根系分泌物的作用和调控功能黄万琳.docx

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根系分泌物的作用和调控功能黄万琳

根系分泌物的作用和调控功能

DAYAKARV.BADRI&JORGEM.VIVANCO

CentreforRhizosphereBiologyandDepartmentofHorticultureandLA,ColoradoStateUniversity,FortCollins,CO80523,USA

摘要根系分泌的化学成分参与根际中的多种成分的调节。

根际则是指受植物根系活动的影响的环境范围。

进一步研究证明，根系分泌物参与根系和土壤微生物的调节，例如，根系分泌物作为信号分子作用于根瘤菌和菌根真菌。

其次，根系分泌物促使特定植物的根际微生物多样性，对于有亲缘关系的物种有作用。

在此综述中，叙述了根系分泌物的调节作用和机制以及进化过程中根系分泌物与土壤微生物群落形成的关系。

关键词：

ABC运载体；诱导子；分泌机制；根形态建成；三营养级相互作用

引言

根系是植物体隐藏的部分，起到固定和吸收养分与水分的作用，植物根系分泌物的多种成分进入周围土壤中，这个土壤范围就称为根际，可以分为三个部分；根际内部（根组织，包括根的胚层和皮层）；根际表面（根的表层）和根际外部（根系周围的土壤）（Lynch1987）。

首先发现，根际的微生物多于距离根系较远的土壤。

首先证明根系分泌物与微生物的关系是Knudson（1920）、Lyon和Wilson

（1921）。

根际生物学家近几年发现，根系分泌物在相邻植物间的调控和土壤微生物调控有重要意义（Baisetal.2004,2006;Weir,Park&Vivanco2004;Broecklingetal.2008）。

根系分泌物的产生是根际的作用，是产生于植物根系有机碳的释放。

分泌物的种类取决于植物的种类、植物的年龄以及外部的生物或非生物因素。

分泌物代表植物重要的碳素消耗（Hutsch,Augustin和Merbach2000;Nguyen2003）。

刚刚播种的种子大约分泌它们所固定碳素的30%到40%（Whipps1990）。

分泌物中还包括释放的质子（H+）、无机酸、氧气和水，是碳素的组成成分。

这些有机混合物可非为两类：

低分子量的和高分子量的，低分子量的包括氨基酸、有机酸、糖类、酚类和一些次生代谢产物；高分子量的如胶体和蛋白质。

如图1所示。

如果研究植物根系存在技术上的问题，根系研究的重要进展包括分子技术和基因技术。

其次，对模式植物拟南芥根系的研究对人们了解根系生长对农业种植的影响和一定土壤环境下对根本身以及分泌物的影响有很大帮助（Bucher2002）。

分子技术比如克隆根系特定基因、中间杂交技术（Conklingetal.1990;Rodriguez和Chader1992）；差异性分析（Liang&Pardee1992）；根系cDNA库（Bucheretal.1997）；借助分子技术的根细胞特异性基因表达分析（Birnbaumetal.2003）。

研究迅速收集了根系生长的新的物理和化学信息。

再者，用细胞转化方法对植物转基因的“虚根”的研究，可以了解根的生物化学性质、内共生作用、次生代谢产物和根际相互作用。

（Boisson-Dernieretal.2001;Choietal.2004;Leeetal.2004;Limpensetal.2004）。

根系分泌物在根际的调节作用有积极的也有负面的，其中积极作用包括：

提供土壤微生物营养，例如菌根真菌、根瘤菌和和一些有益细菌；负面作用包括对寄主植物、致病微生物和无脊椎食草动物的调控。

在这篇综述中，我们不用大篇幅介绍根系分泌物和土壤有机体的相互作用，读者可以从别的综述中了解更多此方面的内容（Bertin,Yang和Weston2003;Karthikeyan和Kulakow2003;Baisetal.2004;2006;Singhetal.2004,Weiretal.2004,Bareaetal.2005;Morgan,Bending和White2005;Prithiviraj,Paschke和Vivanco2007;Bais,Broeckling和Vivanco2008）。

