番茄青枯病抗性相關(guān)根際微生物的研究進(jìn)展

宮 超，黎振興，麥培婷，孫保娟，李植良，李 濤

（廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所/廣東省蔬菜新技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

茄科雷爾氏菌侵染能夠引起寄主植物出現(xiàn)明顯的萎蔫病癥，對(duì)世界上許多農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)都造成了嚴(yán)重的影響。由于全球范圍內(nèi)集約農(nóng)業(yè)的大力發(fā)展，導(dǎo)致茄科雷爾氏菌的宿主范圍正在不斷擴(kuò)大［1］。青枯菌是一種好氧、不形成芽孢的革蘭氏陰性菌，屬于β-變形菌門（β-Proteobacteria），土壤傳播，具有游動(dòng)性，可從植物根部或莖的基部侵入植株導(dǎo)管系統(tǒng)，通過增殖和一系列生化活動(dòng)堵塞或損壞寄主維管束輸導(dǎo)組織，造成植物維管束萎蔫、壞死、甚至整株死亡，病害一旦發(fā)生常造成茄科作物嚴(yán)重減產(chǎn)甚至絕收［2-3］。病原菌在患病的植物殘?bào)w、繁殖器官如塊莖、根莖或某些作物的種子中越冬。被侵染的寄主植物死亡率高且缺乏有效的防治方法使青枯病成為世界上為害最大的植物病害之一。目前，隨著北方溫室大棚面積和復(fù)種指數(shù)的增加，青枯病已成為我國番茄生產(chǎn)的主要病害之一。最經(jīng)濟(jì)有效的防控手段是利用抗青枯病分子標(biāo)記輔助選育優(yōu)良的抗病品種。但是，抗青枯病番茄品種表現(xiàn)出的果實(shí)小、果軟、果皮著色不勻以及畸形果多等劣質(zhì)連鎖遺傳的問題一直懸而未決；且番茄的抗性主要是數(shù)量遺傳，許多基因?qū)共∧芰ω暙I(xiàn)很?。?］。番茄青枯病防治及抗病作用機(jī)制研究仍然是當(dāng)今世界上植物抗病研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。為了有效 防控青枯病，必須采取綜合的病害管理方法來限制病原菌的存活、傳播和侵染。

生物防治因其有效性及環(huán)境友好性的特點(diǎn)被認(rèn)為是防治植物病害的有效手段。植物根際生存著種類繁多的微生物，包括有益菌和病原菌等，越來越多的能夠幫助植物抵抗病原菌侵染的根際微生物相繼被發(fā)現(xiàn)，防治青枯病的作用機(jī)制逐漸被解析。研究發(fā)現(xiàn)植物免疫系統(tǒng)和根際微生物之間存在密切的相互作用，根際微生物能夠影響寄主植物免疫系統(tǒng)相關(guān)基因的表達(dá)模式，并會(huì)對(duì)植物代謝產(chǎn)生一定的影響［5］；反之，植物體內(nèi)基因表達(dá)及根系分泌物的變化也會(huì)對(duì)根際微生物群落的形成產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。植物根際有益微生物可以幫助植物抵抗病原菌侵染，從而參與植物抗病過程。然而，目前對(duì)參與番茄抗青枯病過程的相關(guān)根際微生物及其作用機(jī)制的了解還非常有限。本文總結(jié)了近年來番茄青枯病抗性相關(guān)根際微生物的研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了抗青枯病根際微生物及其作用機(jī)制、抗青枯病番茄根際群落特征及特異性群落形成的影響因素，以及生防微生物參與番茄青枯病抗性遺傳，以期為在番茄根際建立一個(gè)有益的微生物類群來防治青枯病作有效的指導(dǎo)，并對(duì)抗青枯病番茄品種的選育提供新思路。

