農(nóng)作物根際微生物群落組成研究概述

孫躍志

摘要 對農(nóng)作物微生物種群的研究，將有助于促進(jìn)生長或進(jìn)行生物控制。對農(nóng)作物根際微生物的相關(guān)研究進(jìn)行綜述，以期為今后的研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞 根際微生物;微生物群落

中圖分類號：S154.3;S512.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-3305（2019）04-120-02

DOI： 10.19383/j.cnki.nyzhyj.2019.04.050

Abstract The study of microbial populations in crops will help promote growth or be used for biological control. In order to provide references for future research，this paper reviewed the research on microbial populations in crops.

Key words ? Rhizosphere microorganisms;Microbial community

根際土在根系與附近土壤間形成分界層。根系和土壤同時充當(dāng)大量化合物的“源”和“匯”[1]。根際區(qū)域的范圍很難明確，研究方法及研究對象的不同會產(chǎn)生不同的結(jié)果，多被認(rèn)為是距根系表面幾毫米的環(huán)狀區(qū)域。植物的根系生長會進(jìn)入并穿過一系列特殊的固有土壤微生物，因此，與植物根系同步發(fā)育的群落的系統(tǒng)發(fā)育和功能特征，是由本土微生物群落所決定的。雖然有時能觀測到相對完整的根際群落，但要了解這些微生物如何作用及繁衍，還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。對農(nóng)作物根際微生物群落的研究有助于作物生長及生物控制，該文主要對農(nóng)作物根際微生物的研究進(jìn)行綜述，以期為今后的研究提供借鑒。

1 影響因素

植物種類在決定根際細(xì)菌、真菌群落組成方面發(fā)揮了重要作用[2]，對不同的微生物群體會起到積極或消極的影響。在同一植物種類中，植物的基因型[3]、養(yǎng)分特征[4]、病原體感染情況[5]及菌根侵染情況都可以影響微生物群落。根系系統(tǒng)中，微生物群落在根際區(qū)域中也可能有所不同[4]，從根際到非根際距離根系表面不同距離的區(qū)域也會有所不同[6]。Jaegeret等人認(rèn)為根際中根系的伸長區(qū)細(xì)菌數(shù)量最多[7]。

2 研究方法

在土壤中研究根際微生物難度較大，復(fù)雜的細(xì)菌群落可能存在于土壤聚合體、生物膜或根系表面的一部分，界限難以確定[1]。從原位土壤中轉(zhuǎn)移微生物極為困難，不過隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展和普及，使得移動不可培養(yǎng)的土壤微生物成為可能，并逐漸開始定義地下微生物的種群和群落。可使用16S核糖體DNA基因（16S rDNA）的一小部分亞組，區(qū)分復(fù)雜微生物群落的基因型。這一區(qū)域被高度地保存，它是低同源基因轉(zhuǎn)移的必要成分，能較好地反映整個動植物種類史的親緣關(guān)系。采集的16S基因能被部分分析，如使用指紋方法終端限制性片段長度多樣性（T'RFLP）和變性梯度凝膠電泳（DGGE），或在克隆文庫中對整個種群群落排序。這些方法使得種群和群落生態(tài)學(xué)的概念被應(yīng)用到根際微生物中。

3 研究現(xiàn)狀

針對農(nóng)作物微生物種群的研究，將用于促進(jìn)植物生長或生物控制。包括共生固氮菌[8]、促進(jìn)植物生長的根際細(xì)菌[9]、有害的根際細(xì)菌[10]、病原菌[11]及噬菌體[12]。對根際細(xì)菌的種群水平研究將用于生物修復(fù)，例如Dalmastriet等人[13]報道了玉米根際中洋蔥伯克霍爾德菌（Burkholderia cepacia）復(fù)雜種群的基因型及表現(xiàn)性的多樣性，在解釋這些細(xì)菌的多種生態(tài)角色在生物控制、生物修復(fù)及人類疾病方面具有潛在的重要性。

過去的研究中，培養(yǎng)基方法已經(jīng)普遍說明了革蘭氏陰性菌處于主導(dǎo)地位。然而，基于分子方法的研究結(jié)果顯示其特性更具可變性，不同植物種類個體的根際會有不同的主導(dǎo)微生物群。在1項(xiàng)對14種植物根際細(xì)菌16S rDNA群落特性的元分析中，來自根際土的細(xì)菌實(shí)際上跨越了整個生命樹。分析樣品取自9種雙子葉草本、2種雙子葉木本及3種禾本科植物的根際土，根際中的細(xì)菌存在于35種不同的分類序列中，其中變形菌門在根際中處于主導(dǎo)地位。變形菌門形態(tài)多變，但通常是γ變形菌中的成員處于主導(dǎo)地位，緊隨其后的是革蘭氏陽性菌及噬細(xì)胞菌屬-黃桿菌屬-擬桿菌屬群體（CBF）。多數(shù)α-變形菌在序列水平無法歸類，表明在根際中還有潛在的更多序列及功能的多樣性。1項(xiàng)關(guān)于玉米的研究在根際中發(fā)現(xiàn)古生細(xì)菌[14]。另有2項(xiàng)對苜蓿和玉米的研究報道了根際中存在弗蘭克氏菌[15]。

