吳昌昊, 劉敬澤

(河北師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院,河北 石家莊 050024)

土壤是地球上最多樣的生態(tài)系統(tǒng)之一,細(xì)菌、真菌、古菌、病毒和原生動(dòng)物等構(gòu)成土壤微生物群落.土壤微生物種類、數(shù)量繁多,但大多集中在僅占土壤總體積1 %的小區(qū)域中[1].這類小區(qū)域被稱為微生物熱區(qū)(hotspots),主要包括根際(rhizosphere)、碎屑周際(detritusphere)、生物間隙(biopores)和土壤團(tuán)聚體表面(soil aggregate surfaces),為微生物提供定殖位點(diǎn)和有機(jī)物輸入,并通過水分、氧氣和營養(yǎng)影響微生物活動(dòng)[2].

根際是與根部相距1～3 mm受根際分泌物影響的土壤區(qū)域,是地球上最復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)之一,為植物和微生物互作提供了生態(tài)位[3-4].與根際有關(guān)的所有微生物總稱為根際微生物組(rhizosphere microbiome),不僅包括菌根真菌、固氮細(xì)菌、生物防治微生物等有益微生物,還包括土傳植物病原體等有害微生物[5].植物在一定程度上依靠根際微生物群落實(shí)現(xiàn)特定功能,植物在根際環(huán)境沉積部分光合固定碳,為根際微生物群落提供養(yǎng)分并影響其組成和活動(dòng).根際微生物多樣性對于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要[6].因此,根際微生物與植物間的復(fù)雜互作備受關(guān)注.本文綜述了近年來根際微生物群落組裝影響因素、根際微生物增強(qiáng)植物適應(yīng)性的主要機(jī)制,對農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)建設(shè)具有一定參考價(jià)值.

1 根際微生物群落組成的主要影響因素

1.1 植物影響根際微生物群落組成

大多數(shù)根際微生物依賴植物根部向周圍土壤分泌的多種化合物生存.這些根際分泌物主要是有機(jī)酸和糖類,還包括氨基酸、脂肪酸、維生素和其他次生代謝物等[4],占總光合固定碳的5 %～21 %[7],其中某些信號(hào)分子(如黃酮類化合物、獨(dú)腳金內(nèi)酯、倍半萜烯等)對植物-根際微生物互作有重要的調(diào)節(jié)作用,是調(diào)節(jié)根際微生物多樣性和活性的主要驅(qū)動(dòng)力[8].

植物根際分泌物的組成、質(zhì)量和數(shù)量隨植物種類、生長階段、營養(yǎng)狀況,甚至根的不同部位而變化[9-10].不同植物的根際微生物群落存在差異[11],同一物種的不同基因型的植物根際分泌物的成分也可能不同,形成不同的根際微生物群落.例如,M?nchgesang等[12]發(fā)現(xiàn)擬南芥(Arabidopsisthaliana)的19種基因型具有不同的根際分泌物,主要差異是硫代葡萄糖苷、類黃酮和苯丙烷的含量不同,每種基因型都能形成特定的根際微生物群落.根際分泌物與植物生長階段有關(guān)[13-14]，同一植物根系不同發(fā)育階段會(huì)通過養(yǎng)分有效性改變根際微生物群落結(jié)構(gòu).在根伸長期植物根際分泌活動(dòng)旺盛,能夠緩解根區(qū)碳源競爭,引起富營養(yǎng)微生物(r策略)大量增加；隨著根系成熟分泌物逐漸減少,根際微生物群落組成向寡營養(yǎng)類群(k策略)轉(zhuǎn)變[15].有研究表明,相比根齡,植物地上部分發(fā)育階段引起的根際分泌模式改變對根際微生物群落的驅(qū)動(dòng)作用更強(qiáng)[13].此外,植物營養(yǎng)狀況、非生物脅迫和病原體攻擊等因素會(huì)通過改變分泌物組分和數(shù)量塑造根際微生物群落[16-18].近期研究發(fā)現(xiàn),根際微生物群落似乎還受到晝夜循環(huán)的影響.Hubbard等[19]發(fā)現(xiàn)生物鐘功能失調(diào)對擬南芥根際微生物群落(尤其是稀有類群)具有強(qiáng)烈影響；還有研究認(rèn)為根系光周期和暗周期分泌物樣品的有機(jī)質(zhì)組成顯著不同[20].這些近期研究表明植物根際分泌與其介導(dǎo)的根際微生物群落變化存在某種“晝夜節(jié)律”.

