植物根系分泌物對(duì)解磷微生物的影響研究進(jìn)展

師仁增鄧霞田琳張媛媛王楠焦子偉

(1. 伊犁師范大學(xué)微生物資源保護(hù)與開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆伊寧 835000；2. 伊犁師范大學(xué)生物與地理科學(xué)學(xué)院，新疆伊寧 835000)

植物根系分泌物是植物根系向根際分泌出的各種物質(zhì)的統(tǒng)稱，根據(jù)性質(zhì)不同可將其劃分為滲出物、粘膠質(zhì)、分泌物和裂解物質(zhì)[1-3]。 根據(jù)分泌物性質(zhì)進(jìn)一步對(duì)其分類，可分為糖類、氨基酸類、有機(jī)酸類、酮類、酚酸類和其它物質(zhì)等[4]。 土壤解磷微生物種類較多，包括細(xì)菌、真菌和放線菌等，其中細(xì)菌種類最多，主要包括腸細(xì)菌屬(Enterbacter)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、歐文氏菌屬(Erwinia)等19個(gè)屬[5-9]。 解磷真菌主要包括曲霉屬(Aspergillus)、青霉菌屬(Penicillium)等，除此之外，研究發(fā)現(xiàn)菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza，AM)也具有解磷能力[10-12]。 解磷放線菌主要為鏈霉菌屬(Streptomyces)，其解磷能力較差[13]。 根系作為植物地上莖葉與地下土壤基質(zhì)的介導(dǎo)，不但為植物主體提供有效營養(yǎng)，而且還是植物種間競(jìng)爭(zhēng)和調(diào)控植物生長(zhǎng)發(fā)育的核心部位[14-15]。 植物根系也是土壤微生物重要的食物來源，對(duì)微生物的種類和數(shù)量具有決定性作用[16-17]。 因此探究根系分泌物和土壤根際解磷微生物多樣性偶聯(lián)關(guān)系，掌握根系分泌物對(duì)解磷微生物的影響，對(duì)于豐富以多營養(yǎng)級(jí)視角研究作物磷素高效利用的根系-土壤解磷微生物互作理論、豐富和完善土壤生態(tài)學(xué)理論等均具有重要意義。

1 根系分泌物對(duì)解磷微生物影響概述

1.1 生長(zhǎng)發(fā)育

植物根系分泌物對(duì)根際解磷微生物的生長(zhǎng)發(fā)育具有促進(jìn)作用:趙小蓉等[18]對(duì)玉米根際解磷細(xì)菌分布的研究發(fā)現(xiàn)，根系分泌物可促進(jìn)發(fā)酵型細(xì)菌的生長(zhǎng)，其中以黃桿菌屬、假單胞菌屬等居多，芽孢桿菌屬則相對(duì)較少。 另有研究表明，小麥生長(zhǎng)初期，根系活動(dòng)旺盛，分泌物較多，有利于有機(jī)磷細(xì)菌的生長(zhǎng)繁殖，為根系提供更多的可利用磷[19]。 另一方面，根系分泌物對(duì)解磷微生物的生長(zhǎng)發(fā)育亦有抑制作用，且濃度越高抑制作用越強(qiáng)。李倩等[20]研究表明黃花蒿根系分泌釋放的青蒿素對(duì)根際解磷細(xì)菌產(chǎn)生抑制作用；高濃度的黃連須根浸提液對(duì)無機(jī)磷細(xì)菌B05 和B07 的生長(zhǎng)繁殖具有抑制作用，尤其是在濃度高于500 mg/L 之后[21]。 此外在對(duì)假蒼耳根系分泌物的研究中也發(fā)現(xiàn)，隨著根系分泌物濃度增加，其對(duì)鐮刀菌、根瘤菌的抑制作用也越強(qiáng)[22]。

