根际微生物群落功能与调控的研究进展

喻其林, 赵梓润, 刘 琳

(南开大学生命科学学院 分子微生物学与技术教育部重点实验室,天津 300071)

植物根际是位于植物根表面与植物非根际土壤之间的狭小区域。该区域是根际土壤、植物与根际微生物群落发生紧密相互作用的场所,已成为自然界的一类极为特殊的生态系统。根际土壤作为植物与根际微生物相互作用的中介体,不仅为植物与根际微生物提供物理支撑场所,而且供应水分、氧气、有机质、无机离子等系列营养。植物通过光合作用、有机物质转运与分泌,为根际微生物和土壤提供物质转化及平衡的能量与原料,同时通过分泌植物信息素,调控根际微生物群落的动态组装。根际微生物群落通过复杂多样的代谢与互作过程,参与土壤无机营养解离、生物固氮、微生物拮抗、生长因子供应等系列过程,从而提高植物营养物质吸收与抗逆能力,为植物的健康与高效生长提供重要保障。近年来,多组学技术的迅猛发展,以及多学科的交叉融合,极大推动根际微生物群落结构-功能-调控策略的交互式研究,为绿色农业发展和环境保护提供新的思路。

1 根际微生物群落的结构

鉴于根际微生物群落的极其重要性,其结构与功能一直是微生物学家、植物学家、生态学家及农业领域专家的研究热点。随着多组学技术的不断发展,人们对野生植物与农作物根际微生物群落结构的认识日益深入。

1.1 野生植物根际微生物群落结构

野生植物的根际环境较少受到人为因素的影响,因而其根际微生物群落更能反映根际微生物群落的天然状态。Lei等[1]采用16S rDNA测序分析方法,对菊目的艾蒿(Artemisiaargyi)、藿香蓟(Ageratumconyzoides)、一年蓬(Erigeronannuus)、金盏银盘(Bidensbiternata),以及金虎尾目的飞扬草(Euphorbiahirta)、犁头草(Violajaponica)等进行根际细菌群落研究,发现上述野生植物的根际微生物群落中存在变形杆菌门(Proteobacteria)的根瘤菌目(Rhizobiales)、鞘单胞菌目(Sphingomonadales)、伯克霍尔德菌目(Burkholderiales)、黄单胞菌目(Xanthomonadales),以及拟杆菌门(Bacteroidota)的鞘氨醇杆菌目(Sphingobacteriales)等核心微生物类群。南开大学生命科学学院喻其林课题组(本课题组)长期关注野生豆科植物与苔藓植物的根际微生物群落结构。在野生豆科植物方面,本课题组通过16S rDNA及ITS测序分析,对华北地区两型豆(Amphicarpaeaedgeworthii)、多花胡枝子(Lespedezafloribunda)、二色胡枝子(Lespedezabicolor)、豆茶决明(Sennanomame)、长萼鸡眼草(Kummerowiastipulacea)等多种野生豆科植物的根际微生物群落结构进行解析,发现上述植物根际土壤样品中存在共有的伯克霍尔德菌目、Vicinamibacterales、根瘤菌目、鞘单胞菌目、噬几丁质菌目(Chitinophagales)、芽单胞菌目(Gemmatimonadales)、酸杆菌目(Acidobacteriales)等优势细菌类群,以及伞菌目(Agaricales)、被孢霉目(Mortierellales)、格孢腔菌目(Pleosporales)、肉座菌目(Hypocreales)、粪壳菌目(Sordariales)、鸡油菌目(Cantharellales)等优势真菌类群。通过对采自我国东北、华北、华东、华中等地区的青藓(Brachythecium)、小石藓(Weissia)、白叶藓(Brothera)、柳叶藓(Hygroamblystegium)、白发藓(Leucobryum)、扭柄藓(Campylopodium)、曲柄藓(Calohypnum)、长灰藓(Herzogiella)等苔藓植物根际土壤进行长期研究,本课题组发现其中广泛存在伯克霍尔德菌目、鞘单胞菌目、酸杆菌目、根瘤菌目等优势细菌类群,以及被孢霉目、肉座菌目、刺盾炱目(Chaetothyriales)等优势真菌类群。

1.2 农作物根际微生物群落结构

长期以来,研究者们对重要农作物根际微生物群落组成进行广泛研究。例如,通过对葡萄(Vitisvinifera)、甘蔗(Saccharumofficinarum)、龙舌兰(Agaveamericana)等作物的根际细菌与真菌多样性分析,发现其中存在的主要细菌为变形杆菌门、放线菌门(Actinomycetota)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、拟杆菌门等类群,主要真菌为子囊菌门(Ascomycota)及担子菌门(Basidiomycota)等类群,并且根际微生物群落组成多样性远高于根内生菌及叶内生菌中微生物组成多样性[2-3]。本课题组通过对采自我国多个地区生长期大豆的根际微生物群落进行宏基因组学与代谢组学分析,发现该作物微生物群落中存在Vicinamibacteraceae、鞘单胞菌(Sphingomonas)等优势细菌类群,以及Russula、Trichocladium等优势真菌类群。这些微生物与植物生长代谢、盐碱土壤耐受性之间存在紧密联系。上述发现为盐碱土壤豆科作物种植与增产增效提供重要参考。

