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根系分泌物是指某些植物在其生长发育过程通过根系向根际环境释放的有机化合物总称[13]。在1795年时PLENK首次发现植物根系在其生活史内能不断的向根际土壤释放一些化学物质。在19世纪初科学家HARTMANN等[14]曾提出根际定义促进了植物根系分泌物的研究发展,而且他也曾指出根际土壤存在的理化性质差异是由这些根系分泌物质的性质所引起[15]。在20世纪50年代,ROVIRA等[16]对根土界面根系分泌物做了系统研究,在这之后现代仪器分析技术行业迅速崛起,尤其是高效液相色谱和气相色谱的研发和普及,各大实验室都具备了系统性研究根系分泌物的能力[17]。在最近几年里,在环境科学、植物营养学、土壤学等领域对植物根系分泌物展开广泛性地研究,使得植物根系分泌物成为各国科研人员研究热点[18]。
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在学术界,科学家们对于植物根系分泌物分类依据一直有不同的见解。第1种分类方法根据分泌物来源来划分(表 1),包括渗出物、脱落物与分解物、黏胶质和分泌物[13]。第2种为广大学者所接受的分类方法,是根据分泌物的不同性质和分子量大小来划分(表 1),其中包括大分子量有机化合物和小分子有机化合物[19]。其中小分子有机化合物主要包括有机酸、氨基酸以及可溶性糖类,它们具备相当强的络合、鳌合能力;另外大分子量有机化合物,主要指凝胶类物质,包括胞外酶等。它们是一种吸附性强、黏性强以及有润湿作用的大分子有机物质[20]。这2种分类依据从学术性上面来说不存在哪种方法更准确之说,而需要根据我们实验的具体需求来选择,甚至有些科研项目需要同时使用这2个分类方法。
表 1 根系分泌物的种类及特点
Table 1. Types and characteristics of root exudates
分类 种类 特点 1 分泌物 在植物细胞新陈代谢过程中根系细胞主动分泌到外界的有机物质 黏胶质 根冠细胞、植物细胞中未形成次生壁的那些表皮细胞和根毛部位释放出来的黏胶状物质 脱落物与分解物 从死亡或者破裂的细胞向外界释放的有机物质 渗出物 细胞主动扩散出来的一类低分子量的化合物 2 小分子量有机化合物 有机酸、各种氨基酸以及可溶性糖类 大分子量有机化合物 主要是指凝胶类物质,包括胞外酶等 -
根据研究资料统计,植物根系不同部位向土壤环境中释放的根系分泌物种类有200多种[21]。其中有包括糖类、有机酸、酶、生长素和氨基酸等(表 2)。其中根系分泌的有机酸可以影响土壤中有毒金属形态。可溶性糖、有机酸和氨基酸是目前研究较多的根系分泌物组分。在重金属胁迫条件下,植物一般能够分泌出大量低分子量有机酸,如柠檬酸、苹果酸、草酸等[22]。如铅胁迫下秋茄树Kandelia obovata分泌的有机酸主要是草酸[23]。在铝胁迫条件下不同植物分泌的有机酸种类有草酸(荞麦Fagopyrum esculentum),苹果酸(麦Triticum aestivum,油菜Brassica campestris)和柠檬酸(油菜)等[24]。这些有机化合物可以活化土壤中难溶态重金属化合物,继而促进超级累植物对其吸收富集作用[25-26]。
表 2 根系分泌物分泌的有机质组分
Table 2. Organic components of root exudates
有机物类别 各类有机物的组成 糖类 葡萄糖,果糖,半乳糖,核糖,木糖,蔗糖,阿拉伯糖,棉籽糖,多糖,麦芽糖 有机酸 酒石酸,草酸,乙酸,丙二酸,马来酸,苹果酸,乙醛酸,延胡索酸,水杨酸,乳酸 氨基酸 甲梳氨酸,络氨酸,脯氨酸,组氨酸,α-丙氨酸,天冬氨酸,精氨酸 酶类 蛋白酶,RNA酶,转化酶,磷酸酶,DNA酶,硝酸酶,淀粉酶 生长素 生物素,植物生长素,维生素 固醇类 胆固醇,豆留醇 -
植物根系分泌物收集根据植物种类和实验的需求分为以下3种方法[27-28]:①基质培养收集法,②水培收集法,③土培收集法。
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以石英砂等作为基质,把植物培养于基质中一段时间,取出基质用蒸馏水洗去基质表面吸附的培养液,再用有机溶液浸泡,提取出基质表面吸附的有机物质便是根系分泌物[29]。该方法的培养基质(石英砂和珍珠岩等)不易与根系分泌物反应,便于我们后期的实验处理,用试剂处理过的固体容易吸附根系分泌物中的某些极性物质,如芳香族化合物等。KUDOYAROVA等[30]曾通过分根的方式把小麦的幼苗培养在砂子基质中来进行小麦根系分泌物的收集。