1 番茄青枯病研究現(xiàn)狀

1.1 番茄青枯病的為害

青枯病是由薄壁菌門雷爾氏屬茄科雷爾氏菌（R.solanacearum）侵染引起的重要細(xì)菌性土傳病害，寄主范圍廣，該病原菌能侵染50多科450多種植物，包括番茄（Lycopersicum esculentumL.）、茄子（Solanum melongenaL.）、煙草（Nicotina tabacumL.）、馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）、辣椒（Capsicumspp.L.）以及花生（Arachis hypogaeaL.）等。R.solanacearum對(duì)茄科植物的危害尤為嚴(yán)重，是最難防治的作物細(xì)菌性病害,也是制約熱帶和亞熱帶地區(qū)蔬菜生產(chǎn)的重要限制性因素［1,6-7］。青枯菌主要分為3種：R.solanacearum（種系型phylotypeⅡ）、R.pseudosolanacearum（種系型phylotypeⅠandⅡ）和R.syzygii（種系型phylotypeⅣ）［8-9］。青枯菌能夠很好地適應(yīng)土壤環(huán)境，即使在缺乏寄主植物的情況下也可以存活數(shù)年［10］。病原菌可 以在病株或植物殘?bào)w中越冬，在馬鈴薯塊莖、生姜根莖、香蕉吸盤等營養(yǎng)繁殖器官中越冬，在辣椒、番茄等作物的種子上越冬，也可以在一些雜草寄主的根際越冬。病原菌能夠在水生生境中生存，使用被污染的水源進(jìn)行灌溉是寄主植物青枯病發(fā)生的接種源［11］。當(dāng)遇到易感病的宿主，病原菌可 以通過根尖和側(cè)根裂紋或者通過農(nóng)耕措施以及線蟲、木質(zhì)部取食昆蟲攻擊造成的自然傷口感染植株。病原菌通過鞭毛介導(dǎo)的游動(dòng)作用以及對(duì)根系分泌物的感應(yīng)及趨化作用進(jìn)入傷口［6,11］，在內(nèi)皮層的細(xì)胞間隙迅速發(fā)育，并利用寄主本身營養(yǎng)物質(zhì)迅速增殖，分泌多個(gè)致病因子以侵染植物，如胞外多糖（Exopoly Saccharides，EPS）、細(xì)胞壁降解酶、3型分泌效應(yīng)因子，隨著木質(zhì)部中的細(xì)菌繁殖，EPS的數(shù)量增加，形成致密的生物膜,阻塞木質(zhì)部導(dǎo)管、破壞周圍組織，致使植物快速萎蔫，最終死亡［12-13］。目前公認(rèn)的主要的致病因子是EPS，EPS是青枯菌在培養(yǎng)基上和植物體內(nèi)生長過程中分泌大量粘性物質(zhì)的重要成分，它可能保護(hù)青枯菌避開了植物組織或環(huán)境中的有毒物質(zhì)，隨著青枯菌的繁殖而增多，進(jìn)而直接阻礙植物蒸騰作用的水分運(yùn)輸，也可能是EPS覆蓋了青枯菌細(xì)胞表面的植物細(xì)胞識(shí)別基團(tuán)，防止寄主可能發(fā)生的過敏性壞死反應(yīng)等來阻礙病原菌的入侵［14］。Tiffany 等2017年在針對(duì)青枯病期間番茄木質(zhì)部汁液的代謝組學(xué)研究中發(fā)現(xiàn)，R.solanacearum產(chǎn)生并排泄大量的多胺腐胺（一種植物干旱脅迫信號(hào)），用腐胺處理番茄根和葉后再接種青枯病菌，可加速番茄青枯病的發(fā)生，增加青枯病菌在番茄木質(zhì)部中的生長，增強(qiáng)病菌在寄主植物中系統(tǒng)性傳播。該項(xiàng)研究表明，腐胺是一種新型的青枯病毒力代謝產(chǎn)物［6］。Hasegawa等研究發(fā)現(xiàn)β-D-葡萄糖苷乙酯，是一種從番茄根分泌物中分離到的R.solanacearum的新型趨化劑［15］。與許多植物病原細(xì)菌不同，R.solanacearum通過寄主植物上一個(gè)侵染位點(diǎn)便有可能使寄主植物產(chǎn)生系統(tǒng)性感染，導(dǎo)致青枯病的發(fā)生［16］。

