根系分泌物介导的植物对土传病害的抗性机制

方天一 岳艳玲

（云南农业大学园林园艺学院，昆明 650201）

植物根系在从土壤中吸收水分和养分的同时，也会持续的向外界释放各类有机化合物、质子和无机分子［1］，这类物质被统称为根系分泌物（root exudates）。研究发现，植物光合作用所固定的碳有五分之一被用于根系分泌物的合成［2-3］。并通过扩散、离子通道、囊泡、外流载体等方式向根外释放［4］。在促进植物根系发育、改善土壤结构和环境、稳定土壤菌群结构等方面起着重要作用（图1），是植物适应外界环境的重要策略。

图1 植物根系分泌物作用图Fig.1 Diagram of the action of plant root exudates

生物胁迫，特别是由土壤病原微生物感染引起的土传病害（soil‑borne diseases），对植物生产构成重大威胁。这些疾病通过各种渠道迅速传播，危害植物的根和茎，严重影响作物生产。近年来，猝倒病、枯萎病、根腐病、枯萎病、黄萎病、菌核病、青枯病、根结线虫等病害造成了较大损失。复杂的土壤环境、严格的灭菌流程、艰巨的防控措施，种种因素导致土壤一旦被病原微生物污染，恢复难度很大。这对植物健康和可持续生产构成严重威胁。

本文针对土传病害，以植物根系分泌物为切入点，着重从土壤病原胁迫下植物根系分泌物的表达特征、抗性分泌物及其介导的抗性机制等方面进行综述和探讨，为深入研究植物抗土传病害机理提供参考，对防控植物土传病害具有重要意义。

1 土壤病原胁迫下植物根系分泌物的表达特征

1.1 根系分泌物的组成

根系分泌物是植物根系在生长过程中向其生存介质中释放的多样物质，包括分泌物质、渗出物质、黏胶物质、植物残根及其分解的产物［5］。这些物质在植物生长过程起着促进生长或抑制生长的作用。1969 年Rovira［6］将根系分泌物分为三类：（1）大分子有机物（糖、蛋白质等）；（2）小分子酸、酚等；（3）生长激素、黄酮等。

1.2 土壤病原胁迫下根生系分泌物表达差异

植物定植后会通过交互作用以及化感作用对其所处位置的土壤环境进行改造，以改变土壤的酸碱度、分泌诱导物质（如酚类）等方式吸引有利于自身发展的细菌或真菌定居于此，形成一个稳定性较好的微生态圈，塑造出利于自身生长的环境［7-8］。但这种微生态易受到很多环境因素的影响，外界环境始终对植物有胁迫作用，这种胁迫通常被分为物理（光、温、水）、化学（水杨酸、铝离子）、生物（微生物、昆虫）三大类，植物对于胁迫最直接的反应就是其根系分泌物种类和数量的改变，这是植物适应环境后的结果。

植物在染上病原菌后会对代谢途径进行调控［9］。现有研究表明植物在受病原菌侵染时会通过从头合成并分泌具有抗菌功能的化合物［10］，这可能介导植物的自然抗病。在植物相对脆弱的生长阶段，受病原菌侵袭后其根系会分泌苯并恶嗪类化合物（benzoxazine），这类化合物将对植株有益的菌富集在其根际，抑制有害菌的生长发育，同时植株中有机酸（organic acid）、碳水化合物（carbohydrate）、抗坏血酸（ascorbic acid）、硫代葡萄糖苷（glucosinolates）和羟基肉桂酸（hydroxycinnamic acid）的浓度增加，间接提高了植物的抗性［11-14］。Korenblum 等［15］提出系统诱导的代谢物根系渗出（systemically induced root exudation of metabolites，SIREM）的概念，作者认为植物在面对不同根系微生物时其分泌的根系分泌物会根据微生物种类发生特定的系统性变化，例如，酰基糖次级代谢物的分泌是由芽孢杆菌属相关细菌的局部定植引发的，说明植物对于不同根系微生物群落的环境，其代谢模式会有一定程度的改变。

