崔中利， 葉現(xiàn)豐， 張 宇， 徐昌盛， 李周坤， 黃 彥， 曹 慧

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境微生物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095；2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 生物互作與作物健康重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095)

微生物在地球上廣泛分布[1]，其在全球生物量中的比例僅次于植物[2]。土壤作為陸生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)載體[3]，擁有最多樣化和最復(fù)雜的微生物群落，每克土壤中微生物來(lái)源生物量碳的含量超過(guò)0.5 mg，微生物物種超過(guò)50 000種[2-4]。土壤微生物通過(guò)分解和合成有機(jī)物參與全球碳氮磷及其他元素的循環(huán)，通過(guò)互利共生或共棲等方式定殖于植物根部形成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的根際微生物群落從而影響植物營(yíng)養(yǎng)吸收和健康[4]，因此，根際微生物組又被稱為植物的“第二基因組(second genome)”或“擴(kuò)展基因型(extended genotype)”[2]。植物與微生物之間的互作是十分復(fù)雜的。植物能通過(guò)根際分泌物和免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)根際微生物組組成，而根際微生物通過(guò)代謝活動(dòng)參與植物的發(fā)育、養(yǎng)分吸收和脅迫響應(yīng)等諸多過(guò)程[5-6]。盡管越來(lái)越多的根際微生物被報(bào)道具有用作生防菌劑和土壤調(diào)節(jié)劑的潛力，但土壤中微生物與微生物、微生物與植物之間的互作機(jī)制仍不清楚[7]。因此闡明根際微生物與宿主植物及微生物之間的互作機(jī)制，對(duì)利用根際有益微生物發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要意義。而根際微生物群落的組裝結(jié)果除了受植物的影響外，還受外界環(huán)境和農(nóng)藝管理措施的影響[8]。由于溫度和降雨等環(huán)境變化為不可控因素，因此，本文主要通過(guò)近十年的相關(guān)研究討論農(nóng)藝管理，宿主植物及微生物之間的互作對(duì)土壤微生物群落組裝的影響，以及根際微生物組如何影響宿主植物健康。

1 農(nóng)藝管理對(duì)土壤微生物群落的改變

由于土壤微生物群落受土壤濕度、透氣度、pH、營(yíng)養(yǎng)及耕作模式等因素影響[9]，因此，包含機(jī)械翻耕、無(wú)機(jī)及有機(jī)肥料的使用、化學(xué)藥劑及作物輪作等在內(nèi)的農(nóng)藝生產(chǎn)管理措施對(duì)土壤中微生物群落的影響較大。研究表明農(nóng)藝管理對(duì)土壤微生物生物量和多樣性的影響是長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)的，但其在短期內(nèi)能夠直接抑制或刺激某些微生物的生物學(xué)過(guò)程，表現(xiàn)為土壤中總酶活力的改變，該過(guò)程也被稱為農(nóng)藝管理的“副作用(side effect)”[10]。

1.1 肥料使用

農(nóng)藝管理中使用的肥料主要分為無(wú)機(jī)肥料和有機(jī)肥料。Zhou等[11]研究表明無(wú)機(jī)肥料尤其是氮肥的使用能夠顯著降低土壤微生物群落的α-多樣性，但磷肥對(duì)微生物群落α-多樣性的影響較小。無(wú)機(jī)肥料對(duì)土壤微生物的影響主要與肥料使用后土壤pH的改變和直接的營(yíng)養(yǎng)引入有關(guān)。土壤pH酸化對(duì)微生物群落的影響要顯著大于直接營(yíng)養(yǎng)引入對(duì)微生物群落的改變[12]。土壤中微生物生物量分析顯示，在未開(kāi)墾的土地中施用氮肥能夠?qū)е挛⑸锷锪拷档?.8%～15%左右[13]。

相比于無(wú)機(jī)肥料，長(zhǎng)期施用有機(jī)肥料能夠顯著增加土壤微生物生物量和多樣性，增加酸桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)等分類水平上微生物的相對(duì)豐度[14]。如研究人員發(fā)現(xiàn)施用動(dòng)物糞便的土壤中，微生物生物量相比施用無(wú)機(jī)肥料增加了36%～40%[15]。此外，有機(jī)物料的使用能夠調(diào)控土壤中碳氮比，增加土壤中固氮微生物的相對(duì)豐度和固氮酶活性[16]。利用有益微生物制備的生物有機(jī)改良劑也能有效調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[17]，如利用芽胞桿菌進(jìn)行固體發(fā)酵生產(chǎn)的生物菌肥能夠通過(guò)調(diào)控輪作土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)，使其恢復(fù)正常，從而有效降低香蕉枯萎病的發(fā)生[17]。