1.2 我國番茄青枯病發(fā)生現(xiàn)狀

在我國，長期連作導(dǎo)致病原菌和植物自身毒素在土壤中積累，土傳病害嚴(yán)重發(fā)生。連作導(dǎo)致青枯病在我國大面積爆發(fā)［17］。我國一直致力于青枯病及其病原菌茄科雷爾氏菌的研究。目前盡管已經(jīng)運(yùn)用不同的方法來防控青枯病，但對(duì)于大多數(shù)寄主植物，包括番茄在內(nèi)，仍缺乏有效的、環(huán)境友好型的防治方法［9］。在我國，已經(jīng)有30個(gè)省份報(bào)告了青枯病的發(fā)生，其中番茄青枯病主要發(fā)生在中南部和東部地區(qū)，多于北部和西部冷涼地區(qū)。雖然以前雷爾氏菌只在熱帶和亞熱帶地區(qū)流行，目前其在溫帶地區(qū)流行的趨勢(shì)也逐漸增強(qiáng)?？赡苡捎谌驓夂蜃兣头N植制度的變化，在過去的10 年中，青枯病在我國溫帶和冷涼地區(qū)報(bào)道也呈顯著上升趨勢(shì)。目前，青枯病是華南地區(qū)及長江流域南部 省份番茄生產(chǎn)面臨的嚴(yán)重障礙，根據(jù)生長季節(jié)的不同，發(fā)病率從10%到80%不等［18-19］。廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院于20 世紀(jì)60 年代中期從廣東省多種植物中分離出了青枯菌，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的加劇，青枯病在茄科作物和其他寄主上的流行率不斷上升［9］。華南地區(qū)高溫、多雨、高濕的天氣持續(xù)時(shí)間長，夏秋季的高溫暴雨常造成番茄青枯病嚴(yán)重發(fā)生［18］，目前青枯病已成為華南地區(qū)番茄生產(chǎn)的最主要障礙。

1.3 番茄青枯病的防治

番茄屬于茄科作物，不耐連作，番茄重茬栽培導(dǎo)致的連作障礙現(xiàn)象在全國各大產(chǎn)區(qū)普遍發(fā)生，土壤退化現(xiàn)象不斷加劇，土傳病害嚴(yán)重發(fā)生。生產(chǎn)中為了解決土傳病害危害嚴(yán)重導(dǎo)致減產(chǎn)的問題，大量使用化學(xué)肥料和農(nóng)藥，造成環(huán)境嚴(yán)重污染、農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥大量殘留以及品質(zhì)下降等一系列問題，同時(shí)導(dǎo)致土壤中微生物種群結(jié)構(gòu)失衡，有益微生物種群減少，土壤肥力降低，作物減產(chǎn)［20］，嚴(yán)重制約了番茄產(chǎn)業(yè)持續(xù)健康的發(fā)展。番茄青枯病病原菌生存力強(qiáng)，適應(yīng)性強(qiáng)，遺傳多樣性豐富難以控制。

種植具有青枯病遺傳抗性的番茄品種，是番茄穩(wěn)產(chǎn)的最理想、經(jīng)濟(jì)有效且持久的方法［4］，然而，抗青枯病的番茄品種能夠被新出現(xiàn)的致病菌株侵染，再加上氣候變化如高溫高濕天氣、土壤水分過多、根系受傷、以及環(huán)境中CO2濃度的升高均會(huì)導(dǎo)致抗病品種失去抗病能力［21］。目前化學(xué)殺菌劑和栽培技術(shù)廣泛應(yīng)用于青枯病的防治，但不能有效地控制青枯病的發(fā)生［10,22］。此外，殺菌劑的廣泛使用不僅能使青枯菌產(chǎn)生抗藥性，產(chǎn)生的殘留物也會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，危害人體健康［23］。輪作是非常有效的措施，但在我國難以大面積實(shí)施，而抗病品種和化學(xué)防治目前還難以滿足生產(chǎn)的需求，嫁接技術(shù)可以在一定程度上防治番茄青枯病,但生產(chǎn)中嫁接砧木質(zhì)量良莠不齊，嫁接番茄也常表現(xiàn)出感青枯病癥狀。目前生物防治措施在綜合病害管理中越來越普遍，生物防治的效果已經(jīng)初見端倪。根系是青枯菌與植物互作的最主要場(chǎng)所。根際微生物參與介導(dǎo)植物對(duì)營養(yǎng)的吸收、抗病性和耐逆性，對(duì)植物健康和生長發(fā)育至關(guān)重要［24］。

