植物根際沉積與土壤微生物關(guān)系研究進(jìn)展

艾 超， 孫靜文， 王秀斌， 梁國慶， 何 萍， 周 衛(wèi)

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

植物根際沉積與土壤微生物關(guān)系研究進(jìn)展

艾 超， 孫靜文， 王秀斌， 梁國慶， 何 萍， 周 衛(wèi)*

(中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)部植物營養(yǎng)與肥料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081)

【目的】活躍的根際微生物被喻為植物的第二套基因組，在植物的生長發(fā)育過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。植物通過根際碳沉積影響根際土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能;作為根際微生態(tài)系統(tǒng)中的物質(zhì)流、能量流和信息流，根際碳沉積是連接大氣、植物和土壤系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要紐帶;因此，理解根際碳沉積在根際微生態(tài)中的作用對于提高植物抗逆性，增加作物產(chǎn)量，調(diào)控根際養(yǎng)分循環(huán)等方面具有重大的理論意義。【主要進(jìn)展】本文就近年來關(guān)于根際微生物領(lǐng)域的研究成果，重點(diǎn)綜述了根際微生物多樣性和組學(xué)研究;根際碳沉積的組成和產(chǎn)生機(jī)理;根際微生物群落結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制;根際微生物在促進(jìn)作物養(yǎng)分吸收、提高作物抗逆性等方面的生態(tài)功能;以及氣候變化和長期施肥對植物-微生物互作關(guān)系的影響。在此基礎(chǔ)上我們提出了未來可能的研究重點(diǎn)和發(fā)展方向: 1)植物根際沉積物原位收集方法和檢測技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展;2)穩(wěn)定同位素探針與分子生態(tài)學(xué)技術(shù)的結(jié)合，將植物、土壤和微生物三者有機(jī)地聯(lián)系起來，綜合分析根際界面中微生物的活性與功能; 3)高通量測序、組學(xué)技術(shù)和生物信息學(xué)等新技術(shù)的引入勢必使根際微生物學(xué)研究發(fā)生革命性的變化; 4)隨著全球氣候變化和土壤肥力改變，例如全球變暖、CO2濃度升高和長期施用化肥，根際沉積物在植物-土壤-微生物中的分配與調(diào)節(jié)機(jī)制，以及這種環(huán)境選擇壓力下植物如何誘導(dǎo)根際促生菌發(fā)揮更大作用。希望通過平衡作物與微生物之間的相互關(guān)系來實(shí)現(xiàn)作物的高產(chǎn)高效，促進(jìn)農(nóng)田的可持續(xù)利用。

根際沉積; 根際微生物; 碳分配; 宏基因組學(xué); 植物-微生物相互作用

植物-土壤微生物之間的相互作用很早就為人們所關(guān)注。1904年，德國微生物學(xué)家Lorenz Hiltner提出了“根際(rhizosphere)”這一概念，用以描述植物根系分泌物對土壤微生物的影響[1]。以后的100多年里，這一概念被廣泛地應(yīng)用于土壤學(xué)、植物學(xué)和微生物學(xué)領(lǐng)域。植物根系表面這一特殊的土壤界面具有極高的微生物多樣性，是地球上最復(fù)雜的微生物群落之一。研究表明，植物根表定殖的各種微生物細(xì)胞密度遠(yuǎn)大于植物體內(nèi)細(xì)胞密度，同時根際微生物所擁有的基因數(shù)量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過植物基因[2]。如同人體腸道微生物組，根際微生物組好比植物的第二套基因組，對植物的生長和發(fā)育、養(yǎng)分獲取、植物病蟲害防御和產(chǎn)量提升起著至關(guān)重要的作用。因此，植物和根際微生物被比喻成一個“超級生物體”(superorganism)，植物通過根際微生物獲得某些特定的功能，同時釋放部分光合作用所固定的碳，為這些微生物提供基質(zhì)和能量[3]。隨著基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，有關(guān)植物根際微生物組學(xué)的研究也在不斷的深入和發(fā)展。通過改善根際微生物生態(tài)環(huán)境來促進(jìn)植物生長、增加植物抗逆性等方面的研究正日益成為人們的研究熱點(diǎn)。

1 根際微生物多樣性

1.1 根際微生物群落結(jié)構(gòu)

近年來，大部分關(guān)于根際微生物的研究主要集中于細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的分析。根據(jù)研究方法和研究對象的不同，植物根際操作分類單元(OTU)的數(shù)量在300～55000之間[3-8];這些研究均表明，變形菌(尤其是假單胞菌科和伯克氏菌科)是根際中最為豐富的優(yōu)勢菌群;這可能與變形菌的r-生長策略有關(guān)，因?yàn)榇蟛糠肿冃尉L速度較快，能廣泛地利用各種根際分泌物。利用454高通量測序分析，Uroz等[9]發(fā)現(xiàn)菌根根際(Xerocomuspruinatus和Sclerodermacitrinum)相比非根際土壤擁有更加豐富的α-、β-、γ-變形菌。基因芯片技術(shù)也被用來分析不同植物的根際微生物群落結(jié)構(gòu)，Weinert等[5]研究發(fā)現(xiàn)三種不同馬鈴薯根際土壤OTU數(shù)量在1444～2015之間，根際的優(yōu)勢菌群為變形菌(46%)、厚壁菌(18%)、放線菌(11%)、擬桿菌(7%)、酸桿菌(3%);隨著新一代系統(tǒng)發(fā)育芯片(PhyloChip)的產(chǎn)生，其探測的OTU數(shù)量能夠達(dá)到60000個，其中包括細(xì)菌和古菌的147個門和1123個綱;研究發(fā)現(xiàn)，甜菜幼苗根際OTU數(shù)量超過33000個，這些OTU同樣主要分布于變形菌門、厚壁菌門和放線菌門，然而仍有16%的OTU不能被具體劃分[3]。因此我們需要進(jìn)一步發(fā)展具有更高分辨率的方法去探索根際微生物組的結(jié)構(gòu)和功能多樣性。

