根系分泌物在作物多样性体系中对种间地下部互作的介导作用*

尹晓童, 杨 浩, 于瑞鹏, 李 隆

(中国农业大学资源与环境学院/植物-土壤相互作用教育部重点实验室/生物多样性与有机农业北京市重点实验室 北京100193)

生物多样性能够强化生态系统服务功能, 包括增加生产力, 提高资源利用率, 生物多样性的丧失会降低物质循环和能量流动等一系列生态过程的效率及其稳定性。在农田生态系统中, 集约化单一种植体系依赖化肥、农药大量施用获得高产, 但也造成了一系列的环境风险, 诸如温室气体排放增加, 土壤肥力退化以及生物多样性丧失等。可以通过间作、轮作、混作等方式增加生物多样性的同时提高生态系统的生产力和可持续性。作物多样性体系与单一作物体系最大的不同是作物多样性体系中会发生种间相互作用。植物间相互作用(竞争、促进)是生物多样性-生态系统功能关系的重要驱动力。植物间的竞争表现为不同植物在争夺有限的资源过程中直接或间接抑制对方生长、存活或者繁殖的现象。植物间的促进作用表现为一种植物能够改善生长环境, 促进相邻植物生长、生存或者繁殖的现象。越来越多的研究表明, 地下部的相互作用在植物生长和资源获取方面至关重要。推进作物多样性研究的关键是提高对地下相互作用过程和机制的理解。在间作体系中, 作物地下部的相互作用驱动了地上部的生产力优势: Li等的研究发现, 小麦(L.)和鹰嘴豆(L.)间作后, 小麦的生物量在相互作用时比根系分隔时提高28%。根系分泌物在根际相互作用中发挥着至关重要的作用, 它不仅为根际微生物提供碳源, 也是根际动态过程的信息物质决定因素, 在一定程度上决定根际过程的强度和方向。根系分泌物或者信号物质会直接或间接参与地下部相互作用, 影响自身和邻近植物的表现, 如促进自身和相邻作物对营养元素的吸收, 提高作物产量, 抑制竞争作物生长等。尽管许多研究都强调了地下相互作用过程在自然生态系统和农业生态系统的生物多样性-生态系统功能(BEF)关系中的重要性, 但根系分泌物在作物多样性体系中如何调控种间地下部相互作用, 进而影响农田生态系统功能, 鲜见系统的综述。本文首先明确了根系分泌物在作物多样性种植体系中介导的促进作用, 包括养分活化能力强的作物通过根系分泌物促进自身和相邻作物养分吸收和利用; 其次, 阐述了在污染土壤上, 超累积植物通过根分泌物缓解重金属等有害物质对相邻粮食作物的影响; 然后回顾了根系分泌物通过调控微生物群落缓解相邻植物病害的研究进展。进一步地, 我们也总结了由根系分泌物介导的地下部种间干扰性竞争作用, 并提出作物多样性体系中根系分泌物的研究方向, 旨在为构建高效的作物多样性体系提供理论依据。

1 根系分泌物与植物种间相互作用

植物生长过程中根系不同部位向生长介质中分泌或释放到根际周围的初生和次生代谢物质统称为根系分泌物。根系分泌物包括低分子量有机物质(如糖、氨基酸和有机酸), 高分子的黏胶物质(包括蛋白质、酶和多糖), 根细胞脱落物及其分解产物以及气体、质子和养分离子等。根系分泌物是调控一系列根际生物过程和非生物过程的重要物质。

依据根分泌物对相邻作物生存和生长的不同影响(图1), 可以将根系分泌物在植物群落中的作用划分为种间促进作用和种间竞争作用。促进作用包括:一种作物的根系分泌物活化难溶性土壤磷和微量元素, 促进作物对养分的吸收和利用; 超富集作物与粮食作物间作可以通过改变根系分泌物减缓重金属对粮食作物的毒害作用; 根系分泌物还可以调节根际微生物群落, 抑制病害, 改善土壤理化性质, 有利于相邻植物的营养吸收和生长。竞争作用包括:一种作物根系分泌物中的化感物质对相邻植物的根系生长、养分吸收而产生抑制, 从而对其生长产生负效应, 如化感作用通过化感物质的产生和释放后抑制相邻作物的生长。