1.2 數(shù)量及種群分布

根系分泌物為解磷微生物提供了重要的能量來源，對(duì)解磷微生物的數(shù)量和種群分布具有重要影響，為解磷微生物的聚集提供了有利條件。 已有研究報(bào)道小麥根際土壤解磷微生物的數(shù)量遠(yuǎn)高于非根際土壤[19]。 另有研究表明，根系分泌物可以促進(jìn)解磷微生物無芽孢桿菌在根際的聚集[23]。Molla 等[24]研究發(fā)現(xiàn)小麥和黑麥草根際解有機(jī)磷微生物的種群主要包括芽孢桿菌屬、假單孢菌屬、曲霉屬、微球菌屬和青霉屬等。 趙小蓉等[18]研究發(fā)現(xiàn)根際土壤解磷微生物種類遠(yuǎn)比非根際的豐富，且種類和數(shù)量都不相同。 紀(jì)巧鳳等[25]研究報(bào)道黃頂菊的生長(zhǎng)發(fā)育使解磷微生物的優(yōu)勢(shì)種群更加明顯。 不同農(nóng)作物根際解磷微生物的種類也不同，小麥根際主要為洋蔥假單胞菌屬(Pseudomonas cepacia)[26]，玉米根際主要是歐文氏菌屬(Erwinia)[27]， 大豆為不動(dòng)桿菌(Acinetobactersp.)[28]，水稻為芽孢桿菌屬(Bacillus)[29]。

1.3 解磷能力

植物根系分泌的有機(jī)酸、糖類、酚酸類和氨基酸類等物質(zhì)直接或間接地影響解磷微生物的解磷能力，從而影響土壤磷的有效性[30]。 韓玲玲[31]在對(duì)黃頂菊根系分泌物和解磷微生物的研究中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)根系分泌物處理后，40個(gè)芽孢桿菌菌株中有26個(gè)大幅度提高土壤有效磷含量；另外，分泌物濃度和菌株種類對(duì)無機(jī)磷量均有顯著影響，且不同菌株和濃度的組合也顯著提高無機(jī)解磷量。李娟等[32]研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物中的有機(jī)酸和氫離子促進(jìn)解磷微生物解磷能力的提升。 另外，根系分泌物濃度對(duì)解磷微生物的解磷能力具有抑制作用，王玉書[21]研究表明空心蓮子草根系分泌物濃度升高，解磷微生物分解有機(jī)酸和氫離子的速率降低，從而抑制解磷微生物的解磷量；黃連根系分泌物的濃度提高，則解磷微生物B07 和B09 的溶磷量也顯著降低。

2 根系分泌物主要成分對(duì)解磷微生物的影響

2.1 糖類

糖類是植物根際解磷微生物重要的能源物質(zhì)，對(duì)根際解磷微生物的聚集、解磷能力、解磷酶活性、種群數(shù)量及群落組成具有重大影響，且糖的種類和濃度不同對(duì)解磷微生物的影響也不同。 根系分泌物中的糖類主要包括葡萄糖、果糖、半乳糖、蔗糖等，研究發(fā)現(xiàn)根系分泌物中的糖類物質(zhì)對(duì)解磷細(xì)菌YL6 有一定的導(dǎo)向性，有助于其在小白菜根際的定殖[33]。 糖類物質(zhì)對(duì)解磷微生物的解磷活性也有很大影響，解磷微生物的解磷能力隨著玉米根系分泌物中糖類物質(zhì)的增加而增強(qiáng)[34]。在對(duì)菜地解磷微生物的研究中發(fā)現(xiàn)，糖類物質(zhì)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]。 另外小麥根際解磷細(xì)菌也可以通過對(duì)分泌物中糖類物質(zhì)的利用提高解磷微生物的解磷活性[36]。 研究表明，分泌物中糖類物質(zhì)不同，解磷微生物解磷能力也不同，陳令等[37]研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖為碳源時(shí)解磷微生物解磷效果最好；韋宜慧等[38]發(fā)現(xiàn)蔗糖為碳源時(shí)解磷微生物解磷效果最好；劉小玉等[39]也發(fā)現(xiàn)蔗糖為碳源時(shí)解磷微生物的解磷效果最好。 此外，不同濃度糖類物質(zhì)會(huì)造成土壤環(huán)境碳氮比和碳磷比不同，從而導(dǎo)致解磷能力與種群分布的差別，在對(duì)棗樹根際解磷微生物的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)碳氮比為35∶1 時(shí)，解磷菌株P(guān)7 的解磷能力最強(qiáng)[40]。 劉小玉等[39]在對(duì)油茶根際解磷微生物的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳氮比為40∶1時(shí)，解磷微生物的解磷效果最好。 虞偉斌等[41]研究報(bào)道碳氮比為8∶1 時(shí)解磷菌K3 溶解磷酸三鈣的能力較強(qiáng)，解磷量最高。 在對(duì)馬尾松根際溶磷細(xì)菌的研究中發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳氮比為10∶1 時(shí)解磷菌株WJ2 的解磷能力最強(qiáng)[42]。 另外，碳磷比不同對(duì)解磷微生物群落組成和多樣性也有很大影響，研究表明黑麥草根際土壤中碳磷比較高，顯著增加酸桿菌門、降低α-變形菌門相對(duì)豐度[43]。 水芹根際土壤中碳磷比增高顯著改變細(xì)菌群落組成，厚壁菌門和β-變形菌門數(shù)量顯著增加[44]。 種植水稻土壤中碳磷比提高，纖維孤菌屬和粘球菌屬顯著增加，而伯克霍氏菌屬顯著降低，且當(dāng)碳磷比小于200 時(shí)堿性磷酸酶活性增加，解磷微生物的豐度增加[45]；當(dāng)碳磷比大于300 時(shí)解磷微生物則具有固定磷素的能力[46]。

