茶樹根際微生物研究進展

黃芳芳，李勤，黃建安,3*

茶樹根際微生物研究進展

黃芳芳1,2，李勤1,2，黃建安1,2,3*

1. 湖南農業大學茶學教育部重點實驗室，湖南 長沙 410128；2. 國家植物功能成分利用工程技術研究中心，湖南 長沙 410128；3. 植物功能成分利用省部共建協同創新中心，湖南 長沙 410128

根際微生物群落種類豐富、數量龐大，影響植物的生理和發育，被稱為植物的第二基因組。茶樹根際特定的生態系統對茶樹的生長和健康至關重要，了解茶樹根際微生物對提高茶樹根際生態系統功能非常關鍵。本文結合根際微生物的生態功能和研究方法，從茶樹根際微生物的多樣性及其影響因素等方面綜述茶樹根際微生物的研究進展，并對亟待研究的方向進行展望，以期為改善茶樹根際微域環境，提高茶葉品質提供參考。

根際微生物；生態功能；研究方法；多樣性；茶樹

根際是土壤-根系-微生物相互作用的微區域，影響植物的生長以及植物對生物脅迫和非生物脅迫的耐受性，甚至影響地球的生物化學循環。根際這一概念自從德國科學家Lorenz Hiltner在1904年提出以來，內容得到了不斷的豐富和發展，研究者不僅對根際相互作用有更深刻的見解，在根際微生物生態學、微生物影響資源分配以及生物多樣性等方面的研究進展也取得了較大的進步[1-2]。根際微生物群落處于動態變化的過程，影響根際微生物的因素是多方面的，茶樹、土壤、微生物三者也存在相互作用且對茶樹的新陳代謝有著重要的影響[3]，了解根際微生物群落的動態變化對提高茶葉品質至關重要。因此，本文結合根際微生物的生態功能和研究手段，對茶樹根際微生物相關研究進展進行綜述，并對茶樹根際微生物今后的研究方向進行展望。

1 根際微生物生態功能

微生物功能具有多樣性。首先，土壤微生物可以直接影響土壤養分的組成和轉化，其參數可作為衡量土壤質量的指標[4]。特定功能微生物群的多樣性可反映管理措施對土壤可持續性的影響，如硝化細菌群落可反映除草劑的施用量以及污染土壤恢復情況[5]；與林地相比，耕地中真菌的多樣性低且其序列組成發生了變化，反映了耕作、施肥或殺菌劑的應用等農藝措施可能對土壤產生了影響[6]。其次，植物與微生物間的相互作用通過多種機制對植物的生長產生積極的影響。根際微生物可以幫助植物吸收利用養分，例如根瘤菌與豆科植物的共生影響宿主植物氮元素的吸收利用[7]，叢枝菌根真菌可以促進植株對土壤中磷元素的吸收，提高農業生態系統中磷的利用效率，改善土壤結構并提高植株的抗逆性[8-10]；此外，根際微生物還可以通過調節激素的合成或降解促進植物生長及其對環境的適應性[11-13]；并且根際微生物可以使植物免受致病菌的侵害[14-15]。

根際微生物在加強植物修復方面也具有重要意義。植物修復是利用綠色植物來轉移、容納或轉化污染物使其對環境無害[16]，在對有機污染物進行植物修復的過程中，根際微生物可以通過調節自身的降解和代謝能力提高污染物降解效率，并降低植物毒性，減少揮發性有機物的釋放[17]。對于重金屬污染，微生物可以通過產生鐵載體和有機酸等活性劑提高金屬的遷移率或促進植物生長，從而緩解植物修復重金屬污染的壓力[18]。在生物防治方面，根際微生物具有巨大的生態和經濟效益，可通過將目標基因導入根際微生物的方式促進其發揮生物修復或防治作用，但轉基因工程的安全性需得到進一步評價；也可將微生物（細菌和真菌）作為化學農藥的替代品或補充品進行植物病害的防治，促進農業的可持續發展[19-21]。

