根際微生物群落介導(dǎo)植物磷脅迫應(yīng)答與免疫調(diào)控的整合機(jī)制

賈利華，王 鑫，張 蕊，林德立，邱 睿，邢國珍，劉 娜*，鄭文明*

（1 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/小麥玉米作物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/河南糧食作物協(xié)同創(chuàng)新中心，河南鄭州 450002；2 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所/煙草行業(yè)黃淮海煙區(qū)病蟲害防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南許昌 461000）

磷是植物生長發(fā)育所必需的大量元素之一，耕作土壤中有效性磷的缺乏嚴(yán)重限制了作物的生長與產(chǎn)量[1]。據(jù)報(bào)道，低磷脅迫造成全球范圍內(nèi)30%～40%的農(nóng)作物產(chǎn)量顯著降低[2-3]。植物可以直接吸收的有效磷在土壤中多數(shù)以無機(jī)磷酸鹽的形式存在，利用率低且流動(dòng)性差。為了適應(yīng)土壤環(huán)境，植物根系形成了利用根表面高親和型轉(zhuǎn)運(yùn)子從土壤中吸收正磷酸鹽形式的磷，轉(zhuǎn)運(yùn)子與菌根微生物協(xié)同表達(dá)互作的途徑以響應(yīng)低磷脅迫[4]。除此之外，植物還可以通過擴(kuò)大根與土壤的接觸面積 (激素刺激生長、根分支和根毛發(fā)育增加)，改變吸附平衡以促進(jìn)正磷酸鹽離子向土壤液的凈轉(zhuǎn)移，利用微生物直接或間接地增加有機(jī)磷的轉(zhuǎn)移等幾種不同的方式來增加對(duì)土壤磷的吸收。植物根系可以利用根際微生物調(diào)控土壤磷的吸收和利用[5-7]，例如菌根真菌可通過形成根外菌絲以擴(kuò)大對(duì)土壤磷的吸收面積、誘導(dǎo)表達(dá)磷轉(zhuǎn)運(yùn)子、促進(jìn)植物對(duì)外源磷的活化等來提高磷的利用效率和降低代謝過程，進(jìn)而促使少數(shù)可利用的有機(jī)或無機(jī)磷直接溶解或礦化[4,8-10](圖1)。

圖1 植物根系耐低磷脅迫響應(yīng)機(jī)制Fig. 1 The response mechanism of plant root to tolerate low phosphorus

植物根系可以適應(yīng)土壤環(huán)境形成植物、土壤和多樣性微生物群體三者相互協(xié)調(diào)的特定微生態(tài)平衡，微生物群體的結(jié)構(gòu)隨土壤環(huán)境營養(yǎng)成分不同而變化[11]。植物相關(guān)聯(lián)的微生物群體會(huì)與植物進(jìn)行營養(yǎng)競爭，而這一競爭關(guān)系可能促使植物產(chǎn)量的提高。孢囊叢枝菌根會(huì)與植物形成共生體，促進(jìn)土壤有機(jī)磷的活化和利用[12-13]，然而，孢囊叢枝菌根聚集時(shí)植物免疫系統(tǒng)與微生物識(shí)別因子間的協(xié)調(diào)機(jī)制尚未明確。Castrillo等[14]利用磷酸脅迫響應(yīng)對(duì)微生物群體結(jié)構(gòu)的影響，明確了調(diào)控組合型微生物群體出現(xiàn)時(shí)擬南芥營養(yǎng)與防御間協(xié)調(diào)的分子機(jī)制，并進(jìn)一步證明了磷酸鹽脅迫響應(yīng)的主要調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子 (PHR1) 會(huì)抑制植物的防御反應(yīng)。

本文綜述了本領(lǐng)域研究的最新進(jìn)展，詳細(xì)解析了植物體內(nèi)磷脅迫調(diào)控與免疫調(diào)控兩個(gè)重要網(wǎng)絡(luò)在根際微生物群落影響下發(fā)生的整合調(diào)控，探討了植物體內(nèi)分子應(yīng)答與根際生態(tài)的互作機(jī)制，為開展作物耐低磷及抗病機(jī)制的研究和應(yīng)用提供理論支持。

