到土壤含鹽量的影響，在鹽脅迫下根系分泌多種有機酸，如戊酸、鄰苯二甲酸、二十六烷基醋酸等，它們可以激活和固定植物根際的營養(yǎng)成分，提升有效養(yǎng)分在根際的含量，其中硬脂酸和苯甲酸也是良好的植物生長調(diào)節(jié)劑31?？傊?，植物根系分泌物中的有機酸對鹽脅迫較敏感，通過分泌量以及速率的改變使植物更好的適應(yīng)逆境條件。另外，植物也可以通過分泌有機酸來提高耐堿性。山葡萄（Vitis amurensis）根部在NaHCO3脅迫下主

24、要分泌草酸，為對照的1.56倍，也促進(jìn)乙酸的合成和蘋果酸的分泌。NaHCO3脅迫增強了葡萄根系的H+外流速率，這與質(zhì)膜H+ atp酶活性有關(guān)。乙烯和吲哚乙酸合成的抑制分別完全阻斷和減少了NaHCO3誘導(dǎo)的有機酸分泌，說明草酸是堿脅迫下產(chǎn)生的主要有機酸，同時也揭示了乙烯調(diào)節(jié)對有機酸分泌的必要性32。聶穎等人發(fā)現(xiàn)抗鹽堿轉(zhuǎn)BADH基因大豆（SRTS）根系分泌物中有機酸的種類和數(shù)量都發(fā)生了明顯改變。通過對轉(zhuǎn)BADH基因大豆根系分泌物的檢測，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)BADH基因大豆根系分泌物中檸檬酸、乙酸含量分別比正常大豆高22.62和50，有機酸總量也比正常大豆高15.19。綜上所述，正常大豆分泌的有機酸種類多，但轉(zhuǎn)B

25、ADH基因大豆的有機酸分泌總量較大，關(guān)于二者的差異是否與轉(zhuǎn)BADH基因大豆耐鹽堿性機理存在內(nèi)部的相關(guān)性，有待后續(xù)進(jìn)一步的試驗驗證33。由此可知根系分泌物中的有機酸數(shù)量和種類的變化是植物在堿脅迫下的主要反應(yīng)。與鹽堿脅迫類似，干旱脅迫也是植物面臨的主要非生物脅迫因子。多數(shù)報道已經(jīng)證實，干旱條件下的根系分泌物量與對照差異很大，這表明根系分泌物是植物響應(yīng)干旱的重要生理特征。干旱脅迫影響植物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成及核酸代謝，導(dǎo)致酶活性降低，一些次生代謝的化合物以及氨基酸等會顯著分泌，而干旱脅迫下有機酸分泌的變化往往不如鹽堿脅迫下顯著。例如：白菜（Brassica pekinensis Lour.）在水分脅迫下

26、會分泌出更多的氨基酸，如谷氨酸、甘氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸等可以達(dá)到對照的4倍34。通常情況下，植物面對干旱脅迫會將更多的碳分配到根系分泌物中，而不是用于光合作用。這是由于干旱脅迫限制了碳的攝入和能量的儲備，抑制植物的光合作用。因此，干旱脅迫對于根系分泌物的影響是顯著加強的35。有研究發(fā)現(xiàn)冰草（Agropyron cristatum）在干旱脅迫下根系分泌物中總有機碳（TOC）的含量普遍更高，比對照增加了71，其中有機酸占TOC的1，尤以蘋果酸最為顯著，達(dá)到總有機酸含量的93，干旱處理的分泌物中琥珀酸積累量顯著高于對照，說明蘋果酸和琥珀酸在植物抗旱性提高方面發(fā)揮著重要作用36。在干旱脅迫下，植物根

27、系分泌物中的總有機碳的變化較為顯著。在干旱條件下除了碳分泌量有變化外，根系分泌物的組成也會發(fā)生變化。例如，在干旱恢復(fù)過程中，向日葵（Helianthus annuus）和大豆（Glycine max）在根系分泌物滲出速率和組成上存在差異，干旱對大豆總碳和氮的分泌量沒有影響，但向日葵總碳和氮的分泌量均隨干旱程度的增加而顯著增加，其中N的增加幅度高于C；在干旱處理下大豆根系分泌物中會出現(xiàn)許多在對照中并沒有的代謝物，如蔗糖、肌醇、苯丙氨酸和琥珀酸。向日葵代謝產(chǎn)物的濃度往往隨著干旱而增加，尤其是糖、脯氨酸和色氨酸，以此緩解干旱給植物帶來的傷害37。Gargallo等對櫟屬冬青（Quercus ilex