2 根際微生物研究方法

研究微生物多樣性的傳統方法是從樣本中分離微生物加以培養，并對微生物的形態、生理生化特性進行鑒定，傳統的平板分離培養方法直觀快捷，并且可以提供有關種群中活躍的異養成分的信息[22]。但是，自然界中許多微生物由于休眠狀態、生活條件，以及形態的改變等導致難以分離和培養，為更好地模擬微生物生長的環境，可通過選擇合適濃度的培養基質、延長培養時間等措施提高微生物的可培養性[23]。生物標記法利用特異的生化成分來區別微生物種類，能夠更客觀地進行微生物多樣性解析，但其分類學水平較低，無法鑒定到微生物的種水平[24]。利用遺傳物質研究微生物的多樣性克服了分類學水平的局限性，鳥嘌呤和胞嘧啶含量的變化可用于檢測微生物群落結構的變化，但無法獲得微生物物種豐度、均勻度以及結構組成等其他多樣性信息[25]；核酸復性動力學分析可作為基因的遺傳復雜性或異質性的量度，反映微生物的多樣性，但由于土壤微生物拷貝數低，其局限性為檢測的靈敏度低[26]。在土壤基因組提取技術和基因片段擴增技術發展的基礎上，現代分子生物學技術的發展有了新的突破，利用分子生物學的手段可對微生物的群落結構及功能、物種多樣性、代謝活性等進行研究[27]。分子生物學手段雖然克服了培養法的缺陷，在微生物的研究中運用更廣泛，但也存在一定的局限性，聚合酶鏈式反應（PCR）雖然可以在短時間內擴增大量的基因，但不同菌種的DNA擴增存在差異性，目標基因在不同菌種間拷貝數也存在差異，因此擴增性rDNA限制酶分析（Amplified ribosomal DNA restriction analysis，ARDRA）以及末端限制性片斷長度多態性分析（Terminalrestriction fragment length polymorphism，T-RFLP）等在研究微生物多樣性時不可避免PCR技術的缺陷。熒光原位雜交技術等不需要DNA模板進行擴增，可以不受到PCR技術缺陷的限制，但其不適用于土壤微生物群落總體結構的研究。根際微生物的研究方法及其優缺點詳見表1。

表1 根際微生物研究方法比較

3 茶樹根際微生物的多樣性

3.1 茶樹根際土壤細菌、真菌、放線菌多樣性

茶樹根際微生物的種類主要包括細菌、真菌和放線菌，其中細菌數量最多，真菌和放線菌的數量相對細菌較少，但茶樹根際細菌、真菌、放線菌因品種、生長年限和季節不同在數量上存在差別[3,28]。茶樹根際具有豐富的微生物多樣性，從茶樹根際中分離得到的可培養微生物如表2所示。研究表明，可培養細菌的優勢屬主要為假單孢菌屬（）和芽孢桿菌屬（），其中芽孢桿菌具有耐熱性，且在冬季細菌種群中茶樹根際中的枯草芽孢桿菌（）和蕈狀芽孢桿菌（）仍處于主導地位[29]；可培養真菌的優勢屬為青霉菌（）和木霉菌（）[30-31]；可培養放線菌的優勢屬為諾卡氏菌屬（）、鏈霉菌屬（）、小單胞菌屬（）等[31]。分子生物學技術研究所得到的微生物的多樣性比傳統方法高，研究得到的非培養微生物種類見表2。研究者采用高通量測序技術研究發現根際細菌中變形菌門（）、酸桿菌門（）、擬桿菌門（）和念珠菌屬（）為優勢門屬，真菌優勢門屬為接合菌門（）、擔子菌門（）、子囊菌門（）和隱球菌屬（spp.）[32-33]。上述結果表明，采用培養法和非培養方法獲得的茶樹根際微生物種多樣性結果存在差異，茶樹根際微生物除物種和數量具有多樣性以外，還表現出數量高于非根際土壤的特點。

