根際微生物組組裝與植物健康

崔中利， 葉現(xiàn)豐， 張 宇， 徐昌盛， 李周坤， 黃 彥， 曹 慧

(1.南京農(nóng)業(yè)大學生命科學學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)環(huán)境微生物重點實驗室，江蘇 南京 210095；2.南京農(nóng)業(yè)大學 生物互作與作物健康重點實驗室，江蘇 南京 210095)

微生物在地球上廣泛分布[1]，其在全球生物量中的比例僅次于植物[2]。土壤作為陸生生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)載體[3]，擁有最多樣化和最復雜的微生物群落，每克土壤中微生物來源生物量碳的含量超過0.5 mg，微生物物種超過50 000種[2-4]。土壤微生物通過分解和合成有機物參與全球碳氮磷及其他元素的循環(huán)，通過互利共生或共棲等方式定殖于植物根部形成結(jié)構(gòu)復雜的根際微生物群落從而影響植物營養(yǎng)吸收和健康[4]，因此，根際微生物組又被稱為植物的“第二基因組(second genome)”或“擴展基因型(extended genotype)”[2]。植物與微生物之間的互作是十分復雜的。植物能通過根際分泌物和免疫系統(tǒng)調(diào)節(jié)根際微生物組組成，而根際微生物通過代謝活動參與植物的發(fā)育、養(yǎng)分吸收和脅迫響應等諸多過程[5-6]。盡管越來越多的根際微生物被報道具有用作生防菌劑和土壤調(diào)節(jié)劑的潛力，但土壤中微生物與微生物、微生物與植物之間的互作機制仍不清楚[7]。因此闡明根際微生物與宿主植物及微生物之間的互作機制，對利用根際有益微生物發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)具有重要意義。而根際微生物群落的組裝結(jié)果除了受植物的影響外，還受外界環(huán)境和農(nóng)藝管理措施的影響[8]。由于溫度和降雨等環(huán)境變化為不可控因素，因此，本文主要通過近十年的相關(guān)研究討論農(nóng)藝管理，宿主植物及微生物之間的互作對土壤微生物群落組裝的影響，以及根際微生物組如何影響宿主植物健康。

1 農(nóng)藝管理對土壤微生物群落的改變

由于土壤微生物群落受土壤濕度、透氣度、pH、營養(yǎng)及耕作模式等因素影響[9]，因此，包含機械翻耕、無機及有機肥料的使用、化學藥劑及作物輪作等在內(nèi)的農(nóng)藝生產(chǎn)管理措施對土壤中微生物群落的影響較大。研究表明農(nóng)藝管理對土壤微生物生物量和多樣性的影響是長期動態(tài)的，但其在短期內(nèi)能夠直接抑制或刺激某些微生物的生物學過程，表現(xiàn)為土壤中總酶活力的改變，該過程也被稱為農(nóng)藝管理的“副作用(side effect)”[10]。

1.1 肥料使用

農(nóng)藝管理中使用的肥料主要分為無機肥料和有機肥料。Zhou等[11]研究表明無機肥料尤其是氮肥的使用能夠顯著降低土壤微生物群落的α-多樣性，但磷肥對微生物群落α-多樣性的影響較小。無機肥料對土壤微生物的影響主要與肥料使用后土壤pH的改變和直接的營養(yǎng)引入有關(guān)。土壤pH酸化對微生物群落的影響要顯著大于直接營養(yǎng)引入對微生物群落的改變[12]。土壤中微生物生物量分析顯示，在未開墾的土地中施用氮肥能夠?qū)е挛⑸锷锪拷档?.8%～15%左右[13]。

相比于無機肥料，長期施用有機肥料能夠顯著增加土壤微生物生物量和多樣性，增加酸桿菌門和厚壁菌門等分類水平上微生物的相對豐度[14]。如研究人員發(fā)現(xiàn)施用動物糞便的土壤中，微生物生物量相比施用無機肥料增加了36%～40%[15]。此外，有機物料的使用能夠調(diào)控土壤中碳氮比，增加土壤中固氮微生物的相對豐度和固氮酶活性[16]。利用有益微生物制備的生物有機改良劑也能有效調(diào)控土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[17]，如利用芽胞桿菌進行固體發(fā)酵生產(chǎn)的生物菌肥能夠通過調(diào)控輪作土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)，使其恢復正常，從而有效降低香蕉枯萎病的發(fā)生[17]。