總之,根際分泌物的種類和質(zhì)量因植物物種、基因型、發(fā)育階段、植物生理差異以及時(shí)空異質(zhì)性不同而異,與根際微生物群落的組裝密切相關(guān),是補(bǔ)充和調(diào)節(jié)根際微生物群落的關(guān)鍵因素.

1.2 環(huán)境影響根際微生物群落組裝

除植物根系分泌物外,土壤理化性質(zhì)的差異也是塑造根際微生物群落的主要因素.土壤類型[21]、養(yǎng)分含量及可用性[22]、土壤pH值[23]、含水量[24]、孔隙度及團(tuán)聚體[25]和微生物互作等差異為某些微生物類群創(chuàng)造了適宜的生境,從而影響根際微生物的多樣性及豐度[26-28].

農(nóng)藥殘留和其他環(huán)境污染物對根際微生物群落存在較大影響,主要分為直接影響和間接影響.直接影響體現(xiàn)在富集特定的微生物類群,如Xu等[29]通過高通量測序?qū)κ┯幂ソ?阿特拉津)的土壤進(jìn)行分析,其中有3種OUT分類單元得到富集,注釋結(jié)果分別是Halobacillus_uncultured，Bacillusdecolorationis和Cesiribactersp.JJ02.間接影響則表現(xiàn)為通過影響植物根際分泌物改變根際微生物群落.例如,用禾草靈處理水稻幼苗后顯著增加根際氨基酸、有機(jī)酸和脂肪酸的分泌,引起Massilia和Anderseniella相對豐度增加,改變根際微生物的豐富度和多樣性[30].其他多種環(huán)境污染物諸如重金屬[31]、多環(huán)芳烴[32]和抗生素[33]等也可影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu).

植物病原體感染改變根際微生物群落.例如,用細(xì)菌性植物病原體Pseudomonassyringae接種擬南芥葉片可改變根系分泌模式,通過增加氨基酸、核苷酸和長鏈有機(jī)酸的分泌，減少糖、醇和短鏈有機(jī)酸的分泌能夠顯著富集更多有益根際微生物,協(xié)助擬南芥抵抗土壤中病原體[34].沙生苔草(Carexarenaria)感染鐮刀菌(Fusarium)后在根際釋放一組揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds,VOCs),能夠促進(jìn)形成不同于健康植物的特殊根際微生物群落[35].

總體而言,宿主根際分泌物和土壤因素是根際微生物群落組成的重要驅(qū)動(dòng)因素,但仍有未知的關(guān)鍵因素參與這一過程.目前對生物和非生物因素如何影響根際微生物群落組裝的認(rèn)識(shí)較為匱乏.

2 根際微生物對植物生長和健康的促進(jìn)作用

Gopal等[36]認(rèn)為,微生物的生態(tài)服務(wù)對植物整體適應(yīng)性有巨大貢獻(xiàn).有益根際微生物通過多種機(jī)制促進(jìn)植物生長并維持植物健康,包括促進(jìn)植物營養(yǎng)吸收、增強(qiáng)植物抗逆性、調(diào)節(jié)植物生理并抵御土傳病害,這類微生物統(tǒng)稱為植物生長促進(jìn)微生物(plant growth-promoting microorganisms,PGPM).此外,根際微生物群落還包括對植物生長有害的病原微生物.

