植物根系分泌物与根际微生物交互作用机制研究进展

根际是受植物根系影响最为强烈的微域环境,是植物和土壤交流的桥梁。根系能通过调控根系分泌物的种类和数量影响根际微生物的种群结构和多样性,根际微生物通过改变根际土壤特性影响根系的分泌作用,进而影响植物的生长发育过程。因此,很有必要对这些研究进展进行梳理,提出未来该领域的研究重点。本文以1999～2022年中国知网（CNKI）和Web of Science核心数据库为文献来源,对根系分泌物与根际微生物互作相关的64篇论文进行分析。总结了近年来根系分泌物和根际微生物互作的最新研究成果,重点介绍了根系分泌物对根际微生物种类、数量和分布的影响,环境胁迫对根系分泌物和根际微生物的影响,以及根际微生物对植物生长的影响。基于此,我们对该领域未来的研究方向进行了展望。深入理解根系分泌物和根际微生物之间复杂的互作关系及其机理,对揭示根际微生态调控过程、土壤微生物组功能、促进农作物增产等方面具有重要的意义。     

根系分泌物

概述了根系分泌物的产生、收集与分析方法及其影响因素和根系分泌物组分。闸明了根系分泌物与根际土壤微生物的相互关系。     

浅析植物根分泌物与根际微生物的相互作用关系

综述了根分泌物与根际微生物、病原微生物的相互影响以及根际微生物作用几方面内容。根分泌物作用于周围环境产生根际效应,影响根际微生物的生态分布、种群组成,不同抗性品种根分泌物对病原微生物表现出促进或抑制的作用;而根际微生物又会对根分泌物起到修饰限制作用,通过各种途径改变根分泌物的数量、组成。根分泌物与根际微生物间的作用是相互的。此外,根际微生物在植物养分转化与吸收、病虫草害控制、物质循环等方面发挥着不可替代的作用。     

营养胁迫下不同植物根系的反应和根际效应

研究了在营养胁迫下、小麦、番茄、玉米（不同品种）根系的适应性及其根际效应。结果表明，在缺锰胁迫下植物根系分泌更多的可溶性有机物，导致根际Ｅｈ下降，高价锰氧化物还原，根际氧化锰结合态锰活化并转化为有效态，提供植物吸收。     

不同Zn浓度对黑麦草根分泌物、根际Zn形态及植物Zn蓄集的影响

A glasshouse experiment was conducted using a root-bag technique to study the root exudates, rhizosphere Zn fractions, and Zn concentrations and accumulations of two ryegrass cultivars (Lolium perenne L. cvs. Airs and Tede) at different soil Zn levels (0, 2, 4, 8, and 16 mmol kg-1 soil). Results indicated that plant growth of the two cultivars was not adversely affected at soil Zn level≤8 mmol kg-1. Plants accumulated more Zn as soil Zn levels increased, and Zn concentrations of shoots were about 540 /μg g-1 in Aris and 583.9μg g-1 in Tede in response to 16 mmol Zn kg-1 soil. Zn ratios of shoots to roots across the soil Zn levels were higher in Tede than in Airs, corresponding with higher rhizosphere available Zn fractions (exchangeable, bound to manganese oxides, and bound to organic matter) in Airs than in Tede. Low-molecular-weight (LMW) organic acids (oxalic, tartaric, malic, and succinic acids) and amino acids (proline, threonine, glutamic acid, and aspartic acid, etc.) were detected in root exudates, and the concentrations of LMW organic acids and amino acids increased with addition of 4 mmol Zn kg-1 soil compared with zero Zn addition. Higher rhizosphere concentrations of oxalic acid, glutamic acid, alanine, phenylalanine, leucine, and proline in Tede than in Airs likely resulted in increased Zn uptake from the soil by Tede than by Airs. The results suggested that genotypic differences in Zn accumulations were mainly because of different root exudates and rhizosphere Zn fractions.     

