植物根系及其共生微生物会向周围的根际土壤释放多种功能各异的分泌物，直接影响土壤碳储存、养分可用性和污染物动态。然而，在不破坏土壤的情况下，难以在真实土壤中非破坏性地测量根系分泌与新兴生物地球化学过程之间的机械联系。在这里，我们使用了一种新颖的现场微传感器与高分辨率质谱仪的组合，非破坏性地测量了单一生长植物根系（燕麦）的分泌物变化及其相关的生物地球化学动态。我们发现，代谢物浓度、溶解有机碳（DOC）浓度以及微生物生长、氧化还原电位（EH）和pH动态在根尖、根部和更成熟的根区之间存在显著差异。令人惊讶的是，根尖出现时根际土壤的DOC显著增加，但与任何生物地球化学参数都没有显著相关性。然而，糖的存在与根尖到达后EH的显著下降显著相关，这可能是由于微生物的氧需求增加所致。同样，有机酸的存在与根尖出现时的pH下降有显著的相关性。总的来说，我们在现场测量中强调了沿着生长的根释放的不同分泌物如何创造出功能上不同的土壤微环境，这些微环境会随着时间的推移而演变。
植物的根系及其相关的微生物塑造着根际的生物地球化学过程，直接影响土壤碳循环、营养物质的可用性和污染物的动态。根系及其相关的微生物通过一系列过程（从主动分泌到被动扩散）动态地释放有机化合物。根系产生的化合物可能包括低分子量代谢物（如草酸）、高分子量生物聚合物（如胶质）和细胞成分。可溶性分泌物具有功能多样，在这里被定义为由根系及其相关的微生物主动或被动释放的溶质，或在分解根系产生的化合物过程中产生的溶质。虽然功能不同的分泌物，如糖、有机酸或酚类，可以刺激根际的关键生物地球化学过程，但很少有研究直接将根系分泌与根际的生物地球化学条件的变化联系起来，这限制了我们预测植物行为变化如何影响土壤中碳、营养物质和污染物动态的能力。
根际环境的土壤pH值、氧化还原状态和微生物活动会发生显著变化，这通常被归因于根系分泌物的变化。微生物活动既是根系分泌物的结果，也是其贡献者。到目前为止，大多数研究只是推测根分泌物的数量和质量与随后的生物地球化学反应之间的联系，而没有能力同时直接测量根-土壤界面处的这两种情况。这种知识差距在一定程度上是由于难以在不破坏土壤的情况下同时检测渗出物并确保非无菌土壤的生物地球化学参数，以达到足以捕捉单根根系周围空间和时间动态的必要分辨率。
在本研究中，我们利用一种新颖的组合方法——微传感器和高分辨率代谢组学，研究了普通燕麦（A. sativa）根系周围的渗出物动态及其相关的生物地球化学条件。我们通过分析根系周围孔隙水的溶解有机碳（DOC）组成和浓度、微生物活性以及监测pH和EH波动来评估根尖和成熟根区之间的差异。
根际形成和发展过程中的生物地球化学动力学。在微透析探针流出物中测量的DOC浓度在土壤背景中一直很低（2-4ppm），但在根部到达后显著增加了4倍（17-20ppm）（图1a）。相反，在根尖出现时，微电极的pH值和EH值显著下降，随后随着根系的成熟，pH值逐渐显著下降（图1b，c）在添加了基因工程微生物传感器的配套根瘤箱中，细菌发光在根尖处显示出微生物生长的第一个（较小的）最大值，在根轴上根组织成熟的地方显示出第二个明显较大的最大值（图1d）我们的微传感器测量表明，根尖出现时C可用性的峰值与同一土壤中pH和EH的下降相吻合，根尖迅速刺激了微生物的生长。
图1微传感器阵列揭示了根系萌发和发育过程中(a) DOC浓度、(b) pH和(c) EH的变化。
根际DOC组成的时间变化
