根系分泌物的作用和調控功能(黃萬琳)

1、根系分泌物的作用和調控功能DAYAKARVBADRI&JORGEM.VIVANCOCentreforRhizosphereBiologyandDepartmentofHorticultureandLA,ColoradoStateUniversity,FortCollins,CO80523,USA摘要根系分泌的化學成分參與根際中的多種成分的調節(jié)。根際則是指受植物根系活動的影響的環(huán)境范圍。進一步研究證明，根系分泌物參與根系和土壤微生物的調節(jié)，例如，根系分泌物作為信號分子作用于根瘤菌和菌根真菌。其次，根系分泌物促使特定植物的根際微生物多樣性，對于有親緣關系的物種有作用。在此綜述中，敘述了根系分泌物的

2、調節(jié)作用和機制以及進化過程中根系分泌物與土壤微生物群落形成的關系。關鍵詞：ABC運載體；誘導子；分泌機制；根形態(tài)建成；三營養(yǎng)級相互作用引言根系是植物體隱藏的部分，起到固定和吸收養(yǎng)分與水分的作用，植物根系分泌物的多種成分進入周圍土壤中，這個土壤范圍就稱為根際，可以分為三個部分；根際內部(根組織，包括根的胚層和皮層)；根際表面(根的表層)和根際外部(根系周圍的土壤)(Lynch1987)。首先發(fā)現，根際的微生物多于距離根系較遠的土壤。首先證明根系分泌物與微生物的關系是Knudson(1920)、Lyon和Wilson(1921)。根際生物學家近幾年發(fā)現，根系分泌物在相鄰植物間的調控和土壤微生物調控

3、有重要意義(Baisetal.2004,2006;Weir,Park&Vivanco2004;Broecklingetal.2008)。根系分泌物的產生是根際的作用，是產生于植物根系有機碳的釋放。分泌物的種類取決于植物的種類、植物的年齡以及外部的生物或非生物因素。分泌物代表植物重要的碳素消耗(Hutsch,Augustin和Merbach2000;Nguyen2003)。剛剛播種的種子大約分泌它們所固定碳素的30%到40%(Whipps1990)。分泌物中還包括釋放的質子(H+)、無機酸、氧氣和水，是碳素的組成成分。這些有機混合物可非為兩類：低分子量的和高分子量的，低分子量的包括氨基酸、有機酸

4、、糖類、酚類和一些次生代謝產物；高分子量的如膠體和蛋白質。如圖1所示。Table1ClassesofcompoundsreleasedinplantrootexudatesClassofcompoundsSinglecomponents3CarbohydratesAminoacidsOrganicacidsFlavonolsLigninsCoumarinsAuronesGlucosinolatesAnthocyaninsIndolecompoundsFattyacidsSterolsAllomonesProteinsandenzymesArabinose,glucose,galactose,f

5、ructose,sucrose,pentose,rhamnose,raffinose,ribose,xyloseandmannitolAll20proteinogenicaminoacids,L-hydroxyproline.homoserine,mugineicacid,aminobutyricacidAceticacid,succinicacid,L-asparticacid,malicacid.L-glutamicacid,salicylicacid,shikimicacid,isocitricacid,chorismicacid,sinapicacid,caffeicacid,p-hy

6、droxybenzoicacid,gallicacid,tartaricacid,ferulicacid,protocatacheuicacid,p-coumaricacid,mugineicacid,oxalicacid,citricacid,piscidicacidNaringenin,kaempferoLquercitin.myricetin,naringin,rutin,genistein,strigolactoneandtheirsubstituteswithsugarsCatechol,benzoicacid,nicotinicacid,phloroglucinol,cinnami

7、cacid,gallicacid,ferulicacid,syringicacid,sinapoylaldehyde,chlorogenicacid,coumaricacidvanillin,sinapylalcohol,quinicacid,pyroglutamicacidUmbelliferoneBenzylauronessynapates,sinapoylcholineCyclobrassinone,desuphoguconapin,desulphoprogoitrin,desulphonapoleiferin,desulphoglucoalyssinCyanidin,delphinid

8、in,pelargonidinandtheirsubstituteswithsugarmoleculesIndole-3-aceticacid,brassitin.sinalexiilbrassilexin.methylindolecarboxylate,camalexinglucosideLinoleicacid,oleicacid,palmiticacid,stearicacidCampestroLsitosterolstigmasterolJugulone,sorgoleone,5,74lrihydroxy3：5,-dimethoxyflavone,DIMBOA,DIBOAPRprote

9、ins,lectins,proteases,acidphosphatases,peroxidases,hydrolases,lipaseaListofsinglecomponentspresentedinthistableisreportedmainlyfromthemodelplantArabidopsis(seeNarasimhanetal.2003),andtherepresentedlistispartial.如果研究植物根系存在技術上的問題，根系研究的重要進展包括分子技術和基因技術。其次，對模式植物擬南芥根系的研究對人們了解根系生長對農業(yè)種植的影響和一定土壤環(huán)境下對根本身以及分泌物的

10、影響有很大幫助(Bucher2002)。分子技術比如克隆根系特定基因、中間雜交技術(Conklingetal.1990;Rodriguez和Chader1992)；差異性分析(Liang&Pardee1992)；根系cDNA庫(Bucheretal.1997)；借助分子技術的根細胞特異性基因表達分析(Birnbaumetal.2003)。研究迅速收集了根系生長的新的物理和化學信息。再者，用細胞轉化方法對植物轉基因的虛根的研究，可以了解根的生物化學性質、內共生作用、次生代謝產物和根際相互作用。(Boisson-Dernieretal.2001;Choietal.2004;Leeetal.2004

