植物根際微生物組的研究進(jìn)展

邵秋雨，董醇波，韓燕峰，梁宗琦

（貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院生態(tài)系真菌資源研究所，貴州貴陽(yáng) 550025）

早在1904年，德國(guó)學(xué)者Hiltner就提出了“根際”一詞，將其用以描述受植物根系影響的狹窄土壤帶[1]。有學(xué)者基于不同物理、化學(xué)和生物特性梯度參數(shù)，將根際范圍界定為距根系約0.5～4 mm寬的區(qū)域[2]。作為直接影響著植株固定、水和養(yǎng)分獲取及地上部分形態(tài)建成的主要器官—根系[3]，按其為相關(guān)微生物提供的定殖生態(tài)位特性，可細(xì)分為3個(gè)顯著不同的具有獨(dú)特微生物組的區(qū)域，即根際 (rhizosphere)、根表 (rhizoplane) 和根系內(nèi)部 (endorhiza)[4-6]。根際作為植物根系與土壤間進(jìn)行能量和物質(zhì)交換的直接界面，是微生物和無(wú)脊椎動(dòng)物棲息的主要區(qū)域，被認(rèn)為是地球上最活躍的界面之一[7-10]。近年來(lái)，根際微生物組的巨大潛力在相關(guān)研究中得到證實(shí)。正確調(diào)控根際微生物組能促進(jìn)植物宿主營(yíng)養(yǎng)吸收、病蟲(chóng)害抵抗及脅迫適應(yīng)，減少農(nóng)藥化肥等的投入，有利于可持續(xù)農(nóng)業(yè)的實(shí)現(xiàn)。本研究將對(duì)根際微生物組的定義、主要驅(qū)動(dòng)因素、研究方法及其與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系進(jìn)行綜述，以期更好地研究和開(kāi)發(fā)利用植物根際微生物組。

1 根際微生物組的定義

隨著DNA測(cè)序技術(shù)的不斷革新與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，不同生境下的微生物群落多樣性、結(jié)構(gòu)及其功能等得到廣泛和深入研究。一些用于描述這些微生物菌群及其環(huán)境的專(zhuān)業(yè)名詞，如微生物群(microbiota)、微生物組 (microbiome) 等相繼產(chǎn)生，并時(shí)常出現(xiàn)混淆與誤用。明確微生物群與微生物組二者間的區(qū)別與聯(lián)系是正確理解根際微生物組的前提。微生物群是指在特定環(huán)境中存在的微生物集合，包括細(xì)菌、古菌和真菌等；而微生物組是指特定環(huán)境中全部微生物 (即微生物群)、微生物群的基因和基因組以及微生物群的產(chǎn)物與宿主環(huán)境，這個(gè)定義包括環(huán)境中給定的所有生物和非生物因素[11-12]。與微生物群相比，微生物組是結(jié)合了宏基因組學(xué)、代謝組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)及宏蛋白組學(xué)等環(huán)境數(shù)據(jù)的集合。

與不受根系影響的非根際土壤 (bulk soil) 相比，根-土壤界面 (root-soil interface，即根際) 的復(fù)雜理化環(huán)境提供了一個(gè)獨(dú)特生態(tài)位，在物理、化學(xué)及生物因素的共同驅(qū)動(dòng)選擇下形成的與根際相關(guān)的微生物組，即為根際微生物組 (rhizosphere microbiome)[1, 13]。它們與植物間的互作擴(kuò)展了宿主的功能范圍，被視作植物的第二基因組，可通過(guò)影響植物性狀表達(dá)等作用參與植物遺傳，進(jìn)而影響植物生產(chǎn)力、土壤健康等生態(tài)系統(tǒng)功能[14]。

2 根際微生物組形成的主要驅(qū)動(dòng)因素

根際微生物組是植物從根際外的土壤微生物中有選擇性地招募聚集，受生物和非生物因素共同控制獲得的特定集合體[15-16]。植物可通過(guò)從土壤微生物中招募到根際的某些成員獲得積極反饋。因此，確定驅(qū)動(dòng)植物根際微生物組菌群結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素可能是未來(lái)優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必要步驟[17-18]。我們總結(jié)了影響根際微生物組的4個(gè)主要因素，下面對(duì)其進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

2.1 植物種類(lèi)