促進(jìn)植物生長的根際細(xì)菌（PGPR）是一類能在植物根組織內(nèi)、根組織上或根組織周圍生長，直接或間接促進(jìn)植物生長的細(xì)菌，眾所周知，PGPR 的應(yīng)用是通過減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的化學(xué)品投入來實(shí)現(xiàn)綠色和可持續(xù)農(nóng)業(yè)目標(biāo)的一種非常有潛力的方法［25］。利用PGPR 進(jìn)行生物防治因環(huán)境友好的特點(diǎn)為防控植物青枯病提供了很好的替代傳統(tǒng)防治技術(shù)的方法［26］。因此，PGPR 被認(rèn)為是控制番茄青枯病的最佳生物防治劑。近年來，在實(shí)驗(yàn)室、溫室環(huán)境下已成功地獲得了一系列對(duì)青枯病具有較好的生防效果的根際細(xì)菌，如假單胞菌屬（Pseudomonasspp.）［27］、芽孢桿菌屬（Bacillusspp.）［28］、黃桿菌（Flavobacterium johnonia）和大青金黃桿菌（Chryseobacterium daecheongense）［29］等。對(duì)于番茄，也相繼從根際土壤中分離獲得了對(duì)青枯病有較好的抑制作用的微生物（表1）。我國地域遼闊各地區(qū)氣候差異較大，華南地區(qū)氣候條件具有極強(qiáng)的特異性，溫度高、濕度大，每年4～7 月33℃以上的高溫天氣連續(xù)幾十天，大多時(shí)間空氣相對(duì)濕度超過80%，導(dǎo)致青枯菌類型及栽培品種的選擇具有一定的特異性，一些現(xiàn)成的生物防治劑不能有針對(duì)性地發(fā)揮很好的防治效果。因此，適用于防治華南地區(qū)番茄青枯病的生防菌菌種資源還有待于進(jìn)一步挖掘。

表1 防治番茄青枯病的拮抗根際微生物Table 1 Antagonistic microorganism against bacterial wilt of tomato

PGPR 的作用機(jī)制比較復(fù)雜的，通常分為兩個(gè)方面［25］：（1）參與營養(yǎng)循環(huán)和植物催化，包括N2 固定、不溶性磷的增溶作用、通過鐵載體分泌的鐵固定、植物激素的形成，以及降低植物乙烯水平；（2）參與由產(chǎn)生抗生素、競(jìng)爭(zhēng)根際鐵以及誘導(dǎo)寄主植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性介導(dǎo)的植物病原菌的生物防治。這些機(jī)制實(shí)現(xiàn)的基本前提是PGPR 必須在根際定殖并維持決定性的種群密度才能有效地發(fā)揮作用。另有研究表明，一些PGPR 接種到土壤后會(huì)刺激根際中其他微生物種群發(fā)生變化進(jìn)而獲得對(duì)病原菌的生防能力，其本身不會(huì)在根際長久定殖但是可以賦予土壤比較長久的抵抗病原菌的能力，不依賴于自身在土壤中較高的相對(duì)豐度，PGPR 對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的調(diào)控是其發(fā)揮生防作用的重要機(jī)制［25］。隨著對(duì)PGPR 作用機(jī)制的解析，很多關(guān)于PGPR 對(duì)根際本土細(xì)菌群落產(chǎn)生影響的報(bào)道。

2 根際微生物群落參與調(diào)控番茄青枯病抗性

2.1 番茄青枯病抗性影響因子

寄主植物及其對(duì)應(yīng)的微生物的全基因組作為植物防御的重要組成部分是抗病性的遺傳基礎(chǔ)［39-40］。已有研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)控免疫系統(tǒng)的相關(guān)基因會(huì)影響植物根際微生物的組成，添加不同的微生物也會(huì)影響寄主植物免疫系統(tǒng)相關(guān)基因表達(dá)量的變化，大量能夠幫助植物抵抗病原菌侵染的細(xì)菌、真菌相繼被發(fā)現(xiàn)，表明植物免疫系統(tǒng)和根際微生物之間是相互影響的［31］。根際微生物調(diào)控植物抗性和生理響應(yīng)的機(jī)制是錯(cuò)綜復(fù)雜的。

