王秋紅 ，周建朝 ，王孝純 ，宋柏權(quán) ，鄧艷紅

（1.黑龍江大學(xué)農(nóng)作物研究院/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所，哈爾濱150080；2.黑龍江省普通高等學(xué)校甜菜遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150080）

根際是指植物根系周圍1～4 mm的微域，它是植物－土壤－微生物共同作用的區(qū)域，是土壤中的水分、營養(yǎng)物質(zhì)等進(jìn)入植物體內(nèi)必經(jīng)的區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域中，在微生物參與下完成了植物和土壤之間的生物和化學(xué)等生態(tài)過程[1]。而這不僅決定著植物生長(zhǎng)所需營養(yǎng)物質(zhì)的有效供給及供給數(shù)量，還影響著植物養(yǎng)分的可利用性和作物的生產(chǎn)力[2－3]，并見證了植物根系、根系分泌物、土壤及微生物之間發(fā)生的復(fù)雜的相互作用。

甜菜（Beta vulgaris）是主要的糖料作物之一，廣泛栽種于我國干旱、半干旱的北溫帶地區(qū)，主要集中在新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江和甘肅等省區(qū)。成熟甜菜的根系發(fā)達(dá)龐大，分布廣泛，入土深度可達(dá)3 m左右，為所有中耕作物之最[4]。這樣的根系條件決定了甜菜的根系分泌物數(shù)量和種類上均具有特異性。研究表明，甜菜的根系分泌物的主要成分為糖、有機(jī)酸和氨基酸[5]，因此對(duì)根際微生物種群的結(jié)構(gòu)與分布也會(huì)產(chǎn)生影響，細(xì)菌以變形桿菌（Proteobacteria）和浮霉?fàn)罹≒lanctomycetes）為主[6]，真菌主要以交鏈孢菌（Alternaria ssp.）、Pythium ssp.和Afternaria ssp.的數(shù)量和種類影響最顯著[7]。由于根際微生物，特別是對(duì)植物有益的根際微生物[8]，可以通過多種途徑，如有機(jī)質(zhì)礦化、土傳致病菌的生物防治、生物固氮、磷鉀鋅的增容及促進(jìn)根系生長(zhǎng)等，將其定殖在根際，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育，提高養(yǎng)分利用效率，最終達(dá)到提高植物生產(chǎn)力和產(chǎn)量的效果。因此，從這些現(xiàn)象背后的分子機(jī)制、所涉及的信號(hào)傳導(dǎo)等方面入手，深入研究甜菜根際微生物從個(gè)體或群落水平調(diào)控植物的生長(zhǎng)發(fā)育、營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用等過程將具有重要意義。

1 根際土壤微生物的多樣性

土壤微生物的多樣性[9]指的是土壤生態(tài)系統(tǒng)中所有微生物的基因、物種、種群和群落，以及這些微生物與環(huán)境之間相互作用的多樣化程度。因此，對(duì)土壤微生物多樣性的研究主要集中在土壤微生物的物種多樣性、遺傳多樣性、結(jié)構(gòu)多樣性及功能多樣性4個(gè)方面。

從物種上看，土壤微生物包括細(xì)菌、真菌、古菌、病毒、原生動(dòng)物和顯微藻類等[9]。因成土環(huán)境及土層深度的不同，其種類和數(shù)量也有所差異。從數(shù)量上看，土壤中細(xì)菌的數(shù)量最大，放線菌其次，其他依次為真菌、藻類、原生動(dòng)物等。在整個(gè)根際生態(tài)系統(tǒng)中，土壤微生物在營養(yǎng)物質(zhì)代謝、植物殘?bào)w降解、腐殖質(zhì)形成等過程中均起到了重要的作用[10]。大多數(shù)土壤微生物的生存并不依賴于植物，但是在植物根系分泌物、脫落物（主要包括碳水化合物、蛋白質(zhì)和維生素等物質(zhì)）的誘導(dǎo)作用下，使其從周圍環(huán)境富集于根際土壤中[11]。許多根際微生物與植物之間存在較為密切的聯(lián)系。如根瘤菌、菌根真菌等是和植物共生的，還有能夠?qū)е轮参锷〉耐羵鞑≡雀H微生物的存在，使得根際生態(tài)系統(tǒng)成為對(duì)環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)影響顯著的體系。

與非根際微生物相比，由于植物根系分泌物、脫落物的特異性，使得根際微生物的多樣性較為單一，而且微生物種群間的比例也具有特異性[12]。例如，在根際中，多為革蘭氏陰性菌，屬于異養(yǎng)型微生物。另外，根際微生物的種類也與土壤中有機(jī)物的組成特征密切相關(guān)。例如，森林土壤存在分解纖維素的真菌；含動(dòng)植物殘?bào)w多的土壤中氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌較多；在油田污染的土壤中存在著以碳?xì)浠衔餅樘荚吹奈⑸颷13－14]。