1 植物與根際微生物間的相互作用

植物種類、土壤類型和根系分泌物會(huì)影響根際微生物[15]，植物種類對(duì)根際微生物群落與數(shù)量的影響受許多環(huán)境因素的影響，且同種植物也會(huì)因基因型不同出現(xiàn)微生物群落差異[16-18]。根際微生物群落主要來自土壤，植物為根際微生物選擇特定的元素，以構(gòu)建利于其生長的根際微生物群落[19-21]。根系分泌物是植物與土壤進(jìn)行物質(zhì)交換和信息傳遞的重要載體，為土壤微生物提供豐富的營養(yǎng)，微生物會(huì)在富含根系分泌物的根際及根表面進(jìn)行定殖，其中土壤有效磷、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量影響著黑土土壤真菌群落結(jié)構(gòu)[22]。相對(duì)而言，根際微生物也會(huì)影響植物的生長，根際有益微生物會(huì)通過產(chǎn)生激素類物質(zhì)[23]、促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收、增強(qiáng)植株抗性、抑制病原菌生長和誘導(dǎo)植物對(duì)生物及非生物脅迫的抗性等方式促進(jìn)植物的生長。如接種典型的有益微生物菌根真菌不僅促進(jìn)共生植物根系分泌有機(jī)酸和磷酸酶，還能提高植物體對(duì)土壤中難溶性磷酸鹽的活化能力[8,12,24]，促進(jìn)水和礦物質(zhì)的吸收，尤其是磷酸鹽的吸收[25]。

此外，有益微生物群體能利用直接或間接的方式保護(hù)植物免受病原體的侵害，但效力受微生物群體的其它成員的影響，且只有抑制病原體微生物的有益微生物數(shù)量充足才能產(chǎn)生正面效果，原因是發(fā)揮反面作用與不發(fā)揮作用的微生物群體都與有益微生物產(chǎn)生競爭關(guān)系，且微生物特定的功能作用于特定微生物[26-28]。綜上，微生物群體和它們自身之間的互作共同影響植物的健康 (圖2)[29]。

2 磷饑餓響應(yīng)與根際微生物間的相互影響

植物擁有的特定物理和化學(xué)環(huán)境，為特定微生物類群定殖提供有利條件。微生物的定殖受諸多因素影響，其中最主要的兩個(gè)影響因素是植物免疫系統(tǒng)和土壤營養(yǎng)組成[30]。土壤中有效磷的缺乏促使植物發(fā)生磷饑餓響應(yīng) (PSR) ，PSR的主要調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子(PHR1)(Myb-CC家族成員[31]) 會(huì)在植物發(fā)生磷饑餓響應(yīng)時(shí)從調(diào)控基因與負(fù)調(diào)控因子SPX1和SPX2的復(fù)合物中解離出來，且調(diào)控基因的產(chǎn)物磷酸轉(zhuǎn)運(yùn)子PHT1;1和PHT1;4在質(zhì)膜上受PHF1調(diào)控[32]。植物常增加側(cè)根長度以搜尋進(jìn)入磷酸鹽積累的表層土壤中[33]，以此來提高正磷酸鹽 (Pi) 的吸收率，并與一些土壤微生物群體建立互利關(guān)系[34-35]。

