陸玉芳 施衛(wèi)明

（中國(guó)科學(xué)院南京土壤研究所，南京 210008）

根際是指植物根周圍數(shù)毫米范圍內(nèi)的微域環(huán)境，是植物與土壤進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的活躍中心，在植物與植物，植物與土壤生物以及土壤環(huán)境相互作用中起著至關(guān)重要的作用。自1904年德國(guó)科學(xué)家Lorenz Hiltner提出“根際”概念以來(lái)，根際研究迄今已有100多年的時(shí)間，國(guó)內(nèi)外研究人員已在根際研究方法、根際養(yǎng)分特征、根系分泌物鑒定與調(diào)控機(jī)制等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步［1-3］。隨著近年來(lái)根際微生物組研究的蓬勃發(fā)展［4-6］，以及質(zhì)譜鑒定和組學(xué)技術(shù)的日新月異，植物與微生物之間的根際化學(xué)對(duì)話研究受到科學(xué)家的高度重視，并迅速成為植物學(xué)與生物學(xué)領(lǐng)域的研究前沿與熱點(diǎn)。根際強(qiáng)化調(diào)控需要我們明確植物-微生物之間是通過何種“語(yǔ)言”進(jìn)行對(duì)話的［7］。

幾乎所有涉及植物與相關(guān)微生物的相互作用都依賴于合適的化學(xué)信號(hào)。目前，已有很多研究明確了植物或微生物產(chǎn)生的低分子量信號(hào)物質(zhì)的主要功能，包括根際微生物組的招募、塑造和活性調(diào)控［8］；誘導(dǎo)植物免疫系統(tǒng)而抑制病原菌［6］；誘導(dǎo)細(xì)菌趨化，維持植物生長(zhǎng)，養(yǎng)分吸收利用和脅迫耐受性［9-10］；調(diào)節(jié)地下到地上的互作［11］?？梢?，根際信號(hào)物質(zhì)在植物抗病、抗逆以及養(yǎng)分吸收利用中均有重要作用，對(duì)于它們的研究將有助于提高作物產(chǎn)量，減少過量農(nóng)藥和高量氮肥使用，為環(huán)境友好的綠色農(nóng)業(yè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)［12］。然而，養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與高效利用是植物生長(zhǎng)和抵抗逆境脅迫的基礎(chǔ)，本文主要圍繞根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)在氮、磷、鐵養(yǎng)分轉(zhuǎn)化中的最新研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)概念

植物根系能釋放一系列初級(jí)代謝物（如糖類、氨基酸和有機(jī)酸）和次級(jí)代謝物（如酚類、黃酮類化合物、萜類化合物）來(lái)塑造和影響根際微生物菌群，并與其交流，最終達(dá)到吸引和促進(jìn)有益微生物，同時(shí)抵抗病原菌或有害微生物的目的。根際微生物能拓寬植物適應(yīng)環(huán)境的能力，而根際微生物的影響力主要依賴于化學(xué)分泌物，這些化學(xué)分泌物，有些是作為滿足微生物生長(zhǎng)需要的能量起作用，而有些則可能是作為信號(hào)物質(zhì)調(diào)控著根際的相互作用。除了豆科植物與根瘤菌共生，菌根真菌共生等經(jīng)典例子［13-14］，大量關(guān)于根際化學(xué)分泌物調(diào)控非共生微生物群落的信號(hào)類型與作用機(jī)制仍有待深入。在根際領(lǐng)域，通常用以下術(shù)語(yǔ)指代這方面的研究，例如“根際對(duì)話”、“根際化學(xué)通訊、“根際信號(hào)交流”、“地下相互作用”、“復(fù)雜的植物-微生物互作”等［7，15］。

植物首先會(huì)通過根際沉積物和根系分泌物影響根系周圍的微生物繁殖。這種從土著微生物中招募和塑造根際微生物群落是一種植物主動(dòng)調(diào)控的方式，涉及維持、限制或終止微生物生長(zhǎng)和活性的過程。嚴(yán)格意義上說(shuō)，化學(xué)物質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)和底物，在確定根際微生物種類中的重要作用不能被視為信號(hào)［16］。另外，根際微生物也會(huì)迅速感應(yīng)和響應(yīng)植物或微生物分泌的特定非營(yíng)養(yǎng)性化學(xué)物質(zhì)，這個(gè)過程中特定物質(zhì)將引起細(xì)胞內(nèi)一系列的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，最終導(dǎo)致基因座的轉(zhuǎn)錄，這才能定義為根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)［16-17］。這些信號(hào)物質(zhì)主要產(chǎn)生于下列生物體之間的交互作用：（1）植物-植物，（2）植物-微生物，（3）微生物-微生物（種內(nèi)和種間）。值得注意的是，一些根際化學(xué)分泌物在發(fā)揮信號(hào)功能調(diào)控基因表達(dá)的同時(shí)，也能作為碳源促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)［10，18］。當(dāng)物質(zhì)作為“信號(hào)”發(fā)揮作用時(shí)，劑量濃度一般較低，主要在納摩爾至低微摩爾水平的較低濃度范圍內(nèi)［19］。

