根際微生物群落功能與調控的研究進展

喻其林, 趙梓潤, 劉 琳

(南開大學生命科學學院 分子微生物學與技術教育部重點實驗室,天津 300071)

植物根際是位于植物根表面與植物非根際土壤之間的狹小區域。該區域是根際土壤、植物與根際微生物群落發生緊密相互作用的場所,已成為自然界的一類極為特殊的生態系統。根際土壤作為植物與根際微生物相互作用的中介體,不僅為植物與根際微生物提供物理支撐場所,而且供應水分、氧氣、有機質、無機離子等系列營養。植物通過光合作用、有機物質轉運與分泌,為根際微生物和土壤提供物質轉化及平衡的能量與原料,同時通過分泌植物信息素,調控根際微生物群落的動態組裝。根際微生物群落通過復雜多樣的代謝與互作過程,參與土壤無機營養解離、生物固氮、微生物拮抗、生長因子供應等系列過程,從而提高植物營養物質吸收與抗逆能力,為植物的健康與高效生長提供重要保障。近年來,多組學技術的迅猛發展,以及多學科的交叉融合,極大推動根際微生物群落結構-功能-調控策略的交互式研究,為綠色農業發展和環境保護提供新的思路。

1 根際微生物群落的結構

鑒于根際微生物群落的極其重要性,其結構與功能一直是微生物學家、植物學家、生態學家及農業領域專家的研究熱點。隨著多組學技術的不斷發展,人們對野生植物與農作物根際微生物群落結構的認識日益深入。

1.1 野生植物根際微生物群落結構

野生植物的根際環境較少受到人為因素的影響,因而其根際微生物群落更能反映根際微生物群落的天然狀態。Lei等[1]采用16S rDNA測序分析方法,對菊目的艾蒿(Artemisiaargyi)、藿香薊(Ageratumconyzoides)、一年蓬(Erigeronannuus)、金盞銀盤(Bidensbiternata),以及金虎尾目的飛揚草(Euphorbiahirta)、犁頭草(Violajaponica)等進行根際細菌群落研究,發現上述野生植物的根際微生物群落中存在變形桿菌門(Proteobacteria)的根瘤菌目(Rhizobiales)、鞘單胞菌目(Sphingomonadales)、伯克霍爾德菌目(Burkholderiales)、黃單胞菌目(Xanthomonadales),以及擬桿菌門(Bacteroidota)的鞘氨醇桿菌目(Sphingobacteriales)等核心微生物類群。南開大學生命科學學院喻其林課題組(本課題組)長期關注野生豆科植物與苔蘚植物的根際微生物群落結構。在野生豆科植物方面,本課題組通過16S rDNA及ITS測序分析,對華北地區兩型豆(Amphicarpaeaedgeworthii)、多花胡枝子(Lespedezafloribunda)、二色胡枝子(Lespedezabicolor)、豆茶決明(Sennanomame)、長萼雞眼草(Kummerowiastipulacea)等多種野生豆科植物的根際微生物群落結構進行解析,發現上述植物根際土壤樣品中存在共有的伯克霍爾德菌目、Vicinamibacterales、根瘤菌目、鞘單胞菌目、噬幾丁質菌目(Chitinophagales)、芽單胞菌目(Gemmatimonadales)、酸桿菌目(Acidobacteriales)等優勢細菌類群,以及傘菌目(Agaricales)、被孢霉目(Mortierellales)、格孢腔菌目(Pleosporales)、肉座菌目(Hypocreales)、糞殼菌目(Sordariales)、雞油菌目(Cantharellales)等優勢真菌類群。通過對采自我國東北、華北、華東、華中等地區的青蘚(Brachythecium)、小石蘚(Weissia)、白葉蘚(Brothera)、柳葉蘚(Hygroamblystegium)、白發蘚(Leucobryum)、扭柄蘚(Campylopodium)、曲柄蘚(Calohypnum)、長灰蘚(Herzogiella)等苔蘚植物根際土壤進行長期研究,本課題組發現其中廣泛存在伯克霍爾德菌目、鞘單胞菌目、酸桿菌目、根瘤菌目等優勢細菌類群,以及被孢霉目、肉座菌目、刺盾炱目(Chaetothyriales)等優勢真菌類群。