2 根际微生物群落的功能

随着根际微生物群落组成成分研究的日益深入,人们对根际微生物群落功能的认识不断提高,极大推动了微生物刺激剂(microbial stimulant,MST)的理论与应用研究。MST是从植物根际土壤、组织等样品中分离出来的微生物,与植物直接相互作用建立相互的共生关系,或通过提高植物的营养利用率间接建立共生关系,从而促进植物生长代谢[4]。研究表明,MST主要包括植物生长促进细菌(plant growth-promoting bacterium, PGPB)、植物促生真菌(plant growth-promoting fungus,PGPF)两类(图1)[5]。随着对上述两类MST功能的深入研究,它们在农业生产、土壤改良、环境污染治理等领域得到推广应用。

图1 根际微生物群落对植物生长与抗逆的调控机制Fig.1 The mechanisms by which the rhizosphere microbiota enhances plant growth and stress tolerance

2.1 PGPB的种类与功能

PGPB是能够促进植物生长的功能细菌。目前已知的PGPB大多来源于特定植物的根际,主要包括芽胞杆菌(Bacillus)、根瘤杆菌(Rhizobacter)、节杆菌(Arthrobacter)、固氮螺旋菌(Azospirillum)、不动杆菌(Acinetobacter)、中华根瘤菌(Sinorhizobium)、慢生根瘤菌(Bradyrhizobium)、黄杆菌(Flavobacterium)、肠杆菌(Enterobacter)、醋酸杆菌(Acetobacter)、假单胞菌(Pseudomonas)、红球菌(Rhodococcus)、链霉菌(Streptomyces)等原核微生物[6-7]。PGPB促进植物生长的机制主要包括:①产生植物激素。大量PGPB可通过产生植物激素的方式,促进作物生长[8]。植物激素是调节植物生长发育的关键激素[9]。例如,某些PGPB可以产生吲哚-3-乙酸(IAA)等生长素,这些物质可调控激素合成、组织防御和细胞壁合成相关基因的转录,诱导根系伸长,增加根系生物量,同时降低气孔大小和密度,促进植物生长[10]。②促进难溶营养物质解离。PGPB可通过促进难溶性营养物质(如磷酸钙、含钾矿物)解离、分泌铁载体等方式,为植物提供可溶性磷、钾、铁等无机营养,促进植物生长[11]。例如假单胞菌可产生铁载体,螯合铁并使其溶解,以增加作物对铁的吸收[12]。③生物固氮。生物固氮一直是备受研究者们关注的议题。传统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]。该过程由根瘤杆菌、中华根瘤菌等细菌与豆科作物根系相互诱导形成根瘤,进而在根瘤中以铁蛋白、钼铁蛋白依赖的方式进行厌氧固氮。近年来,随着根际微生物群落结构与功能解析研究的不断深入,大量非根瘤菌类型的自生固氮菌被发现,如固氮螺菌、假单胞菌、伯克霍尔德菌等[14]。本课题组通过对野生豆科植物以及农田豆科作物根际微生物群落研究,分离到一系列新型的自生固氮细菌,如鞘脂菌、新鞘脂菌(Novosphingobium)、黏液杆菌(Mucilaginibacter)、杜檊氏菌(Duganella)等。这类微生物在豆科植物根际富集并进行自生固氮,为豆科植物提供辅助氮源,可被开发出新型的固氮菌剂,促进豆科作物及非豆科作物的生长。④提高植物抗逆性能。PGPB可通过多种机制增强植物对干旱、盐分等胁迫的耐受性,其提高植物抗逆性能的机制主要包括[15-16]:ⓐ合成1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)脱氨酶,通过转化ACC以降低植物乙烯水平,提高植物抗逆能力[17]。ⓑ诱导可溶性糖、脯氨酸和甘菜碱的积累,增强植物抗逆能力[18]。ⓒ调节细胞壁结构、胆碱和甜菜碱的合成以及气孔关闭相关基因的表达,以及诱导挥发性有机化合物合成,刺激植物生长及抵御不良胁迫[19]。ⓓ产生抗氧化酶和抗氧化代谢物(如抗坏血酸和酚类化合物),清除根际活性氧,降低氧化胁迫[20]。ⓔ增加钾离子水平,维持离子稳态[21]。ⓕ触发诱导性系统抗逆,通过植物激素信号通路和防御调节蛋白,使原生植物抵御病原体攻击[6]。ⓖ形成保护性生物被膜,为根部组织提供屏障[22]。例如肠杆菌(Enterobacter)、短波单胞菌(Brevundimonas)等在根表面形成以胞外多糖为主要组成成分的保护性生物膜,增加鹰嘴豆(Cicerarietinum)植株的水分保持和对渗透胁迫的耐受性[2,23]。