植物根系和根际微生物对氮的竞争

植物根系可促进土壤中有机碳和氮的矿化^[1-3]。     

营养胁迫与根系分泌物

根系不仅是活跃的吸收、代谢器官，而且是强大的分泌器官，营养元素是影响根系分泌的外界因素之一，在营养胁迫条件下，根系分泌物的组成、数量均发生变化。本文介绍了铝毒害及磷，铁。锌缺乏时，根系分泌物研究新进展。     

籽粒苋不同富钾基因型根际钾营养与根系特性研究

在缺钾土培和水培条件下,研究了籽粒苋不同基因型根际和非根际土壤速效钾、缓效钾和全钾含量的变化,以及根际微生物数量、根系主要分泌物、根系质子分泌量和根系CEC的变化。结果表明,籽粒苋根际土壤速效钾和缓效钾含量明显高于非根际土壤,且在根际形成钾的相对富集区,富钾基因型R104和K12根际钾的富集能力明显高于一般基因型;籽粒苋根际土壤的全钾含量却低于非根际土壤,富钾基因型的降低幅度大于一般基因型。富钾基因型根际微生物数量和根系分泌能力显著高于一般基因型,且根际细菌和真菌数量与主要根系分泌物的分泌量变化基本保持一致。富钾基因型R104和K12根系CEC和H 分泌量高于一般基因型M9和Cr047,而相同基因型内各品种间的变化不显著。     

根际动态过程与植物营养

养分的有效性是由土壤物理、化学和生物学特性,特别是根系主导的根际动态过程所决定的。根系引起根际pH值和氧化还原电位、根分泌物以及由此引起微生物种群、数量和活性的改变,从根本上决定着根际养分的动态。而根系主导的根际动态又具有明显的基因型差异,并受植物营养状况的诱导和调控。因此,根际动态变化的方向和强度对植物适应土壤化学和物理逆境具有重要意义。本文从根际的一般概念入手,综述了近十余年来国内外根际动态研究的新成果,重点讨论了根际动态与植物营养的关系,并运用根际微生态系统的概念,把根际动态与植物对养分胁迫的适应性及其调控机理紧密联系起来,使根际动态和植物矿质营养基因型差异机理两个基础性研究热点融为一体,为解决重大的全球性环境、生态以及农业持续发展问题提供新的途径和理论依据。     

根系分泌物与土传病害的关系研究进展

根系分泌物是植物-土壤-病原微生物相互作用的桥梁,是决定病原菌-作物关系的关键生态因子,影响着土传病害的发生与发展.本文阐述了根系分泌物的定义、分类及产生机理;重点从根系分泌物的化感自毒效应,根系分泌物诱导根际微生物群落,根系分泌物影响病原菌丰度,根系分泌物影响根际土壤环境4个方面阐述了根系分泌物与土传病害的关系;并从...     

小麦苗期根系分泌物对根际反硝化细菌的影响

本文通过无菌水培试验，研究了两种不同基因型小麦菌期根系分泌物对反硝化细菌优势种生长量和反硝化活性的影响。结果表明：两种不同基因型的小麦根系对反硝化细菌均有明显的根际效应，其菌数和反硝化活性又以郑引１号大于宝丰７２２８；根分泌物中氨基酸组分两者相似，但其总量也以郑引１号大于宝丰７２２８，对根际反硝化细菌产生直接影响。而反硝化活性不受菌株耐药标记的影响。     