相反，这篇综述主要探索根系分泌物调节作用和机理，以及它们对单棵植物和生态系统中植物的影响。

另外，在这篇综述中我们认为地上部分和地下部分分泌物多样性取决于植物种类，同时，根系分泌物作为信号分子调节土壤微生物多样性。

根系的构造和分泌作用

植物在一定环境中适应并生存取决于个体吸收养分的能力（Aerts1999）。

根系在不同性质的土壤环境中吸收养分具有主要作用（Lynch和Brown2001）。

在高硝酸盐和磷丰富的土壤中，根系的构造会改变（Hoetal.2005;Patersonetal.2006）。

另外，从根部释放的有机化合物通过矿化作用使植物获得营养物质和调节植物-微生物相互作用的关键（Pierretetal.2007）。

因此，推测认为分泌物的增加对调节营养丰富地区的植物生长和根系分支可能会影响营养学动力和微生物群落（Patersonetal.2006）。

因此，作者认为在本文中以研究有关根系构造信息和影响根系分泌作用为着力点。

根系的生长是一个农艺学上对植物生长和生存的重要现象，因为它是水分和养分吸收的重要部位。

根系构造决定了根系在一定环境中是否能生存，相反，根系构造也取决于土壤环境。

不同的植物根系构造有很大的不同，研究发现是遗传因素所决定的。

通常有两种熟知的根系结构：

一种通常出现在双子叶植物（拟南芥、番茄、豌豆等），通常由主根和侧根组成；另一种通常出现在单子叶植物（水稻、玉米），其特点是平行的主根上生长了大量的不定根。

根系构造受生物和非生物因素的影响，因此，根系构造是可塑的，甚至基因型相同的植物都会有所不同，这取决于宏观或微观环境。

分子机制对可塑性的作用还知之甚少。

近期研究发现侧根的萌发受到水供应的限制，这与脱落酸和侧根生长T2基因表达有关（Deak和Malamy2005）。

除了水，还有其他外源性因素，如氮（Lopez-Bucio,Cruz-Ramirez&Herreraestrella2003），磷（Linkhoretal.2002），铁（Moogetal.1995）和光（Cluis,Mouchel&Hardtke2004;Sorinetal.2005）调节根分支和根系构造。

植物在缺磷时糖分和淀粉在叶片累积，这样就增加了蔗糖累积和碳源迁移到根系，使根系面积增加，以便进行糖信号级联反应，从而改变根系构造。

（Hammond&White2008）。

在最理想的磷、氮和铁水平下，龙眼科植物生长出毛状根系，纵向汇集成独特的丝状，称为类蛋白根系。

这些根系促进矿物质和有机物的溶解，促进分泌强羧酸、酚类和水，从而增加无机养分的吸收（Lamont2003）。

还有其他内源性因素，称为植物激素，调节根系分支和构造，这些激素包括：

生长素、细胞分裂素、乙烯、赤霉素、脱落酸和油菜内酯（Malamy2005;Osmont,

Sibout&Hardtke2007）。

根系构造也受到生物因素影响，因为自然界中植物的根与腐生微生物和病原微生物有关。

例如，被青枯菌污染后矮牵牛花的侧根生长率就被抑制，但是异常形态的新的侧根却能诱发（Zolobowska和VanGijsegem2006）。

同样的，根系细菌巨大芽孢杆菌也通过抑制主根的生长和抑制拟南芥侧根生长来改变根系构造（Lopez-Bucioetal.2007）。

一些植物的根系构造也引起了共生作用的改变，例如豆科植物与固氮菌（deBillyetal.2001;Hirsch,Lum&Downie2001）以及菌根（Hetrick1991;Paszkowskietal.2002）。

根系分支和构造可能在定性和定量合成根系分泌物上发挥重要作用。

此外，根系参与特定根细胞（如根冠、表皮细胞和根毛细胞）化合物的分泌的相关知识还不太清楚，一般情况下，在紧接根尖的一个区域被认为是产生分泌物的主要场所（Pearson&Parkinson1961;Schroth&Snyder1962）。