1.2 作物輪作

農(nóng)作物主要通過(guò)根際分泌物、植物殘?bào)w和共生體改變土壤中碳元素輸入、營(yíng)養(yǎng)成分及土壤結(jié)構(gòu)，并直接或間接改變土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)[18]。輪作被認(rèn)為是一種減少土壤中植物病原菌數(shù)量和降低植物發(fā)病率的有效途徑[10]。得益于和豆科植物共生微生物的固氮作用及其本身較高的含氮量，豆科植物能夠有效改善土壤中碳氮比，因此，和豆科作物之間的輪作被認(rèn)為是輪作的最佳選擇[19]。如Murugan等[19]發(fā)現(xiàn)和豆科作物輪作的土壤能夠顯著增加真菌的生物量及真菌和細(xì)菌比值，但Tiemann等[20]卻得出相反的結(jié)論，研究者發(fā)現(xiàn)真菌和細(xì)菌之間的比值和輪作作物的多樣性指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。Ai等[18]發(fā)現(xiàn)在小麥-玉米向小麥-大豆輪作體系的轉(zhuǎn)變中，真菌的響應(yīng)更活躍，其中糞殼菌綱中的部分科水平上微生物的相對(duì)豐度顯著增加3倍以上。

1.3 耕作方式和化學(xué)藥劑的使用

耕作方式主要通過(guò)改變土壤濕度、通氣量和土壤密度來(lái)影響土壤微生物群落[10]。研究表明，和免耕相比，表層土強(qiáng)烈的機(jī)械翻耕會(huì)導(dǎo)致土壤微生物生物量和酶活的降低[21]，但由于免耕或少耕導(dǎo)致的土壤水分含量過(guò)高會(huì)引起土壤板結(jié)，并最終導(dǎo)致土壤中反硝化微生物豐度上升和反硝化作用增強(qiáng)[22]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的化學(xué)藥劑主要包括除草劑、殺蟲(chóng)殺菌劑等。殺蟲(chóng)劑的使用不僅能顯著降低土壤微生物群落多樣性和微生物生物量，甚至影響土壤酶活性[23]。殺菌劑仍是目前解決植物真菌病害的主要方法。在農(nóng)藝管理中殺菌劑的使用不僅抑制或殺滅植物病原真菌，還會(huì)影響土壤中腐生真菌的生長(zhǎng)[23]。研究表明銅離子殺菌劑的過(guò)量使用導(dǎo)致土壤中銅離子的富集會(huì)顯著降低土壤微生物多樣性和微生物生物量[12]。

2 植物對(duì)土壤微生物群落的調(diào)控

在植物-微生物互作中，根際微生物群落結(jié)構(gòu)不僅受農(nóng)藝管理方式和環(huán)境的影響，而且受植物類型和生長(zhǎng)時(shí)期的影響。植物對(duì)微生物群落的調(diào)控主要通過(guò)根際分泌物的作用。根際分泌物占植物總光合作用固定碳的5%～44%，總植物氮的15%左右，包含多種初級(jí)及次級(jí)代謝產(chǎn)物，如糖、有機(jī)酸、氨基酸和萜類物質(zhì)等[24-25]。這些初級(jí)及次級(jí)代謝產(chǎn)物被植物分泌到土壤招募特定種類的微生物定殖于植物根部，實(shí)現(xiàn)植物抵御生物及非生物脅迫，該過(guò)程也被稱為“cry for help”策略[5,26]。如Zhong等[27]首次從葫蘆科植物中鑒定到葫蘆素B的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MATE，在該轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的作用下葫蘆素B被分泌到根際土中并促進(jìn)腸桿菌的生長(zhǎng)，而腸桿菌又可促進(jìn)植物根際芽胞桿菌的生長(zhǎng)繁殖從而抑制鐮刀菌對(duì)植物的侵染。