雙子葉草本植物中，是否具有固氮能力使得根際微生物群落可能存在差異，從而導(dǎo)致其對土壤中氮需求量的差異。通過固氮植物（苜蓿、菜豆、三葉草等）與其他雙子葉草本（甜菜、蕓苔、菊、茄等）的對比，顯示2個群體間與根系共生的微生物多樣性存在顯著差異。與非固氮植物相比，固氮植物根系周圍的細(xì)菌更多，單源群組細(xì)菌數(shù)量幾乎是非固氮植物的2倍，包括δ-及ε-變形菌、亞硝化單胞菌、浮霉菌、異常球菌-棲熱菌、桿菌及綠彎菌等。由于固氮植物對土壤微生物有機(jī)質(zhì)礦化氮的依賴程度較低，根系分泌物可能發(fā)生改變，可以根據(jù)根系碳以外的特征來選擇微生物群落，因此根際有著集結(jié)更多的微生物多樣性的潛力。在粗略的分類尺度下，細(xì)菌在許多植物種類中存在一定程度的共性，同時，植物在選擇這些微生物群落的時候也存在一定的特異性。根據(jù)根際微生物更多地以DNA為基礎(chǔ)的特性，對微生物群落及其控制因子的了解將會更加深入。

根際中微生物多樣性的重要性主要表現(xiàn)在現(xiàn)有群落的特定組成方面，對功能群體數(shù)量減少的方面也很重要。如果群落提供同一進(jìn)程的多種途徑，那么增加微生物多樣性可能緩解微生物群落結(jié)構(gòu)及功能受到的干擾[16]。根際受到大環(huán)境波動的影響，可能通過維持較高的生態(tài)多樣性來促進(jìn)根際微生物群落的多樣性。因此，微生物群落多樣性可能對根際的功能連續(xù)性至關(guān)重要。根際中以日常環(huán)境波動的形式發(fā)生擾動，并且以這樣的方式對植物進(jìn)行積極的反饋。

4 小結(jié)

根際微生物群落的系統(tǒng)發(fā)生及功能組成是植物與本土微生物群落相互作用的結(jié)果。雖然已經(jīng)知道如何區(qū)別根際土壤環(huán)境與非根際土壤環(huán)境，但綜合的根際特性是如何選擇或抑制特定的獨(dú)立生存的細(xì)菌和真菌，還存在大量的未知因素，今后針對這些方面應(yīng)進(jìn)行更為深入的研究。

參考文獻(xiàn)

[1] BELNAP J， HAWKES CV， FIRESTONE MK.Boundaries in miniature： two examples from soil[J]. Bioscience，2003，53（8）：739-749.

[2] STEPHAN A， MEYER AH， SCHMID B.Plant diversity affects culturable soil bacteria in experimental grassland communities[J]. Journal of Ecology，2000，88（6）：988-998.

[3] SMITH KP，HANDELSMAN J，.GOODMAN RM. Genetic basis in plants for interactions with disease'suppressive bacteria[J]. Proc'eedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，1999，96（9）：4786-4790.

[4] YANG CH，CROWLEY DE. Rhizosphere microbial community structure in relation to root location and plant iron nutritional status[J]. Applied and Environmental Mic'robiology，2000，66（1）： 345-351.

[5] YANG CH，CROWLEY DE，MENGE JA. 16S rDNA fingerprinting of rhizosphere bacterial communities associated with heal'thy and Phytophthora infected avocado roots[J]. FEMS Microbiology Ecology，2001，35（2）：129-136.

[6] MARILLEY L，ARAGNO M. Phylogenetic diversity of bacterial communities differing in degree of proximity of Lolium perenne and Trifolium repens roots[J].Applied Soil Ecology，1999，13（2）：127-136.

[7] JAEGER CH， LINDOW SE， MILLER S，et al. Mapping of sugar and amino acid availability in soil around roots with bacterial sensors of sucrose and Tryptophan[J]. Applied and Environmental Microbiology，1999，65（6）：2685-2690.

[8] CARELLI M，GNOCCHI S，F(xiàn)ANCELLI S，et al. Genetic diversity and dynamics of Sinorhizobium meliloti populations nodu'lating different alfalfa cultivars in Italian soils[J]. Applied and Environmental Micr'obiology，2000，66（11）：4785-4789.

[9] BEVIVINO A，SARROCCO S，DALMASTRI C，et al. Characterization of a free'living maize'rhizosphere population of Burkho'lderia cepacia： effect of seed treatment on disease suppression and growth promotion of maize[J]. FEMS Microbiology Ecology， 1998，27（3）：225-237.

[10] NEHL DB，ALLEN SJ，BROWN JF. Dele'terious rhizosphere bacteria： an integrat'ing perspective[J]. Applied Soil Ecology，1997，5（1）：1-20.

[11] KHAN MR，KHAN SM. Effects of root'dip treatment with certain phosphate solubiliz'ing microorganisms on the fusarial wilt of tomato[J]. Bioresource Technology， 2002，85（2）：213-215.

[12] ASHELFORD KE，DAY MJ，F(xiàn)RY JC. Elev'ated abundance of bacteriophage infecting bacteria in soil[J]. Applied and Environmental Microbiology， 2003， 69（1）：285-289.

[13] DALMASTRI C，F(xiàn)IORE A，ALISI C，et al. A rhizospheric Burkholderia cepacia com'plex population： genotypic and phenoty'pic diversity of Burkholderia cenocepacia and Burkholderia ambifaria[J]. FEMS Microbiology Ecology，2003，46（2）：179-187.

[14] CHELIUS MK，TRIPLETT EW. The diver'sity of archaea and bacteria in associa'tion with the roots of Zea mays L[J]. Microbial Ecology，2001，41（3）：252-263.

[15] TESFAYE M，DUFAULT NS，DORNBUS'CH MR， et al. Influence of enhanced malate dehydrogenase expression by alfalfa on diversity of rhizobacteria and soil nutrient availability[J]. Soil Biology and Biochemistry，2003，35（8）：1103-1113.

[16] GIRVAN MS，CAMPBELL CD，KILLHAM K，et al. Bacterial diversity promotes community stability and functional resili'ence after perturbation[J]. Environmental Microbiol'ogy，2005，7（3）：301-313.

責(zé)任編輯：李楊