2.1 促進(jìn)植物營養(yǎng)吸收

2.1.1 氮

生物固氮(biological nitrogen fixation,BNF)過程是基于微生物的固氮酶系統(tǒng),可將大多數(shù)植物無法直接利用的氮轉(zhuǎn)化為植物根系易吸收的氨.生物固氮的典型實(shí)例是豆科植物和根瘤菌(Rhizobium)的共生關(guān)系[37].除上述實(shí)例外,還有多種營內(nèi)生或自由生活的固氮根際細(xì)菌類群,如慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)、固氮菌屬(Azotobacter)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、固氮螺旋菌屬(Azospirillum)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、伯克霍爾德菌屬(Burkholderia)和無色桿菌屬(Achromobacter)等,它們可增強(qiáng)植物對氮的利用能力,提高植物地上和地下生物量[38-39].一些根際微生物在提供氮的同時(shí),改變植物根部礦物質(zhì)的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng).例如,芽孢桿菌可上調(diào)擬南芥硝酸鹽轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白NRT1,NRT2和 NH4+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白AMT1的轉(zhuǎn)錄水平,促進(jìn)擬南芥對氮的吸收[40].

2.1.2 磷

磷是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的主要限制元素之一,土壤中80 %以上的磷都無法直接被植物吸收利用[41].磷缺乏不僅抑制植物生長發(fā)育,還降低生物固氮的固氮效率[42].土壤中的磷元素以有機(jī)磷(Po)和無機(jī)磷(Pi)的形式存在.土壤有機(jī)磷主要來源于生物組織,如核苷酸、磷脂、輔酶等生物分子,占土壤總磷的很大部分.無機(jī)磷則多以穩(wěn)定的礦物質(zhì)形式存在,如磷灰石、磷酸鋁等.根際微生物可實(shí)現(xiàn)磷酸鹽增溶,緩解植物磷缺乏[43].它們通過釋放磷酸酶、有機(jī)酸等途徑礦化有機(jī)磷、溶解無機(jī)磷.

根際微生物可通過釋放磷酸酶水解有機(jī)磷.磷酸酶包括磷酸二酯酶和磷酸單酯酶,分別對有機(jī)磷化合物中的磷酸二酯和磷酸單酯鍵進(jìn)行去磷酸化,在土壤有機(jī)磷礦化過程中發(fā)揮主要作用[44].磷酸單酯酶(EC 3.1.3.-)是最豐富的一類細(xì)胞外磷酸酶[45],主要包括堿性磷酸酶(ALP,EC 3.1.3.1)、酸性磷酸酶(AP,EC 3.1.3.2)和植酸酶(EC 3.1.3.8,EC 3.1.3.26).根際微生物釋放的有機(jī)酸則在無機(jī)磷溶解中起重要作用.溶磷有機(jī)酸主要包括檸檬酸、蘋果酸和草酸等[46].有機(jī)酸的羧基通過陽離子置換或競爭吸附位點(diǎn)與磷結(jié)合,實(shí)現(xiàn)磷增溶.

溶磷細(xì)菌如假單胞菌屬、芽孢桿菌屬等是土壤中最大的溶磷微生物類群,可通過胞外多糖(exopolysaccharides,EPS)與有機(jī)酸聯(lián)合作用促進(jìn)無機(jī)磷溶解[47].相比于溶磷細(xì)菌,真菌對磷溶解的作用更加強(qiáng)烈.叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是根際普遍存在的植物生長促進(jìn)微生物,可通過菌根增大接觸面積,與植物根際分泌物協(xié)同招募根際溶磷微生物,提高植物對磷和其他礦物質(zhì)養(yǎng)分的吸收[48-49].此外,菌根還創(chuàng)造穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體,改善土壤結(jié)構(gòu)[50].

2.1.3 鐵

鐵在土壤中含量豐富,但在中性至堿性條件下通常以植物難以利用的Fe3+形式存在.因此植物演變出多種途徑增強(qiáng)鐵獲取.首先,雙子葉和非禾本科單子葉植物通過鐵氧還原酶(FRO基因編碼)還原Fe3+,再由鐵調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(IRT或RIT基因編碼)將Fe2+轉(zhuǎn)移至根部.質(zhì)膜質(zhì)子泵(AHA基因編碼)釋放的質(zhì)子則會(huì)使根際微環(huán)境酸化,增加Fe3+溶解度[51].其次,一些植物根系可釋放鐵螯合劑,如麥根酸(mugineic acids,MAs),結(jié)合并吸收鐵[52].

