Journal of Advanced Research/大豆根际代谢物、微生物及其研究进展
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题目：The soybean rhizosphere: Metabolites, microbes, and beyond—A review
大豆根际代谢物、微生物及其研究进展
期刊：Journal of Advanced Research
IF：6.37
作者：Akifumi Sugiyama
亮点
1.根际微生物群落对植物健康具有重要意义。
2.根际特殊代谢物对微生物群落的影响。
3.大豆异黄酮和皂苷是大豆分泌的主要代谢产物。
4.分泌是由发育和营养调节的。
5.强调了特殊代谢物和微生物群落之间的可能联系。
摘要
根际是靠近植物根部的区域，在那里发生各种相互作用。最近的证据表明，植物通过分泌各种代谢产物影响根际微生物群落，进而影响植物的生长和健康。尽管植物源性代谢物在根际环境中十分重要，但对其时空分布和动态的了解相对较少。大豆（Glycine max）除了是重要的作物外，还与根瘤菌和丛枝菌根真菌共生，向土壤中分泌异黄酮和皂苷等多种特殊代谢产物，是研究这些根际相互作用的良好模式植物。本文从大豆根际的特殊代谢产物和微生物的角度综述了大豆根际的特点，并对今后的研究方向进行了展望。总之，这些代谢物的分泌是发育和营养调节的，并可能改变根际微生物群落。
引言
大豆（Glycine max）是全球主要农作物，全球产量超过3亿吨。与玉米、水稻和小麦等谷类作物不同，大豆生产的种子含有许多蛋白质和脂类，使大豆特别有营养。在日本，大豆被用作豆腐、纳豆、酱油和日本豆酱的原料，但在其他地方，大豆种子主要用作油和牛饲料。大豆还含有各种植物专用（次级）代谢物，如异黄酮和皂苷，作为功能成分。由于大豆植株与根瘤菌和丛枝菌根真菌建立了共生关系，因此作物不需要太多肥料来生产种子。然而，在现实中，为了最大限度地提高产量，大量的肥料被供给大豆田。化肥的大量使用会导致河流湖泊富营养化和全球变暖等环境问题。可持续农业生产要求同时考虑产量和环境问题。因此，根际微生物的补充是大豆可持续生产的必要条件。
根际被定义为“根周围受其影响的土壤区域”。根既有物理影响，如根的结构或热量的产生，也有化学影响，如植物产生的各种代谢物的分泌。植物根系利用ATP的能量主动向根际分泌代谢物，并通过被动扩散分泌代谢物。当根组织（如边缘细胞）与主根体分离时，代谢物也会释放到根际。
植物分泌低分子量化合物，如氨基酸、糖、酚类、萜类和脂类，以及高分子量化合物，包括蛋白质、多糖和核酸，这取决于生长阶段和环境条件。当分泌到根际时，大多数代谢物被土壤微生物迅速降解，但一些代谢物，特别是特殊代谢物，仍留在土壤中并介导生物相互联系。这些代谢物在根际的分布取决于它们的化学性质，挥发性化合物如倍半萜的分布相对较长
大豆根系分泌的代谢物在根际的生物通讯中起作用，如图1所示。异黄酮和金内酯分别是根瘤菌和丛枝菌根真菌共生体的信号分子。甘草素是一种对疾病敏感的植物抗毒素。促大豆胞囊线虫孵化的Glycinoeclepin A具有潜在的通讯功能。
根际微生物的群落和功能与土壤中的不同。微生物多样性在接近根部的地方减少，而在内层则进一步减少。越来越多的证据表明，植物影响根际的矿物质和微生物。植物对根际矿物的不稳定性、溶解性和可及性的增强在其他地方进行了总结。本文综述了水培和田间大豆根际代谢产物和微生物的研究进展。还讨论了与可持续农业有关的大豆根际特征。
代谢物