每種植物都有一個(gè)特定的根際微生物組[6]。甚至同一物種不同基因型間其根際微生物組成也存在差異[17]。一方面，可能與不同植物物種及同一物種不同基因型間根系分泌物的質(zhì)和量不同，為微生物所提供的碳底物不同，進(jìn)而促進(jìn)不同的微生物支系生長(zhǎng)有關(guān)[19]。據(jù)報(bào)道，植物固定碳的40%能夠以根系分泌物的形式釋放到根際形成根際沉積[20]。這些根系分泌物，包括碳水化合物、氨基酸和有機(jī)酸等，可引發(fā)多種反應(yīng)，參與塑造根際微生物組。其中某些特殊分泌物可直接吸引或排斥某類(lèi)微生物，從而驅(qū)動(dòng)根際微生物組的建成[7, 21]。如 Rudrappa 等[22]研究表明，擬南芥根分泌的三羧酸循環(huán)中間產(chǎn)物蘋(píng)果酸能選擇性地向有益的枯草芽孢桿菌Bacillus subtilis發(fā)出信號(hào)，并以劑量依賴(lài)的方式招募它。它們還可通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)逐漸改變植物根際微生物組。還需特別提到的是，在植物根際除根系分泌物外，脫落的根細(xì)胞、根毛等，也可通過(guò)為根際微生物提供營(yíng)養(yǎng)資源而影響其組成[23]。

另一方面，這還可能與存在于植物種子內(nèi)部和表面的微生物，也是根際微生物組菌群的潛在物種庫(kù)，即所謂的母系效應(yīng) (maternal effect) 有關(guān)[7]。但截至目前，對(duì)種子傳播的微生物在根際微生物組組裝中的作用仍知之甚少，值得進(jìn)一步深入探究。

2.2 土壤類(lèi)型及理化性質(zhì)

土壤，由其在物理和化學(xué)性質(zhì)上的異質(zhì)性為微生物提供了廣泛的生態(tài)位，是地球上微生物最豐富的生態(tài)系統(tǒng)之一，被視為根際微生物群落的種子庫(kù)[24]。不少學(xué)者將根際微生物組定義為土壤微生物組的一個(gè)子集，土壤類(lèi)型更被認(rèn)為是影響根際微生物組菌群組成及結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素[25-27]。

土壤復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)，可通過(guò)直接改變土壤微生物群落的組成，造成根際微生物組裝配過(guò)程中初始微生物群落的差異，從而影響根際微生物組的組成[4, 28]。不同土壤類(lèi)型，團(tuán)聚體大小、孔隙空間及含水率等物理性質(zhì)不同。有研究表明，孔隙結(jié)構(gòu)是影響土壤微生物組成和多樣性的關(guān)鍵因素[29]。大孔隙土壤以好氧微生物為主，而微孔隙土壤則同時(shí)含有好氧微生物 (團(tuán)聚體表面) 和厭氧微生物 (團(tuán)聚體內(nèi)部缺氧)。土壤含水率則是影響土壤微生物遷移速度和擴(kuò)散范圍的重要因素[30]。且土壤水分過(guò)高，也可能導(dǎo)致土壤缺氧條件的形成，影響群落組成。不同土壤類(lèi)型，pH、磷酸鹽濃度及有機(jī)質(zhì)含量等化學(xué)性質(zhì)不同。其中，pH被認(rèn)為是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)最重要的化學(xué)特性之一[31-32]。如Fierer等[31]研究發(fā)現(xiàn)，土壤pH與土壤細(xì)菌群落多樣性顯著相關(guān)，中性土壤細(xì)菌多樣性最高，酸性土壤細(xì)菌多樣性最低；Rousk等[32]研究發(fā)現(xiàn)，真菌在酸性條件下的耐受性高于細(xì)菌，將土壤pH從8.3調(diào)至4.5，真菌生長(zhǎng)/細(xì)菌生長(zhǎng)值增加近30倍。

土壤復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)，還可通過(guò)影響植物生理間接改變根際微生物組的組成及相對(duì)豐度[21, 28]。如在缺氮條件下豆科植物根系會(huì)分泌黃酮類(lèi)物質(zhì)吸引根瘤菌，并激活根瘤菌結(jié)瘤基因的表達(dá)，最終引起根瘤菌侵染植物根系形成共生關(guān)系[33]；在磷酸鹽脅迫下，擬南芥的磷饑餓反應(yīng) (phosphate starvation responses) 被激活，與有機(jī)酸、硫代葡萄糖苷等代謝產(chǎn)物合成相關(guān)的基因得到表達(dá)[34]。此外，土壤各理化性質(zhì)間復(fù)雜的相互作用同樣會(huì)影響植物生長(zhǎng)狀況，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)根際微生物組組成的變化。如土壤的酸堿環(huán)境可影響土壤中植物重要營(yíng)養(yǎng)元素磷的存在形態(tài)與生物有效性[35]。

