国内农作物根系分泌物研究热点的初步探析

赵书慧，张振华，欧张丹，田茂平，陈玉梅，赵紫薇，*

(1.湖南农业大学 资源环境学院，南方粮油作物协同创新中心，湖南 长沙 410128； 2.衡阳市农业科学研究所，湖南 衡阳 421001)

根系分泌物通过调节根际热区的生物化学转化介导根和土壤、微生物之间的“对话”，是植物应答环境变化的先驱[1-4]。研究显示，根系分泌物在根际信号识别、菌根真菌共生关联、病虫害抗性、根际微生物群落招募和植物生长发育等过程中具有关键作用[5-9]。根系通过改变分泌物的组成和含量，在根际中既可介导积极的调节作用[10-13]，也能带来负面影响。其中，积极的调节作用包括介导根际有益微生物，如根瘤菌、根际促生菌(PGPR)的定殖与共生等[14-15]；负面影响则包括关联病原微生物、寄生植物等[16-18]。

根系在根际界面中经常暴露在生物和非生物胁迫中，通过分泌不同种类和含量的化学物质，根际可以对外部环境做出有效的反馈，并缓解该胁迫带来的负面影响。例如：适度的干旱可使根系分泌物增加[19]；相比于30 ℃的高温环境，蚕豆在4 ℃低温条件下的单宁和酚类化合物含量显著减少[20]；磷、钾等营养元素的缺乏会促进根系和细菌分泌有机酸，以增加根际养分的矿化和可利用性[21-23]。种种研究表明，根系分泌物在作物生长、发育、抗病虫害、生防化感等方面的调节作用与生物和非生物因素息息相关。

在涉及植物根系分泌物的研究中，农作物根系分泌物的研究尤为引人注目[24-26]。通常，通过调节农业系统中生物和非生物因素对根系分泌物的积极作用可有效增加土壤养分的可利用性，提高产量，并促进根系与有益土壤微生物的结合，从而降低土传病害的不利影响[27-29]。不仅如此，在荒漠化耕作[28]、杂草去除[29-30]、重金属[31-32]或有毒化合物螯合[33-35]等方面，涉及根系分泌物调节作用的研究也在增加。当前，农业系统中涉及根系分泌物的研究主要集中于破解外在环境对根系-土壤-微生物三者对话间关键化学物质功能的影响上。例如：土壤铝含量的增加会促使作物根系分泌柠檬酸、草酸和苹果酸，从而降低根尖铝的积累，防止作物铝中毒[36-37]；土壤磷缺乏会促使豆类作物根系分泌酚类化合物和有机酸，从而促进土壤有机磷的解聚[38]。虽然已有大量文献报道了农业系统中各种因素对根系分泌物关键化学物质的影响，但针对农业系统根系分泌物与生物、非生物因素的综合整理和概括并不多见。为此，特基于国内研究，评述国内农作物根系分泌物与生物、非生物因素互作研究的角度和深度，探究近年来农作物根系分泌物的研究现状和趋势，以期加深对环境变化与农作物生长之间相互影响和根系分泌物生态效应的认识。这对于确保我国农作物的产量、品质安全，不断改良农业环境，实现农业的绿色高质量发展等均具有积极意义。

1 材料与方法

1.1 文献收集与筛选

使用中国知网(http：//www.cnki.net/)、万方(http：//g.wanfangdata.com.cn/)和维普(http：//qikan.cqvip.com/)三大数据库搜索中文文献，检索关键词为“根系分泌物”，发表年限为2000—2021年。在中国知网、万方和维普数据库分别获得了1 613、1 452、812篇文献，剔除重复文献后，共获得2 041篇初筛文献。采用以下纳入标准进行复筛：(1)文献应为包含实验数据的实验性论文，综述、专利等非实验性论文和数据不予纳入，共剔除非实验性文献1 303篇；(2)实验对象应为农作物(粮食、蔬果等作物)，共剔除以草木、灌木、林木等非农作物为试验对象的论文958篇。最终，共纳入345篇文献，包括1 870项观察指标。