11、;Limpensetal.2004)o根系分泌物在根際的調節(jié)作用有積極的也有負面的，其中積極作用包括：提供土壤微生物營養(yǎng)，例如菌根真菌、根瘤菌和和一些有益細菌；負面作用包括對寄主植物、致病微生物和無脊椎食草動物的調控。在這篇綜述中，我們不用大篇幅介紹根系分泌物和土壤有機體的相互作用，讀者可以從別的綜述中了解更多此方面的內容(Bertin,Yang和Weston2003;Karthikeyan和Kulakow2003;Baisetal.2004;2006;Singhetal.2004,Weiretal.2004,Bareaetal.2005;Morgan,Bending和White2005;Pr

12、ithiviraj,Paschke和Vivanco2007;Bais,Broeckling和Vivanco2008)。相反，這篇綜述主要探索根系分泌物調節(jié)作用和機理，以及它們對單棵植物和生態(tài)系統(tǒng)中植物的影響。另外，在這篇綜述中我們認為地上部分和地下部分分泌物多樣性取決于植物種類，同時，根系分泌物作為信號分子調節(jié)土壤微生物多樣性。根系的構造和分泌作用植物在一定環(huán)境中適應并生存取決于個體吸收養(yǎng)分的能力(Aerts1999)。根系在不同性質的土壤環(huán)境中吸收養(yǎng)分具有主要作用(Lynch和Brown2001)。在高硝酸鹽和磷豐富的土壤中，根系的構造會改變(Hoetal.2005;Patersonetal

13、.2006)。另外，從根部釋放的有機化合物通過礦化作用使植物獲得營養(yǎng)物質和調節(jié)植物-微生物相互作用的關鍵(Pierretetal.2007)。因此，推測認為分泌物的增加對調節(jié)營養(yǎng)豐富地區(qū)的植物生長和根系分支可能會影響營養(yǎng)學動力和微生物群落(Patersonetal.2006)。因此，作者認為在本文中以研究有關根系構造信息和影響根系分泌作用為著力點。根系的生長是一個農藝學上對植物生長和生存的重要現象，因為它是水分和養(yǎng)分吸收的重要部位。根系構造決定了根系在一定環(huán)境中是否能生存，相反，根系構造也取決于土壤環(huán)境。不同的植物根系構造有很大的不同，研究發(fā)現是遺傳因素所決定的。通常有兩種熟知的根系結構：一種

14、通常出現在雙子葉植物(擬南芥、番茄、豌豆等)，通常由主根和側根組成；另一種通常出現在單子葉植物(水稻、玉米)，其特點是平行的主根上生長了大量的不定根。根系構造受生物和非生物因素的影響，因此，根系構造是可塑的，甚至基因型相同的植物都會有所不同，這取決于宏觀或微觀環(huán)境。分子機制對可塑性的作用還知之甚少。近期研究發(fā)現側根的萌發(fā)受到水供應的限制，這與脫落酸和側根生長T2基因表達有關(Deak和Malamy2005)。除了水，還有其他外源性因素，如氮(Lopez-Bucio,Cruz-Ramirez&Herreraestrella2003)，磷(Linkhoretal.2002)，鐵(Moogetal.

15、1995)和光(Cluis,Mouchel&Hardtke2004;Sorinetal.2005)調節(jié)根分支和根系構造。植物在缺磷時糖分和淀粉在葉片累積，這樣就增加了蔗糖累積和碳源遷移到根系，使根系面積增加，以便進行糖信號級聯(lián)反應，從而改變根系構造。(Hammond&White2008)。在最理想的磷、氮和鐵水平下，龍眼科植物生長出毛狀根系，縱向匯集成獨特的絲狀，稱為類蛋白根系。這些根系促進礦物質和有機物的溶解，促進分泌強羧酸、酚類和水，從而增加無機養(yǎng)分的吸收(Lamont2003)。還有其他內源性因素，稱為植物激素，調節(jié)根系分支和構造，這些激素包括：生長素、細胞分裂素、乙烯、赤霉素、脫落酸和

16、油菜內酯(Malamy2005;Osmont,Sibout&Hardtke2007)。根系構造也受到生物因素影響，因為自然界中植物的根與腐生微生物和病原微生物有關。例如，被青枯菌污染后矮牽?；ǖ膫雀L率就被抑制，但是異常形態(tài)的新的側根卻能誘發(fā)(Zolobowska和VanGijsegem2006)。同樣的，根系細菌巨大芽抱桿菌也通過抑制主根的生長和抑制擬南芥?zhèn)雀L來改變根系構造(Lopez-Bucioetal.2007)。一些植物的根系構造也引起了共生作用的改變，例如豆科植物與固氮菌(deBillyetal.2001;Hirsch,Lum&Downie2001)以及菌根(Hetrick19

17、91;Paszkowskietal.2002)。根系分支和構造可能在定性和定量合成根系分泌物上發(fā)揮重要作用。此外，根系參與特定根細胞(如根冠、表皮細胞和根毛細胞)化合物的分泌的相關知識還不太清楚，一般情況下，在緊接根尖的一個區(qū)域被認為是產生分泌物的主要場所(Pearson&Parkinson1961;Schroth&Snyder1962)。但是，觀察發(fā)現次生部位也會產生有機化合物，不同的物種其分泌不同(Pearson&Parkinson1961;Bowen1968;McDougall1968;Rovira1969)。VanEgeraat(1975)表明在根尖的主根和側根產生分泌物的部分噴灑茚三