2 根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)的類型

一系列植物源和微生物源的根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)已被鑒定（表1），從植物-植物之間的化感作用，到植物-微生物互作中豆科植物-根瘤菌共生體、菌根真菌和根際促生菌，再到微生物-微生物之間的群體感應(yīng)過程，它們?cè)诘湫偷母H信號(hào)互作過程中起到了關(guān)鍵的調(diào)控作用。按物質(zhì)類型分，可分為低分子量的糖類（如果糖、D-半乳糖）、有機(jī)酸（如蘋果酸、水楊酸）、酚類化合物（如兒茶酚、黃酮）。另外，還有一些高分子量的脂肪酸及其衍生物（如茉莉酸、芥酸酰胺、1，9-癸二醇）、萜類化合物（如獨(dú)腳金內(nèi)酯）、內(nèi)酯類化合物（如N-?；呓z酸氨內(nèi)酯、香豆素）、雜環(huán)類化合物（哌嗪二酮、喹諾酮）、多糖（如脂殼聚糖、幾丁質(zhì)）、蛋白（如鞭毛蛋白）等。這些化學(xué)物質(zhì)具有刺激植物-微生物共生、誘導(dǎo)細(xì)菌群體感應(yīng)、調(diào)控養(yǎng)分吸收轉(zhuǎn)化以及驅(qū)動(dòng)微生物組等信號(hào)功能。然而大多數(shù)情況下，僅從植物或微生物單方面解析了上述化學(xué)信號(hào)物質(zhì)的作用，對(duì)它們與互作對(duì)象之間的信號(hào)互饋關(guān)系及機(jī)制則知之甚少。

3 根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)調(diào)控土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的作用機(jī)制

3.1 氮轉(zhuǎn)化

土壤氮循環(huán)主要包括生物固氮作用、氨化作用、硝化作用、反硝化作用、厭氧氨氧化作用等過程。盡管植物不能直接固氮或進(jìn)行硝化作用，但能吸收硝態(tài)氮（NO3-）和銨態(tài)氮（NH4+），且在不同的基因型和環(huán)境中對(duì)氮形態(tài)有不同的偏好［20］。越來(lái)越多的研究表明，植物根系釋放根系分泌物來(lái)控制根際微生物群落從而催化氮的轉(zhuǎn)化［21］。多種化合物被認(rèn)為是植物與其他植物或其他類型生物之間在地下對(duì)話的“語(yǔ)言”（圖1）。本節(jié)討論調(diào)控固氮、硝化與反硝化過程的根際信號(hào)物質(zhì)類型及其作用機(jī)制。

表1 主要根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)的種類和功能

圖1 已知根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)對(duì)氮轉(zhuǎn)化過程的調(diào)控

3.1.1 固氮作用 豆科植物與根瘤菌之間的共生關(guān)系網(wǎng)絡(luò)是根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)調(diào)控氮素轉(zhuǎn)化的最經(jīng)典例子。研究者發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)豆科植物與根瘤菌交流信號(hào)物質(zhì)是植物分泌的黃酮類化合物（2-phenyl-1，4-benzopyrone derivatives），能誘導(dǎo)根瘤菌結(jié)瘤基因（nodgene）的表達(dá)［13］。這些基因隨后合成并分泌脂殼聚糖（Lipo-chitooligosaccharides，LCOs），也稱為結(jié)瘤因子（Nod factor），為宿主-微生物特異性和結(jié)節(jié)形成奠定了基礎(chǔ)［22］。宿主植物隨后通過位于根表皮細(xì)胞質(zhì)膜上的受體激酶來(lái)感知這些LCOs，激活Ca2+依賴的信號(hào)級(jí)聯(lián)反應(yīng)，從而導(dǎo)致結(jié)節(jié)形成［23］。除了黃酮類化合物與LCOs的根際信號(hào)通訊，研究人員還發(fā)現(xiàn)植物分泌的酚類化合物如香蘭醇、對(duì)羥基苯甲酸和3，4-二羥基苯甲酸等［24］，以及根瘤菌分泌的蛋白（如鞭毛蛋白）也參與了植物與根瘤菌共生體信號(hào)交流過程［25］。

豆科作物除了與微生物發(fā)生根際對(duì)話，也會(huì)與相鄰植物發(fā)生相互作用。在一項(xiàng)禾本科作物玉米與豆科作物蠶豆間作的研究中，證實(shí)玉米根系分泌物在提高豆科作物結(jié)瘤和固氮中的重要作用，這是由玉米分泌的黃酮類信號(hào)物質(zhì)激發(fā)的［26］。豆科植物感應(yīng)到玉米分泌物后，根內(nèi)染料木素（Genistein，也是豆科作物和根瘤菌對(duì)話的關(guān)鍵信號(hào)物質(zhì)）分泌量增加了近兩倍，并上調(diào)了參與黃酮類化合物合成的查爾酮黃烷酮異構(gòu)酶基因表達(dá)，以及介導(dǎo)結(jié)瘤和生長(zhǎng)素合成基因的表達(dá)［26］。這項(xiàng)研究解析了中國(guó)特色間套作系統(tǒng)中資源高效利用的根際互作機(jī)制，是植物與植物通過根系間相互作用提高土壤養(yǎng)分利用效率的典型例證。