FTICR-MS分析揭示了根出现和成熟过程中根际DOC不同化合物类别的相对丰度的逐渐变化，以及芳香性和氧化程度的变化（图2a-c）。木质素样化合物的相对丰度在土壤背景中保持稳定，在根尖区逐渐适度下降，从根尖到较老和最古老的根区显著增加（图2a）单宁类化合物的贡献在根出现时保持稳定，从老根区到老根区显著增加。蛋白质和类脂化合物的贡献可能归因于微生物衍生的化合物，在根尖出现后稳步增加，在较老的根段逐渐下降，在最古老的根区急剧下降。AI（衡量芳香性的指标）和NOSC（衡量氧化程度的指标）在根尖区域内逐渐降低，然后在较老和最古老的根区域显著降低（图2b，c）。总的来说，我们的结果表明，在根尖最初出现时，减少的脂质和蛋白质样化合物逐渐增加，而在较老的根区，尤其是最古老的根区中，相对氧化和芳香的木质素和单宁样化合物增加。
图2FTICR-MS测定根际DOC (a)不同化合物类别的相对丰度，(b)芳香性指数（AI）， (c)标称碳氧化态（NOSC）的变化。
根际低分子量代谢产物的动力学。通过HPLC-MS分析检测到的所有代谢物的非计量多维标度（NMDS）分析显示，土壤背景、根尖、老根区和最老根区的代谢物组成存在显著差异（图3a）环境拟合分析显示，代谢产物组成的差异与EH和pH值（但与DOC无关）之间存在显著相关性，NMDS排序分别占93.3%和78.3%的方差。总体而言，从背景到根际土壤，归类为酚类和有机酸以及糖及其衍生物的化合物的相对丰度显著增加，而归类为挥发物和杂项“其他”的化合物显著下降。
聚类热图显示，在根系出现和发育过程中，推定的代谢物组成和相对丰度发生了时间变化（图3b）。在土壤背景中，簇I-a（主要是酚类和有机酸、氨基酸和衍生物、黄酮类和香豆素）被耗尽，而簇I-b（主要是氨基酸和衍生物）被富集。簇II（主要由不同的氨基酸和衍生物组成）在根尖出现时强烈耗竭，但在较老的根区显著富集（簇III-b）。相反，在较老的根区，一组同时存在的化合物（III-a，主要由酚酸和有机酸、氨基酸和衍生物、黄酮类化合物和香豆素组成）明显减少。当将单一代谢物分为化合物类时，糖与EH的变化呈显著负相关，而酚酸和有机酸与根出现和成熟过程中pH值的变化呈显着负相关（图4a，b）。
图3(a) 2维NMDS分析显示，HPLC-MS 检测代谢物的时空动态(b)热图的ward聚类。
根际进化过程中溶解有机化合物的时空变化。综合来说，我们的微传感器、微透析和微生物传感器测量结果显示，随着根的出现，DOC浓度发生了巨大变化，浓度增加与之前报道的根源DOC浓度一致。到达根尖后DOC浓度的显著升高可归因于根冠后的活跃根沉积和根细胞裂解。此后DOC浓度的下降与根C释放的减少一致，这可能是由于木质部和韧皮部组织的成熟。有趣的是，一般DOC浓度的这些变化与DOC成分的变化或代谢物丰度的变化无关，遵循不同的时空模式。
随着根的接近，我们预计DOC的组成会随着时间的推移而发生变化。预计这一过渡将如图4所示。检测到的代谢物类别的相对丰度与（a）pH值或（b）EH（mV）之间的相关性。仅显示HPLC-MS检测到的代谢物。灰色阴影表示95%的置信区间。从土壤背景中主要由微生物衍生的化合物，到根尖出现时由粘液和边缘细胞衍生的化合物，最终到侧根穿过表皮释放的植物衍生分子占主导地位，这可能会推动更成熟区域的细胞裂解。DOC成分的FTICR-MS分析显示，土壤背景中的脂质和蛋白质样化合物最初发生了转变，这可能是由于微生物衍生化合物对DOC库的大部分做出了贡献，在最古老的根区，相对氧化和芳香的木质素和单宁样化合物的贡献更大（图2b、c）。与此同时，从土壤背景到最古老的根区，O/C增加，H/C比值下降。酚类化合物的增加可能源于成熟的根组织和随后富含木质素的原代细胞壁材料的微生物分解，导致DOC成分的变化。总之，我们的结果表明，强大的控制根对根际DOC可用性和成分的变化起着重要作用。