2.3 根際微生物組與宿主植物的互作

植物與根際微生物間的互作是極為復(fù)雜的，主要包括正相互作用 (如根際微生物促進(jìn)宿主生長(zhǎng)、抗病等) 和負(fù)相互作用 (如根際微生物與宿主競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)、侵染宿主引發(fā)病害等)[20]。這一互作過(guò)程可產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)大的選擇壓力，從而形成微生物進(jìn)化速率和模式，影響根際微生物組的形成[36]。如當(dāng)植物宿主受到病原菌攻擊后，能夠發(fā)出特定的信號(hào)招募并富集特定的有益微生物，這一現(xiàn)象即著名的“求救假說(shuō)(cry for help)”[37]。招募到根際的有益微生物促進(jìn)宿主抗病的主要機(jī)制有抗生作用 (antibiosis)、寄生作用(parasitism)、競(jìng)爭(zhēng)作用 (competition) 及誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性(induced systemic resistance) 4 種[8]。由有益微生物產(chǎn)生特異性或廣譜抗菌化合物，與病原菌發(fā)生拮抗促進(jìn)抗病的策略，即為抗生作用[38-39]。如根際微生物熒光假單胞菌Pseudomonas fluorescens產(chǎn)生的抗菌代謝產(chǎn)物2, 4-二乙酰基間苯三酚，對(duì)土傳植物病原齊整小核菌Sclerotium rolfsii抑制率高達(dá)75%[40]。寄生作用一般發(fā)生在拮抗微生物與病原菌之間，拮抗微生物寄生于病原菌體表或體內(nèi)，并以攝取病原菌營(yíng)養(yǎng)等方式影響其正常生長(zhǎng)。如山岡單胞菌Collimonas能在真菌菌絲中定殖寄生，并以真菌為唯一碳源，抑制真菌生長(zhǎng)[41]。競(jìng)爭(zhēng)作用是一種有益微生物與病原菌競(jìng)爭(zhēng)營(yíng)養(yǎng)資源和/或空間微位點(diǎn)，從而抑制病原菌生長(zhǎng)減少病害發(fā)生的策略。而通過(guò)有益菌刺激植物免疫系統(tǒng)影響相關(guān)基因表達(dá)量的變化，誘導(dǎo)植物體產(chǎn)生抗病性的策略，則被稱(chēng)為植物的誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性[42-44]。如熒光假單胞菌WCS417r在擬南芥根際定殖，可使宿主中與植物病原菌Pseudomonas syringaepvtomato防御相關(guān)的基因表達(dá)水平上調(diào)[45]。值得注意的是，植物宿主釋放招募有益菌的這種信號(hào)分子也能吸引周?chē)渌泻ι?(植物病原、線(xiàn)蟲(chóng)、卵菌等)，為其所劫持危害植物健康[21]。如大豆根系分泌的異黃酮在吸引固氮菌大豆慢生根瘤菌Bradyrhizobium japonicum的同時(shí)，也能吸引大豆疫霉Phytophthora sojae這一植物病原菌[46]。

無(wú)論根際微生物與其宿主如何互作，微生物在根際的成功定殖對(duì)宿主而言都是至關(guān)重要的。定殖又細(xì)分為識(shí)別、粘附、入侵 (僅內(nèi)生菌、病原體具有此階段)、定殖、生長(zhǎng)和建立互作幾個(gè)階段[42]。其中，識(shí)別是定殖過(guò)程的關(guān)鍵步驟。在此過(guò)程中植物根系通過(guò)產(chǎn)生能被微生物識(shí)別的信號(hào)與土壤微生物進(jìn)行交流，這些信號(hào)反過(guò)來(lái)又可作為微生物定殖的信號(hào)。根系分泌物因其成分的復(fù)雜性和多樣性被認(rèn)為是可以組織根際對(duì)話(huà)的媒介，其在建立微生物與植物信號(hào)分子通信“高速公路”過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用[47]。如Lebeis等[48]研究表明，擬南芥根系分泌物中的防御激素水楊酸可通過(guò)影響特定的細(xì)菌家族在根際的定殖，從而參與根際微生物群落的組裝建成。