根系分泌物抑制连作障碍线虫病的根际调控机制及其应用

作物长期连作极易出现连作障碍(再生病害),本文围绕因传统耕作模式和种植习惯而诱发的新疆棉花、黑龙江大豆、河南花生、山东设施蔬菜、两广香蕉等连作障碍问题,对全国连作现象进行系统分析,发现全国连作现象普遍。按照耕地面积将连作障碍划分为五个等级,其中华北三省和东北的黑龙江省连作障碍等级最高,且各省连作现象均以大田经济作物为主。以香蕉、大豆(大田经济作物)、黄瓜(设施园艺作物)和三七(中草药)为代表,比对最低产量和正常产量在连作年份的变化,表明连作障碍发生规律成抛物线式,防控连作障碍需找到问题关键时期。单一根系分泌物介导的微生物多样性降低、病原菌富集,植物寄生线虫危害和土壤弱化是导致连作障碍的主要原因,其中线虫对植物的侵染危害作为土传病害是防治连作障碍中最难解决的问题之一,尤其是在设施蔬菜上。线虫在长期进化过程中形成了具有识别、寻找和侵染寄主的生物学功能,而不同植物根系分泌物对线虫发育和对宿主的识别侵染能力有不同的调控作用。针对根系分泌物–线虫互作为诱因的线虫病害,深入探讨易感作物和抗性/非寄主植物根系分泌物对线虫发育和对植物侵染的生物学机制,提出根际调控措施。在J2时期利用抗性/非寄主植物根系分泌物,调控根结线虫Mi-16D10、Mi-flp-18等基因和孢囊线虫的Hg-rbp-2等基因的表达控制线虫的发育、侵染和迁移,通过生物源功能物质定向防控线虫侵染作物。这些结果加深了我们对生物活性物质调控植物寄生线虫机制的认识。未来,以筛选和鉴定抗性或非寄主作物特异根系分泌物对线虫侵染的调控为依据,配置生物功能型肥料,利用植物源活性物质替代传统农药控制线虫病害的根际调控措施,定向调控植物根际生物学过程将成为国内外研究热点。此文将为未来深入系统地研究根系分泌物–线虫的相互作用及克服连作障碍提供理论基础,进而促进土壤健康和作物优质高产高效,对实现绿色农业和可持续发展具有重要的理论和实践指导意义。     

烟草根系分泌物酚酸类物质的鉴定及其对根际微生物的影响

【目的】烟草连作已导致土传病害发生、 烟株生长受抑制、 产量下降和品质恶化等问题。烟株对自身及土壤微生物产生的化感作用,是烟草产生连作障碍的一个重要原因,其中化感物质中的根系分泌物是烟株与土壤微生物间相互作用的重要物质,探索烟草根系分泌物对根际微生物生长的影响是生物防控烟草青枯病的理论依据。【方法】本文利用超高效液相色谱串联四级杆飞行时间质谱(UPLC-Q-TOF/MS)技术,分离、 鉴定烟草根系分泌物中主要酚酸类物质的种类和含量; 通过添加外源酚酸类物质,研究在液体培养基中烟草根系分泌物中的主要酚酸类物质对病原菌及拮抗菌的影响,并在土壤中添加鉴定出的主要酚酸类物质; 通过土壤培育试验,研究其对土壤微生物多样性和数量变化,特别是对烟草青枯病菌及其拮抗菌生长的影响。【结果】1)烟草根系分泌物粗提物对病原菌(茄科劳尔氏菌)生长的促进率为16.8％,对拮抗菌(短短芽孢杆菌)的生长抑制率达到29.4％; 2)UPLC-Q-TOF/MS检测根系分泌物中主要酚酸类物质为苯甲酸和3-苯丙酸,含量分别为0.25 μg/g干根重和1.15 μg/g干根重; 3)液体培养外源添加低浓度的苯甲酸(≤ 2 μg/L)和3-苯丙酸(≤ 3 μg/L)促进病原菌和拮抗菌的生长; 4 μg/L的苯甲酸对病原菌生长抑制作用不显著,对拮抗菌生长的抑制率达到90.2％,6 μg/L的 3-苯丙酸对病原菌的生长具有促进作用,对拮抗菌的生长抑制率达到81.1％,外源高浓度苯甲酸(≥4 μg/L)和3-苯丙酸(≥ 7 μg/L)抑制病原菌与拮抗菌的成长; 4)土壤中添加3 μg/kg土的苯甲酸时,土壤中病原菌的数量增加12.3％,而拮抗菌的数量减少21.0％,土壤细菌、 放线菌和真菌的数量分别降低37.5％,41.9％和55.6％; 3-苯丙酸浓度达到8 μg/kg土时,拮抗菌生长量减少14.5％,对病原菌没有显著影响,土壤细菌、 放线菌和真菌的数量分别降低69.9％,57.2％和80.7％; 5)土壤添加4 μg/kg的苯甲酸和7 μg/kg的3-苯丙酸后,土壤微生物Shannon指数、 Simpson指数、 McIntosh指数显著下降,分别仅为对照的57.7％、 94.1％、 88.1％和97.6％ 73.3％、 80.0％。【结论】烟草根系分泌物粗提物促进病原菌生长抑制拮抗菌生长,根系分泌物中酚酸类物质主要为苯甲酸和3-苯丙酸,液体培养中4 μg/L的苯甲酸或6 μg/L的 3-苯丙酸浓度是对病原菌生长抑制不明显但显著抑制拮抗菌生长的分界点,土壤外源添加3 μg/kg的苯甲酸或8 μg/kg的3-苯丙酸时,是土壤增加病原菌减少拮抗菌数量的分界点,同时土壤微生物功能多样性显著下降,病原菌对根系分泌物中苯甲酸和3-苯丙酸的利用优于拮抗菌,这也是烟草长期连作引起青枯病暴发流行的机理之一。     