根瘤菌與根瘤菌之間也會(huì)發(fā)生化學(xué)信號(hào)交流，N-?；呓z氨酸內(nèi)酯類化合物（N-acyl homoserine lactones，AHLs）是根瘤菌群體感應(yīng)（QS）的一類重要信號(hào)分子，在調(diào)節(jié)豆科植物-根瘤菌共生的頻率和結(jié)瘤率中發(fā)揮重要作用。Veliz-Vallejos 等［27］發(fā)現(xiàn)添加1 μmol/L苜蓿中華根瘤菌（Sinorhizobium meliloti）分泌的3-oxo-C14-HSL，能促進(jìn)豆科模式植物蒺藜苜蓿根系的根瘤數(shù)量。Palmer 等［28］通過對(duì)群體感應(yīng)信號(hào)物質(zhì)酰基高絲酸氨內(nèi)酯（AHLs）文庫(kù)的篩選，發(fā)現(xiàn)根瘤菌中含有較長(zhǎng)?；湥ǎ?12個(gè)碳）的AHLs會(huì)增加結(jié)節(jié)數(shù)量，且AHLs對(duì)結(jié)瘤的影響不依賴于內(nèi)酯環(huán)的完整性，也可能取決于酰胺酶的活性。最近在一項(xiàng)木豆的研究中，Gosai 等［29］發(fā)現(xiàn)3-O-C12-HSL和3-OH-C16-HSL能誘導(dǎo)根瘤菌鞭毛運(yùn)動(dòng)和趨化等基因表達(dá)。更重要的是，根瘤菌分泌的AHLs也會(huì)被豆科植物根系識(shí)別與響應(yīng)，激活植物體內(nèi)的響應(yīng)機(jī)制并向細(xì)菌提供反饋信息［30］。

根瘤菌等微生物產(chǎn)生的化學(xué)信號(hào)合成系統(tǒng)還能成功轉(zhuǎn)移到植物上，這種信號(hào)物質(zhì)必須具備以下條件：（1）能進(jìn)行植物基因工程；（2）引起細(xì)菌響應(yīng)；（3）分泌至根際；（4）通常不是植物產(chǎn)生的信號(hào)。一類被稱為“rhizopine”的物質(zhì)被認(rèn)為是理想的信號(hào)，早期研究就發(fā)現(xiàn)了其在植物-微生物共生與競(jìng)爭(zhēng)中的作用［31］。Geddes 等［32］最近發(fā)現(xiàn)根瘤菌產(chǎn) 生rhizopine（Scylloinosamine和3-O-methyl-scylloinosamine）的天然生物合成路徑，并通過合成生物學(xué)技術(shù)將微生物scylloinosamine的合成系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到豆科模式植物蒺藜苜蓿和谷物大麥上。Scylloinosamine能在苜蓿和大麥體內(nèi)合成，分泌至體外后能被根際細(xì)菌迅速感應(yīng)進(jìn)行化學(xué)通訊。這項(xiàng)合成信號(hào)研究提供了植物與根際微生物之間“跨界信號(hào)”的應(yīng)用案例，為小麥和玉米等非豆類作物的固氮途徑提供了重要啟示，在利用增強(qiáng)根系微生物菌群提高貧瘠土壤上作物產(chǎn)量方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1.2 硝化作用 植物根系能產(chǎn)生和分泌的抑制微生物硝化作用的物質(zhì)，被稱為生物硝化抑制劑（Biological nitrification inhibitors，BNIs）。BNIs具 有減少農(nóng)田氮素流失和提高作物氮素利用率的潛能，有望成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中化學(xué)合成硝化抑制劑的替代措施之一。迄今為止，從植物根系分泌物中分離和鑒定出5種BNIs物質(zhì)：高粱中的高粱酮（在疏水性組分中占主導(dǎo)作用的苯醌類化合物）、櫻花素（親水性黃酮類化合物）和對(duì)羥基苯丙酸甲酯（親水性苯丙酸類化合物）［33-34］；濕身臂形草中的臂形草內(nèi)酯（環(huán)狀二萜）［35］和水稻中的1，9-癸二醇（脂肪醇）［36］。BNIs很有可能作為根系特定化學(xué)信號(hào)與硝化細(xì)菌等微生物進(jìn)行交流。以水稻為例，除了受NH4+ 等環(huán)境因子誘導(dǎo)，根際硝化細(xì)菌的存在能使水稻BNIs 1，9-癸二醇的分泌量增強(qiáng)兩倍以上，但反硝化細(xì)菌卻沒有此誘導(dǎo)效應(yīng)［37］。而硝化菌是通過何種“語(yǔ)言”與水稻進(jìn)行對(duì)話，具體的信號(hào)互作機(jī)制尚不清楚。大多數(shù)BNIs能同時(shí)抑制硝化菌兩個(gè)關(guān)鍵酶氨單加氧酶（AMO）和羥胺氧化酶（HAO）的活性。而且，1，9-癸二醇和對(duì)羥基苯丙酸甲酯等BNIs物質(zhì)單獨(dú)添加至土壤后，能同時(shí)抑制氨氧化細(xì)菌（AOB）和氨氧化古菌（AOA）的豐度［38-39］，這是BNIs相比于化學(xué)合成硝化抑制劑的優(yōu)勢(shì)之一，如目前在農(nóng)牧業(yè)中普遍應(yīng)用的硝化抑制劑雙氰胺主要調(diào)控AOB。未來(lái)對(duì)于植物根內(nèi)調(diào)控BNI分泌基因，BNIs與根際微生物的信號(hào)互作機(jī)制，以及BNIs的農(nóng)業(yè)應(yīng)用途徑的研究，將有助于BNIs等根際化學(xué)信號(hào)從理論研究真正走向生產(chǎn)實(shí)踐。