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主要以BENZARTI的方法为依据,根据不同种植物做略微调整来对植物根系分泌物进行收集。先将植物在营养液中培养一定时间后,把植株取出用蒸馏水洗去植物根系表面吸附的养分离子,再把它放入含微生物抑制剂的清水中培养一段时间,最后用树脂除去溶液中营养元素,剩下的便是根系分泌物溶液[31]。CIMMINO等[32]在研究黑麦Secale cereale根系分泌物的组分时也采用了该种方法进行收集。该法适用于在实验条件下根系分泌物的收集,它既有效地避免植物根系损伤,便于单因子调控;也确保了所收集到根系分泌物的组分更完整,含量更准确,避免了土壤微生物的分解作用[33]。但通过该法收集到的分泌物种类较多,分泌物之间易发生化学反应;而且它是在实验条件下收集的,和自然条件下收集的结果存在着误差[34],而且植物根系长时间浸泡在培养液中易发生缺氧使得根系腐烂。
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将植物幼苗种植于事先准备好的土壤中,使其地上部分生长在含有标记放射性同位素环境中,培养数天后取其根际土壤进行过滤,检测其滤出物中标记同位素便可确定该植物根系分泌物的组成[35]。使用该种方法对植物根系分泌物的收集,完全模拟了自然条件下植物生长环境,所以它收集到的根系分泌物组分和含量变化与自然状况下的基本上一致,使得检测数据更加准确。此法还是存在着许多不足之处[36]:植物根系分泌物易与土壤微生物发生化学反应,从而使得鉴定结果不准确;土壤微生物在自身代谢过程中向外分泌的一些酸类、有机化合物等也会对实验结果产生一定的影响。综上所述,虽然各种收集方法都有自己的适用性,但它们都存在着一个共性问题,通过以上方法收集到根系分泌物都不包括微生物作用后而分泌的那些分泌物,不能代表植物在田间环境下根系所分泌的物质[37]。为此,随着科学技术飞速发展,我们需要不断地研究出几种更加完整、准确、先进的收集方法。
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植物根系分泌物收集完成后,需要对它们进行分离和提纯,分离提纯方法的选取得根据待测组分性质来确定。常用的方法主要有衍生法和萃取法等2类[38]。其中萃取法又可细分为3类[39](表 3):①树脂法(细分为吸附法和离子交换法);②固相根区萃取法;③溶剂萃取法。我们可以根据实验的实际要求来合理的选择分离提纯方法,尽可能地将实验误差降到最低。
表 3 常见的几种分离提纯方法各自的特点
Table 3. Several common methods of separation and purification of their respective characteristics
方法 特点 衍生法 衍生化法对于现在的研究者来说较实用,它主要通过生成衍生化合物使待测部分更容易被分离检测,而且不含杂质[38]离子交换法虽然分离再生容易、吸附量大以及二次污染小[49],但这个方法有一个较大的缺陷,即:样品试剂 离子交换法 浪费量大(样品的需求量和有机洗脱试剂的需求量也比一般的方法要大的多),实验耗时较长,因此并没有被研究者广泛使用[50] 吸附法 吸附法是充分利用吸附树脂具有吸附效果好、脱附再生容易、性能稳定、适用范围宽和实用性好的优点,对根系分泌物进行一个吸附以及分离提纯的作用,该方法对于研究者来说具有良好选择性[39]固相根区萃取法是一种用于植物根际土壤中分泌物检测的新方法。该方法是以聚二甲硅氧烷作为分泌物的吸 固相根区萃取法 附材料。相比于树脂管萃取法,虽然聚二甲硅氧烷材料吸附效果更好,但是由于它的特殊性不能广泛地被采用,而且易产生交叉污染,应用范围小[51] 溶剂萃取法 溶剂萃取法是目前被研究者采纳最多的一种方法。虽然该方法操作简单、所用的设备廉价,但也存在着许多不足之处:对样品和有机试剂的需求量大、实验步骤繁琐,耗时长、试验试剂容易浪费污染环境以及该种方法一次只能对根系分泌物中的一种组分进行分离鉴定,为此不能准确地推断出该组分在根系分泌物中所有的组分中的含量[52] -
植物根系分泌物的种类多,迄今为止已被检测出来的分泌物种类有200种左右[40],其中含量高的有可溶性糖、有机酸、氨基酸、酶类等,但是对于植物根系分泌物的组分和含量的鉴定仍然是难点之一[41]。目前,最常用的鉴定方法是采用先进仪器技术——核磁共振种技术和气相色谱-质谱技术[42]。核磁共振除了得到大量信息,还可以精确测定某些分泌化合物的分子空间构型,但是测试成本较高[43]。气相色谱-质谱联用技术具有高灵敏度,拥有较为广阔的数据检索库的特点,这有助于根系分泌物的组分鉴定[44]。罗庆等[45]利用该技术对超积累东南景天Sedum alfredii的根系分泌物进行鉴定,检测出根系分泌物中的58种化合物,其中检测出含量最多的便是有机酸类物质。
