植物根系分泌物对解磷微生物的影响研究进展

师仁增邓霞田琳张媛媛王楠焦子伟

(1. 伊犁师范大学微生物资源保护与开发利用重点实验室，新疆伊宁 835000；2. 伊犁师范大学生物与地理科学学院，新疆伊宁 835000)

植物根系分泌物是植物根系向根际分泌出的各种物质的统称，根据性质不同可将其划分为渗出物、粘胶质、分泌物和裂解物质[1-3]。 根据分泌物性质进一步对其分类，可分为糖类、氨基酸类、有机酸类、酮类、酚酸类和其它物质等[4]。 土壤解磷微生物种类较多，包括细菌、真菌和放线菌等，其中细菌种类最多，主要包括肠细菌属(Enterbacter)、芽孢杆菌属(Bacillus)、欧文氏菌属(Erwinia)等19个属[5-9]。 解磷真菌主要包括曲霉属(Aspergillus)、青霉菌属(Penicillium)等，除此之外，研究发现菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza，AM)也具有解磷能力[10-12]。 解磷放线菌主要为链霉菌属(Streptomyces)，其解磷能力较差[13]。 根系作为植物地上茎叶与地下土壤基质的介导，不但为植物主体提供有效营养，而且还是植物种间竞争和调控植物生长发育的核心部位[14-15]。 植物根系也是土壤微生物重要的食物来源，对微生物的种类和数量具有决定性作用[16-17]。 因此探究根系分泌物和土壤根际解磷微生物多样性偶联关系，掌握根系分泌物对解磷微生物的影响，对于丰富以多营养级视角研究作物磷素高效利用的根系-土壤解磷微生物互作理论、丰富和完善土壤生态学理论等均具有重要意义。

1 根系分泌物对解磷微生物影响概述

1.1 生长发育

植物根系分泌物对根际解磷微生物的生长发育具有促进作用:赵小蓉等[18]对玉米根际解磷细菌分布的研究发现，根系分泌物可促进发酵型细菌的生长，其中以黄杆菌属、假单胞菌属等居多，芽孢杆菌属则相对较少。 另有研究表明，小麦生长初期，根系活动旺盛，分泌物较多，有利于有机磷细菌的生长繁殖，为根系提供更多的可利用磷[19]。 另一方面，根系分泌物对解磷微生物的生长发育亦有抑制作用，且浓度越高抑制作用越强。李倩等[20]研究表明黄花蒿根系分泌释放的青蒿素对根际解磷细菌产生抑制作用；高浓度的黄连须根浸提液对无机磷细菌B05 和B07 的生长繁殖具有抑制作用，尤其是在浓度高于500 mg/L 之后[21]。 此外在对假苍耳根系分泌物的研究中也发现，随着根系分泌物浓度增加，其对镰刀菌、根瘤菌的抑制作用也越强[22]。

1.2 数量及种群分布

根系分泌物为解磷微生物提供了重要的能量来源，对解磷微生物的数量和种群分布具有重要影响，为解磷微生物的聚集提供了有利条件。 已有研究报道小麦根际土壤解磷微生物的数量远高于非根际土壤[19]。 另有研究表明，根系分泌物可以促进解磷微生物无芽孢杆菌在根际的聚集[23]。Molla 等[24]研究发现小麦和黑麦草根际解有机磷微生物的种群主要包括芽孢杆菌属、假单孢菌属、曲霉属、微球菌属和青霉属等。 赵小蓉等[18]研究发现根际土壤解磷微生物种类远比非根际的丰富，且种类和数量都不相同。 纪巧凤等[25]研究报道黄顶菊的生长发育使解磷微生物的优势种群更加明显。 不同农作物根际解磷微生物的种类也不同，小麦根际主要为洋葱假单胞菌属(Pseudomonas cepacia)[26]，玉米根际主要是欧文氏菌属(Erwinia)[27]， 大豆为不动杆菌(Acinetobactersp.)[28]，水稻为芽孢杆菌属(Bacillus)[29]。

