“垃圾食品”破壞植物根圍與微生物的共生關系

在植物下面我們看不到的土壤里，有一個被稱為“根圍”（圍繞植物根系的區(qū)域）的地方，那是一個充滿生機的地方，只有深入探究地底下的生態(tài)，才能從植物的視角來更好地理解植物的生長與植物的健康。

植物的每一條根系或根毛都擁有自己的根圍，根圍延伸的范圍可從幾毫米到1米左右，在這個特殊范圍內(nèi)生存著特殊的根系微生物群落。在植物根系附近的土壤中，根圍單位面積所含的生命數(shù)量比土壤中其他地方多得多，有人甚至認為比地球上其他任何地方都多得多。

根圍內(nèi)是生命活動最活躍的地方，其原因其實很簡單：植物利用了生命生存中最古老的手段——提供免費食物——讓它的根圍成為生物學上一個熱鬧繁榮的“集市”。人類不也是在做著同樣的事情嗎？如果你一大早帶來幾個香噴噴的甜甜圈，你的同事就會被吸引過來，圍在你邊上，想要從你手里拿一個來嘗嘗了。

植物根部與微生物的互動關系

植物“工廠”提供“免費食品”當然是有目的的，用以招攬有益微生物來它的根圍處生活。你一定想知道，哪些生物對植物化學物質(zhì)等“食物”感興趣呢？是土壤里的細菌、真菌和其他的微生物，它們感興趣的除了植物滲出液之外，還有能夠迅速給它們提供能量的碳水化合物。

除了吸引植物的滲出液外，根圍微生物還吃土壤中的有機物質(zhì)，并將這些有機物質(zhì)轉(zhuǎn)化為植物所需要的養(yǎng)分和化合物。土壤中的一些有機物質(zhì)要經(jīng)過大量其他生物的“處理”，才能被植物吸收。每年秋天，樹上都會掉下大量樹葉，一些體型更大的土壤生物，如蚯蚓和節(jié)肢動物，對樹葉進行首次分解處理。經(jīng)過它們的咀嚼、分解，樹葉變成更小的碎片，成為土壤中一些更小生物的食物。這種有機物質(zhì)經(jīng)過土壤食物鏈的一路傳遞，最后成為土壤中最小生物——微生物的食物。在吃與被吃的循環(huán)中，實現(xiàn)了大自然化腐朽為神奇的奇跡，在生命輪回的接力賽中，微生物是最后接過有機物質(zhì)這根接力棒的“運動員”。

土壤中富含的有機質(zhì)就像人類所需富含纖維的飲食，它們對于植物和微生物來說都是重要的食物來源。只要土壤中有源源不斷的有機物補充，支持整個植物生態(tài)中生命的“吃喝拉撒”，植物生態(tài)中生命的生長與死亡的循環(huán)就會生生不息。土壤微生物在活著時能為植物提供富含氮磷鉀的肥料，死亡后的微生物也是極其豐富的氮的來源。

不過，氮磷鉀只能給植物生長提供所需要的“燃料”，而根系微生物群除了氮磷鉀之外，還能給植物提供化肥和農(nóng)藥所不能提供的完整的營養(yǎng)物質(zhì)，包括保證植物健康的重要的礦物質(zhì)和各種微生物代謝物和其他化合物。

以有機物質(zhì)和植物滲出液為食的根系微生物可為植物宿主做很多事情。例如，菌根真菌在營養(yǎng)充足的情況下，不僅能夠從巖石中開發(fā)礦物質(zhì)，還會將這些礦物質(zhì)放在植物的“家門口”，有時甚至還能將礦物質(zhì)直接送入植物體內(nèi)，其中包括農(nóng)學家發(fā)現(xiàn)近年來在植物中含量越來越少的一些礦物質(zhì)。

對植物健康必不可少的礦物質(zhì)約有十多種，它們對植物健康起著許多重要的作用。如我們熟悉的鋅和鐵，是植物生長所需要的“水果和蔬菜”，鉬可以幫助植物利用氮并可促進植物進行光合作用轉(zhuǎn)化二氧化碳為碳水化合物。