1.2 数据提取

从345篇文献中提取4类关键信息：(1)文献发表相关信息。对文献来源(发表期刊)、标题、通信作者、通信作者单位、发表年限等基本信息进行汇总，以确保论文研究的可靠性。(2)实验对象信息。汇总文献所涉及的农作物种类(若文献中也涉及部分非农作物，将其归入“其他作物”类别中)。(3)实验处理信息。汇总农作物处理条件、实验处理设置、实验处理数、重复次数、样本量大小(处理×重复)。(4)实验测定指标信息。汇总生物与非生物因素，包括作物品质指标(根长、生物量等)、根系分泌物组成指标(柠檬酸、葡萄糖等)和环境指标(速效磷、有机质等)。以上汇总中涉及的所有信息出现频次和该信息在文献中出现的篇数均不受345篇总文献量的约束，即一篇文献中出现的多个指标将会被分别计入各指标的统计中。

1.3 数据分析

针对实验对象，将涉及根系分泌物研究的农作物分为粮食作物、蔬果作物、经济作物和其他作物4个大类。针对实验处理信息，以根系分泌物为主体，按其对生物和非生物因素的影响(即该实验主要考查根系分泌物变化对环境生物和非生物因素的影响)和对外部环境的响应(即该实验主要考查生物与非生物因素对根系分泌物的影响)分别进行归类整理。

使用Excel 2016软件对相关信息进行汇总和整理。使用Sigma Plot 12.5软件(Systan Software Inc.)和R软件(4.0.5版)制图。

2 结果与分析

2.1 根系分泌物研究涉及的农作物种类

纳入的文献共涉及75种作物(图1)，其中，粮食作物15种，蔬果作物32种，经济作物13种，其他作物15种。根据各类作物出现的次数统计，粮食作物占比42%(202次)，蔬果作物占比38%(183次)，经济作物占比16%(78次)，其他作物占比4%(21次)。值得注意的是，虽然粮食作物与蔬果作物研究的占比相当，但其组成差异明显。大部分涉及粮食作物根系分泌物的研究集中在5种农作物(小麦、大豆、玉米、水稻、蚕豆)上，其出现次数合计占粮食作物研究的88%；而蔬果作物研究集中在黄瓜、番茄、茄子、西瓜、辣椒上，合计占蔬果作物研究的53%。综合判断，小麦、大豆、玉米、水稻、蚕豆5类主要粮食作物是我国农业系统根系分泌物研究的热点。

2.2 农业系统根系分泌物研究中的生物与非生物因素

2.2.1 与根系分泌物相关的生物和非生物因素

提取出与根系分泌物相关的关键因素(图2)，并分析各类别的高频组分(图3、图4)。农作物根系分泌物研究中涉及的生物和非生物因素共计551种，可归类为作物、微生物、土壤、化感效应、线虫、氮相关功能基因(主要涉及豆类作物根瘤菌及其根系分泌物)6个大类。其中，51%的指标与作物本身的发芽率、叶绿素含量等生理生化、农艺性状指标相关。作物、微生物、土壤3个大类的指标合计占比超过93%。可知，作物、微生物和土壤3个大类的因素是我国农作物根系分泌物研究中受到普遍关注的重点。

在作物类因素中，将出现的篇数超过6篇的指标判定为高频指标，共提取到作物类的高频指标39种(图3)，总体可分为根系与农艺性状(21种)、酶活性(6种)、作物生理生化(12种)3类，每类指标出现的频次分别占高频指标出现总频次的62%、16%、22%。

图3 农作物根系分泌物研究中作物类的高频指标

在剩余的5类生物、非生物因素中，将出现篇数超过4篇的指标判定为高频指标，共有27种(图4)。线虫、氮相关功能基因这2类因素中没有出现高频指标，即高频指标集中在微生物(8种)、土壤(18种)、化感效应(1种)3类因素中。