植物产生各种各样的低分子化合物。这些代谢物包括多种生物活性化合物，用于抵御生物和非生物胁迫，以及作为其他有机体的引诱剂或驱避剂。从进化的角度来看，这些化合物大多是由植物谱系中的某些物种产生的，被称为特殊代谢物。研究人员估计，超过200000种专门的代谢物是由植物产生的。在进化过程中，植物获得了合成新代谢产物的能力，这赋予了它们在生态系统中的适应性优势。
大豆根分泌物中主要含有两类特殊的代谢物，即异黄酮和皂苷。大豆异黄酮作为膳食成分，在降低乳腺癌和前列腺癌风险、促进骨骼健康、缓解更年期症状、预防冠心病等方面具有重要作用。大豆皂苷还具有生物活性，如抗炎作用、自由基清除活性、抗过敏活性和免疫调节活性。本文重点介绍异黄酮和皂苷甙，最近的研究发现，其他代谢物的分泌和它们在根际的潜在功能也进行了总结。
异黄酮
异黄酮是类黄酮的一个亚类，主要存在于豆科植物中。这些黄酮类化合物是通过异黄酮合酶产生的。异黄酮以其在植物-微生物相互作用中的作用而闻名，尤其是在共生和防御方面。在共生过程中，大豆根向根际分泌大豆黄酮和染料木素（金雀异黄素）等异黄酮，作为根瘤菌结瘤的信号化合物。在防御方面，大豆黄酮是具有抗菌和抗草食动物活性的甘草素和植物抗毒素生物合成的前体，在被诸如大豆疫霉和菜豆大孔虫等病原体感染时被诱导。根际异黄酮在与土壤微生物的生物通讯中也发挥着不同的作用。研究人员提出了大豆异黄酮分泌的两条途径：（1）ATP依赖的异黄酮苷元的主动转运，（2）异黄酮苷的分泌（可能储存在液泡中）进入质外体，然后用异黄酮结合溶解酶β-葡萄糖苷酶（ICHG）水解苷。
图注：大豆根中异黄酮的合成及其分泌。苷元（大豆苷元和染料木素）通过UDP葡萄糖：异黄酮7-O-葡萄糖基转移酶（IF7GT）进行糖基化，并进一步通过丙二酰辅酶a：异黄酮7-O-葡萄糖苷6”-O-丙二酰转移酶（IF7Mat）进行丙二酰化。这些（丙二酰）糖苷积聚在液泡中。箭头显示了异黄酮分泌的两种可能途径。
在水培条件下，大豆根分泌物中大豆苷元是主要的异黄酮，营养期比生殖期分泌更多。在生殖期，丙二酰葡萄糖苷和葡萄糖苷的分泌增加到与苷元类似的水平。在缺氮条件下，根瘤共生时，大豆黄酮和染料木素进入根际的分泌量增加了约10倍。
在田间培养中，大豆黄酮和染料木素都存在于根际土壤中；大豆黄酮含量高于染料木素，根中大豆黄酮和染料木素的比例也高于染料木素。根际土壤中异黄酮含量在营养期和生殖期均是土壤中异黄酮含量的100倍以上。大豆黄酮在土壤中的降解速率常数为9.15x10-2个/天 ，相当于7.5天的半衰期。丙二酰大豆苷元和大豆苷元的降解率为8.511/天 和11.62/天 分别对应于小于2小时的半衰期]。从大豆生长过程中的降解动力学和水培异黄酮的分泌量出发，估算了大豆生长过程中根际大豆黄酮的含量。
皂苷
皂甙广泛存在于植物界，具有多种功能。皂甙的典型结构是疏水性苷元与不同官能团和亲水性糖基的结合，形成表面活性的两亲性化合物。皂甙似乎具有抵御病原体、害虫和食草动物的生理功能。
豆科植物通常合成三萜皂苷，称为大豆皂苷，由苷元、大豆皂苷元和低聚糖组成。根据苷元结构，大豆皂甙可分为四类：大豆皂甙A（A组）、大豆皂甙B（B组）、大豆皂甙E（E组）和大豆皂甙B与2,3-二氢-2,5-二羟基-6-甲基-4-吡喃-4-酮（DDMP）残基结合的c22。皂甙可能在苜蓿的化感作用中发挥作用。然而，皂甙在根际的分泌及其在生物通讯中的作用尚不清楚，除了豆科植物根系分泌物中大豆皂甙的最新鉴定外。
在水培条件下，大豆皂甙分泌到根际的量在V3生长期（3周龄）达到高峰，在生殖期下降。水培培养基中大豆皂甙的组成随生育期的变化而变化，A组大豆皂甙在V3和V7期（5周龄）分泌占优势，B组大豆皂甙在生殖期分泌较高。在VE期（1周龄），每根组织中大豆皂甙的分泌量最高（干重），大豆皂甙的组成与其它生长期不同，脱乙酰大豆皂甙Af、大豆皂甙Ab和大豆皂甙Bb的分泌量较大。尽管大豆皂甙是根组织中的一个主要种类，但在整个生长阶段仅检测到微量的大豆皂甙。这些结果提示了大豆皂甙分泌的调节机制。大豆根际皂甙的含量和功能目前正在研究中。