1.3 解磷能力

植物根系分泌的有机酸、糖类、酚酸类和氨基酸类等物质直接或间接地影响解磷微生物的解磷能力，从而影响土壤磷的有效性[30]。 韩玲玲[31]在对黄顶菊根系分泌物和解磷微生物的研究中发现，经根系分泌物处理后，40个芽孢杆菌菌株中有26个大幅度提高土壤有效磷含量；另外，分泌物浓度和菌株种类对无机磷量均有显著影响，且不同菌株和浓度的组合也显著提高无机解磷量。李娟等[32]研究发现根系分泌物中的有机酸和氢离子促进解磷微生物解磷能力的提升。 另外，根系分泌物浓度对解磷微生物的解磷能力具有抑制作用，王玉书[21]研究表明空心莲子草根系分泌物浓度升高，解磷微生物分解有机酸和氢离子的速率降低，从而抑制解磷微生物的解磷量；黄连根系分泌物的浓度提高，则解磷微生物B07 和B09 的溶磷量也显著降低。

2 根系分泌物主要成分对解磷微生物的影响

2.1 糖类

糖类是植物根际解磷微生物重要的能源物质，对根际解磷微生物的聚集、解磷能力、解磷酶活性、种群数量及群落组成具有重大影响，且糖的种类和浓度不同对解磷微生物的影响也不同。 根系分泌物中的糖类主要包括葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖等，研究发现根系分泌物中的糖类物质对解磷细菌YL6 有一定的导向性，有助于其在小白菜根际的定殖[33]。 糖类物质对解磷微生物的解磷活性也有很大影响，解磷微生物的解磷能力随着玉米根系分泌物中糖类物质的增加而增强[34]。在对菜地解磷微生物的研究中发现，糖类物质可以提升解磷微生物的活性，提高植物利用有效磷的效率[35]。 另外小麦根际解磷细菌也可以通过对分泌物中糖类物质的利用提高解磷微生物的解磷活性[36]。 研究表明，分泌物中糖类物质不同，解磷微生物解磷能力也不同，陈令等[37]研究发现葡萄糖为碳源时解磷微生物解磷效果最好；韦宜慧等[38]发现蔗糖为碳源时解磷微生物解磷效果最好；刘小玉等[39]也发现蔗糖为碳源时解磷微生物的解磷效果最好。 此外，不同浓度糖类物质会造成土壤环境碳氮比和碳磷比不同，从而导致解磷能力与种群分布的差别，在对枣树根际解磷微生物的研究中发现，当碳氮比为35∶1 时，解磷菌株P7 的解磷能力最强[40]。 刘小玉等[39]在对油茶根际解磷微生物的研究中发现当碳氮比为40∶1时，解磷微生物的解磷效果最好。 虞伟斌等[41]研究报道碳氮比为8∶1 时解磷菌K3 溶解磷酸三钙的能力较强，解磷量最高。 在对马尾松根际溶磷细菌的研究中发现当碳氮比为10∶1 时解磷菌株WJ2 的解磷能力最强[42]。 另外，碳磷比不同对解磷微生物群落组成和多样性也有很大影响，研究表明黑麦草根际土壤中碳磷比较高，显著增加酸杆菌门、降低α-变形菌门相对丰度[43]。 水芹根际土壤中碳磷比增高显著改变细菌群落组成，厚壁菌门和β-变形菌门数量显著增加[44]。 种植水稻土壤中碳磷比提高，纤维孤菌属和粘球菌属显著增加，而伯克霍氏菌属显著降低，且当碳磷比小于200 时碱性磷酸酶活性增加，解磷微生物的丰度增加[45]；当碳磷比大于300 时解磷微生物则具有固定磷素的能力[46]。

