根際微生物：農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中大有作為的植物第二基因組

張瑞福

（中國農(nóng)科院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，100086）

根際的概念是1904年由德國科學(xué)家 Lorenz Hiltner 提出的，指的是受植物根系活動(dòng)影響，在物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)上不同于土體的微域環(huán)境。定殖在該微域環(huán)境中的微生物稱為根際微生物。與生活在根際外土壤中的微生物群落相比，根際微生物群落受到植物凋落物和根系分泌物的富集作用，盡管其種類低于非根際環(huán)境，但其數(shù)量和活性卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于土體土壤，可達(dá)1010-1011細(xì)胞/克土壤。根際微生物能進(jìn)行活躍的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和相互作用，這些過程直接影響植物的生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收、有益與有害微生物的定殖或侵染、耐受逆境脅迫等，使根際微域成為土壤-根系-微生物互作的關(guān)鍵微區(qū)，所以根際微生物組也被看作植物的第二基因組，類似于腸道微生物對(duì)人體的功能，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵調(diào)控區(qū)域。

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由于化肥農(nóng)藥的過量施用導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降、土傳病害頻發(fā)和農(nóng)田環(huán)境污染等問題，嚴(yán)重威脅農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和安全，阻礙農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展。根際微生物中的益生菌具有活化根區(qū)養(yǎng)分、促進(jìn)植物生長、增強(qiáng)植物抗逆、抑制土傳病害等功能，在促進(jìn)化肥減施增效和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中具有巨大應(yīng)用潛力，是微生物肥料和微生物農(nóng)藥的主要菌種來源。隨著國內(nèi)外土壤微生物組研究的開展，根際微生物組的整體功能倍受關(guān)注，充分挖掘根際微生物組的功能，促進(jìn)作物增產(chǎn)提質(zhì)是農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的研究熱點(diǎn)之一。

根際微生物是根際的功能核心，根際微生物組的研究亦方興未艾。目前國內(nèi)外學(xué)者已在根際微生物研究新技術(shù)方法、根際微生物資源篩選與應(yīng)用、植物-微生物根際互作信號(hào)與調(diào)控、根際微生物與養(yǎng)分活化、根際微生物與植物促生、根際微生物與植物耐逆、根際微生物與植物健康、根際微生物與土壤修復(fù)、根際微生物組結(jié)構(gòu)與功能、根際微生物組裝配、根際微生態(tài)，以及根際合成菌群學(xué)等方面取得了重要進(jìn)展。近年來，在科技部、國家自然科學(xué)基金委等機(jī)構(gòu)的大力支持下，我國學(xué)者在根際微生物方面的研究取得一系列具有國際先進(jìn)水平的成果，特別在菌根真菌與植物互作、根際微生物組促進(jìn)水稻氮素利用、根際噬菌體組合防控土傳病害等方面取得了突破性進(jìn)展，彰顯了我國根際微生物領(lǐng)域的國際影響力。

隨著分子生物學(xué)技術(shù)在土壤環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用，以及基因組學(xué)、合成生物學(xué)等前沿技術(shù)的不斷發(fā)展，根際微生物的研究越來越受到重視，已經(jīng)連續(xù)兩年被中科院科技戰(zhàn)略咨詢研究院的報(bào)告列為國際重點(diǎn)研究前沿（《2018研究前沿》報(bào)告）。2019初美國國家科學(xué)院、工程院和醫(yī)學(xué)院聯(lián)合發(fā)布了題為Science Breakthroughs to Advance Food and Agricultural Research by2030的研究報(bào)告，描述了美國科學(xué)家眼中農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亟待突破的五大研究方向，農(nóng)業(yè)微生物組技術(shù)對(duì)認(rèn)知和理解農(nóng)業(yè)系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要。

根際微生物組在農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展中的潛力還未被充分利用。根際微生物物種組成和功能發(fā)揮受到土壤性質(zhì)、宿主植物類型、環(huán)境條件和種群互作等多種因素的復(fù)雜影響，目前我們對(duì)根際益生菌的植物益生機(jī)理缺乏深入理解，難以在生產(chǎn)上建立起科學(xué)的菌種選育標(biāo)準(zhǔn)；根際益生菌在復(fù)雜根際環(huán)境的競爭定殖是決定其田間作用效果穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，對(duì)根際益生菌的根際定殖過程和調(diào)控機(jī)制缺乏深入認(rèn)識(shí)，難以為穩(wěn)定其田間作用效果提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐；基于充分挖掘根際微生物組功能的作物育種策略和田間管理措施還處于探索階段；根際功能菌群裝配/穩(wěn)定性機(jī)制及其作用機(jī)理的研究正逐漸成為熱點(diǎn)，但相關(guān)理論基礎(chǔ)薄弱，生產(chǎn)應(yīng)用中缺乏技術(shù)指導(dǎo)。

在此背景下，《生物技術(shù)通報(bào)》邀請(qǐng)了國內(nèi)一批知名科研團(tuán)隊(duì)，就根際微生物主題撰寫綜述9篇、研究論文12篇，形成了本專題。內(nèi)容包括植物-微生物根際互作信號(hào)與調(diào)控、根際微生物與植物促生、根際微生物與植物耐逆、根際微生物與植物健康、根際微生物組結(jié)構(gòu)與功能、根際微生物資源篩選與應(yīng)用、根際微生物與土壤修復(fù)等研究方向。值此專題刊出版之際，謹(jǐn)向所有提供稿件的同行及審稿專家致謝；向《生物技術(shù)通報(bào)》編輯部致謝，感謝他們?yōu)槲覈H微生物研究的成果展示和交流作出的貢獻(xiàn)。