利用植物共生微生物促進農(nóng)業(yè)發(fā)展

編譯 毛巍

此類研究非常有應(yīng)用前景，可以繪制實現(xiàn)植物微生物轉(zhuǎn)化的潛在路線圖。甚至在短短幾年內(nèi)，對植物微生物的調(diào)控會從實驗室搬到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。

根部圖：植物的根以及根和土壤之間的區(qū)域——被稱之為根圍——是微生物生活的家園，它們之間的相互作用影響了植物對礦物質(zhì)的吸收

預(yù)計到2050年，世界人口將達到98億，跟目前的人口相比增加了30%，這會給全球的糧食生產(chǎn)帶來巨大的壓力。這種巨大的壓力不可能僅依靠農(nóng)民使用農(nóng)藥使農(nóng)作物免受病原體侵害來提高產(chǎn)量。為了使人類有可持續(xù)的食物來源，需要從根本上改變農(nóng)作物的生產(chǎn)過程及生產(chǎn)方式，即通過調(diào)控與植物相關(guān)的微生物來改變農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)模式。

越來越多的實驗證據(jù)表明，植物與動物在某些方面是相似的，植物也不是孤立存在的個體，而是與許多不同種類的微生物共生的。

幾年前，我在德國馬克斯·普朗克研究所保羅·舒爾茨-勒福特（Paul Schulze-Lefert）實驗室做博士后期間從事植物育種相關(guān)的研究工作。我用新一代測序的方法研究了模式植物擬南芥根部的微生物群落。盡管多年來科學(xué)家都知道根與各種微生物之間存在著復(fù)雜的相互作用，但對這些群落的組成仍然知之甚少。當(dāng)獲得大量的測序數(shù)據(jù)后，我們驚訝于一個細小的根竟然是如此多微生物的宿主，而且這些微生物在分類學(xué)上竟然存在著驚人的多樣性。在這種看起來混亂的局勢中，其實還是有規(guī)律可循的。研究結(jié)果幾乎無一例外地表明，植物根系附近存在著豐富的放線菌屬、擬桿菌屬以及變形桿菌屬微生物，從而可以將根系與周圍的環(huán)境區(qū)分開來。隨后又有其他實驗室的研究結(jié)果與我們提出的觀點一致，而且他們還提出硬壁菌門促進植物生長的觀點。

除了對這些微生物群的研究結(jié)果外，對植物基因組的研究結(jié)果也表明植物的基因組與某些真菌和真核微生物有相關(guān)性。所有這些微生物群落不僅僅在植物的根部以及根部周圍的土壤里生存，它們還在植物的其他組織中存活，例如，葉子。

為什么某些微生物在根和葉中更豐富呢？這些微生物群落是如何聚集的？最重要的是，它們是如何影響植物健康的呢？

最近，不僅對不同種類的植物的各種組織中存在的微生物群落基因組進行研究，研究人員還開始探索這些微生物群落的功能。如果我們能從分子層面弄清楚植物與其共生的微生物之間的關(guān)系就能顛覆農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)律。

植物根系與土壤之間的界面區(qū)被稱作為根圍——根圍為根以及與其共生的微生物提供生活場所，而這些微生物又可以促進植物對礦物質(zhì)的吸收，并且可以促進植物合成調(diào)節(jié)其生長的化合物——植物激素。植物激素能調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)育，同時保護植物免受土壤害蟲和病原體的侵害。由于這些原因，科學(xué)家正在尋找調(diào)控這些植物微生物的方法，從而通過改變其生活環(huán)境來改變微生物組成進而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

手指狀的菌絲：除細菌外，植物微生物還包括真菌，如圖所示的立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）

植物微生物研究

根據(jù)粗略估計，每克土壤中含有成千上萬種細菌，更不用說其他微生物了。也許這并不奇怪，建立與土壤微生物群共生作用是植物適應(yīng)陸地環(huán)境的首要事件。根據(jù)化石提供的證據(jù)表明，與真菌的第一次這樣的相互作用發(fā)生在大約4億年前。

研究表明，土壤性質(zhì)是根系微生物種群的主要決定因素。例如，土壤的營養(yǎng)成分和可吸收的礦物質(zhì)的組分。這就像脊椎動物體內(nèi)消化道的微生物與其食物之間的相互作用一樣，反過來根的土壤微生物又影響了適應(yīng)不同土質(zhì)的植物種類。

