根系分泌物的作用和调控功能(黄万琳)

1、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DAYAKAR V. BADRI & JORGE M. VIVANCOCentre for Rhizosphere Biology and Department of Horticulture and LA, Colorado State University, Fort Collins, CO 80523,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

2、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）(Lynch 1987)。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Wi

3、lson(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(Bais etal.2004,2006;Weir, Park & Vivanco 2004; Broeckling etal.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Merbach 2000;Nguyen 2003)。刚刚播种的种子大约分泌它们所固定碳素的30%到40%(Whipps 1990)。分泌物中还包括释放的质子（H+）、无

4、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(Bucher 2002)。分子技术比如克隆根系特定基因、中间杂交技术(Conkling etal. 1990;Rodriguez和Chader 1992)；差异性分析(Liang & Pardee 1992)；根系cDNA

5、库(Bucher etal. 1997)；借助分子技术的根细胞特异性基因表达分析(Birnbaum etal. 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-Dernier etal.2001;Choi etal.2004;Lee etal.2004;Limpens etal.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

6、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Kulakow 2003;Bais etal.2004; 2006;Singh etal. 2004,Weir etal. 2004, Barea etal. 2005;Morgan,Bending和White 2005; Prithiviraj,Paschke和Vivanco2007;Bais,Broeckling和Vivanco 2008)。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

7、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(Aerts 1999)。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Brown 2001)。在高硝酸盐和磷丰富的土壤中，根系的构造会改变(Ho etal.2005; Paterson etal.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(Pierret etal.2007)。因此，推测认为分泌物的

8、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(Paterson etal.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

9、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Malamy 2005)。除了水，还有其他外源性因素，如氮(Lopez-Bucio,Cruz-Ramirez & Herreraestrella2003)，磷(Linkhor et al. 2002)，铁(Mooget al. 1995)和光(Cluis,Mouchel & Hardtke 2004;Sorinet al.2005)调节根分支和根系构造。植物在缺磷时糖分

10、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 & White 2008)。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(Lamont 2003)。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(Malamy 2005; Osmont,Sibout & Hardtke 2007)。根系构造也受到生物因素影响，因为

11、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Van Gijsegem 2006)。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-Bucio etal.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(de Billy etal.2001;Hirsch,Lum & Downie 2001)以及菌根(Hetrick 1991;Paszkowski etal.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

12、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 & Parkinson 1961;Schroth & Snyder 1962)。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 & Parkinson 1961;Bowen 1968;McDougall 1968;Rovira 1969)。Van Egeraat (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

13、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。Van Egeraat(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(Pineros

14、 etal. 2002;Czarnota etal.2003;Nguyen 2003)。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(Barlow 1975)，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(Hawes 1990)。边缘细胞有多种功能：减小根尖摩擦力(Bengough & McKenzie 1997)，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)(Hawes 1990; Hawes etal.1998,2000)，以及可以保护植物免受重金属毒害(Morel,Mench & Guckert

15、 1986;Miyasaka & Hawes 2001)。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(Samsevitch 1965)。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 & Martin 1979;Foster 1982;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(Parker etal.2000)。在固定和养分、水分吸收等根际活动中有重要

16、作用(Fan etal.2001;Grierson,Parker & Kemp 2001; Michael 2001)。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(Czarnota etal.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

17、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 & Guckert 1998)。在土壤板结和轻度干燥的条件下根系分泌物增加(Brim

18、ecombe,De Leij & Lynch 2000)。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(Jones 1998)。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(Bekkara etal. 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

19、的量增加(Hughes etal. 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 & Hanson 1994)。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(Ma 2000;Liao etal.2006;Wang etal. 2006)。对某些植物和豆

20、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 & Marschner 1995;Chishaki & Horiguchi 1997;Dinkelaker etal. 1997;Neumann,George & Romheld 1998;Neumann& Romheld 1999)。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 & Duke 2003)。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(