2.2 氨基酸类

根系分泌物中的氨基酸物质对解磷微生物的定殖、生物量、解磷活性和生物膜形成有重要作用，蒋益[47]研究发现番茄根系分泌物中的天冬氨酸、谷氨酸和赖氨酸是影响菌株能否在根部成功定殖的重要物质。 李硕[48]的研究表明巨大芽孢杆菌通过对氨基酸的利用促进茄苗的生长发育。胡小加等[49]的研究表明油菜根系分泌物促进枯草芽孢杆菌的聚集，从而提升其溶解无机磷的能力。 沈仁芳等[50]发现蔬菜根系分泌氨基酸可吸引根际促生菌在根际定殖。 董丽红等[51]研究报道精氨酸、丙氨酸、赖氨酸等氨基酸对枯草芽孢杆菌NCD-2 菌株的聚集具有重要作用。 氨基酸对解磷微生物的生物量也有影响，巨大芽孢杆菌用氨基酸处理后，其生物量大幅提升[48]。 张超等[52]研究发现枯草芽孢杆菌通过添加天冬氨酸、苯丙氨酸和谷氨酸，产量大幅提高。 此外氨基酸对解磷微生物解磷活性也有影响，研究发现苏丹草和玉米根系分泌的氨基酸物质，可提升解磷微生物的活性，从而提升可用磷量，促进植物生长发育[53]。 朱丽霞等[54]研究也发现，玉米和苏丹草在缺磷情况下会分泌氨基酸提高解磷微生物的解磷活性。 此外，氨基酸不仅可以提升解磷微生物的解磷能力，还可以提升植物抗逆性[55]。 研究显示缬氨酸可以促进铜绿假单胞杆菌生物膜的形成[56]。 氨基酸种类不同对解磷微生物生物膜形成的作用也不同，董丽红等[51]研究发现枯草芽孢杆菌NCD-2 经脯氨酸、赖氨酸和缬氨酸处理后菌株的生物膜生成能力明显提升。

2.3 有机酸类

植物根系分泌物中的有机酸主要包括草酸、琥珀酸、丙酮酸、苹果酸、丁酮二酸和延胡索酸等[57]，其对解磷微生物的生长定殖、种群数量及其导致的pH 值变化对解磷微生物都有重要影响。 研究表明根际土壤中有机酸含量很低，但也显著高于非根际土壤[58-59]。 已有研究发现水稻根际解无机磷细菌的数量在成熟期最大，根系分泌物中的琥珀酸与解无机磷微生物的数量呈正相关趋势[60]。 顾金刚等[61]研究报道有机酸促进荧光假单胞菌RB-89、RB-42 在烟草根际生长繁殖。 另有研究表明，番茄根系分泌的有机酸是假单胞菌在其根部生长繁殖的重要条件之一[62]。此外，根系分泌物中的L-苹果酸能够吸引枯草芽孢杆菌的生长定殖[63]。 Ling 等[64]也发现西瓜根系分泌的苹果酸和柠檬酸能吸引多粘类芽孢杆菌的定殖。 Tan 等[65]研究发现番茄根系分泌的苹果酸、柠檬酸和琥珀酸促进了解磷微生物T-5 在根际的生长繁殖。 另外，根系分泌有机酸使根际解磷微生物功能群种类数量发生变化，在低磷水平下，有机酸分泌量高，导致酸杆菌门和放线菌的相对丰度显著增加[66]。 有机酸分泌量不同导致土壤pH 值不同，从而间接影响根际解磷微生物群落，pH 值在3.8 ～4.3 之间时，绿弯菌和放线菌为主要菌落；pH 值在5.6 ～6.1 之间时，厚壁菌门为主要种群；pH 值在6.7～7.8 之间时，绿弯菌门、变形菌门和放线菌最为丰富[43]。

2.4 酮类

酮类物质对根际解磷微生物的集聚、生物量、细胞结构以及作为信号因子影响根瘤菌结瘤都有重要影响。 研究发现澳洲坚果根系分泌物的黄酮类物质对AM 真菌有促生作用，可以促进真菌孢子萌发、菌丝生长和孢子生长聚集[67]。 酮类物质可以作为信号因子促进根瘤菌结瘤，张琴等[68]研究豆科植物根瘤菌结瘤因子发现，豆科植物根系分泌物中的类黄酮物质可以诱导根瘤菌在根部的定殖和结瘤。 此外，豆科植物中这种类黄酮物质可以作为信号因子促进细胞内Ca2+浓度的快速增加，推动根瘤菌结瘤[69]。 国外研究者也发现苜蓿根系分泌物中的黄酮类物质可以促进根瘤菌结瘤[70]。 大豆根系分泌物中的两种黄酮类物质可以提升菌株生长量近3 倍[71]。 另有研究表明空心莲子草内多种类黄酮类化感物质，能够破坏细胞膜的结构，导致生长发育功能出现障碍[72-73]。