在動物界，宿主與寄生在其體內(nèi)的微生物之間存在相互作用關(guān)系。與動物界相似，植物界中某些種類的微生物與植物之間也存在著這種關(guān)系。在以擬南芥和水稻作為研究對象的研究工作中，我和其他研究人員在根-土界面中至少鑒定出3種不同卻能在根-土界面大量繁殖的微生物：其中之一生活在根圍，另外一種生活在須根表面或根面，而第三種則生活在根內(nèi)，即內(nèi)球區(qū)。在多種植物類型中，放線菌、桿菌、厚壁菌和變形菌在這三個分區(qū)的植物微生物中占主導(dǎo)地位。在多個物種的細菌群落中，植物的地上部分例如葉子也表現(xiàn)出相似的可預(yù)見的微生物組成。

在相同種類的植物中，植物微生物的類別組成在很大程度上是保守的，也就是說寄生的微生物的差別主要取決于宿主植物的種類。微生物在哪種植物根系的哪個部位出現(xiàn)的一個重要影響因素是該植物向根圍中釋放的有機化合物的組成。植物向根圍中釋放的有機化合物的過程稱為根際沉積。植物釋放的有機物的組分的變化取決于植物的種類及植物生長的階段，而且植物釋放的有機物竟然相當(dāng)于植物凈光合作用的固碳量11%, 相當(dāng)于總固氮量的10%到16%。這一過程影響根際的化學(xué)和物理組成，而且與此同時這又為微生物的生長提供信號分子和有機基質(zhì)。

影響植物微生物種類的另一個因素可能是植物微生物之間的相互作用。在2016年，馬克斯·普朗克植物育種研究所埃里克·可門（Eric Kemen）領(lǐng)銜的研究團隊在4個不同季節(jié)，分別對生長在德國的5個自然觀測點的野生擬南芥進行研究。根據(jù)研究結(jié)果，他們鑒定出了9萬對相互作用的微生物，揭示了6個微生物中心（這些區(qū)域類似于網(wǎng)絡(luò)中心）具有比其他區(qū)域更多的相互聯(lián)系。不僅如此，可門領(lǐng)銜的研究團隊通過實驗還發(fā)現(xiàn)，微生物之間存在一些負相關(guān)性。2017年，來自哈佛大學(xué)的羅伯托·科爾特（Roberto Kolter）及其同事在玉米根系中發(fā)現(xiàn)也存在這種微生物之間的相互作用。

這些研究結(jié)果表明，微生物的各個組成成員在微生物群落的組成和穩(wěn)定維持的過程中發(fā)揮著不同的作用。要想弄清楚植物微生物之間的相互調(diào)控作用，必須研究清楚植物葉片和根系中不同微生物自身及其相互之間的關(guān)系。

從組成到功能

多年來，研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管存在著病原體和有利于感染的條件，但是在有些地區(qū)生長的植物比在其他地區(qū)生長的植物更不易受病害的影響。原來是因為這些地區(qū)的土壤通過微生物促進植物健康。

研究人員正在深入探索其中機制。例如，在2011年，荷蘭的瓦格寧根大學(xué)和研究中心的羅德里戈·門德斯（Rodrigo Mendes）及其帶領(lǐng)的團隊研究發(fā)現(xiàn)，植物保持健康不感染疾病的原因是因為假單胞細菌科（Pseudomonadaceae）的富集作用。在2017年發(fā)表的研究中，哈佛大學(xué)羅伯特·科爾特領(lǐng)銜的研究團隊發(fā)現(xiàn)，接種7個選定菌株的玉米植株感染輪枝樣鐮刀菌（Fusarium verticillioides）滯后，而輪枝樣鐮刀菌是玉米枯葉病的病原體。這種現(xiàn)象是由所選擇的特定菌株造成的，而不是所有細菌都有此功能，例如用大腸桿菌實驗室菌株對玉米進行處理，就并不能保護玉米幼苗免受病原菌的侵染。同樣，選定的七株菌株一起才能起到保護作用。

將測序數(shù)據(jù)與微生物分離相結(jié)合的研究方法逐漸發(fā)展成為一種研究植物微生物功能的強大工具。像科爾特一樣，研究人員正在試圖用人工組裝微生物菌株群落系統(tǒng)（SynComs）的方法來研究微生物群落的組成對被測試植物的影響。這種方法曾經(jīng)被認為是一項艱巨的任務(wù)，因為能在實驗室條件下進行培養(yǎng)的植物微生物大約只占土壤微生物總量的1%，種類非常有限。