但是，观察发现次生部位也会产生有机化合物，不同的物种其分泌不同（Pearson&Parkinson1961;Bowen1968;McDougall1968;Rovira1969）。

VanEgeraat（1975）表明在根尖的主根和侧根产生分泌物的部分喷洒茚三酮，茚三酮是一种化合物，与氨作用会产生紫色自从它于1910年被发现至今已经成为在化学、生化和法医学领域使用的强大分析工具。

Frenzel（1957,1960）发现不同根系部位所分泌的化合物不同，天冬氨酸和苏氨酸从分生组织和根的生长区分泌出来；谷氨酸、颉氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸从根毛区分泌，天门冬氨酸从整个根系中分泌。

McDougall和Rovira（1970）用C14

标记了小麦根系分泌物，发现非扩散性的矿物质从根尖的主根和侧根分泌出来；扩散性的矿物从整个根系中分泌。

VanEgeraat（1975）发现显著化合物的释放部位是在主根上的侧根，也发生在叶片不马上愈合的开放性伤口，使分泌物进入土壤。

此为，最近的报道称根冠和根毛细胞也参与了化合物的分泌（Pinerosetal.2002;

Czarnotaetal.2003;Nguyen2003）。

一般情况下，植物根系的分生组织是一层较薄的细胞构成称为根冠，用来突破土壤从而使根系伸长（Barlow1975），这些脱离的细胞在根际生态中发挥重要作用，因此提出“边缘细胞”一词（Hawes1990）。

边缘细胞有多种功能：

减小根尖摩擦力（Bengough&McKenzie1997），调节微生物相互作用，避免有害微生物（病原菌）作用和有利于有益细菌（PGPR）（Hawes1990;Hawesetal.1998,2000），以及可以保护植物免受重金属毒害（Morel,Mench&Guckert1986;Miyasaka&Hawes2001）。

已经观察到根表面存在粘液层，特别是在根尖，可在水中形成水泡。

在多数植物中都发现这种粘液由根冠外层细胞分泌（Samsevitch1965）。

但是，少部分的粘液也可以在根毛和上皮细胞中分泌，这些分泌物也许来自根冠或退化的上皮细胞，或者说它们可能合成于根际微生物。

（Rovira,Foster&Martin1979;Foster1982;Vermeer&McCully1982）。

根毛是表皮细胞的延伸其中包括作物根表面的77%，形成了植物和根系的主要联系点（Parkeretal.2000）。

在固定和养分、水分吸收等根际活动中有重要作用（Fanetal.2001;Grierson,Parker&Kemp2001;Michael2001）。

除了那些功能，根毛细胞还参与根系分泌。

Head（1964）用定时的显微照相技术透过玻璃板观察到幼年苹果根系的根毛尖端分泌出球形液滴，利用光电子和穿透式电子显微镜观察发现高粱从根毛区分泌高粱酮（Czarnotaetal.2003）。

除了根冠和根毛细胞外，其他根细胞也参与了化合物的分泌。

例如，玉米根分泌柠檬酸抵御铝毒害。

用薄钳技术研究发现分泌柠檬酸的是根冠以上5厘米部位，主要是皮质和星细胞。

此外，比较覆盖的和不覆盖的根的柠檬酸分泌率发现，根尖不是柠檬酸分泌的主要部位。

尽管得出这样的结论，我们的研究仍然要集中到从生物化学和分子生物学层面研究根细胞化合物分泌中的作用。

利用茚三酮仍然不失为一个识别分泌部位的重要工具，但是它的缺点是可以检测分泌物中的氨基酸和茚三酮阳性化合物。

由于新型分子技术，比如可以让拟南芥的特定根细胞受损，从而让我们清楚参与分泌的特定根细胞。

植物根系分泌化学物质和调控作用

系受到根系-土壤之间生物和非生物因素的胁迫，根系对这些胁迫的表现是分泌不同的化合物抵御不利影响，保护根系和对根生长产生积极影响，机械阻抗影响根的形态（Groleau-Renaud,Plantureux&Guckert1998）。

