賈利華，王 鑫，張 蕊，林德立，邱 睿，邢國珍，劉 娜*，鄭文明*

（1 河南農(nóng)業(yè)大學生命科學學院/小麥玉米作物學國家重點實驗室/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450002；2 河南省農(nóng)業(yè)科學院煙草研究所/煙草行業(yè)黃淮海煙區(qū)病蟲害防控重點實驗室，河南許昌 461000）

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一，耕作土壤中有效性磷的缺乏嚴重限制了作物的生長與產(chǎn)量[1]。據(jù)報道，低磷脅迫造成全球范圍內(nèi)30%～40%的農(nóng)作物產(chǎn)量顯著降低[2-3]。植物可以直接吸收的有效磷在土壤中多數(shù)以無機磷酸鹽的形式存在，利用率低且流動性差。為了適應土壤環(huán)境，植物根系形成了利用根表面高親和型轉(zhuǎn)運子從土壤中吸收正磷酸鹽形式的磷，轉(zhuǎn)運子與菌根微生物協(xié)同表達互作的途徑以響應低磷脅迫[4]。除此之外，植物還可以通過擴大根與土壤的接觸面積 (激素刺激生長、根分支和根毛發(fā)育增加)，改變吸附平衡以促進正磷酸鹽離子向土壤液的凈轉(zhuǎn)移，利用微生物直接或間接地增加有機磷的轉(zhuǎn)移等幾種不同的方式來增加對土壤磷的吸收。植物根系可以利用根際微生物調(diào)控土壤磷的吸收和利用[5-7]，例如菌根真菌可通過形成根外菌絲以擴大對土壤磷的吸收面積、誘導表達磷轉(zhuǎn)運子、促進植物對外源磷的活化等來提高磷的利用效率和降低代謝過程，進而促使少數(shù)可利用的有機或無機磷直接溶解或礦化[4,8-10](圖1)。

圖1 植物根系耐低磷脅迫響應機制Fig. 1 The response mechanism of plant root to tolerate low phosphorus

植物根系可以適應土壤環(huán)境形成植物、土壤和多樣性微生物群體三者相互協(xié)調(diào)的特定微生態(tài)平衡，微生物群體的結(jié)構(gòu)隨土壤環(huán)境營養(yǎng)成分不同而變化[11]。植物相關聯(lián)的微生物群體會與植物進行營養(yǎng)競爭，而這一競爭關系可能促使植物產(chǎn)量的提高。孢囊叢枝菌根會與植物形成共生體，促進土壤有機磷的活化和利用[12-13]，然而，孢囊叢枝菌根聚集時植物免疫系統(tǒng)與微生物識別因子間的協(xié)調(diào)機制尚未明確。Castrillo等[14]利用磷酸脅迫響應對微生物群體結(jié)構(gòu)的影響，明確了調(diào)控組合型微生物群體出現(xiàn)時擬南芥營養(yǎng)與防御間協(xié)調(diào)的分子機制，并進一步證明了磷酸鹽脅迫響應的主要調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子 (PHR1) 會抑制植物的防御反應。

本文綜述了本領域研究的最新進展，詳細解析了植物體內(nèi)磷脅迫調(diào)控與免疫調(diào)控兩個重要網(wǎng)絡在根際微生物群落影響下發(fā)生的整合調(diào)控，探討了植物體內(nèi)分子應答與根際生態(tài)的互作機制，為開展作物耐低磷及抗病機制的研究和應用提供理論支持。

1 植物與根際微生物間的相互作用

植物種類、土壤類型和根系分泌物會影響根際微生物[15]，植物種類對根際微生物群落與數(shù)量的影響受許多環(huán)境因素的影響，且同種植物也會因基因型不同出現(xiàn)微生物群落差異[16-18]。根際微生物群落主要來自土壤，植物為根際微生物選擇特定的元素，以構(gòu)建利于其生長的根際微生物群落[19-21]。根系分泌物是植物與土壤進行物質(zhì)交換和信息傳遞的重要載體，為土壤微生物提供豐富的營養(yǎng)，微生物會在富含根系分泌物的根際及根表面進行定殖，其中土壤有效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量影響著黑土土壤真菌群落結(jié)構(gòu)[22]。相對而言，根際微生物也會影響植物的生長，根際有益微生物會通過產(chǎn)生激素類物質(zhì)[23]、促進植物養(yǎng)分吸收、增強植株抗性、抑制病原菌生長和誘導植物對生物及非生物脅迫的抗性等方式促進植物的生長。如接種典型的有益微生物菌根真菌不僅促進共生植物根系分泌有機酸和磷酸酶，還能提高植物體對土壤中難溶性磷酸鹽的活化能力[8,12,24]，促進水和礦物質(zhì)的吸收，尤其是磷酸鹽的吸收[25]。

