根系分泌物

根系分泌物
摘要：综合论述了根系分泌物的种类、收集方法及影响分泌物的因素。

提出了根系分泌物与土壤腐殖质的关系是今后根际生态的研究重点。

关键词：根系分泌物根际
植物在生长过程中，一方面从生长介质中摄取养分和水分，另一方面也向生长介质(土壤、营养液等)中溢泌或分泌质子、离子和大量的有机物质[1]。

高等植物的根分泌作用是引人注目的一种现象。

关于根系分泌物的研究始于20世纪(1904年)德国微生物学家Hilten所提的根际概念，此后人们对根系分泌物的研究逐渐展开，并在近一二十年成为世界的研究热点[2]。

Roberts[3]发现，植物根毛能够分泌部分物质，从而改变根毛表面性状。

Lyon和Wilson[4]证实生长于无菌水溶液中的植物能够释放有机物。

Krasilnikov[5]观察到根分泌物与促进植物生长的固氮菌有互利关系。

Rovira[6]和West[7]发现植物根能够分泌糖类、氨基酸、有机酸和酚类物质，并影响植物生长，使根分泌物同根际关系的理论和实践更趋成熟。

我国对根分泌物也有较多的研究。

如20世纪60年代黄维南[8]的工作证明，植物根系的分泌是一种积极的生理现象，是根系所具有的生理功能。

他们用无菌培养法研究植物根系分泌氨基酸时发现，番茄、哈密瓜和苜宿幼苗的根系都能分泌一系列氨基酸。

同时他们还证实植物根系分泌物中有大量的生长物质，其中主要是生长素。

Zhang FS(张福锁)[9] 发现缺铁小麦和大麦有分泌高铁载体的现象，这不仅肯定了高铁载体在禾本科植物适应缺铁胁迫中有作用，同时在植物适应缺锌等一类胁迫中也有作用。

根分泌物是指那些健康完整的活体植物根系由根组织向土壤中释放的化学物质[10]。

广义的根分泌物包括活性的植物根组织直接释放及衰老组织或植物残根分解的产物;狭义的概念指根细胞代谢产物。

根分泌物具有各种各样的功能，如通过生物合成所固定碳的5%～21%是通过根分泌物转移到根际的[11]。

1．根系分泌物的种类
根系分泌物是植物根系释放到周围环境中的各种物质，它是生物间相生相克关系不可缺少的成分。

根系分泌物的产生是通过代谢途径和非代谢途径。

代谢途径包括初生代谢和次生代谢。

根系分泌物的种类繁多，数量各异，不仅有糖、有机酸和氨基酸等初生代谢物，还有酚类等次生代谢物，更有一些不知名的代谢物。

（1）早期人们的研究主要集中在糖和氨基酸上。

在所研究的糖中果糖和葡萄糖是最普遍的。

在植物的根系分泌物中，至少已有10种糖、25种氨基酸得到鉴定。

（2）根系分泌物中的有机酸大部分是三羧酸循环的中间体，对根际pH、根际微生物的活力影响很大。

有机酸是一类很好的金属螯合物，它们在营养元素的吸收和运输中起重要作用。

棕榈酸、硬脂酸、油酸和亚油酸已在菜豆和花生的根分泌物中发现。

此外，在花生的根分泌物中，还发现有胆固醇、菜豆固醇、豆甾醇和谷甾醇等化合物。

（3）根系分泌物中的生长因子主要是维生素物质。

早在1939年，West就发现亚麻根分泌物中生物素Vb的存在。

在苜蓿、白三叶草、菜豆、番茄和豌豆等的根分泌物
中发现大量的生物素。

（4）根系分泌物中存在大量的酶，如转化酶、磷酸酶、蛋白酶、淀粉酶、RNA 酶和DNA 酶等，它们对修饰土壤起一定的作用。

如番茄根释放磷酸酶，玉米根释放水解酶。

（5）根中还有许多其它庞杂的、鉴定出和未鉴定出的化合物。

其中有氢氰酸和皂角苷等。

这说明分泌物和根际中含有抑制微生物生长的物质，当然更多的是起促进作用。

总之，根系分泌物种类很多，并且它们都与土壤有着密切的联系。

2．根系分泌物的收集方法
根系分泌物的收集方法有3种：一是溶液收集法，即种子消毒后催芽，将无菌幼苗移至蒸馏水或营养液中，种植一段时间后分析营养液的组成，确定根释放何物。

二是砂培收集法，将植物种植在固体培养基上(如石英砂等)，用标准色谱或生化程序分析根和基质中的冲洗物或滤出物。

一般来说，由于根生长入基质时的机械阻力，其分泌作用常较营养液中旺盛。

三是土培收集法，将植物种植在土壤或其它固体基质上，其气生部分暴露在含有标记放射性同位素中，一定时间后检测基质滤出物中根释放的各种放射性物质，可确定其组成[12]。