1.2 農作物根際微生物群落結構

長期以來,研究者們對重要農作物根際微生物群落組成進行廣泛研究。例如,通過對葡萄(Vitisvinifera)、甘蔗(Saccharumofficinarum)、龍舌蘭(Agaveamericana)等作物的根際細菌與真菌多樣性分析,發現其中存在的主要細菌為變形桿菌門、放線菌門(Actinomycetota)、酸桿菌門(Acidobacteriota)、擬桿菌門等類群,主要真菌為子囊菌門(Ascomycota)及擔子菌門(Basidiomycota)等類群,并且根際微生物群落組成多樣性遠高于根內生菌及葉內生菌中微生物組成多樣性[2-3]。本課題組通過對采自我國多個地區生長期大豆的根際微生物群落進行宏基因組學與代謝組學分析,發現該作物微生物群落中存在Vicinamibacteraceae、鞘單胞菌(Sphingomonas)等優勢細菌類群,以及Russula、Trichocladium等優勢真菌類群。這些微生物與植物生長代謝、鹽堿土壤耐受性之間存在緊密聯系。上述發現為鹽堿土壤豆科作物種植與增產增效提供重要參考。

2 根際微生物群落的功能

隨著根際微生物群落組成成分研究的日益深入,人們對根際微生物群落功能的認識不斷提高,極大推動了微生物刺激劑(microbial stimulant,MST)的理論與應用研究。MST是從植物根際土壤、組織等樣品中分離出來的微生物,與植物直接相互作用建立相互的共生關系,或通過提高植物的營養利用率間接建立共生關系,從而促進植物生長代謝[4]。研究表明,MST主要包括植物生長促進細菌(plant growth-promoting bacterium, PGPB)、植物促生真菌(plant growth-promoting fungus,PGPF)兩類(圖1)[5]。隨著對上述兩類MST功能的深入研究,它們在農業生產、土壤改良、環境污染治理等領域得到推廣應用。

圖1 根際微生物群落對植物生長與抗逆的調控機制Fig.1 The mechanisms by which the rhizosphere microbiota enhances plant growth and stress tolerance

