根系分泌物介导下植物-土壤-微生物互作关系研究进展与展望

根系分泌物是植物与土壤进行物质交换和信息传递的重要载体物质, 是植物响应外界胁迫的重要途径, 是构成植物不同根际微生态特征的关键因素, 也是根际对话的主要调控者。根系分泌物对于生物地球化学循环、根际生态过程调控、植物生长发育等均具有重要功能, 尤其是在调控根际微生态系统结构与功能方面发挥着重要作用, 调节着植物-植物、植物-微生物、微生物-微生物间复杂的互作过程。植物化感作用、作物间套作、生物修复、生物入侵等都是现代农业生态学的研究热点, 它们都涉及十分复杂的根际生物学过程。越来越多的研究表明, 不论是同种植物还是不同种植物之间相互作用的正效应或是负效应, 都是由根系分泌物介导下的植物与特异微生物共同作用的结果。近年来, 随着现代生物技术的不断完善, 有关土壤这一“黑箱”的研究方法与技术取得了长足的进步, 尤其是各种宏组学技术(meta-omics technology), 如环境宏基因组学、宏转录组学、宏蛋白组学、宏代谢组学等的问世, 极大地推进了人们对土壤生物世界的认知, 尤其是对植物地下部生物多样性和功能多样性的深层次剖析, 根际生物学特性的研究成果被广泛运用于指导生产实践。深入系统地研究根系分泌物介导下的植物-土壤-微生物的相互作用方式与机理, 对揭示土壤微生态系统功能、定向调控植物根际生物学过程、促进农业生产可持续发展等具有重要的指导意义。该文综述了根系分泌物的概念、组成及功能, 论述了根系分泌物介导下植物与细菌、真菌、土壤动物群之间的密切关系, 总结了探索根际生物学特性的各种研究技术及其优缺点, 并对该领域未来的研究方向进行了展望。     

Root exudates and their ecological consequences in forest ecosystems: Problems and perspective

植物根际过程与调控机理研究已成为当前土壤学最活跃、最敏感的研究领域, 而根系分泌物作为根系-土壤-微生物界面物质能量交换和信息传递的重要媒介物质, 是构成根际微生态系统活力与功能特征的内在驱动因素, 是根际概念与根际过程存在的重要前提和基础。然而, 由于传统的根际过程研究更强调以实际生产问题为导向, 加之农作物生长周期较短、操作便利等诸多因素, 以往对植物根系分泌物研究主要聚焦在农业生态系统, 而有关根系分泌物在森林生态系统中的重要作用与调控机理研究甚少, 认识相对零散和片段化。基于此, 该文结合作者实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 综述了森林根系分泌物的生态重要性, 重点论述了目前森林根系分泌物生态学研究中存在的主要问题与不足, 在此基础上展望了未来森林根系分泌物生态学研究中值得关注的重点方向和研究内容。     

森林根系分泌物生态学研究:问题与展望

植物根际过程与调控机理研究已成为当前土壤学最活跃、最敏感的研究领域,而根系分泌物作为根系-土壤-微生物界面物质能量交换和信息传递的重要媒介物质,是构成根际微生态系统活力与功能特征的内在驱动因素,是根际概念与根际过程存在的重要前提和基础。然而,由于传统的根际过程研究更强调以实际生产问题为导向,加之农作物生长周期较短、操作便利等诸多因素,以往对植物根系分泌物研究主要聚焦在农业生态系统,而有关根系分泌物在森林生态系统中的重要作用与调控机理研究甚少,认识相对零散和片段化。基于此,该文结合作者实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态,综述了森林根系分泌物的生态重要性,重点论述了目前森林根系分泌物生态学研究中存在的主要问题与不足,在此基础上展望了未来森林根系分泌物生态学研究中值得关注的重点方向和研究内容。     

土壤环境下的根际微生物和植物互作关系研究进展

植物根系、土壤、根际微生物以及根际范围内其他因子等组成了根际微生态系统,在根际微生态系统中的不同组分之间存在着广泛的相互作用,其中以根系-土壤-微生物之间的相互作用网络最为复杂,同时也对整个根际系统的稳定和发展有着至关重要的影响。综述了近年来国内外对于土壤环境中根际互作关系研究的进展,探讨了土壤环境对植物和根际微生物群落的影响,植物如何调控根际微生物群落的组装和稳定过程,以及根际微生物对植物生长发育、病原菌防卫和抗逆性的调控作用等,分别从土壤环境、宿主植物和根际微生物三个层面,分析了它们在根际互作关系中的角色和作用机制,以期为农业生产和环境保护提供一定指导意义和借鉴作用。     