图1 根系分泌物介导的种间相互作用Fig.1 Interspecific interactions mediated by root exudates

2 根系分泌物介导的植物种间养分吸收促进作用

根系分泌物(如有机酸、酚酸、氨基酸、铁载体及酶等)可以通过不同途径(酸化、还原、络合、风化、酶反应等)活化磷、铁、锰及锌等元素, 黄酮类化合物可以增强豆科作物的生物固氮以缓解对氮素的竞争。

2.1 磷素促进作用

磷活化能力强的植物通过根系释放的有机酸、质子和酶活化磷元素, 促进了磷活化能力弱的植物的生长。田间试验中, 蚕豆(L.)根际释放质子、苹果酸和柠檬酸, 从而活化土壤中难溶性的无机磷, 提高了与蚕豆间作的玉米(L.)的磷吸收量。鹰嘴豆是一种已知能有效获取有机磷的物种, 其根系能分泌酸性磷酸酶将有机磷水解为无机磷, 促进相邻作物获取磷, 试验发现与鹰嘴豆间作能够提高相邻小麦和玉米的磷吸收量。根系分泌物介导的磷活化作用, 是缺磷的生态系统中种间促进作用以及提高作物产量的一个重要机制。

2.2 氮素促进作用

以往研究发现具有豆科作物的体系由于生物固氮作用, 促进了多物种体系种间互作, 近来研究表明一些禾本科(Gramineae)作物能够分泌促进固氮的根系分泌物, 促进豆科作物结瘤固氮。在蚕豆/玉米间作体系中, 玉米根系分泌物中大量的黄酮类化合物可以促进蚕豆黄酮类化合物合成, 提高染料木素浓度, 在该类激素信号的参与下强化结瘤过程, 并通过增强基因水平和生理水平上固氮相关蛋白的活性刺激固氮, 蚕豆根系的早期结瘤基因nodulin-like()、early nodulin-like ()、查尔酮-黄烷酮异构酶()基因的表达比单作高1.5～2.3倍。Hu等采用稳定同位素核酸探针(C-DNA-SIP)技术, 观测到玉米根系分泌物激发蚕豆根际的9种关键菌属。其中, 壤霉菌属()、节杆菌属()、芽孢杆菌属()溶杆菌属()类芽孢杆菌属()可以直接参与豆科作物的生物固氮过程, 芽单胞菌属()太阳杆状菌属()硝化球菌属()堆囊菌属()通过为微生物提供额外的碳源来增加氮固定(图2)。小麦和大麦(L.)的根分泌物并不能促进相邻豆科作物的结瘤固氮, 证明这是一种物种特异性的种间促进作用。与此同时, 豆科作物可以通过生物固氮缓解对土壤中氮素的竞争, 促进相邻作物对氮的吸收和利用。由此可以看出, 根分泌物驱动的氮素促进作用存在双向性和特异性, 即豆科通过生物固氮提高土壤中氮素有效性, 促进相邻植物的生长; 玉米的根系分泌物又可以通过调控豆科植物根系基因表达和根际微生物群落组成增强豆科作物的结瘤固氮作用, 从而提高体系生产力。

图2 玉米/蚕豆间作体系中氮高效利用机制Fig.2 Mechanisms of efficient N utilization at maize/faba bean intercropping system

2.3 微量元素促进作用

铁在植物光合作用、呼吸作用、固氮、活性氧清除等生理过程中扮演重要角色, 并且是多种酶的组分。作物通过释放铁载体, 促进对铁吸收的同时, 也可以促进作物对锌的吸收, 提高相邻作物的铁锌含量。盆栽试验以及田间试验均证明了花生(L.)与大麦、燕麦(L.)、小麦或玉米间作后可提高花生幼叶中叶绿素、HCl-Fe和总铁含量, 从而减轻石灰性土壤中花生的缺铁黄化现象。植物增加对土壤中难溶性铁、锌利用的机制分为“机理Ⅰ”和“机理Ⅱ”: 机理Ⅰ是双子叶和非禾本科单子叶植物通过外排质子进入根际, 促进矿物质和有机复合物释放铁, 并通过根真皮质膜中膜结合的铁还原酶进行酶还原; 机理Ⅱ是对缺铁有较强适应性的禾本科单子叶植物释放出麦根酸类铁载体(phytosiderophores, PS), PS螯合土壤中难溶的Fe(Ⅲ), 形成稳定的螯合物PS-Fe(Ⅲ)并帮助植物吸收。当花生(机理Ⅰ植物)和玉米(机理Ⅱ植物)间作时, 玉米根系分泌的PS, 有助于形成稳定的螯合物PS-Fe(Ⅲ), PS-Fe(Ⅲ)可从玉米根表面扩散到花生根表面被还原成Fe(Ⅱ), 进一步被缺铁的花生吸收。与此同时, 玉米根系能够分泌脱氧麦根酸(2ʹ-deoxymugineic acid, DMA), 与土壤中难溶的Fe(Ⅲ)形成Fe(Ⅲ)-DMA, 而被间作花生吸收。PS不仅能够络合Fe(Ⅲ), 还可以络合其他微量金属元素(铜、锌、锰、钴、镍), 提高这些元素在根际的有效性。

