根际微生物多样性对甜菜根系研究的启示

王秋红 ，周建朝 ，王孝纯 ，宋柏权 ，邓艳红

（1.黑龙江大学农作物研究院/中国农业科学院甜菜研究所，哈尔滨150080；2.黑龙江省普通高等学校甜菜遗传育种重点实验室，哈尔滨150080）

根际是指植物根系周围1～4 mm的微域，它是植物－土壤－微生物共同作用的区域，是土壤中的水分、营养物质等进入植物体内必经的区域，在这个区域中，在微生物参与下完成了植物和土壤之间的生物和化学等生态过程[1]。而这不仅决定着植物生长所需营养物质的有效供给及供给数量，还影响着植物养分的可利用性和作物的生产力[2－3]，并见证了植物根系、根系分泌物、土壤及微生物之间发生的复杂的相互作用。

甜菜（Beta vulgaris）是主要的糖料作物之一，广泛栽种于我国干旱、半干旱的北温带地区，主要集中在新疆、内蒙古、黑龙江和甘肃等省区。成熟甜菜的根系发达庞大，分布广泛，入土深度可达3 m左右，为所有中耕作物之最[4]。这样的根系条件决定了甜菜的根系分泌物数量和种类上均具有特异性。研究表明，甜菜的根系分泌物的主要成分为糖、有机酸和氨基酸[5]，因此对根际微生物种群的结构与分布也会产生影响，细菌以变形杆菌（Proteobacteria）和浮霉状菌（Planctomycetes）为主[6]，真菌主要以交链孢菌（Alternaria ssp.）、Pythium ssp.和Afternaria ssp.的数量和种类影响最显著[7]。由于根际微生物，特别是对植物有益的根际微生物[8]，可以通过多种途径，如有机质矿化、土传致病菌的生物防治、生物固氮、磷钾锌的增容及促进根系生长等，将其定殖在根际，从而促进植物生长发育，提高养分利用效率，最终达到提高植物生产力和产量的效果。因此，从这些现象背后的分子机制、所涉及的信号传导等方面入手，深入研究甜菜根际微生物从个体或群落水平调控植物的生长发育、营养物质的吸收和利用等过程将具有重要意义。

1 根际土壤微生物的多样性

土壤微生物的多样性[9]指的是土壤生态系统中所有微生物的基因、物种、种群和群落，以及这些微生物与环境之间相互作用的多样化程度。因此，对土壤微生物多样性的研究主要集中在土壤微生物的物种多样性、遗传多样性、结构多样性及功能多样性4个方面。

从物种上看，土壤微生物包括细菌、真菌、古菌、病毒、原生动物和显微藻类等[9]。因成土环境及土层深度的不同，其种类和数量也有所差异。从数量上看，土壤中细菌的数量最大，放线菌其次，其他依次为真菌、藻类、原生动物等。在整个根际生态系统中，土壤微生物在营养物质代谢、植物残体降解、腐殖质形成等过程中均起到了重要的作用[10]。大多数土壤微生物的生存并不依赖于植物，但是在植物根系分泌物、脱落物（主要包括碳水化合物、蛋白质和维生素等物质）的诱导作用下，使其从周围环境富集于根际土壤中[11]。许多根际微生物与植物之间存在较为密切的联系。如根瘤菌、菌根真菌等是和植物共生的，还有能够导致植物生病的土传病原菌等根际微生物的存在，使得根际生态系统成为对环境和生态系统影响显著的体系。

与非根际微生物相比，由于植物根系分泌物、脱落物的特异性，使得根际微生物的多样性较为单一，而且微生物种群间的比例也具有特异性[12]。例如，在根际中，多为革兰氏阴性菌，属于异养型微生物。另外，根际微生物的种类也与土壤中有机物的组成特征密切相关。例如，森林土壤存在分解纤维素的真菌；含动植物残体多的土壤中氨化细菌和硝化细菌较多；在油田污染的土壤中存在着以碳氢化合物为碳源的微生物[13－14]。

由于土壤中的营养物质及水分等的空间分布存在差异，会导致根际微生物群落结构存在时空差异。在根表面和其周围土壤中由根面向外延伸，数量上高于原土体，呈梯度变化[15]。在根际的小范围内，微生物群落结构主要受植物代谢活动的调控，微生物群落的活性则主要受土壤性质（比如氧化还原特征、通气性、养分水分含量等条件）的影响。根际内细菌、真菌分布数量均大于在非根际土壤中的分布数量[16]。

2 根际微生物与植物生长之间的相互作用

植物地上部和根系构成一个有机整体，地上部为根系的生长提供光合产物，根系为地上部生长提供从土壤中获取的水分和矿质营养。植物冠根间的物质循环和信息传递机制是根际调控的主要研究内容之一。

植物－微生物之间的相互作用影响着微生物的群落变化，同时也影响着植物群落的变化。生育时期不同，植物根系的活力、分泌物的组成和数量均有很大区别[17－18]。根际土壤微生物数量和种类的不同变化影响着作物根系的生长发育，再生季稻根际土壤微生物对碳源利用程度和碳源代谢多样性可导致其再生季根际土壤养分有效性和根系活性增强[19]。对600多株拟南芥的非根际土壤、根际和根内3个部位的细菌16Sr RNA进行测序，研究其根系微生物群落结构的空间分布，发现根际与内生菌群落结构主要取决于土壤的类型；发育时期和基因型间的差异在一定程度上可对根际和内生菌起到调节作用。与非根际土壤中的内生菌群落结构相比较，拟南芥根际土壤主要为放线菌和变形菌，多样性显著下降，其中内生变形菌为非特异性的腐生细菌，多出现于植物的根系细胞壁表面；相反，内生放线菌与根系活细胞有非常密切的关系[20－21]。