其他代谢物
大豆根系除了分泌异黄酮和皂甙外，还 分泌多种代谢物，但这些代谢物在根际环境中的作用尚未得到深入分析。大豆根系分泌物的毛细管电泳质谱鉴定出79种有机和氨基酸代谢物，如己二酸、葡萄糖酸、戊二酸、甘油酸、甘氨酸、L-丙氨酸、L-天冬酰胺和L-丝氨酸。这些代谢物在发育期间和缺磷条件下发现了不同的反应。大豆根系分泌物中检测到多种糖，包括葡萄糖、木糖醇、阿拉伯糖、半乳糖、蔗糖和低聚糖；这些糖是根际微生物的潜在碳源。干旱胁迫下大豆根系分泌物中存在脯氨酸、品脱醇等渗透调节物质。
甘草素是植物抗毒素合成的病原体，如大疫霉和除草剂。大豆根中合成的50%以上的甘草素被分泌到水培溶液中，但它们在根际中的命运和功能仍有待研究。大豆根提取物（Phaseolus vulgaris）中的Glycinoeclepin A及其相关化合物刺激大豆胞囊线虫的孵化；然而，这些化合物在大豆中的合成及其在大豆根际的鉴定还未见报道。Glycinoeclepin A在植物和根际的真正功能尚待阐明。在鉴定出丛枝菌根真菌和植物激素作为寄生杂草信号多年后，已鉴定出其作为丛枝菌根真菌和植物激素信号的功能。糙皮内酯也分泌到大豆根际，但其组成和在根际的动态在大豆中未见报道。
微生物
根际微生物群落对植物生长和健康具有显著的影响，包括营养、疾病抑制和对生物和非生物胁迫的抗性。许多研究支持这样的观点，即除了气候、土壤类型、植物种类、植物基因型和生长阶段之外，还包括调节根际微生物群落多样性和组成的因素。关于大豆根际微生物群落（包括细菌和真菌）的报道已经有好许多，而且大多数这样的群落显示出比土壤更丰富的共生根瘤菌。
大豆在田间生长过程中，根际细菌群落发生了变化，但在土壤中没有变化。这些结果表明根际细菌群落的变化受植物生长的影响大于环境因素的影响。慢生根瘤菌和其他潜在的促进植物生长的根际细菌，如芽孢杆菌，在根际比在土壤中更为丰富。在一个大豆田中，日本慢生根瘤菌和埃尔坎慢生根瘤菌是在根上形成根瘤的主要物种。在另一项研究中，虽然序列分析的分辨率不足以在物种或菌株水平上区分田间的慢生根瘤菌，但慢生根瘤菌在操作分类学单位水平上表现出不同的反应。
在大豆生长过程中，根际真菌群落在门水平上相当稳定，子囊菌和担子菌的丰度最高，但基于内部转录间隔区的群落分析表明，大豆的生长阶段决定了真菌群落的多样性。真菌群落也受到施肥和根瘤菌接种的影响。连作改变了真菌的组成，增加了38属，减少了17属；这些属包括潜在致病真菌和有益真菌。
一项对大田种植的紫胶大豆的研究表明，根际细菌群落参与了大豆生产。在京都中部山区种植的黑豆产量下降，没有明显的病原体感染症状；因此，对微生物群落的参与进行了调查。在气候相似的农场中，土壤细菌群落的变化表明了管理措施对群落的影响。各农场的根际细菌群落与土壤中的细菌群落有显著差异，以慢生根瘤菌和芽孢杆菌为优势。使用Confeito算法进行的网络分析表明，根际细菌与大豆生长之间可能存在联系，尽管需要更详细的分析。
体外研究已进行解析代谢产物对微生物群落的影响。拟南芥和苜蓿三代根系分泌物对土壤真菌群落的影响在定性和定量上与植物生长的影响相似。将分离得到的拟南芥根系分泌物应用到土壤中，获得了天然的植物化学混合物。结果表明，拟南芥根系分泌物中的酚类化合物与土壤中的细菌数量呈正相关。苜蓿根分泌物中的黄酮类化合物7,40-二羟基黄酮作为nod基因诱导信号，在体外添加到土壤中时影响了与多种土壤细菌（不限于根瘤菌）的相互作用。在发育过程中的代谢组和微生物组分析中也报告了根分泌代谢物和微生物群落之间的联系，这表明根分泌代谢物和微生物群落之间存在联系。比较基因组学和外代谢组学分析也表明了这一联系，其中根分泌的芳香族有机酸是根际微生物群落的关键因子（现阶段有一些报道表明了茉莉酸JA与水杨酸SA在植物抗病过程中的独特作用）。