根系分泌物通过活化难溶性养分(磷、铁、锌等), 改善农田中作物的养分吸收并提高产品品质, 提高肥料特别是磷肥的利用率。在豆科/非豆科间作体系中, 根系分泌物介导的种间促进作用能够促进豆科作物结瘤固氮, 节约化学氮肥的用量, 为农业的可持续发展提供了有效的途径。

3 根系分泌物通过降低土壤重金属有效性促进相邻作物生长

根系分泌物可增强作物对毒害元素如铝、铅、镉的耐受性, 根系分泌物中的酚酸类化合物能够螯合金属离子来减轻其对植物的毒害作用, 促进作物生长。植物长期暴露在铝环境中会损害根系, 扰乱植物吸收水分和营养物质, 植物根系通过释放柠檬酸、苹果酸、酚类化合物等物质来螯合游离的Al, 这样会降低Al对于根系的毒害作用。有试验表明羧酸盐的分泌介导了大麦、小麦和水稻(L.)等谷物的耐铝性。

重金属污染土壤上, 重金属超富集植物和粮食作物间作可以通过改变根系分泌物种类和数量来降低粮食作物对毒害元素的吸收和积累, 有利于粮食作物的生长, 同时也是一种修复模式。与一些物理和化学方法相比, 利用超富集植物进行修复具有效率高、成本低、无二次污染、就地修复等优点, 是一种在不影响农业生产的情况下修复污染土壤的潜在方法。例如, 龙葵(L.)是一种镉超富集植物, 在镉污染土壤修复方面具有良好的应用前景。龙葵和玉米间作后, 龙葵根系分泌大量的有机酸与Cd形成螯合物, 降低土壤的pH, 提高镉的生物有效性, 促进富集植物龙葵对镉的吸收和富集, 降低玉米对镉的吸收, 从而缓解间作玉米的镉吸收和富集, 保障玉米稳产和食品安全, 并显著提高了修复效率(图3)。又如, 续断菊(L.Hill)和玉米间作改变了两种作物根系分泌物中有机酸的种类和数量, 续断菊根系分泌物中柠檬酸和草酸的含量显著升高, 提高了土壤镉的有效性, 增加了续断菊对镉的吸收和积累; 而玉米根系分泌物中柠檬酸和草酸的含量降低, 苹果酸含量增加, 降低了玉米对镉的吸收积累; 同时也有研究表明, 玉米和续断菊间作后柠檬酸、草酸含量的改变使间作土壤中有效态铅含量在不同作物带发生改变, 提高了续断菊植株铅的累积量, 降低玉米地上部铅含量。

图3 粮食作物和超富集植物间作缓解重金属毒害的作用机制(修改于郭思宇等[20])Fig.3 Mechanisms of reducing heavy metal toxicity of crops and hyperaccumulators intercropping (Modified from GUO S Y, et al[20])

由此可见, 超富集植物和粮食作物间作通过根系相互作用, 改变根系分泌物中有机酸的组分, 从而增强超富集植物对重金属的吸收和富集, 降低农作物对重金属的吸收和富集, 能够提高农作物的品质。这对于在重金属污染的土壤上种植安全的粮食作物以及重金属污染土壤的修复提供了有效途径。