18、酮，茚三酮是一種化合物，與氨作用會產生紫色自從它于1910年被發(fā)現至今已經成為在化學、生化和法醫(yī)學領域使用的強大分析工具。Frenzel(1957,1960)發(fā)現不同根系部位所分泌的化合物不同，天冬氨酸和蘇氨酸從分生組織和根的生長區(qū)分泌出來；谷氨酸、頡氨酸、亮氨酸和苯丙氨酸從根毛區(qū)分泌，天門冬氨酸從整個根系中分泌。McDougall和Rovira(1970)用C14標記了小麥根系分泌物，發(fā)現非擴散性的礦物質從根尖的主根和側根分泌出來；擴散性的礦物從整個根系中分泌。VanEgeraat(1975)發(fā)現顯著化合物的釋放部位是在主根上的側根，也發(fā)生在葉片不馬上愈合的開放性傷口，使分泌物進入土壤。此為

19、，最近的報道稱根冠和根毛細胞也參與了化合物的分泌(Pinerosetal.2002;Czarnotaetal.2003;Nguyen2003)。一般情況下，植物根系的分生組織是一層較薄的細胞構成稱為根冠，用來突破土壤從而使根系伸長(Barlow1975)，這些脫離的細胞在根際生態(tài)中發(fā)揮重要作用，因此提出邊緣細胞一詞(Hawes1990)。邊緣細胞有多種功能：減小根尖摩擦力(Bengough&McKenzie1997)，調節(jié)微生物相互作用，避免有害微生物(病原菌)作用和有利于有益細菌(PGPR)(Hawes1990;Hawesetal.1998,2000)，以及可以保護植物免受重金屬毒害(Mor

20、el,Mench&Guckert1986;Miyasaka&Hawes2001)。已經觀察到根表面存在粘液層，特別是在根尖，可在水中形成水泡。在多數植物中都發(fā)現這種粘液由根冠外層細胞分泌(Samsevitch1965)。但是，少部分的粘液也可以在根毛和上皮細胞中分泌，這些分泌物也許來自根冠或退化的上皮細胞，或者說它們可能合成于根際微生物。(Rovira,Foster&Martin1979;Foster1982;Vermeer&McCully1982)。根毛是表皮細胞的延伸其中包括作物根表面的77%，形成了植物和根系的主要聯(lián)系點(Parkeretal.2000)。在固定和養(yǎng)分、水分吸收等根際活動

21、中有重要作用(Fanetal.2001;Grierson,Parker&Kemp2001;Michael2001)。除了那些功能，根毛細胞還參與根系分泌。Head(1964)用定時的顯微照相技術透過玻璃板觀察到幼年蘋果根系的根毛尖端分泌出球形液滴，利用光電子和穿透式電子顯微鏡觀察發(fā)現高粱從根毛區(qū)分泌高粱酮(Czarnotaetal.2003)。除了根冠和根毛細胞外，其他根細胞也參與了化合物的分泌。例如，玉米根分泌檸檬酸抵御鋁毒害。用薄鉗技術研究發(fā)現分泌檸檬酸的是根冠以上5厘米部位，主要是皮質和星細胞。此外，比較覆蓋的和不覆蓋的根的檸檬酸分泌率發(fā)現，根尖不是檸檬酸分泌的主要部位。盡管得出這樣的結

22、論，我們的研究仍然要集中到從生物化學和分子生物學層面研究根細胞化合物分泌中的作用。利用茚三酮仍然不失為一個識別分泌部位的重要工具，但是它的缺點是可以檢測分泌物中的氨基酸和茚三酮陽性化合物。由于新型分子技術，比如可以讓擬南芥的特定根細胞受損，從而讓我們清楚參與分泌的特定根細胞。植物根系分泌化學物質和調控作用系受到根系-土壤之間生物和非生物因素的脅迫，根系對這些脅迫的表現是分泌不同的化合物抵御不利影響，保護根系和對根生長產生積極影響，機械阻抗影響根的形態(tài)(Groleau-Renaud,Plantureux&Guckert1998)。在土壤板結和輕度干燥的條件下根系分泌物增加(Brimecombe,

23、DeLeij&Lynch2000)。試管內的生長基質不同特定植物的根系分泌物的組成也不同，從而表明特殊的營養(yǎng)物質決定了分泌物的種類。據報道，某些營養(yǎng)物質的缺乏導致代謝產物增加，在這種情況下就增加了根對營養(yǎng)物質的吸收Jones1998)。溫度、海拔、土壤濕度等環(huán)境因素也調節(jié)根分泌過程。例如，蠶豆根系在45攝氏度分泌單寧酸和酚類化合物遠少于30攝氏度時的分泌量(Bekkaraetal.1998)。同樣，光強度也影響次生代謝產物的分泌，是因為光合作用發(fā)生變化。Watt和Evans(1999)研究表明根分泌過程遵循晝夜節(jié)奏，在光周期中分泌物增加，在光照條件下地黃分泌黃酮的量增加(Hughesetal.