2.4 微生物組內(nèi)及組間的互作

根際微生物組內(nèi)及與其他微生物組間的互作也在微生物組組裝中發(fā)揮重要作用[36]。微生物間互作方式包括營(yíng)養(yǎng)依賴(lài) (nutritional interdependencies)、協(xié)助擴(kuò)散 (enhanced dispersal) 及群體感應(yīng) (quorum sensing) 等類(lèi)型。營(yíng)養(yǎng)依賴(lài)，是群落中營(yíng)養(yǎng)缺陷型微生物，通過(guò)交換胞外代謝物 (如氨基酸、維生素等)彌補(bǔ)自身代謝缺陷，促進(jìn)自身生長(zhǎng)的一種互作形式[49]。如蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus代謝產(chǎn)物肽聚糖，可促進(jìn)根際微生物約氏黃桿菌Flavobacterium johnsoniae的生長(zhǎng)[50]。這一互作形式可擴(kuò)展微生物的基本生態(tài)位(fundamental niches)，使它們能夠在貧營(yíng)養(yǎng)環(huán)境中生存[51]。特定細(xì)菌以真菌菌絲作為媒介，即利用所謂的“真菌高速公路 (fungal highway)”來(lái)提高其在土壤環(huán)境中的遷移速度，是微生物間協(xié)助擴(kuò)散的最好實(shí)例[51]。這一互作策略在構(gòu)建土壤微生物網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮重要作用。群體感應(yīng)，是一種信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制。它依賴(lài)于微生物的群體密度，調(diào)控菌群成員特定基因的表達(dá)及代謝等生理過(guò)程[52]。除群體感應(yīng)機(jī)制外，許多微生物化合物如揮發(fā)性有機(jī)物、草酸、葡萄糖等也可作為信號(hào)分子，觸發(fā)微生物間的互作。其中，揮發(fā)性有機(jī)物 (包括烯烴、醇類(lèi)、酮類(lèi)和苯類(lèi)等)，以其分子量低、易蒸發(fā)等特性，可在土壤孔隙中擴(kuò)散，被認(rèn)為是微生物長(zhǎng)距離互作中最為重要的分子信號(hào)[53]。揮發(fā)物不僅可誘導(dǎo)特定基因表達(dá)，觸發(fā)某些次生代謝產(chǎn)物的產(chǎn)生，還可作為根際微生物成員的生長(zhǎng)基質(zhì)，影響根際微生物組組成[54]。如深綠木霉Trichoderma atroviride釋放的揮發(fā)性有機(jī)物可增加熒光假單胞菌中編碼抗生素2,4-二乙酰基間苯酚合成基因phlA的表達(dá)[55]。這些互作過(guò)程涉及的微生物眾多，它們的總和決定了根際微生物組的組成及功能[49]。遺憾的是，由于受可培養(yǎng)方法的限制，許多低豐度的稀有微生物成員無(wú)法培養(yǎng)，以至目前尚處于以高豐度物種為主進(jìn)行的互作研究階段，對(duì)它們?cè)谌郝浣M裝中的具體作用及機(jī)制仍不明確[36, 56]。

根際微生物組是一個(gè)高度復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的群落集群。除已做討論的眾多因素外，微生物組裝配過(guò)程中不同物種出現(xiàn)的先后順序及光照、溫度、濕度等環(huán)境變化也可能顯著改變?nèi)郝浣M成，導(dǎo)致其向不同的方向發(fā)展[57-58]。

3 根際微生物組的研究方法

3.1 可培養(yǎng)法

對(duì)根際微生物組菌群多樣性及結(jié)構(gòu)功能的研究，傳統(tǒng)上主要用可培養(yǎng)方法將微生物進(jìn)行分離純化，再根據(jù)微生物的菌落形態(tài)及菌落數(shù)來(lái)獲得可培養(yǎng)微生物的種類(lèi)和數(shù)量信息[59]。傳統(tǒng)的可培養(yǎng)法包括純培養(yǎng) (pure culture) 和共培養(yǎng) (coculture) 兩種。其中，純培養(yǎng)技術(shù)擺脫了自然界多物種共存的局面，使研究者們能夠不受干擾的對(duì)目標(biāo)菌株進(jìn)行研究，清楚認(rèn)識(shí)菌株形態(tài)、生理及遺傳特性[60]。共培養(yǎng)則能在一定程度增加微生物次生代謝物產(chǎn)量及多樣性，允許初步探索微生物間的互作[61]。然而，由于根際土壤環(huán)境的復(fù)雜性，以至于實(shí)驗(yàn)室難以重現(xiàn)微生物的適合培養(yǎng)條件，絕大多數(shù)土壤微生物因無(wú)法培養(yǎng)而得不到詳細(xì)研究[62]。