此外，有益微生物群體能利用直接或間接的方式保護植物免受病原體的侵害，但效力受微生物群體的其它成員的影響，且只有抑制病原體微生物的有益微生物數(shù)量充足才能產(chǎn)生正面效果，原因是發(fā)揮反面作用與不發(fā)揮作用的微生物群體都與有益微生物產(chǎn)生競爭關系，且微生物特定的功能作用于特定微生物[26-28]。綜上，微生物群體和它們自身之間的互作共同影響植物的健康 (圖2)[29]。

2 磷饑餓響應與根際微生物間的相互影響

植物擁有的特定物理和化學環(huán)境，為特定微生物類群定殖提供有利條件。微生物的定殖受諸多因素影響，其中最主要的兩個影響因素是植物免疫系統(tǒng)和土壤營養(yǎng)組成[30]。土壤中有效磷的缺乏促使植物發(fā)生磷饑餓響應 (PSR) ，PSR的主要調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子(PHR1)(Myb-CC家族成員[31]) 會在植物發(fā)生磷饑餓響應時從調(diào)控基因與負調(diào)控因子SPX1和SPX2的復合物中解離出來，且調(diào)控基因的產(chǎn)物磷酸轉(zhuǎn)運子PHT1;1和PHT1;4在質(zhì)膜上受PHF1調(diào)控[32]。植物常增加側(cè)根長度以搜尋進入磷酸鹽積累的表層土壤中[33]，以此來提高正磷酸鹽 (Pi) 的吸收率，并與一些土壤微生物群體建立互利關系[34-35]。

Castrillo等[14]利用野生型與PSR突變體擬南芥根部的微生物群體間差異連接PSR和根際微生物；通過植物幼苗時期的莖部Pi含量測定植物PSR強度，揭示了復雜的土壤環(huán)境和微生物會影響植物的Pi代謝活性。同時，不同信號類型的植物PSR突變體聚集的差異微生物群體，進一步證明了植物PSR成分影響根部微生物群體的成分和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究還利用從十字花科根部微生物群體和野生型土壤微生物群體分離得到的35種微生物，通過基因組16S測序方法研究35種微生物的進化關系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進化分布與野生型的土壤微生物群體的進化分布存在高度相似性。將基于此類菌群人工組合的土壤微生物群體分別接種野生型和PSR突變體植株，結(jié)果顯示，人工組合的微生物群體并未改善低磷脅迫下突變體的磷積累量。同時發(fā)現(xiàn)，微生物與植物間的磷營養(yǎng)競爭關系，可能受到植物PSR相關的調(diào)控因子的影響。通過檢測PSR相關轉(zhuǎn)錄標記因子的表達水平，發(fā)現(xiàn)微生物群體在植物體上的定殖能增加磷的積累，并功能性的刺激植物發(fā)生PSR。由此推測，根際微生物誘導植物低磷轉(zhuǎn)錄響應。

3 PHR1直接負調(diào)控植物免疫系統(tǒng)

植物在長期演化過程中形成許多抵抗病原微生物入侵的能力和特性，其中包括植物自身的免疫性[36]。微生物定殖在植物根部會受到植物免疫系統(tǒng)的調(diào)控，植物激素水楊酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 是植物免疫系統(tǒng)的主要調(diào)控子[37]，SA參與的信號網(wǎng)絡控制的微生物會引發(fā)系統(tǒng)和基礎防御響應[38]。phr1;phl1突變體擬南芥在缺磷條件下，人工組合的細菌微生物群體能與植物競爭吸收磷，并引發(fā)植物發(fā)生PSR，植物在響應低磷脅迫與組合型細菌群體時，基因的表達水平發(fā)生了變化，其中包含了大多數(shù)受PHR1調(diào)控的PSR核心標記基因。利用CHIP-seq實驗，證實其涉及的反應網(wǎng)絡富含PHR1直接靶定基因、PHR1啟動子結(jié)合元件和PSR相關的生物過程基因[14]。根部微生物的介入能與植物競爭營養(yǎng)物質(zhì)并誘導植物PSR的發(fā)生，而植物PSR又受到PHR1調(diào)控，從而形成了根部微生物群落協(xié)同變化的PSR。