土壤中的鐵和磷通常均以低溶解度礦物質(zhì)(紅磷鐵礦或磷鐵礦)形式存在,溶磷微生物釋放的有機(jī)酸可同時(shí)兼顧鐵和磷增溶[53].此外,植物可在鐵缺乏條件下使用螯合在微生物鐵載體的鐵.例如,熒光假單胞菌(Fluorescentpseudomonads)特有的鐵載體熒光嗜鐵素(pyoverdine)對Fe3+有很高的親和性,可促進(jìn)植物鐵吸收[54].根際微生物還通過上調(diào)植物鐵獲取相關(guān)基因表達(dá)以提高鐵還原酶活性，促進(jìn)植物鐵載體合成,加強(qiáng)植物鐵營養(yǎng)[55-56].

2.2 增強(qiáng)植物抗逆性

根際微生物幫助植物緩解非生物脅迫,提高植物在極端環(huán)境中的生存能力[57].例如,枯草芽孢桿菌(Bacillussubtilis)GB03菌株釋放一組揮發(fā)性有機(jī)化合物,能夠使高親和力K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白1表達(dá)(HKT1)在擬南芥根部下調(diào)、芽中上調(diào),誘導(dǎo)擬南芥對鹽脅迫的耐受性,減少全株Na+積累[58].Ahmad等[59]的研究顯示,在鹽分脅迫下用哈茨木霉處理印度芥菜(Brassicajuncea),可改善植物對必需營養(yǎng)元素的吸收,促進(jìn)抗氧化劑和滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)積累并減少Na+吸收.

2.2.1 干旱和鹽脅迫

干旱引起強(qiáng)滲透脅迫；增加土壤異質(zhì)性、限制養(yǎng)分的獲?。辉黾油寥乐醒鯕夂?通常導(dǎo)致微生物生物量大幅下降.鹽脅迫引起離子失衡并在植物中產(chǎn)生高活性氧(reactive oxygen species,ROS),導(dǎo)致離子毒性和氧化應(yīng)激,抑制植物生長、發(fā)育,造成植物衰老和死亡.已有研究證明微生物可通過產(chǎn)生胞外多糖以及某些植物激素等方式提高植物對干旱和鹽脅迫的耐受性[60-61].

干旱脅迫下,根瘤菌分泌的胞外多糖可調(diào)節(jié)植物細(xì)胞代謝,提高植物耐旱性[62],受影響的植物會(huì)積累脅迫反應(yīng)性滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，如脯氨酸、氨基酸和海藻糖等.例如,假單胞菌菌株P(guān)S01合成的胞外多糖通過調(diào)節(jié)應(yīng)激反應(yīng)基因的表達(dá)減輕鹽脅迫對擬南芥的傷害[63].

多種根際微生物可合成植物激素,參與調(diào)節(jié)植物發(fā)育中多種生理、生化過程[64].以植物激素吲哚乙酸(IAA)和脫落酸(ABA)為例：

吲哚乙酸是最豐富和活躍的植物生長激素之一[62].根際植物生長促進(jìn)微生物產(chǎn)生的吲哚乙酸調(diào)節(jié)植物細(xì)胞滲透壓,緩解非生物脅迫.在干旱脅迫下,外源吲哚乙酸處理可提高白三葉草(Trifoliumrepens)相對含水量和總?cè)~綠素量,上調(diào)生長素應(yīng)答基因GH3.1，GH3.9，IAA8和干旱脅迫響應(yīng)基因bZIP11，DREB2，MYB14表達(dá),下調(diào)生長素應(yīng)答基因GH3.3，GH3.6，IAA27和葉片衰老基因SAG101和SAG102表達(dá),緩解植物干旱脅迫、減輕干旱對植物造成的損傷[65].鹽脅迫下,由芽孢桿菌菌株SR-2-1產(chǎn)生的吲哚乙酸通過增加K+和Ca2+獲取、減少Na+獲取,正向調(diào)節(jié)Na+/K+流出,最終增加馬鈴薯(Solanumtuberosum)耐鹽性和塊莖重量[66].根際微生物還通過產(chǎn)生吲哚乙酸下調(diào)植物開花基因表達(dá),延緩擬南芥開花,幫助植物減輕由氣溫變化、干旱、鹽脅迫等造成的危害,進(jìn)一步促進(jìn)植物生長[67].此外,微生物合成的吲哚乙酸可通過刺激植物免疫減輕非生物脅迫引起的不利影響[68].