Research Advances in the Main Ecological Functions of Root Exudates

根系分泌物在植物根系-土壤-微生物互作过程及其生态反馈机制中发挥重要作用。在植物根际复杂网络互作过程中, 根系分泌物被认为是“根际对话”的媒介, 其在调控植物适应微生境、缓解根际养分竞争及构建根际微生物群落结构方面意义重大。该文结合国内外该领域主要研究成果, 综述了根系分泌物对植物生长、土壤微生物特性及土壤养分循环的影响, 并展望了未来根系分泌物的研究方向。     

植物根系分泌物主要生态功能研究进展

根系分泌物在植物根系-土壤-微生物互作过程及其生态反馈机制中发挥重要作用。在植物根际复杂网络互作过程中, 根系分泌物被认为是“根际对话”的媒介, 其在调控植物适应微生境、缓解根际养分竞争及构建根际微生物群落结构方面意义重大。该文结合国内外该领域主要研究成果, 综述了根系分泌物对植物生长、土壤微生物特性及土壤养分循环的影响, 并展望了未来根系分泌物的研究方向。     

连香树人工林根系分泌物输入季节性变化及其驱动的根际微生物特性研究

根系分泌物介导的根际过程具有重要的生态学效应,但目前有关植物尤其是濒危珍稀植物根系分泌物及其介导的土壤生物地球化学循环过程的原位季节动态研究甚少。本文以阿坝州茂县大沟流域30年生的国家二级濒危保护植物连香树人工林为研究对象,于2014年4、7、9和12月利用原位收集装置对连香树根系分泌物进行原位收集;并同步分析了根际土壤微生物特性的变化。结果表明：（1）根系分泌物C和N分泌速率均呈现明显的季节动态变化,其中,夏季最高,冬季最低。（2）根际土壤微生物碳、氮及土壤酶活性显著高于非根际,表现出正的根际效应;根际效应也与根系分泌物输入表现出类似的季节动态规律,即夏季（7月）最高,而冬季（12月）最低。（3）进一步相关分析表明：根系分泌物分泌速率与土壤微生物碳、氮及土壤酶活性根际效应值呈线性正相关,表明根系分泌物输入是驱动根际微生物活性的重要因子,揭示连香树根系碳输入对根际土壤过程和功能的季节响应。未来研究应加强根系分泌物输入与土壤生物地球化学循环过程的偶联效应与机制研究。     

根系分泌物在重金属污染土壤生态修复中的作用机制研究进展

我国土壤重金属污染问题日益突出.作为一种绿色、安全的生物修复技术,植物修复技术备受关注.根系分泌物作为植物-土壤-微生物三者物质交换与信息传递的重要载体,是植物响应外界胁迫的重要生理生态指征,在植物修复过程中发挥关键作用.研究表明,根系分泌物能够有效调控根际微环境,提升植物抗逆能力,影响重金属在根际微域中的环境行为.传...     

根系分泌物介导的根际效应及在水体生态修复中的应用潜力

文章主要以根系分泌物为核心, 综述了根系分泌物的分类、发生机理及影响因素; 围绕着植物-土壤-微生物三者的关系, 阐述了根系分泌物介导的植物与植物之间的化感作用、植物与根际微生物之间的协同作用以及植物微生物相互作用对土壤物质循环的影响。水生植物以其生境的特殊性和功能的不可替代性, 对沉积物污染物去除和水体生态修复产生显著的影响。在水体生态问题较为严峻的今天, 充分认识水生植物根系分泌物介导的根际过程将为水生植物生态学和水体生态修复领域的发展提供基础, 并为学科应用潜力的开发提供依据。     

植物根系分泌物对土壤污染修复的作用及影响机理

生物修复是一种经济环保的土壤修复技术。根系分泌物是利用生物修复污染土壤过程中的关键物质,也是植物与土壤微生物进行物质交换和信息传递的重要载体,在植物响应污染物胁迫中扮演重要角色。研究植物根系分泌物对土壤污染修复的作用和影响机理,是深入理解植物和微生物环境适应机制的重要途径,对促进生物修复污染土壤有重要指导意义。从污染物胁迫对根系分泌物的影响、根系分泌物对土壤污染物环境行为的影响、根系分泌物在调控污染土壤中根际微生物群落结构和多样性中发挥的作用等几个方面综述了根系分泌物对土壤污染修复的影响及内在机制。研究结果表明,根系分泌物在降低重金属对植物的毒性、加速有机污染物降解等方面有非常重要的作用。根系分泌物对土壤微生物的丰度和多样性均有显著影响,其与根际微生物互作在土壤污染物的消减中发挥了重要的调控作用。在此基础上,提出了以往研究中的不足,并对污染物胁迫下根系分泌物未来研究的方向和趋势进行了展望。     