4 根系分泌物通过调控根际微生物群落促进相邻作物生长

根系分泌物和根际微生物之间的相互作用是一个十分重要的过程, 根系分泌物介导的植物-微生物互作关系影响土壤健康和植物生长发育并增强不同植物群落的生态系统功能。

4.1 抑制土传病害

作物多样性通过改变根系分泌物的种类和组成, 影响微生物群落结构组成, 抑制作物土传病害。土壤微生物多样性越高, 结构越稳定, 拮抗作用的综合效果则越强。间作能够调节作物根际土壤细菌的群落结构组成, 通过抑制病原微生物来提高植物的生产力以及免疫力, 在作物生长旺盛期根际微生物群落的稳定性和优势更强。已有研究证实间作体系中种间根系的相互作用可以抑制土传病原菌。连续单作种植多茬的西瓜[(Thunb.)Matsum and Nakai]易患枯萎病, 研究发现西瓜/水稻间作可以显著抑制尖孢镰刀菌()的密度, 抑制率可达10%, 主要原因是间作改变了土壤微生物群落, 增加了根际土壤中革兰氏阳性菌和放线菌数量, 有效防治了西瓜的枯萎病, 在西瓜单作种植时, 添加水稻根系分泌物也有相同作用, 证明这种现象是水稻的根系分泌物引起的。茴香(Mill.)与烟草(L.)、甜瓜(L.)、三七[(Burkill) F. H. Chen ex C. H.]轮作通过根系分泌物改变微生物群落的组成和数量抑制病菌, 从而显著降低烟草黑胫病、甜瓜枯萎、三七根腐病等土传病原菌的发病率。玉米和辣椒(L.)间作后连续3年土地当量比为1.81、1.45、1.42, 辣椒疫病严重程度比单作显著降低33.5%、49.1%、46.0%。这是因为玉米和辣椒间作后玉米根系分泌物中苯并噻唑(benzothiazole, BZO)等物质抑制了游动孢子从孢子囊的释放、运动和萌发, 从而有效地控制辣椒疫病在田间传播。

4.2 信号物质介导调控微生物群落

根系分泌物含有介导植物相互作用的化学信号物质, 有些信号物质不仅在相邻植物感知、识别中发挥作用, 还会改变土壤微生物群落结构。例如, 由挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)介导的植物间信号物质可以通过菌丝网络或特定微生物在植物间的传播帮助植物抵御病原菌或影响根系分布。苍术[(Thunb.) DC.]和花生间作后, 苍术释放的VOCs作为信号物质, 可引起邻近植物花生的响应, 苍术根茎和地上部释放的萜烯和芳香烃类物质能够通过调控花生生理活动和根系分泌物组分, 使花生根系分泌更多的酚酸和有机酸, 显著降低了花生中丙二醛的累积量, 增加了花生根际的细菌和真菌种类, 抑制间作花生根际的病原菌, 如镰刀菌(spp.)和黄单胞菌(), 抑制花生根腐病, 促进花生生长, 提高花生抗性。

乙烯作为化学信号物质, 也会使邻近植物、食草动物、病原体或其他攻击者做出反应。最近研究发现, 乙烯也可以作为信号物质在植物种间的相互作用中发挥作用。例如, 在花生/木薯(Crantz.)间作系统中, 花生根系分泌的信号物质乙烯不仅能够感知相邻植物的存在, 也在调节根际微生物中发挥关键作用。木薯根系释放的氰化物能够刺激花生根系产生乙烯, 并改变根系微生物的群落组成, 显著增加花生根际细菌α多样性以及根际放线菌的相对丰度, 改善土壤质量, 以此改善花生根系的养分吸收并增加籽粒产量。

参与植物识别的特异性化学信号和植物激素会改变土壤微生物组成, 不同作物的根系分泌物也会改变土壤微生物群落结构, 有利于种间促进作用, 抑制病原菌, 改善土壤理化性质, 从而增强群落的生态系统功能。

5 根系分泌物介导的种间干扰竞争作用

植物种间典型的负相互作用包括: 资源竞争、化学干扰(化感作用)和寄生。化感作用是介导种间相互作用的主要化学生态学机制。国际化感学会把化感作用定义为: “一切通过植物、微生物和真菌产生的次级代谢物(化感物质)来影响农业和生物系统(不包括动物)生长发育的过程。” 化感作用是植物产生和释放防御性代谢产物(即化感物质), 对同种和异种植物产生负面影响的一种干扰机制。目前已经确定的化感物质种类主要有酚类化合物(简单酚类、黄酮类、香豆素类和醌类)、萜类化合物(单萜类、倍半萜类、二萜类、三萜类和甾类)、生物碱和含氮化合物(非蛋白氨基酸、苯并恶嗪类、氰苷类)等。早期对化感作用的研究发现, 胡桃树(L.)的根系能够分泌化感物质萘醌及胡桃醌, 抑制相邻植物的生长。化感水稻通过根系分泌化感物质二萜内酯、环己烯酮和黄酮等抑制稻田杂草的生长。