28、）的根系分泌物研究時發(fā)現(xiàn)，在干旱期間根系分泌物的組成主要是次級代謝產(chǎn)物，占總分泌物的71%；而在干旱恢復(fù)階段，根系分泌物的組成則轉(zhuǎn)變?yōu)槌跫壌x產(chǎn)物，占總分泌物的81%。這表明，干旱脅迫可以改變根系分泌物的組成，從而提高植物修復(fù)的效果38。高艷等人對干旱脅迫下的三種植株檸檬桉（Eucalyptus citriodora Hook.f.）、刺槐（Robinia pseudoacacia）和大葉相思（Acacia auriculiformis A. Cunn. ex Benth.）根系分泌物進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，刺槐根系分泌物中總的氨基酸含量增加，為對照的8倍；從氨基酸的種類來說，正常植株根系分泌物中為14

29、種，干旱處理的植株中為16種，其中亮氨酸、組氨酸僅存在干旱處理的植株根系分泌物中，說明Leu和His與植物的耐旱性密切相關(guān)。與此同時，正常生長的刺槐根系分泌物中可溶性糖含量最少，其次是檸檬桉，大葉相思最高；干旱脅迫下刺槐根系分泌物中可溶性糖含量最高，檸檬桉最少39。這些研究結(jié)果均表明，干旱引起的根系分泌物數(shù)量或組成的變化可能與環(huán)境或物種有關(guān)。根系分泌物的變化可以通過增加干旱期間根際過氧化物酶的產(chǎn)量，誘發(fā)微生物關(guān)聯(lián)，改善水分關(guān)系40，并消除根細(xì)胞內(nèi)的活性氧（ROS）引起的氧化損傷41。2.2 養(yǎng)分脅迫植物根系分泌物的分泌取決于根際環(huán)境營養(yǎng)物質(zhì)數(shù)量的多少，營養(yǎng)物缺乏或過量均會對根系分泌物產(chǎn)生顯著的

30、影響。已有研究證實，當(dāng)植物體內(nèi)缺乏某種營養(yǎng)元素時，其根系會向周圍環(huán)境分泌特定的物質(zhì)，這些物質(zhì)會活化根際中含有該元素的難溶化合物，從而提升植物對該營養(yǎng)元素的吸收能力，減輕營養(yǎng)缺失帶來的危害42。一般來說，發(fā)生養(yǎng)分脅迫時，植物地上部分的光合作用會被抑制，因此在正常情況下，植物根系分泌物中有機碳的含量占光合固定碳的20%左右，當(dāng)發(fā)生養(yǎng)分脅迫時可達(dá)到30%以上43。缺磷會誘導(dǎo)甜菜（Beta vulgaris）植株分泌更多的有機酸，如檸檬酸和水楊酸濃度分別增加了2倍和6倍，這些有機酸通過酸化土壤pH進(jìn)而有助于土壤磷的增溶44。在缺磷情況下，如雙子葉植物白羽扇豆（Lupinus albus）會向根際土壤分

31、泌大量的檸檬酸、草酸等低分子量有機酸，這些有機酸根離子可與鈣（Ca2+）、鐵（Fe2+，F(xiàn)e3+）等金屬離子通過絡(luò)合作用形成金屬陽離子-有機酸型絡(luò)合物，活化難溶態(tài)含磷化合物，提高根際環(huán)境中磷的有效性45。研究結(jié)果表明，不同水稻（Oryza sativa）品種在低磷脅迫下根系分泌有機酸具有顯著差異，低磷處理能夠促進(jìn)耐低磷水稻根系分泌更多的有機酸，尤其是蘋果酸，可以達(dá)到101.4 g，為對照的400倍46。苜蓿（Lotuscorniculatus）在缺磷脅迫條件下分泌蘋果酸、檸檬酸和丁二酸，檸檬酸的分泌量是對照的2倍。這說明在一定程度上磷脅迫能促進(jìn)植物根系的生長，以充分吸收和利用生長介質(zhì)中有限的磷