21、Weir etal. 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(Aulakh etal. 2001)。Garcia etal.(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(Hoekenga etal. 2003)。不同植物的根系分泌物都存在性质和数量上的不同 (Cieslinski etal. 1997)。物种间的亲缘关系越远，分泌

22、物种类差异越大(Fletcher & Hegde 1995)。 诱导子是诱导植物产生防御作用或胁迫应答的分子。Gleba etal. (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(see review of Zhao, Davis & Verpoorte 2005)。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

23、从而介导防御反应(Schachtman & Shin 2007)。已经证明SA和MeJA在培养中的细胞中发现(Parchmann, Gundlach & Mueller 1997; Chen etal.2001)。NO在植物根系外质体空间中发现(Stohr & Ullrich 2002)。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(Badri e

24、tal. 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 & Katznelson 1960;Rouatt,Katznelson & Payne 1960)。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(Bais etal.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 & Phillips 1993; Pueppke etal.1

25、998)。最近研究表明可以调节根系蛋白质的分泌(De-la-Pena etal. 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

26、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

27、，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

28、（拟南芥生长量少）(Wentzell & Kliebenstein 2008)。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 & Romheld 2000;Bertin etal.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 & Bethke 20

29、00)。这个过程的发生是由于细胞膜有通透性(Guern,Renaudin & Brown 1987)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 & Darrah 1995)。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 & Randall

30、 1995;Zheng,Ma & Matsumoto 1998;Neumann etal.1999; Sakaguchi etal.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;Hussain etal.2004;Colangelo & Guerinot 2006;Hirner etal. 2006;Hoekenga etal.2006;Grabov 2007;Lee etal.2007;Svennerstam etal.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

31、）；这些机制与金属离子的吸收，转运和区域化有关(see review by Hayden & Cobbett 2007)。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(Curie etal.2001;Curie & Briat 2003)。最近的证据表明水稻硅离子载体位于细胞膜上(Ma et al.2007; Ma & Yamaji 2008)。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。(Kobayashi etal. 2007)。还有

32、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(Klepek etal.2005;Buttner 2007)。根系分泌高分子的化合物通常经过膜泡运输(Battey & Blackbourn 1993)。膜泡介导的蛋白质研究已经研究透彻(see review by Field,Jordan & Osbourn 2006)。但是，植物营养的膜泡运输机理还不完全清楚(Lin,Irani & Grotewold 2003; Grotewold 2004)。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）

33、(Snyder & Nicholson 1990;Snyder etal. 1991)。同样，染色抗菌剂，当真菌感染时膜泡介导分泌紫草素(Tabata 1996;Yazaki et al.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 & Romheld 2000)。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(Yazaki 2005).。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

34、都与液泡中类黄酮运输有关(Yazaki 2005).。ABC运载体包括一个大的蛋白质家族，在所有植物中都有(Higgins 1992),。而且这些运载体在拟南芥中的数量多于酵母和人类(Decottignies & Goffeau 1997;Dean,Hamon & Chimini 2001;Rea 2007).。植物需要固定，因此需要适应性的定位以便与周围环境作用，发现植物产生的大量潜在的化合物比有机质需要更多的运载体(Dixon 2001).。在细菌中，ABC运载体在细胞运输化合物中有重要作用。最近发现在真核细胞中ABC运载体也有重要功能(Saurin,Hofung & Dassa 1999

35、;Shitan etal. 2003; Santelia et al. 2005; Terasaka et al. 2005).。植物的ABC蛋白可以根据形态（完整或不完整）、方向（正向或反向）、跨膜蛋白连接域是否存在和完整序列相似性分为13个亚基(Sanchez-Fernandez etal. 2001)。ABC运载体参与不同的细胞过程，如潜在毒性化合物的排泄、脂肪转运、重金属耐受性、养分运输、盐胁迫和抗菌作用(Balzi & Goffeau 1994;Szczypka etal.1994;Maathuis etal.2003;Kobae etal. 2006; Stein etal. 20