脫落酸是另一種重要的植物激素,通常在受到缺水脅迫時(shí)產(chǎn)生和分泌.與吲哚乙酸不同,脫落酸通過調(diào)節(jié)植物的蒸騰作用和氣孔行為應(yīng)對干旱脅迫.暴露于缺水環(huán)境的植物在根部合成脫落酸,并轉(zhuǎn)移到植物的地上部分,觸發(fā)生長減緩和氣孔關(guān)閉等干旱調(diào)節(jié)機(jī)制[69].對番茄(Lycopersicumesculentum)的研究表明,氯仿假單胞菌(Pseudomonaschlororaphissubsp.aureofaciens)菌株M71分泌的脫落酸可調(diào)節(jié)氣孔關(guān)閉并降低植物葉片蒸騰作用以提高水分利用率[70].根際細(xì)菌DietzianatronolimnaeaSTR1通過誘導(dǎo)脫落酸反應(yīng)基因的過度表達(dá)、離子轉(zhuǎn)運(yùn)和抗氧化劑的產(chǎn)生以保護(hù)小麥免受鹽脅迫[71].此外,一些叢枝菌根真菌上調(diào)植物脫落酸信號(hào)通路基因(TFT2,TFT3，TFT5等),降低植物蒸騰作用速率,減少水分散失[29].

根際微生物還產(chǎn)生赤霉素(GA)[72]、細(xì)胞分裂素[73]等植物激素或產(chǎn)生氨基環(huán)丙烷羧酸(ACC)脫氨酶以減少植物體內(nèi)乙烯(ET)積累[74],緩解植物干旱脅迫和鹽脅迫.

2.2.2 污染物脅迫

土壤污染物如重金屬降低土壤生產(chǎn)力,嚴(yán)重影響植物生存,通過食物鏈危害人類健康.根際微生物在協(xié)助重金屬降解和增強(qiáng)植物抗性方面發(fā)揮重要作用,主要作用機(jī)制包括：根際微生物通過分泌生物表面活性劑和有機(jī)酸,改變土壤物理化學(xué)性質(zhì),提高重金屬的生物利用度使其代謝加快,從而快速解毒或從土壤中去除重金屬污染[75-76]；微生物特定酶系介導(dǎo)的氧化還原反應(yīng)促使重金屬向低毒或無毒形式轉(zhuǎn)化[77]；根際微生物分泌具有大量陰離子官能團(tuán)的胞外聚合物如多糖、糖蛋白、脂多糖和可溶性肽以及微生物鐵載體,與土壤中的重金屬絡(luò)合,降低其遷移率,減少對地下水的污染[31,75]；也可通過生物吸附將環(huán)境中的重金屬轉(zhuǎn)移至細(xì)胞內(nèi),并分隔至不同的亞細(xì)胞細(xì)胞器,實(shí)現(xiàn)重金屬胞內(nèi)積累和解毒[78].

2.3 抑制病原微生物及土傳病害

根際微生物群落包括植物生長促進(jìn)微生物和有害微生物.植物病原真菌、細(xì)菌和線蟲引起各種植物病害,導(dǎo)致糧食、飼料、纖維和燃料作物產(chǎn)量大幅下降,造成重大經(jīng)濟(jì)損失.稻瘟病菌(Magnaportheoryzae)、灰霉菌(Botrytiscinerea)、腐霉(Pythiumspp.)、疫霉(Phytopthoraspp.)、尖孢鐮刀菌(Fusariumoxysporum)、絲核菌(Rhizoctoniaspp.)、禾頂囊殼(Gaeumannomycesgraminis)和炭疽菌(Colletotrichumspp.)是土壤中普遍存在的植物病原微生物[79-80].植物病原真菌直接或通過改變植物生理間接影響根際微生物群落,并激活一系列抑制感染的拮抗特性.因此,病原體、植物和根際微生物間的互作對于保護(hù)性根際微生物群落的構(gòu)建非常重要[81].