24、1999)。高濕度的土壤中也能控制分泌，因為受到氧氣量缺乏的限制。氧氣缺乏從而導致無氧呼吸，導致乙醇、乳酸和丙氨酸的累積(Rivoal&Hanson1994)。Xia和Roberts(1994)發(fā)現，植物為了避免乙醇和乳酸累積帶來的危害而從根系分泌一些代謝產物。是否存在特定礦物質和有毒金屬也會影響分泌物成分，研究已經表明根系分泌的檸檬酸、草酸和蘋果酸可以緩解土壤中鋁的毒性，而且這些有機酸的分泌有高度的鋁脅迫特異性。此外，不同植物由鋁誘導所分泌的有機酸種類不同(Ma2000;Liaoetal.2006;Wangetal.2006)。對某些植物和豆類來說磷的缺乏也會導致根系分泌酚醛樹脂的能力增加，

25、而磷缺乏時分泌的有機酸因植物種類而異(Dinkelaker,Hengeler&Marschner1995;Chishaki&Horiguchi1997;Dinkelakeretal.1997;Neumann,George&Romheld1998;Neumann&Romheld1999)。占據同一生態(tài)位的植物更容易通過氧化作用產生凈化毒害的機制(Inderjit&Duke2003)。最近發(fā)現一些植物可以有效地抵制兒茶素。由于根系分泌草酸增加所致的黑矢車菊產生異株相克毒素，從而保護由化感作用所致的植物活性氧的損失(Weiretal.2006)。不同植物在不同的生長階段分泌率是不同的，也受到單一物種

26、的基因型的影響。幼苗所產生的分泌物最少，隨著植物的生長分泌物增加，直到植物成熟后分泌物量逐漸減少(Aulakhetal.2001)。Garciaetal.(2001)證明分泌物的量與根系生長呈正相關。這就是說，生長旺盛的根系分泌物多。同樣同一物種的基因型也影響分泌物的種類，例如生態(tài)型擬南芥的COL-O和LER基因控制著根系分泌蘋果酸的水平(Hoekengaetal.2003)。不同植物的根系分泌物都存在性質和數量上的不同(Cieslinskietal.1997)。物種間的親緣關系越遠，分泌物種類差異越大(Fletcher&Hegde1995)。誘導子是誘導植物產生防御作用或脅迫應答的分子。Gl

27、ebaetal.(1999)推測具有化學和物理誘導子的植物與沒有的相比更能促進分泌大量化學物質。同時，有誘導作用的植物根系可以分泌大量化合物，而在非誘導植物中沒有這種現象。此外，一個單一誘導子可以誘導不同植物分泌不同化合物。誘導信號分子調控分泌水楊酸(SA)、甲基茉莉酮酸(茉莉酸甲酯)和NO導致次生代謝產物累積(seereviewofZhao,Davis&Verpoorte2005)。礦物元素的缺乏也會引起根內部次生誘導子以介導信號反應，例如鉀的缺乏產生茉莉酸甲酯從而介導防御反應(Schachtman&Shin2007)。已經證明SA和MeJA在培養(yǎng)中的細胞中發(fā)現(Parchmann,Gund

28、lach&Mueller1997;Chenetal.2001)。NO在植物根系外質體空間中發(fā)現(Stohr&Ullrich2002)。Noritake,Kawakita和Doke(1996)發(fā)現NO誘導植保素(日齊素)在馬鈴薯塊莖中累積，也存在于分泌物中。Kneer等人(1999)表明水培羽扇豆的根系可以分泌染料木素，用SA處理則分泌增加20倍。最近的研究表明SA、MeJA和NO處理擬南芥根系與對照相比根系分泌化學物質增多(Badrietal.2008a)。這些防御信號分子所介導產生的次生代謝產物如表2PlantsSignallingmoleculeTargetedsecondarynieta

29、boJitesArttbidopsisthalianaMeJA,SAIndoleglucosinolates.camalexinAvenasativaNOAvenanthramidesCatharanthiisroseusJA,NOAjmalicine,catharanthine,vindolineCentellaasiaticaMeJAAsiatocoside,triterpenesColeusblumeiMeJARosmarmicacidCupresstislusitanicuMeJA/?-TiujaplidnDttuctiscarottiJA6-Methoxyme!Jein,4-hydr

30、oxybenzoicaddEchinttceapallidaMeJAAlkamides,ketoalkene/ynesEschscholtiz.dcalifornictiMeJA,SABenzphenanthridines,sanguinarineGlycinemaxMeJAGlyceollinshapigenin,daidzein4genistein,luteolinGlycyrrhiaglabraMeJASoyasaponinHyoscyamusnigerMeJA.SAHyoscyamine,rishitin,scopolamineHypericumperforatumMeJA,SAHyp

31、ericinLithospenmunerythrarthionMeJARosmarmicacidLitpiruisIufeusSAGenisteinLycopersiconesculentiunMeJAScopoJetinOryzasativaMeJAMomilactones,sakuranetinOciirutmbasilicuntMeJARosmarmicacid,caffeicacidPanaxginsengMeJA,SAGinsenosidePorUilacaMeJABetacyanin.RauvolfiacanescerisMeJARaucaffricineScmguinariaca

32、nadensisMeJASanguinarineSciussureatnedusaMeJA.SAJaceosidinhhispidulinSilybuinmarianumMeJASilymarinSotanumtuberosmtiMeJA,NORishitiirlubimin,phytuberhiSophorafavescensJA.NOMatrineTiixuschinensisSyntheticMeJA(HEJA)TaxoidViHsviniferaMeJAStilbenehresveratrolaThislistismodifiedandupdatedfromZhaoetaL(20()5