近年來(lái)，隨著研究的不斷深入，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)可培養(yǎng)微生物的數(shù)量和種類(lèi)比傳統(tǒng)觀(guān)點(diǎn)認(rèn)為的要多得多。不斷優(yōu)化培養(yǎng)條件和使用多種培養(yǎng)基配方是目前擴(kuò)大可培養(yǎng)微生物種類(lèi)的常見(jiàn)手段。VanInsberghe等[63]使用8種不同的微生物培養(yǎng)基，分離培養(yǎng)出了森林土壤樣本測(cè)序所得序列約22%的微生物；Zhang等[64]通過(guò)改進(jìn)后的微生物分離培養(yǎng)和鑒定體系，成功分離培養(yǎng)了水稻根系約70%的細(xì)菌種類(lèi)，建立了首個(gè)系統(tǒng)的水稻根系細(xì)菌資源庫(kù)。此外，新興的原位培養(yǎng)法 (situ cultivation) 在可培養(yǎng)中潛力巨大。Nichols等[65]設(shè)計(jì)的由上百個(gè)“微型擴(kuò)散室 (miniature diffusion chambers)”組成的分離芯片 (isolation chip)允許對(duì)環(huán)境微生物進(jìn)行高通量原位培養(yǎng)。通過(guò)將分離芯片浸入土壤懸液或埋入目標(biāo)微生物棲居的土壤環(huán)境，直接利用自然環(huán)境條件及其中的化合物來(lái)滿(mǎn)足微生物的生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)需求，成功培養(yǎng)出許多新物種。甚至，有學(xué)者認(rèn)為在正確的培養(yǎng)條件及培養(yǎng)基上所有微生物均可培養(yǎng)[66]。發(fā)展更為有效、經(jīng)濟(jì)的分離培養(yǎng)技術(shù)，必將是今后根際微生物組研究中的一個(gè)重要方向。

3.2 高通量測(cè)序技術(shù)與宏基因組學(xué)方法

為克服可培養(yǎng)方法的局限性，許多不依賴(lài)于培養(yǎng)的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。如DNA指紋圖譜技術(shù)、磷脂脂肪酸分析法等，允許對(duì)整個(gè)微生物群落 (包括不可培養(yǎng)部分) 的多樣性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。雖然，早期出現(xiàn)這些方法能快速處理大量樣品，也能在不同深度獲得部分不能分離培養(yǎng)的土壤微生物信息，但較近年發(fā)展起來(lái)的高通量測(cè)序技術(shù) (high-throughput sequencing) 和宏基因組學(xué) (metagenomics) 而言，還是存在通量低和信息量小的缺點(diǎn)，不能全面反映微生物多樣性，對(duì)物質(zhì)的代謝活性預(yù)測(cè)也局限于分類(lèi)所知道的一般功能[67-68]。

高通量測(cè)序技術(shù)，以其數(shù)據(jù)產(chǎn)出通量高、速度快為最大特點(diǎn)，完全改變了過(guò)去對(duì)土壤微生物群落的研究模式，其不斷發(fā)展為宏基因組學(xué)在根際微生物組的研究中奠定了基礎(chǔ)[69]。宏基因組學(xué)與傳統(tǒng)研究的最大區(qū)別在于可直接對(duì)環(huán)境中所有微生物進(jìn)行研究，避開(kāi)對(duì)單個(gè)微生物的純培養(yǎng)步驟。再借助高通量測(cè)序技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，直接測(cè)定根際土壤的總DNA獲取數(shù)千乃至數(shù)百萬(wàn)條序列。將測(cè)得的序列與已知數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行生物信息學(xué)比對(duì)分析，即可確定序列對(duì)應(yīng)的菌群來(lái)源，發(fā)現(xiàn)大量免培養(yǎng)微生物以及新的功能基因或基因簇[68, 70]。據(jù)此，我們可更為準(zhǔn)確地確定群落各成員 (即使是低豐度的稀有或休眠微生物) 的相對(duì)豐度，同時(shí)探明其結(jié)構(gòu)與功能潛力。如Sessitsch等[71]通過(guò)宏基因組分析揭示了水稻根系內(nèi)生菌的功能特征，證明根的內(nèi)部細(xì)菌群有可能執(zhí)行植物體內(nèi)氮循環(huán)的關(guān)鍵步驟。