1.3 抗病品种和感病品种根系分泌物表达的差异

研究发现对于某种病害的抗感品种其根系分泌物存在显著的差异，香蕉抗性品种的根系分泌物中游离氨基酸和有机酸的含量高于易感品种，其中乙酸和脯氨酸的含量分别为易感品种的3.7 倍和2.4倍，抗性品种的根系分泌物显著抑制尖孢镰刀菌（Fusarium oxysporum）的孢子萌发［16］。Zhang 等［17］研究表明黑胫病的抗感品种烟草的根系分泌物包括有机酸、生物碱（alkaloid）、脂肪酸（fatty acid）和酯等均不同，抗性品种中苯丙烷（phenylpropane）以及水杨酸（salicylic acid）、脂肪酸、6‑羟基己酸（6‑hydroxyhexanoic acid）和 氢 化 茉 莉 酮 酸 酯（hydrogenated jasmonate ester）等物质含量高于易感品种。花生感病品种根系分泌物中糖、丙氨酸、总氨基酸的含量显著高于抗性品种，而对羟基苯甲酸（p‑hydroxybenzoic acid）、苯甲酸（benzoic acid）、对香豆酸（p‑coumaric acid）和总酚酸的含量显著低于抗性品种［18］。除此之外本文列举了几种已被研究的植物土传病害对应的抗性根系分泌物（表1）。

表1 抗性功能根系分泌物Table 1 Root exudates with resistance function

2 抗性根系分泌物代谢途径

植物在长期的与病原菌对抗生存中，逐渐进化出了复杂的防御系统，这种防御系统可以被根系分泌物所激活并增强［24］。植物对病原菌的免疫反应主要包括病原侵染过程中植物识别病原相关分子模式（pathogen‑associated molecular patterns, PAMPs）激发的免疫反应（PAMP‑triggered immunity, PTI）、植物释放的损伤相关分子模式（danger‑or‑damage associated molecular patterns, DAMPs）激发的免疫反应（DAMP‑triggered immunity, DTI）以及侵染后植物识别效应因子被PRR 受体识别所激发的免疫反应［25-27］，细胞产生活性氧（ROS）以抑制或杀灭病原菌并且启动一系列下游防御基因释放抗性化学物质，此后通过跨膜载体蛋白扩散或外排载体和通道蛋白运输至根际［28-29］，此为植物的第一套防御机制模式触发免疫（PAMP‑triggered Immunity, PTI）；然而少数病原菌进化出了相应的对策，可以释放毒性因子（效应子）来抑制PTI 途径，这时候植物会启动第二套防御机制效应子触发免疫（effector‑triggered immunity，ETI），由NLR 受体接受效应子信号，通过MAPK 反应级联与PTI 共同启动下游防御反应，此外在PTI 无法处理的情况下会诱导受染细胞的超敏性死亡（HR）［30-31］。研究表明植物的第一层免疫系统（PTI）对激活第二层免疫系统（ETI）输出正常的免疫反应，尤其是在调控活性氧的产生方面起重要作用。活性氧作为能够直接杀死病原菌的分子，以及放大植物其他免疫事件的信号，对植物抵抗病原菌的入侵具有重要作用（图2）。结合近20 年左右的研究成果，完整的植物免疫信号转导由细胞表面的膜受体如PRR 识别PAMP 并招募共受体BAK1起始，信号由此传递至胞内经由RLCK VII‑4 激活MEKK1‑MKK1/MKK2‑MPK4（MAPK）信号级联，并借由MPK4 底物MKS1/WRKY33 启动抗病响应基因（例如PAD3 等）的表达分泌多种抗性物质，再由胞间连丝、载体蛋白、细胞间隙（图1）释放至根系［29］，最终完成植物抗病的调节过程［32］。