1.2 根際微生物的組學(xué)研究

一直以來，由于傳統(tǒng)微生物學(xué)研究方法的缺陷，土壤和根際微生物多樣性被大大低估。隨著基于免培養(yǎng)的(culture-independent)現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)方法的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)環(huán)境中僅有1%的微生物是可以通過傳統(tǒng)微生物方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)，而絕大部分環(huán)境微生物是不可培養(yǎng)的。Handelsman等[10]于2008年首次提出了環(huán)境中全部微小生物基因組總和的宏基因組(metagenome)概念，把土壤微生物的研究引入了一個新的發(fā)展階段。Gans等[11]預(yù)測1g土壤中含有1百萬個細(xì)菌基因組，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了之前人們的預(yù)測;兩年后，Roesch等[12]從西半球四個不同土壤樣品中獲得了139819個細(xì)菌rRNA基因，以及9340個泉古菌rRNA基因，OTU數(shù)量最多可達(dá)到52000，α-、β-變形菌和擬桿菌數(shù)量在各土壤中含量最多，此外他們還發(fā)現(xiàn)森林土壤在門水平上分類更加豐富，而農(nóng)業(yè)土壤在門水平上分類相對較少，相反在種水平上分類更加豐富。建立根際宏基因組克隆文庫，是研究不可培養(yǎng)微生物生態(tài)功能的關(guān)鍵方法，也是挖掘微生物基因資源的重要途徑;Lee等[13]構(gòu)建了3個辣椒和草莓根際宏基因組文庫后，獲得了142900重組質(zhì)粒，其中14個具有脂肪分解活性，通過對活性最高的pFLP-2質(zhì)粒測序發(fā)現(xiàn)了一個1191 bp，編碼397個氨基酸的酯酶基因estD2，該酶可能屬于脂解酶的一個新家族。利用宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)對小麥、燕麥、豌豆以及燕麥突變體(不能夠產(chǎn)生抗真菌物質(zhì)avenacins)根際微生物區(qū)系研究后發(fā)現(xiàn)，豌豆(豆科植物)相比小麥和燕麥具有更強(qiáng)的根際效應(yīng)，根際擁有更加豐富的真菌數(shù)量;三種作物在根際代謝功能上有顯著差異，谷物類植物擁有活躍的纖維素降解活性，而豌豆根際H2氧化能力更強(qiáng)[14]。

2 植物根際沉積

2.1 根際沉積的概念與組成

根系損失到土壤中的總碳被稱為根際沉積(rhizodeposition)。這些植物源碳不僅改變了根際界面的物理化學(xué)特性，而且也是聯(lián)系植物、土壤及微生物的橋梁，直接影響植物-微生物相互作用平衡。根際沉積物包括植物脫落的根系細(xì)胞和組織、植物粘液、揮發(fā)物，受損細(xì)胞裂解后的可溶性產(chǎn)物及活細(xì)胞的分泌產(chǎn)物。不同植物根際沉積組成差異較大，甚至同一物種不同品系之間也會有差異。據(jù)估計(jì)，牧草將30%～50%的光合產(chǎn)物分配至地下根部，小麥和大麥等谷類作物的分配比例也達(dá)到20%～30%[15]。對于谷類作物，這些分配到根部的碳約有一半保留在根系內(nèi)，其余三分之一被根部細(xì)胞和根際微生物呼吸釋放，剩下的部分被合并至根際微生物體內(nèi)或土壤有機(jī)質(zhì)中[15]。假設(shè)根系和微生物對根際呼吸作用貢獻(xiàn)相等，那么根際碳沉積約占植物向根系輸入碳的27%，約占植物凈光合作用固定碳的11%[16]。然而這一比例是有爭議的，因?yàn)椴煌墓浪惴椒?、研究手段、研究對象所得到的結(jié)果差異較大;而且根際沉積物中各化合物所占比例在不同植物中差異顯著;例如，根際沉積物中絕大部分是不易揮發(fā)的物質(zhì)，這其中糖和氨基酸被認(rèn)為所占比例最大，然而我們忽略了一點(diǎn)，在進(jìn)行根際沉積物研究時，我們通常先將根際溶液進(jìn)行過濾，這樣大部分根系脫落的細(xì)胞和組織被過濾掉，然而這部分物質(zhì)在根際碳沉積中所占比例非常重要。

