根际分泌是植物与土壤环境交流和改变土壤环境的机制, 是在特定环境下, 植物根系通过不同部位将所分泌的物质释放到根际环境的总称^[15]。在根毛区和根冠部位根际分泌物的渗出率非常高, 其中植物通过光合所固定的物质有30%通过分泌的方式进入根际^[16]。同时, 植物根际分泌物的定性和定量组成由植物品种、种类、植物发育阶段和各种环境因素决定, 包括土壤类型、pH、温度和微生物等。因此, 根际分泌物的数量和质量不仅与植物种类和植株的生长年限有关, 而且与外部环境有密切联系。根际分泌物主要为水、离子、各种酶、粘液以及各种代谢物组成, 以低分子量和高分子量有机化合物的形式释放, 包括糖, 有机酸, 酚类, 氨基酸, 类黄酮, 脂肪酸, 萜类化合物, 生物碱, 生长调节剂, 酶和其他次级代谢产物^[9]。所有这些化合物的释放都将会引起根际中物理、化学以及微生物特性的改变, 对适应外部环境的变化、改变微生物群落结构、调节植物对养分利用、螯合养分元素和金属元素等都具有重要作用, 是植物调控根际微生态功能不可缺失的关键节点。

根际分泌物是介导植物-土壤-微生物间互作的核心因子, 同时也是调控根际微环境养分平衡、吸收利用和运转的重要媒介^[17]。前期学者从不同植物[番茄(Lycopersicon esculentum)、油菜(Brassica napus)、玉米(Zea mays)、紫花苜蓿(Medicago sativa)、油松(Pinus tabuliformis)等]角度进行研究和验证、总结和归纳了根际分泌物的种类和潜在功能作用。主要包括:1)信号功能。根际分泌物在维持植物与微生物物种间具有重要作用, 能够调控根际微生物种群和数量, 从而调节植物与微生物之间的根际对话。例如, 土壤中丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是维持植物健康生长的重要真菌, 但其生长主要靠根际内充当信号分子的分泌物独脚金内酯来介导^[18]。植物根系所分泌的黄酮类化合物是参与植物和根瘤菌(Rhizobium)之间信号传导的关键化合物, 它们引发了植物根系的氮固定^[19]。2)养分库。植物通过光合作用将大约30%左右的物质通过根际分泌物释放到根际微环境中, 植物根系通过向土壤分泌大量有机物, 产生根际碳沉积现象, 为根际微生物提供主要的碳源和能源物质, 因此根际分泌物能够作为根际土壤的养分库, 为植物提供可被直接吸收的养分。例如, 根际微生物中粘球菌属(Myxococcus)用过同化作用, 实现植物根系与根际土壤间的碳、氮循环^[20]。根际碳沉积可以通过相关根际微生物加速土壤有机质的矿化, 从而使根际过程产生正效应, 促进根际土壤养分的可利用性^[21]。3)防御保护功能。植物可以通过根部释放的分泌物直接或间接的参与微生物抵抗各种因素的胁迫和干扰, 同时微生物这些的选择由根分泌物中存在的各种有机酸来驱动。例如, 番茄所分泌的物质中, 大多数以有机酸的形式存在, 而这些有机酸能够提高假单胞菌(Pseudomons adaceae)的活性, 使其抵抗根际某些病原微生物, 从而提高植物的抗病能力^[22]。当土壤被某些重金属物质污染后, 植物根系通过分泌大量的物质将土壤中的金属物质通过络合、螯合以及沉淀作用, 降低金属物质的有效性, 减少植物对金属物质的吸收, 从而减轻重金属对植物造成的伤害^[23]。4)调控土壤化学特性。土壤环境的差异会改变根际分泌物的种类和数量, 分泌物的组成物质大多是有机酸, 因此, 可以影响土壤pH值发生变化。同时, 根际分泌物同样会使土壤团聚体的分布、稳定性、亲水性发生改变。例如, 土壤中有效磷含量很少时, 植物将会分泌一定种类和数量能够活化土壤磷的有机酸, 从而提高根际土壤有效磷含量^[24]。