此外，硝化菌之間也存在信號(hào)通訊，AHLs是硝化菌群體感應(yīng)系統(tǒng)的典型化學(xué)信號(hào)物質(zhì)。Mellbye等［40］利用UPLC-MS對(duì)氨氧化細(xì)菌（AOB）中的亞硝化螺菌屬（Nitrosospira），以及亞硝酸鹽氧化菌（NOB）中硝化桿菌屬（Nitrobacter）和硝化螺菌屬（Nitrospira）分泌的AHLs 類型進(jìn)行了調(diào)查發(fā)現(xiàn)，Nitrosospira multiformis，Nitrosospira briensis以 及Nitrobacter vulgaris，Nitrospira moscoviensis分別能產(chǎn)生C10-HSL、3-OH-C14-HSL、C10：1-HSL和 C8-HSL。Shen等［41］從維氏硝化桿菌（Nitrobacter winogradskyi）中鑒定了一種新的AHLs信號(hào)分子7，8-反-N-（癸酰基）高絲氨酸內(nèi)酯，它能增強(qiáng)亞硝酸鹽氧化還原酶NXR和硝酸鹽/亞硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NarK的活性從而促進(jìn)亞硝酸鹽轉(zhuǎn)化。但是，硝化微生物分泌的AHLs信號(hào)被植物識(shí)別與響應(yīng)的分子機(jī)制還缺乏了解。

正如上文中提到非固氮植物玉米可以促進(jìn)相鄰豆科植物結(jié)瘤和固氮，植物通過根際互作影響其它植物生長(zhǎng)不僅能表現(xiàn)在當(dāng)季作物或間套作系統(tǒng)中，也能表現(xiàn)在輪作系統(tǒng)中。Karwat 等［42］通過兩年田間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)與高 BNI 活性的牧草B. humidicola輪作后，顯著提高了后茬玉米的氮素利用率和產(chǎn)量，這主要?dú)w因于牧草特定根系分泌物或提取物在土壤中殘留的 BNI 活性。此外，與 BNI 效應(yīng)強(qiáng)的高粱輪作后，蔬菜作物的氮素利用率也能提高 6.7%，產(chǎn)量增加10.3 t/（hm2·a）［43］。上述研究指出了根系分泌物在作物輪作系統(tǒng)中的重要性，為根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的實(shí)際應(yīng)用途徑提供了新的思路。然而，具體起作用的 BNIs 物質(zhì)類型與調(diào)控機(jī)制，以及間作或輪作植物品種搭配有待進(jìn)一步探究。

3.1.3 反硝化作用 植物能產(chǎn)生和分泌有機(jī)化合物作為碳源或信號(hào)物質(zhì)調(diào)控微生物反硝化過程。但與固氮與硝化作用相比，植物源調(diào)控微生物反硝化的物質(zhì)研究相對(duì)匱乏。Lu 等［44］利用根系分泌物原位連續(xù)收集系統(tǒng)探討了水生植物浮萍-反硝化細(xì)菌的根際對(duì)話過程，發(fā)現(xiàn)非營(yíng)養(yǎng)性功能物質(zhì)芥酸酰胺與順-7-十六烯酸甲酯能促進(jìn)典型反硝化熒光假單胞菌Pseudomonas fluorescens的 活 性，并 在50 μmol/L濃度下能促進(jìn)硝酸鹽還原酶（NAR）與亞硝酸鹽還原酶（NIR）的活性，芥酸酰胺的分泌還受高NO3-濃度的誘導(dǎo)［45］。該研究首次揭示了脂肪酸酰胺類化合物和脂肪酸甲酯類化合物在調(diào)控反硝化方面的非營(yíng)養(yǎng)性信號(hào)作用。除了促進(jìn)反硝化，植物也能抑制反硝化過程。例如，Bardon等［46］首次在低氮環(huán)境生長(zhǎng)的侵入性雜草何首烏屬（Fallopiaspp.）提取物中發(fā)現(xiàn)了生物反硝化抑制劑（Biological denitrification inhibitors，BDIs）原花青素（黃酮類化合物），主要通過影響細(xì)菌細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，特異性抑制Pseudomonas brassicacearumNFM 421的硝酸鹽還原酶變構(gòu)作用［47］。植物根系分泌特定反硝化調(diào)控劑可能與BNIs 類似，是植物適應(yīng)特定氮營(yíng)養(yǎng)生境的適應(yīng)機(jī)制，未來(lái)研究有必要進(jìn)一步探討植物調(diào)控根際反硝化過程的信號(hào)機(jī)制與生態(tài)意義。