2.2 根際沉積的產(chǎn)生機(jī)制

植物持續(xù)地向根際土壤釋放含碳化合物的過程可分為被動和主動兩大類。被動過程包括植物體內(nèi)物質(zhì)被動擴(kuò)散到土壤中，這一過程不受植物自身代謝調(diào)控的影響或影響很小;大部分根系分泌物可能均是通過被動過程釋放到根際，而且主要發(fā)生在根尖的分生區(qū)[17]。根表的一些脫落物質(zhì)的分解也同樣是被動釋放過程，如黑麥根系殘?bào)w降解時，會產(chǎn)生阿魏酸、原兒茶酸、鞣酸和香子蘭酸等化感物質(zhì)[18]。主動過程是指植物生長發(fā)育過程中或環(huán)境條件變化下，為了實(shí)現(xiàn)某一功能主動向土壤中釋放特定物質(zhì)的過程，植物通過自身代謝作用能夠控制這一過程的發(fā)生，例如豆科植物釋放黃酮類化合物(flavonoids)誘導(dǎo)根瘤菌基因表達(dá)，從而導(dǎo)致二者共生進(jìn)行固氮作用[19]。最近，徐國偉等[20]研究發(fā)現(xiàn)氮肥和秸稈還田也影響到根系分泌物的組成;秸稈還田能夠提高水稻根系分泌物中蘋果酸、琥珀酸以及草酸的含量，降低檸檬酸的比例;根系分泌物中有機(jī)酸和氨基酸總量在秸稈還田后明顯上升。

2.3 根際沉積的產(chǎn)生部位

植物根尖分為根冠、分生區(qū)、伸長區(qū)和成熟區(qū)。根冠位于根尖的最前端，其外緣細(xì)胞產(chǎn)生和分泌的多糖粘液約占根際碳沉積的2%～12%[17]。隨著根系的生長，這一部分根冠外緣細(xì)胞將會脫落釋放到根際土壤中，約占整個根際碳沉積的10%[21]。這些具有一定生物活性的細(xì)胞會影響根際微生物的結(jié)構(gòu)和功能，包括: 刺激芽孢的形成、抑制病原體、特異性的化學(xué)誘導(dǎo)/排斥等。不同植物的根冠外緣細(xì)胞數(shù)量是不同的，這主要與植物根尖分生組織的類型(開放型、半開放型、封閉型)有關(guān)。封閉型根尖分生組織植物釋放的根冠外緣細(xì)胞最少，例如甘藍(lán)型油菜和擬南芥幾乎不釋放根冠外緣細(xì)胞。根尖分生區(qū)也是根系分泌釋放的重要部位，而且主要是被動擴(kuò)散過程;因?yàn)檫@一區(qū)域的細(xì)胞分裂生長活性最為強(qiáng)烈，植物向下分配的碳水化合物大量集中在這一區(qū)域，導(dǎo)致根表內(nèi)外形成顯著的電化學(xué)梯度，根系分泌物被動的擴(kuò)散至根際土壤[17]。伸長區(qū)位于分生區(qū)后方約0.5 mm處，其細(xì)胞增長速率增加10～20倍，相當(dāng)于根尖向前移動的速度為0.2～1.0 μm/s[22]。這意味著根冠和分生區(qū)誘導(dǎo)的微生物隨著根尖的前移，將附著在伸長區(qū)表面。植物根尖成熟區(qū)會形成大量的根毛，這些根毛分泌大量的粘液來結(jié)合土壤顆粒，促進(jìn)根系與土壤進(jìn)行物質(zhì)交換。

3 根際微生物群落結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理

3.1 影響根際微生物群落結(jié)構(gòu)的因素

根際微生物受到各種生物或非生物因素的調(diào)控。大量的研究表明，土壤類型是影響根際細(xì)菌和菌根真菌群落結(jié)構(gòu)最重要的因素[7, 23-24]。不同土壤類型不僅決定了根際微生物區(qū)系的初始狀態(tài)，而且復(fù)雜的土壤物理化學(xué)性質(zhì)還可以調(diào)節(jié)植物生理特性和根際碳沉積模式，間接影響根際微生物區(qū)系。最近的兩項(xiàng)研究中，Lundberg等[23]和Bulgarelli等[7]對擬南芥根系微生物群落結(jié)構(gòu)在空間上的分布進(jìn)行了詳細(xì)的描述;利用454測序技術(shù)對600多株擬南芥的非根際土壤、根際和根內(nèi)三個部位的細(xì)菌16S rRNA進(jìn)行測序后發(fā)現(xiàn)，土壤類型是根際與內(nèi)生菌群落結(jié)構(gòu)的決定因子，而生長階段和基因型對根際和內(nèi)生菌有一定的調(diào)節(jié)作用[7, 23];相比非根際土壤，擬南芥內(nèi)生菌生物多樣性顯著下降，且主要為放線菌和變形菌，其中內(nèi)生變形菌為非特異性的腐生細(xì)菌，可能出現(xiàn)在自然界任何植物的根系細(xì)胞壁表面[7];相反，內(nèi)生放線菌與根系活細(xì)胞有非常密切的關(guān)系[7]。