根系分泌物中的丁布(DIMBOA)、门布(MBOA)等化感物质会抑制相邻作物的生长。一些禾本科植物, 如小麦、玉米和黑麦(L.)根系能够分泌苯并恶唑嗪酮类化合物(benzoxazinoids, BXs), 帮助植物建立防御系统来抑制相邻植物的生长, 并控制与根系相关的真菌和细菌感染。苯并恶唑嗪酮化合物主要有异羟肟酸类[4-benzoxazin-3(4H)-one, DIMBOA; 4-dihydroxy-2H-1, 4-benzoxazin-3(4H)-one, DIBOA]、苯并恶唑啉酮类[6-methoxy-benzoxazolin-2(3H)-one, MBOA; benzoxazolin-2(3H)-one, BOA]、内酰胺类(2-hydroxy-1, 4-benzoxazin-3-one, HBOA; 2-hydroxy-7-methoxy-1, 4-benzoxazin-3-one, HMBOA)、甲基衍生物类[2-hydroxy-4, 7-dimethoxy-(2H))-1, 4-benzoxazin-3(4H)-one, HDMBOA]等。苯并恶唑嗪酮类化合物中研究较多的是丁布(DIMBOA)和门布(MBOA), 它们会塑造根际微生物群抑制邻近植物生长, 增强植物防御功能, 抑制食草动物的行为。试验表明小麦和邻近植物共生时, 会检测到小麦邻近植物分泌的黑麦草内酯和茉莉酸信号, 并通过根系释放DIMBOA抑制邻近植物生长。进一步研究发现, 当小麦与不同竞争植物共生时, 其根系分泌物及根际土中的MBOA含量具有显著差别, 当小麦感知到竞争杂草的存在时, 会分泌更多的化感物质来抑制杂草生长, 如小麦和马唐[(L.)Scop.]或野燕麦(L.)等植物种在一起后, 小麦根际MBOA的浓度会显著增加。

植物首先是要通过对邻近植物化学识别, 然后才决定是否合成释放相应的化感物质抑制邻近植物。根系分泌的信号物质会触发一系列响应策略, 引起化感作用, 从而改变植物的适应性。黑麦草内酯作为化学信号物质在植物抵御杂草、病原体和食草动物中发挥着信号传递的重要作用。植物可以检测到相互作用的植物根中释放的黑麦草内酯, 然后通过增加自身根系化感物质的释放量来抑制邻近植物的生长, Li等利用化感水稻与5种生物型稗草[(L.) Beauv.]相互作用的模拟试验, 证明黑麦草内酯作为一种化学信号物质, 可以让水稻识别到竞争对手的存在, 并促进化感物质的产生来抵御竞争对手。茉莉酸是一种常见的化学信号物质, 可以诱导植物产生防御性代谢物来抵御有害微生物、食草动物或竞争植物。Kong等通过小麦和100种植物共存试验, 证明了黑麦草内酯和茉莉酸作为根系分泌物中的信号参与了小麦识别相邻植物的过程, 并刺激小麦分泌DIMBOA, 并且随着相邻植物数量的增多, 小麦体内化感物质DIMBOA含量也会增多。尿囊素是一种从嘌呤中提取的富氮化合物, 不仅参与物种间的相互作用, 还是保护植物免受非生物胁迫的信号。化感水稻品种通过改变尿囊素的释放量, 对亲缘和非亲缘水稻产生不同的反应, 在远缘水稻品种存在时, 尿囊素释放更多, 从而引起化感作用, 这表明尿囊素是响应亲属识别, 识别亲缘关系的化学信号物质。亲缘关系识别使化感植物可以区分其相邻的合作者(亲属)或竞争对手, 并相应地调整其生长、竞争力和化学防御策略。在最近的一项研究中发现, 将亲缘关系近的水稻品种进行混作时, 水稻根系通过种内识别作用降低化感物质的分泌, 且发生躲避生长, 占据了相邻杂草根系的生长空间。该体系通过降低次生代谢物质的分泌, 在不降低水稻生物量的同时, 用更“经济”的方法抑制相邻杂草生长, 这为通过品种多样性混作的方式降低除草剂的施用提供了科学依据。