进一步细分土壤因素这一大类，将土壤养分、土壤酶活性、土壤重金属均作为土壤的子类，则除作物外的5类因素中的高频指标可分为以下几种类型——土壤养分(氮、磷、钾的全量和速效含量等)、微生物、土壤酶活性、土壤重金属和化感效应，上述各类指标出现的频次分别占这5类因素高频指标出现总频次的58%、28%、9%、2%和4%。

2.2.2 环境生物、非生物因素与根系分泌物的互作

整理文献发现，针对农业系统根系分泌物的研究存在2种研究模式(图5)：一，探讨外在环境变化(施肥、种植模式等因素)对根系分泌物组成和含量差异的影响；二，探讨不同根系分泌物的添加或改变对外在环境因素的影响。模式一中绝大部分的研究热点集中在对农作物本身根系分泌物组成成分的分析上(在此模式的研究中占比64.6%)，仅有少部分研究探讨了外源胁迫、添加外源根系分泌物、不同种植模式和施肥措施等因素对根系分泌物的影响；模式二的研究热点集中在探讨根系分泌物的成分、功能，以及对外在环境因素的影响上，根系分泌物的遗留效应研究(即一种作物的根系分泌物的添加或改变对另一种作物的根系分泌物的影响)和对根系分泌物本身的探究占比较高(40.6%)，探讨根系分泌物化学组分对作物病害、生物毒性、农药、重金属等的影响的研究也占有一定比例。

2.3 农作物根系分泌物组成成分

综合分析发现，农作物根系分泌物的成分研究依其识别精度大体可分为3类——全量检测、功能成分分析、全成分分析(图6)，其中，89%的研究都仅仅关注了根系分泌物的全量或某个大类(如蛋白质、糖类)的成分分析，使用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)、液相色谱-质谱联用仪(LC-MS)等测定根系分泌物全成分的研究较少。经统计，本次筛选出的345篇研究所涉及的农作物根系分泌物共有1 298种化学组分。依据各组分种类数量由高到低可分为脂、烷烃、酸、醇、苯、胺等18类。值得注意的是，在根系分泌物各组分上的研究程度与根系分泌物各组分的种类分布并不一致，酸类、蛋白质、糖类为高频的研究热点，但这几类组分并不是农作物根系分泌物中种类较多的组分。

图6 农作物根系分泌物的归类统计

3 讨论

根系分泌物是植物根系在生命活动过程中向外界环境分泌的各种有机、无机物质的总称，是植物与土壤、水、大气进行物质、能量和信息交换的重要介质[39-41]。然而，根系分泌物极易受到耕种制度、土壤物理化学性状、生物环境(细菌、真菌、原生动物、线虫等)等生物、非生物因素的影响[42]。探讨农业系统根系分泌物的研究离不开作物、外在环境、根系分泌物组分及其功能3个重要环节。

3.1 粮食作物是我国农业系统根系分泌物研究的热点

我国人口-耕地矛盾突出，人均耕地面积远低于世界平均水平。提升农作物产量是关乎我国民生的重大问题。近年来，得益于农业生产技术的发展和农资投入的增长，我国农作物单位面积产量稳步增加，但化肥、农药的大量使用也带来了地表水富营养化、土壤酸化、耕地质量下降、农业用水短缺、环境污染、农药残留等环境问题[43]。发展资源节约的生态友好型的绿色生产技术提升农作物产量，成为学术界关注的重点。根系分泌物是植物生长过程中自然释放的功能性化学物质。通过调节粮食作物的根系分泌物来提高产量是一条潜在的绿色环保手段。与此相符，近年来我国根系分泌物研究的热点集中在小麦、玉米、水稻等主要粮食作物上。此外，大豆、蚕豆也是我国农业系统根系分泌物研究的热点。这主要是因为，豆科与根瘤菌的定殖和共生机制已被研究得较为透彻，相关研究很多。豆科作物根系分泌的类黄酮化合物可以激活根瘤菌的nodD基因，表达并释放的结瘤因子可进一步激活作物识别该因子的蛋白信号通路，最终促进豆科作物与根瘤菌的固氮共生[44-45]。