然而，由于多種多樣的原因，植物根系通常需要外來幫助才能獲得足夠多的大量礦物質(zhì)，菌根真菌就是植物的好幫手，它們可將植物根系的營養(yǎng)吸收能力提高一至兩倍。與植物根外形相似的真菌菌絲就像管道一樣，可長距離給植物輸送營養(yǎng)，延長和擴展了植物根系吸收營養(yǎng)的范圍。菌絲的一端與植物的根系相連，另一端則延伸到儲存有大量礦物質(zhì)而植物根系本身卻鞭長莫及的地方。如果沒有菌根真菌的幫忙，植物本身根本無法吸收到較遠處的營養(yǎng)。

但天底下并無免費的午餐，這一規(guī)則在植物與微生物的共生系統(tǒng)中也同樣適用，只有植物“交出”它們富含營養(yǎng)的滲出液時，真菌才會源源不斷地給植物提供穩(wěn)定的礦物質(zhì)營養(yǎng)物。而當植物可以獲得免費的氮磷鉀化肥時，它們分泌的滲出液會越來越少，在這種情況下菌根真菌為植物提供礦物質(zhì)的行為幾乎得不到回報，那么，它對植物的貢獻也將越來越少;同樣地，與氮磷鉀化肥一起進入植物“食譜”的農(nóng)藥也會干擾菌根真菌和植物宿主之間正常的營養(yǎng)交流和化學信號的傳遞。

在植物根系與微生物處于正常共生生態(tài)環(huán)境時，根系微生物還可以為植物做營養(yǎng)轉(zhuǎn)化傳輸?shù)墓ぷ?，即某些有益菌會吸收植物根系分泌物中的色氨酸，然后將這種氨基酸轉(zhuǎn)化為吲哚-3-乙酸返還給植物。吲哚-3-乙酸是植物世界中最重要的生長激素之一，它可以讓植物根系長得很長，并向橫向發(fā)展，長出更多的根來。植物根系越發(fā)達，吸收到的養(yǎng)分也越多，同時也能向土壤中注入更多滲出液，招攬更多的微生物進入它的根圍范圍，為它提供更多的吲哚-3-乙酸，由此形成植物與微生物之間的一種典型的正反饋循環(huán)。

或許最令人驚訝的是，植物還可以招募根系微生物來幫助它們擊退病原體。如廣泛分布的假單胞菌是寄生于植物葉子、莖芽和花朵的一種致病細菌，會給植物造成嚴重感染，導致植物生病。當假單胞菌出現(xiàn)時，植物將化學信息發(fā)送到根部，根細胞釋放出蘋果酸，起到像牧羊人的口哨一樣的示警作用。這種示警信號讓周圍的植物開始行動起來，產(chǎn)生更多的植物化學物質(zhì)和防御性化合物質(zhì)來擊退假單胞菌;枯草桿菌也聞風而來，開始聚集在植物根系周圍，誘發(fā)植物關閉樹葉表面叫做氣孔的小孔，防止更多的假單胞菌進入植物“城堡”。

植物消耗大量的能量生產(chǎn)和輸出含有糖分、維生素、有機酸和植物化學物質(zhì)的滲出液，雖然代價不菲，但回報也是巨大的，尤其是植物化學物質(zhì)。一株植物可能包含有成百上千不同的植物素，研究最多的植物化學物質(zhì)之一的多酚類就擁有超過8000種不同的種類。

在根系微生物發(fā)出化學信號以及對害蟲采取直接攻擊行動的刺激下，植物化學素制造工廠開始迅速補充庫存。一些植物素，如卷心菜家族中的芥子油甙，甚至還會轉(zhuǎn)變成“芥子油炸彈”來“迎接”膽敢向植物張嘴侵襲的有害昆蟲。只要咬上一口這含毒“炸彈”，侵犯者不是即刻喪命，就是亡命逃竄。另一組名為苯并惡唑嗪酮的化合物，可向玉米、小麥和黑麥等禾本科作物發(fā)出復雜信號，驅(qū)逐微生物病原體。

正如防曬霜中要加入β-胡蘿卜素來增加抗紫外線輻射一樣，β-胡蘿卜素也是一種保護植物免受紫外線輻射的植物化學素。還有一種叫做類黃酮的植物素，可以吸引生活在植物根系的各種細菌，這些細菌能將氮轉(zhuǎn)化為植物可以吸收的形式。還有一些其他類型的類黃酮，在根系微生物的幫助下，可溶解根圍處的鐵、銅和鋅等，讓植物更易吸收這些重要的礦物質(zhì)。