作物多样性体系中一种植物根系分泌物可以缓解另一种植物的自毒作用。许多植物产生的化感物质会抑制同种植物的生长(即自毒作用), 自毒现象广泛存在于自然生态系统和农田生态系统中。一些植物自身分泌的化感物质积累会导致生长的自我抑制现象。例如, 在芦笋(L.)、黄瓜(L.)、矢车菊(L.)等植物都观察到了这种自毒作用。杉木[(Lamb.) Hook.]连续单作会导致产量下降, 主要原因是由杉木自身释放的一种化感物质环二肽(6-hydroxy-1, 3-dimethyl-8-nonadecyl-[1, 4]-diazocane-2, 5-diketone)的浓度会随着杉木连作而增加, 产生自毒作用; 当杉木与其他树种[如含笑(Lour.) Spreng.]种植在一起时, 会减少化感物质环二肽的释放, 并促进其在土壤中的降解, 减轻对杉木的抑制作用。桃树(L.)连续单作也会导致后栽桃树生长受到抑制, 产量降低, 甚至死亡, 这是因为果园内残留的桃树根系、种子以及叶片中含有大量的扁桃苷, 经土壤根际微生物和相关酶分解生成有毒的氰根(CN), 不断累积释放到环境中, 从而对桃树产生自毒作用。通过种间搭配, 可以缓解桃树的连作障碍。例如, 在果树行间种植适宜的农作物, 如豌豆(L.)、小葱(L.)等可以缓解桃树的自毒作用, 同时改善土壤结构, 提高果树对养分的利用率, 促进果树生长。因此, 可以通过选择合适的作物进行间作或轮作, 缓解作物因自毒作用产生的连作障碍, 延长经济作物的种植年限。

通过对化感物质驱动的种间和种内竞争的理解, 可以根据农业生产的首要目标进行作物品种的选择和物种搭配。如首要目标是提高体系产量, 可通过选择化感作用弱的作物品种与其他作物间作, 降低化感作用驱动的种间竞争; 如首要目标是减少除草剂的施用, 则可通过亲缘相近的作物品种混作, 在降低化感作用驱动的种内竞争的同时, 通过根系分布的改变, 在不影响产量的情况下抑制杂草的生长。这为通过调控根分泌物的化感作用减少外部投入、提高农田生态系统功能、发展生态农业提供了科学依据, 并有良好的应用前景。

6 研究与应用展望

我们回顾了近年来作物多样性研究的进展, 总结了根系分泌物介导的作物多样性体系地下部种间相互作用的证据和机制(表1), 大量研究也证实了根系分泌物在种间相互作用中的关键作用。在作物多样性体系中, 根系分泌物介导的种间相互作用仍需要进一步深入系统的研究。

表1 根系分泌物介导种间相互作用实例Table1 Examples of interspecific interactions mediated by root exudes

田间和原位条件下根系分泌物收集提取等研究手段需要进一步发展。目前根系分泌物研究大多在室内模拟条件下进行, 田间原位条件下, 影响因素多, 根系分泌物和信号物质的收集、提取困难, 研究方法对研究结果影响较大。虽然目前根系分泌物研究的方法在不断创新和完善, 但是缺乏统一、权威、有效的方法。首先, 根系分泌物的收集研究大都采用的是室内试验, 试验环境和自然环境会有差别, 忽略了自然因素的影响, 比如土壤动物、土壤微生物以及土壤本身条件, 导致试验结果理想化。其次, 收集根系分泌物时, 会对根系造成扰动和伤害, 引起植物根系生理机制的变化甚至损伤根系, 收集的根系分泌物可能会有根系损伤流出的渗出液, 和实际分泌结果会有差异。虽然根系分泌物的鉴别方法利用了高效液相色谱、气相色谱以及和质谱联用, 但是复杂的根系分泌物纯化后得到的组分只占根系分泌物总量的很小一部分, 所以根系分泌物鉴定出的成分也很少, 很多成分目前无法准确鉴定。即使鉴定出相关物质, 作物的种植密度等外在因素也会影响根系分泌物含量, 且多种作物的根系分泌物难以区分, 研究因根系分泌物引起的相互作用比较困难。因此, 根系分泌物的收集要设计更少扰动根系自然生长的原位收集方法, 不断发展和完善根系分泌物的分离纯化与鉴定技术, 鉴定出更多成分的根系分泌物。未来作物多样性体系中的地下作物过程研究应该集中在真实的土壤环境中以更加综合的视角和方式来研究根系间的相互作用。

