植物微生物組研究進展

馮嘉云

(西安建筑科技大學附屬中學 西安 710000)

正常生長的植物表面及體內(nèi)富集的各種微生物群落及其基因組被稱為植物微生物組。植物上的微生物群落包括共生微生物及致病微生物。同人體微生物組的情況類似，植物微生物編碼比宿主植物自身更多的基因，通過微生物之間、微生物與植物之間的協(xié)作及競爭關(guān)系對植物的生長、發(fā)育、健康狀態(tài)產(chǎn)生影響。以往人們對植物微生物的研究主要集中于從單一微生物入手分析其對宿主生命活動的影響及二者之間的互作機制，基于群落整體水平與植物互作關(guān)系的研究較少，但自然條件下微生物對宿主植物的影響可能通過群落發(fā)揮作用。近幾年，隨著高通量測序、高通量微生物培養(yǎng)及宏基因組學等技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，人們得以從群落水平研究植物微生物的群落結(jié)構(gòu)信息及功能，對植物不同部位的微生物群落結(jié)構(gòu)的異同有了新的認識，進一步探究不同部位微生物群落與植物生長發(fā)育之間的關(guān)系，并將理論成果進行應用嘗試，通過人工模擬重建微生物群落，對植物生長進行調(diào)控，改善植物營養(yǎng)吸收，提高抗病、抗逆等能力。

目前，植物微生物組已成為現(xiàn)代生物技術(shù)研究的前沿熱點之一，該領(lǐng)域的研究及應用成果大多集中在農(nóng)作物及藥用植物方面。植物微生物組的研究與農(nóng)業(yè)、林業(yè)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)，在保障糧食和食品安全、提高資源利用率等方面有巨大潛力。本文通過較全面的文獻調(diào)研，從植物微生物群多樣性、功能、影響因素、應用進展等方面總結(jié)近年來植物微生物組的研究進展，為希望了解這一領(lǐng)域發(fā)展概況及前景的研究人員提供參考。

一、植物微生物組的研究方法

人們在植物微生物的研究進程中先后發(fā)現(xiàn)共生根瘤菌的固氮作用、叢枝菌根真菌及其它一些微生物的促進植物吸收礦質(zhì)元素的作用。這些發(fā)現(xiàn)基本基于經(jīng)典的微生物分離培養(yǎng)技術(shù)。

上世紀50年代，人們最初在分離培養(yǎng)微生物時發(fā)現(xiàn)能被成功培養(yǎng)的微生物只有群落微生物種類的1%。近年來，隨著人們對微生物生存條件參數(shù)的了解和模擬手段的進步，逐漸將可培養(yǎng)微生物的比例提高，Bulgarelli等人[1]和Schlaeppi等人[2]先后將擬南芥根微生物可培養(yǎng)比例提高到了50%以上，隨后Bai等人[3]成功培養(yǎng)了擬南芥根和葉微生物群的64%及47%，并且在無菌苗上重建了根和葉的微生物群落，推動了微生物組從描述性研究進一步向功能性研究發(fā)展。對于其它那些目前仍不可培養(yǎng)的微生物來說，一些免培養(yǎng)技術(shù)如群落指紋圖譜、高通量測序、系統(tǒng)分類芯片、宏基因組學等技術(shù)可以幫助人們繞開培養(yǎng)瓶頸，了解微生物群落的基因組信息及結(jié)構(gòu)組成，為挖掘群落功能基因及代謝物資源提供幫助[4-7]。應用16SrRNA、轉(zhuǎn)錄本分析和元基因組分析方法已在經(jīng)濟作物水稻和甘蔗中獲得了微生物組群落結(jié)構(gòu)信息。

二、植物微生物的多樣性及影響因素

陸地植物在生長發(fā)育過程中富集了多種多樣的微生物，主要包括細菌、真菌、卵菌、藻類、原生生物、古菌、病毒等，根據(jù)微生物在植物上定殖部位的不同，將植物微生物分為葉際微生物、根際微生物、內(nèi)生微生物，共同構(gòu)成了植物微生物群落。

(一)植物根際微生物

根際(rhizosphere)是包圍根的一層土壤，可受植物根的影響改變其氧氣和營養(yǎng)水平，是植物-土壤-微生物與環(huán)境條件互作的界面和場所。根際微生物主要來源于土壤，受根系分泌物、粘液和脫落細胞的影響[8]。根系分泌物的組成因植物種類和品種而異，并隨著植物年齡和發(fā)育階段而異。植物根際微生物多樣性豐富，群落組成非常復雜，以細菌為主，常見的有假單胞菌、黃桿菌、產(chǎn)堿桿菌、土壤桿菌和色桿菌等。在門的水平上包括變形菌門、放線菌門、厚壁菌門和擬桿菌門。劉泉成[9]在玉米根際微生物群落特征分析研究中從玉米根際分離到了1584株細菌，進行16SrRNA鑒定其分屬上述四個門，種類占80%以上的變形菌門微生物為優(yōu)勢菌群。