33、).MeJA,methyljasnionate;JA,jasmonicacid;SA,salicylicacid;NO.nitricoxide：HEJA,2-hydroxyetliyljasnionate.相鄰植物能否改變植物根系分泌物的類型?植物根系-土壤界面是一個富含土壤微生物的環(huán)境，包涵致病微生物和有益微生物(Rouatt&Katznelson1960;Rouatt,Katznelson&PayneI960)。因此，植物根系在一個富含微生物的環(huán)境中必須進行互作和防御各種類型的生物脅迫(Baisetal.2004,2006)。這些脅迫作用是如何影響根系分泌的呢？研究證明，植物釋放專一性的類

34、黃酮從而響應兼容性根瘤菌株(Dakora,Joseph&Phillips1993;Pueppkeetal.1998)。最近研究表明可以調節(jié)根系蛋白質的分泌(De-la-Penaetal.2008)。De-la-Pena等(2008)的研究表明根系分泌物中蛋白質的組成成分在添加微生物后發(fā)生了變化，并且，特定細菌對蛋白質分泌的調節(jié)受到相鄰的特定植物影響。在這項研究中應用了兩種模式植物，擬南芥和苜蓿，微生物利用丁香假單胞桿菌，它是擬南芥的目標病原體同時與苜蓿共生形成根瘤菌。得知四種有機體基因序列的有效性需要找到起源蛋白從而判斷它是由細菌產生的研究發(fā)現。紫花苜蓿根瘤菌的相互作用使蛋白質水解酶、肽酶和過

35、氧化物酶等7種分泌物增加，但是在丁香苜蓿中的作用不會產生這些蛋白質。同樣，在丁香擬南芥中也會產生與防御作用有關的蛋白質，這些蛋白質也不會在擬南芥中產生。但是發(fā)現苜蓿中分泌4種高分子量蛋白質(超過氧化物歧化酶、甘氨酸甜菜堿、ABC運載體、外膜蛋白和SMc02156)。這些證據表明植物根系的分泌物和細菌蛋白分泌的改變都受到相鄰植物的影響。在這一點上，可以適當推測，如果植物能與特定微生物發(fā)生作用而改變蛋白質的分泌這就可以斷定植物能與特定的相鄰植物之間發(fā)生作用。如果一個微小生物能夠被根系感知也許是由于特定感受器作用而不是根系微生物相互作用。產生這種機制是一個非常復雜的行為模式，在特定相鄰植物影響下植物

36、的生理和生物化學性質會發(fā)生變化，入侵植物是這個過程中重要的例子。多數情況下，入侵植物不會入侵它的本土范圍，這些地方都有專門的昆蟲和病原菌維持土壤特征?？赡芸梢杂羞@樣的推斷，一個地區(qū)周圍的植物和植物群落的相互作用可能通過調節(jié)某些生理和生化參數，比如有利防御功能。當雜草分布到一個新的地域，在這些地域中，相鄰植物的進化性影響不存在，其生物化學和生理學性質就會發(fā)生變化從有利于植物生長的狀態(tài)變?yōu)榉烙饔?。再者，同一種的植物(單種)比不同種植物(混種)反應更明顯也能通過改變生理學特征而改變生長與防御之間的平衡。如果這種反應是真實存在的，那么植物就可以表現出社會性反應，最近的一篇文章顯示擬南芥中硫代葡萄糖的

37、激活受到相鄰植物的影響。同時也發(fā)現在高密度環(huán)境中(擬南芥生長量多)擬南芥的硫代葡萄糖產生量多于低密度環(huán)境(擬南芥生長量少)(Wentzell&Kliebenstein2008)。根系分泌作用的機制近年來，研究者在分析根系分泌物的構成和相鄰植物間根際土壤的相互影響方面取得很大進步。然而，根系分泌機制仍然缺乏了解。產生和釋放的根系分泌物具有常規(guī)的分子結構，但是可能會受到生物或非生物因素的影響，這個觀點我們在前文已經提過。根系分泌化合物的過程主要是一個動態(tài)過程，通過三條路徑調節(jié)：擴散、離子通道、膜泡運輸(圖1)(Neumann&Romheld2000;Bertinetal.2003)。Cytosol

38、VesiculartraffickingApoplast在擴散過程中，極性小分子和不帶電的分子能夠透過具有通透性的質膜(Sanders&Bethke2000)。這個過程的發(fā)生是由于細胞膜有通透性(Guern,Renaudin&Brown1987)和胞內基質卩田直(Marschner1995)。其他化合物如糖類、氨基酸、羧酸陰離子通過蛋白通道跨膜運輸，它們的運輸方向取決于電化學梯度，使它們從根系細胞質(高濃度環(huán)境)向土壤中(低濃度環(huán)境)運輸。Samuel,Fernando&Glass(1992)發(fā)現細胞質中高濃度的K離子擴散電位差和ATP酶產生的正電荷梯度使質子釋放促進羧酸陰離子的釋放Jones

39、&Darrah1995)。在這種環(huán)境下，根細胞膜上的陰離子通道控制這些化合物的釋放(Ryan,Delhaize&Randall1995;Zheng,Ma&Matsumoto1998;Neumannetal.1999;Sakaguchietal.1999)。糖類、氨基酸和金屬離子的特定轉運蛋白與根系細胞分泌特定化合物有關(Williams,Pittman&Hall2000;Hussainetal.2004;Colangelo&Guerinot2006;Hirneretal.2006;Hoekengaetal.2006;Grabov2007;Leeetal.2007;Svennerstametal

