作物驯化对根际微生物组的选择

(中国科学院 东北地理与农业生态研究所 黑土区农业生态重点实验室，吉林 长春130102)

0 引 言

长期的作物驯化能直接或间接地导致微生物群落结构、多样性以及功能上的改变，甚至在微生物组与作物之间的遗传调控上有着相互渗透和影响[1-3]。而且，根际微生物组的变化对作物生产力也有一定的影响，包括对作物生理生化特征的影响，与作物信号转导途径的交互作用，一定程度上影响未来农业增长[4-7]。未来栽培作物根际微生物组的重组和构建，有可能会从栽培作物的野生种根际微生物组的研究中获得巨大助力。因此，揭示驯化作物和根际微生物组之间的相互作用机制，包括微生物和宿主植物遗传信息的耦合、协同进化等，具有重要的理论探索价值。

目前，有关作物驯化与根际微生物组之间关联性的研究相对较少。如关于驯化主题所涉及的作物主要包括玉米、大麦、小麦和向日葵等[8-11]，且主要与其它模式植物如拟南芥作对比[12]。另外，研究内容大多集中在野生和栽培作物对根际微生物类群的选择结果，以及从微生物功能角度来揭示相互选择机制[13-14]。而且，当前研究缺少对驯化动态过程的探索，距离应用的目标有一定距离。

如今，在作物驯化与根际微生物组方面研究比较突出的团队主要在欧洲和美洲，其中最具有代表性的是荷兰生态研究所的Jos Raaijmakers 研究团队，该团队引领该领域的最前沿，从微生物群落结构、功能改变与环境因子、植物生理生化以及遗传特征的相互作用着眼，推动着“作物驯化与根际微生物组”的研究发展[15-17]。德国Paul Schulze-Lefert关于野生和栽培大麦的对比，从微生物功能变化的角度，揭示了大麦驯化带来的影响效应[9]。另外，美国Noah Fierer团队以及加拿大Manish N Raizada团队等，也分别针对向日葵和玉米的驯化带来的根际微生物的改变做了初步探索[18]。这些研究揭示了作物驯化会导致根际微生物组的相应变化，但会因作物品种、作物生长阶段、土壤类型以及根系的不同部位而呈现不同变化趋势。

已有研究证明，水稻根系的发育状况和部位会决定根际微生物组的不同[19]。日本科学家针对不同基因型的水稻对根际微生物的影响，做了初步探索，虽然发现了根际细菌的变化特征与水稻基因型有一定的相关性，但研究者却认为，微生物和水稻在系统发育进化的角度，不存在严格的匹配关系[13]。我们推断，出现不匹配的可能原因与目标分析类群有关。因为根际微生物组里面有太多随机发生的类群，如果这些类群的比例和权重过大，我们是很难发现期待的规律的。这也提示我们，若研究驯化带来的根际微生物改变的效应，除了关注广谱性的微生物类群，还需针对其中特定功能类群如丛枝菌根真菌、根瘤菌等进一步挖掘[20]，在这里面很有可能蕴含着我们感兴趣的重要规律。本文围绕作物驯化与根际微生物组的研究主题，针对国内外最新研究进展，从以下4方面进行了综述，旨在为改善根际微生物的生态特征及功能，寻找潜在特殊的微生物资源，提高作物的抗性及养分吸收及实现土壤可持续发展提供理论基础。

1 作物驯化对根际微生物组间的影响

驯化影响作物微生物选择。Banik等人利用印度栽培稻和野生稻(Oryzaspp.)，比较不同基因型对微生物的选择差异，结果发现，栽培基因型的细菌丰富度大于野生型[21]，推测由于野生稻内生固氮菌含量低所致[22]。另有研究发现，作物驯化对细菌的选择效应不如对真菌的选择效应大[23]。Leff等人对野生和栽培向日葵根际细菌和真菌群落多样性进行了分析，证明了作物驯化对真菌群落产生的影响比细菌更加敏感[11]。笔者利用野生与栽培水稻、大豆也得出同样结论，即驯化对水稻和大豆的真菌微生物群落影响比细菌微生物群落更加显著。这一方面可能是由于细菌相对的种类和数量较多，彼此之间的互补协同能力较强；也可能预示了真菌的确在作物驯化过程发挥着更重要作用。