植物根系分泌物的生态效应

根系分泌物是在一定的生长条件下 ,活的且未被扰动的根系释放到根际环境中的有机物质的总称 ,在植物主动适应和抵御不良环境中具有重要作用 :(1)通过化感作用影响根际微生物和周围其它植物的生长 ,并进一步改善植物的生态环境 (生物因素 ) ;(2 )通过对土壤中矿质元素的溶解、螯合作用、迁移和活化等作用 ,不仅在营养缺乏的情况下提高矿质营养元素的有效性 ,而且在面临重金属胁迫时能降低根际中金属污染物的活性 ,减少植物对金属的吸收。根系分泌物在植物与环境的相互作用中起着传递信息的作用     

Root exudates and their ecological consequences in forest ecosystems: Problems and perspective北大核心CSCD

Researches on rhizosphere ecological processes and the underlying mechanisms have become one of the most active and sensitive hotspots in soil science. Root exudates have specialized roles in mediating the nutrient cycling and signal transduction within root-soil-microbe interactions. They are the key driving factors in regulating the functions of rhizosphere micro-ecosystem, and serve as a major premise for the concept and ecological processes in rhizosphere. However, due to the instinctive advantages of crops, such as short life cycles and convenient operation, most previous studies on root exudation mainly focused on agricultural ecosystems and were primarily targeted at providing practical guidelines. In contrast, there have been relatively few investigations on root exudates of trees, which highly limited the comprehensive knowledge of the potential mechanisms of root exudates in mediating soil biogeochemical processes in forest ecosystems. Hence, in this review, based on the main findings in our previous studies and the emerging frontiers in rhizosphere ecology, we specifically reviewed the ecological consequences and key remaining challenges in researches on root exudation in forests. Finally, we identify several topics and research outlooks for guiding future work to facilitate studies on root exudation and its ecological consequences in forest ecosystems. © Chinese Journal of Plant Ecology     

植物根系分泌物在污染及沙化土壤修复中的应用现状与前景

近年来重金属污染等生态环境问题日益受到重视,而物理、化学修复方法存在的诸如成本高、二次污染等问题,使得利用植物、微生物等进行联合治理成为环境修复的重要手段。植物根系分泌物作为植物与土壤进行营养和信息交流的重要媒介,不但对植物的生长具有重要作用,其在污染及沙化土壤修复中作用的研究也得以广泛开展。本文对根系分泌物的组成、分泌机制进行了阐述,并对其在植物吸收重金属、化感作用、植物根系与根际微生物互作、改变土壤理化性质等过程中的作用及机理进行了总结。此外,本文还对利用根系分泌物和根际微生物在生态环境治理中的应用现状、面临的难题及未来的发展等进行了讨论。希望本文可为基于植物与微生物进行的环境修复技术的实际应用提供理论支撑。     

The role of root exudates and allelochemicals in the rhizosphere

Plant roots serve a multitude of functions in the plant including anchorage, provision of nutrients and water, and production of exudates with growth regulatory properties. The root–soil interface, or rhizosphere, is the site of greatest activity within the soil matrix. Within this matrix, roots affect soil structure, aeration and biological activity as they are the major source of organic inputs into the rhizosphere, and are also responsible for depletion of large supplies of inorganic compounds. Roots are very complicated morphologically and physiologically, and their metabolites are often released in large quantities into the soil rhizosphere from living root hairs or fibrous root systems. Root exudates containing root-specific metabolites have critical ecological impacts on soil macro and microbiota as well as on the whole plant itself. Through the exudation of a wide variety of compounds, roots impact the soil microbial community in their immediate vicinity, influence resistance to pests, support beneficial symbioses, alter the chemical and physical properties of the soil, and inhibit the growth of competing plant species. In this review, we outline recent research on root exudation and the role of allelochemicals in the rhizosphere by studying the case of three plants that have been shown to produce allelopathic root exudates: black walnut, wheat and sorghum     

Impact of fertilizer type and rate on carbon and nitrogen pools in a sandy Cambisol

Diversity, structure and productivity of above-ground compartment of terrestrial ecosystems have been generally considered as the main drivers of the relationships between diversity and ecosystem functioning. More recently it has been suggested that plant population dynamics may be linked with the development of the below-ground community. The biologically active soil zone where root-root and root-microbe communications occur is named “Rhizosphere” where root exudates play active roles in regulating rhizosphere interactions. Root exudation can regulate the soil microbial community, withstand herbivory, facilitate beneficial symbioses, modify the chemical and physical soil properties and inhibit the growth of competing plant species. In this review, we explore the current knowledge assessing the importance of root exudates in plant interactions, in communications between parasitic plants and their hosts and how some soil microbial components could regulate plant species coexistence and change relationships between plants. This review will be focussed on several well documented biological processes regulating plant-plant communications such as exotic plant species invasions, negative root-root communication (allelopathy) and parasitic plant / host plant interactions and how some soil microbial components can interfere with signal traffic between roots. The reported data show that the overall effect of one plant to another results from multiple interacting mechanisms where soil microbiota can be considered as a key component.