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。     

Advances and perspective in research on plant-soil-microbe interactions mediated by root exudates

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。     

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。     

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。     

植物根系对根际微环境扰动机制研究进展

根际微环境是构建植物与土壤交流沟通的桥梁,也是植物遭受胁迫时优先作出响应的区域。植物根系作为根际的主要调控者,根构型和根系分泌物种类、数量的改变均可对根际微生物和土壤动物种群分布及其结构造成影响。然而,土壤动物的扰动、微生物的分解作用也可改善根际土壤特性,提高植物抗逆性及养分利用效率,从而促进植物根系生长。可见,植物根系-根际动物-根际微生物之间存在复杂的互作关系。本文从根际内、外微环境出发,分析了根际外植物根系对微环境的物理和化学扰动、根际内植物根系与微生物的互作扰动、根际内植物根系和土壤动物的物理扰动、以植物根系分泌物为介质的化学扰动等方面研究进展,在此基础上,论述了根际微环境主要影响因子之间的互作机制,并对该领域的研究方向进行了展望。     

植物修复石油烃污染土壤的机制

根据石油烃污染土壤植物修复的应用和研究现状,对近年来国内外植物修复机制进行阐述与探讨。植物首先通过根系直接吸收石油烃,并利用自身的新陈代谢或植物内生菌的协作将其去除。石油烃一旦被根系吸收,植物就会通过木质化作用将其储存在组织中,或通过植物挥发或植物降解将其转化成一些低毒的中间代谢产物或CO_2和H2O;而植物内生菌与植物降解、植物修复以及植物保护密切相关。其次,根际分泌物和根际微生物在石油烃污染土壤根际修复方面起到重要作用。根际是受根系活动影响的一个微生态区,因而可以认为根际修复是去除土壤中石油烃的主要方式。植物根系可以向根际释放一些分泌物和酶类。其中,酶可以直接作用于石油烃,对石油烃的降解起到关键的作用;而根际分泌物可以向根际微生物提供碳源、能源或共代谢物,使根际微生物数量和活性明显高于非根际,生物降解作用增强。今后可以从根际分泌物作用的微生态过程、功能基因的寻找和构建、厌氧氧化的过程和机制、植物内生菌的作用和应用,以及利用组学手段研究植物修复机制5个方面开展工作,以期望为未来植物修复工作提供重要的科学支持。     

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...     

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。     

根系分泌物及其在植物修复中的作用

 近年来环境污染日益严重,污染物在土壤植物中的行为引起了人们的高度关注。利用植物去除土壤水体等介质中污染物的植物修复是近10年来兴起的一项安全、廉价的技术,已成为污染生态学和环境生态学的研究热点,它通过植物吸收、根滤、稳定、挥发等方式清除环境中的重金属和有机污染物。国内外有关植物修复的研究报道和概述很多, 但对植物根系分泌物在植物修复中所起的作用及其机理少有述评。 本文从根系分泌物对土壤重金属和土壤有机污染物的去除作用出发,对根系分泌物的种类、数量及其在去除环境污染物中的作用机理和功能地位进行了总结,并借助研究事例对影响植物根系分泌的内外因子,如植物种类、营养胁迫、重金属胁迫、根际环境的理化性质、土壤微生物及其它环境因子进行了讨论。概言之,根系分泌物在修复污染土壤中的重金属途径是多种多样的,主要是通过调节根际pH值、与重金属形成螯合物、络合反应、沉淀、提高土壤微生物数量和活性来改变重金属在根际中的存在形态以及提高重金属的生物有效性,从而减轻它对环境的危害。在清除有机污染物时,根系分泌物中的酶可以对有机污染物进行直接降解,根系分泌物影响下的微生物也可以对有机污染物进行间接降解,且被认为是主要的降解途径。根系分泌物在植物修复过程中确实起着某些重要作用,今后应将这方面的研究重点放在某些特异性根系分泌物植物,尤其是某些重金属超富集植物资源的寻找、筛选上,通过室内实验和野外研究确定其根系分泌物对清除重金属和有机污染物的效率,证实超富集植物根系分泌物的特异性与污染物超富集的内在联系,找到污染土壤生态恢复和治理的有效方法并加以推广应用,如针对性地在被污染地大面积种植此类具特异性根分泌物植物,并辅以营林措施如修剪等,加快生物修复进程,提高修复效率。植物根系分泌物在植物修复过程中所具有的重要生态意义和可能应用前景,为污染生态学和化学生态学之间的联合研究开拓了全新的领域,今后将取得新的突破和重要进展。     

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。     

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     

植物根际微生物群落构建的研究进展

植物根际是指植物根系与土壤的交界面,是根系自身生命活动和代谢对土壤影响最直接、最强烈的区域,其物理、化学和生物性质不同于土体土壤。在这个区域里,与植物发生相互作用的大量微生物,被称为根际微生物。根际微生物在植物的生长发育和植物病虫害的生物防治等方面都具有十分重要的意义。本文总结了根际微生物群落构建的研究现状,介绍了根际微生物的经典和最新的研究方法,包括根箱法、同位素技术以及高通量测序、菌群定量分析、高通量分离培养等方法在根际微生物研究中的应用,讨论了植物根系分泌物(碳水化物、氨基酸、黄酮类、酚类、激素及其信号物质)和土壤物理化学性质对根际微生物群落的影响,概述了根际微生物-植物的互作机制,以及根际微生物群落对植物的促生作用、提高植物抗逆性和抑制作用,并对根际微生物群落研究中存在的问题和未来发展方向进行了展望。     

Effects of genetically modified starch metabolism in potato plants on photosynthate fluxes into the rhizosphere and on microbial degraders of root exudates

A high percentage of photosynthetically assimilated carbon is released into soil via root exudates, which are acknowledged as the most important factor for the development of microbial rhizosphere communities. As quality and quantity of root exudates are dependent on plant genotype, the genetic engineering of plants might also influence carbon partitioning within the plant and thus microbial rhizosphere community structure. In this study, the carbon allocation patterns within the plant-rhizosphere system of a genetically modified amylopectin-accumulating potato line (Solanum tuberosum L.) were linked to microbial degraders of root exudates under greenhouse conditions, using (13)C-CO(2) pulse-chase labelling in combination with phospholipid fatty acid (PLFA) analysis. In addition, GM plants were compared with the parental cultivar as well as a second potato cultivar obtained by classical breeding. Rhizosphere samples were obtained during young leaf developmental and flowering stages. (13)C allocation in aboveground plant biomass, water-extractable organic carbon, microbial biomass carbon and PLFA as well as the microbial community structure in the rhizosphere varied significantly between the natural potato cultivars. However, no differences between the GM line and its parental cultivar were observed. Besides the considerable impact of plant cultivar, the plant developmental stage affected carbon partitioning via the plant into the rhizosphere and, subsequently, microbial communities involved in the transformation of root exudates.     

根系分泌物研究方法(综述)

根系分泌物是植物与土壤进行物质、能量与信息交流的重要载体物质.研究根系分泌物的种类、数量对了解植物与土壤及根际微生物相互作用机理具有重要指导意义,根系分泌物研究方法的选择对研究结果有重要的影响.本文着重讨论根系分泌物收集、分离纯化及鉴定的常用方法,并列举特定根系分泌物的研究方法,旨在为根系分泌物的研究提供借鉴和参考.