目前,对于根系分泌物中含量最多的有机酸鉴定常用以下5种[46-47]:①气相色谱法;②高效液相色谱法;③离子色谱法;④光谱鉴;⑤液相色谱-质谱联用法。前3种可以合并为1种:色谱法。在目前的研究中,采用最多的是第2种和第5种,其中高效液相色谱法主要对于那些已知分泌物组分条件下的定性化以及定量化鉴定,该种检测方法的操作简单,成本低,适用性广[48];而色谱-质谱联用技术主要是对于哪些含量极低且分泌物组分还不确定的化合物鉴定,该种鉴定方法不仅分离度好,操作容易,而且对于根系分泌物组分鉴定的准确度高[53]。
以上这些鉴定方法都只是对于根系分泌物中提纯出来的那部分物质进行鉴定,无法对根系分泌物整体进行准确鉴定,鉴定结果还受到鉴定方法等的影响。为此开发更完善、更准确、适用性更广的根系分泌物鉴定方法,对于在根系分泌物的研究领域起着极为重要的作用。
Research progress of soil plant root exudates in heavy metal contaminated soil
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摘要: 根系分泌物不仅是植物与根际进行物质交换的载体,还参与植物修复污染土壤的各个环节。通过查阅1992-2016年国内外关于根系分泌物的研究成果,对根系分泌物分类的依据、常用收集鉴定方法的适用性,及其在土壤修复中的作用方面等进行了综述。通过植物根系分泌物的提取鉴定方法以及对污染土壤修复机理影响等方面的系统梳理,揭示了目前中国在植物根系分泌物研究的研究体系以及在今后的研究中所需要突破的方向。植物修复作为典型的绿色、环保的修复技术近年来应用广泛,但修复效率低、耗时长等一系列现实问题,一直是困扰该技术大面积应用的重要瓶颈,而加强根系分泌物在植物修复中作用的研究是解决这一问题的关键。通过对以往该领域的研究文献的分析,系统阐明了根系分泌物在土壤中的物理、化学、生物作用,为重金属污染土壤的植物修复工程的研究提供理论支撑和技术指导。Abstract: Root exudates are the carrier of material exchange between plant and rhizosphere, which are also involved in phytoremediation of contaminated soil links. The classification basis, methods applicability and remediation effects of root exudates in soil were reviewed among the literature of China and abroad in 1992-2016 in present paper. Through the systematic analysis on the extraction and identification methods of plant root exudates and its effect on contaminated soil remediation mechanism, the present research system and breakthrough in the future was revealed. Phytoremediation is a green and environmental remediation technology, and which was used widely in recent years. However, low efficiency and long time-consuming were its important bottleneck. The key to solving these problems is to accelerate the study of the role of root exudates in phytoremediation. Through the analysis of the previous research literature in this field, the physical, chemical and biological effects of root exudates were clarified systematically, which provide theoretical support technical guidance for the study of phytoremediation of heavy metal contaminated soil in the future.