40、.2007)o植物具有金屬離子動態(tài)平衡機制，避免自由金屬離子過度累積(如鐵、鋅、錳和銅)；這些機制與金屬離子的吸收，轉運和區(qū)域化有關(seereviewbyHayden&Cobbett2007)。例如，禾本科植物分泌麥根酸，從根際環(huán)境中的根細胞分泌一種金屬結合配體和Fe(III)-MA配體以減輕鐵的毒害，觀察玉米根系時發(fā)現這些通過特定載體YSL進入細胞(Curieetal.2001;Curie&Briat2003)。最近的證據表明水稻硅離子載體位于細胞膜上(Maetal.2007;Ma&Yamaji2008)。同時也發(fā)現擬南芥在鋁毒害時蘋果酸運載體(AtALMTVl)在根系釋放蘋果酸中起重要作

41、用。(Kobayashietal.2007)。還有其他載體如單糖載體也參與運輸己糖、戊糖，包括核糖和多元醇如肌醇和甘油(Klepeketal.2005;Buttner2007)。根系分泌高分子的化合物通常經過膜泡運輸(Battey&Blackbourn1993)。膜泡介導的蛋白質研究已經研究透徹(seereviewbyFieldjordan&Osbourn2006)。但是，植物營養(yǎng)的膜泡運輸機理還不完全清楚(Lin,Irani&Grotewold2003;Grotewold2004)。有報道表明，植物的防御反應伴隨著抗菌化合物運輸到病原菌感染的部位，例如在高粱葉片中積累在真菌感染部位的染色小泡

42、(如抗菌類黃酮)(Snyder&Nicholson1990;Snyderetal.1991)。同樣，染色抗菌劑，當真菌感染時膜泡介導分泌紫草素(Tabata1996;Yazakietal.2001,2002)。然而，這些研究只能證明葉細胞中植物養(yǎng)分的膜泡運輸，除了高爾基體介導的麥根酸多糖在根冠的轉運，根細胞中膜泡運輸的機制還不清楚(Neumann&Romheld2000)。ABC運載體是否參與根系的分泌過程其他與植物細胞防御反應有關的養(yǎng)分運輸，包括ABC運載體和有毒化合物(MATE)分泌載體(Yazaki2005).。前者通過ATP水解直接功能，隨后通過質子梯度二次運輸。這兩種機制都與液泡中類

43、黃酮運輸有關(Yazaki2005).。ABC運載體包括一個大的蛋白質家族，在所有植物中都有(Higgins1992),。而且這些運載體在擬南芥中的數量多于酵母和人類(Decottignies&Goffeau1997;Dean,Hamon&Chimini2001;Rea2007).。植物需要固定，因此需要適應性的定位以便與周圍環(huán)境作用，發(fā)現植物產生的大量潛在的化合物比有機質需要更多的運載體(Dixon2001).。在細菌中，ABC運載體在細胞運輸化合物中有重要作用。最近發(fā)現在真核細胞中ABC運載體也有重要功能(Saurin,Hofung&Dassa1999;Shitanetal.2003;Sa

44、nteliaetal.2005;Terasakaetal.2005).。植物的ABC蛋白可以根據形態(tài)(完整或不完整)、方向(正向或反向)、跨膜蛋白連接域是否存在和完整序列相似性分為13個亞基(Sanchez-Fernandezetal.2001)。ABC運載體參與不同的細胞過程，如潛在毒性化合物的排泄、脂肪轉運、重金屬耐受性、養(yǎng)分運輸、鹽脅迫和抗菌作用(Balzi&Goffeau1994;Szczypkaetal.1994;Maathuisetal.2003;Kobaeetal.2006;Steinetal.2006).。在植物中，最佳的ABC運載體組成是3個完整分子的亞基：耐藥性相關蛋白(M

45、RP)、多效抗藥性蛋白(PDR)和耐藥性P-糖蛋白(PGP)。最近，用藥理學的方法研究表明，植物根系分泌某些次生代謝產物是有ATP參與的過程。發(fā)現ABC運載體參與了根系分泌的過程(Loyola-Vargasetal.2007;Sugiyama,Shitan&Yazaki2007).。Loyola-Vargas等人(2007)發(fā)現擬南芥根系分泌物與存在氰化鉀、釩酸鈉、戊脈安、硝苯吡啶、格利苯脲和奎尼丁等抑制劑時量和質上都有所不同。這就清楚地表明參與根系分泌的不同主動運輸系統(tǒng)包括ABC運載體和P-型ATP酶，因為所有抑制劑用盡細胞中的ATP庫。此外，另有研究發(fā)現染料木素和信號黃酮的分泌與大豆根系共

46、生根瘤菌有關，是由ATP依賴的ABC運載體所介導的。這項研究運用了特定的ABC運載體抑制劑釩酸鈉，但是，染料木素的分泌并不受到像尼日利亞菌素、頡氨霉素和短桿菌肽D等質膜離子載體抑制劑的抑制(Sugiyamaetal.2007).。前面兩個證據利用抑制劑直接證明了ABC運載體參與根系分泌過程。最近，Badri等人(2008)用缺乏特異性根系ABC運載體高度表達蛋白擬南芥突變體直接證明了ABC運載體與根系分泌作用的關系。這項研究證明了三種物質通過ABC運載體運輸，其中一種初步確定為3-羧基-4(2)、6(2)、8(2)、10(2)-雙鏈酸，這項研究進一步發(fā)現一個ABC運載體能夠運輸不同結構的化合物