宿主植物對根際微生物的影響是一個復(fù)雜的過程，包括植物類型、品種、根系拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和數(shù)量等影響因子。單一的根系分泌物也可能引起根際微生物的連鎖反應(yīng)，例如黃酮類化合物不僅可以誘導(dǎo)根瘤菌與宿主進(jìn)行共生固氮，也能刺激病原菌(如大豆霉菌，Phytophthorasojae)生長、促進(jìn)菌根真菌孢子萌發(fā)和菌絲分支、影響細(xì)菌群感效應(yīng)(quorum sensing)。陳林和張佳寶[25]對不同玉米品種根際微生物活性和群落結(jié)構(gòu)研究后認(rèn)為，玉米品種之間形態(tài)學(xué)上的差異可能是導(dǎo)致根際微生物結(jié)構(gòu)和功能不同的重要原因。Bulgarelli等[26]總結(jié)了植物根系微生物區(qū)系的形成機(jī)理，并提出了兩步選擇模型(two-step selection model)。在這個模型中，土壤作為根際微生物最初的資源庫，決定根際和內(nèi)生菌群落的基本結(jié)構(gòu);第一次選擇過程中，植物根系碳沉積和細(xì)胞壁將誘導(dǎo)有機(jī)營養(yǎng)菌在根際的生長，導(dǎo)致根際微生物群落結(jié)構(gòu)開始發(fā)生變化;第二次選擇過程中，宿主植物基因型將進(jìn)一步調(diào)整根面和內(nèi)生菌的生長過程，形成植物所特有的根系核心微生物區(qū)系。

除土壤、植物類型等因素外，種子內(nèi)部和表面微生物對根際微生物區(qū)系也有潛在影響。目前這方面的研究主要集中在種皮上人工接種的功能微生物，而種子自身所帶微生物對根際微生物群落的影響(母體效應(yīng))研究較少。Normander等[27]發(fā)現(xiàn)黃瓜幼苗根際微生物主要來自于土壤而不是種皮，表明種皮微生物對植物根際微生物群落的組成影響很小。然而種子內(nèi)生菌可能存在不同情況，對野生型和現(xiàn)代玉米品種研究后發(fā)現(xiàn)，部分種子內(nèi)生菌能夠在根際土壤中定殖[28]，說明植物能夠?qū)⒛承┨囟ㄎ⑸飩鬟f給下一代。這種遺傳效應(yīng)對自然界中植物-微生物相互作用的進(jìn)化發(fā)展有著非常重要的意義。

3.2 植物與微生物之間的根際碳流

近年來，穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)(Stable Isotope Probing，SIP)已成為研究微生物遺傳多樣性與功能多樣性最有力的工具之一。安婷婷等[29]利用13C標(biāo)記方法發(fā)現(xiàn)，覆膜配合施用有機(jī)肥能夠顯著提高玉米對13C的光合固定數(shù)量，促進(jìn)13C向玉米和土壤中的分配。Lu和Conrad[30]利用RNA穩(wěn)定性同位素探針技術(shù)研究水稻根際碳循環(huán)的關(guān)鍵微生物種群和功能，發(fā)現(xiàn)了一組新古菌的產(chǎn)甲烷功能。Haichar等[31]利用DGGE-SIP技術(shù)，對四種植物根際微生物碳源利用特征研究后，發(fā)現(xiàn)鞘脂桿菌目(Sphingobacteriales)和粘球菌屬(Myxococcus)主要同化利用根際植物源碳，而鞘脂單胞菌目(Sphingomonadales)對植物源碳和土壤固有碳均加以利用。通過耦合穩(wěn)定同位素探針和454高通量測序技術(shù)，我們的研究發(fā)現(xiàn)小麥根際碳沉積大量被放線菌和變形菌代謝利用，尤其是α-，β-變形菌;而酸桿菌、綠彎菌、厚壁菌、擬桿菌在小麥根際中主要以土壤原始有機(jī)質(zhì)(SOM)為碳源。

大量研究表明，菌根真菌在植物根際碳流分配方面起著非常重要的作用。據(jù)估算[32]，每克土壤中叢枝菌根真菌(AM)菌絲長度大約為3～30 m，而在一些未干擾的草地土壤中其長度可達(dá)到68～101 m;外生菌根(EM)菌絲的長度大概在3～600 m之間，但是這一結(jié)果的可信度有待進(jìn)一步驗(yàn)證，因?yàn)镋M菌絲與其他腐生真菌非常類似，我們不能準(zhǔn)確地將二者區(qū)分開來。在自然或半自然的植被系統(tǒng)中，絕大多數(shù)植物均可以與菌根植物共生，這就意味著菌根真菌可能通過調(diào)節(jié)根際碳流來影響根際其他微生物的生長。菌根真菌在根際碳流中的作用主要包括三個方面: 1)將植物源碳用于自身內(nèi)/外生菌絲的生長;2)作為通道進(jìn)一步將植物源碳釋放到菌根根際中;3)菌根自身作為底物被其他微生物代謝利用。2010年，Drigo等[33]在根際碳流方面提出了一個概念模型，該模型認(rèn)為菌根植物向根外釋放的光合碳大部分將優(yōu)先分配到菌根體內(nèi)，此過程在一個較短的時間(1 d)內(nèi)完成;隨后，菌根真菌會逐漸將這些植物源碳釋放至根際(或菌根根際)，供微生物代謝利用。在田間試驗(yàn)條件下，利用13C穩(wěn)定同位素標(biāo)記牧草植物21 h后發(fā)現(xiàn): 植物釋放的碳有5.4%～7.7%被AM真菌菌絲呼吸代謝;3.9%～6.2%被固定在菌絲體內(nèi)[34]。一系列培養(yǎng)試驗(yàn)結(jié)果也表明: 植物凈固定碳的7%～30%被分配到EM真菌菌絲中，其中16%～71%通過呼吸代謝損失[32]。但是這一分配比例可能偏低，因?yàn)槎唐趦?nèi)的標(biāo)記試驗(yàn)只能測定到碳在細(xì)胞質(zhì)中的分配，而忽略了之前形成的真菌細(xì)胞壁。