在反硝化微生物之間的互作中，細(xì)菌分泌的QS信號(hào)同樣能影響反硝化。Toyofuku 等［48］發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌（Pseudomonas aeruginosa）的反硝化作用受AHLs介導(dǎo)的群體感應(yīng)系統(tǒng)抑制，信號(hào)分子C4-HSL和3-OXO-C12-HSL調(diào)控了轉(zhuǎn)錄因子RhlR或LasR蛋白從而影響反硝化基因表達(dá)。除了AHLs信號(hào)，一個(gè)喹諾酮類物質(zhì)——2-庚基-3-羥基-4-喹諾酮被證明不依賴于調(diào)節(jié)蛋白PqsR，主要通過Fe螯合途徑抑制了P. aeruginosa的反硝化活性［49］。類似地，在一項(xiàng)反硝化脫氮副球菌（Paracoccus denitrificans）的研究中，Zhang 等［50］通過報(bào)告菌株檢測(cè)和高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)P. denitrificans群體感應(yīng)信號(hào)分子類型為C16-HSL，能與QS轉(zhuǎn)錄因子PdeR蛋白結(jié)合進(jìn)行種群內(nèi)與種群間的“通訊”，主要通過調(diào)控鐵轉(zhuǎn)運(yùn)方式，從主動(dòng)運(yùn)輸變?yōu)樽杂蓴U(kuò)散，維持細(xì)胞內(nèi)鐵濃度的穩(wěn)定，達(dá)到調(diào)控反硝化和適應(yīng)環(huán)境的目的。與硝化微生物一樣，目前反硝化微生物的QS信號(hào)研究?jī)H停留在微生物本身，QS信號(hào)物質(zhì)如何影響植物，植物又是如何反饋的有待深入。

綜上，根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)在固氮、硝化與反硝化等氮轉(zhuǎn)化過程中發(fā)揮了重要作用，然而氮轉(zhuǎn)化途徑是緊密連鎖的，大多數(shù)研究目前僅關(guān)注了信號(hào)物質(zhì)對(duì)單個(gè)過程的調(diào)控，未來(lái)研究需要評(píng)價(jià)根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)對(duì)其他氮循環(huán)過程（如厭氧氨氧化過程）以及整個(gè)根際微生物菌群的影響，并試圖闡明其內(nèi)在的因果關(guān)系。上述研究也發(fā)現(xiàn)，QS 信號(hào)物質(zhì)AHLs 能同時(shí)介導(dǎo)固氮菌、硝化菌和反硝化菌種內(nèi)的信號(hào)交流，但影響不同氮循環(huán)菌群種間交流的信號(hào)物質(zhì)類型和互作機(jī)制還缺乏研究。

3.2 磷轉(zhuǎn)化

磷是植物必需的大量元素，在維持植物生命活動(dòng)中發(fā)揮著不可替代的作用。植物自身除了調(diào)節(jié)根系形態(tài)與生理特征外，還能與叢枝菌根（Arbuscular mycorrhizal，AM）真菌等土壤微生物形成共生關(guān)系，通過微生物的幫助來(lái)活化與吸收磷。植物與AM真菌的共生關(guān)系正始于彼此間的化學(xué)信號(hào)交換。獨(dú)腳金內(nèi)酯（Strigolactones，SLs）是植物分泌的經(jīng)典信號(hào)物質(zhì)。早期研究發(fā)現(xiàn)在缺磷條件下，SLs 能促進(jìn)根寄生植物獨(dú)腳金屬（Strigaspp.）和列當(dāng)屬（Orobanchespp.）種子萌發(fā)［14］。隨后，SLs 還被證實(shí)能作為激素控制植物分枝與根構(gòu)型［51］，同時(shí)塑造作物水稻的根際微生物組［52］。2005年，日本科學(xué)家Akiyama等［14］首次從百脈根根系分泌物中分離得到5-脫氧獨(dú)腳金醇（5-deoxy-strigol），并發(fā)現(xiàn)該物質(zhì)在誘導(dǎo)真菌分枝、改變真菌生理和線粒體活性中起著重要作用。隨后，研究還發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)型角質(zhì)單體［53］與幾丁質(zhì)相關(guān)分子［54］能作為特定的植物信號(hào)刺激菌根真菌分枝。在AM真菌方面，Maillet 等［55］從菌根真菌分泌物中鑒定了菌根因子（Myc factors）——脂質(zhì)幾丁寡糖（Mycorrhizal lipochitinoligosaccharides，Myc-LCOs），它與根瘤菌分泌的結(jié)瘤因子功能相似。此外，AM分泌物能誘導(dǎo)植物根內(nèi)淀粉積累、糖代謝、磷吸收利用以及信號(hào)傳導(dǎo)等基因表達(dá)［56］。盡管SLs與Myc-LCOs在識(shí)別和共生過程中起重要作用，但目前尚未闡明信號(hào)物質(zhì)調(diào)控植物磷營(yíng)養(yǎng)的分子機(jī)制，而且植物與真菌信號(hào)受體仍然未知。