但在2015年，為了研究擬南芥中細菌可以進行人工培養(yǎng)的比例，舒爾茨-勒福特的實驗室與朱麗亞·沃爾特（Julia Vorholt）集團聯(lián)手在瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)進行相關(guān)實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)之前報道的只有1%的植物微生物能在實驗室培養(yǎng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)遠被低估，實際遠遠要高于這個比例。對從植物葉片及根系中找到的8 000多個單克隆微生物菌落進行分類學(xué)比較，并對它們進行單獨培養(yǎng)然后測序分析，發(fā)現(xiàn)擬南芥中50%的植物微生物是可以在體外進行培養(yǎng)的。

利用這一發(fā)現(xiàn)，該研究團隊針對擬南芥根和葉中具有代表性的植物微生物SynComs系統(tǒng)，并在植物不同部位接種，研究其對人工培養(yǎng)的擬南芥的影響。這些實驗結(jié)果表明，將寄生在植物根和葉的菌株（類似于天然微生物）進行接種時，植物在這種微生物群落中的表現(xiàn)類似于天然生長狀態(tài)。這一結(jié)果表明Syn-Coms應(yīng)該是模擬了一個完整的微生物生態(tài)系統(tǒng)。

從此，許多研究人員利用SynComs進一步探索植物微生物對植物的作用。例如，來自北卡羅來納大學(xué)教堂山分校的杰夫·鄧戈兒（Jeff Dangl）及其同事們應(yīng)用植物微生物SynComs來研究植物根系微生物對植物磷吸收的作用。在自然界中，土壤中磷的含量不到5%。為了避免土壤中磷含量低于這一濃度，農(nóng)民依賴使用化學(xué)肥料來實現(xiàn)，但長期來看這種做法是不可持續(xù)的。因此，研究清楚植物及其相關(guān)微生物是如何在磷供應(yīng)充足或者短缺的條件下茁壯成長是一個非常重要的事情。有大量文獻記載叢枝菌根真菌對植物磷吸收的貢獻，但細菌菌群的作用仍然是未知的?？茖W(xué)家正在尋找調(diào)控土壤微生物的方法，試圖以可持續(xù)的方式提高作物產(chǎn)量——目前，對植物微生物的新認識正在促進農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

在以擬南芥為研究對象的實驗中（通常擬南芥不與菌根真菌共生），鄧戈兒和他的同事對野生型植物與削弱了磷饑餓反應(yīng)（PSRs）的突變系植物的微生物進行了對比研究，試圖研究清楚植物應(yīng)對缺磷狀態(tài)的策略。

利用從擬南芥及相關(guān)植物中挑選出的35種植物微生物，使用SynComs方法，研究人員對野生型和突變體進行了研究，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)擬南芥暴露在低磷和高磷環(huán)境下，它們能形成不同的根系微生物群。值得注意的是，當(dāng)植物生長在低磷環(huán)境下時，SynComs接種的植物減少了磷的富集，而當(dāng)植物生長在磷含量豐富的環(huán)境下時，這種現(xiàn)象又消失了，這說明細菌和植物爭奪磷元素。下一步如何呢？

研究清楚植物微生物及其功能可用于促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，從而使我們的莊稼在資源貧乏的環(huán)境中也能更好地生長，同時更好地抵抗植物疾病。事實上，一些企業(yè)已開始對這種做法進行投資。許多公司投資于那些開發(fā)植物益生菌的研究，包括將有益微生物與種子混合，使其在播種及發(fā)芽后起作用；在植物育種時選擇能與植物微生物共生的品種等。

關(guān)于植物微生物的研究仍然存在很多問題，尤其是幾千年的耕作是如何改變作物與土壤微生物之間的關(guān)系的。使用一種獨立培養(yǎng)的方法，我和我的同事們最近證實大麥（Hordeum vulgare）的野生祖先和現(xiàn)代品種的微生物組成也不同。同樣，近些年，荷蘭生態(tài)學(xué)研究所的喬斯·瑞捷梅克斯（Jos Raai Rjmakers）和同事鑒定出在野生祖先和現(xiàn)代品種的菜豆（Phaseolus vulgaris）中植物微生物的構(gòu)成發(fā)生的改變，擬桿菌在野生祖先中更多，而在被馴化的品種中放線菌和變形菌更多。

如何將這些差異與微生物功能的改變發(fā)生關(guān)聯(lián)？鑒于科學(xué)家在擬南芥中所取得的經(jīng)驗，我們現(xiàn)在可以著手解決這個問題了，而且構(gòu)建農(nóng)作物的植物微生物SynComs也將促進此類研究的開展。

幸運的是，這個研究領(lǐng)域非常熱門，也很有前景，可以繪制實現(xiàn)植物微生物轉(zhuǎn)化的潛在路線圖。甚至在短短幾年內(nèi)，對植物微生物的控制會從實驗室搬到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場。