孫雨 常晶晶 田春杰

（中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所黑土區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)重點實驗室，長春 130102）

作物微生物組包括葉、莖、根不同部位的所有微生物基因資源，是作物的“第二套基因組”［1］，不僅蘊含著改變作物生長發(fā)育的重要遺傳資源，更是作物和環(huán)境作用的紐帶，是物質(zhì)循環(huán)生態(tài)鏈不可分割的一環(huán)，在提升作物產(chǎn)能、維護生態(tài)平衡中發(fā)揮著不可替代的作用［2］。隨著微生物組研究技術包括現(xiàn)代測序技術及分析平臺的快速發(fā)展，關于作物微生物組的研究也逐漸深入，并受到越來越多的重視。例如，國際公布的未來農(nóng)業(yè)發(fā)展中最具潛力的五個領域中，農(nóng)業(yè)微生物組研究是其中之一［3］；在2017年啟動的“中國科學院微生物組計劃”中，農(nóng)作物微生物組也是重要研究內(nèi)容之一［4］。

根際是作物-微生物相互作用最為活躍的區(qū)域，土壤微生物與作物地下部分發(fā)生能量和物質(zhì)交換：作物將光合作用固定的碳以根系分泌物和植物殘體的形式釋放到根際土壤，為微生物提供養(yǎng)分和基質(zhì)［5］；微生物則通過直接或間接的方式，如促進根系養(yǎng)分吸收［6］、提高作物環(huán)境適應性［7］、調(diào)控作物免疫反應［8］等，影響作物的營養(yǎng)代謝和抗逆性能，并最終決定作物的生長發(fā)育。目前，科學家圍繞多種作物的根際微生物群落結構和功能變化特征展開了一系列研究，包括玉米［9］、水稻［10］、小麥［11］、大豆［12］和向日葵［13］等。

近年來，利用微生物技術促進作物營養(yǎng)代謝、提高作物抗逆性能等越來越被重視，特別是針對作物抗病能力，在減施/不施農(nóng)藥前提下，微生物技術因其靈活性、有效性、以及降低食品安全隱患而被接受［14］。但傳統(tǒng)微生物技術常常局限在單株菌的分離、培養(yǎng)和利用，而可培養(yǎng)微生物數(shù)量有限，不足總量的3%-5%［15］，極大限制了抗逆菌株的應用。跨越傳統(tǒng)的思路和技術局限，當前針對作物微生物組的研究提供了從微生物組層面尋找解決這一問題的可能：對根際微生物組進行改良、重組和構建。雖然根際微生物組的功能研究已經(jīng)取得了一定進展，并在此基礎上探索了微生物組的人工模擬和重建［16］，但是，根際微生物組重組構建相關技術體系的打造仍處在初期探索階段，存在巨大提升空間。

當前在技術上想完全復制任何一種作物的微生物組都似乎不大可能。在現(xiàn)有條件下，努力突破以往單株或單類菌的局限性，盡可能實現(xiàn)微生物組綜合體系的運用則是比較實際的策略。以往的生產(chǎn)實踐中，有些已經(jīng)蘊含著作物微生物組改良和重組的思路。但是，由于具體目標的側重點不同，并沒有突出和強化“微生物組”的改變。那么，當前有哪些可能的策略有助于實現(xiàn)作物根際微生物組改良和重組的目標？在前人探索基礎上、并結合我們自己的經(jīng)驗和思考，以提高作物抗病能力為例，我們歸納了3種可能實現(xiàn)根際微生物組改良、重組和構建的技術構想（圖1），希望能夠為科研工作者提供一定的啟發(fā)和借鑒。能否真正實現(xiàn)應用推廣，還需要在不斷實踐的基礎上，進一步提升和完善相關細節(jié)。