4 植物與根際微生物的相互作用

4.1 根際微生物促進(jìn)植物養(yǎng)分的吸收

在根際土壤養(yǎng)分有效性方面，根際微生物發(fā)揮著不可替代的作用。例如，植物碳沉積可以加速微生物對根際土壤有機(jī)質(zhì)的礦化分解(正激發(fā)效應(yīng))，土壤有機(jī)質(zhì)分解后釋放各種礦質(zhì)營養(yǎng)供植物吸收利用。在植物氮、磷養(yǎng)分方面，固氮菌[35]和菌根真菌[36]促進(jìn)植物氮、磷的吸收也是最為典型的例子。植物與菌根真菌共生的意義還在于將土壤中的礦質(zhì)養(yǎng)分運(yùn)輸?shù)街参矬w內(nèi)、促進(jìn)土壤團(tuán)聚體形成、改善土壤物理結(jié)構(gòu)、抑制土傳病害等。自從根瘤菌屬(Rhizobium)和慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)被發(fā)現(xiàn)后，不斷有其他固氮微生物在根際中被發(fā)現(xiàn)，例如對亞馬孫西部的農(nóng)業(yè)土壤研究后發(fā)現(xiàn)，豇豆根際擁有非常高的固氮基因多樣性;室內(nèi)試驗(yàn)和16S rRNA測序結(jié)果表明，慢生根瘤菌、根瘤菌、伯克氏菌屬(Burkholderia)、無色桿菌屬(Achromobacter)均具有與豇豆根系進(jìn)行生物固氮的潛力[37]。人們一直希望將這些植物專一性的共生微生物接種至其他重要的糧食作物上，來改善作物養(yǎng)分狀況和減少肥料施用量，但是目前這一方面的研究進(jìn)展緩慢。Geurts等[38]認(rèn)為要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須從本質(zhì)上弄清楚宿主植物根系細(xì)胞對根瘤菌和菌根真菌的誘導(dǎo)機(jī)理。

根際微生物還可以促進(jìn)植物對微量元素的吸收，如植物對鐵的吸收利用。一般土壤中鐵含量較高，但對于一些中性或堿性土壤，鐵主要以不溶于水的氧化鐵形態(tài)存在，植物不能夠直接利用這種無效態(tài)鐵。在缺鐵條件下植物有兩套適應(yīng)性機(jī)制來抵御低鐵脅迫，一般雙子葉植物和非禾本科單子葉植物通過降低根際pH來提高根際鐵的有效性(機(jī)理Ⅰ);而禾本科單子葉植物主要是通過增加植物鐵載體(phytosiderophore)合成和釋放來促進(jìn)鐵離子的吸收(機(jī)理Ⅱ)。當(dāng)根際中有效鐵含量過低和過高時，根際細(xì)菌也會通過分泌鐵載體(siderophore)來調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的鐵離子濃度。研究發(fā)現(xiàn)，這種微生物鐵載體與鐵離子形成的螯合物也可以被植物所吸收。例如，熒光假單胞菌分泌的鐵載體不僅能夠促進(jìn)禾本科植物對鐵離子的吸收，而且也能夠改善雙子葉植物鐵營養(yǎng)狀況[39];少根根霉(Rhizopusarrhizus)分泌的真菌鐵載體能夠促進(jìn)植物對鐵的吸收[40]。同時，根際細(xì)菌也能夠激活植物本身的鐵離子吸收系統(tǒng)，菌株GB03能夠上調(diào)FIT1轉(zhuǎn)錄因子(Fe-deficiency-induced transcription factor 1)表達(dá)，誘導(dǎo)產(chǎn)生Fe3+還原酶和鐵轉(zhuǎn)運(yùn)體[41]。

4.2 根際微生物增強(qiáng)植物的病蟲害抗性

根際是植物抵御病蟲害的重要防線。根際微生物能夠預(yù)防或抵御土傳病害的入侵，涉及到的主要機(jī)制包括: 抗生作用、養(yǎng)分元素(微量元素)的競爭、生態(tài)位的競爭、寄生現(xiàn)象、干擾群感效應(yīng)等[2]。部分根際細(xì)菌和真菌產(chǎn)生的抗生素能夠抑制競爭微生物的生長和活性，其中木霉屬(Trichoderma)產(chǎn)生的抗性化合物備受人們的關(guān)注[42]。近年來，根際微生物產(chǎn)生的揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)越來越受到人們重視。這一類物質(zhì)分子量小，擴(kuò)散能力強(qiáng)，盡管所占根際微生物代謝產(chǎn)物比例不大，但是獨(dú)特的性質(zhì)使得其在根際土壤長距離調(diào)控中發(fā)揮著重要的作用。嗜麥芽寡養(yǎng)單胞菌(Stenotrophomonasmaltophilia)、普城沙雷菌(Serratiaplymuthica)、平凡假單胞菌(Pseudomonastrivialis)、熒光假單胞菌(P.fluorescens)、枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、洋蔥伯克霍爾德氏菌(Burkholderiacepacia)等均能產(chǎn)生VOCs抑制植物病原真菌菌絲的生長[2]。最近的研究結(jié)果表明，植物根系碳沉積能夠影響VOCs的功能，不含氨基酸的根系分泌物加入土壤后釋放的VOCs對細(xì)菌有強(qiáng)烈的抑制作用，但是對真菌影響較小;相反，加入氨基酸后VOCs對真菌也有顯著的抑制作用(Garbeva, 未發(fā)表數(shù)據(jù))。