(二)植物葉際微生物

Blackman首次將寄生在植物葉片表面的微生物定義為葉際微生物，經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展，人們認為同一植物的地上部分所處的外界環(huán)境條件基本一致，將維管植物地上部分的表面及內(nèi)部生境稱為葉際(phyllosphere)，將生存在葉際的微生物稱為葉際微生物。葉際微生物發(fā)揮著重要的生理及微生態(tài)功能。與根際環(huán)境相比，葉際環(huán)境條件對微生物生長較為苛刻，存在營養(yǎng)物及水分相對匱乏、紫外輻射、溫差變化大等不利因素，葉際微生物組構(gòu)成相對簡單。然而，植物葉際微生物也包括了細菌、古菌、真菌、原生生物等微生物種群，群落組成豐富，其所包含的微生物種群數(shù)與植物種類、地理位置、氣候條件、葉位、葉齡、水分條件等十分相關(guān)[10，11]。無論是根際微生物組還是葉際微生物組都包含相似的群落種類，以細菌的含量和種類最為豐富，都主要包括變形菌門、放線菌門、擬桿菌門和厚壁菌門。

(三)根內(nèi)生微生物

根內(nèi)生微生物是能夠定殖在植物根內(nèi)部，不引起宿主植物任何明顯癥狀的一類微生物，包括真菌和細菌。在長期共生過程中與宿主形成了和諧的關(guān)系，與宿主植物的生長和健康狀態(tài)緊密相關(guān)?？祵毩醄12]采用指紋圖譜結(jié)合高通量測序方法研究了山西黃芪根維管組織和周皮中的內(nèi)生微生物菌群組成，將高通量測序得到的OTUs序列與NCBI網(wǎng)站16SrRNA數(shù)據(jù)庫進行比對后注釋到17個門，按所占比例的大小排在前五名的依次為變形菌門、擬桿菌門、浮霉菌門、放線菌門和衣原體門。植物內(nèi)生微生物的多樣性主要受寄主植物種類、植物生長地域的溫度變化特征、土壤重金屬等環(huán)境因素的影響。

三、植物微生物的功能研究

在高通量的培養(yǎng)方法被開發(fā)及應用后，人們對植物微生物組的研究開始進入到功能研究階段。內(nèi)生微生物的存在對植物有一定的有益作用，如通過共生作用提高植物環(huán)境適應性，通過固氮作用、提高植物葉綠素含量、提高植物的光合作用、產(chǎn)生植物生長素和某些具有促生作用的揮發(fā)性化合物等方式促進宿主植物的生長，與病原微生物互作調(diào)節(jié)植物抗性。

根際微生物參與土壤中氮、磷、硫等元素的循環(huán)和轉(zhuǎn)化，對植物的定植、生長、繁殖和群落演替非常重要。根際微生物對不良環(huán)境下植物的生態(tài)適應力有重要作用。根瘤菌能夠幫助植物固氮。菌根是菌根真菌和宿主植物體形成的共生體，叢枝菌根真菌是菌根真菌中分布最為廣泛的類群，它與植物建立的共生結(jié)構(gòu)能促進宿主對磷元素的吸收。劉智蕾等人[13]的研究表明，叢枝菌根真菌能提高水稻抗低溫的能力。微生物組技術(shù)的發(fā)展還使人們發(fā)現(xiàn)了其它一些能參與植物固氮和吸收磷過程的微生物以及能幫助植物吸收鐵元素的益生菌[14，15]。

在藥用植物中的研究發(fā)現(xiàn)，根內(nèi)生菌可通過代謝作用產(chǎn)生與宿主相似或者相同的藥用次生代謝產(chǎn)物，從而提高藥材的藥性。比如，黃芪根瘤內(nèi)生菌可以產(chǎn)生蒽醌類、黃酮類和甾體三萜物質(zhì)[16]，內(nèi)生熒光假單胞菌可以促進蒼術(shù)揮發(fā)油的積累[17]。

四、植物微生物組的應用開發(fā)