32、資源47?？傊?，植物根系分泌物中有機酸的種類和含量發(fā)生變化來響應(yīng)缺磷脅迫。另外，香蕉（Musa nana Lour.）在缺鉀情況下，其根系會分泌大量的有機酸，其中檸檬酸含量最多可以達(dá)到86.12 mg/L，草酸含量達(dá)到29.14 mg/L，這些均有利于鉀的活化，從而促進(jìn)植物對鉀的吸收利用48。此外也有研究表明大豆（Glycine max (Linn.) Merr.）根系在高、低鉀脅迫條件下分泌大量代謝物，包括脫氧肌苷、蘋果酸和肌氨酸等。高鉀條件下，Satonohohoemi（耐低鉀品種）和Tachinagaha（低鉀敏感品種）兩個大豆品種根系分泌物向根際的釋放量均增加了18%和42%。然而，低

33、鉀條件導(dǎo)致Tachinagaha和Satonohohoemi根系分泌物的釋放量分別在7和14天時增加1.2倍和減少2.5倍。在高鉀和低鉀條件下，長期暴露（14 d）的代謝物數(shù)量高于短期暴露（7 d）。綜上所述，大豆通過改變特定代謝物的分泌以更好地適應(yīng)高鉀和低鉀條件49。禾本科植物蘆葦（Phragmites communis (Cav.) Trin. ex Steud.）缺鐵時，其根系能分泌一種麥根酸類的高鐵載體，這種載體對Fe3+有極強的絡(luò)合能力，從而提高土壤中有效鐵的含量50。通常情況下，缺磷促進(jìn)植物根系分泌物中糖的分泌，缺鉀抑制其糖的分泌，缺鐵則增加植物根系分泌物中葡萄糖、谷氨酸和核糖醇的

34、分泌51，因此營養(yǎng)元素的豐缺直接影響到植物的生長發(fā)育，在調(diào)節(jié)植物體內(nèi)物質(zhì)代謝途徑和生理生化反應(yīng)強度方面起著顯著作用。2.3 金屬脅迫從國內(nèi)外現(xiàn)有研究來看，根系分泌物響應(yīng)逆境脅迫以金屬離子脅迫的報道居多，涉及重金屬離子脅迫以及一些非重金屬脅迫如鋁等。一般來說，在根際環(huán)境中，根系分泌物能夠與金屬發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而改變金屬的生物有效性和化學(xué)形態(tài)。根系分泌物對金屬的影響有兩種：固化和活化。固化是指植物根系分泌物通過與根際環(huán)境中的游離態(tài)金屬發(fā)生絡(luò)合和螯合反應(yīng)，形成相對較為穩(wěn)定的金屬螯合物，降低金屬向植物體內(nèi)遷移的能力52。活化是指根系分泌物中的有機酸、氨基酸和酚類物質(zhì)與根際環(huán)境中的難溶金屬發(fā)生活化

35、反應(yīng)，提高金屬的生物有效性，利于植物對其進(jìn)行吸收、轉(zhuǎn)運和富集，從而降低環(huán)境中的金屬含量53。土壤中金屬的種類很多，目前關(guān)注較為廣泛的有鎘、鋁、鉛和鈾。2.3.1 鎘脅迫 鎘（Cd）作為植物生長非必需金屬元素，由于毒性強且可遷移，很容易被植物根系吸收并轉(zhuǎn)運至籽粒，同時由于該元素不易降解，對人類危害極大。Luo et al.的研究表明Cd脅迫顯著影響了超積累植物東南景天（Sedum alfredii）根系分泌物。氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)合分析揭示了鎘脅迫下東南景天根際釋放的20種化合物：草酸、癸酸和十八烯酸等對鎘有一定的活化作用，與其有關(guān)的代謝途徑包括糖代謝、氨基酸代謝、脂類代謝以及TCA循環(huán)；而磷酸、丙

36、三醇和腐胺則對鎘有一定的固化作用，與其有關(guān)的代謝途徑有糖代謝、氨基酸代謝、脂類代謝以及能量代謝，這些物質(zhì)的釋放均在一定程度上有利于提高東南景天的耐鎘性54。有研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)在水培溶液中添加5.0 mg L-1的Cd時，高粱（Sorghum bicolor）根系分泌的蘋果酸鹽較對照增加了4倍，而玉米根系分泌的檸檬酸鹽也比對照高了2倍，根系分泌的有機酸能降低根際區(qū)域pH值，從而增加根際沉積物中重金屬溶解性。另外，Cd水平的增加降低了玉米（Zea mays）根系分泌物中總碳、氨基酸和糖的含量，但蛋白質(zhì)分泌量不變。上述結(jié)果表明植物根系釋放的有機酸、氨基酸和糖等物質(zhì)對高粱和玉米的Cd耐受機制起著重要作用55