2.1 植物生長(zhǎng)代謝對(duì)根際微生物組裝的選擇作用

植物產(chǎn)生并分泌到土壤中的各種代謝產(chǎn)物在微生物到達(dá)和面對(duì)植物免疫反應(yīng)之前就會(huì)影響根際微生物群落的組裝[28]。同時(shí)根際分泌物因植物種類、基因型和發(fā)育時(shí)期而不同，并造成根際微生物群落結(jié)構(gòu)的顯著不同[29]。研究者分析19種基因型的擬南芥根際分泌物，發(fā)現(xiàn)其根際分泌物組成，尤其是芥子油甙、苯丙素類和黃酮類化合物的成分因基因型不同而顯著差異[30]。這些化合物也是造成不同基因型擬南芥在根部組裝特異微生物群落的關(guān)鍵因素。研究者利用多組學(xué)相結(jié)合手段證明植物在不同生長(zhǎng)發(fā)育階段組裝特定的根際微生物組，達(dá)到富集特定微生物功能的目的[31]。如相同基因型的擬南芥在幼苗、營(yíng)養(yǎng)、抽薹和開(kāi)花期根際分泌物組分，尤其是氨基酸、酚類、糖和糖醇類化合物含量存在顯著差異，這也是造成不同生長(zhǎng)期擬南芥根際土中放線菌門(mén)、擬桿菌門(mén)和藍(lán)細(xì)菌相對(duì)豐度顯著差異的主要原因[32]。

植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)匱乏的防御反應(yīng)也能改變根際微生物群落組成。隨著植物中越來(lái)越多與營(yíng)養(yǎng)吸收或轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的基因或蛋白被鑒定，植物通過(guò)招募根際微生物參與植物營(yíng)養(yǎng)吸收的機(jī)制逐漸被解析。如NRT1.1B是造成亞洲秈稻和粳稻的氮素利用效率差異的主要原因，NRT1.1不僅運(yùn)輸硝酸鹽，而且能促進(jìn)根系吸收植物激素類物質(zhì)，從而影響側(cè)根的發(fā)育[26,33]。和NRT1.1B突變株相比，野生型菌株根部有更多微生物參與土壤中氮素循環(huán)。NRT1.1B與土壤中參與氨化過(guò)程的根際細(xì)菌的相對(duì)豐度有關(guān)，這些微生物能催化根際環(huán)境中銨離子的形成，從而促進(jìn)植物對(duì)氮的獲取[6]。豆科植物能夠從根際土中招募固氮微生物形成共生體系促進(jìn)植物對(duì)氮素的吸收利用。研究人員向土壤中接種的外源根瘤菌不僅促進(jìn)了植物的生長(zhǎng)，而且改變了大豆的核心微生物群，增強(qiáng)了根際微生物群落之間的關(guān)聯(lián)性[34]。

2.2 生物脅迫影響植物對(duì)根際微生物組的組裝

植物在整個(gè)生長(zhǎng)周期中會(huì)受到病原體侵染或昆蟲(chóng)取食等各種生物脅迫的威脅，并逐漸馴化出相應(yīng)的抗性機(jī)制[26,35]。其策略之一是植物在受到生物脅迫后通過(guò)改變根際微生物群落以達(dá)到增強(qiáng)脅迫抗性的目的。Ye等[36]在進(jìn)行黃瓜枯萎病的防控實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，向黃瓜根部接種黏細(xì)菌生防菌劑后，黏細(xì)菌EGB能夠調(diào)控黃瓜根部土壤微生物群落，顯著增加溶桿菌、黃桿菌、芽胞桿菌和放線菌等屬微生物的相對(duì)豐度，從而防控鐮刀菌對(duì)黃瓜的侵染。擬南芥葉片在被丁香假單胞菌侵染后誘導(dǎo)根際分泌物中的蘋(píng)果酸的含量顯著上升，招募枯草芽胞桿菌觸發(fā)植物免疫反應(yīng)抵御丁香假單胞菌的侵染[37]。