除了與植物共生，AM真菌還能與菌絲周圍伴生的解磷細(xì)菌之間進(jìn)行互作。當(dāng)菌根形成后，根際的內(nèi)涵不僅包括受根系分泌物影響的土壤區(qū)域，也包括根外菌絲延伸生長(zhǎng)的土壤區(qū)域，即“菌絲際”（Hyphosphere）。解磷細(xì)菌可以在菌根真菌的菌絲際定殖，并利用菌絲分泌物作為“碳源”促進(jìn)其生長(zhǎng)和代謝活性，活化土壤難溶性磷［57］。Zhang 等［10］進(jìn)一步利用室內(nèi)分隔培養(yǎng)皿體系，發(fā)現(xiàn)菌絲分泌物中的果糖也可作為“信號(hào)”在短時(shí)間內(nèi)刺激解磷細(xì)菌磷酸酶蛋白基因表達(dá)，加強(qiáng)有機(jī)磷的活化和吸收。最近在土壤體系下的研究發(fā)現(xiàn)，高濃度的果糖添加到玉米菌絲際后改變了土壤細(xì)菌群落組成，刺激細(xì)菌磷酸酶活性和有機(jī)磷礦化，從而提高了土壤中有機(jī)形態(tài)累積的磷的利用［58］。上述研究揭示了果糖在調(diào)控微生物磷吸收轉(zhuǎn)化中“碳源”與“信號(hào)”的雙重功能，并為通過微生物互作（真菌與細(xì)菌）強(qiáng)化菌絲際效應(yīng)來(lái)提高作物養(yǎng)分效率提供了新思路。

植物與植物之間的互作也能影響?zhàn)B分磷的吸收利用。在我國(guó)北方典型的玉米/蠶豆間作體系中，除了前面提到的玉米能促進(jìn)豆科植物固氮，蠶豆相反也能增強(qiáng)玉米對(duì)磷的吸收，這是由于蠶豆根系分泌的有機(jī)酸可以活化土壤中難溶性磷，從而促進(jìn)玉米對(duì)磷的吸收利用［59］，這一發(fā)現(xiàn)解釋了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上和玉米間作能大量增產(chǎn)的原因。在花生-木薯這一南方紅壤區(qū)重要間作系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)木薯根系能釋放氰化物信號(hào)被相鄰花生接收，釋放氣態(tài)信號(hào)物質(zhì)乙烯，乙烯能作為“信號(hào)”調(diào)控花生根際微生物組中的核心物種放線菌門Catenulisporasp.的豐度，重塑微生物的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。新構(gòu)建的微生物組能加速根際有機(jī)氮磷礦化，為花生地下部提供可利用的氮磷養(yǎng)分，從而提高了花生果實(shí)的飽滿程度和產(chǎn)量［60］。該研究推進(jìn)了植物-植物聯(lián)合根際微生物之間的根際化學(xué)信號(hào)在調(diào)控養(yǎng)分利用方面的認(rèn)識(shí)。

3.3 鐵吸收

鐵是植物生長(zhǎng)和發(fā)育的必需營(yíng)養(yǎng)元素，也是許多酶必不可少的輔助因子。盡管土壤中的總鐵含量遠(yuǎn)高于植物所需的鐵含量，但由于鐵主要以不溶性三價(jià)鐵（Fe3+）形式存在，在大多數(shù)土壤中的生物有效性較低。根系分泌物在植物在響應(yīng)缺鐵環(huán)境中具有重要作用，最典型可能就是禾本科植物分泌的麥根酸類物質(zhì)，又稱為植物鐵載體（Phytosiderophore），通過化學(xué)絡(luò)合作用，提高根際土壤鐵的有效性［61-63］，但是麥根酸類物質(zhì)并不是根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)的途徑起作用的。因此，近年來(lái)研究者開始更多關(guān)注根系分泌物中可能作為根際化學(xué)信號(hào)的物質(zhì)在鐵營(yíng)養(yǎng)中的作用。例如，Stringlis等［9］研究表明，缺鐵條件下植物根部特異性轉(zhuǎn)錄因子 MYB72 可以促進(jìn)以熒光酚類化合物香豆素（東莨菪亭）等根系分泌物的合成與分泌，且東莨菪亭能選擇性地改變植物根系的菌群群落，抑制植物病原菌尖孢鐮刀菌及黃萎病菌，但對(duì)促植物生長(zhǎng)的植物益生菌無(wú)影響［9］。Voges 等［64］隨后利用擬南芥簡(jiǎn)化合成微生物群落方法，將根系分泌的香豆素與根際細(xì)菌之間建立了機(jī)理聯(lián)系。可見，根系分泌香豆素是植物適應(yīng)缺鐵脅迫的一種有效策略。那么，根際微生物在植物缺鐵條件下的作用如何？Jin 等［65］研究發(fā)現(xiàn)缺鐵條件下，根際微生物在感應(yīng)到紅三葉草分泌的酚類化合物后，一方面分泌鐵載體（Siderophore）促進(jìn)紅三葉草對(duì)鐵的利用，另外還能產(chǎn)生生長(zhǎng)素類物質(zhì)，提高三價(jià)鐵還原能力。因此，植物源酚類化合物和微生物源鐵載體等可能是根際對(duì)話的關(guān)鍵化學(xué)信號(hào)。