2.1 PGPB的種類與功能

PGPB是能夠促進植物生長的功能細菌。目前已知的PGPB大多來源于特定植物的根際,主要包括芽胞桿菌(Bacillus)、根瘤桿菌(Rhizobacter)、節桿菌(Arthrobacter)、固氮螺旋菌(Azospirillum)、不動桿菌(Acinetobacter)、中華根瘤菌(Sinorhizobium)、慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)、黃桿菌(Flavobacterium)、腸桿菌(Enterobacter)、醋酸桿菌(Acetobacter)、假單胞菌(Pseudomonas)、紅球菌(Rhodococcus)、鏈霉菌(Streptomyces)等原核微生物[6-7]。PGPB促進植物生長的機制主要包括:①產生植物激素。大量PGPB可通過產生植物激素的方式,促進作物生長[8]。植物激素是調節植物生長發育的關鍵激素[9]。例如,某些PGPB可以產生吲哚-3-乙酸(IAA)等生長素,這些物質可調控激素合成、組織防御和細胞壁合成相關基因的轉錄,誘導根系伸長,增加根系生物量,同時降低氣孔大小和密度,促進植物生長[10]。②促進難溶營養物質解離。PGPB可通過促進難溶性營養物質(如磷酸鈣、含鉀礦物)解離、分泌鐵載體等方式,為植物提供可溶性磷、鉀、鐵等無機營養,促進植物生長[11]。例如假單胞菌可產生鐵載體,螯合鐵并使其溶解,以增加作物對鐵的吸收[12]。③生物固氮。生物固氮一直是備受研究者們關注的議題。傳統的生物固氮研究主要集中在豆科作物根瘤中的共生固氮作用[13]。該過程由根瘤桿菌、中華根瘤菌等細菌與豆科作物根系相互誘導形成根瘤,進而在根瘤中以鐵蛋白、鉬鐵蛋白依賴的方式進行厭氧固氮。近年來,隨著根際微生物群落結構與功能解析研究的不斷深入,大量非根瘤菌類型的自生固氮菌被發現,如固氮螺菌、假單胞菌、伯克霍爾德菌等[14]。本課題組通過對野生豆科植物以及農田豆科作物根際微生物群落研究,分離到一系列新型的自生固氮細菌,如鞘脂菌、新鞘脂菌(Novosphingobium)、黏液桿菌(Mucilaginibacter)、杜檊氏菌(Duganella)等。這類微生物在豆科植物根際富集并進行自生固氮,為豆科植物提供輔助氮源,可被開發出新型的固氮菌劑,促進豆科作物及非豆科作物的生長。④提高植物抗逆性能。PGPB可通過多種機制增強植物對干旱、鹽分等脅迫的耐受性,其提高植物抗逆性能的機制主要包括[15-16]:?合成1-氨基環丙烷-1-羧酸(ACC)脫氨酶,通過轉化ACC以降低植物乙烯水平,提高植物抗逆能力[17]。?誘導可溶性糖、脯氨酸和甘菜堿的積累,增強植物抗逆能力[18]。?調節細胞壁結構、膽堿和甜菜堿的合成以及氣孔關閉相關基因的表達,以及誘導揮發性有機化合物合成,刺激植物生長及抵御不良脅迫[19]。?產生抗氧化酶和抗氧化代謝物(如抗壞血酸和酚類化合物),清除根際活性氧,降低氧化脅迫[20]。?增加鉀離子水平,維持離子穩態[21]。?觸發誘導性系統抗逆,通過植物激素信號通路和防御調節蛋白,使原生植物抵御病原體攻擊[6]。?形成保護性生物被膜,為根部組織提供屏障[22]。例如腸桿菌(Enterobacter)、短波單胞菌(Brevundimonas)等在根表面形成以胞外多糖為主要組成成分的保護性生物膜,增加鷹嘴豆(Cicerarietinum)植株的水分保持和對滲透脅迫的耐受性[2,23]。

2.2 PGPF的種類與功能

近年來,以PGPF為代表的MST逐漸得到重視[24]。這類MST包括叢枝菌根真菌(AMF)、木霉(Trichoderma)等。它們可通過改善小麥(Triticumaestivum)、大麥(Hordeumvulgare)、玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)、大豆(Glycinemax)、草莓(Fragaria×ananassa)、洋蔥(Alliumcepa)等植物的生理代謝過程,提高植物的脅迫耐受性[25-26]。

AMF是目前研究得最為透徹的PGPF,包括球囊霉屬、根孢囊霉屬、索形球囊霉屬等[27]。叢枝菌根共生是AMF與植物之間廣泛存在的互惠共生關系,在養分交換、生態系統可持續性、增強植物抗逆性和寄主植物發育等方面發揮重要作用[28]。此外,AMF可提高植物對干旱、鹽分等耐受性,其主要機制包括:?上調抗氧化酶和抗氧化代謝物,同時下調脂氧合酶,以緩解氧化應激[29]。?提高氮、磷、鎂等營養物質利用率[30]。?改變根系形態,增加植物根系表面積,促進植物根系對水分與營養的吸收[31]。?調控脫落酸水平,抵抗非生物脅迫。?增強光合作用,改善植物生長[32]。?增加脯氨酸、甜菜堿等有機溶質積累[33]。?調節根際微環境的導電性[6,34]。