图2 与植物自身免疫联系的抗性分泌物代谢途径Fig.2 Metabolic pathways of resistant exudates linked to plant autoimmunity

3 抗性机制

3.1 根系分泌物作用于病原微生物

除了激活植物本身的抗性机制，现有的研究表明植物对病原菌的抵抗是由根系分泌物直接或间接参与其中的，这些根系分泌物会诱导植物本身的抗病信号传导以及激活其防御反应［33-34］。

多数研究表明根系分泌物对土壤病原微生物有着抑制作用：番茄根系分泌物邻苯二甲酸二丁酯（dibutyl phthalate）能明显抑制根节线虫卵的孵化以及杀伤2 龄的根节线虫（J2），并且抗性根系分泌物对于根节线虫有明显的排斥作用［35］；人参根系分泌物中的有机酸以及皂苷可以直接抑制部分有害菌的活性，而对于生防菌有偏利作用［36］；光果甘草（Glycyrrhiza glabra L.）的根系分泌物中除了对香豆酸（coumalic acid）对腐皮镰刀菌（Fusarium solani）有促进萌发作用，其余的8 种酚酸类物质包括绿原酸（chlorogenic acid）、没食子酸（gallic acid）、 水 杨 酸（salicylic acid）、 对 羟 基 苯 甲 酸（p‑Hydroxybenzoic acid）等均能抑制尖孢镰刀菌和腐皮镰刀菌的生长和繁殖，阻碍根腐病的发生［37］。陈娜等［38］通过对根系分泌物中酚酸种类和含量的测定,及其对烟草青枯病病原菌的抑制作用，发现低浓度的酚酸会促进青枯菌（Ralstonia solanacearum）菌丝的生长，而高浓度的酚酸则表现出抑制作用。同一类型的有机酸或者皂苷也存在抑制病原菌抑或促进病原菌的物质，如苯甲酸、阿魏酸等［39-40］。所以浓度效应和宿主类型也是决定根系分泌物抑病作用的关键。因此，对部分特殊的抗性根系分泌物还有待重新定义。

研究表明，大麦在接种禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）2 d 后t‑肉桂酸（t cinnamic acid）、对香豆酸（4‑hydroxycinnamic acid）、阿魏酸（ferulicacid）、丁香酸（syringic acid）和香草酸（vanillic acid）这5种苯丙素类抗菌物质被大量分泌，并强烈抑制或杀灭病原菌［10］。研究发现抗性烟草会分泌苯丙烷以及水杨酸、脂肪酸、6‑羟基己酸（6‑hydroxyhexanoate）和氢化茉莉酮酸酯（Hydrogenated jasmonate）等以防御病原微生物［17,41-43］。

综合来看，植物介导抗性的根系分泌物大致分为黄酮类、苯丙烷类、酚类、酯类以及萜类化合物，这些物质大都来自糖酵解/糖异生、苯丙烷合成、类黄酮生物合成和亚油酸等相关途径［43-44］。植物在被病原菌侵染后会激发多种信号通路以达到快速启动防御反应的效果，这些信号通路会启动防御功能不同的基因表达，其中包括功能多样的抗病蛋白、转录因子以及代谢物和产生抗病激素的基因（如OsALDH2B1、BSRD1、GRF9、HD16、DWARF11、GLW7/SPL13 和EBR1 等）［45］；通过抗性基因表达直接分泌大量抗性物质杀灭或抑制病原菌［46］，揭示了根系分泌物直接介导土传病害的抗性机制，但其中关键的调控基因仍需挖掘。

3.2 根系分泌物改善土壤环境

根系分泌物可以通过调控土壤微生物进而影响土壤质量，Zhang 等［47］认为植物根系释放各种有机物质，促进土壤中有机物的分解，提高土水接触面，增加水分下渗，从而达到调节土壤温度、提高水分利用率、降低土壤蒸发等作用［14］。