37、。Fu等人發(fā)現(xiàn)Cd脅迫增加了水稻（Oryza sativa）根系分泌物中有機酸的含量。Cd處理下，Lu527-8（高鎘富集水稻）根系分泌物中檢出的有機酸含量比Lu527-4（正常水稻）高1.76-2.43倍。兩種水稻植株有機酸含量與Cd含量均呈顯著正相關(guān)，但蘋果酸只在Lu527-8中與鎘含量高度相關(guān)。另外，Cd脅迫下水稻根系分泌物中氨基酸的組成和數(shù)量也發(fā)生了較大變化，且不同品種間有所差異。Cd脅迫下，Lu527-8和Lu527-4分別檢測到8種和7種氨基酸，其中苯丙氨酸僅由Lu527-8分泌。兩種水稻在有機酸和氨基酸分泌方面的差異與它們不同的Cd吸收能力有關(guān)56。面對鎘脅迫，植物根系會釋放特定

38、的物質(zhì)如草酸、丙三醇等，同時總碳、氨基酸和糖的含量也會發(fā)生變化。2.3.2 鋁脅迫 諸多研究表明，鋁（Al）脅迫下根系分泌低分子量有機酸是植物耐鋁毒害的主要機制。這些有機酸主要由植物根尖離子通道蛋白分泌，受到轉(zhuǎn)運基因、有機酸代謝和相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子影響57-59。在擬南芥（Arabidopsis thaliana）中，Al毒害誘導(dǎo)蘋果酸和檸檬酸大量分泌主要是由于AtALMT1和AtMATE1基因的激活，而AtALMT1和AtMATE1負(fù)責(zé)Al3+的螯合和有益根際細(xì)菌（如枯草芽孢桿菌）的補充。因此，蘋果酸和檸檬酸能夠提高擬南芥耐受鋁脅迫的能力60。另外也有研究發(fā)現(xiàn)，鋁濃度顯著影響了馬尾松（Pinus

39、massoniana Lamb.）幼苗根系中有機酸的分泌，其中草酸和蘋果酸的含量在鋁濃度為0-300 mol/L時顯著提高；而當(dāng)鋁濃度高于300 mol/L時，草酸和蘋果酸含量變化不顯著，這表明草酸和蘋果酸能一定程度上提高植物的耐鋁性61。有研究表明，Al3+可誘導(dǎo)玉米（Zea mays）根系分泌更多的有機酸，主要為檸檬酸，其含量比蘋果酸高1-3倍，表明檸檬酸更有利于植物耐鋁性的提高62。Elizabeth Olivares等研究發(fā)現(xiàn)，草酸在腫柄菊（Tithonia diversifolia A. Gray）抗鋁毒過程中是重要的螯合劑，可以大幅度降低鋁對腫柄菊的毒害63。另外，龍眼（Dimoc

40、arpus longgana Lour.）幼苗Al脅迫耐受性試驗結(jié)果表明，Al脅迫可以促進(jìn)根系分泌更多的Ca2 +、K+、Mg2 +和可溶性糖，其中單株K+、Ca2+和Mg2+滲漏分別增加13.7%-94.9%，26.9%-208.5%和89.5%-871.1%；可溶性糖增加了25.9%-855.6%。因此，鋁脅迫下龍眼根系檸檬酸、蘋果酸、草酸、可溶性糖分泌量的增加，是龍眼根系對鋁脅迫的一種自我保護(hù)的反應(yīng)64。有研究發(fā)現(xiàn)，決明（Cassia tora）根系在Al濃度為10-50 molL時根尖檸檬酸分泌量增加，這是由于檸檬酸合成酶活性增加，使其與Al形成螯合物以緩解鋁毒害65。綜上，根系分泌物