木霉是一類已成功應用于生物肥料領域的PGPF。該真菌可促進植物生長,激活植物對非生物脅迫的防御能力[35]。木霉刺激植物生長素的運輸和信號轉導,上調參與光合作用、代謝和防御的蛋白表達,從而提高作物的產量和質量[36]。在抗逆方面,木霉可增強非生物脅迫下的抗氧化防御系統,降低活性氧引起的組織損傷;調控植物防御和發育相關基因,激活抗氧化系統和植物激素信號,進而提高胡蘿卜對鏈格孢菌(Alternaria)、鐮刀菌(Fusarium)、絲核菌(Rhizoctonia)等病原體的抗性[37-38]。

除了常見的AMF、木霉等PGPF外,本課題組最近從豆科植物紫云英(Astragalussinicus)根際分離到一株新型的PGPF,該真菌屬于Phialocephala。在與豆科植物相互作用過程中,該真菌顯著促進植株側根發育,提高植株對鹽堿、病原微生物侵染的耐受性。代謝組學分析進一步發現,該真菌能夠通過產生黃酮類物質,調控共生植株的細胞生物學與生理學行為。

3 根際微生物群落的調控策略

鑒于根際微生物群落對于植物生長、代謝與抗逆的極其重要性,研究者們長期致力于根際微生物群落的有效調控。傳統的根際微生物群落調控策略包括物理法、化學法及生物法。物理法主要包括耕作與灌溉模式的優化,從而使根際環境利于根際功能微生物的定植與生長,促進微生物群落與植物根系的協同作用[39]。化學法是使用各種化學物質,如pH調節劑、重金屬鈍化劑、腐殖酸、多糖類高分子、蛋白水解產物、無機及有機肥料等,在改善根際微環境的同時,為根際微生物的生長提供營養,促進功能微生物與植物生長[40-45]。生物法是添加固氮菌、解磷菌、解鉀菌、生防菌等微生物菌劑,通過根際定植過程,使根際微生物群落結構朝向更有利于植物健康生長的方向演替[46-47]。然而,上述傳統方法難以實現對根際微生物群落的理性調控,往往存在調控效果不穩定、成本高昂等問題。因此,目前亟待開發新型、理性、高效的根際微生物群落調控策略,為農業生產、環境污染治理等領域提供新的技術儲備。

近年來,合成生物技術的發展為根際微生物群落的理性調控提供了新的機遇。人們嘗試植物基因組編輯、合成微生物組設計等方式,理性調控根際微生物群落。在植物基因組編輯方面,研究者們采用TALEN、CRISPR等方法,在植物基因組中引入人工合成的遺傳信息,或者敲除病原菌易感基因,從而重塑植物體的分泌代謝網絡,調控植物根際微生物群落,以增強植物對營養物質的攝取,以及對病原菌的耐受性[48-50]。在合成微生物組設計方面,人們嘗試通過根際核心微生物類群的發掘、核心微生物相互作用調控等方式,設計針對特定植物的合成微生物組,以重塑植物根際微生物群落,增強植物的生長代謝與抗逆能力[51]。例如,基于不動桿菌與假單胞菌的合成微生物組,能夠有效提高擬南芥(Arabidopsisthaliana)等植物的干燥耐受性;甲烷代謝相關合成微生物組能夠優化水稻根際微環境,改善水稻生長代謝過程[52]。