根际分泌物在参与养分循环过程中主要有以下几种方式(图1)。第一、通过根际分泌物介导根际微生物刺激土壤有机质的分解, 从而加速氮素循环。氮是草地生态系统中植物生长的主要限制元素, 而草地土壤中大多数限制性元素多数被土壤有机质锁定, 植物需要通过根际过程分解和解聚有机质, 这一过程主要是植物根系所释放的分泌物通过螯合特性或者刺激微生物的活性来提高植物对养分的可利用性。同时, 植物根系周围CO₂浓度高低能够调节根际土壤微生物群落的结构和功能, 达到调控植物对土壤养分的吸收和利用, 这是根际启动效应刺激土壤有机质分解和加速氮循环的重要机制。例如解释草地生态系统中CO₂浓度的高低对植物氮获取的研究^[25]。第二、植物通过根际碳沉积过程, 加速对土壤有机质矿化来提高养分的循环。植物通过根系释放分泌物形成碳沉积, 之后通过根际微生物提高土壤有机质的矿化进程, 影响根际土壤中养分元素的溶解和吸附, 最终完成根际过程中的碳氮循环, 增加植物对养分的吸收。例如, 高寒草甸地区高强度的放牧策略降低土壤养分碳和氮的转化, 适度放牧提高了土壤养分碳和氮的有效性^[26]。第三、根际分泌物通过根际化学作用活化土壤中难溶性的养分元素, 从而调控根际的有效养分。土壤中全磷的含量较多, 但可被植物吸收的有效磷含量很少, 植物根际分泌物通过介导酸碱反应(pH)、氧化还原反应(redox reactions, Eh)和配合反应驱动有机酸阴离子的释放和H⁺的释放, 引起根际氧化还原电位和pH值的改变, 从而将土壤中难溶性的磷活化为可被利用的磷, 使土壤的磷有效性发生变化, 推动根际中磷素的循环^{[27, 28]}。因此, 根际化学过程改变根际养分的有效性, 而根际养分的变化会反馈调节根系的分泌能力, 进而影响对根际养分的吸收能力。例如, 草原一般位于高海拔和寒冷的地区, 同时草原土壤中氧化还原反应(Eh)的变化主要与根际分泌物有直接关系, 草原植物根系通过释放一定类型的分泌物降低根际微生物的活性, 使根际周围的氧化还原电位下降, 从而提高某些养分的有效性^[29]。由此可见, 草原植物的根际分泌物对养分循环具有重要作用。

图1

Fig.1

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	图1 草地根际微生态过程与养分循环机制模式图Fig.1 Grassland rhizosphere microecological process and nutrient cycling mechanism model diagram

根际酶是由动植物残体、根际微生物及不同生物分泌释放于根际微环境中的具有催化能力的活性物质, 是土壤中活性最高的有机部分, 是根际过程的主要参与者, 受到植物根际分泌物、土壤环境因子和根际微生物群落等因素的共同支配, 是土壤对植物代谢需求和有效养分的直接表达, 也是土壤环境质量监控的重要指标^[30]。在根际微环境中, 植物根系和根际微生物所产生的酶能够改变根际中养分的可用性, 例如C、N、P、S等养分物质的水解, 以及根际酶活性的高低可被解释为土壤根际微生物多样性的丰富和贫瘠^[31]。

植物根际微环境中酶主要由两大类组成:一种是由细胞胞质溶胶结合细胞碎片, 为土壤中微生物提供碳、氮等营养物质的胞内酶; 另一种是由植物根系或者根际微生物分泌到根周围环境中, 存在于根际土壤溶液和植物根系表面的胞外酶, 带有特定目的^[30]。例如, 参与碳、氮、磷等养分循环转化的水解酶, 保护植物正常生长的氧化还原酶, 参与植物木质素、酚类和腐殖酸等降解的水解酶和氧化还原酶。酶的类型根据其催化反应可分为水解酶、氧化还原酶、裂合酶和转移酶。在草地生态系统中根际酶有两种, 一种是水解酶类, 例如, 参与碳循环的水解酶(内切纤维素酶、纤维二糖水解酶和β -葡萄糖苷酶)、参与氮循环的水解酶(脲酶、蛋白酶、β -1, 4-乙酰-葡糖胺糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶)以及参与磷循环的水解酶磷酸酶等; 一种是氧化还原酶类, 例如, 脱氢酶、过氧化物酶、过氧化氢酶和多酚氧化酶等。根际酶中参与养分转化的类型, 其结构和结合的特定化学形式不同, 例如, 根际酶中参与碳循环的主要形式是脂肪族、多糖和芳香族^[32]; 参与氮循环的主要形式是酰胺(可以使肽键或非肽键)^[33]; 参与磷循环的主要形式是单酯或双酯^[34]。同时, 在草地根际微生态的研究中发现, 根际酶的产生方式有以下几个途径:1)植物根部产生的蛋白质通过分泌物向外排出的酶; 2)植物根际微环境中植物-土壤通过根际化学过程产生和积累的酶; 3)根际过程中根际微生物代谢产生的酶^{[35, 36]}。由于根际酶的功能具有多样性和复杂性, 因此, 需要做更深入的研究。