青枯病抗性是由數(shù)量性狀位點(diǎn)控制的，但在作物上的表現(xiàn)是可變的，受環(huán)境因素的影響，包括植物微生物群落［41］。番茄栽培品種‘Hawaii7996’是一個(gè)著名的抗青枯病番茄品種［7］，其通過幾個(gè)主要和次要的數(shù)量性狀位點(diǎn)（Quantitative trait loci，QTL）產(chǎn)生穩(wěn)定的青枯病抗性。以上研究表明，主要抗青枯病數(shù)量性狀位點(diǎn)（QTL）Bwr-6位于6 號(hào)染色體、Bwr-12位于12 號(hào)染色體。然而，兩個(gè)QTL 的遺傳特性尚未被解析。Kim 等利用全基因組重測(cè)序的方法，分析全基因組范圍內(nèi)可以區(qū)分抗病群體和感病群體的單核苷酸多態(tài)性（Single Nucleotide Polymorphisms,SNPs）,結(jié)果表明主要的SNPs 在6 號(hào)和12 號(hào)染色體上，選擇既攜帶SNPs 又接近Bwr-6和Bwr-12位點(diǎn)的基因，并從中篩選獲得一個(gè)可以鑒定抗青枯病番茄品種的單核苷酸多態(tài)性標(biāo)記［42］。番茄的青枯病抗性主要是數(shù)量遺傳，許多基因?qū)共∧芰ω暙I(xiàn)很?。?］，在Hawaii7996 等主要作物中，對(duì)青枯病的數(shù)量抗性尚不完全清楚，抗病基因和功能也沒有完全解析，其具體的抗病通路和分子機(jī)制亟待研究。Kwak 等［25］根據(jù)研究結(jié)果做出假設(shè)，抗病品種 Hawaii7996 上的一個(gè)或多個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)可能在募集能夠提高青枯病抗性的特定微生物方面發(fā)揮作用，但是根際募集的參與提高青枯病抗性的根際微生物與植物青枯病抗性位點(diǎn)（基因）之間的關(guān)系猶未可知。Hawaii7996 的數(shù)量抗性表現(xiàn)經(jīng)常受到環(huán)境條件的影響，如病原菌菌株、溫度和土壤條件［41］，這可能與環(huán)境變化改變其根際微生物群落結(jié)構(gòu)和組成存在相關(guān)性。目前為止，植物基因型特異性造成的根際微生物群落的特異性是否由寄主植物的一個(gè)或多個(gè)抗性位點(diǎn)調(diào)控、青枯病抗性相關(guān)根際微生物參與植物誘導(dǎo)抗性機(jī)制還有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.2 根際微生物群落調(diào)節(jié)寄主植物青枯病抗性

大量研究利用有益微生物接種于作物根際，用于克服連作引起的微生物群落結(jié)構(gòu)失調(diào)產(chǎn)生的不良影響，有利于抑制土傳病害的爆發(fā)。青枯菌入侵導(dǎo)致番茄根際微生物群落多樣性和組成發(fā)生變化［43］，生防制劑可以調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，減輕植物青枯病的發(fā)生。土壤和植物的健康水平在很大程度上取決于土壤微生物群落的組成和多樣性，土壤微生物群落的多樣性對(duì)土壤抑制土傳病害的能力至關(guān)重要［44-45］。土壤微生物是調(diào)節(jié)植物抗性和病原菌致病力的重要因子，在調(diào)節(jié)土壤肥力、養(yǎng)分循環(huán)、促進(jìn)植物健康和防治青枯病等方面發(fā)揮著重要作用。研究表明，有益微生物相對(duì)豐度與土壤質(zhì)量，包括植物長勢(shì)，病害發(fā)生率，養(yǎng)分含量、土壤酶活性和土壤pH 值顯著相關(guān)［46］。Kwak 等研究發(fā)現(xiàn)青枯病發(fā)生的嚴(yán)重程度與土壤微生物群落組成密切相關(guān)［30］。眾所周知，土壤中自然存在的微生物群落能夠顯著降低植物青枯病的嚴(yán)重程度［47］。健康的土壤能夠抑制番茄、煙草青枯病的發(fā)生［17,30］。大量研究發(fā)現(xiàn)，與健康土壤相比，感染青枯病的土壤微生物群落的組成和結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變［46,48］。另外，研究表明嫁接可以增強(qiáng)番茄抗青枯病能力，很大程度上取決于嫁接改變了番茄根際微生物群落［49-50］。Kwak等2018 研究發(fā)現(xiàn)，抗青枯病番茄品種Hawaii7996和易感青枯病番茄品種Moneymaker 的根際微生物群落存在顯著差異，將易感青枯病番茄品種Moneymaker 移植到之前種過抗病品種Hawaii7996的土中能夠緩解易感病番茄植株的病癥，并且證明根際微生物群落結(jié)構(gòu)的改變使番茄具有青枯病抗性，具體表現(xiàn)為黃桿菌（Flavobacterium）在抗病品種中具有明顯富集的現(xiàn)象［30］。

2.3 根際微生物誘導(dǎo)植物抗青枯病反應(yīng)