根際微生物也能夠直接調(diào)節(jié)植物免疫系統(tǒng)[43]。一般情況下，根際益生菌通過植物激素茉莉酸(JA)和乙烯(ET)途徑來引起植物的系統(tǒng)防御反應(yīng)[43];但是也有部分細(xì)菌是通過水楊酸(SA)途徑[2];而根際蠟狀芽孢桿菌(Bacilluscereus)同時利用這些途徑來引起植物的系統(tǒng)防御反應(yīng)[44]。此外，根際細(xì)菌群體感應(yīng)信號分子也引起一系列宿主植物反應(yīng)，包括誘導(dǎo)MPK3、MPK6、WRKY22、WRKY29和Pdf1.2等相關(guān)防御基因的表達(dá)。吳秉奇等[45]對兩株根際促生菌(YC0573和YC0136)的煙草黑脛病防治效果研究后發(fā)現(xiàn)，溫室條件下YC0573和YC0136的防治效果分別達(dá)到 90.9%和 95.4%，生防菌能夠誘導(dǎo)煙草產(chǎn)生系統(tǒng)抗性(ISR)，包括超氧化物歧化酶、過氧化物酶、過氧化氫酶、苯丙氨酸解氨酶和多酚氧化酶等防御酶活性升高以及葉綠素、電解質(zhì)、相對滲透率等生理指標(biāo)發(fā)生改變。人們對根際細(xì)菌引起的宿主植物轉(zhuǎn)錄水平和代謝活性變化進(jìn)行了大量的研究，Weston等[46]發(fā)現(xiàn)兩種不同的熒光假單胞菌(P.fluorescens)均降低宿主植物擬南芥的碳同化量，但是當(dāng)有病原菌丁香假單胞菌(Pseudomonassyringae)感染時，這兩類細(xì)菌均能夠提高植物的抗病能力。這些結(jié)果表明根際細(xì)菌能夠通過多種方式影響宿主植物的免疫、生理和代謝活動，誘導(dǎo)植物產(chǎn)生大量次生代謝產(chǎn)物;分析這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和活性，將有利于我們了解它們在誘導(dǎo)植物系統(tǒng)防御過程中所起的作用。

4.3 根際微生物增強(qiáng)植物在環(huán)境脅迫下的生存能力

根際微生物能夠增加植物在極端環(huán)境中的生存能力。一株從干旱高鹽環(huán)境分離出的PGPR菌株皮氏無色桿菌(AchromobacterpiechaudiiARV8)能夠產(chǎn)生1-氨基環(huán)丙烷-1-羧基脫氨酶，顯著增強(qiáng)辣椒和西紅柿對干旱的忍耐力[47];同樣，在淹水脅迫下，根際促生菌也能夠促進(jìn)植物的生長。土壤鹽分過高會產(chǎn)生滲透和干旱脅迫，因而很容易影響作物產(chǎn)量。在鹽分脅迫條件下，耐鹽細(xì)菌可以通過一系列措施改善宿主植物的生長，Upadhyay等[48]對生長在鹽漬化土壤上的小麥根際130株細(xì)菌研究后發(fā)現(xiàn)，其中24株能夠忍受較高濃度的NaCl(8%)，而且這些菌株均能夠產(chǎn)生吲哚乙酸(IAA);10株為溶磷菌;8株能夠產(chǎn)生鐵載體;6株能夠產(chǎn)生赤霉素;兩株含有固氮nifH基因。低溫也是經(jīng)常限制植物生長的環(huán)境脅迫因子，低溫能夠影響根瘤的形成和固氮過程，然而高緯度地帶的豆科植物仍然能夠正常的結(jié)瘤和固氮。研究表明，促生菌BurkholderiaphytofirmansPsJN在低溫條件下能夠促進(jìn)葡萄根系的生長和生理活性，在10℃條件下，熒光假單胞菌的耐寒突變體相比野生型具有更高的磷溶解能力[49]。土壤酸化是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的問題，Raudales等[50]首次發(fā)現(xiàn)了熒光假單胞菌能夠顯著減少作物在低pH土壤中生長引起的葉片病變，這表明熒光假單胞菌不僅能夠減少病蟲害，而且能夠提高植物對非生物脅迫的抗逆性。