此外，鐵載體也介導(dǎo)了根際菌群之間競(jìng)爭(zhēng)核心稀缺資源鐵的信號(hào)途徑。Butaite 等［66］在土壤和淡水環(huán)境中篩選了300多種假單胞菌菌株，通過菌群互作實(shí)驗(yàn)證實(shí)了熒光鐵載體（Pyoverdine）能調(diào)控自然假單胞菌屬之間對(duì)鐵的螯合和競(jìng)爭(zhēng)力，驅(qū)動(dòng)細(xì)菌菌群之間的共進(jìn)化與多樣性。在單一菌群互作基礎(chǔ)上，Gu等［67］研究證明鐵載體也是根際細(xì)菌與病原菌之間爭(zhēng)奪根際鐵素的工具，決定了根際細(xì)菌與青枯菌的鐵素競(jìng)爭(zhēng)力和作物健康。分泌抑制型鐵載體的根際細(xì)菌通常能抑制體外和自然土壤中病原菌，保護(hù)番茄植物免受感染；相反，具有促進(jìn)型鐵載體的根際細(xì)菌通常在競(jìng)爭(zhēng)中處于劣勢(shì)，并促進(jìn)病原體對(duì)植物的感染。由于鐵載體是一類結(jié)構(gòu)不同的化學(xué)信號(hào)，每類鐵載體都依賴于其相容的受體來(lái)進(jìn)行鐵吸收，而抑制病原菌的根際微生物組會(huì)產(chǎn)生病原菌無(wú)法利用的鐵載體。這項(xiàng)鐵載體的研究為利用根際有益菌解決土傳青枯病問題、開拓植物健康的“靶向療法”提供了新思路。

除了鐵載體，微生物分泌的其他特定信號(hào)可能會(huì)發(fā)揮類似的作用。例如，許多細(xì)菌能分泌小分子的AHLs信號(hào)分子，與鐵載體一樣，AHLs化學(xué)結(jié)構(gòu)多樣并存在于多個(gè)微生物物種中。因此，鐵載體介導(dǎo)的復(fù)雜微生物菌群互作機(jī)制很可能也適用于基于AHLs的通信系統(tǒng)，值得探索。盡管上述研究從微生物-微生物菌群互作水平上建立了根際微生物組對(duì)鐵競(jìng)爭(zhēng)與植物保護(hù)之間的因果關(guān)系，但主要是通過大規(guī)模的表型分析獲得的，未來(lái)需要進(jìn)一步研究鐵載體調(diào)控根際微生物菌群互作的分子機(jī)制。

3.4 其他

植物通過在根系招募大量種屬特異的微生物，進(jìn)化出了強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力，這些微生物參與了植物養(yǎng)分吸收和抵抗脅迫等重要生理過程。植物-根際微生物組之間的信號(hào)互作不僅影響土壤養(yǎng)分的利用，還在植物生長(zhǎng)和土壤健康方面發(fā)揮重要作用。Lebeis等［8］通過比較擬南芥野生型和突變體的根際細(xì)菌群落組成，首次將植物免疫系統(tǒng)激素信號(hào)水楊酸與根特定的微生物組關(guān)聯(lián)起來(lái)。而且，水楊酸對(duì)根際微生物組發(fā)揮了不同的作用，能提高一些有益微生物豐度，并降低一些病原菌的豐度。除了激素信號(hào)，Huang 等［68］發(fā)現(xiàn)植物特異代謝物三萜類化合物在組裝和調(diào)控根際微生物方面的重要作用。在鑒定擬南芥三種不同根系三萜類化合物（擬南芥寧素、擬南芥寧基中鏈脂肪酸酯和擬南芥啶素）的生物合成途徑基礎(chǔ)上，分離培養(yǎng)了自然土壤生長(zhǎng)擬南芥根際細(xì)菌的資源庫(kù)，并在體外測(cè)試了純化的三萜類化合物（或混合物）對(duì)擬南芥根系分離的19個(gè)分類多樣菌株生長(zhǎng)活性的影響，發(fā)現(xiàn)三萜類化合物能直接調(diào)控特異的根系細(xì)菌種類，如促進(jìn)Arthrobactersp. 和抑制Arenimonassp.，該調(diào)節(jié)作用與擬南芥野生型和三萜突變體根中不同菌種的相對(duì)豐度差異相關(guān)。這為利用植物激素或天然產(chǎn)物作為潛在信號(hào)促進(jìn)根系益生菌在綠色農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

此外，根際微生物組能系統(tǒng)地誘導(dǎo)根系代謝物分泌（SIREM）。Korenblum 等［11］通過水培分根實(shí)驗(yàn)，將番茄一半根系置于富含自然土壤微生物的收集液中，而另一半則在無(wú)菌條件下培育，發(fā)現(xiàn)“局部”番茄根際微生物組可以誘導(dǎo)復(fù)雜的根-根信號(hào)，從而介導(dǎo)“系統(tǒng)”根內(nèi)代謝物和根系分泌物的產(chǎn)生。例如，芽孢桿菌（Bacillales）可以利用SIREM過程觸發(fā)整個(gè)根系中酰基糖的分泌，而假單胞菌（Pseudomonadales）可誘導(dǎo)根分泌阿魏酸己糖。葉和根代謝組和轉(zhuǎn)錄組的結(jié)果表明，糖基化壬二酸是一種潛在的微生物組誘導(dǎo)的植物源信號(hào)物質(zhì)，隨后將以游離壬二酸形式滲出，該信號(hào)在根局部產(chǎn)生后，可能會(huì)到達(dá)地上部葉片，隨后下降至另外一端根部，最終介導(dǎo)根際相互作用。該研究系統(tǒng)全面地揭示了根際微生物組局部定殖后植物整個(gè)根系統(tǒng)代謝物的變化，微生物重新編程的SIREM可能會(huì)影響植物生長(zhǎng)與土壤健康。以上研究挖掘了一些潛在的根際信號(hào)物質(zhì)類型與功能，明確了它們?cè)谟绊懼参锷L(zhǎng)方面的潛力，然而它們與養(yǎng)分轉(zhuǎn)化之間的聯(lián)系還有待深入。