2.2 PGPF的种类与功能

近年来,以PGPF为代表的MST逐渐得到重视[24]。这类MST包括丛枝菌根真菌(AMF)、木霉(Trichoderma)等。它们可通过改善小麦(Triticumaestivum)、大麦(Hordeumvulgare)、玉米(Zeamays)、水稻(Oryzasativa)、大豆(Glycinemax)、草莓(Fragaria×ananassa)、洋葱(Alliumcepa)等植物的生理代谢过程,提高植物的胁迫耐受性[25-26]。

AMF是目前研究得最为透彻的PGPF,包括球囊霉属、根孢囊霉属、索形球囊霉属等[27]。丛枝菌根共生是AMF与植物之间广泛存在的互惠共生关系,在养分交换、生态系统可持续性、增强植物抗逆性和寄主植物发育等方面发挥重要作用[28]。此外,AMF可提高植物对干旱、盐分等耐受性,其主要机制包括:ⓐ上调抗氧化酶和抗氧化代谢物,同时下调脂氧合酶,以缓解氧化应激[29]。ⓑ提高氮、磷、镁等营养物质利用率[30]。ⓒ改变根系形态,增加植物根系表面积,促进植物根系对水分与营养的吸收[31]。ⓓ调控脱落酸水平,抵抗非生物胁迫。ⓔ增强光合作用,改善植物生长[32]。ⓕ增加脯氨酸、甜菜碱等有机溶质积累[33]。ⓖ调节根际微环境的导电性[6,34]。

木霉是一类已成功应用于生物肥料领域的PGPF。该真菌可促进植物生长,激活植物对非生物胁迫的防御能力[35]。木霉刺激植物生长素的运输和信号转导,上调参与光合作用、代谢和防御的蛋白表达,从而提高作物的产量和质量[36]。在抗逆方面,木霉可增强非生物胁迫下的抗氧化防御系统,降低活性氧引起的组织损伤;调控植物防御和发育相关基因,激活抗氧化系统和植物激素信号,进而提高胡萝卜对链格孢菌(Alternaria)、镰刀菌(Fusarium)、丝核菌(Rhizoctonia)等病原体的抗性[37-38]。

除了常见的AMF、木霉等PGPF外,本课题组最近从豆科植物紫云英(Astragalussinicus)根际分离到一株新型的PGPF,该真菌属于Phialocephala。在与豆科植物相互作用过程中,该真菌显著促进植株侧根发育,提高植株对盐碱、病原微生物侵染的耐受性。代谢组学分析进一步发现,该真菌能够通过产生黄酮类物质,调控共生植株的细胞生物学与生理学行为。

3 根际微生物群落的调控策略

鉴于根际微生物群落对于植物生长、代谢与抗逆的极其重要性,研究者们长期致力于根际微生物群落的有效调控。传统的根际微生物群落调控策略包括物理法、化学法及生物法。物理法主要包括耕作与灌溉模式的优化,从而使根际环境利于根际功能微生物的定植与生长,促进微生物群落与植物根系的协同作用[39]。化学法是使用各种化学物质,如pH调节剂、重金属钝化剂、腐殖酸、多糖类高分子、蛋白水解产物、无机及有机肥料等,在改善根际微环境的同时,为根际微生物的生长提供营养,促进功能微生物与植物生长[40-45]。生物法是添加固氮菌、解磷菌、解钾菌、生防菌等微生物菌剂,通过根际定植过程,使根际微生物群落结构朝向更有利于植物健康生长的方向演替[46-47]。然而,上述传统方法难以实现对根际微生物群落的理性调控,往往存在调控效果不稳定、成本高昂等问题。因此,目前亟待开发新型、理性、高效的根际微生物群落调控策略,为农业生产、环境污染治理等领域提供新的技术储备。

近年来,合成生物技术的发展为根际微生物群落的理性调控提供了新的机遇。人们尝试植物基因组编辑、合成微生物组设计等方式,理性调控根际微生物群落。在植物基因组编辑方面,研究者们采用TALEN、CRISPR等方法,在植物基因组中引入人工合成的遗传信息,或者敲除病原菌易感基因,从而重塑植物体的分泌代谢网络,调控植物根际微生物群落,以增强植物对营养物质的摄取,以及对病原菌的耐受性[48-50]。在合成微生物组设计方面,人们尝试通过根际核心微生物类群的发掘、核心微生物相互作用调控等方式,设计针对特定植物的合成微生物组,以重塑植物根际微生物群落,增强植物的生长代谢与抗逆能力[51]。例如,基于不动杆菌与假单胞菌的合成微生物组,能够有效提高拟南芥(Arabidopsisthaliana)等植物的干燥耐受性;甲烷代谢相关合成微生物组能够优化水稻根际微环境,改善水稻生长代谢过程[52]。