41、中的可溶性糖以及有機酸如蘋果酸、檸檬酸和草酸等能提高植物的耐鋁性。2.3.3 鉛、鈾脅迫 鉛（Pb）脅迫也對植物根系分泌物具有重要影響。羅慶等人研究了Pb脅迫對超積累植物景天（Sedum alfredii）根系分泌物的影響。發(fā)現(xiàn)草酸、果糖和甲氧基苯酚等可能對鉛有一定的活化作用，相關(guān)代謝途徑涉及氨基酸代謝、糖代謝、核苷酸代謝以及TCA循環(huán)；而水楊酸、十八醇和二十二烷等可能對鉛有一定的固化作用，與其有關(guān)的代謝途徑有脂代謝和氨基酸代謝。綜上，對鉛起主要活化作用的根系分泌物質(zhì)主要為小分子有機酸、糖類、氨基酸和酚類，有助于提高植物在重金屬脅迫下的耐受性66。水培試驗中，研究Pb脅迫對茶樹（Melaleu

42、ca alternifolia）的影響發(fā)現(xiàn)，鉛脅迫顯著改變根系分泌有機酸的含量，但對其種類變化影響不顯著，在60 mg/kg鉛處理下，有機酸總量比對照增加2 g67。另外，魚腥草（Houttuynia cordata Thun.）在Pb脅迫下，根系分泌物中有機酸、氨基酸和可溶性糖種類、分泌量明顯增加。在鉛濃度為600 mg/L時，根系分泌物中氨基酸含量達(dá)到1.26 mg/g，為對照3.92倍；在鉛濃度為200 mg/L時，根系分泌物中可溶性糖含量達(dá)到2.22 mg/g，為對照的2.88倍；蘋果酸是鉛脅迫時才分泌的。在鉛脅迫下有機酸、氨基酸和可溶性糖成分和含量的變化是魚腥草對于脅迫的一種適應(yīng)機制

43、68。因此，植物根系會分泌果糖、水楊酸等特定的物質(zhì)來提高耐鉛性，并且有機酸、氨基酸、酚類和可溶性糖的分泌量和種類會改變以應(yīng)對鉛脅迫。此外，在對鈾（U）污染土壤的植物修復(fù)研究中發(fā)現(xiàn)，薺菜（Brassica juncea）對鈾的吸收量與根系分泌物中有機酸的含量呈線性相關(guān)，這些有機酸可以增加鈾在土壤顆粒中的解吸，使鈾易被植物吸收。在分泌的3種有機酸（蘋果酸、檸檬酸和乙酸）中，檸檬酸含量比對照高200倍。施用檸檬酸后，鈾在植株枝條中的積累迅速增加。這為清除鈾污染的土壤提供了一種環(huán)境友好的選擇69。2.4 溫度與CO2脅迫以溫度升高和CO2濃度增加為主要特征的全球變化對生態(tài)系統(tǒng)具有重要的影響，日益受到關(guān)

44、注，而針對根系分泌物開展的研究還相對較少。溫度變化由于可以影響植物的光合、呼吸以及酶活性等諸多生理代謝過程，因此對根系分泌物的組成與含量也有顯著影響。有研究表明將水培黃瓜（Cucumis sativus）幼苗生長的晝夜溫度分別從25/20 提高到30/25 ，可以顯著提高根系分泌物中有機酸的含量，如苯甲酸、鄰苯二甲酸和棕櫚酸等。并且通常情況下，高溫較低溫具有更高的有機酸數(shù)量和分泌速率，且可導(dǎo)致植物更高的自毒作用70。另外，草莓（Fragaria ananassa Duch.）根系分泌物中氨基酸的含量在5-10 時比在20-30 時高約20，這是因為溫度影響細(xì)胞的新陳代謝、通透性和營養(yǎng)吸收，導(dǎo)致

45、根系分泌物發(fā)生改變，有利于提高草莓植株的耐寒性71。李煜姍等人通過研究晝夜溫差對番茄（Solanum lycopersicum）根系分泌物的影響時發(fā)現(xiàn)正晝夜溫差處理的根系主要分泌草酸、丙二酸和乙酸，負(fù)晝夜溫差則主要分泌丙酸、蘋果酸和檸檬酸；且正溫差處理有機酸分泌量較大。正晝夜溫差，可以加強番茄的光合作用，促進(jìn)根系分泌低分子量有機酸，活化根際中氮、磷、鉀等養(yǎng)分，進(jìn)而促進(jìn)植株生長72。刺槐（Robinia pseudoacacia）的相關(guān)研究也發(fā)現(xiàn)溫度顯著增加了根系分泌物中有機碳的分泌，滲出量增加了1.7倍。這說明有機碳的分泌是一個活躍的代謝過程，并容易受到高溫脅迫的影響73?？傊?，在溫度升高的情