3.2 农业系统根系分泌物与生物、非生物因素的互作

根系与农艺性状、酶活性、作物生理生化是作物类的高频研究指标(图3)。Umali-Garcia等[46]发现，根系分泌物的分泌量与根系生长正相关。Aulakh等[47]发现，根系分泌物量的多少与作物所处的生长阶段有关，幼苗期根系分泌物的渗出率最低，进入开花期后根系分泌物数量逐渐增加，而随着作物成熟根系分泌物的渗出率再次减少。研究显示，不同基因型作物的根系分泌物差异较大[48-49]。例如：转Bt(Bacillusthuringiensis，苏云金芽孢杆菌)棉与常规棉根系分泌物中的氨基酸、有机酸等的含量差异较大，且甲酸含量是引起有机酸组分差异的主要原因[50]；不同基因型紫云英的根系苹果酸、琥珀酸含量差异显著，并影响植株生物量[51]。值得注意的是，虽然我国境内存在大量的农作物品种与基因型，但探讨不同粮食作物基因型与根系分泌物相关性的研究较少。

土壤养分(特别是氮、磷、钾的有效性和可利用性)，及土壤酶(脲酶、过氧化氢酶、蔗糖酶等)的活性是探究土壤与根系分泌物相关性的研究重点。根际土壤养分的活化往往与有机酸有关。例如，缺磷胁迫可以促使蚕豆根系分泌的酒石酸增加，而酒石酸的羧基和羟基可以螯合更多的Fe-P、Al-P复合物并促进作物对磷素的吸收[52]。有机酸活化土壤养分的功能也解释了另一观察结果，即酸类虽然并不是根系分泌物中种类最高的组分，但却是根系分泌物研究的高频热点。此外，土壤酶也在一定程度上起到了提高土壤速效养分含量和肥力的作用[53-54]。

微生物主要参与根系分泌物降解污染物、抑制病原菌、螯合金属等根际生态功能过程。研究发现，在多环芳烃污染的土壤中，向日葵等作物根际的α、β、γ-变形杆菌数量增加，促进了多环芳烃污染物的矿化[55-58]。蚕豆根际接种丛枝真菌，可大幅降低由尖孢镰刀菌导致的枯萎病病情指数[59]。作物根系分泌的木瓜酸可与土壤中高价的铁离子络合，使铁离子以可溶的形式存在，增加有效铁的浓度[40]。同时，根系能释放一系列初级代谢物(如糖类、氨基酸、有机酸)和次级代谢物(如酚类、黄酮类化合物、萜类化合物)来塑造和影响根际微生物菌群，从而加快土壤污染物矿化，抵抗病原菌或有害物质，应对环境胁迫等，维持作物正常的生长发育[10-13，59-60]。

探讨农作物根系分泌物与外在环境互作的研究中存在2种研究模式。在讨论根系分泌物对外在环境的响应时，互作研究着重探讨了胁迫、耕作制度、施肥等外在因素对根系分泌物的成分、数量，及相对含量的影响。例如，不同间作模式下，紫云英、油菜根系分泌的苯系物、脂类和类脂分子含量差异显著[61]。在讨论根系分泌物对外在环境的影响时，互作研究着重探讨了根系分泌物的变化对土壤、作物病害等外在环境的功能性影响。例如，玉米根系分泌物的添加促进了马铃薯地上茎叶和地下根系、块茎的生长与膨大[62]；添加大豆、花生、玉米、甘薯的根系分泌物，对小麦种子的萌发均具有化感抑制作用[25]。