2.2 氨基酸類

根系分泌物中的氨基酸物質(zhì)對(duì)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，蔣益[47]研究發(fā)現(xiàn)番茄根系分泌物中的天冬氨酸、谷氨酸和賴氨酸是影響菌株能否在根部成功定殖的重要物質(zhì)。 李碩[48]的研究表明巨大芽孢桿菌通過對(duì)氨基酸的利用促進(jìn)茄苗的生長(zhǎng)發(fā)育。胡小加等[49]的研究表明油菜根系分泌物促進(jìn)枯草芽孢桿菌的聚集，從而提升其溶解無機(jī)磷的能力。 沈仁芳等[50]發(fā)現(xiàn)蔬菜根系分泌氨基酸可吸引根際促生菌在根際定殖。 董麗紅等[51]研究報(bào)道精氨酸、丙氨酸、賴氨酸等氨基酸對(duì)枯草芽孢桿菌NCD-2 菌株的聚集具有重要作用。 氨基酸對(duì)解磷微生物的生物量也有影響，巨大芽孢桿菌用氨基酸處理后，其生物量大幅提升[48]。 張超等[52]研究發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌通過添加天冬氨酸、苯丙氨酸和谷氨酸，產(chǎn)量大幅提高。 此外氨基酸對(duì)解磷微生物解磷活性也有影響，研究發(fā)現(xiàn)蘇丹草和玉米根系分泌的氨基酸物質(zhì)，可提升解磷微生物的活性，從而提升可用磷量，促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育[53]。 朱麗霞等[54]研究也發(fā)現(xiàn)，玉米和蘇丹草在缺磷情況下會(huì)分泌氨基酸提高解磷微生物的解磷活性。 此外，氨基酸不僅可以提升解磷微生物的解磷能力，還可以提升植物抗逆性[55]。 研究顯示纈氨酸可以促進(jìn)銅綠假單胞桿菌生物膜的形成[56]。 氨基酸種類不同對(duì)解磷微生物生物膜形成的作用也不同，董麗紅等[51]研究發(fā)現(xiàn)枯草芽孢桿菌NCD-2 經(jīng)脯氨酸、賴氨酸和纈氨酸處理后菌株的生物膜生成能力明顯提升。

2.3 有機(jī)酸類

植物根系分泌物中的有機(jī)酸主要包括草酸、琥珀酸、丙酮酸、蘋果酸、丁酮二酸和延胡索酸等[57]，其對(duì)解磷微生物的生長(zhǎng)定殖、種群數(shù)量及其導(dǎo)致的pH 值變化對(duì)解磷微生物都有重要影響。 研究表明根際土壤中有機(jī)酸含量很低，但也顯著高于非根際土壤[58-59]。 已有研究發(fā)現(xiàn)水稻根際解無機(jī)磷細(xì)菌的數(shù)量在成熟期最大，根系分泌物中的琥珀酸與解無機(jī)磷微生物的數(shù)量呈正相關(guān)趨勢(shì)[60]。 顧金剛等[61]研究報(bào)道有機(jī)酸促進(jìn)熒光假單胞菌RB-89、RB-42 在煙草根際生長(zhǎng)繁殖。 另有研究表明，番茄根系分泌的有機(jī)酸是假單胞菌在其根部生長(zhǎng)繁殖的重要條件之一[62]。此外，根系分泌物中的L-蘋果酸能夠吸引枯草芽孢桿菌的生長(zhǎng)定殖[63]。 Ling 等[64]也發(fā)現(xiàn)西瓜根系分泌的蘋果酸和檸檬酸能吸引多粘類芽孢桿菌的定殖。 Tan 等[65]研究發(fā)現(xiàn)番茄根系分泌的蘋果酸、檸檬酸和琥珀酸促進(jìn)了解磷微生物T-5 在根際的生長(zhǎng)繁殖。 另外，根系分泌有機(jī)酸使根際解磷微生物功能群種類數(shù)量發(fā)生變化，在低磷水平下，有機(jī)酸分泌量高，導(dǎo)致酸桿菌門和放線菌的相對(duì)豐度顯著增加[66]。 有機(jī)酸分泌量不同導(dǎo)致土壤pH 值不同，從而間接影響根際解磷微生物群落，pH 值在3.8 ～4.3 之間時(shí)，綠彎菌和放線菌為主要菌落；pH 值在5.6 ～6.1 之間時(shí)，厚壁菌門為主要種群；pH 值在6.7～7.8 之間時(shí)，綠彎菌門、變形菌門和放線菌最為豐富[43]。