1.2 作物輪作

農(nóng)作物主要通過根際分泌物、植物殘體和共生體改變土壤中碳元素輸入、營養(yǎng)成分及土壤結(jié)構(gòu)，并直接或間接改變土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)[18]。輪作被認為是一種減少土壤中植物病原菌數(shù)量和降低植物發(fā)病率的有效途徑[10]。得益于和豆科植物共生微生物的固氮作用及其本身較高的含氮量，豆科植物能夠有效改善土壤中碳氮比，因此，和豆科作物之間的輪作被認為是輪作的最佳選擇[19]。如Murugan等[19]發(fā)現(xiàn)和豆科作物輪作的土壤能夠顯著增加真菌的生物量及真菌和細菌比值，但Tiemann等[20]卻得出相反的結(jié)論，研究者發(fā)現(xiàn)真菌和細菌之間的比值和輪作作物的多樣性指數(shù)呈顯著負相關(guān)。Ai等[18]發(fā)現(xiàn)在小麥-玉米向小麥-大豆輪作體系的轉(zhuǎn)變中，真菌的響應更活躍，其中糞殼菌綱中的部分科水平上微生物的相對豐度顯著增加3倍以上。

1.3 耕作方式和化學藥劑的使用

耕作方式主要通過改變土壤濕度、通氣量和土壤密度來影響土壤微生物群落[10]。研究表明，和免耕相比，表層土強烈的機械翻耕會導致土壤微生物生物量和酶活的降低[21]，但由于免耕或少耕導致的土壤水分含量過高會引起土壤板結(jié)，并最終導致土壤中反硝化微生物豐度上升和反硝化作用增強[22]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的化學藥劑主要包括除草劑、殺蟲殺菌劑等。殺蟲劑的使用不僅能顯著降低土壤微生物群落多樣性和微生物生物量，甚至影響土壤酶活性[23]。殺菌劑仍是目前解決植物真菌病害的主要方法。在農(nóng)藝管理中殺菌劑的使用不僅抑制或殺滅植物病原真菌，還會影響土壤中腐生真菌的生長[23]。研究表明銅離子殺菌劑的過量使用導致土壤中銅離子的富集會顯著降低土壤微生物多樣性和微生物生物量[12]。

2 植物對土壤微生物群落的調(diào)控

在植物-微生物互作中，根際微生物群落結(jié)構(gòu)不僅受農(nóng)藝管理方式和環(huán)境的影響，而且受植物類型和生長時期的影響。植物對微生物群落的調(diào)控主要通過根際分泌物的作用。根際分泌物占植物總光合作用固定碳的5%～44%，總植物氮的15%左右，包含多種初級及次級代謝產(chǎn)物，如糖、有機酸、氨基酸和萜類物質(zhì)等[24-25]。這些初級及次級代謝產(chǎn)物被植物分泌到土壤招募特定種類的微生物定殖于植物根部，實現(xiàn)植物抵御生物及非生物脅迫，該過程也被稱為“cry for help”策略[5,26]。如Zhong等[27]首次從葫蘆科植物中鑒定到葫蘆素B的轉(zhuǎn)運蛋白MATE，在該轉(zhuǎn)運蛋白的作用下葫蘆素B被分泌到根際土中并促進腸桿菌的生長，而腸桿菌又可促進植物根際芽胞桿菌的生長繁殖從而抑制鐮刀菌對植物的侵染。

2.1 植物生長代謝對根際微生物組裝的選擇作用

植物產(chǎn)生并分泌到土壤中的各種代謝產(chǎn)物在微生物到達和面對植物免疫反應之前就會影響根際微生物群落的組裝[28]。同時根際分泌物因植物種類、基因型和發(fā)育時期而不同，并造成根際微生物群落結(jié)構(gòu)的顯著不同[29]。研究者分析19種基因型的擬南芥根際分泌物，發(fā)現(xiàn)其根際分泌物組成，尤其是芥子油甙、苯丙素類和黃酮類化合物的成分因基因型不同而顯著差異[30]。這些化合物也是造成不同基因型擬南芥在根部組裝特異微生物群落的關(guān)鍵因素。研究者利用多組學相結(jié)合手段證明植物在不同生長發(fā)育階段組裝特定的根際微生物組，達到富集特定微生物功能的目的[31]。如相同基因型的擬南芥在幼苗、營養(yǎng)、抽薹和開花期根際分泌物組分，尤其是氨基酸、酚類、糖和糖醇類化合物含量存在顯著差異，這也是造成不同生長期擬南芥根際土中放線菌門、擬桿菌門和藍細菌相對豐度顯著差異的主要原因[32]。