1 土壤菌懸液接種法

圖1 作物根際微生物組改良和重組的三種技術體系的初步構想

借鑒傳統(tǒng)微生物分離、培養(yǎng)和回接的模式，用根際微生物組菌群代替單株菌對目標作物進行接種。針對根際微生物組，可以采用土壤菌懸液，能夠在較大程度上保留微生物組的類群，包括類群間的比例關系。Yan等［17］系統(tǒng)研究了不同稀釋濃度的土壤菌懸液接種后的植物根際微生物群落結構和功能的變化，結果表明，利用土壤菌懸液接種可以有效獲得原始土壤微生物組絕大多數(shù)組成類群，包括變形菌（Proteobacteria）、放線菌（Actinobacteria）、擬桿菌（Bacteroidetes）、酸桿菌（Acidobacteria）、疣微菌（Verrucomicrobia）、浮霉菌（Planctomycetes）和厚壁菌（Firmicutes），占微生物類群總量的90%以上；此外，特定的稀有類群在高倍稀釋的土壤菌懸液中依然能夠保留。Panke-Buisse等［18］研究發(fā)現(xiàn)，使用特定表型擬南芥（開花時間不同）的根際土壤懸液接種其他擬南芥植株能夠改變目標植株的開花時間，證實了土壤菌懸液接種能夠通過作物根際微生物組進而改變宿主性狀。當前，已有研究表明，使用健康土壤菌懸液接種特定植株，可以增強植株抗病免疫能力［19］。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)管理方法中，“客土法”已蘊含了微生物組改良的思路，如李集勤等［20］將紅砂土作為“客土”摻混沙泥田耕層土壤，顯著降低了煙草青枯病的發(fā)病率，其主要原因之一是紅砂土中含有大量放線菌，能夠改善煙草根際微生物群落結構，增強植株對青枯病原菌的拮抗能力。由于該方法引入了非原位土壤，對“客土”的土壤質(zhì)量要求較高，而土壤菌懸液接種法能夠一定程度上降低土壤因素帶來的影響，有利于突出微生物組重組改良的功效。

土壤菌懸液接種法的關鍵在于菌懸液的制備過程，van de Voorde等［21］對土壤菌懸液的制備方法進行了研究，比較了經(jīng)1 mm篩和20 μm篩過濾的菌懸液接種后植物的生物量，發(fā)現(xiàn)后者對植物的促生長效果更顯著。這一結論表明，菌懸液制備方式能夠顯著影響接種效果。此外，土壤菌懸液接種后通常也會需要一個富集、培育的過程，才可以達到預期的微生物數(shù)量。Chang等［19］的研究表明，使用黑土菌懸液接種滅菌后的土壤，需要經(jīng)過48 d的溫室培育過程，才可以促進微生物組在目標土壤中獲得足夠量的積累，使其具備黑土微生物類群結構。無論是菌懸液的制備還是富集過程，雖然跨越了單株菌的分離培養(yǎng)，依然會導致微生物類群的丟失，但相對來說可以在較大程度上實現(xiàn)微生物組的模擬構建。在這一過程中，可以融合傳統(tǒng)方法得到的抗病菌株以提高改良效果。由于微生物間的相互作用關系在調(diào)控根際微生物群落結構和功能方面起到重要作用［22］，影響著微生物組的生態(tài)服務功能，因此，在微生物組的應用中，微生物之間的相互作用關系也是需要考慮的重要因素。在具體實踐中，我們可以首先篩選能夠分離培養(yǎng)的抗病微生物，再結合土壤菌懸液的使用，尤其關注抗病菌株與土壤菌懸液的配比和組合，以尋求最優(yōu)改良效果。

2 作物間作/套種法

如果說土壤菌懸液接種法中人為選擇還發(fā)揮著主導作用，作物間作/套種法則更多發(fā)揮作物本身對微生物組的選擇作用，通過作物-作物之間的交流實現(xiàn)微生物組的重組，進而達到改良效果。叢枝菌根真菌和作物的互作研究已經(jīng)證實，真菌的菌絲橋不僅可以實現(xiàn)不同植物間的營養(yǎng)傳遞，而且能夠?qū)崿F(xiàn)抗病信號的傳遞，提升作物整體免疫力［23］。

作物間作/套種法的關鍵在于通過調(diào)整不同作物的聯(lián)合種植模式，將抗逆作物微生物組有效輸入到目標作物根際，進而實現(xiàn)根際微生物群落的重組和改良，起到提升作物抗逆性能的效果。目前，已有研究報道了間作對作物根際微生物群落結構及作物抗病能力的影響。Jin等［24］發(fā)現(xiàn)與單作黃瓜相比，小麥間作的黃瓜根際微生物組中厭氧繩菌（Anaerolineae）、δ-變形菌（Deltaproteobacteria）、浮霉菌（Planctomycetacia）等豐度較高，而α-變形菌（Alphaproteobacteria）和藍細菌（Cyanobateria）等豐度較低。此外，小麥與黃瓜的間作提高了有益菌（如假單胞菌屬Pseudomonasspp.和原囊菌屬Archangiumspp.等）在黃瓜根際的定殖比例，改良了黃瓜根際微生物組的群落結構，進而提高了黃瓜對枯萎病的抗病能力［24］。