Castrillo等[14]利用野生型與PSR突變體擬南芥根部的微生物群體間差異連接PSR和根際微生物；通過植物幼苗時(shí)期的莖部Pi含量測定植物PSR強(qiáng)度，揭示了復(fù)雜的土壤環(huán)境和微生物會(huì)影響植物的Pi代謝活性。同時(shí)，不同信號(hào)類型的植物PSR突變體聚集的差異微生物群體，進(jìn)一步證明了植物PSR成分影響根部微生物群體的成分和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。研究還利用從十字花科根部微生物群體和野生型土壤微生物群體分離得到的35種微生物，通過基因組16S測序方法研究35種微生物的進(jìn)化關(guān)系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)進(jìn)化分布與野生型的土壤微生物群體的進(jìn)化分布存在高度相似性。將基于此類菌群人工組合的土壤微生物群體分別接種野生型和PSR突變體植株，結(jié)果顯示，人工組合的微生物群體并未改善低磷脅迫下突變體的磷積累量。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，微生物與植物間的磷營養(yǎng)競爭關(guān)系，可能受到植物PSR相關(guān)的調(diào)控因子的影響。通過檢測PSR相關(guān)轉(zhuǎn)錄標(biāo)記因子的表達(dá)水平，發(fā)現(xiàn)微生物群體在植物體上的定殖能增加磷的積累，并功能性的刺激植物發(fā)生PSR。由此推測，根際微生物誘導(dǎo)植物低磷轉(zhuǎn)錄響應(yīng)。

3 PHR1直接負(fù)調(diào)控植物免疫系統(tǒng)

植物在長期演化過程中形成許多抵抗病原微生物入侵的能力和特性，其中包括植物自身的免疫性[36]。微生物定殖在植物根部會(huì)受到植物免疫系統(tǒng)的調(diào)控，植物激素水楊酸 (SA) 和茉莉酸 (JA) 是植物免疫系統(tǒng)的主要調(diào)控子[37]，SA參與的信號(hào)網(wǎng)絡(luò)控制的微生物會(huì)引發(fā)系統(tǒng)和基礎(chǔ)防御響應(yīng)[38]。phr1;phl1突變體擬南芥在缺磷條件下，人工組合的細(xì)菌微生物群體能與植物競爭吸收磷，并引發(fā)植物發(fā)生PSR，植物在響應(yīng)低磷脅迫與組合型細(xì)菌群體時(shí)，基因的表達(dá)水平發(fā)生了變化，其中包含了大多數(shù)受PHR1調(diào)控的PSR核心標(biāo)記基因。利用CHIP-seq實(shí)驗(yàn)，證實(shí)其涉及的反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)富含PHR1直接靶定基因、PHR1啟動(dòng)子結(jié)合元件和PSR相關(guān)的生物過程基因[14]。根部微生物的介入能與植物競爭營養(yǎng)物質(zhì)并誘導(dǎo)植物PSR的發(fā)生，而植物PSR又受到PHR1調(diào)控，從而形成了根部微生物群落協(xié)同變化的PSR。

Castrillo等[14]利用茉莉酸甲酯和SA類似物苯并噻二唑?qū)γ缙跀M南芥野生型、phr1突變體和phr1;phl1突變體進(jìn)行處理，研究PHR1在調(diào)控植物免疫的功能。兩種突變體中強(qiáng)烈表達(dá)的SA響應(yīng)基因是典型的SA依賴性防衛(wèi)基因，較低表達(dá)的SA響應(yīng)基因中富含可能作用于PSR的基因，缺乏SA依賴的防衛(wèi)基因；兩種突變體中JA響應(yīng)基因的表達(dá)水平較低，內(nèi)含基因已知或被預(yù)測參與調(diào)節(jié)防御相關(guān)的硫代葡萄糖苷的生物合成[39]，與植物在磷酸鹽饑餓狀態(tài)下硫代葡萄糖苷水平下降的結(jié)果一致[40]；SA、JA響應(yīng)上調(diào)基因中富含PHR1直接靶標(biāo)基因，與PHR1調(diào)控基因中同樣富含防衛(wèi)基因一致。響應(yīng)低磷酸鹽和微生物入侵的差異表達(dá)基因中含有SA、JA通路標(biāo)記基因和植物免疫系統(tǒng)輸出相關(guān)基因，PHR1在免疫系統(tǒng)的轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控中發(fā)揮了顯著作用[14]。在植物防御反應(yīng)中，phr1;phl1突變體PSR水平下降會(huì)引發(fā)其相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化，最終增強(qiáng)植物的免疫功能。因此，微生物引發(fā)PSR的PHR1直接負(fù)調(diào)控植物免疫系統(tǒng)[14]。