本課題組長期致力于根際微生物群落結構功能解析與理性調控的研究,基于多學科交叉技術與原理,發掘豆科、禾本科等典型植物根際核心微生物類群,增強核心微生物互作,構建高效穩定的合成微生物組,以實現正向重塑根際微生物群落、促進植物生長代謝、提高植物脅迫耐受性的目標(圖2)。在核心微生物互作方面,本課題組通過人工蛋白創制、磁性組裝、生物炭強化等方式,強化核心微生物之間,以及核心微生物與目標植物之間的物理連接作用,大幅提高合成微生物組的工作效率和穩定性。上述相關技術在植物修復、作物增產增效、土壤改良等方面具有很好的應用前景。以下是本課題組創建的物理連接強化策略的應用實例:①人工蛋白創制。本課題組通過創制基于多糖結合域的人工蛋白Cmc、LcGC、Syn等,刺激生物被膜形成,增強重金屬捕獲細菌與修復植物間的物理連接[53-55]。這種物理連接強化策略一方面提升了修復植物的重金屬耐受能力與植物生長量,另一方面大幅提高植物對重金屬的富集效率,為高效植物修復提供了重要參考。該類人工蛋白與木霉的高效結合,同樣有效重塑了白菜(Brassicarapa)、小麥、大豆等作物的根際微生物群落,進而提高上述作物對鹽堿脅迫的耐受性,為鹽堿土壤作物增產增收與土壤改良奠定了重要基礎。②磁性組裝。本課題組通過表面共價修飾殼聚糖的方式,賦予四氧化三鐵磁性納米粒子自組裝性能,繼而將修飾的磁性納米粒子和重金屬捕獲細菌聯用。通過磁性組裝方式,成功實現鳳眼蓮(Eichhorniacrassipes)等修復植物根表面合成微生物組的原位構建。這種原位形成的合成微生物組提高了修復植物對高濃度重金屬的耐受性,以及修復植物的重金屬富集效率[56]。③生物炭強化。本課題組通過對苔蘚植物根系微生物群落的功能微生物進行分離篩選,得到一株具有高效結合功能細菌能力的深綠木霉(Trichodermaatroviride)。通過對該菌株進行簡單加熱處理,制備了一種新型的真菌生物炭。在此基礎上,將該生物炭與分離自鹽堿土壤的根瘤桿菌、鞘單胞菌等聯用,構建穩定的合成微生物組。盆栽及大田實驗表明,該微生物組能夠通過重塑修復植物根際微生物群落結構,顯著提升修復植物的重金屬耐受性能、鹽堿耐受性及重金屬去除能力,為生物炭在植物修復領域的應用提供了新的思路。

圖2 根際微生物群落結構功能與調控示意圖Fig.2 A schematic illustrating the route to investigate the structure, function and regulation of plant rhizosphere

4 展 望

毋容置疑,根際微生物群落在植物生長代謝和抗逆過程中扮演著極為重要的角色。隨著對野生植物及農作物根際微生物群落結構研究的日益深入,研究者們將更加全面地了解典型植物根際微生物群落結構特征,以及特定微生物群落隨時間及空間變化的規律。在根際微生物群落功能研究方面,研究者們通過對已知的PGPB及PGPF進行微生物-植物互作分析,初步揭示了它們在促進植物生長、提高植物脅迫耐受性等方面的作用機制。然而,關于這些功能微生物功能的認識,都是基于目前已知的少數微生物類群開展研究工作而獲得的。因此,全面、深入揭示根際微生物群落與植物的互作機制,除了依賴于目前流行的宏基因組、轉錄組等分子測序分析方法以外,還亟待創新發展微生物培養組學技術,以建立資源豐富、覆蓋全面的根際微生物物種資源庫,進而結合多組學分析與人工智能方法,全面、高通量解析微生物群落組成物種之間、群落與植物之間互作的深層機制。微生物群落結構與功能的深入揭示,必將進一步指導根際微生物群落調控策略的開發,尤其是根際微生物群落新型核心微生物類群與關鍵調控微生物類群的發現與作用機制解析,將為微生物群落的理性調控提供強有力的理論參考。合成生物技術與材料科學技術的交叉融合,也將為微生物群落理性調控提供工具與技術支撐,推動群落調控策略朝向更為便捷、高效、經濟的方向發展,促進其在作物增產、地力提升、污染治理等領域的廣泛應用,服務國家鄉村振興重大戰略。