在这3种收集方法中，溶液收集法比较容易，但是植物在溶液中生长和真实生长环境有较大的差异，收集的分泌物是否与真实情况相符难以定论；砂培条件下，植物生长比溶液培养的好，根系分泌物的量较多，但是植物根系生长受到石英砂的阻力较大，根系分泌作用是否受到影响还不清楚。

土培收集法最能反映植株在土壤中的分泌情况，但是分泌物易受微生物的分解。

下面就此3种方法分别加以说明。

2.1溶液收集法用此方法首先要培育幼苗。

种子和基质经消毒、灭菌后，将吸涨的种子放在基质上发芽，待种子萌发2～3d后转入灭菌的稀营养液中生长1d，然后放到正常营养液中生长。

小苗生长一段时间后进行缺素处理，在出现潜在症状时收集根分泌物，加入微生物抑制剂以防止微生物分解根分泌物，收集的根分泌物一般需要过滤，除去残根、杂物。

通常情况下，营养液中盐分含量很高，用常规脱盐方法很繁琐，且会影响实验效果，因此在收集根分泌物时，一般不直接用营养液而是用蒸馏水收集。

具体做法是：当幼苗出现潜在症状时，在第二天上午，用蒸馏水清洗根部3～5次，然后用滤纸吸干根表面水分，把根放入蒸馏水中收集数小时后，向根分泌物中加入微生物抑制剂，再将苗放回原来的营养液中。

收集的根系分泌物经过滤除去杂质后，直接进行浓缩或放入冰箱(4℃)中保存。

此法比较容易，但是否能真实反映植株在土壤中的分泌情况还需进一步研究[13]。

2．2 砂培收集法先取颗粒大小相同的石英砂，经2 mol/L HCI浸泡48h后，用自来水冲洗至中性，再用蒸馏水淘洗数次。

将催过芽的种子排在石英砂上，生长到一定阶段后，用蒸馏水洗砂，再浓缩过滤即为根系分泌物。

在砂培条件下，植物的通气状况较好，生长时不需要支撑物，根在此条件下生长状况比水培的好。

在相同条件下，砂培的根系分泌物量比水培的多，这是由
于根在生长过程中受到机械阻力较大造成。

但砂培条件下，洗砂和淘砂比较麻烦，而且石英砂容易生长青苔，会对整个培育系统造成污染[14]。

2．3 土培收集法土培条件下收集根系分泌物比营养液麻烦，根系分泌物的原位收集检测更是困难。

传统的方法是：植物生长到一定阶段时，直接取根际土壤样品，加人少量杀菌剂，用浸提剂振荡提取，过滤离心后的上层悬浮液就是根系分泌物[12]。

张福锁等[15]用改进了的土壤培养收集法，即将琼脂固定定位收集与交换配位和专一性阳离子交换树脂收集结合起来，分离和纯化根分泌物。

Award[16]用透析袋法研究根分泌物对土壤养分的活化能力，以交换复合体活化代替透析袋法效果更好。

也有人用滤纸或纤维素薄膜放置在根的周围，一段时间后，取出滤纸和纤维素膜，再用浸提液对纤维素膜或滤纸多次浸提所要的根系分泌物，也能收到效果。

但这些方法操作步骤繁琐，取样时间长。

如用微管针头在根表抽滤，虽然取样迅速，但容易伤根，而且多受土壤中根空间分布不均的影响。

近年来发展起来的根染色、指示剂放射自显影、X一射线和核磁共振等技术，都在原位收集根系分泌物方法上有了不同程度的改进[17]。

3．影响根系分泌物的因素
3．1 植物种类及发育阶段
根系分泌物的种类和数量与植物生态型和基因型差异有关。

如烟草属植物与玉米相比，根系分泌物的C／N、糖、氨基酸比率存在很大差异。

豆科植物与其他植物相比，豆科植物根系分泌物中的脂肪酸较常见Tyler和Strom(1995)对1O个喜酸、1O个喜钙植物根系分泌物的低分子有机酸的种类和数量进行比较，发现喜钙植物分泌的二羧酸和三羧酸的量明显高于喜酸植物，其中柠檬酸的分泌量高出喜酸植物一个数量级，喜钙植物二羧酸分泌量是喜酸植物的4—5倍，而喜酸植物所分泌的乳酸则是喜钙植物的3倍多。