3.3 农作物根系分泌物的组成与研究热点

针对农作物根系分泌物的成分分析之所以存在3种识别精度，主要是受限于根系分泌物的收集方法和检测手段。早期，提取根系分泌物常常采用溶液收集、土壤浸提、基质培养等传统的非连续性收集法[54，63-65]，这类收集方法与自然环境差别较大，忽视了土壤微生物、动物、土壤温度等的影响，其结果与实际环境下真实的根系分泌物存在较大差异[55]。后期，逐步发展出的原位抽提、原位监测等连续性根系分泌物收集方法，能较为真实地反映自然条件下植株根系的分泌物组成[55-56]。根系分泌物的检测手段也从早期单一的液相色谱(LC)或气相色谱(GC)法，发展到近期的GC-MS、LC-MS、离子色谱(IC)等高精度、高分辨率的检测方法[55-56，61]。

当前，农作物根系分泌物全成分分析常用到GC-MS、LC-MS。由于两种仪器的工作原理不同，其检测范围内组分的物理化学性质也存在一定差异。GC-MS着重检测化合物中极性小的小分子化合物，如有机酸、氨基酸等根系分泌物初生代谢物；而LC-MS则主要检测脂类、多胺等高分子量且极性较广的化合物。根系分泌物次生代谢物多数需用LC-MS[58]或更先进的现代波普技术[66]进行检测。

综合文献分析发现，分子量大、极性较广的脂类、烷烃类、醇类等化合物在根系分泌物中的数量最多，但国内农作物根系分泌物的研究热点却集中在酸类、氨基酸类、糖类这3类低分子量且种类较少的初级代谢产物上。究其原因，可能是由于这3类种物质更多地参与了根际养分活化、化感、抗病等功能性过程。酸类是化感活性较强且目前研究较多的一类物质，主要有肉桂酸、棕榈酸、邻苯二甲酸、阿魏酸等，它们可以通过抑制细胞分裂、改变膜透性等方式调节植物体内酶的活性并参与到促进/抑制植物生长或自毒等化感过程中[57，67]。氨基酸提供的有机氮不仅是微生物氮素的重要来源[68]，还与作物的抗病性密切相关。研究发现，感病西瓜品种根系分泌物中的游离氨基酸的含量和种类显著多于抗病品种[69]。结合不同测定精度上根系分泌物的研究情况与分析技术局限性可知，当前农田根系分泌物研究还主要停留在单一组分或者组分分析层面，且主要是针对少数初生代谢产物，而忽略了某些具有重要生态功能或者生物调节作用的次生代谢产物(如酚类、萜类、生物碱)[70]。

4 结论

近年来，农作物根系分泌物已成为土壤、植物营养、微生物和根际微生态等研究方向的重要课题。在过去的数十年中，相关研究的深入和技术的进步加深了人们对农作物根系分泌物与外在环境互作分子机制的理解，但关注的重点仍然是根系分泌物的鉴定，以及化学物质介导植物-土壤-微生物三者“对话”的功能。当前，我国根系分泌物研究主要集中在小麦、大豆、玉米、水稻等粮食作物上，主要从作物农艺性状、化感效应、病原菌(害)、土壤养分与有害环境的胁迫、微生物群落等角度探究生物、非生物因子与根系分泌物的相互影响。当前，农田根系分泌物研究还处在对初生代谢物的单一组分和组分分析上，对根系分泌物全成分的分析还有待深入，对于具有重要生态功能或生物调节作用的次生代谢产物还有待进一步探索。我们预期，对农作物根系分泌物生态功能的研究，可为未来农业的绿色高质量发展提供技术手段。

令人兴奋的是，农作物根系分泌物研究已成为植物代谢组学、微生物群落组学、蛋白质组学等前沿学科的重要交叉领域。同位素示踪、核酸探针、原位酶谱、薄膜扩散梯度、生物微矩阵芯片等技术相继在该领域得到应用，相关研究逐渐从宏观走向分子水平。但这也给相关研究提出了新的挑战，即如何通过有效组建包含土壤化学学家、植物生态学家、物理学家、化学家和植物病理学家等在内的跨学科团队，以根际为研究重点，探索多营养互作和地下环境与地上作物之间的联系，并最终实现农业的绿色发展、生态环境的维护，以及土壤的修复等生态系统的多功能平衡。