36、06).。在植物中，最佳的ABC运载体组成是3个完整分子的亚基：耐药性相关蛋白（MRP）、多效抗药性蛋白（PDR）和耐药性P-糖蛋白（PGP）。最近，用药理学的方法研究表明，植物根系分泌某些次生代谢产物是有ATP参与的过程。发现ABC运载体参与了根系分泌的过程(Loyola-Vargas et al. 2007;Sugiyama,Shitan&Yazaki 2007).。Loyola-Vargas等人(2007)发现拟南芥根系分泌物与存在氰化钾、钒酸钠、戊脉安、硝苯吡啶、格利苯脲和奎尼丁等抑制剂时量和质上都有所不同。这就清楚地表明参与根系分泌的不同主动运输系统包括ABC运载体和P-型ATP酶，

37、因为所有抑制剂用尽细胞中的ATP库。此外，另有研究发现染料木素和信号黄酮的分泌与大豆根系共生根瘤菌有关，是由ATP依赖的ABC运载体所介导的。这项研究运用了特定的ABC运载体抑制剂钒酸钠，但是，染料木素的分泌并不受到像尼日利亚菌素、颉氨霉素和短杆菌肽D等质膜离子载体抑制剂的抑制(Sugiyama etal. 2007).。前面两个证据利用抑制剂直接证明了ABC运载体参与根系分泌过程。最近，Badri等人(2008)用缺乏特异性根系ABC运载体高度表达蛋白拟南芥突变体直接证明了ABC运载体与根系分泌作用的关系。这项研究证明了三种物质通过ABC运载体运输，其中一种初步确定为3-羧基-4(2)、6(

38、2)、8(2)、10(2)-双链酸，这项研究进一步发现一个ABC运载体能够运输不同结构的化合物或者一种化合物能够被不同载体运输。还需要进一步研究以明确其他种载体（如MATE）和参与根系分泌化合物的底物，这有必要利用农业和生物技术使研究获益。根系分泌物的新型作用 根分泌作用包括正面和负面的多种相互作用，如根际中的植物与植物之间植物与微生物之间或者三个营养级相互作用（植物-微生物-线虫）。有大量的文章都报道了根系分泌物作用中植物和植物、植物和微生物之间的作用(Bertin etal.2003; Bais etal.2004,2006,2008;Weir etal.2004;Prithiviraj

39、etal.2007)。这篇综述从两个方面举例说明：三个营养级相互作用和自身识别或非自身识别。 与植物和微生物不同线虫有高度的运动能力，能够响应植物与微生物间的化学通讯。三个营养级的作用（植物、微生物、线虫）在对根瘤菌、菌根真菌和植物病原体的研究中已经有了很好的阐述(Khan 1993; Khan etal.2000)。研究表明，三营养级作用在线虫和微生物共同影响植物生长时发挥作用。不同的研究表明，土壤线虫也可以调节根系和根瘤菌的相互作用，使根瘤的数量增加(Horiuchi etal. 2005)。本研究表明线虫作为载体把根瘤菌带到豆科植物，使植物根系释放挥发性物质形成植物-微生物共生体。一项同

40、样的研究报道指出昆虫病原线虫会使田中的玉米根系受损(Rasmann etal. 2005)。然而，对线虫的影响与植物根系的相互作用和对根分泌物的影响以及对微生物的作用还不太了解。对根际中与这些三营养级调节有关的基本信号的了解，可以极大的促进在生态和谐中的运用。另一个熟知的三营养级作用的例子是植物根系分泌物与寄生植物和丛枝菌根真菌（AMF）的通信介导。植物利用化合物吸引有益有机质和抵御有害物质。然而，对有益物质的吸收也会导致有毒物质的泛滥。一个经典的例子是植物间的亲缘关系，有益的共生AMF和有害的共生植物，它们都受到根系分泌物以及其衍生物的调节(Bouwmeester etal.2007)。独角