在寄主植物根際建立一個(gè)對(duì)于自身有利的根際微生物群落對(duì)植物的抗病性和病原菌致病性都至關(guān)重要。植物募集有益的微生物來刺激植物生長，激活植物的系統(tǒng)防御，產(chǎn)生對(duì)病原菌的抗性［51］。植物進(jìn)化出復(fù)雜的先天免疫系統(tǒng)，當(dāng)植物受到一個(gè)或多個(gè)病原菌進(jìn)攻時(shí)，免疫系統(tǒng)被激活，植物第一道防線依賴于特異的細(xì)胞表面模式識(shí)別受體（PRRs）識(shí)別病原相關(guān)分子模式（PAMP），從而產(chǎn)生PAMPs 觸發(fā)免疫（PTI）反應(yīng)，往往會(huì)引發(fā)植物系統(tǒng)獲得抗病性（SAR），限制病原菌的定殖［52］。非致病微生物也會(huì)以類似的方式被識(shí)別。存在于根際的PGPR 對(duì)病原菌存在直接的拮抗作用，但通常也會(huì)使植物產(chǎn)生微生物相關(guān)分子模式（MAMPs）觸發(fā)免疫（MTI）反應(yīng)，在JA、ET 等植物激素介導(dǎo)下，使寄主植物產(chǎn)生誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性（ISR）［53］。假單胞菌（Pseudomonasspp.）和其他革蘭氏陰性菌已經(jīng)被證實(shí)能夠激活植物誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性。一些解淀粉芽胞桿菌（Bacillus amyloliquefaciens）、枯草芽胞桿菌（B.subtilis）、巴氏芽胞桿菌（B.pasteurii）、蠟樣芽胞桿菌（B.cereus）、短小芽胞桿菌（B.pumilus）、蕈狀芽胞桿菌（B.mycoides）和球形芽胞桿菌（B.sphaericus）菌株能夠誘導(dǎo)宿主植物產(chǎn)生誘導(dǎo)系統(tǒng)抗性，顯著降低多種宿主植物包括番茄、辣椒、煙草等作物病害的發(fā)病率和嚴(yán)重程度。

培育具有適當(dāng)抗性的作物品種是青枯病綜合治理的關(guān)鍵。根據(jù)土壤類型、氣候條件等環(huán)境因子選擇適合種植的番茄品種及栽培方式，規(guī)范田間管理，合理、高效地充分利用根際微生態(tài)系統(tǒng)的區(qū)域優(yōu)勢(shì)來提高番茄生產(chǎn)力和土壤營養(yǎng)水平，將有效的改變番茄青枯病的發(fā)生。

3 抗青枯病根際微生物群落特征及特定微生物募集

3.1 抗青枯病土壤根際微生物群落特征

研究證實(shí)，能夠抑制土傳病原菌的微生物群落對(duì)植物病害防控意義重大，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化與土傳青枯病的發(fā)生密切相關(guān)［54-55］。Wang等研究表明，相對(duì)于發(fā)生煙草青枯病的土壤，健康煙草土壤中的有益微生物更為豐富，包括芽胞桿菌屬（Bacillus）、壤霉菌屬（Agro myces）、小單孢菌屬（Micromonospora）、假諾卡氏菌屬（Pseudonocardia）、支頂孢屬（Acremonium）、溶桿菌屬（Lysobacter）、根瘤菌屬（Mesorhizobium）、微枝形桿菌屬（Microvirga）、慢生根瘤菌屬（Bradyrhizobium）、枝頂孢屬（Acremonium）和毛殼菌屬（Chaetomium）等［46］。Lee 等研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于發(fā)病植株根際土壤，變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、疣微菌門（Verrucomicrobia）在未發(fā)生青枯病的土樣樣品中豐度更高［47］。Kwak 等［30］在關(guān)于微生物是否參與植物對(duì)病原菌的抗性的研究表明，抗青枯病番茄品種Hawaii7996 和易感青枯病番茄品種Moneymaker的根際微生物結(jié)構(gòu)和組成存在差異。在番茄生長的第一階段，相對(duì)于Moneymaker 而言，Hawaii7996 根際土壤中的擬桿菌門（Bacteroidetes）生長尤為顯著；在綱和科分類水平上，黃桿菌綱（Flavobacteriia）、黃桿菌科（Flavobacteriaceae），鞘氨醇單胞菌科（Sphingomonadaceae）和假單胞菌科（Pseudomonadaceae）在Hawaii7996 根際土壤中含量較高。