植物的类型及品种、根系拓扑结构和数量等均可对其根际微生物产生影响。对玉米根际微生物活性和群落结构的研究[22]发现，不同基因型的玉米在形态学上的差异会导致根际微生物结构和功能产生差异。还发现大豆基因型和生长期也是影响其根际细菌种群结构的主要因素[23]，特别是大豆花期对根际微生物的影响显著高于其它生长期。此外，Bulgarelli等[24]总结了植物根系微生物区系的形成机理，并提出了两步选择模型（two－step selection model）。在这个模型中，土壤作为根际微生物最初的资源库，决定根际和内生菌群落的基本结构；第一次选择过程中，植物根系碳沉积和细胞壁将诱导有机营养菌在根际的生长，导致根际微生物群落结构开始发生变化；第二次选择过程中，宿主植物基因型将进一步调整根面和内生菌的生长过程，形成植物所特有的根系核心微生物区系。另外，某些玉米种子中的内生菌能够在根际土壤中定殖[25]，能够将某些特定微生物传递给下一代。这种遗传效应对自然界中植物－微生物相互作用的进化发展有着非常重要的意义。

3 致病致毒根际微生物对植物生长的影响

导致植物致病的根际微生物也是当前科研工作者关注的问题之一。研究表明，自生固氮菌A.tumefaciens通过向植物细胞输入携带致瘤因子的DNA片段，从而导致植物患根癌病。此外，多种变形细菌可以通过细菌TypeⅢ分泌系统（TTSS）向植物细胞质膜传送致病蛋白[26]。另外，根际微生物中的硝化细菌还可能会受到根系分泌物的抑制。Subbarao等研究发现臂形草（Brachiaria humidicola）的根分泌物可以抑制亚硝化单胞菌氨氧化过程中的氨单加氧酶和羟胺氧化还原酶。在牧草中这种抑制作用比较普通，作物中只在花生和高粱中曾检测到[27]。此外，受植物本身的诱导，有些微生物还能产生植物毒素，如在植物苹果酸、柠檬酸和奎宁的诱导下，冠菌素能引起黄萎病[28]。

4 甜菜的根系形态及其根际微生物的初步研究

据中国农业科学院甜菜研究所的试验，甜菜的根系在纵向可达2.5 m以上，横向分布半径在80 cm左右。在一般的耕作栽培条件下，分布在0～20 cm土层中的根量占根系总量的79%，分布在20～40 cm土层中的根量占7.9%，即甜菜的根系主要分布在0～50 cm的土层中。观察甜菜根系分布的纵剖面，还可将其分为3个根群[4]。第一根群分布在0～10 cm土层，根的先端纤细。第二根群分布在10～30 cm土层，形成较多的侧根和分支根。这两个根群的根以主根为中心，分布密集，是吸收养分和水分的主要区域。第三根群是在心土层部位分布的根系，这一根群主要由支根及次生根组成，呈垂直方向伸展，横向分布范围较小。

甜菜的根系不仅起到固定植株、支撑地上部进行正常生长和代谢活动的作用，而且是甜菜在整个生长期中吸收和输送土壤水分和营养物质，并进行一定物质合成的最主要器官。根系发育状况同甜菜的生长发育、块根的增长和糖分积累密切相关，尽早形成庞大的根系，就可保证向地上部供应充足的水分和养分，促进营养器官的旺盛生长，获得较高的产量和含糖率[29]。

甜菜根系分泌物为根际的微生态环境提供了能源，在一定程度上改变了微生物根际环境的生态分布。虽然目前已有分析甜菜相关细菌群落的研究[6－7，30－31]，但仍局限在物种的多样性方面，关于现有甜菜栽培品种及其野生近缘种的微生物遗传、结构及其功能方面的深入研究甚少。国内的研究则更局限于土壤微生物群落动态变化方面，如，甜菜发育初期，根际土壤中细菌、放线菌及真菌数量变化不显著[32]；发育中期土壤中的微生物数量相对增多，以细菌为主（其中芽孢细菌数量较多），其次为放线菌,还有霉菌等；发育后期根际微生物的数量有下降趋势[33]。另外，一定的盐胁迫可促进甜菜根际微生物增长，随着时间的增加，各处理的细菌数量先增加后降低，真菌数量逐渐减少，放线菌数量逐渐增加，微生物总数量变化趋势与细菌一致[34]。增加对甜菜根腐病病原菌具有颉颃作用的相关细菌群落的数量，可显著抑制根腐病的发生，增加甜菜块根的总产量[35]。外施土壤调节剂[36]及改良剂[37]均可显著改变土壤微生物的群落结构，最终达到甜菜增产的目的。上述研究结果初步反映了甜菜根际土壤的微生态变化，为进一步研究甜菜的根际效应提供了实验基础。

5 甜菜根际微生物研究展望

目前对甜菜根际微生物的研究尚不完善，其土壤微生物多样性空间分布模式并不十分明确，根据甜菜根系的特异性，接下来的研究应更多关注甜菜根际微生物对其根系的识别侵染过程及信息传递机制，病原微生物的影响及抗病性等方面；以及对根际养分有效性、对生产生长的影响等方面，进一步深入阐明甜菜根际微生物与根系互作机制。具体要着重关注以下几个方面：（1）利用高通量二三代测序技术、宏基因组、宏转录组和宏蛋白质组学的试验技术及方法，包括最新的基于免培养的现代分子生态学技术等，开展甜菜根际土壤微生物功能多样性的深入研究。（2）微生物侵染对甜菜根系发育及其生理功能的作用机制；（3）甜菜根际微生物不同类群间相互作用关系及各类群间的协同变化及其驱动机制，为探讨甜菜对根际养分高效吸收利用的作用机制提供依据。