由于土壤中的營養(yǎng)物質(zhì)及水分等的空間分布存在差異，會(huì)導(dǎo)致根際微生物群落結(jié)構(gòu)存在時(shí)空差異。在根表面和其周圍土壤中由根面向外延伸，數(shù)量上高于原土體，呈梯度變化[15]。在根際的小范圍內(nèi)，微生物群落結(jié)構(gòu)主要受植物代謝活動(dòng)的調(diào)控，微生物群落的活性則主要受土壤性質(zhì)（比如氧化還原特征、通氣性、養(yǎng)分水分含量等條件）的影響。根際內(nèi)細(xì)菌、真菌分布數(shù)量均大于在非根際土壤中的分布數(shù)量[16]。

2 根際微生物與植物生長(zhǎng)之間的相互作用

植物地上部和根系構(gòu)成一個(gè)有機(jī)整體，地上部為根系的生長(zhǎng)提供光合產(chǎn)物，根系為地上部生長(zhǎng)提供從土壤中獲取的水分和礦質(zhì)營養(yǎng)。植物冠根間的物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞機(jī)制是根際調(diào)控的主要研究?jī)?nèi)容之一。

植物－微生物之間的相互作用影響著微生物的群落變化，同時(shí)也影響著植物群落的變化。生育時(shí)期不同，植物根系的活力、分泌物的組成和數(shù)量均有很大區(qū)別[17－18]。根際土壤微生物數(shù)量和種類的不同變化影響著作物根系的生長(zhǎng)發(fā)育，再生季稻根際土壤微生物對(duì)碳源利用程度和碳源代謝多樣性可導(dǎo)致其再生季根際土壤養(yǎng)分有效性和根系活性增強(qiáng)[19]。對(duì)600多株擬南芥的非根際土壤、根際和根內(nèi)3個(gè)部位的細(xì)菌16Sr RNA進(jìn)行測(cè)序，研究其根系微生物群落結(jié)構(gòu)的空間分布，發(fā)現(xiàn)根際與內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)主要取決于土壤的類型；發(fā)育時(shí)期和基因型間的差異在一定程度上可對(duì)根際和內(nèi)生菌起到調(diào)節(jié)作用。與非根際土壤中的內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)相比較，擬南芥根際土壤主要為放線菌和變形菌，多樣性顯著下降，其中內(nèi)生變形菌為非特異性的腐生細(xì)菌，多出現(xiàn)于植物的根系細(xì)胞壁表面；相反，內(nèi)生放線菌與根系活細(xì)胞有非常密切的關(guān)系[20－21]。

植物的類型及品種、根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)量等均可對(duì)其根際微生物產(chǎn)生影響。對(duì)玉米根際微生物活性和群落結(jié)構(gòu)的研究[22]發(fā)現(xiàn)，不同基因型的玉米在形態(tài)學(xué)上的差異會(huì)導(dǎo)致根際微生物結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生差異。還發(fā)現(xiàn)大豆基因型和生長(zhǎng)期也是影響其根際細(xì)菌種群結(jié)構(gòu)的主要因素[23]，特別是大豆花期對(duì)根際微生物的影響顯著高于其它生長(zhǎng)期。此外，Bulgarelli等[24]總結(jié)了植物根系微生物區(qū)系的形成機(jī)理，并提出了兩步選擇模型（two－step selection model）。在這個(gè)模型中，土壤作為根際微生物最初的資源庫，決定根際和內(nèi)生菌群落的基本結(jié)構(gòu)；第一次選擇過程中，植物根系碳沉積和細(xì)胞壁將誘導(dǎo)有機(jī)營養(yǎng)菌在根際的生長(zhǎng)，導(dǎo)致根際微生物群落結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化；第二次選擇過程中，宿主植物基因型將進(jìn)一步調(diào)整根面和內(nèi)生菌的生長(zhǎng)過程，形成植物所特有的根系核心微生物區(qū)系。另外，某些玉米種子中的內(nèi)生菌能夠在根際土壤中定殖[25]，能夠?qū)⒛承┨囟ㄎ⑸飩鬟f給下一代。這種遺傳效應(yīng)對(duì)自然界中植物－微生物相互作用的進(jìn)化發(fā)展有著非常重要的意義。

3 致病致毒根際微生物對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

導(dǎo)致植物致病的根際微生物也是當(dāng)前科研工作者關(guān)注的問題之一。研究表明，自生固氮菌A.tumefaciens通過向植物細(xì)胞輸入攜帶致瘤因子的DNA片段，從而導(dǎo)致植物患根癌病。此外，多種變形細(xì)菌可以通過細(xì)菌TypeⅢ分泌系統(tǒng)（TTSS）向植物細(xì)胞質(zhì)膜傳送致病蛋白[26]。另外，根際微生物中的硝化細(xì)菌還可能會(huì)受到根系分泌物的抑制。Subbarao等研究發(fā)現(xiàn)臂形草（Brachiaria humidicola）的根分泌物可以抑制亞硝化單胞菌氨氧化過程中的氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶。在牧草中這種抑制作用比較普通，作物中只在花生和高粱中曾檢測(cè)到[27]。此外，受植物本身的誘導(dǎo)，有些微生物還能產(chǎn)生植物毒素，如在植物蘋果酸、檸檬酸和奎寧的誘導(dǎo)下，冠菌素能引起黃萎病[28]。