46、況下，植物根系分泌物會增加有機酸的分泌量以及分泌速率來使其適應(yīng)逆境條件。另外，大氣CO2濃度升高也可以一定程度增加植物根系分泌物的含量，提高植物對非生物脅迫的耐受性。一般來說，CO2濃度的升高并不影響總?cè)芙庥袡C碳的流出率，但會增加每株根系系統(tǒng)的流出量，這可能歸因于根系生物量的增加；通常情況下CO2濃度升高會使植物根系分泌物中可溶性糖、羧酸和檸檬酸的外流速率分別增加47%、111%和16%，但對氨基酸和蘋果酸的外流速率沒有影響74。在高濃度CO2處理下，小麥（Triticum aestivum）根系分泌物中總可溶性糖、總游離氨基酸、總酚和總有機酸分別比對照高45.7%，63.2%，40.0%，8

47、9.5%。但對根系分泌物中總可溶性糖含量的影響卻不顯著?？偠灾?，CO2濃度的升高會影響組織次生代謝產(chǎn)物并導(dǎo)致根系分泌物組成和含量發(fā)生改變，提高了小麥幼苗根系分泌物的量，來應(yīng)對CO2脅迫75。也有研究指出，CO2對大麥（Hordeum vulgare）根系分泌物的影響隨發(fā)育時期的不同而有所差異。在莖伸長階段，根系分泌物中的K+/Na+保持穩(wěn)定，而在孕穗期，K+/Na+更高。同時大麥比正常CO2條件下平均少釋放39%的果糖和43的葡萄糖。植物光合作用強度及其產(chǎn)物的分布受到CO2濃度的影響，導(dǎo)致根系分泌物發(fā)生改變來提高植物的抗性76。Johansson等研究表明，與常規(guī)濃度CO2 （15.6310

48、-6 mol/L）相比，高濃度的CO2（31.2510-6 mol/L）可提高歐洲赤松（Pinus sylvestris）根系分泌物含量，其中小分子有機酸總量增加120%-160%，氨基酸增加250%，溶解性單糖增加130%-270%，這些分泌量的增加是由于在高濃度CO2下植物-真菌系統(tǒng)中C的有效性增加，使植物更好的適應(yīng)CO2脅迫77。綜上，在高CO2下，大多植物根系分泌物中有機酸、可溶性糖、氨基酸的含量會增加，也有部分可溶性糖的含量會下降。但是針對溫度與CO2耦合作用對植物根系分泌物影響的報道還很少，有待于進(jìn)一步深入研究。3 結(jié) 論綜上所述，各種非生物脅迫可以改變植物根系分泌物的組成和含量，

49、誘導(dǎo)植物分泌大量的物質(zhì)進(jìn)入根際微環(huán)境以抵御逆境脅迫。植物根系分泌物會分泌大量脯氨酸、激素以及黃酮類化合物等來提高耐鹽堿性，同時有機酸的分泌量和分泌速率也會一定程度改變；在干旱脅迫下，植物根系分泌物中的總有機碳變化較為顯著，也會分泌特定的代謝物如蔗糖、肌醇和亮氨酸等來提高抗旱性；通常情況下，缺鐵會增加植物根系分泌物中葡萄糖、谷氨酸和核糖醇的分泌，缺鉀抑制糖的分泌，缺磷則促進(jìn)糖的分泌；植物根系分泌物中的有機酸、氨基酸、酚類、可溶性糖等物質(zhì)均會發(fā)生種類和含量的變化來適應(yīng)金屬脅迫；高溫脅迫會使植物根系分泌物中的有機酸分泌量和分泌速率增加；在高CO2下，大多植物根系分泌物中有機酸、可溶性糖、氨基酸的含量