在微生物多樣性研究中，深度測(cè)序還引入了可操作分類(lèi)單元 OTU (operational taxonomic unit)，這一概念降低擴(kuò)增及測(cè)序等過(guò)程中引入的偏差，一般將序列按0.97的相似度進(jìn)行聚類(lèi)后再根據(jù)需要利用相關(guān)軟件或平臺(tái)進(jìn)行注釋解析。如基于FUNGuild軟件可不依賴(lài)測(cè)序平臺(tái)或分析流程，而借助生態(tài)功能群(ecological guild) 從分類(lèi)學(xué)上解析真菌的 OTUs，將分類(lèi)上復(fù)雜的真菌群落按其營(yíng)養(yǎng)方式解析為3大類(lèi)(致病營(yíng)養(yǎng)型、共生營(yíng)養(yǎng)型和腐生營(yíng)養(yǎng)型)，12小類(lèi)(包括動(dòng)物病原、植物病原和木腐菌等)[72]。需特別提到的是，雖然高通量測(cè)序因其顯著優(yōu)勢(shì)在植物根際微生物組的相關(guān)研究中被廣泛使用，但它通常只關(guān)注菌群的相對(duì)豐度，而很難確定其中某些微生物類(lèi)群的富集是由于其絕對(duì)豐度的增加還是其他類(lèi)群豐度的降低。HA-QAP (host-associated quantitative abundance profiling) 是一種可定量檢測(cè)根際微生物組的新方法[73]。通過(guò)向根際微生物組樣品DNA (包括植物DNA和微生物DNA) 中添加一定量的spike-in質(zhì)粒，再用植物標(biāo)記基因通過(guò)qPCR測(cè)量植物DNA，并確定spike-in量與植物DNA之間的關(guān)系，然后基于這種關(guān)系將微生物數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化為相同量的植物DNA[73]。利用此方法，不僅可降低基于相對(duì)豐度數(shù)據(jù)分析產(chǎn)生的偏差，將根際微生物組與其宿主聯(lián)系起來(lái)；還可比較不同環(huán)境條件下植物根際微生物組的總量差異，將根際微生物組的定量特征與植物表型性狀、生理特征等進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，為未來(lái)通過(guò)調(diào)節(jié)根際微生物組促進(jìn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)提供技術(shù)與思路[73-74]。