41、金内酯在植物根系分泌物中的含量很少，包括玉米、珍珠小米、红三叶草、番茄、百脉根和蝙蝠葛(Sugimato 2000; Sato etal. 2003;Awad etal.2006)。在这个复杂的作用中过去发现的毫无关系的事实现在可以整合成一个原理：1、土壤中低浓度的磷酸盐有利于AMF的共生(Smith & Read 1997)；2、缺乏磷酸对诱导植物根系产生独角金内酯(Yoneyama etal.2007)；3、独角金内酯促使AMF占据寄主植物(Gomez-Roldan etal.2007)；4、独角金内酯也引起寄主植物感染(Bouwmeester etal. 2003)；5、AMF的作用可以

42、防止寄主植物被萌发抑制剂影响(Lendzemo etal.2007)。除了独角金内酯的以上作用和对化合物的作用以外，最近的两项研究发现它们也抑制芽的分支(Gomez-Roldan etal.2008; Umehara etal.2008)。 植物通过地上部分和地下部分的相互作用从而防止由病原菌引起的疾病。食草动物产生了一种植物内部信号作用于根与芽(Rasmann etal. 2005)。这项研究发现玉米根虫（WRC）的幼虫以玉米叶片为食同时诱导根系分泌植物信号(E)-b-石竹烯激活昆虫病原线虫，一些根系有益菌激活植物防御反应以防止叶部病害(Ryu etal. 2004)。同样，植物根系分泌化合

43、物作为信号物吸引共生体如根瘤菌和AMF(Kent Peters & Long 1988;Besserer etal.2006)。但是，是什么植物根信号参与激活有益菌还不太清楚。最近研究发现三羧酸循环（TCA）的一个根系中间产物L-苹果酸能在剂量依赖上参与激活有益菌芽孢杆菌FB17(Rudrappa etal.2008)。这项研究进一步证明了当叶片接种PSTDC300病原体，根系L-苹果酸的分泌增加。这项研究为了解植物的地上部分和地下部分信号交流铺平了道路。 在一些自然或半自然的植被中，由根系驱动的地下部分的竞争是必不可少的现象。几项研究已经证明根系与相邻根系通过特定的方式互相影响，这依赖于相邻

44、根系的种类(Maina, Brown & Gersani 2002;de Kroon, Mommer & Nishiwaki 2003; Falik,de Kroon & Novoplansky 2006).。最近的研究表明植物可以识别同类从而在根系作用影响的竞争条件下，在与不同类物种一起生长时比和同类植物生长时大的根系更容易定位(Dudley & File 2007).。自身或非自身根系机制上的区别还不太清楚，但已经表明，根分泌物在这种反应中发挥作用(de Kroon 2007)。Ariel Novoplansky在“在竞争条件下的自我识别行为”一文中提出这方面的细节信息。根际中根分泌物是否

45、参与植物的协同进化？ 上节涉及到的例子都是在人工环境或严格控制的温室环境中进行的探究，所以，读者也许会问：根系分泌物在自然条件下是如何影响生物多样性的。土壤中的微生物多样性（细菌和真菌群落）是非同寻常的，一克土壤中可含有10亿微生物，有上千个不同的物种(Rosell-Mora & Amann 2001)。土壤微生物群落通过一个作用体系影响环境中的关键过程，如养分的生物化学循环，植物健康和土壤质量(Barea etal.2005;Giri etal. 2005)。许多动态的微生物作用发生在植物根系附近和土壤-植物界面，这个环境就称为根际(Lynch 1987;Barea etal.2005;Ba