有益根際微生物通過競爭根際有限的營養(yǎng)物質(zhì)和定殖空間以抑制、排除入侵的病原微生物[81].例如,產(chǎn)生鐵載體的根際細(xì)菌高效地與病原真菌競爭有限的鐵營養(yǎng),抑制病原真菌孢子萌發(fā)、新陳代謝和毒力[82].某些產(chǎn)生幾丁質(zhì)酶、葡聚糖酶等胞外水解酶的根際細(xì)菌可破壞真菌細(xì)胞壁,通過寄生阻礙真菌病原體生長和對植物侵染[83].

根際微生物群落的某些成員可調(diào)節(jié)植物免疫系統(tǒng)[84].有益根際細(xì)菌通過產(chǎn)生并釋放茉莉酸(JA)、水楊酸(SA)和乙烯等植物激素以誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性(inducing systemic resistance,ISR),使植物對病原體攻擊保持快速、強(qiáng)烈的反應(yīng).例如,細(xì)菌ParaburkholderiaphytofirmansPsJN菌株通過觸發(fā)基于茉莉酸、水楊酸和乙烯的信號(hào)通路引發(fā)擬南芥對丁香假單胞菌(Pseudomonassyringae)的先天免疫[85].來自根際細(xì)菌的群體感應(yīng)(quorum sensing,QS)分子可激活多種植物防御基因,如MPK3,MPK6,WRKY22，WRKY29等[86].一些微生物激發(fā)因子參與了誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性過程,如幾丁質(zhì)、鞭毛蛋白、脂多糖和乙偶姻(3-羥基-2-丁酮)等,被植物模式識(shí)別受體感知.植物通過與微生物相關(guān)分子模式(microbe-associated molecular patterns,MAMPs)結(jié)合的模式識(shí)別受體(pattern recognition receptors,PRRs)識(shí)別病原體,該系統(tǒng)可觸發(fā)一系列抑制病原體的基礎(chǔ)防御機(jī)制[87].大多數(shù)植物生長促進(jìn)微生物會(huì)產(chǎn)生獨(dú)有的MAMPs,以逃逸植物免疫系統(tǒng)的攻擊[88].

根際微生物還通過產(chǎn)生抗菌代謝物抵御病原體[89].抗生素是病原體生長的主要抑制劑,是抵抗植物病害的重要直接抑制策略.微生物產(chǎn)生的抗菌代謝物主要包括吩嗪-1-羧酸、二乙?；g苯三酚(DAPG)、藤黃綠膿菌素(pyoluteorin)、硝吡咯菌素(pyrrolnitrin)、cepaciamide A、丁內(nèi)酯、枯草菌素(subtilin)、枯草桿菌蛋白酶(subtilisin)、伊枯草菌素(iturin)和表面活性劑等[90].

此外,根際微生物可干擾群體感應(yīng)過程,實(shí)現(xiàn)群體淬滅(quorum quenching,QQ),抑制細(xì)菌性植物病原體.例如，不動(dòng)桿菌XN-10(Acinetobactersp.XN-10)通過脫羥基和水解降解群體感應(yīng)信號(hào)分子?；呓z氨酸內(nèi)酯(acyl homoserine lactone,AHL)引發(fā)群體淬滅,關(guān)鍵中間體產(chǎn)生的化合物,如戊酸、N-環(huán)己基丙胺和甲酯,減弱了胡蘿卜、大白菜和土豆中病原體Pectobacteriumcarotovorumsubsp.carotovorum的致病性[91].與AHL類似,擴(kuò)散信號(hào)因子(diffusible signaling factor,DSF)代表另一類存在于革蘭氏陰性菌中的群體感應(yīng)信號(hào)系統(tǒng).將假單胞菌HS-18攜帶的編碼脂酰輔酶A連接酶的基因(如digA,digB,digC和digD等),插入病原體Xanthomonascampestrispv.Campestris中,顯著減少DSF分子過表達(dá),降低其毒力[92].

植物抗病能力與其根際微生物群落密切相關(guān),由于根際微環(huán)境復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì),目前對植物和根際病原微生物間互作的認(rèn)識(shí)有限.因此,利用多種組學(xué)與植物體內(nèi)、體外實(shí)驗(yàn)相結(jié)合,進(jìn)一步闡明根際分泌物的化學(xué)成分、時(shí)空異質(zhì)性與分布模式,對提高病原微生物-植物-根際微生物互作的認(rèn)識(shí)至關(guān)重要.