3.3 可培養(yǎng)法與免培養(yǎng)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合

盡管技術(shù)的進(jìn)步使研究人員能夠快速測(cè)定環(huán)境樣本中幾乎全部的微生物序列，并將其多樣性細(xì)分到一種前所未有的水平，但其存在著一個(gè)嚴(yán)重缺陷，即不可獲取實(shí)體微生物菌株資源。近期Oberhardt等[75]指出，可直接根據(jù)微生物的16S rDNA序列利用KOMODO (the known media database, http://komodo.modelseed.org/) 平臺(tái)來(lái)預(yù)測(cè)其培養(yǎng)基配方，將基于深度測(cè)序的微生物多樣性數(shù)據(jù)與目標(biāo)菌株的分離培養(yǎng)有機(jī)銜接起來(lái)。如Chai等[76]根據(jù)梭菌綱Clostridia特異性16S rRNA基因序列，利用KOMODO平臺(tái)所預(yù)測(cè)的培養(yǎng)基，成功從發(fā)酵谷物中分離出Clostridium菌株。對(duì)目前已知培養(yǎng)基進(jìn)行分類(lèi) (平臺(tái)包括的培養(yǎng)基配方超過(guò)18000多種)，并對(duì)它們的確切營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)行整理和標(biāo)準(zhǔn)化是建立這一平臺(tái)的關(guān)鍵。培養(yǎng)基配方的預(yù)測(cè)原理包括傳遞預(yù)測(cè) (transitive prediction)和協(xié)同過(guò)濾預(yù)測(cè) (collaborative filtering predictor) 兩種[75]。具體而言，傳遞預(yù)測(cè)是基于邏輯學(xué)中的傳遞性(transitivity) 進(jìn)行推斷的。如A、B和C分別代表3種不同的微生物，m1、m2和m3分別代表3種不同的培養(yǎng)基。其中，微生物A、B可利用培養(yǎng)基m1，B、C可利用培養(yǎng)基m2，C可利用培養(yǎng)基m3。通過(guò)傳遞性假設(shè)，即可推斷出微生物A也可能利用培養(yǎng)基m3。協(xié)同過(guò)濾預(yù)測(cè)則是基于16S rDNA的系統(tǒng)進(jìn)化相似性，根據(jù)已知培養(yǎng)基的物種來(lái)推斷與其相似性較高的近緣物種的培養(yǎng)基。此外，平臺(tái)還可給定一個(gè)合作分?jǐn)?shù) (collab scores) 來(lái)表示所預(yù)測(cè)出的培養(yǎng)基配方的可信度。但截止目前，該平臺(tái)的有效性可能仍需更多證據(jù)支持。未來(lái)，我們必須將可培養(yǎng)與免培養(yǎng)方法技術(shù)緊密聯(lián)系起來(lái)、取長(zhǎng)補(bǔ)短，從更深層次挖掘利用根際微生物組。

4 根際微生物組與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

越來(lái)越多的證據(jù)表明，植物根際微生物組在促進(jìn)宿主生長(zhǎng)、健康和耐受方面發(fā)揮著重要作用。如豆科植物能與其根際微生物組成員根瘤菌形成共生關(guān)系高效固氮，為植物宿主提供氮源，增加其產(chǎn)量[77]。叢枝菌根真菌能與絕大多數(shù)陸生植物建立共生體系，其外部菌絲網(wǎng)絡(luò)可顯著促進(jìn)宿主對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收，增強(qiáng)植物抗性[78]。Kwak等[43]利用宏基因組方法對(duì)抗病、易感兩個(gè)品種番茄的根際微生物組進(jìn)行測(cè)序，再通過(guò)挖掘其得到的數(shù)據(jù)，成功發(fā)現(xiàn)兩個(gè)品種的根際微生物存在差異，抗性品種根際中存在更加豐富的黃桿菌基因組信息，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)田間番茄青枯病Ralstonia solanacearum的防治具有指導(dǎo)作用。Zhang等[64]通過(guò)比較田間生長(zhǎng)的亞洲栽培稻兩亞種秈、粳稻 (相比粳稻，秈稻通常表現(xiàn)出更高的氮肥利用效率)，發(fā)現(xiàn)二者形成了截然不同的根際微生物組，秈稻根際微生物組的多樣性明顯高于粳稻，且秈稻根際比粳稻富集更多與氮循環(huán)相關(guān)的微生物種類(lèi)，證實(shí)了根際微生物組與植物氮肥利用效率的關(guān)系。挖掘利用根際微生物組的有益成員并加工制成微生物菌劑或肥料，將是一種十分具有前景的新型農(nóng)藥、化肥制劑[79]。遺憾的是，盡管目前許多研究已經(jīng)證明了根際微生物接種劑的潛力，但仍面臨著其往往只在受控的實(shí)驗(yàn)室條件下表現(xiàn)良好，而在復(fù)雜的自然農(nóng)業(yè)環(huán)境中不能充分發(fā)揮作用的挑戰(zhàn)[79-80]。一種可能的解釋是，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)通常使用的是無(wú)菌土壤基質(zhì)，且大多仍處于一對(duì)一的互作研究，只有少數(shù)在受控實(shí)驗(yàn)室條件下結(jié)合了復(fù)雜的微生物群落來(lái)重建植物根際微生物組，而當(dāng)微生物菌劑接種到天然土壤時(shí)其細(xì)胞數(shù)量通常較少，在與原生土壤微生物群落競(jìng)爭(zhēng)生態(tài)位時(shí)處于劣勢(shì)，以至于其往往在田間試驗(yàn)時(shí)不能介導(dǎo)或需要某些特定條件才可介導(dǎo)對(duì)宿主的有益影響[51, 74, 80]。甚至，在特定的環(huán)境條件下，微生物菌劑還可能對(duì)植物產(chǎn)生不利影響。如當(dāng)土壤中鐵充足時(shí)，在擬南芥根際定殖的植物根際促生菌Pseudomonas simiaeWCS417可誘導(dǎo)植物對(duì)鐵的吸收、刺激植物生長(zhǎng)和提高植株地上部分鮮重；而在鐵缺乏時(shí)，WCS417能產(chǎn)生鐵螯合體載體確保微生物對(duì)鐵的獲取，與植物爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)，導(dǎo)致植物黃化[81]。據(jù)此，現(xiàn)階段仍需要改善可變的田間條件下的微生物菌劑的定殖效果和功能效果來(lái)增加有益作用的可再現(xiàn)性，以期更好地在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中操縱和管理微生物群落，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能[74, 82]。