Kwak 等研究不僅證實(shí)了根際微生物確實(shí)參與了番茄抗青枯病過程，抗病番茄植株根系存在有益菌能夠幫助番茄抵抗青枯菌的入侵，并以此為指導(dǎo)，將分離得到的黃桿菌添加到番茄根際后能夠增強(qiáng)青枯病抗性，番茄抗青枯病能力的提高主要是黃桿菌在抗病品種 Hawaii7996 中富集的結(jié)果。Marian 等［10］研究表明，在番茄根際分離到的Ralstoniasp.TCR112 和Mitsuariasp.TWR114可以通過直接的拮抗作用和/或間接作用（如競(jìng)爭(zhēng)營養(yǎng)物質(zhì)和誘導(dǎo)番茄產(chǎn)生抗性）來阻止病原菌增殖和侵染進(jìn)而達(dá)到抑制番茄青枯病的目的。劉瓊光等［57］研究表明，抗青枯病番茄品種根際微生物的數(shù)量高于感青枯病品種，并且抗青枯病能力越強(qiáng)的番茄,其根系青枯菌越少。我們前期研究表明，采集自不同地點(diǎn)的番茄根際土壤樣品中健康番茄根際土壤和感病番茄根際土壤中根際細(xì)菌群落均有所差異［58］。我們的研究還表明，EM菌肥的使用可以在一定程度上減輕青枯病的危害或與其增強(qiáng)番茄生長勢(shì)有關(guān)（未發(fā)表數(shù)據(jù)），但是，存在于番茄根際對(duì)青枯菌有較好拮抗作用有益微生物參與提高植株抗青枯病的作用機(jī)制還有待于進(jìn)一步探索。

3.2 根際微生物群落形成的影響因素

植物與土壤微生物的相互作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、復(fù)雜的生物過程，涉及微生物和植物代謝途徑之間的相互聯(lián)系，同時(shí)會(huì)受到環(huán)境因素的影響。無論土壤類型或地理位置如何，植物種類、栽培品種、基因型和不同生育期都會(huì)影響根際微生物群落。植物種類或基因型對(duì)微生物群落的影響程度通常小于環(huán)境因子和土壤因子的影響。盡管植物種類或基因型對(duì)微生物群落的影響程度相對(duì)較小，但植物基因型對(duì)微生物群落組成的影響尤為重要，報(bào)道稱通過選擇特定的作物基因型可以間接地從其根際微生物群落中獲益。具有理想表型的植物基因型可以作為篩選有益微生物類群的有效工具，例如，與高產(chǎn)、抗病的作物基因型直接相關(guān)的微生物群落可能為生物肥料或生物防治劑的研發(fā)提供候選菌株，而探索與微生物群落相關(guān)的寄主植物基因可能為作物育種提供新的見解［24］。寄主植物根系分泌物組成的變化會(huì)直接影響根際土壤微生物群落的組成。寄主植物的健康狀況會(huì)通過影響根系分泌物來改變根際微生物群落的組成［52］。植物通過在根際釋放分泌物，選擇性地募集有利于植物生長的微生物或抑制對(duì)植物有害的微生物，從而主動(dòng)選擇和培育特定的根際微生物群落［59］。