表2 茶樹根際微生物主要類群

茶樹根際微生物不僅物種多樣，功能也具有多樣性。茶樹根際細菌對碳源的利用方式多樣，其對碳源的代謝能力因土壤pH等不同而存在差異，茶樹根際分離得到的酚酸降解菌可應用于緩解酚酸對花生發芽率的抑制作用[34]。田永輝等[35]研究發現，茶樹根際存在圓褐固氮菌（）、環狀芽孢桿菌（）、固氮梭菌類等具有固氮作用的微生物。氨化細菌和纖維素分解細菌可促進茶樹生長，增進土壤肥力[36]。茶樹根際土壤分離的耐酸鋁真菌可在土壤中鋁和有機物含量較高時顯著降低土壤酸度以及活性鋁的含量[37]。此外，Cakmakci等[38]證實了茶樹根際土壤中分離出的芽孢桿菌（）、假單胞菌（）等具有將土壤中不可溶解的磷轉化成可利用的可溶性磷的能力，對提高茶樹產量具有重要意義。Sarkar等[39]發現從茶樹根際分離的假單胞菌（）菌株具有生物降解的能力，可降解殺螨劑。Saikia等[40]研究發現，從茶樹根際土壤中分離出的熒光假單孢菌（）對真菌病原體和革蘭氏陽性菌表現出了強大的抗菌特性，其對病原體的抗性與產生的次生代謝產物氰化氫（Hydrogen cyanide，HCN）、水楊酸（Salicylic acid，SA）、鐵載體等有關，且研究結果表明熒光假單胞菌具有多種遺傳突變型。此外，根際微生物之間存在著拮抗關系，放線菌類的鏈霉菌（）和諾卡氏菌（）對根腐類病菌、根癌病菌具有明顯的抑制作用，根際周圍分離的木霉菌（）與茶紫紋羽病菌（）、茶白絹病菌（）也存在拮抗作用，這種拮抗關系有利于提高茶樹的抗病性[41]。茶樹根際中特定微生物菌株也具有提高茶樹的耐脅迫性及防治根腐病的能力，從而促進茶樹生長和生產力提高[42-43]。

3.2 茶樹根際叢枝菌根真菌多樣性

菌根是指植物根系與真菌的共生體，菌根真菌與植物根系形成一個絲狀網絡，使根系能夠從土壤中吸收養分。其中叢枝菌根真菌在植物體中存在較為普遍，酸性土壤中有大量的叢枝菌根真菌，茶樹主要種植在酸性土壤，茶樹根際是叢枝菌根真菌賴以生存的場所[44]。茶樹根際叢枝菌根真菌因茶樹品種不同，真菌的定殖率、結構組成、物種豐度及多樣性指數等存在差異，因而表現出多樣性[45]。研究表明，栽培茶園和自然狀態下生長的茶園真菌多樣性存在差異，自然狀態下生長的茶園叢枝菌根真菌屬水平上的物種多樣性高于栽培茶園，栽培茶園茶樹叢枝菌根真菌球囊霉屬（）和無梗囊霉屬（）占主導地位；自然生長的茶園茶樹叢枝菌根真菌主要包括無梗囊霉屬（）、巨孢囊霉屬（）球囊霉屬（）和盾巨孢囊霉屬（）[46]。叢枝菌根真菌是農業生態系統的重要組成部分，具有提高植物生長性能，增強植物養分獲取，改善土壤質量的潛力，菌根共生對決定植物生物多樣性和生產力具有重要意義[8-9]。在溫室條件下接種對茶樹扦插苗的生長有積極的影響，能顯著增加扦插苗株高、葉片數、根長等，且與對照植株相比，菌根接種的植株中磷的濃度更高，其原因可能是菌根真菌提高了茶樹對土壤中磷的吸收率，或者菌根真菌促使植株產生磷酸酶有利于土壤中有機磷的礦化[47]。研究表明，接種叢枝菌根真菌可上調谷氨酰胺合成酶、谷氨酸合成酶、抗壞血酸過氧化物酶等基因的表達，使茶樹葉片中氨基酸、葡萄糖、蔗糖、茶多酚等含量增加，并且菌根接種使茶樹葉片中氮、磷、鉀等元素的含量顯著增加，抑制了根毛的生長，增加了根系的總長，對根系形態及葉片營養水平具有積極的影響[44,48]；此外，菌根真菌也可增強茶樹的抗逆性及耐受性[49-50]。

4 茶樹根際微生物影響因子

茶樹根際微生物與根系分泌物、茶樹品種、茶樹年齡、土壤理化性狀、栽培方式等相關。其中茶樹根系分泌的次生代謝物可改變根系微生物組，不同基因型的茶樹其根系分泌物的數量和種類存在差異，因此導致不同茶樹品種根際微生物數量和種群密度的差異[51-53]。茶樹根際微生物與茶樹樹齡也關系密切，長期單一栽培的茶樹隨著種植年限的延長，土壤酶活性下降，微生物代謝活性及生物量下降，導致微生物群落組成和結構發生變化[54]。且隨著種植年限的延長土壤pH也會發生變化，而細菌、放線菌喜偏堿性環境，真菌喜偏酸性環境，因此影響根際土壤微生物數量和組成的變化[33,55]。研究表明，茶樹樹齡越大，根際微生物數量越少，優勢種群也隨茶樹樹齡發生變化[56]。田永輝[57]研究發現，不同樹齡茶樹根際固氮菌的種類及數量不同，青壯年茶樹根系生長發育旺盛，固氮菌群落結構復雜穩定；衰老茶樹根系衰老死亡，固氮菌數量相對較少。茶園復雜的理化特性影響植物的生理狀況和根系的滲出模式，從而影響根際微生物群的組成。另外，茶樹根際土壤微生物的結構和數量與茶園土壤養分狀況密切相關，有機肥的施用能有效改善土壤肥力，提高土壤微生物的數量，增加土壤微生物活性，改變根際微生物的物種豐度，塑造根際微生物的組成，并將有益微生物帶入茶樹根際，降低茶樹根際重金屬的含量，提高茶葉品質[58-59]。研究表明，pH、速效氮、速效磷是影響根際土壤微生物數量的主要土壤因子[60]。同時，茶園栽培和管理方式也能影響茶樹根際微生物的生長發育及繁殖，劉紅艷等[61]發現，合理密植有利于霉菌、放線菌、固氮菌等微生物的生長及活性的增強。