2.5 酚酸类

植物根系分泌物中的酚类化合物对解磷微生物的生长定殖、生物量以及解磷能力影响巨大。研究发现，植物根系分泌的酚类化合物可引导一些特异性解磷微生物种群的聚集[74]。 当苯酚浓度为0.01～0.2 0 mg/mL 时，解磷微生物巨大芽孢杆菌F71 的数量得到极大提升[31]。 马瑞霞等[75]研究表明一定浓度苯甲酸显著促进枯草芽孢杆菌的生长发育，而阿魏酸则对其生物量有抑制作用。郝文雅等[76]研究发现西瓜根系分泌物中芬酸类物质能够提升尖孢镰刀菌(Fusarium oxysporum)的孢子数量。 Sood[77]研究表明番茄根部分泌的酸液能诱导荧光假单胞杆菌(Pseudomonas fluorescens)的定殖。 空心莲子草根系分泌物中的酚酸类化感成分可以抑制无机磷细菌分泌有机酸和氢离子，从而影响无机磷细菌的解磷能力[21]。 另外，酚类物质的浓度对解磷微生物的解磷能力也有影响。 研究发现，黄顶菊根系分泌物中苯酚浓度为0.1 mg/mL 时，能够大幅提升土壤有效磷含量[31]。

2.6 其它类

植物根系分泌物中的一些维生素如维生素B6可以使土壤中解磷微生物的相对丰度发生改变，毛云飞等[78]研究发现以10 g/株维生素B6处理苹果树，提高了其根际土壤细菌中变形菌门(Proteobacteria)和放线菌门(Actinobacteria)的相对丰度，降低了拟杆菌门(Bacteroidetes)和酸杆菌门(Acidobacteria)的相对丰度；提高了真菌中担子菌门(Basidiomycota)的相对丰度，降低了接合菌门(Zygomycota)的相对丰度。 根系分泌物也会分泌一些生物碱类物质，对解磷微生物的生长具有抑制作用。 研究发现，在黄连的根系分泌物中，小檗碱成分含量最高而且其化感作用最强[79]。 小檗碱是黄连的活性成分之一，会对铜绿假单胞菌细胞的膜蛋白和流动性产生不利影响，从而阻碍其生长繁殖[80]。

3 展望

截至目前，国内外学者对以根系分泌物为介导的植物和根际解磷微生物的相关研究取得了积极进展，根际解磷微生物在促进磷素吸收和利用等方面发挥重要作用，但对其不同种类和功能机制以及与农作物根系相互作用等方面的研究还相对薄弱[46，81]。 将根系分泌物和根际解磷微生物功能群结合起来，探讨它们的互作如何促进植物磷素高效吸收和利用的相关研究报道也很少。 今后要进一步开展以解磷微生物为介导的植物-解磷微生物-土壤之间的反馈机制研究，运用原位观测根系互作的先进技术如荧光标记技术、DNA标记技术、正电子发射断层扫描技术及核磁共振成像技术，实现根系二维或三维的动态可视化，从而加深对根际互作机制的理解，以及其在影响植物营养成分利用效率、调控营养及能量在根-土界面中的迁移转化及利用规律的机制研究[82-84]。

随着分子技术的发展和对微观世界认知的不断提高，土壤生态学家在根际解磷微生物促进植物磷素吸收利用方面的研究正不断加强[85-86]。通过采用宏基因组、DNA 指纹图谱和基因标记等分子生物学技术，揭示解磷微生物解磷机制及其与病原菌的互作、宿主植物的识别机制等，开展影响根际土壤微生物中活化磷素的关键功能群和磷循环功能基因的相关研究，以及进行磷高效基因型植物鉴定、磷高效基因型植株培育等方面的研究、试验与示范应用。

根系分泌物的变化与植物种类、重金属类型等多种因素也有关联，在根系分泌物研究领域取得的成果不断增多[87]。 加大对不同磷水平下根系分泌物类型和成分的研究力度，进一步探讨其对有效磷的转化机制。 强化根系分泌物与解磷微生物相互作用的研究以及在实际生产过程中的应用。 研究根系分泌物与土壤微生物、土壤动物的互作机理，并鉴定、筛选、分离其有益成分，制作生物农药化肥，明确其在土壤中的迁移、转化、滞留过程等，以提高其在土壤中的效力和持续时间。通过对不同类型植物根系分泌物成分和变化规律的研究，开发土壤磷素活化剂，搭配特有种植体系如套作和农-林复合体系等，为提升农作物产量和品质、国家化肥减施增效为目标的绿色和可持续发展提供可行性技术参考。