土壤因素對(duì)根際微生物富集影響較為顯著，比如，土壤的類型、含水量、土壤pH 以及有機(jī)質(zhì)含量等。土壤理化性質(zhì)影響植物生理特征以及植物根系分泌物的種類和水平，植物生理特征以及植物根系分泌物的種類和水平又會(huì)對(duì)植物根際微生物的組成產(chǎn)生影響。植物生長環(huán)境變化會(huì)進(jìn)一步引起根系分泌物的迅速變化，造成了微生物的聚集在時(shí)間和空間上存在不同［60］。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理方式，比如在田間生產(chǎn)管理時(shí)施用有機(jī)肥料、無機(jī)肥料、土壤改良劑、生防菌劑等增強(qiáng)植物抗逆性和產(chǎn)量等相關(guān)的措施均會(huì)造成根際微生物群落產(chǎn)生不同程度的變化。土壤微生物群落中不同微生物種類之間存在著復(fù)雜的相互作用（如共生、寄生、空間或養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)、捕食），微生物與寄主植物之間也存在著復(fù)雜的相互作用（如營養(yǎng)供應(yīng)、誘導(dǎo)寄主抗病性、產(chǎn)生抗生素或抗菌物質(zhì)），根際微生物與寄主植物間形成了一個(gè)復(fù)雜的相互關(guān)聯(lián)的生態(tài)網(wǎng)絡(luò)［61］，這種復(fù)雜的相互作用關(guān)系也是影響根際微生物群落形成的一個(gè)重要因素。在根際土壤中，病原菌入侵也可以通過間接影響寄主植物來改變根際微生物群落［62］。此外，季節(jié)性波動(dòng)或氣候條件變化、寄主植物與其他植物間相互作用也會(huì)對(duì)根際微生物群落產(chǎn)生一定程度的影響。根際微生物群落組成模式的形成和微生物活性的改變通常是一個(gè)甚至多個(gè)影響因素共同作用的結(jié)果，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中，根際微生物多樣性的影響因素如圖1 所示，影響因素會(huì)因具體情況有所不同，作用強(qiáng)度也會(huì)存在主次之分。植物能夠促使一些根際微生物分類群的豐度增加，而減少其他分類群的豐度，植物也會(huì)通過提供碳等能源來影響微生物的活動(dòng)。無論是在自然生態(tài)系統(tǒng)中還是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中根際微生物群落多樣性的形成依賴于植物釋放到根際的根系分泌物。植物根際微生物在植物健康和疾病中起著重要作用［63-64］。微生物區(qū)系受植株健康狀況影響顯著，也許是因?yàn)榻】禒顩r直接影響著根系分泌物，而根系分泌物對(duì)土壤微生物尤其是根際土壤微生物具有很強(qiáng)的選擇作用，能夠募集特定的微生物類群而形成獨(dú)特的微生物區(qū)系［65］，根際微生物結(jié)構(gòu)與組成能夠在一定程度上反映植物的健康狀況。根際微生物群落中的有益菌對(duì)植物生長和生物學(xué)功能的發(fā)揮具有重要調(diào)節(jié)作用［66］。土壤微生態(tài)平衡和微生物多樣性是抑制植物土傳病害的必要條件［67］。土壤微生物群落在植物生長過程中起著重要作用。一方面，植物可以通過根系分泌物改變土壤微生物，另一方面，土壤微生物也能夠影響植物的生產(chǎn)力、多樣性和健康狀況［68］。研究發(fā)現(xiàn)，通過改良根際微生物群落，可以增強(qiáng)對(duì)土傳病害的抑制作用［67,69］。根際微生物與番茄青枯病的發(fā)生有著密切的關(guān)系。然而，特定的地區(qū)及特定的番茄品種根際微生物群落特征及健康與發(fā)病株系特異性募集的差異菌群與青枯病抗性差異之間的關(guān)系有待于進(jìn)一步解析。

4 展望

綜上所述，根際微生物群落的結(jié)構(gòu)與青枯病抗性息息相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)天然的微生物在保護(hù)植物免受病原微生物侵害方面具有重要作用，為開發(fā)有益微生物來改善植物病害指明了道路。華南地區(qū)番茄抗青枯病品種根際微生物群落中青枯病抗性主要貢獻(xiàn)菌群猶未可知，這也是我們研究的主要方向之一。另外，番茄青枯病的防治與抗病機(jī)制研究是當(dāng)今世界上植物抗病研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。作為青枯病抗性的重要調(diào)控者，根際微生物參與誘導(dǎo)番茄青枯病抗性的作用機(jī)制尚不明確，并且根際拮抗微生物誘導(dǎo)番茄產(chǎn)生對(duì)青枯菌抗性機(jī)制仍不清楚，這將為下一步挖掘番茄抗青枯病基因指明方向，也為利用基因編輯技術(shù)（CRISPR/Cas9）改良番茄青枯病抗性奠定基礎(chǔ)。對(duì)健康番茄根際拮抗微生物誘導(dǎo)番茄青枯菌抗性機(jī)制的深入研究可為番茄抗青枯病機(jī)理的解析及抗病品種選育奠定理論基礎(chǔ)。因此，隨著利用高通量測(cè)序技術(shù)結(jié)合生物信息學(xué)分析方法的普及，針對(duì)挖掘健康番茄根際中微生物群落的指示類群（根際拮抗微生物）在番茄抗青枯病過程中發(fā)揮的作用，及其在誘導(dǎo)番茄青枯病抗性過程中可能的作用機(jī)制問題的研究將為番茄青枯病抗性機(jī)制的解析和抗病基因的挖掘奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，對(duì)番茄青枯病的防治與品種的合理布局及抗病品種的選育具有重要的理論與實(shí)踐意義。