植物根際分泌物中除糖、氨基酸或糖醇等化合物外，香豆素類、苯并噁嗪類和三萜類化合物在根際分泌物調(diào)控微生物群落中起著關(guān)鍵作用[7]。在植物體內(nèi)香豆素類化合物主要通過(guò)苯丙素類化合物合成途徑合成[38]，主要包括秦皮甲/乙素(esculin/esculetin)[39]、東莨菪素(scopoletin)[39]、秦皮素(fraxetin)[39]和香豆素(coumarin)[38]等。香豆素類化合物不僅被證明與植物鐵吸收有關(guān)[40]，還被證明與植物對(duì)微生物群落調(diào)控、誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性和抵御病原菌侵染直接相關(guān)[38,41]。擬南芥中東莨菪素的產(chǎn)生與分泌受根特異性轉(zhuǎn)錄因子MYB72和β-葡萄糖苷酶基因BGLU42的調(diào)控[38]。和野生型植株相比，myb72、bglu42突變株及東莨菪素的合成基因f6′h1突變株根部的變形菌門(mén)微生物相對(duì)豐度顯著增加，厚壁菌門(mén)微生物的相對(duì)豐度顯著降低[38]。

相比其他植物，苯并噁嗪類化合物在玉米根際分泌物中含量較高，具有吸引根際有益微生物和幫助植物防御病原菌入侵的作用[42]。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)苯并噁嗪類化合物能改變根際細(xì)菌和真菌群落的組裝方式，而且作為“遺產(chǎn)”能夠顯著影響下茬玉米根際微生物群落，誘導(dǎo)變形菌門(mén)和球囊菌門(mén)微生物在根際富集[43]。三萜類化合物是根際分泌物中另一類能夠改變微生物群落結(jié)構(gòu)，招募有益微生物定殖于根部增強(qiáng)植物抗病的化合物[27,44]。如擬南芥寧素(thalianin)和擬南芥啶素(arabidin)基因缺失突變株根部δ-變形菌門(mén)的微生物相對(duì)豐度顯著下降，而擬桿菌門(mén)的相對(duì)豐度顯著上升[44]。

2.3 非生物脅迫對(duì)根際微生物組的影響

植物在生長(zhǎng)環(huán)境中不僅面臨昆蟲(chóng)取食和病原菌侵染等生物脅迫，還會(huì)面臨高鹽、干旱、重金屬污染和營(yíng)養(yǎng)缺乏等環(huán)境帶來(lái)的非生物脅迫[45-46]。面臨非生物脅迫，植物同樣能通過(guò)根際分泌物的改變招募特殊種類的微生物幫助植物增強(qiáng)脅迫抗性。如前所述，植物在缺鐵環(huán)境中能通過(guò)分泌香豆素類化合物增加土壤中可利用鐵含量，促進(jìn)植物對(duì)鐵元素的吸收，而在此過(guò)程中香豆素類化合物的分泌能改變土壤微生物群落，增加放線菌門(mén)微生物的相對(duì)豐度[45,47]。植物來(lái)源MATE家族轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白能轉(zhuǎn)運(yùn)多種次級(jí)代謝產(chǎn)物，如有機(jī)酸、植物激素和生物堿類，在植物抵御生物和非生物脅迫中起著重要作用[27,48]。研究人員發(fā)現(xiàn)大豆在高鋁脅迫下，GmMATE58和GmMATE1基因的表達(dá)增加，促進(jìn)大豆根際分泌物中蘋(píng)果酸、草酸和酚類化合物的分泌，招募根際中的有益微生物，如伯克霍爾德屬微生物的相對(duì)豐度升高[49]，增強(qiáng)大豆對(duì)鋁脅迫的抗性[50]。擬南芥在高鹽脅迫下，植物內(nèi)生細(xì)菌腸桿菌SA187在擬南芥根部定殖并通過(guò)2-酮-4-甲基硫代丁酸(2-keto-4-methlthiobutyric acid, KMBA)激活擬南芥乙烯信號(hào)通路增強(qiáng)擬南芥耐鹽[51]。

3 根際微生物組裝促進(jìn)植物生長(zhǎng)和抗病

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在不斷提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，更注重農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。植物有益微生物與植物互作的研究及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用為化肥和農(nóng)藥減施，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了可能[29]。如根際微生物通過(guò)初級(jí)或次級(jí)代謝產(chǎn)物增加土壤中可用養(yǎng)分的釋放促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)吸收，通過(guò)對(duì)病原菌生長(zhǎng)抑制或誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性增強(qiáng)植物抗病能力[38]，最終實(shí)現(xiàn)促進(jìn)植物生長(zhǎng)和增產(chǎn)。因此，具有特定功能的微生物的篩選及根際微生物對(duì)植物功能基因或表型的“自下而上”的調(diào)節(jié)機(jī)制的研究具有重要意義。

