植物微生物组研究进展

冯嘉云

(西安建筑科技大学附属中学 西安 710000)

正常生长的植物表面及体内富集的各种微生物群落及其基因组被称为植物微生物组。植物上的微生物群落包括共生微生物及致病微生物。同人体微生物组的情况类似，植物微生物编码比宿主植物自身更多的基因，通过微生物之间、微生物与植物之间的协作及竞争关系对植物的生长、发育、健康状态产生影响。以往人们对植物微生物的研究主要集中于从单一微生物入手分析其对宿主生命活动的影响及二者之间的互作机制，基于群落整体水平与植物互作关系的研究较少，但自然条件下微生物对宿主植物的影响可能通过群落发挥作用。近几年，随着高通量测序、高通量微生物培养及宏基因组学等技术的出现和发展，人们得以从群落水平研究植物微生物的群落结构信息及功能，对植物不同部位的微生物群落结构的异同有了新的认识，进一步探究不同部位微生物群落与植物生长发育之间的关系，并将理论成果进行应用尝试，通过人工模拟重建微生物群落，对植物生长进行调控，改善植物营养吸收，提高抗病、抗逆等能力。

目前，植物微生物组已成为现代生物技术研究的前沿热点之一，该领域的研究及应用成果大多集中在农作物及药用植物方面。植物微生物组的研究与农业、林业等产业发展密切相关，在保障粮食和食品安全、提高资源利用率等方面有巨大潜力。本文通过较全面的文献调研，从植物微生物群多样性、功能、影响因素、应用进展等方面总结近年来植物微生物组的研究进展，为希望了解这一领域发展概况及前景的研究人员提供参考。

一、植物微生物组的研究方法

人们在植物微生物的研究进程中先后发现共生根瘤菌的固氮作用、丛枝菌根真菌及其它一些微生物的促进植物吸收矿质元素的作用。这些发现基本基于经典的微生物分离培养技术。

上世纪50年代，人们最初在分离培养微生物时发现能被成功培养的微生物只有群落微生物种类的1%。近年来，随着人们对微生物生存条件参数的了解和模拟手段的进步，逐渐将可培养微生物的比例提高，Bulgarelli等人[1]和Schlaeppi等人[2]先后将拟南芥根微生物可培养比例提高到了50%以上，随后Bai等人[3]成功培养了拟南芥根和叶微生物群的64%及47%，并且在无菌苗上重建了根和叶的微生物群落，推动了微生物组从描述性研究进一步向功能性研究发展。对于其它那些目前仍不可培养的微生物来说，一些免培养技术如群落指纹图谱、高通量测序、系统分类芯片、宏基因组学等技术可以帮助人们绕开培养瓶颈，了解微生物群落的基因组信息及结构组成，为挖掘群落功能基因及代谢物资源提供帮助[4-7]。应用16SrRNA、转录本分析和元基因组分析方法已在经济作物水稻和甘蔗中获得了微生物组群落结构信息。

二、植物微生物的多样性及影响因素

陆地植物在生长发育过程中富集了多种多样的微生物，主要包括细菌、真菌、卵菌、藻类、原生生物、古菌、病毒等，根据微生物在植物上定殖部位的不同，将植物微生物分为叶际微生物、根际微生物、内生微生物，共同构成了植物微生物群落。

(一)植物根际微生物

根际(rhizosphere)是包围根的一层土壤，可受植物根的影响改变其氧气和营养水平，是植物-土壤-微生物与环境条件互作的界面和场所。根际微生物主要来源于土壤，受根系分泌物、粘液和脱落细胞的影响[8]。根系分泌物的组成因植物种类和品种而异，并随着植物年龄和发育阶段而异。植物根际微生物多样性丰富，群落组成非常复杂，以细菌为主，常见的有假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌、土壤杆菌和色杆菌等。在门的水平上包括变形菌门、放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门。刘泉成[9]在玉米根际微生物群落特征分析研究中从玉米根际分离到了1584株细菌，进行16SrRNA鉴定其分属上述四个门，种类占80%以上的变形菌门微生物为优势菌群。

(二)植物叶际微生物

Blackman首次将寄生在植物叶片表面的微生物定义为叶际微生物，经过半个多世纪的发展，人们认为同一植物的地上部分所处的外界环境条件基本一致，将维管植物地上部分的表面及内部生境称为叶际(phyllosphere)，将生存在叶际的微生物称为叶际微生物。叶际微生物发挥着重要的生理及微生态功能。与根际环境相比，叶际环境条件对微生物生长较为苛刻，存在营养物及水分相对匮乏、紫外辐射、温差变化大等不利因素，叶际微生物组构成相对简单。然而，植物叶际微生物也包括了细菌、古菌、真菌、原生生物等微生物种群，群落组成丰富，其所包含的微生物种群数与植物种类、地理位置、气候条件、叶位、叶龄、水分条件等十分相关[10，11]。无论是根际微生物组还是叶际微生物组都包含相似的群落种类，以细菌的含量和种类最为丰富，都主要包括变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门。

(三)根内生微生物

根内生微生物是能够定殖在植物根内部，不引起宿主植物任何明显症状的一类微生物，包括真菌和细菌。在长期共生过程中与宿主形成了和谐的关系，与宿主植物的生长和健康状态紧密相关。康宝玲[12]采用指纹图谱结合高通量测序方法研究了山西黄芪根维管组织和周皮中的内生微生物菌群组成，将高通量测序得到的OTUs序列与NCBI网站16SrRNA数据库进行比对后注释到17个门，按所占比例的大小排在前五名的依次为变形菌门、拟杆菌门、浮霉菌门、放线菌门和衣原体门。植物内生微生物的多样性主要受寄主植物种类、植物生长地域的温度变化特征、土壤重金属等环境因素的影响。