根系分泌物的作用机理需要整合多种技术进行分析。采用宏基因组测序、实时荧光定量PCR、基因定位、基因敲除等技术, 根系分泌物中有些物质的生物合成和分子调控机制也有了突破性进展, 如现在的研究已经揭示了小麦、水稻和高粱[(L.) Moench]等主要作物化感物质的作用过程与机制。但是在生物多样性较高的群落中, 根系分泌物的作用机理十分复杂, 若要促进或抑制某种特定根系分泌物的产生, 必须从代谢水平上对其进行调控。现有的许多方法不能直接用于田间原位测定分析, 并且根系分泌物的很多过程机制和土壤微生物、土壤动物、相邻作物相关联, 过程复杂, 植物间的种间和种内相互作用机理难以调控, 分子试验

操作过程复杂且价格昂贵, 进行连续的测定困难, 无法连续测定根系分泌物的机制过程, 所以根系分泌物介导的植物-土壤、植物-微生物、植物-植物之间的相互作用机制研究比较困难, 很多过程的生理机制还有待进一步挖掘。因此, 需要进行化学、微生物学、数学、生态学等学科交叉, 采取模型、试验、基因测序等多种试验方法结合, 研究根系分泌物介导的相关过程的生理机制, 来理解复杂的地下促进与竞争网络。植物物种间特定根系性状和土壤生物之间的匹配可能有利于提高物种养分的获取能力和对病原体的防御能力。因此, 未来的研究可以整合微生物高通量培养、鉴定及多组学分析, 来理解复杂的地下促进与竞争网络。

通过根-根相互作用以及根系分泌物介导的微生物过程促进磷等元素的吸收以及提高作物的固氮能力是作物多样化中普遍被认可的高产机制。地下部促进作用可能由根系分泌物介导的多种因素协同诱导, 包括增加土壤养分的获取、增加土壤微生物组成的多样性和功能、减少根系竞争和化感作用等。目前, 作物多样性体系中根系分泌物直接影响或根系分泌物影响微生物群落从而促进生物固氮作用的机制研究比较全面, 但是对磷、铁等元素活化吸收过程中根系分泌物是否影响微生物组成和功能有待进一步研究。植物间的地下过程需要进一步的探索, 更好地利用间作等作物多样性种植体系, 确保农业生态系统中的微量营养素供应。

除了促进养分吸收外, 不同的农业生态系统还通过根-根相互作用(根系分泌物直接作用)和植物-土壤-微生物群落相互作用(根系分泌物间接作用)促进水分获取, 保护植物免受有害物质(如重金属和化感物质)、病原菌的侵害。品种多样性和物种多样性相互结合是强化种内互补性和种间促进作用、减少种间竞争的有效办法。根系分泌物引起的植物间化感作用作为一种自然的生态现象, 对其本质的探讨可以有助于加深对植物种间和种内相互作用关系的理解和认知, 但最关键的是植物化感作用的研究理论与实践能否在作物多样性体系中发挥作用并且促进农林业的持续发展和达到对自然资源保护的目的。特定的品种混作或间作还可以减少病虫害, 减轻自毒作用, 提高生产力, 减少农业化肥的需求。因此, 在不影响产量的情况下, 如何通过合理的作物组合降低农药和除草剂的投入, 需要进一步的研究。单一作物连续种植, 会由于化感物质的累积产生自毒作用, 选择合理的作物进行多样性种植, 会减缓植物的自毒作用, 提高产量和品质。全面系统了解根系分泌物介导下的根系相互作用机制有利于根际生态系统理论体系的完善与发展, 为建立环境友好的农业生态系统提供理论依据。

根系-微生物相互作用的结果取决于根分泌物的时空分布、管理措施和基因型特征。因此, 选择特定的物种或基因型组合来匹配表型、微生物功能和植物-土壤反馈是强化生态系统功能的可能途径。在农业生态系统中, 可以通过间作、轮作、混作等方式在增加生物多样性的同时提高生态系统功能, 并稳定粮食生产; 同时多样性种植可以通过根系分泌物介导或微生物介导的养分富集来强化促进作用, 提高粮食产量。总之, 通过匹配物种/基因型间特定的根系性状、生理过程和土壤生物互作, 可以最大限度地强化种间促进作用, 从而构建可持续的农田(如间套作、轮作体系)和半自然(如人工林、人工草地)生态系统, 并发展高产高效、环境友好的多样性种植体系。