(一)環(huán)境友好型生防菌劑

研究表明木霉屬、短梗霉屬、鐮刀菌屬、青霉屬、毛殼菌屬、生赤殼屬、畢赤酵母和假絲酵母是日本虎杖和美洲遼楊致病菌的主要內(nèi)生拮抗菌[18]。不同內(nèi)生菌對病原菌的作用方式不同，一種植物內(nèi)生微生物在不同的植物和環(huán)境中可能具有不同的生態(tài)角色。根系益生菌群落可以穩(wěn)定地促進植物在有某些致病菌的環(huán)境中正常生長，提高植物的抗病性，為利用植物微生物組進行生物防治提供新的思路。與植物共生的微生物群落中有多種可作為生防菌的微生物，通過分離培養(yǎng)等方法篩選高效生防菌，選用那些高效且施用一段時間后對施用地區(qū)植物微生物群結(jié)構(gòu)影響不大的生防微生物群作為環(huán)境友好型生防菌劑，可以作為服務農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的綠色農(nóng)藥。

(二)微生物組生物肥料

植物根系微生物在植物吸收氮、磷、鐵等元素的過程中有重要作用，對根系微生物組的合理開發(fā)能幫助改善植物營養(yǎng)情況，提高作物產(chǎn)量。諾維信控股的一家生物肥料公司在對植物根系微生物組進行規(guī)?；治龅幕A上，成功分離到兩株可培養(yǎng)微生物：解淀粉芽孢桿菌和綠木霉菌，通過實驗進行配比和成分優(yōu)化，開發(fā)一種可作種子包衣的菌劑產(chǎn)品幫助改善植物苗期的營養(yǎng)供應，田間效果非常穩(wěn)定，可使小麥每公頃增產(chǎn)兩百千克以上[19]。

(三)微生物組的人工模擬和體系重建

研究表明，發(fā)揮有效作用的微生物類群比較復雜，多種益生菌與宿主植物之間存在復雜的作用關(guān)系[20]。土壤環(huán)境中微生物組結(jié)構(gòu)失衡可能引起連作障礙，人們的研究重點已經(jīng)由利用單一微生物菌株轉(zhuǎn)向了利用微生物組。探究植物微生物組的功能后，人工重組健康的植物微生物組并進行移植，能夠更好地維護植物的健康狀態(tài)，減少農(nóng)藥使用量，克服因菌落結(jié)構(gòu)失衡而引起的連作障礙。

五、討論和展望

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，各國都在加大對植物微生物組的研究力度，其中農(nóng)作物微生物組的研究已進入產(chǎn)業(yè)化階段。我國對植物微生物組的研究和資源開發(fā)也十分重視，但應用力度不夠，相關(guān)制劑田間穩(wěn)定性差，還沒有形成成熟的產(chǎn)品。我國今后應該逐步重視對先進技術(shù)的轉(zhuǎn)化，鼓勵基礎研究與應用研究合作互動，加大對微生物組資源的開發(fā)。

人們對微生物組與植物的互作機制已經(jīng)有了一定的研究[21]，如根瘤菌與豆科植物的特定相互作用[22]。植物與其微生物組之間相互影響，宿主植物的遺傳多態(tài)性顯著地影響微生物群落[23]。植物-微生物組-環(huán)境相互作用涉及多種生命活動的過程，互作關(guān)系復雜，理解其互作機制是未來全面合理利用微生物組資源的基礎，植物遺傳改良操作也可能對微生物組產(chǎn)生影響。深入研究植物與微生物組之間互作及微生物組內(nèi)互作的分子機理，對營養(yǎng)代謝、信息交流等過程進行深入分析，為人工設計理想的植物微生物組提供理論依據(jù)。

植物微生物組的研究能幫助人們更全面地了解植物生長的真實環(huán)境，更全面地考慮植物與環(huán)境生物及非生物因子間的相互作用關(guān)系。對植物-微生物相互作用關(guān)系科學利用，有助于低成本地實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。比如，利用微生物組工程生態(tài)友好地解決農(nóng)業(yè)發(fā)展問題[24]；用現(xiàn)有最佳方案保存根際土壤使其中微生物能長期不受干擾并能從中獲取活的微生物群落，隔離、篩選“最低有效微生物組集”并保存，建立可靠、可重復利用的植物微生物群落資源庫，作為未來農(nóng)業(yè)的生物技術(shù)資源[25]。在篩選生防菌株時，全面思考菌株與植物、微生物組之間的互作關(guān)系，建立可信的生防體系模型，為采取穩(wěn)定有效的生防策略提供新的思路。利用植物微生物組的研究成果有助于減輕農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化對化肥、農(nóng)藥的嚴重依賴，在提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)的同時保護環(huán)境、節(jié)約資源，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。