3 細(xì)菌揮發(fā)性有機(jī)化合物

近年來,揮發(fā)性有機(jī)化合物(volatile organic compounds,VOCs)在根際微生物產(chǎn)生的代謝物中受到越來越多的關(guān)注.與真菌相比,細(xì)菌釋放出更多樣、豐富的揮發(fā)性化合物[93].細(xì)菌VOCs可引發(fā)其他細(xì)菌和真菌的生理反應(yīng),并可能影響植物生長和健康[94].

3.1 細(xì)菌VOCs對微生物的影響

VOCs是低分子量(<300 Da)、通常有氣味的分子,具有高蒸氣壓(常溫下>70 Pa)和低沸點(diǎn)的特性,易通過空氣和水分?jǐn)U散[95].目前已在數(shù)千種微生物中鑒定出VOCs,其中大部分為醇、酮、萜烯、有機(jī)酸、酯、醛、硫化合物、芳香化合物、烷烴和烯烴等[96].

多種細(xì)菌VOCs能夠抑制鄰近微生物的生長.例如,大腸桿菌產(chǎn)生一組復(fù)雜的VOCs,其中包括氨和三甲胺(TMA),這些VOCs可能充當(dāng)抗生素活性佐劑,并增加細(xì)菌對氧化損傷的敏感性[97].在特定的生長條件下,鏈霉菌也能夠釋放氨和TMA.TMA積累可以使培養(yǎng)基堿化,抑制其他微生物生長[98].細(xì)菌揮發(fā)物影響真菌,尤其是植物病原真菌發(fā)育.Zhou等[99]調(diào)查了1000多種土壤細(xì)菌產(chǎn)生抗真菌VOCs的能力,其中近三分之一(328)的細(xì)菌產(chǎn)生VOCs并且抑制真菌Paecilomyceslilacinus和Pochoniachlamydosporia的孢子萌發(fā)和菌絲生長.經(jīng)固相微萃取-氣相色譜-質(zhì)譜法(SPME-GC-MS)鑒定,上述抗真菌VOCs有效成分主要為苯甲醛、苯乙醛和苯并噻唑.Janssens等[100]基于氣相色譜-質(zhì)譜(GC-MS)法確定了2,5-雙(1-甲基乙基)-吡嗪是類芽孢桿菌(Paenibacillus)在共培養(yǎng)過程中產(chǎn)生的一種VOC,可抑制伯克霍爾德菌生長.熒光假單胞菌WR-1和解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)的VOCs對青枯假單胞菌(Pseudomonassolanacearum)的生長和根部定殖均有抑制作用[101].這些證據(jù)表明一些生物防治微生物對植物的保護(hù)機(jī)制很可能是它們產(chǎn)生的VOCs抑制了病原微生物的生長和侵染.

3.2 細(xì)菌VOCs對植物的影響

VOCs在抑制植物病原體的同時(shí)能夠促進(jìn)植物的生長,這一點(diǎn)使VOCs可能具有替代化學(xué)肥料的潛力.通過宏基因組的方法對水稻紋枯病菌抑病土壤的研究表明,該抑病土壤中鏈霉菌豐度較高,這些鏈霉菌產(chǎn)生的VOCs既抑制立枯絲核菌(Rhizoctoniasolani)菌絲生長,又促進(jìn)擬南芥幼苗的生長.通過表征,發(fā)現(xiàn)其主要有效成分為1,3,5-三氯-2-甲氧基苯[102].2,3-丁二醇及其前體3-羥基-2-丁酮(乙偶姻)可由多種細(xì)菌產(chǎn)生,是最早發(fā)現(xiàn)的促進(jìn)擬南芥生長并誘導(dǎo)全株防御反應(yīng)的VOCs[103],還促進(jìn)根生長、增加側(cè)根數(shù)目及植物干重[104].