三、植物微生物的功能研究

在高通量的培养方法被开发及应用后，人们对植物微生物组的研究开始进入到功能研究阶段。内生微生物的存在对植物有一定的有益作用，如通过共生作用提高植物环境适应性，通过固氮作用、提高植物叶绿素含量、提高植物的光合作用、产生植物生长素和某些具有促生作用的挥发性化合物等方式促进宿主植物的生长，与病原微生物互作调节植物抗性。

根际微生物参与土壤中氮、磷、硫等元素的循环和转化，对植物的定植、生长、繁殖和群落演替非常重要。根际微生物对不良环境下植物的生态适应力有重要作用。根瘤菌能够帮助植物固氮。菌根是菌根真菌和宿主植物体形成的共生体，丛枝菌根真菌是菌根真菌中分布最为广泛的类群，它与植物建立的共生结构能促进宿主对磷元素的吸收。刘智蕾等人[13]的研究表明，丛枝菌根真菌能提高水稻抗低温的能力。微生物组技术的发展还使人们发现了其它一些能参与植物固氮和吸收磷过程的微生物以及能帮助植物吸收铁元素的益生菌[14，15]。

在药用植物中的研究发现，根内生菌可通过代谢作用产生与宿主相似或者相同的药用次生代谢产物，从而提高药材的药性。比如，黄芪根瘤内生菌可以产生蒽醌类、黄酮类和甾体三萜物质[16]，内生荧光假单胞菌可以促进苍术挥发油的积累[17]。

四、植物微生物组的应用开发

(一)环境友好型生防菌剂

研究表明木霉属、短梗霉属、镰刀菌属、青霉属、毛壳菌属、生赤壳属、毕赤酵母和假丝酵母是日本虎杖和美洲辽杨致病菌的主要内生拮抗菌[18]。不同内生菌对病原菌的作用方式不同，一种植物内生微生物在不同的植物和环境中可能具有不同的生态角色。根系益生菌群落可以稳定地促进植物在有某些致病菌的环境中正常生长，提高植物的抗病性，为利用植物微生物组进行生物防治提供新的思路。与植物共生的微生物群落中有多种可作为生防菌的微生物，通过分离培养等方法筛选高效生防菌，选用那些高效且施用一段时间后对施用地区植物微生物群结构影响不大的生防微生物群作为环境友好型生防菌剂，可以作为服务农业可持续发展的绿色农药。

(二)微生物组生物肥料

植物根系微生物在植物吸收氮、磷、铁等元素的过程中有重要作用，对根系微生物组的合理开发能帮助改善植物营养情况，提高作物产量。诺维信控股的一家生物肥料公司在对植物根系微生物组进行规模化分析的基础上，成功分离到两株可培养微生物：解淀粉芽孢杆菌和绿木霉菌，通过实验进行配比和成分优化，开发一种可作种子包衣的菌剂产品帮助改善植物苗期的营养供应，田间效果非常稳定，可使小麦每公顷增产两百千克以上[19]。

(三)微生物组的人工模拟和体系重建

研究表明，发挥有效作用的微生物类群比较复杂，多种益生菌与宿主植物之间存在复杂的作用关系[20]。土壤环境中微生物组结构失衡可能引起连作障碍，人们的研究重点已经由利用单一微生物菌株转向了利用微生物组。探究植物微生物组的功能后，人工重组健康的植物微生物组并进行移植，能够更好地维护植物的健康状态，减少农药使用量，克服因菌落结构失衡而引起的连作障碍。

五、讨论和展望

从国内外的研究现状来看，各国都在加大对植物微生物组的研究力度，其中农作物微生物组的研究已进入产业化阶段。我国对植物微生物组的研究和资源开发也十分重视，但应用力度不够，相关制剂田间稳定性差，还没有形成成熟的产品。我国今后应该逐步重视对先进技术的转化，鼓励基础研究与应用研究合作互动，加大对微生物组资源的开发。

人们对微生物组与植物的互作机制已经有了一定的研究[21]，如根瘤菌与豆科植物的特定相互作用[22]。植物与其微生物组之间相互影响，宿主植物的遗传多态性显著地影响微生物群落[23]。植物-微生物组-环境相互作用涉及多种生命活动的过程，互作关系复杂，理解其互作机制是未来全面合理利用微生物组资源的基础，植物遗传改良操作也可能对微生物组产生影响。深入研究植物与微生物组之间互作及微生物组内互作的分子机理，对营养代谢、信息交流等过程进行深入分析，为人工设计理想的植物微生物组提供理论依据。

植物微生物组的研究能帮助人们更全面地了解植物生长的真实环境，更全面地考虑植物与环境生物及非生物因子间的相互作用关系。对植物-微生物相互作用关系科学利用，有助于低成本地实现农业可持续发展。比如，利用微生物组工程生态友好地解决农业发展问题[24]；用现有最佳方案保存根际土壤使其中微生物能长期不受干扰并能从中获取活的微生物群落，隔离、筛选“最低有效微生物组集”并保存，建立可靠、可重复利用的植物微生物群落资源库，作为未来农业的生物技术资源[25]。在筛选生防菌株时，全面思考菌株与植物、微生物组之间的互作关系，建立可信的生防体系模型，为采取稳定有效的生防策略提供新的思路。利用植物微生物组的研究成果有助于减轻农业现代化对化肥、农药的严重依赖，在提高作物产量和品质的同时保护环境、节约资源，实现可持续发展。