在土壤板结和轻度干燥的条件下根系分泌物增加（Brimecombe,DeLeij&Lynch2000）。

试管内的生长基质不同特定植物的根系分泌物的组成也不同，从而表明特殊的营养物质决定了分泌物的种类。

据报道，某些营养物质的缺乏导致代谢产物增加，在这种情况下就增加了根对营养物质的吸收（Jones1998）。

温度、海拔、土壤湿度等环境因素也调节根分泌过程。

例如，蚕豆根系在45摄氏度分泌单宁酸和酚类化合物远少于30摄氏度时的分泌量（Bekkaraetal.1998）。

同样，光强度也影响次生代谢产物的分泌，是因为光合作用发生变化。

Watt和Evans（1999）研究表明根分泌过程遵循昼夜节奏，在光周期中分泌物增加，在光照条件下地黄分泌黄酮的量增加（Hughesetal.1999）。

高湿度的土壤中也能控制分泌，因为受到氧气量缺乏的限制。

氧气缺乏从而导致无氧呼吸，导致乙醇、乳酸和丙氨酸的累积（Rivoal&Hanson1994）。

Xia和Roberts（1994）发现，植物为了避免乙醇和乳酸累积带来的危害而从根系分泌一些代谢产物。

是否存在特定矿物质和有毒金属也会影响分泌物成分，研究已经表明根系分泌的柠檬酸、草酸和苹果酸可以缓解土壤中铝的毒性，而且这些有机酸的分泌有高度的铝胁迫特异性。

此外，不同植物由铝诱导所分泌的有机酸种类不同（Ma2000;Liaoetal.2006;Wangetal.2006）。

对某些植物和豆类来说磷的缺乏也会导致根系分泌酚醛树脂的能力增加，而磷缺乏时分泌的有机酸因植物种类而异（Dinkelaker,Hengeler&Marschner1995;Chishaki&Horiguchi1997;Dinkelakeretal.1997;Neumann,George&Romheld1998;Neumann&Romheld1999）。

占据同一生态位的植物更容易通过氧化作用产生净化毒害的机制（Inderjit&Duke2003）。

最近发现一些植物可以有效地抵制儿茶素。

由于根系分泌草酸增加所致的黑矢车菊产生异株相克毒素，从而保护由化感作用所致的植物活性氧的损失（Weiretal.2006）。

不同植物在不同的生长阶段分泌率是不同的，也受到单一物种的基因型的影响。

幼苗所产生的分泌物最少，随着植物的生长分泌物增加，直到植物成熟后分泌物量逐渐减少（Aulakhetal.2001）。

Garciaetal.（2001）证明分泌物的量与根系生长呈正相关。

这就是说，生长旺盛的根系分泌物多。

同样同一物种的基因型也影响分泌物的种类，例如生态型拟南芥的COL-O和LER基因控制着根系分泌苹果酸的水平（Hoekengaetal.2003）。

不同植物的根系分泌物都存在性质和数量上的不同（Cieslinskietal.1997）。

物种间的亲缘关系越远，分泌物种类差异越大（Fletcher&Hegde1995）。

诱导子是诱导植物产生防御作用或胁迫应答的分子。

Glebaetal.（1999）推测具有化学和物理诱导子的植物与没有的相比更能促进分泌大量化学物质。

同时，有诱导作用的植物根系可以分泌大量化合物，而在非诱导植物中没有这种现象。

此外，一个单一诱导子可以诱导不同植物分泌不同化合物。

诱导信号分子调控分泌水杨酸（SA）、甲基茉莉酮酸（茉莉酸甲酯）和NO导致次生代谢产物累积（seereviewofZhao,Davis&Verpoorte2005）。