2.4 酮類

酮類物質(zhì)對(duì)根際解磷微生物的集聚、生物量、細(xì)胞結(jié)構(gòu)以及作為信號(hào)因子影響根瘤菌結(jié)瘤都有重要影響。 研究發(fā)現(xiàn)澳洲堅(jiān)果根系分泌物的黃酮類物質(zhì)對(duì)AM 真菌有促生作用，可以促進(jìn)真菌孢子萌發(fā)、菌絲生長(zhǎng)和孢子生長(zhǎng)聚集[67]。 酮類物質(zhì)可以作為信號(hào)因子促進(jìn)根瘤菌結(jié)瘤，張琴等[68]研究豆科植物根瘤菌結(jié)瘤因子發(fā)現(xiàn)，豆科植物根系分泌物中的類黃酮物質(zhì)可以誘導(dǎo)根瘤菌在根部的定殖和結(jié)瘤。 此外，豆科植物中這種類黃酮物質(zhì)可以作為信號(hào)因子促進(jìn)細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度的快速增加，推動(dòng)根瘤菌結(jié)瘤[69]。 國外研究者也發(fā)現(xiàn)苜蓿根系分泌物中的黃酮類物質(zhì)可以促進(jìn)根瘤菌結(jié)瘤[70]。 大豆根系分泌物中的兩種黃酮類物質(zhì)可以提升菌株生長(zhǎng)量近3 倍[71]。 另有研究表明空心蓮子草內(nèi)多種類黃酮類化感物質(zhì)，能夠破壞細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育功能出現(xiàn)障礙[72-73]。

2.5 酚酸類

植物根系分泌物中的酚類化合物對(duì)解磷微生物的生長(zhǎng)定殖、生物量以及解磷能力影響巨大。研究發(fā)現(xiàn)，植物根系分泌的酚類化合物可引導(dǎo)一些特異性解磷微生物種群的聚集[74]。 當(dāng)苯酚濃度為0.01～0.2 0 mg/mL 時(shí)，解磷微生物巨大芽孢桿菌F71 的數(shù)量得到極大提升[31]。 馬瑞霞等[75]研究表明一定濃度苯甲酸顯著促進(jìn)枯草芽孢桿菌的生長(zhǎng)發(fā)育，而阿魏酸則對(duì)其生物量有抑制作用。郝文雅等[76]研究發(fā)現(xiàn)西瓜根系分泌物中芬酸類物質(zhì)能夠提升尖孢鐮刀菌(Fusarium oxysporum)的孢子數(shù)量。 Sood[77]研究表明番茄根部分泌的酸液能誘導(dǎo)熒光假單胞桿菌(Pseudomonas fluorescens)的定殖。 空心蓮子草根系分泌物中的酚酸類化感成分可以抑制無機(jī)磷細(xì)菌分泌有機(jī)酸和氫離子，從而影響無機(jī)磷細(xì)菌的解磷能力[21]。 另外，酚類物質(zhì)的濃度對(duì)解磷微生物的解磷能力也有影響。 研究發(fā)現(xiàn)，黃頂菊根系分泌物中苯酚濃度為0.1 mg/mL 時(shí)，能夠大幅提升土壤有效磷含量[31]。