50、會增加，也有部分可溶性糖的含量會下降?？偠灾?，在同一環(huán)境因子脅迫下，不同植物的響應(yīng)不同；植物根系分泌物中尤以有機酸對環(huán)境脅迫最為敏感。4 展 望植物根系分泌物在植物抵御逆境脅迫方面發(fā)揮著重要的作用，一方面它可以通過改變植物根際理化和生物學(xué)性質(zhì)，改變微生態(tài)環(huán)境，提高根系吸收土壤養(yǎng)分的能力、促進(jìn)植物生長；另一方面根系分泌物作為根系生理的重要組成部分，直接參與植株的生長發(fā)育，并對其起一定的調(diào)節(jié)作用。因此，對于根系分泌物響應(yīng)非生物脅迫因子的研究具有重要的理論與實際意義。可以在下述幾個方面進(jìn)行更深入研究：4.1 實驗方法的深入探究近年來針對根系分泌物的原位與模擬實驗逐步增多，但收集與深入的分析方法還很

51、有限，對分析結(jié)果有較大影響，無法對根系分泌物整體進(jìn)行準(zhǔn)確鑒定，對于濃度低、轉(zhuǎn)化快以及諸多未知組分物質(zhì)有待于進(jìn)一步挖掘，同時明確其潛在的生理功能，開發(fā)更準(zhǔn)確、更完善、適用性更廣的根系分泌物收集及鑒定方法，有利于對根系分泌物響應(yīng)非生物脅迫進(jìn)行更廣泛而深入的研究。4.2 根系分泌物在化感領(lǐng)域的研究重視根系分泌物在化感領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其是基于化感效應(yīng)在農(nóng)學(xué)（雜草）與生態(tài)學(xué)（競爭、群落演變）上的重要生物學(xué)事件。不拘泥于僅僅從表象上分析分泌物對周圍植物的促進(jìn)或抑制效應(yīng)，而是從分子機理水平上闡述真正的誘因。如研究根分泌物的內(nèi)在分子機制以及分泌位點，運用遺傳育種學(xué)等方法培育出可以耐非生物脅迫、抗病蟲害以及田間雜

52、草的優(yōu)質(zhì)作物和牧草品種，對于陸地植物生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定健康發(fā)展有著重要意義。4.3 植物根系分泌物特定組分對非生物脅迫響應(yīng)機理目前關(guān)于對根系分泌物的研究集中在有機酸、氨基酸等總量的分析，缺乏對于特定物質(zhì)的分析。近年來，以代謝組學(xué)、基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)為代表的系統(tǒng)生物學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，運用新技術(shù)有助于了解根系分泌物中特定的物質(zhì)對非生物脅迫的響應(yīng)，從而更加精準(zhǔn)地揭示植物響應(yīng)脅迫因子的規(guī)律。4.4 從根系分泌物的角度解析植物對土壤的反饋機制根系分泌物是植物-土壤互作關(guān)聯(lián)的“媒介”，不僅對植物生長發(fā)育與耐逆性起著重要的調(diào)節(jié)作用，同時也深刻影響著根際土壤理化性質(zhì)和土壤微生物生態(tài)系統(tǒng)，今后可以綜合利用生理

53、學(xué)、分子生物學(xué)等技術(shù)從土壤學(xué)與微生物學(xué)領(lǐng)域入手，深入挖掘根系分泌物介導(dǎo)的土壤品質(zhì)改變機理。4.5 復(fù)合脅迫因子的協(xié)同作用對植物根系分泌物的影響研究除非生物脅迫外，植物生長還會受到許多生物脅迫如微生物、病害、蟲、草害等的影響，這些脅迫因子疊加作用會加劇對植物的危害風(fēng)險。然而，目前對植物根系分泌物的研究涉及單因子的影響研究多，復(fù)合因素影響的研究少，而且多為個體層面的室內(nèi)模擬實驗，缺少自然環(huán)境下的大尺度生態(tài)與生產(chǎn)風(fēng)險研究。因此，今后需在多種脅迫因子協(xié)同作用下，加大野外和田間試驗等方面的綜合研究，并通過原位智能技術(shù)對田間農(nóng)作物的根系分泌物組分和含量進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，從而更好地揭示不同脅迫組合下的綜合影響，

54、值得在該領(lǐng)域展開深入研究。參考文獻(xiàn) References肖蓉, 張春芬, 鄧舒, 曹秋芬, 韓亞慧. 病害脅迫下植物根系分泌物的響應(yīng)及作用研究進(jìn)展J. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué), 2021, 49 (1): 110-114 Xiao R, Zhang CF, Deng S, Cao QF, Han YH. Research progress on the response and effect of plant root exudates under disease stress J. J Shanxi Agric Sci, 2021, 49 (1): 110-114Trolldenier G, Curl

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