植物對營養(yǎng)匱乏的防御反應也能改變根際微生物群落組成。隨著植物中越來越多與營養(yǎng)吸收或轉(zhuǎn)運相關(guān)的基因或蛋白被鑒定，植物通過招募根際微生物參與植物營養(yǎng)吸收的機制逐漸被解析。如NRT1.1B是造成亞洲秈稻和粳稻的氮素利用效率差異的主要原因，NRT1.1不僅運輸硝酸鹽，而且能促進根系吸收植物激素類物質(zhì)，從而影響側(cè)根的發(fā)育[26,33]。和NRT1.1B突變株相比，野生型菌株根部有更多微生物參與土壤中氮素循環(huán)。NRT1.1B與土壤中參與氨化過程的根際細菌的相對豐度有關(guān)，這些微生物能催化根際環(huán)境中銨離子的形成，從而促進植物對氮的獲取[6]。豆科植物能夠從根際土中招募固氮微生物形成共生體系促進植物對氮素的吸收利用。研究人員向土壤中接種的外源根瘤菌不僅促進了植物的生長，而且改變了大豆的核心微生物群，增強了根際微生物群落之間的關(guān)聯(lián)性[34]。

2.2 生物脅迫影響植物對根際微生物組的組裝

植物在整個生長周期中會受到病原體侵染或昆蟲取食等各種生物脅迫的威脅，并逐漸馴化出相應的抗性機制[26,35]。其策略之一是植物在受到生物脅迫后通過改變根際微生物群落以達到增強脅迫抗性的目的。Ye等[36]在進行黃瓜枯萎病的防控實驗中發(fā)現(xiàn)，向黃瓜根部接種黏細菌生防菌劑后，黏細菌EGB能夠調(diào)控黃瓜根部土壤微生物群落，顯著增加溶桿菌、黃桿菌、芽胞桿菌和放線菌等屬微生物的相對豐度，從而防控鐮刀菌對黃瓜的侵染。擬南芥葉片在被丁香假單胞菌侵染后誘導根際分泌物中的蘋果酸的含量顯著上升，招募枯草芽胞桿菌觸發(fā)植物免疫反應抵御丁香假單胞菌的侵染[37]。

植物根際分泌物中除糖、氨基酸或糖醇等化合物外，香豆素類、苯并噁嗪類和三萜類化合物在根際分泌物調(diào)控微生物群落中起著關(guān)鍵作用[7]。在植物體內(nèi)香豆素類化合物主要通過苯丙素類化合物合成途徑合成[38]，主要包括秦皮甲/乙素(esculin/esculetin)[39]、東莨菪素(scopoletin)[39]、秦皮素(fraxetin)[39]和香豆素(coumarin)[38]等。香豆素類化合物不僅被證明與植物鐵吸收有關(guān)[40]，還被證明與植物對微生物群落調(diào)控、誘導植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性和抵御病原菌侵染直接相關(guān)[38,41]。擬南芥中東莨菪素的產(chǎn)生與分泌受根特異性轉(zhuǎn)錄因子MYB72和β-葡萄糖苷酶基因BGLU42的調(diào)控[38]。和野生型植株相比，myb72、bglu42突變株及東莨菪素的合成基因f6′h1突變株根部的變形菌門微生物相對豐度顯著增加，厚壁菌門微生物的相對豐度顯著降低[38]。

相比其他植物，苯并噁嗪類化合物在玉米根際分泌物中含量較高，具有吸引根際有益微生物和幫助植物防御病原菌入侵的作用[42]。最近，研究人員發(fā)現(xiàn)苯并噁嗪類化合物能改變根際細菌和真菌群落的組裝方式，而且作為“遺產(chǎn)”能夠顯著影響下茬玉米根際微生物群落，誘導變形菌門和球囊菌門微生物在根際富集[43]。三萜類化合物是根際分泌物中另一類能夠改變微生物群落結(jié)構(gòu)，招募有益微生物定殖于根部增強植物抗病的化合物[27,44]。如擬南芥寧素(thalianin)和擬南芥啶素(arabidin)基因缺失突變株根部δ-變形菌門的微生物相對豐度顯著下降，而擬桿菌門的相對豐度顯著上升[44]。