2.6 其它類

植物根系分泌物中的一些維生素如維生素B6可以使土壤中解磷微生物的相對(duì)豐度發(fā)生改變，毛云飛等[78]研究發(fā)現(xiàn)以10 g/株維生素B6處理蘋果樹，提高了其根際土壤細(xì)菌中變形菌門(Proteobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)的相對(duì)豐度，降低了擬桿菌門(Bacteroidetes)和酸桿菌門(Acidobacteria)的相對(duì)豐度；提高了真菌中擔(dān)子菌門(Basidiomycota)的相對(duì)豐度，降低了接合菌門(Zygomycota)的相對(duì)豐度。 根系分泌物也會(huì)分泌一些生物堿類物質(zhì)，對(duì)解磷微生物的生長(zhǎng)具有抑制作用。 研究發(fā)現(xiàn)，在黃連的根系分泌物中，小檗堿成分含量最高而且其化感作用最強(qiáng)[79]。 小檗堿是黃連的活性成分之一，會(huì)對(duì)銅綠假單胞菌細(xì)胞的膜蛋白和流動(dòng)性產(chǎn)生不利影響，從而阻礙其生長(zhǎng)繁殖[80]。

3 展望

截至目前，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)以根系分泌物為介導(dǎo)的植物和根際解磷微生物的相關(guān)研究取得了積極進(jìn)展，根際解磷微生物在促進(jìn)磷素吸收和利用等方面發(fā)揮重要作用，但對(duì)其不同種類和功能機(jī)制以及與農(nóng)作物根系相互作用等方面的研究還相對(duì)薄弱[46，81]。 將根系分泌物和根際解磷微生物功能群結(jié)合起來，探討它們的互作如何促進(jìn)植物磷素高效吸收和利用的相關(guān)研究報(bào)道也很少。 今后要進(jìn)一步開展以解磷微生物為介導(dǎo)的植物-解磷微生物-土壤之間的反饋機(jī)制研究，運(yùn)用原位觀測(cè)根系互作的先進(jìn)技術(shù)如熒光標(biāo)記技術(shù)、DNA標(biāo)記技術(shù)、正電子發(fā)射斷層掃描技術(shù)及核磁共振成像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)根系二維或三維的動(dòng)態(tài)可視化，從而加深對(duì)根際互作機(jī)制的理解，以及其在影響植物營養(yǎng)成分利用效率、調(diào)控營養(yǎng)及能量在根-土界面中的遷移轉(zhuǎn)化及利用規(guī)律的機(jī)制研究[82-84]。

隨著分子技術(shù)的發(fā)展和對(duì)微觀世界認(rèn)知的不斷提高，土壤生態(tài)學(xué)家在根際解磷微生物促進(jìn)植物磷素吸收利用方面的研究正不斷加強(qiáng)[85-86]。通過采用宏基因組、DNA 指紋圖譜和基因標(biāo)記等分子生物學(xué)技術(shù)，揭示解磷微生物解磷機(jī)制及其與病原菌的互作、宿主植物的識(shí)別機(jī)制等，開展影響根際土壤微生物中活化磷素的關(guān)鍵功能群和磷循環(huán)功能基因的相關(guān)研究，以及進(jìn)行磷高效基因型植物鑒定、磷高效基因型植株培育等方面的研究、試驗(yàn)與示范應(yīng)用。

根系分泌物的變化與植物種類、重金屬類型等多種因素也有關(guān)聯(lián)，在根系分泌物研究領(lǐng)域取得的成果不斷增多[87]。 加大對(duì)不同磷水平下根系分泌物類型和成分的研究力度，進(jìn)一步探討其對(duì)有效磷的轉(zhuǎn)化機(jī)制。 強(qiáng)化根系分泌物與解磷微生物相互作用的研究以及在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用。 研究根系分泌物與土壤微生物、土壤動(dòng)物的互作機(jī)理，并鑒定、篩選、分離其有益成分，制作生物農(nóng)藥化肥，明確其在土壤中的遷移、轉(zhuǎn)化、滯留過程等，以提高其在土壤中的效力和持續(xù)時(shí)間。通過對(duì)不同類型植物根系分泌物成分和變化規(guī)律的研究，開發(fā)土壤磷素活化劑，搭配特有種植體系如套作和農(nóng)-林復(fù)合體系等，為提升農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)、國家化肥減施增效為目標(biāo)的綠色和可持續(xù)發(fā)展提供可行性技術(shù)參考。