不同基因型植物根系分泌物种类和数量也不同。

如大麦和小麦在相同的栽培条件下根系分泌物中糖含量有很大的差异，大麦根系分泌的半乳糖比小麦高3倍，小麦根系分泌的鼠李糖确是大麦的2倍多。

同一植物不同发育阶段根系分泌物的种类和数量也有较大的差异。

3．2 环境因素对根系分泌物的影响
3．2．1 根际环境的理化性质
根系自身的生长发育受根际微生态环境的影响，因此根系分泌物的产物是受根际环境所制约。

当根际处于逆境胁迫下，如干旱、涝害、酸害以及介质颗粒的性质变化等均可导致植物生理代谢障碍或植物组织损伤，从而引起根系分泌产物的变化。

白菜在水分胁迫下分泌更多的有机碳，其中氨基酸是对照的4倍，胆固醇和极性脂类增多。

Elroy[18]试验无菌条件下，豌豆、大豆、小麦与番茄在沙土或沙壤土上生长，使土壤水分达萎蔫点后再灌水，结果根系释放氨基酸较正常条件为高。

成田三郎证明土壤水分含量与土壤质地有关，在萎蔫条件下，可导致氨基酸平衡的破坏，使之向植物体外溢出或扩散。

另有研究表明在高盐浓度时，大麦根系分泌物中的游离氨基酸含量明显增多。

Ayers等观察在O 、CO的混合气体中植株分泌的效应，结果在CO丰富的条件下分泌作用加强，分泌物中的氨基酸种类和数量皆高于有氧条件。

Hale等证明CO浓度
超过1 9/5时，根系将受到伤害或抑制。

除上述因素对根系分泌物有影响外，光、温、土壤有机质、土壤微生物区系也对根分泌物有一定的影响。

植物根系分泌物数量在逆境条件下，一般都明显增多。

3．2．2 营养元素胁迫
营养物质的丰缺直接影响植物根系分泌物的质和量。

苜蓿在缺磷胁迫下根系分泌的有机酸有柠檬酸、苹果酸和丁二酸，其中柠檬酸的分泌量是正常供磷时的2倍[19]。

油菜在缺磷条件下，根分泌物中含大量的苹果酸和柠檬酸。

我国南方酸性土壤上的肥田萝卜在缺磷条件下，酒石酸的分泌量比不缺磷条件下增加近1O倍[20]。

生长在石灰性土壤上的白羽扇豆，缺磷胁迫下形成特殊的排根并于排根处分泌大量的柠檬酸，其释放量可达干物重的15～23 L。

范晓晖等(1991)实验证明水稻、小麦根系H十的分泌与供磷水平有关，小麦缺磷时根际H分泌量为正常的153%左右，水稻缺磷时比正常供应的H分泌量高22～35L。

植物缺锌时，根溢泌出大量的无机离子和低分子有机化合物如氨基酸、碳水化合物和酚类化合物。

缺铁、缺铜会导致氨基酸、有机酸、酚类分泌量增加[21]。

植物缺铁时将加强根系质子的分泌，且在根尖积累有机酸和有机物质，尤以酚类化合物为多。

对禾本科植物来说，缺铁将诱导体内合成非蛋白组分的氨基酸，是麦根酸类植物高铁载体，或脱氧麦根酸类高铁载体。

3．3 根际微生物的影响
根系分泌物中的碳水化合物、氨基酸、维生素等物质，为根际微生物的生长繁殖提供了所需的能源，并影响根际环境微生物种类和数量的分布。

土壤微生物分泌的产物，对根系分泌既有刺激也有一定的抑制作用。

根际环境中存在病原微生物时，根系受病原菌的浸染，其所释放的分泌物较未受病原菌感染的数量为大，且产生某些特殊的分泌化合物。

有的实验表明，受线虫浸染的植株，其木质部的溶液和根分泌物中总氨基酸和总糖含量增多，有利于镰刀菌萎蔫病的发生。

另外，一些线虫在根系上的活动与摩擦使幼根特别是根尖破损，而后线虫在幼根上寄生，还可能诱发某些真菌病害蔓延。

植物根系在这种受抑制条件下，所产生的根系分泌物数量极少微生物对根系分泌作用的影响可能有4个方面：1)影响根细胞渗透性；2)影响根的代谢活动；
3)对根分泌的某些化合物吸收转化；改变根际营养物质对植物的有效性。

4．结束语
根系分泌物是植物与外界进行物质交流的重要媒介，也是构成植物不同根际微生态特征的最根本原因。

研究根系分泌物对于明确和协调植物和环境之间的关系有很大的理论和实践意义。

除上述研究方向外，根系分泌物的研究还存在很多薄弱环节。

在正常情况下，植物根系分泌物可达到光合固定碳的20%左右，当发生营养胁迫时可高达30%以上。

除对营养逆境的调节，作为微生物活动能源并产生异种克生作用外，可观的根系泌物在土壤某一生物化学过程停留时间，具体的去向一直未引起人们的足够重视。

特别是根系分泌物与土壤碳素平衡的关系及腐殖质的关系值得研究，这主要是由于根系分泌物数量相当可观，根系分泌中的酚类、氨基酸可
作为腐殖合成的原料。

所以根系分泌物同残茬、落叶一样很可能起到更新土壤腐殖质的作用[22]。

总之，根系分泌物与植物营养自调，以及与土壤微生物的关系，特别是与固氮微生物的关系仍然是两个研究热点。

而根系分泌物与环境污染的关系，根系分泌物在土壤中的去向，以及与土壤腐殖质的关系将成为生态学家和土壤学家研究的新热点。

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