特定根系或微生物衍生代谢物的组成显示出从土壤背景到根尖再到成熟根区的类似演变，糖以及酚和有机酸在根系出现时增加（图4a、b）。如上所述，酚类物质的存在可能是由于死边细胞中木质化细胞壁的分解或酚类化合物的主动释放。另一方面，有机酸和糖可能是由根本身产生的，也可能是微生物活动的结果，在根生长过程中，微生物活动也会随着时间的推移而增加（图1d）。当考虑单个代谢物时，时空模式更具动态性，代谢物簇在根的指定区域内富集或贫化（图3b）。特别值得注意的是，根尖周围一簇氨基酸的强烈耗竭和最成熟根区周围这簇氨基酸的富集（图3a:II，III-b）。根际特定代谢物相对贡献的这些动态变化可能源于根或微生物细胞更新和释放这些化合物引起的离散热点，微生物对化合物的优先利用，或矿物反应性变化引起的代谢物选择性吸附。我们的微传感器方法提供了一个独特的机会，可以将这些植物和土壤控制与根际特定代谢产物的代谢产物生产和消费区分开来。
图4检测到的代谢物种类的相对丰度与(a) pH或(b) EH （mV）之间的相关性。仅显示HPLC-MS检测到的代谢物。
功能不同代谢物的动力学预测根际的生物地球化学条件。我们最初预计，DOC在根际的生物利用度将控制根系出苗和成熟过程中的EH和pH动态。有趣的是，DOC浓度和组成（化合物类别以及氧化态或芳香性等化学指标）与测量的EH和pH值变化没有显著关系。相反，属于糖和衍生物或酚酸和有机酸类别的代谢物的相对丰度是预测根际EH和pH动态的唯一参数（图4a，b）。EH和pH值均与NMDS排序显著相关（图3a），证实了代谢物组成与EH和pH之间的密切联系。
具体来说，我们发现酚酸和有机酸的丰度与pH值高度显著相关（图4a）。已知有机酸优先在根尖区释放，可能是观察到的pH值降低的原因。同样，我们发现糖和衍生物的丰度与EH高度显著负相关（图4b）。从土壤到根尖再到最古老的根区，EH的下降与根际微生物生长的增加相吻合（图1d），这表明糖的丰度增加会刺激微生物活动和呼吸。因此，由此产生的微生物耗氧量可能是EH下降的原因。因此，我们的研究结果表明，功能不同的代谢物组（特别是有机酸和糖），而不是整体的碳可用性或单一代谢物，是根际生物地球化学条件的主要控制因素。
根际瞬态、生物地球化学差异微环境的出现和影响。总之，使用原位传感器的新型组合，我们的工作证明了根系分泌物对根际内瞬态生物地球化学不同土壤微环境出现的影响。作为对之前仅关注根系分泌物或生物地球化学根际动力学的补充，我们的数据揭示了两者之间的时空联系。我们的研究结果支持这样的假设，即根成熟驱动根渗出的变化，逐渐改变功能不同的代谢物的贡献，这些代谢物塑造了根际的生物地球化学条件。
值得注意的是，特定功能类型的分泌物的丰度，而不是整体DOC浓度或组成，成为与根际微环境演变相关的关键因素。紧急的低pH值和EH条件可能是植物营养物质、有机碳、和污染物在根际流动的关键控制因素。我们的微传感器和代谢组学方法的新组合为未来的工作提供了巨大的潜力，这些工作侧重于解开根系分泌物的变化如何重塑根际的生物地球化学动力学，从而改变土壤中营养物质、碳和污染物的命运。
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