46、is etal. 2006;Prithiviraj etal.2007)。根际土壤中微生物群落多样性取决于植物的年龄，作物品种和土壤类型(Wieland, Neumann & Backhaus 2001; Buyer,Roberts & Russek-Cohen 2002;Kowalchuk etal.2002;Hogberg, Hogberg & Myrold 2007)。重要的是，最近研究认为特定植物培养在具有真菌群落多样性的土壤中，两种模式植物（拟南芥和苜蓿）在其本土培养（从自然条件下采集）和从温室条件下的其他植物土壤中采集，发现拟南芥在本土条件下仍然保留其真菌群落，但在其他土壤中却不能

47、（种植苜蓿的土壤），当它们生长在第三种土壤中时则不能成活。在不是本土的其他土壤中培养，微生物多样性迅速下降。当将根分泌物加入其他土壤而不是植物生长的土壤则有同样的现象。因此，说明植物通过根分泌物响应这些现象，这些相互作用具有协同进化的现象(Broeckling etal.2008)。其他研究除了田间条件外都显示出同样结果。这项研究发现蒙大纳洲入侵植物黑矢车菊的高密度土壤与杂草生长的低密度土壤相比，真菌群落大量下降(Broz,Manter & Vivanco 2008)。事实证明入侵植物使微生物多样性数量下降(Broz etal.2008)。使我们更加相信在根际和土壤微生物之间存在协同进化，会受

48、到根系分泌物的调节。当入侵植物达到一个新的领域，就会通过分泌物破坏土壤微生物。这些分泌物不仅对微生物有负面影响（抗菌剂）同时也能为其生长提供碳源。可能一段时间以后入侵植物也会有自己的与原来类似的微生物群落，但并不容易形成，因为原来的整个生态群落不可能复制。这样的群落是由不同植物所组成，并且有自己的分泌物调节土壤微生物群落从而有益于自己的生态系统。当这个生态系统被一种没有协同进化的新物种影响后，就会影响一些植物的协同进化微生物的生理过程从而导致数量下降。在一个入侵范围内，这会使一种植物的竞争力减弱，易受到入侵植物的侵袭。单一物种下可以得到同样的相关系数：可以假设这样的作物完全改变了土壤微生物的组

49、成。据了解，本土作物不如非本土作物能产生更大的作用。主要是吸收作用（土壤性质和养分）和气候作用，例如，土豆在它的驯化的安第斯山脉产量下降，早期的研究推测在本土生长的作物拥有重要的协同进化微生物环境。包括有益菌和病原菌，这些微生物的协同进化控制生态系统的平衡。防止其他物种的入侵。另一方面，非本土生长的作物能够高产是由于少量的土壤病原菌。因此，如果接种病原菌则会很快生长，并占据主导。因为不存在与之竞争的协同进化微生物（图2）。一个例子就是爱尔兰的马铃薯饥荒（公元前1845-1852），马铃薯晚疫病使其在几年内迅速死亡。对地上部分和地下部分研究的展望 越来越多的研究探讨了根系分泌物的变化在生态中的意

50、义。但是，最明显的意义在于植物对食草动物响应机制的研究。例如食用包囊三叶草根系的动物改变百三叶草的根系分泌物，刺激生物量土壤微生物活动。这些积累的影响随后产生了积极地反馈，最终有利于植物的长期生长(Hamilton & Frank 2001; Ayres etal. 2004)。另外一个例子是AMF，它可以在早期演替中丰富植物的种类(Van der Heijden etal.1998)。因为他能够促进次要植物生长，均匀分布土壤资源，避免一种植物占据主导地位(Van der Heijden 2004)。很明显，根系与AMF的联系起源于一种根系分泌物独角金内酯。最近，研究发现不同植物中根和芽诱导的

51、反应表现为地下部分对病原菌的不同作用直接（产毒素）或间接（挥发物）的从地上部分的营养状况表现出来(Bezemer &Van Dam 2005)。植物和土壤生物之间的正反馈和负反馈机制都通过根分泌物来维持，这就明显影响了养分循环率和植物生长率。总结和未来的研究方向植物根系分泌的化合物和蛋白质是植物应对和改变所处环境的重要途径。在过去几年中的研究技术的进步为更好的了解根系分泌物与与其他有机质作用关系提供了条件。这些创新可以运用于农业生态系统。从而加强作物防御病原菌的能力和充分运用土壤有益菌的能力。此外，这些知识也可以用于开垦更好的土壤以防止入侵物种、重金属毒害或有毒化合物。一个激动人心的趋势将产生