研究表明，由于生存環(huán)境嚴苛，野生作物的根際微生物組中往往蘊含著豐富的抗病微生物資源，在作物抗病中具有重要的應用潛力，可以利用其實現(xiàn)栽培作物抗?。?5］。因此，針對作物微生物組的改良目的，微生物組輸出源可以是抗病品種及野生作物［26-27］。可以將野生作物和栽培作物（包括已有抗病品種）合理搭配組合，通過彼此之間的交流，將野生作物富集的微生物組輸入到栽培作物，進而提升栽培作物的抗病能力。這里的關鍵在于如何促進微生物組在不同植物間的有效傳遞，而這一關鍵點正是目前仍在探索的地方，在技術上暫時沒有實現(xiàn)大的突破。此外，還需要考慮現(xiàn)實生產(chǎn)中如何避免混種或者套種帶來的外源作物與目標作物競爭生長所必需的營養(yǎng)、光照、水分等情況［28］；且為了促進輸出源微生物組的有效抗病性，是否以及如何實現(xiàn)對輸出源微生物組進行先期抗逆誘導等；這些細節(jié)是完善該項技術體系打造的重要內(nèi)容，需要在理論探索基礎上不斷地實踐摸索。

3 土壤記憶法

決定微生物組類群結構和功能的兩個主要因素是土壤和作物，上面的方法探討了作物的選擇作用潛在的應用可能。此外，我們還可以考慮借助土壤的某些特性，如“土壤記憶”在改良作物根際微生物組中的作用。

土壤記憶法闡述的是，土壤賦予給植物的微生物組類群常常傾向于沿襲上一代在該土壤中生長的植物所具有的微生物組，也就是所謂的“記憶”。Wei等［29］研究了健康植物和患病植物根際土壤對下一代植物的影響發(fā)現(xiàn)，健康植物根際土壤能夠顯著降低下一代植物的發(fā)病率，為“土壤記憶”提供了最直接的證據(jù)。此外，Raaijmakers和Mazzola［30］在2016年提出了 “土壤免疫”的概念，指出土壤對植物病原菌也具有識別和記憶的功能，一些“抑病土壤”能夠在病原菌再次侵染植物時表現(xiàn)出對病原菌的抑制作用，幫助植物抵抗病原菌。而“土壤免疫”的形成與上一代植物被病原菌感染后特異性招募的拮抗微生物菌群以及進而構建的抗病根際微生物組密切相關，且微生物間互作關系也在其中發(fā)揮關鍵作用［8，31］。

由于病原菌同樣可以通過“土壤記憶”傳遞［32］，因此在實際應用中，為了避免發(fā)病，上一代種植的植物最好是抗病品種、或者是爆發(fā)該病害概率較小的其它作物類型，既能一定程度避免土壤中病原菌的傳遞，又能夠?qū)⒖共∑贩N根際富集的微生物組進行有效的利用［33-34］。對黑土農(nóng)田微生物的研究，證實了 “一方水土養(yǎng)一方微生物”的生態(tài)學特征，也意味著土壤是決定作物微生物群落結構和功能的重要因素［35］。若將土壤記憶法應用到作物根際微生物組的改良、重組和構建中，關鍵在于尋找合適的輪換作物，以及需要以健康土壤作為培育最初優(yōu)良微生物組的基礎，最終的效果是土壤和作物聯(lián)合作用的綜合體現(xiàn)。

4 展望

除了以上提到的土壤和作物兩個主要因素之外，農(nóng)業(yè)水資源［36］、大氣資源［37］等也都可能影響著作物微生物組的類群和功能。此外，農(nóng)田管理措施如秸稈還田［38］、減肥增效［39］、調(diào)整種植結構［40］等，也會在不同程度上改變作物根際微生物組，只是改變方向及可控性還需要詳細探索。

綜上，本文在前人實踐經(jīng)驗的基礎上，特別是以“客土法”、“作物間作法”和“作物輪作法”等生產(chǎn)實踐操作為依據(jù)，初步歸納和探討了3種根際微生物組改良和重組的技術構想，將傳統(tǒng)技術中涉及微生物組的內(nèi)容更為具體和清晰化，目的在于引導科研工作者積極思考，并針對現(xiàn)有技術的不足開展相關工作，共同推進根際微生物組改良重組技術體系的打造和完善。未來進一步探索根際微生物組改良和重組的技術體系，可以考慮在宏基因組基礎上的功能解析、高通量測序基礎上的核心類群鑒定、并結合傳統(tǒng)分離培養(yǎng)中高效菌株的培育和改良等綜合手段，把作物學、土壤學以及生態(tài)學等的相關知識有效融合，打造高效根際微生物組改良技術體系，提升作物生產(chǎn)力。