此外，一些土壤對(duì)植物病原菌表現(xiàn)出的顯著抑病作用，也要?dú)w因于植物的根際微生物組[83]。抑病土壤是通過(guò)土壤微生物群落的改變而不是直接拮抗病害進(jìn)行抑制[84]。如Yuan等[37]通過(guò)對(duì)相同土壤上連續(xù)種植5季的擬南芥葉際接種病原菌Pseudomonas syringaepvtomato，然后在第6季擬南芥種植過(guò)程中評(píng)估其生長(zhǎng)狀況 (如發(fā)病率、生長(zhǎng)速度等) 和抗逆激素水平 (如茉莉酸、水楊酸等)，再基于高通量測(cè)序追蹤土體土壤、根際土壤細(xì)菌群落的變化，同時(shí)利用非靶向代謝組學(xué)技術(shù)鑒定根系分泌物差異并評(píng)估差異分泌物在促進(jìn)土壤抗病性方面的作用，證明了被病原菌侵染的植株通過(guò)改變根系分泌物成分招募、富集有益微生物群落形成土壤記憶 (即形成抑病土壤)，促進(jìn)后代植物對(duì)病原菌的抗病能力。正確操縱和管理根際微生物組或?qū)闇p輕土傳病害、改善土壤健康等提供一種新的有力手段。

5 展望

植物根際–相關(guān)微生物組為一種共生功能體(holobiont)，對(duì)其研究和開(kāi)發(fā)的巨大潛力方興未艾[85]！盡管它們?cè)诖龠M(jìn)宿主營(yíng)養(yǎng)吸收、病蟲(chóng)害抵抗及脅迫適應(yīng)等方面的作用得到廣泛證實(shí)，但目前仍處于管理和操縱植物根際微生物組的早期階段[10, 86]。充分認(rèn)識(shí)根際微生物組裝配過(guò)程的驅(qū)動(dòng)因素，并探明其與植物宿主間的互作關(guān)系，是更好地利用其去解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、土壤健康等問(wèn)題的前提。

現(xiàn)階段，不少研究都是僅集中在一個(gè)或幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)上分析單個(gè)驅(qū)動(dòng)因子對(duì)根際微生物的影響[1, 87]。這已不足以揭示高度復(fù)雜且動(dòng)態(tài)變化的根際微生物組。結(jié)合模式植物尋找模式微生物群落可能是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的關(guān)鍵[58, 74]。具體而言，模式微生物群落包括基于環(huán)境樣本構(gòu)建的微宇宙 (microcosm) 和根據(jù)已有物種構(gòu)建的合成群落 (synthetic community)。與自然環(huán)境相比，微宇宙具可控性與重復(fù)性，使得其能夠用于特定生態(tài)機(jī)制的研究，完整重現(xiàn)群落動(dòng)態(tài)演化過(guò)程等優(yōu)勢(shì)[58]。植物根際微生物組，雖然其菌群組成豐富，但并非所有成員都參與宿主功能的發(fā)揮。核心微生物組 (core microbiome) 被認(rèn)為是根際微生物組的關(guān)鍵組成部分，是一個(gè)更有可能影響宿主生理和表型的穩(wěn)定類(lèi)群[88-90]?；蛟S，通過(guò)著重探究這些可能介導(dǎo)關(guān)鍵功能的核心微生物組成員 (即合成群落) 在可控環(huán)境 (即微宇宙) 中的預(yù)期效果，將根際微生物組數(shù)據(jù)與植物機(jī)能聯(lián)系起來(lái)，將是未來(lái)從更深層次挖掘利用根際微生物組的重要途徑。