5 環(huán)境變化對植物-微生物關(guān)系的影響

5.1 全球氣候變化

全球氣候變化使得植物所處的生長環(huán)境在不斷的變化，包括氣溫上升、CO2濃度增加、植物生長帶改變等，其中大氣CO2濃度被認(rèn)為是影響植物根際微生物生態(tài)的關(guān)鍵因子。土壤碳的儲存量遠(yuǎn)大于植被系統(tǒng)，它是陸地生態(tài)系統(tǒng)最重要的有機(jī)碳庫?；钚酝寥揽紫堕gCO2濃度(大約為2000～3800 mg/kg)遠(yuǎn)高于大氣濃度，因此有人預(yù)測未來100年大氣CO2濃度升高對土壤微生物的直接影響可能較小，CO2濃度升高主要是通過調(diào)節(jié)植物光合作用來間接影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能，這其中就包括改變植物根際碳沉積模式、根際食物網(wǎng)組成和功能等[51]。相比C4植物，C3植物在這一過程中可能受到的影響更加顯著。Drigo等[33]研究表明，CO2濃度升高改變了C3植物地下部分碳的分配途徑，尤其是對叢枝菌根真菌的影響，進(jìn)而改變了與之相關(guān)聯(lián)的細(xì)菌多樣性及活性。根際中常見的定殖者伯克氏菌和假單胞菌受到CO2濃度影響較大，而芽孢桿菌不受影響且在非根際土壤中更加豐富，CO2濃度的升高也增加根際中的總糖濃度[52]。Nelson等[53]發(fā)現(xiàn),CO2濃度的升高改變了大豆根際古菌群落結(jié)構(gòu)，但是古菌基因數(shù)量沒有發(fā)生變化，而C4植物玉米的光合作用以及產(chǎn)量沒有受到CO2濃度升高的影響。嚴(yán)陳等[54]研究表明，氮肥施用量較高的情況下，大氣CO2濃度增加明顯提高水稻根際土壤中Ⅰ型甲烷氧化細(xì)菌的豐度。

5.2 農(nóng)田肥料長期施用

農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中植物與微生物的相互關(guān)系可能顯著不同于其他自然生態(tài)系統(tǒng)。在無人工干擾的自然生態(tài)系統(tǒng)中，微生物與宿主植物長期的進(jìn)化發(fā)展，形成良好的互作關(guān)系，因此植物種類是影響根際微生物區(qū)系的關(guān)鍵因子。然而在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，同一作物在不同的土壤類型上種植以及不同的農(nóng)藝措施，使得土壤類型以及不同種植方式是影響作物根際微生物的重要影響因素;而且農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)根際微生物多樣性一般低于無人為干擾的自然生態(tài)系統(tǒng)。集約農(nóng)業(yè)中化肥的大量施用不僅改變了土壤的物理、化學(xué)及生物學(xué)特性，也將改變植物-微生物的相互關(guān)系。例如，施用無機(jī)化肥能夠顯著抑制36%～46%的根際微生物呼吸作用，這可能與根際碳流的減少有關(guān)[55];同時無機(jī)化肥還可以直接影響根際微生物的生理功能?；诮沽姿釡y序的研究表明，氮肥能夠增加硝化螺菌[56]和放線菌的數(shù)量，反而降低酸桿菌和疣微菌的數(shù)量[57]。通過對甜瓜根系內(nèi)生菌的研究發(fā)現(xiàn)，施用生物有機(jī)肥使根系內(nèi)生細(xì)菌數(shù)量增加2.42～3.27倍，枯草芽孢桿菌數(shù)量增加0.92～23.7倍，真菌數(shù)量減少了85.9%～95.6%，病原菌數(shù)量減少了85.0%～98.3%;并且生物有機(jī)肥能夠增加根系內(nèi)生拮抗細(xì)菌數(shù)量，上述結(jié)果表明施用生物有機(jī)肥能夠有效地防止甜瓜土傳病害[58]。我們的研究結(jié)果表明，施用有機(jī)肥顯著降低了以根際沉積為碳源的細(xì)菌多樣性，而化肥促進(jìn)部分纖維桿菌對植物源的利用;擬桿菌和綠彎菌數(shù)量在根際土壤中顯著增加，但這一根際效應(yīng)并不是植物碳沉積誘導(dǎo)的結(jié)果，說明植物存在其他的調(diào)控機(jī)制誘導(dǎo)這些細(xì)菌在根際中定殖;長期施用化肥，顯著改變了華北平原石灰性潮土的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，特別是有利于放線菌和硝化螺菌的生長;然而，我們發(fā)現(xiàn)有機(jī)肥的施用能夠?qū)⑦@種已改變的細(xì)菌群落向其初始的狀態(tài)進(jìn)行恢復(fù)。利用宏基因組技術(shù)，F(xiàn)ierer等[59]發(fā)現(xiàn)隨氮肥施用量增加，土壤中DNA/RNA復(fù)制、電子傳遞、蛋白質(zhì)代謝等功能基因數(shù)量顯著增加，認(rèn)為氮肥能夠直接或間接影響土壤優(yōu)勢微生物的生存策略，更加有利于富營養(yǎng)微生物群落(copiotrophic microbial community)的生長。

6 根際微生物研究展望

根際是土壤-植物系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的門戶，根際沉積物則是植物與周圍環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)循環(huán)、能量交換、信號傳遞的重要媒介，這一特殊生態(tài)位中植物-土壤-微生物三者之間的相互關(guān)系已經(jīng)成為了農(nóng)業(yè)研究的重要領(lǐng)域。隨著分子生物學(xué)和組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來在根系分泌物組成、根際養(yǎng)分活化、根際微生物群落結(jié)構(gòu)、根際有益微生物及其促生作用、根際病原菌及其防治等方面開展了大量研究。無論是在研究方法上，還是在過程機(jī)理、影響因素和環(huán)境效應(yīng)都取得了長足的進(jìn)步。然而隨著認(rèn)識的不斷深入，各種影響根際生物學(xué)發(fā)展的因素和技術(shù)瓶頸逐步顯現(xiàn)，未來的研究還需要從以下幾個方面進(jìn)行突破:

1)目前，對植物根際碳沉積數(shù)量和組成的研究主要采用水培和沙培方式，所得到的結(jié)果與大田土壤實(shí)際狀況有較大差異，原位收集方法和檢測技術(shù)的改進(jìn)將極大地促進(jìn)植物根際碳沉積的定量研究，有利于揭示土壤肥力演變、全球氣候變化等環(huán)境條件改變下植物地下碳的分配規(guī)律。

2)在根際界面上，植物、土壤和微生物是一個連續(xù)的整體，三者之間具有很強(qiáng)的依賴性，所涉及的生物化學(xué)過程也非常復(fù)雜;然而，已有的大部分研究只針對單一對象進(jìn)行分析，所得到的結(jié)論不能反映該對象在整個根際過程中的作用和地位。目前穩(wěn)定同位素探針技術(shù)與分子生態(tài)學(xué)技術(shù)的結(jié)合，為我們原位研究植物-土壤-微生物關(guān)系提供了新的思路，該方法不僅可以準(zhǔn)確的展示植物光合碳的去向，而且能夠綜合地揭示根際沉積物和土壤微生物的相互關(guān)系及其生態(tài)功能。

3)隨著第二代測序成本的不斷降低，以及宏基因組、宏轉(zhuǎn)錄組和宏蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展，基于免培養(yǎng)的現(xiàn)代分子生態(tài)學(xué)技術(shù)正迅速地推動著環(huán)境微生物學(xué)的發(fā)展;如何運(yùn)用這些新技術(shù)對根際微生物的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行挖掘，以及生物信息學(xué)分析在根際微生物研究中的應(yīng)用將是未來研究的重要領(lǐng)域。

4)植物通過調(diào)節(jié)根際沉積物來改變根際微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能，這是自然選擇的結(jié)果;在長期的進(jìn)化過程中，環(huán)境因子促使植物與土壤微生物形成特定的關(guān)系，使雙方各自獲得有利于自身發(fā)展的功能。隨著全球氣候變化和土壤肥力改變，例如全球變暖、CO2濃度升高和長期施用化肥，未來的研究重點(diǎn)將是環(huán)境選擇壓力下，根際微生物的響應(yīng)機(jī)制以及植物誘導(dǎo)根際促生菌的作用機(jī)理，在這一調(diào)節(jié)過程中植物根際沉積物可能發(fā)揮著不可或缺的作用。

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Advances in the study of the relationship between plant rhizodeposition and soil microorganism

AI Chao, SUN Jing-wen, WANG Xiu-bin, LIANG Guo-qing, HE Ping, ZHOU Wei*

(KeyLaboratoryofPlantNutritionandFertilizerMinistryofAgriculture,InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081,China)

【Objectives】The active rhizosphere microbiome, also referred as the second genome of plant, is crucial for plant growth and development. The structure and function of microbial community in the rhizosphere are affected by plant-derived carbon through rhizodeposition, which is considered as the main modality of material flow, energy flow and information flow in plant rhizosphere system, and play a role of interconnects in the air-plant-soil system. Hence, understanding the function of rhizodeposition is of theoretically meaning to study to plant stress tolerance improvement, crop yield increase and nutrient cycling regulation in the rhizosphere soil. 【Main advances】 In this paper, the latest results and trends of the rhizosphere microbiome research were reviewed, especially focused on 1)rhizosphere microbial diversity and omics research, 2)components and generation mechanism of rhizodeposition, 3)formation mechanism of microbial community structure in the rhizosphere, 4)the ecological functions of rhizosphere microbiome in enhancing nutrient uptake and plant stress tolerance, and 5)the influences of climate change and long-term fertilization on plant-microbe interaction. On this basis, the future research and development direction were discussed: 1)Improvement and development of thein-situcollection method and measurement technique of plant rhizodeposits. 2)The combination of the stable isotope probing(SIP)and molecular ecology techniques to plant, soil and microorganism could be used to analyze the functions and roles of rhizosphere microbiome. 3)The applications of new technologies(e.g. next-generation sequencing technologies, ‘omics’ technologies and bioinformatics tools)might revolutionize the development of rhizosphere microbiome research. 4)With the changes in global climate and soil fertility, such as global warming, elevated atmospheric CO2concentration and long-term inorganic fertilization, environmental factors will play a more important role on the regulation mechanism of root-derived carbon in the plant-soil-microorganism system, and the inductive effect of plant under such specific environment on plant growth promoting rhizobacteria(PGPR). These knowledge will provide a view on how to establish a sustainable soil-crop system with high productivity and high efficiency through coordinating the interaction between crop and rhizosphere microbiome.

rhizodeposition; rhizosphere microbiome; carbon distribution; metagenomics; plant-microbe interaction

2014-06-16 接受日期: 2014-08-10 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-06-01

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31372136);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201003016);現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金(CARS-01-31);國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB127405)資助。

艾超(1985—)，男，湖南岳陽人，博士研究生，主要從事農(nóng)田養(yǎng)分循環(huán)與微生物生態(tài)研究。E-mail: adeel@live.cn *通信作者 E-mail: wzhou@caas.ac.cn

Q948.12+2.3

A

1008-505X(2015)05-1343-09