47、或者一種化合物能夠被不同載體運輸。還需要進一步研究以明確其他種載體(如MATE)和參與根系分泌化合物的底物，這有必要利用農業(yè)和生物技術使研究獲益。根系分泌物的新型作用根分泌作用包括正面和負面的多種相互作用，如根際中的植物與植物之間植物與微生物之間或者三個營養(yǎng)級相互作用(植物-微生物-線蟲)。有大量的文章都報道了根系分泌物作用中植物和植物、植物和微生物之間的作用(Bertinetal.2003;Baisetal.2004,2006,2008;Weiretal.2004;Prithivirajetal.2007)。這篇綜述從兩個方面舉例說明：三個營養(yǎng)級相互作用和自身識別或非自身識別。與植物和微生物

48、不同線蟲有高度的運動能力，能夠響應植物與微生物間的化學通訊。三個營養(yǎng)級的作用(植物、微生物、線蟲)在對根瘤菌、菌根真菌和植物病原體的研究中已經有了很好的闡述(Khan1993;Khanetal.2000)o研究表明，三營養(yǎng)級作用在線蟲和微生物共同影響植物生長時發(fā)揮作用。不同的研究表明，土壤線蟲也可以調節(jié)根系和根瘤菌的相互作用，使根瘤的數量增加(Horiuchietal.2005)。本研究表明線蟲作為載體把根瘤菌帶到豆科植物，使植物根系釋放揮發(fā)性物質形成植物-微生物共生體。一項同樣的研究報道指出昆蟲病原線蟲會使田中的玉米根系受損(Rasmannetal.2005)。然而，對線蟲的影響與植物根系的

49、相互作用和對根分泌物的影響以及對微生物的作用還不太了解。對根際中與這些三營養(yǎng)級調節(jié)有關的基本信號的了解，可以極大的促進在生態(tài)和諧中的運用。另一個熟知的三營養(yǎng)級作用的例子是植物根系分泌物與寄生植物和叢枝菌根真菌(AMF)的通信介導。植物利用化合物吸引有益有機質和抵御有害物質。然而，對有益物質的吸收也會導致有毒物質的泛濫。一個經典的例子是植物間的親緣關系，有益的共生AMF和有害的共生植物，它們都受到根系分泌物以及其衍生物的調節(jié)(Bouwmeesteretal.2007)。獨角金內酯在植物根系分泌物中的含量很少，包括玉米、珍珠小米、紅三葉草、番茄、百脈根和蝙蝠葛(Sugimato2000;Satoe

50、tal.2003;Awadetal.2006)o在這個復雜的作用中過去發(fā)現的毫無關系的事實現在可以整合成一個原理：1、土壤中低濃度的磷酸鹽有利于AMF的共生(Smith&Read1997)；2、缺乏磷酸對誘導植物根系產生獨角金內酯(Yoneyamaetal.2007)；3、獨角金內酯促使AMF占據寄主植物(Gomez-Roldanetal.2007)；4、獨角金內酯也引起寄主植物感染(Bouwmeesteretal.2003)；5、AMF的作用可以防止寄主植物被萌發(fā)抑制劑影響(Lendzemoetal.2007)o除了獨角金內酯的以上作用和對化合物的作用以外，最近的兩項研究發(fā)現它們也抑制芽的分

51、支(Gomez-Roldanetal.2008;Umeharaetal.2008)。植物通過地上部分和地下部分的相互作用從而防止由病原菌引起的疾病。食草動物產生了一種植物內部信號作用于根與芽(Rasmannetal.2005)。這項研究發(fā)現玉米根蟲(WRC)的幼蟲以玉米葉片為食同時誘導根系分泌植物信號(E)-b-石竹烯激活昆蟲病原線蟲，一些根系有益菌激活植物防御反應以防止葉部病害(Ryuetal.2004)。同樣，植物根系分泌化合物作為信號物吸引共生體如根瘤菌和AMF(KentPeters&Long1988;Bessereretal.2006)。但是，是什么植物根信號參與激活有益菌還不太清楚。

52、最近研究發(fā)現三羧酸循環(huán)(TCA)的一個根系中間產物L-蘋果酸能在劑量依賴上參與激活有益菌芽抱桿菌FB17(Rudrappaetal.2008)。這項研究進一步證明了當葉片接種PSTDC300病原體，根系L-蘋果酸的分泌增加。這項研究為了解植物的地上部分和地下部分信號交流鋪平了道路。在一些自然或半自然的植被中，由根系驅動的地下部分的競爭是必不可少的現象。幾項研究已經證明根系與相鄰根系通過特定的方式互相影響，這依賴于相鄰根系的種類(Maina,Brown&Gersani2002;deKroon,Mommer&Nishiwaki2003;Falik,deKroon&Novoplansky2006).

