病害胁迫下植物根系分泌物的响应及作用研究进展

肖 蓉 ，张春芬 ，邓 舒 ，曹秋芬 ，韩亚慧

（1.山西农业大学果树研究所，山西太原030031；2.山西农业大学生命科学学院，山西太原030031；3.山西大学生命科学学院，山西太原030006）

根系分泌物是指在特定环境下，活的植物通过根系的不同部位释放到根际环境中的有机物质的总称，是一种复杂的非均一体系。广义的根系分泌物包括渗出物、分泌物和排泄物；狭义的根系分泌物仅包括植物通过溢泌作用进入土壤的可溶性物质[1]。根系分泌物有很多种类，包括糖类、有机酸类、氨基酸类、酚酸类、蛋白质类、脂肪酸、生长因子等[2]。它是植物和土壤产生联系的重要介质，在植物与环境相互作用过程中发挥着至关重要的调控作用。其主要功能包括直接提供营养、加强植物营养吸收、调节土壤质地、化感作用、信号传导、保护等[2]。根系分泌物的组成取决于植物种类和品种、发育时期、植物生长基质和胁迫因素。笔者综述了病害胁迫下根系分泌物在组成和含量2 个维度的响应，以及这些差异响应在植物病害发展中的正向作用或负向作用。

1 病害胁迫下根系分泌物的响应

植物响应环境胁迫最明显、最直接的反应就是根系分泌物组成和数量的变化。这是不同植物对生存环境长期适应的结果。不同病害会对不同植物根系分泌物的种类或数量造成影响。

在蔬菜方面，赵媛媛[3]研究了辣椒疫病胁迫下根系分泌物的变化，结果表明，人工接菌后，培养液中可溶性糖含量与抗病性呈负相关；酯类、醛类和酮类物质的相对含量与辣椒品种抗病能力负相关。ZHOU 等[4]以3 个茄子品种为材料，人工接种黄萎病病原菌，结果表明，抗性型茄子根系分泌物中包含酰胺、acohd、吡喃类、芴等特殊物质，而易感型茄子根系分泌物主要成分为酚、酮、酚酸、酯等。PAN等[5]研究指出，当用枯萎病菌人工接种黄瓜时，抗性品种根系分泌物的氨基酸种类和总量所占比例均高于感病品种。除了氨基酸外，PAN 等[5]在黄瓜根系分泌物中还检出其他85 种化合物；接种苗根系分泌物中化合物的数量和丰度均高于未接种苗；对于未接种的幼苗，感病品种根系分泌物中所有化合物的数量和丰度均高于抗病品种。番茄根系分泌物也受叶片灰霉病菌感染的影响，接种灰霉病菌后，根系分泌物中葡萄糖酸水平升高，蔗糖和肌醇水平下降[6]。番茄根部接种根腐病病原菌后，柠檬酸含量降低，琥珀酸含量增加[7]。赵文宗[8]对不同嫁接组合番茄进行人工接种青枯菌，结果表明，接种青枯菌后，不同嫁接组合根系分泌物的物质成分和相对含量发生了变化，其中，抗病砧木嫁接植株根系分泌物中的邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异辛酯和2，4- 二叔丁基苯酚在接菌后提高，而未接菌处理中的上述物质含量降低。

在作物方面，张海平等[9]对2 种抗性不同的大豆资源接种胞囊线虫，结果表明，与不接种对照相比，接种后2 种大豆根系分泌物氨基酸总量都表现为增加，且易感品种增幅大于抗性品种，这些氨基酸可以分为3 类：与抗性正相关类（苯丙氨酸）；与抗性不相关类（蛋氨酸、丝氨酸和苏氨酸）；与抗性负相关类（其他13 种氨基酸）。董艳等[10]研究表明，不同蚕豆种质根系分泌的氨基酸组分与含量的差异直接影响蚕豆对枯萎病的抗性差异，较高的丝氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸含量及较高的丝氨酸/丙氨酸、丝氨酸/甘氨酸值能抑制枯萎病，而苏氨酸、天门冬氨酸、甘氨酸、缬氨酸、丙氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸含量高时能促进枯萎病的发生。

在其他植物方面，YUAN 等[11]研究了香蕉幼苗在感染尖孢镰刀菌（FOC）后根系分泌物的变化，结果发现，FOC 感染后根系分泌邻苯二甲酸、肉桂酸和水杨酸能力增强。接种西瓜专化型尖孢镰刀菌（FON）能显著提高西瓜根系分泌物中酚酸的含量，增加了酚酸的种类[12]。REN 等[13]研究指出，西瓜枯萎病病原菌感染后会引发琥珀酸和草酸产生。对于烤烟，人工接种黑胫病菌促进了有机酸的分泌，且分泌量随接种时间延长而增加；有机酸含量方面，感病品种大于抗病品种，但酒石酸除外[14]。干露[15]研究发现，在没有接种病原菌的玉米、烟草、辣椒、番茄根系分泌物中均不含糖类物质，而分别用病原菌接种后则检测出糖类物质。WALKER 等[16]将罗勒幼苗与病原微生物铜绿假单胞菌在试管内共培养，发现在病原菌作用下罗勒的根系分泌物中酚酸类物质含量显著增加，如迷迭香酸（RA）。