52、于对根际微生物的不同探索中产生。然而，现在的努力应该集中在研究有机质与复杂根际间化学联系。此外，也需要了解分泌的控制作用和机制从而将产生的化合物更好的运用于农业生产。研究人员的主要挑战在于了解根系分泌中新的运输系统和调节机制，这样有助于我们更好的了解根系分泌的化合物以及它们在根际的作用；另外一个重大的挑战是研究根系分泌物的化学成分，特别是参与疾病预防和有利于根际微生物的分泌物。关于根系分泌次生代谢产物的情况已经了解，但是重要的是要梳理出分泌过程中分泌蛋白的作用。最后，也需要深入了解分泌物在地下部分和地上部分相互影响间的作用，反之亦然。同时也需要了解生物与非生物因素在生态系统中的相互作用。解决跨

53、领域研究也是个重要的挑战。例如植物生态学家与土壤化学家、土壤物理学家、化学家和植物病理学家合作。此外，可以很清楚地看到，对根系行为的研究需要提供生态学和进化学的数据以便了解其相互作用以及地下部分和地上部分多样性关联，更好的为研究生态平衡做出贡献。参考文献Aerts R. (1999) Interspecific competition in natural plant communities:mechanisms, trade-offs and plantsoil feedbacks. Journalof Experimental Botany 50, 2937.Aulakh M.S., Wa

54、ssmann R., Bueno C., Kreuzwieser J. & RennenbergH. (2001) Characterization of root exudates at different growth stages of ten rice (Oryza sativa L.) cultivars. PlantBiology 3, 139148.Awad A.A., Sato D., Kusumoto D., Kamioka H., Takeuchi Y. &Yoneyama K. (2006) Characterization of strigolactones, germ

55、inationstimulants for root parasitic plants Striga and Orobanche, produced by maize, millet and sorghum. Plant Growth Regulation48, 221227.Ayres E., Heath J., Possell M.,Black H.I.J.,Kerstiens G. & Bardgett R.D. (2004) Tree physiological responses to above-ground herbivory directly modify belowgroun

56、d processes of soil carbon and nitrogen cycling. Ecology Letters 7, 469479.Badri D.V., Loyola-Vargas V.M., Du J., Stermitz F.R., Broeckling C.D., Iglesias-Andreu L. & Vivanco J.M. (2008a) Transcriptome analysis of Arabidopsis roots treated with signaling compunds: a focus on signal transduction, met

57、abolic regulation and secretion.New Phytologist 179, 209223.Badri D.V., Loyola-Vargas V.M., Broeckling C.D., et al. (2008b) Altered profile of secondary metabolites in the root exudates ofArabidopsis ATP-binding cassette transporter mutants. Plant Physiology 146, 762771.Bais H.P., Park S.W., Weir T.

58、L., Callaway R.M. & Vivanco J.M. (2004) How plants communicate using the underground information superhighway. Trends in Plant Science 9, 2632.BaisH.P.,Weir T.L., Perry L.G.,Gilroy S.&Vivanco J.M. (2006) The role of root exudates in rhizosphere interactions with plants and other organisms. Annual Re

59、views of Plant Biology 57, 233266.Bais H.P., Broeckling C.D. & Vivanco J.M. (2008) Root exudates modulate plantmicrobe interactions in the rhizosphere. In Secondary Metabolites in Soil Ecology, Soil Biology 14 (ed. P. Karlovsky), pp. 241252. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,Germany.Balzi E. & Goffeau A. (1994) Genetics and biochemistry of yeast multidrug resistance. Bio