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Key words:
- soil science /
- phytoremediation /
- root exudates /
- soil heavy metal /
- review
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表 1 根系分泌物的种类及特点
Table 1. Types and characteristics of root exudates
分类 种类 特点 1 分泌物 在植物细胞新陈代谢过程中根系细胞主动分泌到外界的有机物质 黏胶质 根冠细胞、植物细胞中未形成次生壁的那些表皮细胞和根毛部位释放出来的黏胶状物质 脱落物与分解物 从死亡或者破裂的细胞向外界释放的有机物质 渗出物 细胞主动扩散出来的一类低分子量的化合物 2 小分子量有机化合物 有机酸、各种氨基酸以及可溶性糖类 大分子量有机化合物 主要是指凝胶类物质,包括胞外酶等 表 2 根系分泌物分泌的有机质组分
Table 2. Organic components of root exudates
有机物类别 各类有机物的组成 糖类 葡萄糖,果糖,半乳糖,核糖,木糖,蔗糖,阿拉伯糖,棉籽糖,多糖,麦芽糖 有机酸 酒石酸,草酸,乙酸,丙二酸,马来酸,苹果酸,乙醛酸,延胡索酸,水杨酸,乳酸 氨基酸 甲梳氨酸,络氨酸,脯氨酸,组氨酸,α-丙氨酸,天冬氨酸,精氨酸 酶类 蛋白酶,RNA酶,转化酶,磷酸酶,DNA酶,硝酸酶,淀粉酶 生长素 生物素,植物生长素,维生素 固醇类 胆固醇,豆留醇 表 3 常见的几种分离提纯方法各自的特点
Table 3. Several common methods of separation and purification of their respective characteristics
方法 特点 衍生法 衍生化法对于现在的研究者来说较实用,它主要通过生成衍生化合物使待测部分更容易被分离检测,而且不含杂质[38]离子交换法虽然分离再生容易、吸附量大以及二次污染小[49],但这个方法有一个较大的缺陷,即:样品试剂 离子交换法 浪费量大(样品的需求量和有机洗脱试剂的需求量也比一般的方法要大的多),实验耗时较长,因此并没有被研究者广泛使用[50] 吸附法 吸附法是充分利用吸附树脂具有吸附效果好、脱附再生容易、性能稳定、适用范围宽和实用性好的优点,对根系分泌物进行一个吸附以及分离提纯的作用,该方法对于研究者来说具有良好选择性[39]固相根区萃取法是一种用于植物根际土壤中分泌物检测的新方法。该方法是以聚二甲硅氧烷作为分泌物的吸 固相根区萃取法 附材料。相比于树脂管萃取法,虽然聚二甲硅氧烷材料吸附效果更好,但是由于它的特殊性不能广泛地被采用,而且易产生交叉污染,应用范围小[51] 溶剂萃取法 溶剂萃取法是目前被研究者采纳最多的一种方法。虽然该方法操作简单、所用的设备廉价,但也存在着许多不足之处:对样品和有机试剂的需求量大、实验步骤繁琐,耗时长、试验试剂容易浪费污染环境以及该种方法一次只能对根系分泌物中的一种组分进行分离鉴定,为此不能准确地推断出该组分在根系分泌物中所有的组分中的含量[52] -
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