在作物驯化对根际微生物的影响中，除了微生物群落结构的变化外，还有个不容忽视的影响是微生物之间相互作用的改变[24]。不同微生物之间的相互作用决定了微生物之间是相互依存还是相互竞争，反映着微生物生态位的分布和群落稳定性，在一定程度上揭示了微生物变化是否适应环境和选择压力。为了深入了解在驯化过程中，作物根际微生物对环境选择压力的反应，分别开展了野生稻与栽培稻根际微生物对接种致病菌和接种杀菌剂的响应研究。结果表明，在接种稻瘟病的情况下，野生稻根际群落中球囊霉菌(Glomeraceae)、链霉菌(Streptomyces)、慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)和根瘤菌(Rhizobium)的相对丰度远大于栽培稻，即与栽培作物相比，野生作物具有更好的耐受致病菌的能力[25]。这样的结果与Kroll等人认为可能由于植物和微生物组合的共同进化，野生物种根际可能存在的微生物类群，继而帮助宿主生长的想法不谋而合[26]。在接种杀菌剂后，栽培稻根际细菌与真菌之间的相互作用关系上野生稻强于栽培稻[27]，预示着驯化增强了作物的适应能力。

2 作物驯化对根际微生物C、N代谢的影响

随着微生物功能基因组研究的广泛开展，发现功能和类群的变化并不完全一致，因此也揭示了不同的信息。其中，作物驯化带来的根际微生物组类群的变化，可能是部分的驯化效应，或者说未必涵盖全部内容。而微生物功能的变化特征，则是值得深入挖掘的一部分，比较重要的一个方面就是作物驯化对根际微生物C、N代谢的影响。

关于作物驯化与C、N传递关系的研究表明，在作物驯化过程中，会发生植物叶片的C、N累积和作物产量以及土壤肥力的定向改变，而这与作物自身的营养需求以及人类对子实体的定向选择密不可分[28]。与之相对应，在作物的这种营养积累的过程中，根际微生物组的传输和代谢功能也会发生趋向性的改变，特别是关于C、N代谢的微生物功能类群可能发生较为显著的改变。以菌根真菌为例，它可以吸收水和N、P、S以及Zn 等矿质营养，运输给宿主，宿主植物将光合作用合成的碳水化合物以己糖的形式作为能量碳源提供给菌根真菌[29]。菌根真菌在C、N代谢、物质循环中与宿主植物的营养交换、互惠共生关系具有不可替代的作用[20]。Koide等人研究发现，栽培品种的燕麦菌根真菌侵染率高于野生品种[30]。驯化很可能增强了菌根真菌与宿主植物的共栖关系；同时也暗示了与野生作物相比，栽培作物的根际微生物可能会更大程度上利于根际C、N的传输，进而促进宿主植物相关养分的需求和累积。

这种功能特征，一部分是由作物驯化带来的，还有相当一部分变化会随着环境因子，比如土壤条件的改变，而发生具体的作用规律。更进一步说，广谱性的微生物组的养分传递特征与特殊功能类群，比如丛枝菌根真菌，应该不完全相同，后者在更严格意义上依赖于作物传递的碳源，因而在养分传递和互换上对作物自身的变化反应更为敏感，即严格共生的微生物类群可能会存在更为清晰养分选择特征，而这需要在实验中进一步来验证。

3 生态环境在作物驯化中对根际微生物的影响

一直以来，根际微生物生态学的焦点之一是植物和土壤到底谁决定根际微生物的组成和结构。已有研究表明，相对于植物的品种、生长阶段，土壤类型发挥着更为主要的选择作用[31-32]。实际上，这与我们认为作物驯化带来的根际微生物选择效应并不矛盾，土壤相当于提供给作物一个选择的“拼盘”，选择哪些类群最后还是由作物自身来决定，当然不同的拼盘带来的选择机会肯定不完全一致。这突出了一个关键点，那就是即便作物驯化带来了对根际微生物组的特定选择能力，生态环境往往是制约其最后呈现细节的重要原因。一般来说，野生生境往往蕴含着独特的微生物功能类群。因此，我们可以推测，在野生作物保留的相对较为完整的野生生境中，会更大程度上蕴含着一些特殊功能的根际微生物类群，而这些类群，随着人类对作物驯化的进程，可能会引起栽培作物的根际微生物类群发生巨大变化。