矿物元素的缺乏也会引起根内部次生诱导子以介导信号反应，例如钾的缺乏产生茉莉酸甲酯从而介导防御反应（Schachtman&Shin2007）。

已经证明SA和MeJA在培养中的细胞中发现（Parchmann,Gundlach&Mueller1997;Chenetal.2001）。

NO在植物根系外质体空间中发现（Stohr&Ullrich2002）。

Noritake,Kawakita和Doke（1996）发现NO诱导植保素（日齐素）在马铃薯块茎中累积，也存在于分泌物中。

Kneer等人（1999）表明水培羽扇豆的根系可以分泌染料木素，用SA处理则分泌增加20倍。

最近的研究表明SA、MeJA和NO处理拟南芥根系与对照相比根系分泌化学物质增多（Badrietal.2008a）。

这些防御信号分子所介导产生的次生代谢产物如表2

相邻植物能否改变植物根系分泌物的类型？

植物根系-土壤界面是一个富含土壤微生物的环境，包涵致病微生物和有益微生物（Rouatt&Katznelson1960;Rouatt,Katznelson&Payne1960）。

因此，植物根系在一个富含微生物的环境中必须进行互作和防御各种类型的生物胁迫（Baisetal.2004,2006）。

这些胁迫作用是如何影响根系分泌的呢？

研究证明，植物释放专一性的类黄酮从而响应兼容性根瘤菌株（Dakora,Joseph&Phillips1993;Pueppkeetal.1998）。

最近研究表明可以调节根系蛋白质的分泌（De-la-Penaetal.2008）。

De-la-Pena等（2008）的研究表明根系分泌物中蛋白质的组成成分在添加微生物后发生了变化，并且，特定细菌对蛋白质分泌的调节受到相邻的特定植物影响。

在这项研究中应用了两种模式植物，拟南芥和苜蓿，微生物利用丁香假单胞杆菌，它是拟南芥的目标病原体同时与苜蓿共生形成根瘤菌。

得知四种有机体基因序列的有效性需要找到起源蛋白从而判断它是由细菌产生的研究发现。

紫花苜蓿根瘤菌的相互作用使蛋白质水解酶、肽酶和过氧化物酶等7种分泌物增加，但是在丁香苜蓿中的作用不会产生这些蛋白质。

同样，在丁香拟南芥中也会产生与防御作用有关的蛋白质，这些蛋白质也不会在拟南芥中产生。

但是发现苜蓿中分泌4种高分子量蛋白质（超过氧化物歧化酶、甘氨酸甜菜碱、ABC运载体、外膜蛋白和SMc02156）。

这些证据表明植物根系的分泌物和细菌蛋白分泌的改变都受到相邻植物的影响。

在这一点上，可以适当推测，如果植物能与特定微生物发生作用而改变蛋白质的分泌这就可以断定植物能与特定的相邻植物之间发生作用。

如果一个微小生物能够被根系感知也许是由于特定感受器作用而不是根系微生物相互作用。

产生这种机制是一个非常复杂的行为模式，在特定相邻植物影响下植物的生理和生物化学性质会发生变化，入侵植物是这个过程中重要的例子。

多数情况下，入侵植物不会入侵它的本土范围，这些地方都有专门的昆虫和病原菌维持土壤特征。

可能可以有这样的推断，一个地区周围的植物和植物群落的相互作用可能通过调节某些生理和生化参数，比如有利防御功能。

当杂草分布到一个新的地域，在这些地域中，相邻植物的进化性影响不存在，其生物化学和生理学性质就会发生变化从有利于植物生长的状态变为防御作用。

再者，同一种的植物（单种）比不同种植物（混种）反应更明显也能通过改变生理学特征而改变生长与防御之间的平衡。

如果这种反应是真实存在的，那么植物就可以表现出社会性反应，最近的一篇文章显示拟南芥中硫代葡萄糖的激活受到相邻植物的影响。

同时也发现在高密度环境中（拟南芥生长量多）拟南芥的硫代葡萄糖产生量多于低密度环境（拟南芥生长量少）（Wentzell&Kliebenstein2008）。

根系分泌作用的机制

近年来，研究者在分析根系分泌物的构成和相邻植物间根际土壤的相互影响方面取得很大进步。

然而，根系分泌机制仍然缺乏了解。