3.1 根際微生物促進(jìn)植物生長(zhǎng)

隨著宏基因組學(xué)的發(fā)展，根際微生物與植物在分子層面的互作機(jī)制逐漸被揭示。根際微生物通過(guò)分泌次級(jí)代謝產(chǎn)物增加土壤中可利用磷或鐵的含量[52]、產(chǎn)生吲哚-3-乙酸(IAA)[53]或具有促生作用的揮發(fā)性化合物[54]、生物固氮[55]、上調(diào)或下調(diào)植物體內(nèi)與生長(zhǎng)相關(guān)基因促進(jìn)植物的生長(zhǎng)。如磷是植物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)元素，根際微生物對(duì)土壤中磷礦化對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)具有重要意義。研究者從小麥根際土中分離到的5株放線菌通過(guò)分泌蘋(píng)果酸和植酸酶等直接參與土壤中磷溶解從而促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)[52]。淺黃假單胞菌(Pseudomonasluteola)和芽胞桿菌屬(Bacillusspp.)微生物能通過(guò)協(xié)同作用增強(qiáng)溶磷效果促進(jìn)龍舌蘭的生長(zhǎng)[56]。

相比于其他促生機(jī)制，微生物通過(guò)固氮作用和IAA產(chǎn)生促進(jìn)植物生長(zhǎng)的研究較早。生物固氮(biological nitrogen fixation，BNF)最經(jīng)典的體系是根瘤菌-豆科植物共生體系，在可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中根瘤菌也被認(rèn)為是替代化學(xué)氮肥最有潛力的菌劑[55]。研究發(fā)現(xiàn)土壤中外源根瘤菌的接種不僅促進(jìn)大豆植株的生長(zhǎng)，也能改變大豆核心微生物群落，增加根際微生物之間的聯(lián)系[34]。除根瘤菌外，具有固氮作用的根際細(xì)菌對(duì)植物的促生作用也被廣泛報(bào)道，如小麥根際細(xì)菌PseudomonasprotegensPf-5 X940 和PseudomonasstutzeriA1501的使用能顯著增加小麥和玉米的產(chǎn)量[57]。微生物來(lái)源生長(zhǎng)素是其促生的一種重要機(jī)制。到目前為止，從革蘭陽(yáng)性和陰性細(xì)菌中分別鑒定到4條和5條IAA的合成途徑[53]。如解淀粉芽胞桿菌SQR9基因組中含有完整的IPyA合成途徑基因[58]。

揮發(fā)性化合物(volatile organic compounds，VOC)是一類具有低分子量(<300 Da)、高蒸汽壓和低沸點(diǎn)的化合物，能廣泛產(chǎn)生于真菌和細(xì)菌，如芽胞桿菌屬，珊瑚球菌屬和毛殼菌屬等[59-60]。微生物來(lái)源揮發(fā)性化合物被廣泛報(bào)道應(yīng)用于拮抗真菌和促進(jìn)植物生長(zhǎng)，如珊瑚球菌屬黏細(xì)菌EGB來(lái)源異辛醇在較低濃度下能完全抑制尖孢鐮刀菌和指狀青霉孢子的萌發(fā)和菌絲生長(zhǎng)[60]。黃綠蜜環(huán)菌(Floccularialuteovirens)產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物能通過(guò)抑制生長(zhǎng)素外排載體PIN2蛋白的相對(duì)豐度增加生長(zhǎng)素在植物體內(nèi)積累從而達(dá)到減少主根生長(zhǎng)和增加側(cè)根數(shù)量的目的[54]。此外，研究者通過(guò)轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，黃綠蜜環(huán)菌來(lái)源的VOC能通過(guò)調(diào)節(jié)與碳/氮代謝和抗氧化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平顯著增加擬南芥地上部分的生物量[54]。