在促进植物生长和降解有害污染物多环芳烃（PAHs）的背景下，研究了大豆根系分泌的代谢物（前面学习内容中，豆科植物的根际细菌群落复杂性促进菲的降解，可能是根系分泌物驱动根际细菌互作降解菲的作用Geoderma/豆科植物根际细菌群落的复杂性促使菲的降解）。接种野生稻假单胞菌对大豆根系分泌物的影响呈基因型依赖性，并且糖和氨基酸减少。大豆根系分泌物在多环芳烃污染土壤中的应用显著增强了土壤细菌对多环芳烃的降解。在连续13年的大豆单作试验中，大豆根际的大豆黄酮和染料木素浓度与土壤微生物群落，特别是染料木素与丛枝菌根真菌菌丝生长之间可能存在的联系。通过对控制根瘤菌菌株亲和力和染料木素分泌的数量性状位点的鉴定研究，提出类黄酮的根系分泌与根瘤菌相互作用之间的遗传联系。对异黄酮合成酶沉默的毛状根根际细菌群落的分析表明，异黄酮对毛状根际细菌群落的影响较小，但对尤其是对从毛单胞菌和黄单胞菌科的影响显著。综合以上文献，指出根分泌代谢物与根际微生物之间的联系。大豆根际这种联系的分子基础尚待阐。
结论与展望
在过去的几十年里，许多研究表明植物代谢产物和微生物在根际的重要性。测序技术的最新进展进一步加深了对根际植物-微生物相互作用的理解。然而，尽管取得了这些进展，大多数促进这些相互作用的关键代谢物仍有待在分子水平上进行表征，这主要是由于难以对根际代谢物进行时空分析。传统上，对根际分泌物或代谢物的分析是在水培或平板培养基中进行的。为了利用这些分子在可持续农业中的作用，有必要在田间植物根际对它们进行分析。
在根际代谢物和微生物的时空分析中，利用传感器进行非破坏性分析是一种很有希望的方法。各种传感器在根箱中用于代谢物、矿物质和氧气的时空分析。它们的应用可扩展到分析大田植物根际环境，监测根际环境的变化。使用有色分子是另一种可能性。紫草素是一种由紫草科植物合成的萘醌，在根际呈红色，具有抗菌作用。在细胞培养中紫草素的产生已经被很好地描述了，并且它在入侵杂草车前棘根际的化感作用已经被报道。黑胡桃（胡桃）中的胡桃是另一个突出的候选品种，因为它是黄色的并且具有化感作用。
代谢产物和微生物的动力学及其相互作用对于提高我们对植物-微生物相互作用的理解具有特别重要的意义（图4）。代谢物的稳定性随土壤成分的变化而变化。为了模拟根际代谢物的动态变化，需要分析不同土壤类型中代谢物在土壤有机质和粘土矿物上的运动、降解和吸附，因为代谢物的稳定性随土壤成分的变化而变化。利用根瘤菌和各种传感器可以验证和分析代谢物和化学物质的时空分布。由于根际的定义在数量上不严格，植物根系影响的区域除了土壤中的代谢物和微生物外，还因土壤条件的不同而不同，如有机质的丰度、含水量和矿物类型。在分子水平上确定根际的功能和面积，可以为在气候变化时代利用这些代谢物和微生物进行可持续农业铺平道路。
总结
本文主要综述了大豆根系代谢物（异黄酮与皂苷）和微生物（细菌与真菌）及其相互联系。整体文章偏向于化学成分多一点，对于微生物与根系分泌物和代谢物相互作用讲解不多。现阶段有一些证据证明植物遭受病害或逆境胁迫时会触发植物免疫调节系统，植物会通过根系分泌物选择性的招募有益菌抵御逆境或者病害。根系分泌物还会形成微生物的趋化作用，一些代谢物会喂养许多微生物。另外，为方便研究微生物与代谢物的时空动态及其驱动因素，利用基因组学与色谱方法相结合也是一种手段，文中谈到的传感器方法可能造价高或者不利于联用基因组方法进行研究。
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