本课题组长期致力于根际微生物群落结构功能解析与理性调控的研究,基于多学科交叉技术与原理,发掘豆科、禾本科等典型植物根际核心微生物类群,增强核心微生物互作,构建高效稳定的合成微生物组,以实现正向重塑根际微生物群落、促进植物生长代谢、提高植物胁迫耐受性的目标(图2)。在核心微生物互作方面,本课题组通过人工蛋白创制、磁性组装、生物炭强化等方式,强化核心微生物之间,以及核心微生物与目标植物之间的物理连接作用,大幅提高合成微生物组的工作效率和稳定性。上述相关技术在植物修复、作物增产增效、土壤改良等方面具有很好的应用前景。以下是本课题组创建的物理连接强化策略的应用实例:①人工蛋白创制。本课题组通过创制基于多糖结合域的人工蛋白Cmc、LcGC、Syn等,刺激生物被膜形成,增强重金属捕获细菌与修复植物间的物理连接[53-55]。这种物理连接强化策略一方面提升了修复植物的重金属耐受能力与植物生长量,另一方面大幅提高植物对重金属的富集效率,为高效植物修复提供了重要参考。该类人工蛋白与木霉的高效结合,同样有效重塑了白菜(Brassicarapa)、小麦、大豆等作物的根际微生物群落,进而提高上述作物对盐碱胁迫的耐受性,为盐碱土壤作物增产增收与土壤改良奠定了重要基础。②磁性组装。本课题组通过表面共价修饰壳聚糖的方式,赋予四氧化三铁磁性纳米粒子自组装性能,继而将修饰的磁性纳米粒子和重金属捕获细菌联用。通过磁性组装方式,成功实现凤眼莲(Eichhorniacrassipes)等修复植物根表面合成微生物组的原位构建。这种原位形成的合成微生物组提高了修复植物对高浓度重金属的耐受性,以及修复植物的重金属富集效率[56]。③生物炭强化。本课题组通过对苔藓植物根系微生物群落的功能微生物进行分离筛选,得到一株具有高效结合功能细菌能力的深绿木霉(Trichodermaatroviride)。通过对该菌株进行简单加热处理,制备了一种新型的真菌生物炭。在此基础上,将该生物炭与分离自盐碱土壤的根瘤杆菌、鞘单胞菌等联用,构建稳定的合成微生物组。盆栽及大田实验表明,该微生物组能够通过重塑修复植物根际微生物群落结构,显著提升修复植物的重金属耐受性能、盐碱耐受性及重金属去除能力,为生物炭在植物修复领域的应用提供了新的思路。

图2 根际微生物群落结构功能与调控示意图Fig.2 A schematic illustrating the route to investigate the structure, function and regulation of plant rhizosphere

4 展 望

毋容置疑,根际微生物群落在植物生长代谢和抗逆过程中扮演着极为重要的角色。随着对野生植物及农作物根际微生物群落结构研究的日益深入,研究者们将更加全面地了解典型植物根际微生物群落结构特征,以及特定微生物群落随时间及空间变化的规律。在根际微生物群落功能研究方面,研究者们通过对已知的PGPB及PGPF进行微生物-植物互作分析,初步揭示了它们在促进植物生长、提高植物胁迫耐受性等方面的作用机制。然而,关于这些功能微生物功能的认识,都是基于目前已知的少数微生物类群开展研究工作而获得的。因此,全面、深入揭示根际微生物群落与植物的互作机制,除了依赖于目前流行的宏基因组、转录组等分子测序分析方法以外,还亟待创新发展微生物培养组学技术,以建立资源丰富、覆盖全面的根际微生物物种资源库,进而结合多组学分析与人工智能方法,全面、高通量解析微生物群落组成物种之间、群落与植物之间互作的深层机制。微生物群落结构与功能的深入揭示,必将进一步指导根际微生物群落调控策略的开发,尤其是根际微生物群落新型核心微生物类群与关键调控微生物类群的发现与作用机制解析,将为微生物群落的理性调控提供强有力的理论参考。合成生物技术与材料科学技术的交叉融合,也将为微生物群落理性调控提供工具与技术支撑,推动群落调控策略朝向更为便捷、高效、经济的方向发展,促进其在作物增产、地力提升、污染治理等领域的广泛应用,服务国家乡村振兴重大战略。