2 病害胁迫下根系分泌物的作用

2.1 根系分泌物加重病害

由于土壤中不乏病原细菌和真菌，植物根系分泌物为它们的生长繁殖提供了丰富的碳源，因此，植物根系分泌物对土壤微生物数量及多样性变化有重要影响。在与病原细菌或真菌互作中，一方面根系分泌物能够作为化学信号物质对土壤病原菌的活性进行调控，另一方面通过改变土壤微生态环境诱导土传病害的发生。因此，明确根系分泌物与病原微生物，以及由根系分泌物介导的植物—病原微生物—微生态之间的关系对理解土传病害的发生与调控技术的研发具有重要意义。

趋化是许多病原物感知寄主植物信号进而入侵寄主植物的关键途径。LEI 等[17]研究指出，3 种人参根系分泌物对人参软腐菌的趋化性有正向作用，但随着浓度的增加趋化作用减弱。BALENDRES 等[18]研究指出，当疮痂病发生时，在马铃薯根系分泌物中检测到24 种低分子量的有机化合物，并鉴定出特定的氨基酸、糖、有机酸和其他化合物，这些化合物刺激了地下休眠孢子的萌发，比对照提前释放更多的游动孢子。刘志庆[19]研究指出，人参类皂苷对人参根部病菌（根腐菌、锈腐菌）均有较强的趋化作用，使人参连作障碍加重。雷锋杰[20]研究指出，人参根系分泌物也对人参细菌性软腐菌具有趋化性，软腐病菌在人参根系周围大量聚集，增加了该病菌成功侵染人参的概率。李石力[21]研究指出，烟草根系分泌物中的肉桂酸、延胡索酸、苯甲酸、肉豆蔻酸能够作为化学引诱剂，诱导青枯雷尔氏菌的运动、趋化活性，并强烈诱集青枯菌在烟草根部的定殖，一定浓度下这些根系分泌物均能够显著刺激青枯雷尔氏菌生物膜形成的相关调控基因epsE、lecM的表达，提高青枯病的发病程度，其中以肉桂酸的刺激效果最明显。

有些根系分泌物是寄主专化性信号分子[22]，如大豆根系分泌物中异黄酮黄豆苷和染料木黄酮能够特异性吸引大豆疫霉游动孢子，但是不吸引疫霉属其他种游动孢子[23]。据研究，多种外源氨基酸和可溶性糖类对大豆疫霉游动孢子有趋化作用[24-25]，还对 3 种腐霉 （Pythium aphanidermatum、Pythium dissoto-cum 和Pythium catenulatum）游动孢子行为有影响[26]。

2.2 根系分泌物减轻病害

2.2.1 根系分泌物抑制有害菌 植物在受到病害胁迫时会分泌具有直接防御性质的抗菌化合物。BAIS 等[27]研究发现，当受到终极腐霉菌（Pythium ultimum）入侵时，紫花罗勒根部会大量分泌一种具有抗菌活性的咖啡酸衍生物——迷迭香酸，它能够杀灭多种土壤细菌和病原体，并强烈抑制终极腐霉菌。PAN 等[28]研究指出，9 个小麦品种的根系分泌物含有30 种不同的有机化合物，其组成与品种相关，其中一些是已知的化感物质，对镰孢菌菌丝生长和孢子均有不同程度的抑制作用。对于香蕉，有研究指出，高抗枯萎病的香蕉根系能够分泌大量有机成分，并杀死病原菌孢子，中抗品种根系分泌物也显著抑制病菌孢子萌发和菌丝生长[29]。

YANG 等[30]研究了阿魏酸、苯甲酸、肉桂酸的作用，发现甜瓜根部渗出液对病原菌镰刀菌的孢子萌发及菌丝生长有抑制作用。酚酸对烟草青枯病病原菌的生长也有影响。陈娜等[31]研究指出，施用钾肥时，能在生产上有效防控烟草青枯病，其根系分泌物中的酚酸能显著抑制致病菌的生长。王戈[14]研究指出，人工接种黑胫病菌促进了有机酸的分泌，添加有机酸基本抑制了黑胫病菌菌落生长，且抑制作用随有机酸浓度增加而增大。周宝利等[32]研究了嫁接茄根系分泌物质对黄萎菌菌丝生长的影响，结果表明，邻苯二甲酸二丁酯在0.05～0.50 mmol/L 浓度范围内表现出随浓度增加抑制作用先增强然后有所减弱；而棕榈酸和豆蔻酸均表现出随浓度增加先促进后抑制。另外，百里香的根渗出物儿茶素，对多种土壤细菌具有抑菌活性[33]。