目前，变化机制尚不清楚，由驯化带来的根际微生物组类群和功能变化方面的研究仍需要更深入的探索。为了较为完整地保留野生作物及野生生境，江西省农科院水稻研究所对野生水稻原生境及野生稻种质资源进行了异位保护实验，即从1978年开始，把素有“植物界大熊猫”之称的江西东乡野生稻(OryzarufipogonGriff.)原始居群移入江西省农科院的开放性温室。同年，在开放性温室中种植对照组栽培稻。在这样的一个可控生境下，对野生水稻资源保护的同时，也利于观测野生稻驯化过程对根际微生物组的响应变化。本研究小组有幸与江西省农科院水稻研究所合作，对异位保护的野生稻与原位自然居群的野生稻根际微生物进行了比较，结果表明，异位保护措施影响野生稻的根际细菌和真菌的α和β多样性，但对核心微生物没有显著的影响(未发表)，这一研究结果可能是因为土壤因素的差异引起了细菌和真菌α和β多样性的不同，又因植物自身的选择能力仍可保持其自身的核心微生物。

4 当前研究中的不足与今后的研究方向

在作物驯化影响根际微生物组的研究中，除了对环境因子、微生物类群以及作用关系和C、N传递方面的影响外，另一个重要的方面就是宿主植物的调控。当前，此方面的研究基础比较薄弱，还需要把根际微生物组的数据和作物遗传调控网络系统有效结合，并找出其中的关键链接纽带。除了根系的表型和结构可能带来的影响外，在植物各个组学层面上，相对于基因组学(Genomics)和转录组学(Transcriptomics)来说，代谢组学(Metabolomics)的分析和研究可能更有效地解释作物驯化带来的根际微生物组的变化规律，因为根系分泌物以及养分的代谢传输是作物和微生物相互选择的重要媒介[33]。在代谢产物分析和追踪的基础上，着重分析关键代谢通路，如C、N传递和耦合途径，对于从分子水平阐述作物驯化带来的根际微生物选择效应更具有实际意义。另外，相对于广谱性的微生物类群的调控解析来说，对于专性特殊功能类群如丛枝菌根真菌，因其和宿主植物的调控途径和信号转导机制较为清晰，可以直接针对其营养代谢的核心纽带如三羧酸循环、脂类代谢等关键途径着手，对比分析野生和栽培作物的不同[34]；与此同时，也可以从共生信号因子如Myc因子，以及作物如水稻分泌的独角金内酯(Strigolactones)关键共生信号途径切入[33]，来聚焦作物驯化带来的相关变化及其对丛枝菌根真菌类群和功能的驱动机制研究。

作物驯化是不是真的能够带来对根际微生物组的定向选择，这是当前依然存在争论的话题。虽然不同的研究揭示的基本信息有所不同，但目前较普遍的研究认为作物驯化会导致根际微生物组的定向选择，只是这种选择会随着生态因子的不同而不同。虽然Matthew Shenton等人认为作物的系统发育历史和根际微生物组的进化历史之间不吻合，但他们可能忽略的一个重要事实是微生物众多类群的进化速率和植物完全同步的概率是很小的[13]。很有可能在作物根际微生物组里面，会有一部分存在着和作物驯化过程息息相关的协同进化关系。当然，环境因子会不同程度地影响并导致结果的不同，但通过对根际广谱性的微生物类群与专性共生的特殊类群如丛枝菌根真菌同时进行比对分析，我们相信在一定程度上可以阐明这一关系。

综上所述，建议未来研究方向从微生物类群、相互关系以及功能特征上揭示作物驯化对根际微生物组的影响规律，并从植物表型、营养代谢以及特定信号转导途径上来揭示作物调控机制，及其与环境因子的耦合方式。从中挖掘可能存在的特殊微生物资源，以及阐明作物驯化带来的根际微生物组的改变效应，为将来作物根际微生物组的重组和构建，提高粮食产量，提供理论和现实依据。