植物不同生长时期的根系分泌物对土壤塑造也存在差异，在植物生长缓慢的时期，土壤中因植物代谢产生的组织碎屑较少且含氮量低，这使得土壤真菌的丰度更甚，导致土壤营养循环速度的降低，从而土壤肥力下降，而在快速生长时期植物会向土壤释放更多的资源，促使细菌繁衍，加快养分循环速度，使土壤肥力提高［48］。张海龙等［49］发现根系分泌物中的碳氮比对于土壤性质有重要意义，碳氮比在10 时，土壤有机碳会加速分解，而在100 时则延缓有机碳的分解，并且随着根系分泌物碳氮比的增加，土壤铵态氮含量降低，所以不同的植物根系微生物的组成比例也因此大不相同，土壤中营养成分以及pH 等因素的改变对于微生物来说是一种筛选，所富集而来的微生物会与植物相互作用，分解土壤中有机质帮助植物吸收并释放一些化感物质与植物根系分泌物共同塑造土壤的理化性质［50］。

3.3 根系分泌物改善土壤微生物群落组成

在根际环境中根际微生物在植物的生命周期内扮演着重要角色，根际微生物组和植物宿主之间的关系决定了寄主植物的生存命运［51］。研究表明有益菌的数量多于有害菌才能抑制有害菌对植物的侵害［52］，有益菌不仅在植物生长上可以起到固氮、增磷、产生植物生长激素，还能合成铁的载体、调控乙烯水平以及诱导植物产生抗性［25］。根系分泌物对于根际生物群体的调控有着很大作用，能诱导土壤微生物的活动和生命周期，例如生物膜的形成、种群结构的调整等［53］；Zhuang 等［54］发现红树林的根系分泌物会筛选根际的细菌和真菌群落，使对其生长有益的菌群在根际扎根；根系分泌物也会介导抗生素对微生物的毒性，在由根系分泌物塑造的环境中抗生素可以改变菌落结构的组成，并改变了他们的功能特性［55］。Velezensis SQR9 是一种促进黄瓜（Cucumis sativus L.）生长并保护其植株的菌，Feng等［56］研究发现这种菌会受到黄瓜根系分泌物的吸引，通过质谱检测发现黄瓜根系分泌物中有39 种化学引诱剂，而化学趋避性的物质只有5 种，说明黄瓜在主动塑造根系微生物群落。综上所述，植物可以依靠根系分泌物对土壤以及根际的生物群落进行塑造，将土壤环境变得适宜自身生长并富集有益菌以抑制病原菌的生长繁殖。

植物根系分泌物除了直接抑制或杀灭病原菌，还有一部分则可以改变根际的微生态环境，例如改变土壤酸碱度、营养结构或释放一些引诱剂促进有益菌的生长繁殖，占领更多的生态位，以特殊环境条件抑制病原菌的生长从而达到抵抗的作用；这些微生物可以分解有机质、帮助植物根系吸收养分、抵御病原菌的入侵等。目前有研究表明，芽孢杆菌（Bacillus）、假单胞菌科（Pseudomonas）、伯克霍尔德菌科（Burkholderia）、黄单胞菌（Xanthomonas）和放线杆菌（Actinobacteria）对植物有益［57-58］。芽孢杆菌具有很强的抗性，对高温、紫外线、干燥、辐射等有较强的抵抗力，是多种病原微生物的拮抗细菌，对许多细菌和真菌有显著的抑制作用［59-60］，如防治灰霉病、白粉病、黑胫病、根腐病、青枯病等。拟南芥（Arabidopsis thaliana L.Heynh.）接种番茄细菌性叶斑病菌后，其根系会分泌大量苹果酸（malic acid）以促进枯草芽孢杆菌在根系上定殖并形成一层生物膜保护植株免受病原菌侵染［61］；除此之外，番茄叶片被病原菌侵染后，其根系也会向土壤释放苹果酸以富集大量可以诱导番茄启动自身防御的有益菌［62］。近年来也有研究发现植物在没有被病原菌侵染时也会分泌许多低分子量或高分子量的抗性化合物［63］，被称为组成型表达（指这类基因的表达不受时期、部位、环境影响），我们猜测这是一种预备防御机制，在病原菌入侵的时候可以立即与其对抗，给植物本身启动防御系统提供时间。