Castrillo等[14]利用茉莉酸甲酯和SA類似物苯并噻二唑?qū)γ缙跀M南芥野生型、phr1突變體和phr1;phl1突變體進行處理，研究PHR1在調(diào)控植物免疫的功能。兩種突變體中強烈表達的SA響應基因是典型的SA依賴性防衛(wèi)基因，較低表達的SA響應基因中富含可能作用于PSR的基因，缺乏SA依賴的防衛(wèi)基因；兩種突變體中JA響應基因的表達水平較低，內(nèi)含基因已知或被預測參與調(diào)節(jié)防御相關的硫代葡萄糖苷的生物合成[39]，與植物在磷酸鹽饑餓狀態(tài)下硫代葡萄糖苷水平下降的結(jié)果一致[40]；SA、JA響應上調(diào)基因中富含PHR1直接靶標基因，與PHR1調(diào)控基因中同樣富含防衛(wèi)基因一致。響應低磷酸鹽和微生物入侵的差異表達基因中含有SA、JA通路標記基因和植物免疫系統(tǒng)輸出相關基因，PHR1在免疫系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控中發(fā)揮了顯著作用[14]。在植物防御反應中，phr1;phl1突變體PSR水平下降會引發(fā)其相關基因轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化，最終增強植物的免疫功能。因此，微生物引發(fā)PSR的PHR1直接負調(diào)控植物免疫系統(tǒng)[14]。

圖2 根際間互作[29]Fig. 2 Interactions in the rhizosphere

4 根際微生物群落介導植物免疫系統(tǒng)和磷脅迫調(diào)控的整合

缺磷條件下，植物差異表達基因中的PSR標記基因多數(shù)為PHR1靶定基因，微生物入侵引發(fā)的植物PSR會促使PHR1活性增強。phr1;phl1突變體引發(fā)的磷酸饑餓響應會嚴重降低，病原微生物入侵會引發(fā)防衛(wèi)相關基因轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化，增強植物的免疫功能[14]。微生物誘導的植物免疫響應受到抑制時，PHR1會直接激活微生物群體以增強植物的磷酸饑餓響應。因而，缺磷條件會促使根際微生物引發(fā)PHR1調(diào)控的植物PSR和免疫系統(tǒng)。

SA激活基因在phr1;phl1突變體中的表達上調(diào)，與人工組合細菌微生物群體誘導phr1;phl1突變體植株的防衛(wèi)基因強烈表達有明顯的重疊效應，且部分SA激活基因為PHR1靶定基因，而SA是植物免疫系統(tǒng)的重要調(diào)控子[36]，也影響了微生物群落的組分。模擬植物與細菌微生物互作所需的特定條件，利用鞭毛蛋白多肽 (flg22) 處理植物[41]，分析野生型和phr1;phl1突變體植物的基因轉(zhuǎn)錄水平，發(fā)現(xiàn)phr1;phl1突變體中flg22響應基因的表達水平較高，進一步證實PHR1負調(diào)控flg22引發(fā)的免疫響應，根際微生物群落通過調(diào)控PHR1表達整合了植物免疫系統(tǒng)和磷脅迫調(diào)控的網(wǎng)絡通道 (圖3)。

圖3 植物響應微生物入侵的作用通路Fig. 3 The pathways of plant in response to the invasion of microorganisms

5 結(jié)論

植物與根際微生物之間存在復雜的相互作用關系，植物種類、土壤類型和植物根系分泌物影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)；植物關聯(lián)微生物種群誘導缺磷植物發(fā)生PSR，并促使植物調(diào)整解決低有效磷的問題，而PSR的改變又會影響植物根部微生物群體結(jié)構(gòu)。植物PSR發(fā)生所需的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控子PHR1可以直接負調(diào)控免疫系統(tǒng)成分，實驗證明PHR1靶定基因參與了PSR相關過程和植物免疫系統(tǒng)表達調(diào)控的整合。

植物免疫調(diào)節(jié)激素SA還會影響根部微生物群體的結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象的發(fā)生可能是SA利用自我平衡以控制免疫系統(tǒng)的輸出來調(diào)控細菌群造成的；也可能是通過微生物間互作和對根部生理作用的某種影響造成的。目前，有關環(huán)境微生物對植物免疫系統(tǒng)的影響和磷脅迫響應的研究已有大量報道，但有關根際微生物整合免疫系統(tǒng)和磷酸鹽脅迫響應的具體作用機制與通路卻罕見報道。植物營養(yǎng)脅迫響應、免疫功能和微生物的聚集與維持間的協(xié)同合作將驅(qū)動利用微生物增加營養(yǎng)利用效率，為加快推進健康可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論基礎，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向生物多樣性水平更高、自我調(diào)節(jié)性機制更穩(wěn)定的方向邁進。