4 甜菜的根系形態(tài)及其根際微生物的初步研究

據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院甜菜研究所的試驗(yàn)，甜菜的根系在縱向可達(dá)2.5 m以上，橫向分布半徑在80 cm左右。在一般的耕作栽培條件下，分布在0～20 cm土層中的根量占根系總量的79%，分布在20～40 cm土層中的根量占7.9%，即甜菜的根系主要分布在0～50 cm的土層中。觀察甜菜根系分布的縱剖面，還可將其分為3個(gè)根群[4]。第一根群分布在0～10 cm土層，根的先端纖細(xì)。第二根群分布在10～30 cm土層，形成較多的側(cè)根和分支根。這兩個(gè)根群的根以主根為中心，分布密集，是吸收養(yǎng)分和水分的主要區(qū)域。第三根群是在心土層部位分布的根系，這一根群主要由支根及次生根組成，呈垂直方向伸展，橫向分布范圍較小。

甜菜的根系不僅起到固定植株、支撐地上部進(jìn)行正常生長(zhǎng)和代謝活動(dòng)的作用，而且是甜菜在整個(gè)生長(zhǎng)期中吸收和輸送土壤水分和營養(yǎng)物質(zhì)，并進(jìn)行一定物質(zhì)合成的最主要器官。根系發(fā)育狀況同甜菜的生長(zhǎng)發(fā)育、塊根的增長(zhǎng)和糖分積累密切相關(guān)，盡早形成龐大的根系，就可保證向地上部供應(yīng)充足的水分和養(yǎng)分，促進(jìn)營養(yǎng)器官的旺盛生長(zhǎng)，獲得較高的產(chǎn)量和含糖率[29]。

甜菜根系分泌物為根際的微生態(tài)環(huán)境提供了能源，在一定程度上改變了微生物根際環(huán)境的生態(tài)分布。雖然目前已有分析甜菜相關(guān)細(xì)菌群落的研究[6－7，30－31]，但仍局限在物種的多樣性方面，關(guān)于現(xiàn)有甜菜栽培品種及其野生近緣種的微生物遺傳、結(jié)構(gòu)及其功能方面的深入研究甚少。國內(nèi)的研究則更局限于土壤微生物群落動(dòng)態(tài)變化方面，如，甜菜發(fā)育初期，根際土壤中細(xì)菌、放線菌及真菌數(shù)量變化不顯著[32]；發(fā)育中期土壤中的微生物數(shù)量相對(duì)增多，以細(xì)菌為主（其中芽孢細(xì)菌數(shù)量較多），其次為放線菌,還有霉菌等；發(fā)育后期根際微生物的數(shù)量有下降趨勢(shì)[33]。另外，一定的鹽脅迫可促進(jìn)甜菜根際微生物增長(zhǎng)，隨著時(shí)間的增加，各處理的細(xì)菌數(shù)量先增加后降低，真菌數(shù)量逐漸減少，放線菌數(shù)量逐漸增加，微生物總數(shù)量變化趨勢(shì)與細(xì)菌一致[34]。增加對(duì)甜菜根腐病病原菌具有頡頏作用的相關(guān)細(xì)菌群落的數(shù)量，可顯著抑制根腐病的發(fā)生，增加甜菜塊根的總產(chǎn)量[35]。外施土壤調(diào)節(jié)劑[36]及改良劑[37]均可顯著改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)，最終達(dá)到甜菜增產(chǎn)的目的。上述研究結(jié)果初步反映了甜菜根際土壤的微生態(tài)變化，為進(jìn)一步研究甜菜的根際效應(yīng)提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

5 甜菜根際微生物研究展望

目前對(duì)甜菜根際微生物的研究尚不完善，其土壤微生物多樣性空間分布模式并不十分明確，根據(jù)甜菜根系的特異性，接下來的研究應(yīng)更多關(guān)注甜菜根際微生物對(duì)其根系的識(shí)別侵染過程及信息傳遞機(jī)制，病原微生物的影響及抗病性等方面；以及對(duì)根際養(yǎng)分有效性、對(duì)生產(chǎn)生長(zhǎng)的影響等方面，進(jìn)一步深入闡明甜菜根際微生物與根系互作機(jī)制。具體要著重關(guān)注以下幾個(gè)方面：（1）利用高通量二三代測(cè)序技術(shù)、宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白質(zhì)組學(xué)的試驗(yàn)技術(shù)及方法，包括最新的基于免培養(yǎng)的現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)技術(shù)等，開展甜菜根際土壤微生物功能多樣性的深入研究。（2）微生物侵染對(duì)甜菜根系發(fā)育及其生理功能的作用機(jī)制；（3）甜菜根際微生物不同類群間相互作用關(guān)系及各類群間的協(xié)同變化及其驅(qū)動(dòng)機(jī)制，為探討甜菜對(duì)根際養(yǎng)分高效吸收利用的作用機(jī)制提供依據(jù)。