近些年根际土壤酶是研究的热点问题。由于根际胞外酶在介导土壤养分有机质分解和转化方面具有潜在作用, 从而具有影响生物地球化学循环的重要功能(图1)。据研究发现, 根际胞外酶几乎具有靶向地球上所有复杂的聚合物的功能, 包括蛋白质、碳水化合物、氨基糖聚合物、有机酸盐类物质和木质素等^[30]。同时, 根际胞外酶的合成受环境底物的可用性、根际微生物群落和微生物生长要求等因素影响^[33]。根际酶是土壤中有机物质分解的关键限速步骤, 它的产生能够影响根际微生态中养分的循环和矿化, 调控土壤有机质的分解和土壤理化性质等, 从而对土壤养分和健康起到重要作用。这是根际酶参与调控土壤养分循环重要的机制。

在草地生态系统中, 研究发现C、N和P等参与养分循环的根际酶能够提供对微生物群落、土壤营养物资源的反应和不同养分元素的权重率^[30]。例如, Cenini^[37]在研究格陵兰草地生态系统中发现, 草地管理的变化显著影响根际胞外酶的活性, 这反过来影响土壤中C、N和P的含量。Makoi等^[38]发现, 草地的不同管理方式(围封、放牧、刈割等)对根际分泌物释放的胞外酶非常重要, 能够催化复杂的有机化合物并分解成可溶性底物, 从而介导土壤中的碳和养分循环以及有机质分解和周转。马源等^[4]在对高寒草甸退化和放牧下土壤养分的研究中发现, 草地退化程度加剧和放牧压力过大均会导致草地植物根系周围参与C、N和P等养分循环的胞外酶活性显著降低, 影响草地土壤中养分的有效性。Dornbush^[39]研究发现, 禾草种类和凋落物的相互作用显著影响土壤β -葡萄糖苷酶, N-乙酰-β 氨基葡萄糖苷酶活性和酸性磷酸酶活性。Rao等^[40]在菌根定殖植物的根际土壤中发现植物根部的磷酸酶和植物的磷营养之间存在严格的相关性。因此, 只有了解草地植物的根际过程中根际酶的运行机理和功能, 才能对维护草地健康、恢复退化草地以及保护生态环境提供有力的依据。

根际土壤中栖息着包括放线菌、真菌、细菌、原生动物、藻类等多种微生物, 他们之间形成了一套复杂的交互网络, 参与根际微环境中的能量转化和营养物质的循环过程^{[41, 42]}, 这些根际微生物通过驱动土壤中碳、氮、磷等养分循环, 对植物的健康、营养和生产力具有重要作用, 因此又被称为植物的第二套基因组^[43]。由于根际微生物是植物生产力和健康的决定因素, 因此根际微生物是地球生物化学循环的核心参与者和主要驱动者。根际微生物生长代谢过程中的养分和能量物质主要受到植物根部释放的光合产物和分泌物影响, 并且与植物种类、数量、生长周期和健康状况有直接关系^[44]。例如, 植物光合产物甲醇和异戊二烯, 以及由植物根际分泌物释放形成的根际沉积等, 均是根际微生物碳和能量的潜在来源^[45]。

在根际微环境中包含多种微生物形式, 特别是真菌和细菌这两个类群。大量研究表明, 真菌和细菌微生物群体参与重要的根际过程, 这主要是由于根际微生物种类繁多和功能多样。而根际微生物的种类和功能的多样主要受到以下几个方面因素的影响。一、通过植物根系分泌的多种抗微生物化合物(酚类, 萜类和生物碱、糖基化皂苷和活性氧物质), 调控土壤中微生物种群的结构。例如, 黄瓜(Cucumis sativus)产生自毒素对香豆酸, 当其释放到根际时, 改变了细菌群落并增加了病原真菌的数量^[46]。燕麦(Avena spp.)和禾本科植物通过根系释放广泛抗真菌的三萜皂苷和抗卵菌, 从而保护植物免受根际病原体的侵害^[47]。因此, 植物根部释放的抗微生物剂, 取决于它们的作用机制, 被认为是根际微生物组结构的关键决定因素。二、根际微生物可以通过产生或降解激素或操纵信号级来调节或抑制植物免疫系统, 维持植物健康生长。例如, 通过水杨酸信号激活植物产生系统获得性抗性和茉莉酸甲酯激活植物产生诱导的系统性抗性, 从而在根际产生芽孢杆菌, 淀粉芽孢杆菌和赖氨酸芽孢杆菌等微生物的富集效应^[48], 以及促进养分循环和幼苗生长的植物根际促生菌(plant growth promoting rhizobacteria, PGPR)和真菌, 例如, 固氮细菌被认为是PGPR重要的组成成员, 能够将大气中的氮气固定成可被植物所吸收的NH4+形式; 菌根真菌能够将土壤中的氮转移到植物根部, 被植物吸收和利用^[49]。三、植物根际微环境中的化学过程对微生物的多样性和功能产生影响。研究发现, 大多数根际微生物对pH值的适应区间较窄, 植物根系由于外界环境的影响, 导致根际产生酸化现象, 将会导致植物根际的微生物群落发生显著变化。例如, 细菌一般倾向于具有中性或碱性的pH最佳值, 而真菌更倾向于具有酸性的pH最佳值^[50]。最后, 根际土壤环境中碳、氮、磷, 以及其他营养元素含量的高低对根际微生物的丰富性和多样性有重要影响。例如, 某些特定的根际微生物在介导养分循环的过程中发挥了重要作用, 包括与非共生固氮相关的过程, 以及那些负责增加土壤中磷酸盐和其他营养物质的过程^[51]。因此, 了解在这个根际微环境中维持和产生微生物多样性的机制是预测未来草地生态系统对土壤养分变化的反应的关键。