3.2 根際微生物誘導(dǎo)植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性

根際微生物除了通過(guò)分泌抗菌化合物直接抑制植物病原真菌外，還能通過(guò)分泌次級(jí)代謝產(chǎn)物或利用自身組分等讓植物產(chǎn)生對(duì)病原菌的抗性[29,61]?？烧T導(dǎo)的植物抗性包括病原菌激發(fā)的系統(tǒng)獲得性抗性(pathogen-triggered systemic acquired resistance，SAR)和非病原菌誘導(dǎo)的系統(tǒng)抗性(nonpathogenic microbes-induced systemic resistance，ISR)[62]。盡管SAR和ISR途徑中部分響應(yīng)蛋白是相同的，但兩種途徑的激發(fā)子和調(diào)控途徑是不同的[61-62]。其中植物細(xì)胞內(nèi)ISR途徑中模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors，PPR)識(shí)別的微生物相關(guān)模式分子(Microbe-associated molecular patterns，MAMP)主要為細(xì)菌的鞭毛和脂多糖等[63]及真菌細(xì)胞壁中的幾丁質(zhì)和葡聚寡糖等[64-65]。這里我們僅僅討論由根際非病原微生物與植物互作產(chǎn)生的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性在植物抗病中的作用。

1991年Van Peer等[66]在植物抗病實(shí)驗(yàn)中將生防細(xì)菌和病原菌分開(kāi)接種從而避免了生防菌和病原菌接觸導(dǎo)致的對(duì)病原菌的直接拮抗作用，從而證實(shí)了由非致病菌誘導(dǎo)植物產(chǎn)生的系統(tǒng)抗性。熒光假單胞菌WCS417r接種到康乃馨根部時(shí)，能顯著增加植物對(duì)土傳真菌病原菌尖孢鐮刀菌的抗性，并促進(jìn)植物抗毒素在病原菌感染部位的積累[66]。后來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)熒光假單胞菌WCS417能夠通過(guò)分泌小分子化合物抑制鞭毛誘導(dǎo)的植物對(duì)自身的免疫響應(yīng)，但這種免疫信號(hào)級(jí)聯(lián)被系統(tǒng)地啟動(dòng)賦予植株對(duì)病原菌甚至昆蟲(chóng)的廣譜抗性[67-68]。除熒光假單胞菌對(duì)植物的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性研究較清楚外，還有叢枝菌根真菌、芽胞桿菌屬、木霉屬等PGPR(plant growthpromoting rhizobacteria)被報(bào)道能夠誘導(dǎo)植物系統(tǒng)抗性[69]。如在蒺藜苜蓿根部接種叢枝菌根真菌能顯著增加植物對(duì)黃單胞菌的抗性[69]。此外，研究者發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子MYB72及其調(diào)控的β-葡萄糖苷酶BGLU42除了能促進(jìn)植物在缺鐵環(huán)境中對(duì)鐵離子的吸收及調(diào)控植物根際分泌物的分泌外，也參與調(diào)控PGPR觸發(fā)的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性[38,70]。

4 人工合成微生物群落促進(jìn)微生物-植物互作研究

根際微生物組的研究主要包含基于純培養(yǎng)依賴和非依賴以及基于還原主義構(gòu)建合成微生物群落(Synthetic community，SynCom)三種方法[5]。相比于前兩種，SynCom方法除了能在土壤濕度、溫度和營(yíng)養(yǎng)等環(huán)境可控條件下研究群落組成與功能外，還能通過(guò)替換、添加或去除某種微生物分析單一菌株在群落中的功能。微生物的分離鑒定是構(gòu)建SynCom的基礎(chǔ)，Bai等[71]和Zhang等[6]建立的細(xì)菌高通量分離鑒定技術(shù)為此提供了可能。Zhang等[6]利用Illumina HiSeq2500提高測(cè)序深度，并通過(guò)序列雙端標(biāo)記避免嵌合體的形成，成功從水稻根部鑒定到13 512株細(xì)菌分離株，大約覆蓋了70%的可培養(yǎng)細(xì)菌。