3.4 根系分泌物对植物根系的影响

目前有大量的研究发现特定的作物间作可以增强作物对土传病害的抗性，杨帆［64］发现在洋葱、薄荷等根系分泌物的刺激下，接种根节线虫的番茄根系多酚氧化酶（PPO）、苯丙氨酸解氨酶（PAL）、超氧化物歧化酶（SOD）的酶活性会显著提高。并显著提高了根系的抗病蛋白基因 PR1、多酚氧化酶（PPO）基因、脂氧合酶（LOX）基因相对表达量。吕慧芳［65］、李春霞［66］发现小麦的根系分泌物强烈诱导西瓜根系SA 合成关键酶‑PAL 酶和BA2H 酶活性的升高，并诱导西瓜根系中抗病相关基因（NPRI、PRI、PR2、WRKY1、WRKY6、WRKY8）、防 御 素 基因（CIPDF2.1、CIPDF2.4）和抗氧化酶基因（CAT、SOD、APX、PPO）的表达时间提前，并且表达量明显上调。肖靖秀［67］也发现小麦的根系分泌物能够降低蚕豆枯萎病的发病率以及病情指数。说明根系分泌物可以通过作用于植物根系而提高其对土传病害的抗性。本文总结了现有的根系分泌物介导植物土传病害的抗性机制（图3）。

图3 根系分泌物介导抗性机制简图Fig.3 Sketch of root exudate-mediated resistance mechanisms

4 结论与展望

自然界中，土壤病原菌造成的土传病害给植物的生长和生产带来严重的负面影响，而根系分泌物在植物抗性调控中尤为重要，其介导植物防御病原菌胁迫时, 主要通过植物根系释放抑菌活性物质（有机酸、酚酸、萜类化合物等）杀灭或抑制病原菌的直接防御以及与通过分泌物改变土壤环境从而富集有益菌，使土壤的菌落结构发生改变，以此来抑制病原菌生长的间接防御方式提高植物抗性, 保护植物免受侵害。

在目前的研究中，研究者对于根系分泌物种类的鉴定，根际物质迁移和信息传递、根际理化环境动态、根际微生物群落特征等方面都取得了很多研究结果，但还有许多方面应深入研究。（1）植物对于病原菌的抵抗涉及的反应太过繁杂，参与调控的途径更是盘根交错，为植物抗病的分子机理的研究增添许多困难，后续研究根系分泌物调控机制时可以从上下游差异基因表达的变化入手缩小范围，关注代谢物的变化，完善根系分泌物调控机制；（2）由于受到土壤中微生物消耗、土壤吸附以及有机质分解等影响, 在真实的土壤环境中几乎不可能收集到纯净的根系分泌物, 土壤中根系分泌物的定量和定性测量存在许多问题，现今根系分泌物的研究多是水培取样的方法，但自然条件下土壤对植物根系的机械作用是水培所不具备的，由此可能会造成实验结果的误差，因此后续的研究应寻找一种可以模拟土壤条件又方便根系分泌物取样的方法；（3）为了解植物对根际环境的塑造过程，如今已可以使用可视化方法（同位素成像、化学成像、微生物成像等）了解根系分泌物与微生物群落的时空分布关系并建立模型，帮助更深入地研究根系分泌物种类对微生物的作用；（4）根系分泌物介导的植物抗性与植物自身免疫有着潜在的关系，但目前还没有其详细调控机制的报道，未来可以从根系分泌物切入，以物质反推代谢途径，关注途径中的关键调控酶，最后与植物自身免疫联系，完善植物土传病害抗性机制。