53、。最近的研究表明植物可以識別同類從而在根系作用影響的競爭條件下，在與不同類物種一起生長時比和同類植物生長時大的根系更容易定位(Dudley&File2007).。自身或非自身根系機制上的區(qū)別還不太清楚，但已經表明，根分泌物在這種反應中發(fā)揮作用(deKroon2007)。ArielNovoplansky在在競爭條件下的自我識別行為一文中提出這方面的細節(jié)信息。根際中根分泌物是否參與植物的協(xié)同進化？上節(jié)涉及到的例子都是在人工環(huán)境或嚴格控制的溫室環(huán)境中進行的探究，所以，讀者也許會問：根系分泌物在自然條件下是如何影響生物多樣性的。土壤中的微生物多樣性(細菌和真菌群落)是非同尋常的，一克土壤中可含有10億

54、微生物，有上千個不同的物種(Rosell6-Mora&Amann2001)。土壤微生物群落通過一個作用體系影響環(huán)境中的關鍵過程，如養(yǎng)分的生物化學循環(huán)，植物健康和土壤質量(Bareaetal.2005;Girietal.2005)。許多動態(tài)的微生物作用發(fā)生在植物根系附近和土壤-植物界面，這個環(huán)境就稱為根際(Lynch1987;Bareaetal.2005;Baisetal.2006;Prithivirajetal.2007)。根際土壤中微生物群落多樣性取決于植物的年齡，作物品種和土壤類型(Wieland,Neumann&Backhaus2001;Buyer,Roberts&Russek-Cohe

55、n2002;Kowalchuketal.2002;Hogberg,Hogberg&Myrold2007)。重要的是，最近研究認為特定植物培養(yǎng)在具有真菌群落多樣性的土壤中，兩種模式植物(擬南芥和苜蓿)在其本土培養(yǎng)(從自然條件下采集)和從溫室條件下的其他植物土壤中采集，發(fā)現擬南芥在本土條件下仍然保留其真菌群落，但在其他土壤中卻不能（種植苜蓿的土壤），當它們生長在第三種土壤中時則不能成活。在不是本土的其他土壤中培養(yǎng)，微生物多樣性迅速下降。當將根分泌物加入其他土壤而不是植物生長的土壤則有同樣的現象。因此，說明植物通過根分泌物響應這些現象，這些相互作用具有協(xié)同進化的現象（Broecklingetal.2

56、008）。其他研究除了田間條件外都顯示出同樣結果。這項研究發(fā)現蒙大納洲入侵植物黑矢車菊的高密度土壤與雜草生長的低密度土壤相比，真菌群落大量下降（Broz,Manter&Vivanco2008）。事實證明入侵植物使微生物多樣性數量下降（Brozetal.2008）。使我們更加相信在根際和土壤微生物之間存在協(xié)同進化，會受到根系分泌物的調節(jié)。當入侵植物達到一個新的領域,就會通過分泌物破壞土壤微生物。這些分泌物不僅對微生物有負面影響（抗菌劑）同時也能為其生長提供碳源?？赡芤欢螘r間以后入侵植物也會有自己的與原來類似的微生物群落，但并不容易形成，因為原來的整個生態(tài)群落不可能復制。這樣的群落是由不同植物所組

57、成，并且有自己的分泌物調節(jié)土壤微生物群落從而有益于自己的生態(tài)系統(tǒng)。當這個生態(tài)系統(tǒng)被一種沒有協(xié)同進化的新物種影響后，就會影響一些植物的協(xié)同進化微生物的生理過程從而導致數量下降。在一個入侵范圍內，這會使一種植物的競爭力減弱，易受到入侵植物的侵襲。單一物種下可以得到同樣的相關系數：可以假設這樣的作物完全改變了土壤微生物的組成。據了解，本土作物不如非本土作物能產生更大的作用。主要是吸收作用（土壤性質和養(yǎng)分）和氣候作用，例如，土豆在它的馴化的安第斯山脈產量下降，早期的研究推測在本土生長的作物擁有重要的協(xié)同進化微生物環(huán)境。包括有益菌和病原菌，這些微生物的協(xié)同進化控制生態(tài)系統(tǒng)的平衡。防止其他物種的入侵。另一

58、方面，非本土生長的作物能夠高產是由于少量的土壤病原菌。因此，如果接種病原菌則會很快生長，并占據主導。因為不存在與之競爭的協(xié)同進化微生物（圖2）。一個例子就是愛爾蘭的馬鈴薯饑荒（公元前1845-1852）,馬鈴薯晚疫病使其在幾年內迅速死亡。NativehabitatIntroducedhabitat(recent)Introducedhabitat(old)thaninnativehabitat(a)becauseofthelackofco-evolvedpathogenspresentinthenewhabitatandcouldeventuallydecreasethediversityof

59、themicrobesinthesoil.However,ifapathogenweretoarriveinthenewhabitat(b),itcouldbecomedominantintherhizospherebecauseofthelackofotherco-evolvedmicrobestokeepthepotentialpathogenincheck,resultinginscenario(c).Asaresult,theplantcoulddie(c).對地上部分和地下部分研究的展望越來越多的研究探討了根系分泌物的變化在生態(tài)中的意義。但是，最明顯的意義在于植物對食草動物響應機制的

60、研究。例如食用包囊三葉草根系的動物改變百三葉草的根系分泌物，刺激生物量土壤微生物活動。這些積累的影響隨后產生了積極地反饋，最終有利于植物的長期生長(Hamilton&Frank2001;Ayresetal.2004)。另外一個例子是AMF,它可以在早期演替中豐富植物的種類(VanderHeijdenetal.1998)。因為他能夠促進次要植物生長，均勻分布土壤資源，避免一種植物占據主導地位(VanderHeijden2004)。很明顯，根系與AMF的聯(lián)系起源于一種根系分泌物一一獨角金內酯。最近，研究發(fā)現不同植物中根和芽誘導的反應表現為地下部分對病原菌的不同作用直接(產毒素)或間接(揮發(fā)物)的從