根际土壤化学研究进展

本文就根际土壤中元素含量，形态分布和土－根系统中的化学反应机制研究的进展作了扼要论述。土－根系统中的化学过程是复杂的动态过程，其显著特点是根－土界面化学。并对今后根际土壤化学研究提出了看法。     

根分泌物对根际微生物生态分布的影响

本文从根分泌概念着手 ,依据近 2 0年来国内外有关根分泌研究的一些成果 ,就根分泌物的概念、产生机制进行了综合论述 ,并重点讨论了植物根分泌物对根际微生物代谢、生态分布、病原微生物抑制作用的影响以及土壤环境对根分泌物的影响。     

根系分泌物与养分有效性

在植物生长过程中,根系除了溢泌质子和其他无机离子外还不断地向土壤介质释放有机化合物。大体上,这些有机物质约占植株碳同化量的15-25%,高的达到40%。     

稻鸭生态种养系统直播水稻根表和根际土壤营养特性研究

采用田间小区试验对比分析了直播方式下稻鸭生态种养系统和水稻单一种植系统水稻根表和根际土壤的氮、磷、钾和有机碳含量及pH的变化。结果表明:与水稻单一种植系统相比,稻鸭生态种养系统水稻根表和根际pH分别升高4.41%、0.85%,全氮含量分别降低0.11g·kg-1、0.11g·kg-1,全磷和全钾含量变化不明显。水稻根表速效氮和速效钾含量分别增加30.80mg·kg-1、17.93mg·kg-1,速效磷含量降低8.66mg·kg-1;水稻根际速效氮和速效钾含量分别减少15.13mg·kg-1、7.61mg·kg-1,速效磷增加9.66mg·kg-1。稻鸭生态种养系统水稻根表活性有机碳和高活性有机碳分别增加2.17g·kg-1、0.56g·kg-1,全有机碳含量减少0.99g·kg-1;根际土壤全有机碳、活性有机碳和中活性有机碳含量分别减少2.39g·kg-1、2.64g·kg-1、0.72g·kg-1。稻鸭生态种养改变了速效磷、速效钾和活性有机碳在水稻根域土壤的相对富集部位,即速效钾和活性有机碳富集部位主要在根表土壤,速效磷则主要在根际土壤。表明稻鸭生态种养明显改善了水稻根表和根际土壤营养状况,这可能对水稻根系吸收和利用土壤养分具有积极意义。     

植物根际微生物组的研究进展

根际微生物组(rhizosphere microbiome),是植物从其种子库土壤微生物组中有选择性地招募在根际聚集的动态微生物集群.随着近年来高通量测序技术、宏基因组学等的飞速发展,根际微生物组与植物宿主及土壤微生物组间的紧密联系引起了全球关注和研究热潮.根际微生物组被视作植物第二基因组,其与植物间的互作极为复杂,有...     

植物生长环境与根系分泌物的关系

植物所处环境条件会影响植物根系分泌物的数量和组成,同时,植物根系分泌物也会影响根际环境条件。本文综述了植物种类(品种、生长发育阶段)和光温水、养分胁迫、重金属胁迫、微生物活动等环境条件对植物根系分泌物的影响;植物根系分泌物对根际微区土壤结构性、pH、CEC、养分活化和微生物区系等方面的影响,并提出了今后植物根系分泌物与环境条件研究中在研究方法、不同环境条件等方面值得关注的问题。