根际微生物具体指生活在植物根际周围, 并被植物根际分泌物所影响的一群微生物。在草地生态系统中, 作为重要分解者的微生物, 具有调节土壤养分转化、循环和供应的能力。处于根际微环境中的根际微生物在养分循环和植物生长中具有同样的作用(图1)。研究指出, 根际微生物对土壤养分碳、氮、磷及其他养分元素的活化起到驱动和调控的作用^[52]。根际微生物通过特定的分子或信号调节关键的养分循环过程, 主要包括共生固氮过程、非共生固氮过程、增加土壤中磷酸盐和其他养分物质的过程。例如, 根际微生物利用有机物质和土壤化学能, 通过分解过程将不被吸收的养分物质分解为可被利用的营养元素, 并且对土壤有机质进行深加工, 形成更小的颗粒, 从而提高土壤的养分积累^[53]。即根际微生物能够通过转化有机质、分解有机氮和溶解有机磷及调控其他化学元素的活化特性, 来驱动土壤养分物质的循环, 提高土壤养分有效性, 为植物的正常生长提供保障。

草地生态系统中, 根际微生物对转化土壤中碳、氮、磷等其他元素具有重要作用。土壤中的碳是微生物群落结构和功能的重要决定因素, 而根际微生物的分解代谢均匀度可以作为土壤有机碳库中(总有机碳、微生物生物量碳和潜在的矿化碳等)微生物多样性的量度^[54]。例如, 草地退化和过度放牧对微生物的代谢均匀度具有显著相关性, 这是由于退化和过度放牧会导致植被发生演替、土壤有机碳库的消耗和根系所分泌的物质减少等, 从而导致土壤微生物多样性和微生物群落多样性的下降^[55]。反过来思考, 草地根际微生物的降低将会影响土壤有机质的分解速度, 限制了根际微生物对碳的供应。氮素是植物生长的常量元素, 也是大多数草原生态系统中植物生长和生产力的主要限制因素。根际氮素的富集和亏缺对植物生产力和微生物群落产生实质影响。Suding等^[56]通过在草原进行施氮试验发现, 土壤中的氮素得到富集并使植物生产力得到提升, 但是通过微生物宏基因组测序和植物地上生物量的调查发现, 这是以微生物群落的丰富度和多样性为代价实现的。Clark等^[57]同样指出, 即使相对较低的慢性氮富集水平也会对草原等不同环境的保护构成威胁。这就说明草原施氮在一定程度下能够促进草地土壤的养分贮存和提高生产力, 但这一过程并不能对根际微生物的促进有积极作用。磷素作为限制植物生长的关键元素, 在土壤中含量很多, 但大多数是以不溶状态存在于土壤中, 并且土壤中超过95%的磷素以植酸(肌醇六磷酸盐)的形式存在, 生物利用很差^[58]。研究指出, 土壤中AMF和根际细菌可以分泌有机物醋酸盐, 琥珀酸盐, 柠檬酸盐和葡萄糖酸盐等酸类物质, 通过降低根际pH值, 增加磷酸盐矿物质的溶解度, 提高植物对磷素的吸收利用效率^[59]。因此, 磷素也可作为根际微生物组的调节因子而存在。Beauregard等^[60]通过利用磷脂脂肪酸和变性梯度凝胶电泳技术(denaturing gradient gel electrophoresis, DGGE)等微生物多样性的研究方法, 分析了8年施磷对苜蓿单作土壤微生物多样性的影响发现, P素的应用可改变根际土壤中真菌和细菌群落的结构, 但并未影响物种的丰富度。周恒^[61]通过采用分子生物网络模型对不同海拔高寒草原土壤微生物的研究发现, 细菌中的变形菌、酸杆菌、拟杆菌在养分C、N和P的调控具有重要影响。Coolon等^[62]通过高通量测序技术研究草原燃烧等人为活动对土壤养分转化的影响发现, 土壤中N和P的富集改变土壤细菌的多样性和丰富度, 该研究对草地的维护和管理具有重要意义, 进一步强调了N和P能够作为草地生态系统中重要的营养调控因子。