圖2 根際間互作[29]Fig. 2 Interactions in the rhizosphere

4 根際微生物群落介導(dǎo)植物免疫系統(tǒng)和磷脅迫調(diào)控的整合

缺磷條件下，植物差異表達(dá)基因中的PSR標(biāo)記基因多數(shù)為PHR1靶定基因，微生物入侵引發(fā)的植物PSR會(huì)促使PHR1活性增強(qiáng)。phr1;phl1突變體引發(fā)的磷酸饑餓響應(yīng)會(huì)嚴(yán)重降低，病原微生物入侵會(huì)引發(fā)防衛(wèi)相關(guān)基因轉(zhuǎn)錄水平發(fā)生變化，增強(qiáng)植物的免疫功能[14]。微生物誘導(dǎo)的植物免疫響應(yīng)受到抑制時(shí)，PHR1會(huì)直接激活微生物群體以增強(qiáng)植物的磷酸饑餓響應(yīng)。因而，缺磷條件會(huì)促使根際微生物引發(fā)PHR1調(diào)控的植物PSR和免疫系統(tǒng)。

SA激活基因在phr1;phl1突變體中的表達(dá)上調(diào)，與人工組合細(xì)菌微生物群體誘導(dǎo)phr1;phl1突變體植株的防衛(wèi)基因強(qiáng)烈表達(dá)有明顯的重疊效應(yīng)，且部分SA激活基因?yàn)镻HR1靶定基因，而SA是植物免疫系統(tǒng)的重要調(diào)控子[36]，也影響了微生物群落的組分。模擬植物與細(xì)菌微生物互作所需的特定條件，利用鞭毛蛋白多肽 (flg22) 處理植物[41]，分析野生型和phr1;phl1突變體植物的基因轉(zhuǎn)錄水平，發(fā)現(xiàn)phr1;phl1突變體中flg22響應(yīng)基因的表達(dá)水平較高，進(jìn)一步證實(shí)PHR1負(fù)調(diào)控flg22引發(fā)的免疫響應(yīng)，根際微生物群落通過調(diào)控PHR1表達(dá)整合了植物免疫系統(tǒng)和磷脅迫調(diào)控的網(wǎng)絡(luò)通道 (圖3)。

圖3 植物響應(yīng)微生物入侵的作用通路Fig. 3 The pathways of plant in response to the invasion of microorganisms

5 結(jié)論

植物與根際微生物之間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系，植物種類、土壤類型和植物根系分泌物影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)；植物關(guān)聯(lián)微生物種群誘導(dǎo)缺磷植物發(fā)生PSR，并促使植物調(diào)整解決低有效磷的問題，而PSR的改變又會(huì)影響植物根部微生物群體結(jié)構(gòu)。植物PSR發(fā)生所需的主要轉(zhuǎn)錄調(diào)控子PHR1可以直接負(fù)調(diào)控免疫系統(tǒng)成分，實(shí)驗(yàn)證明PHR1靶定基因參與了PSR相關(guān)過程和植物免疫系統(tǒng)表達(dá)調(diào)控的整合。

植物免疫調(diào)節(jié)激素SA還會(huì)影響根部微生物群體的結(jié)構(gòu)，這一現(xiàn)象的發(fā)生可能是SA利用自我平衡以控制免疫系統(tǒng)的輸出來調(diào)控細(xì)菌群造成的；也可能是通過微生物間互作和對(duì)根部生理作用的某種影響造成的。目前，有關(guān)環(huán)境微生物對(duì)植物免疫系統(tǒng)的影響和磷脅迫響應(yīng)的研究已有大量報(bào)道，但有關(guān)根際微生物整合免疫系統(tǒng)和磷酸鹽脅迫響應(yīng)的具體作用機(jī)制與通路卻罕見報(bào)道。植物營養(yǎng)脅迫響應(yīng)、免疫功能和微生物的聚集與維持間的協(xié)同合作將驅(qū)動(dòng)利用微生物增加營養(yǎng)利用效率，為加快推進(jìn)健康可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展提供理論基礎(chǔ)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向生物多樣性水平更高、自我調(diào)節(jié)性機(jī)制更穩(wěn)定的方向邁進(jìn)。