4 總結(jié)與展望

根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)對(duì)于養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與高效利用具有重要作用。本文主要從植物-植物，植物-微生物，微生物-微生物之間的交互作用，討論了調(diào)控氮、磷、鐵養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)類型與調(diào)控機(jī)制。除了共生微生物與植物信號(hào)交流，根際定殖的非共生微生物（如假單胞菌屬、芽孢桿菌屬）也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。一些根際化學(xué)分泌物同時(shí)發(fā)揮著“信號(hào)”與“營(yíng)養(yǎng)”的雙重功能，通過塑造特定根際微生物組，調(diào)控養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與植物生長(zhǎng)；微生物分泌的QS 信號(hào)物質(zhì) AHLs 還能介導(dǎo)多種養(yǎng)分轉(zhuǎn)化過程。大量未知的根際信號(hào)物質(zhì)類型與已知信號(hào)物質(zhì)的調(diào)控機(jī)理有待深入。

圖2 根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)在土壤生態(tài)系統(tǒng)不同生物體之間調(diào)控養(yǎng)分高效利用示意圖

未來(lái)植物與根際微生物在根-土-微生物互作過程中發(fā)生的信號(hào)共享可能成為許多研究的主題，不僅局限于單一方向的信號(hào)調(diào)控，將拓展到雙向通信，再延伸到不同生物體之間的跨界信號(hào)互饋（圖2）。對(duì)于植物和微生物分泌物及其調(diào)控基因的檢測(cè)與鑒定，將有助于我們理解根際信號(hào)的調(diào)控途徑與網(wǎng)絡(luò)。最新在化學(xué)檢測(cè)方面的進(jìn)展將大大加強(qiáng)這些研究，特別是氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS），液相色譜-質(zhì)譜（LC-MS）等。這些技術(shù)采用無(wú)目標(biāo)的定性和定量技術(shù)可以對(duì)根系分泌物或微生物分泌物進(jìn)行大規(guī)模的分析，稱為代謝組學(xué)。如果聯(lián)合養(yǎng)分吸收利用差異的品種與其他生物特性（如 BNI 活性），以及活性組分極性分離技術(shù)，將更好地確定影響?zhàn)B分轉(zhuǎn)化的根際化學(xué)信號(hào)類型，還能與全基因組關(guān)聯(lián)分析與轉(zhuǎn)錄組學(xué)結(jié)合，試圖揭示參與根際信號(hào)物質(zhì)合成與分泌的植物基因。此外，宏基因組測(cè)序是解析微生物群落組成的強(qiáng)大工具，隨著微生物高通量篩選和重組菌群體系新技術(shù)的應(yīng)用［5］，已將發(fā)現(xiàn)關(guān)聯(lián)性的目標(biāo)成功推進(jìn)到建立菌群與植物養(yǎng)分利用等表型之間的因果關(guān)系，為根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)調(diào)控微生物組的機(jī)制研究提供了前所未有的機(jī)遇。然后，可以將其與宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏蛋白組學(xué)結(jié)合，有望洞悉根際信號(hào)調(diào)控的特定基因位點(diǎn)和蛋白靶點(diǎn)。這些方法的集成將產(chǎn)生大量的信息，為全面揭示根際化學(xué)信號(hào)物質(zhì)的調(diào)控養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的分子機(jī)制奠定基礎(chǔ)，未來(lái)的挑戰(zhàn)將是獨(dú)特的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以及對(duì)組學(xué)數(shù)據(jù)的合理驗(yàn)證。

迄今為止，大量的研究已經(jīng)確立了根際微生物組在養(yǎng)分利用與植物生長(zhǎng)中的重要性，并且植物能夠控制根際微生物組的組成，以選擇特定的微生物功能。最近一項(xiàng)研究確定了水稻氮轉(zhuǎn)運(yùn)和感知基因NRT1.1B是影響秈稻根際富集細(xì)菌組成的驅(qū)動(dòng)因素之一［69］，而根際化學(xué)信號(hào)的研究似乎是溝通植物基因與根際微生物之間聯(lián)系的橋梁（圖2），能為養(yǎng)分高效利用開辟新的途徑，更好地提高農(nóng)作物生產(chǎn)力并減少農(nóng)用化學(xué)品的使用。在未來(lái)農(nóng)業(yè)應(yīng)用中，一方面可以通過基因工程方法改變根際信號(hào)物質(zhì)的植物代謝或分泌途徑，將其作為調(diào)控根際微生物成員以有利于植物養(yǎng)分高效利用的一種方式［68］；另一方面，特定的根際信號(hào)物質(zhì)也可以直接作為化學(xué)指示物，促進(jìn)植物生長(zhǎng)或有益根際微生物組，提高養(yǎng)分利用。通過設(shè)計(jì)這些解決方案，能有助于豐富有益根際微生物組，從而提高植物養(yǎng)分吸收利用，以及對(duì)生物和非生物脅迫的抗性，實(shí)現(xiàn)綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。