根際細(xì)菌的VOCs在抑制真菌病原體和促進(jìn)植物生長方面具有巨大潛力,目前對根際微生物VOCs合成、釋放和功能的研究不斷增加.隨著色譜技術(shù)、核磁共振(NMR)技術(shù)的普及和新興組學(xué)的發(fā)展,分離、鑒定、溯源微生物產(chǎn)生的VOCs變得越來越簡單,其功能、信號(hào)通路、級(jí)聯(lián)反應(yīng)過程、合成機(jī)制以及應(yīng)用產(chǎn)品改造與開發(fā)將是未來重要的研究方向.

4 展 望

對環(huán)境-植物-微生物互作機(jī)制及根際微生物群落組裝驅(qū)動(dòng)因素的發(fā)掘?qū)Ⅱ?qū)動(dòng)未來生態(tài)農(nóng)林業(yè)的發(fā)展.已有的研究表明，植物根際分泌物對微生物群落組裝影響較大,根際分泌活動(dòng)在不同植物中隨發(fā)育階段、環(huán)境脅迫和病原體影響而變化,但變化的具體機(jī)制仍不清楚.對根際分泌物組分、信號(hào)分子和根際過程關(guān)鍵物種的表征和鑒別可提供化學(xué)或生物標(biāo)志物,有助于更好地了解根際相關(guān)生化、生態(tài)過程,并闡明植物招募有益微生物并形成良性根際微生物群落的具體機(jī)制.未來需進(jìn)一步分析植物在不同生長發(fā)育階段以及不同環(huán)境條件下根際分泌物組成與核心微生物群落功能,相關(guān)研究可服務(wù)于植物保護(hù)、作物增產(chǎn)、土壤改良與修復(fù)等諸多領(lǐng)域.微生物間的互作同樣不容忽視,通過對模式植物與微生物在根際互作的研究可揭示微生物-植物、微生物-微生物間的協(xié)同與拮抗作用機(jī)制,這些協(xié)同和拮抗作用可能是借助VOCs、黃酮類化合物等信號(hào)分子實(shí)現(xiàn),也可能是多因素互作的結(jié)果.在未來的研究中應(yīng)可對根際微生物間定殖、生存和競爭等行為進(jìn)行深入探討,理清信號(hào)通路及表達(dá)機(jī)制,解析群落構(gòu)建過程,以期在實(shí)際生產(chǎn)中得到應(yīng)用.

在實(shí)際操作中90 %以上的根際微生物無法培養(yǎng),因此絕大多數(shù)根際微生物無法依靠傳統(tǒng)微生物學(xué)方法進(jìn)行研究,限制了根際微生物與其功能的深度偶聯(lián)分析.基于單個(gè)標(biāo)記基因的方法對微生物的鑒定突破了傳統(tǒng)的培養(yǎng)方法(例如細(xì)菌16SrRNA和真菌ITS高通量測序)但難以預(yù)測微生物功能,在微生物的功能研究中存在較大的局限性.宏基因組學(xué)方法能夠揭示復(fù)雜的微生物群落結(jié)構(gòu)和功能多樣性；應(yīng)用宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白組學(xué)方法揭示基因表達(dá)變化；結(jié)合色譜分析及核磁共振技術(shù)進(jìn)行多組學(xué)系統(tǒng)研究,可加深對根際相關(guān)代謝物表達(dá)、利用模式、結(jié)構(gòu)、時(shí)空差異性和功能的認(rèn)識(shí).除了使用多組學(xué)對根際微生物進(jìn)行分析外,開展植物體內(nèi)、體外以及田間實(shí)驗(yàn)加強(qiáng)應(yīng)用層面研究也同樣重要.隨著各種新興組學(xué)技術(shù)的發(fā)展和完善,結(jié)合多組學(xué)技術(shù)與盆栽、田間或培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)研究也將受到歡迎,加速對根際分泌物、VOCs、特征微生物類群的分離和鑒定以及功能預(yù)測,將極大地推動(dòng)根際微生物群落生態(tài)學(xué)和根際微生物-植物生理學(xué)發(fā)展,促進(jìn)研究成果轉(zhuǎn)化,優(yōu)化根際微生物-植物互作,提升土壤生態(tài)系統(tǒng)功能和可持續(xù)性.