2.2.2 根系分泌物促进有益菌 病害的发生不仅与病原菌的存在相关，还与病原拮抗菌的存在相关。天然存在的有益细菌和真菌可以通过多种机制抑制疾病的发生或严重程度，包括抗生作用，对营养物质和空间的竞争作用。植物在受到病害胁迫时可以通过根系分泌物成分的改变，招徕功能性的微生物，通过有益菌对病原菌的生物控制，共同构筑防御系统，以适应环境变化。

大量研究表明，在根系分泌物的作用下，具有趋化性的细菌或真菌能够在根际大量聚集和繁殖。ZHOU 等[4]研究结果表明，抗性型茄子根系分泌物不仅直接影响病原菌的生长发育，而且通过调节土壤微生物群落组成间接影响病原菌的生长发育，从而提高抗病性；而易感型茄子表现出相反的趋势。RUDRAPPA等[34]研究表明，拟南芥感染紫丁香假单胞菌后，根分泌大量苹果酸，这是一种化学引诱剂，能够引诱生物控制菌株枯草芽孢杆菌FB17 进入植株根部。

FERNANDEZ 等[6]研究发现，番茄叶片受灰霉病菌感染后，番茄根系分泌物中葡萄糖酸水平升高，而葡萄糖酸存在下生防菌T34 的生长增强，并由此引发番茄抗病性，从而降低了灰霉病的严重程度。SOOD[35]研究表明，番茄根系分泌物中的氨基酸类和糖类对圆褐固氮菌有诱导作用，而柠檬酸和苹果酸对荧光假单细胞菌有诱导作用。LAKSHMANAN 等[36]研究还发现，番茄叶片受到病原菌侵染后，可以通过调节根系分泌物组分与含量，如增加根系苹果酸分泌释放量，使更多的苹果酸进入根际，从而招募更多的有益菌向根际聚集，这些有益菌可进一步引发植物的诱导性系统抗性，以对病原菌产生防御反应。

YUAN 等[11，37]在香蕉上的研究结果表明，香蕉根际分泌物中的有机酸（OAs）可诱导有益菌NJN-6的趋化性和生物膜的形成，当使用50 μmol/L 的OAs 时，发现最强的趋化和生物膜反应，更具体地说，苹果酸表现出最大的趋化反应，而富马酸显著诱导生物膜的形成，表明香蕉根系分泌物，尤其是释放的OAs，在吸引和启动宿主根上的植物促生菌（PGPR）定殖中起着至关重要的作用；同时研究还发现，香蕉根系分泌物中酚酸含量增高潜在地增强了生防菌芽孢杆菌NJN-6 在根的定殖和对病原体的抑制能力。

3 展望

当受到病害胁迫时，根系分泌物在调控植物与环境相互作用过程中发挥着至关重要的作用。根系分泌物介导着植物—植物、植物—微生物、微生物—微生物（个体以及群体）的对话及相互作用。在这些复杂过程的研究中，一方面，根系分泌物的获取、分离、活性测试及鉴定是基础；另一方面，植物、微生物的个体和群体响应研究是关键。目前，研究者在根际分泌物种类鉴定、根际显微特征、根际物质迁移和信息传递、根际理化环境动态、根际生物群落特征等方面都取得了很多研究结果，但仍然还有一些方面需要突破。比如，（1）目前根系分泌物的分离鉴定大多先通过有机溶剂萃取，再采用色谱和质谱法进行测定，这样的流程不仅耗时耗力，还会与真实情况有较大的偏差，如果能够采用原位收集、原位检测方法将会更简便及准确。（2）在研究根系分泌物与土壤中微生物的相互关系时，传统的平板计数法显然是不够的，因为土壤中绝大多数微生物目前还处于非可培养状态。即使是基于DNA 的现代分子生物学技术（TGGE、DGGE、RFLPP 等）都还有很大的局限性，因为土壤总DNA 与最终行使功能的蛋白质并不是一一对应的关系。即使是mRNA，也会由于蛋白质翻译后的修饰，而使研究对象与生物功能之间相差甚远。近年来，兴起及蓬勃发展的土壤宏蛋白质组学研究有望克服上述问题，为研究根系分泌物介导下的根际生物学特性奠定基础。

总之，根系分泌物研究在整个土壤生态系统功能研究方面占据着重要作用。对病害胁迫下植物根系分泌物的响应及作用机制的揭示将在指导植物病害防控、改善生态农业管理、建立作物高产与环境保护相协调的综合管理体系方面发挥极其重要的作用。