大量根際細(xì)菌分離株的鑒定讓研究者從整體角度理解植物微生物群落組成和變化[5, 72]。基于這些細(xì)菌分離株遺傳學(xué)信息構(gòu)建的各種具有代表性的SynCom，讓研究者能在可控條件下研究植物與微生物群落之間的相互作用，解析植物驅(qū)動(dòng)微生物群落組裝的因素，闡明根際微生物組在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的調(diào)控功能及分子機(jī)制[72-73]。如在進(jìn)行植物對(duì)微生物群落定殖選擇性研究時(shí)，研究者分別從百脈根和擬南芥共有的16個(gè)科的根際微生物分離株中分別選取獨(dú)有的16個(gè)屬的細(xì)菌分離株合成由32株細(xì)菌分離株組成的SynCom。在用SynCom分別接種百脈根和擬南芥后，研究者發(fā)現(xiàn)初始來(lái)源于擬南芥的微生物在擬南芥根部顯著富集并定殖，并且相似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在百脈根上。結(jié)合植物轉(zhuǎn)錄組分析，研究者發(fā)現(xiàn)宿主對(duì)根際微生物定殖的選擇性主要由植物免疫調(diào)節(jié)因子、MAMP受體激酶和乙烯響應(yīng)因子決定[74]。反之，根際微生物也通過(guò)MAMP參與植物免疫調(diào)節(jié)(MAMP-triggered immunity，MTI)[75]。Teixeira等[75]從擬南芥根部鑒定到多株能強(qiáng)烈抑制MTI的細(xì)菌分離株，這些分離株無(wú)論是單菌株還是SynCom均能選擇性抑制包括受體和轉(zhuǎn)錄因子等在內(nèi)的關(guān)鍵免疫基因，從而增加其他細(xì)菌在擬南芥根部的穩(wěn)定定殖。

SynCom同樣能被用來(lái)研究微生物與微生物之間的相互作用。如Niu等[76]利用從玉米根部分離的7株具有代表性的細(xì)菌分離株構(gòu)建簡(jiǎn)單的SynCom研究植物及微生物之間互作過(guò)程對(duì)群落組裝的影響，結(jié)果顯示Enterobactercloacae從SynCom中去除能直接導(dǎo)致SynCom的崩潰，說(shuō)明了Enterobactercloacae在群落組裝中的關(guān)鍵作用。Carlstr?m等[77]用62株細(xì)菌分離株構(gòu)建SynCom，以研究菌株在植物根際的定殖順序?qū)θ郝浣Y(jié)構(gòu)的影響，研究人員從SynCom中去除一株或多株細(xì)菌分離株能顯著改變微生物群落結(jié)構(gòu)，但向穩(wěn)定的SynCom中添加移除的菌株并不能顯著改變?nèi)郝涞慕Y(jié)構(gòu)，該效應(yīng)被稱為細(xì)菌定殖的優(yōu)先效應(yīng)。盡管SynCom極大促進(jìn)了微生物與微生物、微生物與植物互作研究，但由于SynCom的復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于自然土壤群落，導(dǎo)致了微生物群落中可能的重要成員的缺失和自然條件下復(fù)雜微生物群落互作的不可重復(fù)[29]。

5 展 望

解析微生物與植物及微生物與微生物之間的互作機(jī)制，對(duì)利用根際微生物促進(jìn)植物健康、增加作物產(chǎn)量、實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文重點(diǎn)總結(jié)了農(nóng)藝管理措施，植物生長(zhǎng)過(guò)程中生物和非生物脅迫對(duì)根際微生物群落組裝方式的改變，以及根際微生物與植物互作對(duì)植物健康的影響。大量的研究結(jié)果證明了植物根際微生物在促進(jìn)植物生長(zhǎng)和抗病方面的重要性，并揭示了根際微生物與植物之間的復(fù)雜聯(lián)系。除此之外，包括宏基因組和代謝組在內(nèi)的多組學(xué)技術(shù)極大促進(jìn)了研究者對(duì)植物與微生物互作機(jī)制的研究與理解，基于還原主義的SynCom為我們解析根際微生物組的功能擴(kuò)展了思路。但自然土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性和自然環(huán)境不可控因素仍是阻礙我們對(duì)土壤微生物定殖、微生物與植物互作研究最主要的因素。因此，未來(lái)的研究應(yīng)該包括以下方向：①基于大數(shù)據(jù)分析將微生物表型與多種植物聯(lián)系起來(lái)，分析不同植物根際微生物的特性與共性，解析產(chǎn)生原因；②開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的技術(shù)和方法進(jìn)行根際微生物的高通量分離鑒定，揭示根際微生物組裝的復(fù)雜機(jī)制；③分析有益微生物長(zhǎng)期使用對(duì)本地微生物群落組裝及植物表型的影響。此外，我們應(yīng)該重視理論到實(shí)踐的轉(zhuǎn)變，用已取得的成果指導(dǎo)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。