产生和释放的根系分泌物具有常规的分子结构，但是可能会受到生物或非生物因素的影响，这个观点我们在前文已经提过。

根系分泌化合物的过程主要是一个动态过程，通过三条路径调节：

扩散、离子通道、膜泡运输（图1）（Neumann&Romheld2000;Bertinetal.2003）。

在扩散过程中，极性小分子和不带电的分子能够透过具有通透性的质膜（Sanders&Bethke2000）。

这个过程的发生是由于细胞膜有通透性（Guern,Renaudin&Brown1987）和胞内基质pH值（Marschner1995）。

其他化合物如糖类、氨基酸、羧酸阴离子通过蛋白通道跨膜运输，它们的运输方向取决于电化学梯度，使它们从根系细胞质（高浓度环境）向土壤中（低浓度环境）运输。

Samuel,Fernando&Glass（1992）发现细胞质中高浓度的K离子扩散电位差和ATP酶产生的正电荷梯度使质子释放促进羧酸阴离子的释放（Jones&Darrah1995）。

在这种环境下，根细胞膜上的阴离子通道控制这些化合物的释放（Ryan,Delhaize&Randall1995;Zheng,Ma&Matsumoto1998;Neumannetal.1999;Sakaguchietal.1999）。

糖类、氨基酸和金属离子的特定转运蛋白与根系细胞分泌特定化合物有关（Williams,Pittman&Hall2000;Hussainetal.2004;Colangelo&Guerinot2006;Hirneretal.2006;Hoekengaetal.2006;Grabov2007;Leeetal.2007;Svennerstametal.2007）。

植物具有金属离子动态平衡机制，避免自由金属离子过度累积（如铁、锌、锰和铜）；这些机制与金属离子的吸收，转运和区域化有关（seereviewbyHayden&Cobbett2007）。

例如，禾本科植物分泌麦根酸，从根际环境中的根细胞分泌一种金属结合配体和Fe（III）-MA配体以减轻铁的毒害，观察玉米根系时发现这些通过特定载体YSL进入细胞（Curieetal.2001;Curie&Briat2003）。

最近的证据表明水稻硅离子载体位于细胞膜上（Maetal.2007;Ma&Yamaji2008）。

同时也发现拟南芥在铝毒害时苹果酸运载体（AtALMTV1）在根系释放苹果酸中起重要作用。

（Kobayashietal.2007）。

还有其他载体如单糖载体也参与运输己糖、戊糖，包括核糖和多元醇如肌醇和甘油（Klepeketal.2005;Buttner2007）。

根系分泌高分子的化合物通常经过膜泡运输（Battey&Blackbourn1993）。

膜泡介导的蛋白质研究已经研究透彻（seereviewbyField,Jordan&Osbourn2006）。

但是，植物营养的膜泡运输机理还不完全清楚（Lin,Irani&Grotewold2003;Grotewold2004）。

有报道表明，植物的防御反应伴随着抗菌化合物运输到病原菌感染的部位，例如在高粱叶片中积累在真菌感染部位的染色小泡（如抗菌类黄酮）（Snyder&Nicholson1990;Snyderetal.1991）。

同样，染色抗菌剂，当真菌感染时膜泡介导分泌紫草素（Tabata1996;Yazakietal.2001,2002）。

然而，这些研究只能证明叶细胞中植物养分的膜泡运输，除了高尔基体介导的麦根酸多糖在根冠的转运，根细胞中膜泡运输的机制还不清楚（Neumann&Romheld2000）。

ABC运载体是否参与根系的分泌过程

其他与植物细胞防御反应有关的养分运输，包括ABC运载体和有毒化合物（MATE）分泌载体（Yazaki2005）.。

前者通过ATP水解直接功能，随后通过质子梯度二次运输。

这两种机制都与液泡中类黄酮运输有关（Yazaki20