5 總結與展望

根際微生物種類繁多，功能多樣，可以幫助植物抵抗生物和非生物脅迫。目前研究發現的植物根際微生物種類包括細菌、真菌、卵菌、線蟲、原生動物等[62]。茶樹根際微生物主要是細菌、真菌和放線菌，茶樹根部可能富集有利于植物生長及品質特征形成的特定微生物群落，除了對根際微生物的描述性分析外，迫切需要闡明微生物群落中特定種群的選擇機制。植物微生物群落與植物之間存在反饋調節，植物微生物組是植物健康的基礎。植物通過根系將光合作用的產物釋放到土壤，供給培養土壤微生物的能源，反過來，根際微生物群的益生菌成員促進植物吸收利用土壤中的養分，保護寄主植物免受病原體和害蟲的侵害[63-65]，影響植物與微生物群落相互作用的因素目前還知之甚少[66]。茶樹根際微生物影響茶樹的健康，而茶樹根系分泌的代謝物是微生物生長的養料，根際富集的微生物除受品種的遺傳差異影響，與茶樹的生理特性也密切相關，茶樹與根際微生物相互作用的機制有待深入研究。

全面考察植物根際中起作用的各種機制有利于改進對根際微生物群的預測和管理。分子生物學技術的發展為茶樹根際微生物的研究提供了極大的便利，茶樹根際微生物的研究對改善茶樹的營養狀況，提高茶樹的免疫能力，提高茶葉品質具有重大意義。農業實踐對生物多樣性具有重大影響，通過合理的栽培及管理使茶樹根際富集的微生物發生變化，從而改變土壤生態系統，有利于茶園的可持續發展。叢枝菌根真菌可促進植物對礦質元素的吸收，同時其生長也依靠宿主植物提供的能量，菌根共生體之間碳、氮代謝對宿主植物和菌根真菌之間的能量轉換有重大的影響，叢枝菌根真菌與茶樹碳、氮代謝及相互作用的研究將加深對菌根共生關系的理解，進而有利于菌根生態功能的發揮，對茶樹的生長產生積極的影響。

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Research Progress of Tea Rhizosphere Microorganisms

HUANG Fangfang1,2, LI Qin1,2, HUANG Jian'an1,2,3*

1. Key Laboratory of Tea Science of Ministry of Education, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 2. National Research Center of Engineering Technology for Utilization of Functional Ingredients from Botanicals, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China; 3. Co-Innovation Center of Education Ministry for Utilization of Botanical Functional Ingredients, Changsha 410128, China

The rhizosphere microbial community is rich in variety and quantity, which affects the physiology and development of plants and is called the second genome of plants. The specific ecosystem of tea rhizosphere is very important for the growth and health of tea plants, and understanding the microbes in the rhizosphere of tea plants is very important to improve the function of its rhizosphere ecosystems. Based on the ecological functions of rhizosphere microorganisms and the progress of their research methods, the research progress of tea rhizosphere microorganisms from the aspects of the diversity of tea rhizosphere microorganisms, its influencing factors and prospects for the urgent research directions was summarized. The paper provided a reference for improving the micro-environment of tea plants and tea quality.

rhizosphere microorganisms, ecological function, research method, diversity, tea plants

S571.1；S154.3

A

1000-369X(2020)06-715-09

2020-03-12

2020-05-21

國家自然科學基金聯合基金項目（U19A2030）

黃芳芳，女，碩士研究生，主要從事茶樹栽培育種及分子生物學研究，1752257701@qq.com。*通信作者：jian7513@sina.com