2.3 非生物脅迫對根際微生物組的影響

植物在生長環(huán)境中不僅面臨昆蟲取食和病原菌侵染等生物脅迫，還會面臨高鹽、干旱、重金屬污染和營養(yǎng)缺乏等環(huán)境帶來的非生物脅迫[45-46]。面臨非生物脅迫，植物同樣能通過根際分泌物的改變招募特殊種類的微生物幫助植物增強脅迫抗性。如前所述，植物在缺鐵環(huán)境中能通過分泌香豆素類化合物增加土壤中可利用鐵含量，促進植物對鐵元素的吸收，而在此過程中香豆素類化合物的分泌能改變土壤微生物群落，增加放線菌門微生物的相對豐度[45,47]。植物來源MATE家族轉(zhuǎn)運蛋白能轉(zhuǎn)運多種次級代謝產(chǎn)物，如有機酸、植物激素和生物堿類，在植物抵御生物和非生物脅迫中起著重要作用[27,48]。研究人員發(fā)現(xiàn)大豆在高鋁脅迫下，GmMATE58和GmMATE1基因的表達增加，促進大豆根際分泌物中蘋果酸、草酸和酚類化合物的分泌，招募根際中的有益微生物，如伯克霍爾德屬微生物的相對豐度升高[49]，增強大豆對鋁脅迫的抗性[50]。擬南芥在高鹽脅迫下，植物內(nèi)生細菌腸桿菌SA187在擬南芥根部定殖并通過2-酮-4-甲基硫代丁酸(2-keto-4-methlthiobutyric acid, KMBA)激活擬南芥乙烯信號通路增強擬南芥耐鹽[51]。

3 根際微生物組裝促進植物生長和抗病

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)在不斷提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，更注重農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量。植物有益微生物與植物互作的研究及其在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用為化肥和農(nóng)藥減施，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了可能[29]。如根際微生物通過初級或次級代謝產(chǎn)物增加土壤中可用養(yǎng)分的釋放促進植物營養(yǎng)吸收，通過對病原菌生長抑制或誘導植物系統(tǒng)抗性增強植物抗病能力[38]，最終實現(xiàn)促進植物生長和增產(chǎn)。因此，具有特定功能的微生物的篩選及根際微生物對植物功能基因或表型的“自下而上”的調(diào)節(jié)機制的研究具有重要意義。

3.1 根際微生物促進植物生長

隨著宏基因組學的發(fā)展，根際微生物與植物在分子層面的互作機制逐漸被揭示。根際微生物通過分泌次級代謝產(chǎn)物增加土壤中可利用磷或鐵的含量[52]、產(chǎn)生吲哚-3-乙酸(IAA)[53]或具有促生作用的揮發(fā)性化合物[54]、生物固氮[55]、上調(diào)或下調(diào)植物體內(nèi)與生長相關(guān)基因促進植物的生長。如磷是植物生長必須的營養(yǎng)元素，根際微生物對土壤中磷礦化對促進植物生長具有重要意義。研究者從小麥根際土中分離到的5株放線菌通過分泌蘋果酸和植酸酶等直接參與土壤中磷溶解從而促進小麥的生長[52]。淺黃假單胞菌(Pseudomonasluteola)和芽胞桿菌屬(Bacillusspp.)微生物能通過協(xié)同作用增強溶磷效果促進龍舌蘭的生長[56]。

相比于其他促生機制，微生物通過固氮作用和IAA產(chǎn)生促進植物生長的研究較早。生物固氮(biological nitrogen fixation，BNF)最經(jīng)典的體系是根瘤菌-豆科植物共生體系，在可持續(xù)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中根瘤菌也被認為是替代化學氮肥最有潛力的菌劑[55]。研究發(fā)現(xiàn)土壤中外源根瘤菌的接種不僅促進大豆植株的生長，也能改變大豆核心微生物群落，增加根際微生物之間的聯(lián)系[34]。除根瘤菌外，具有固氮作用的根際細菌對植物的促生作用也被廣泛報道，如小麥根際細菌PseudomonasprotegensPf-5 X940 和PseudomonasstutzeriA1501的使用能顯著增加小麥和玉米的產(chǎn)量[57]。微生物來源生長素是其促生的一種重要機制。到目前為止，從革蘭陽性和陰性細菌中分別鑒定到4條和5條IAA的合成途徑[53]。如解淀粉芽胞桿菌SQR9基因組中含有完整的IPyA合成途徑基因[58]。

揮發(fā)性化合物(volatile organic compounds，VOC)是一類具有低分子量(<300 Da)、高蒸汽壓和低沸點的化合物，能廣泛產(chǎn)生于真菌和細菌，如芽胞桿菌屬，珊瑚球菌屬和毛殼菌屬等[59-60]。微生物來源揮發(fā)性化合物被廣泛報道應用于拮抗真菌和促進植物生長，如珊瑚球菌屬黏細菌EGB來源異辛醇在較低濃度下能完全抑制尖孢鐮刀菌和指狀青霉孢子的萌發(fā)和菌絲生長[60]。黃綠蜜環(huán)菌(Floccularialuteovirens)產(chǎn)生的揮發(fā)性化合物能通過抑制生長素外排載體PIN2蛋白的相對豐度增加生長素在植物體內(nèi)積累從而達到減少主根生長和增加側(cè)根數(shù)量的目的[54]。此外，研究者通過轉(zhuǎn)錄組分析發(fā)現(xiàn)，黃綠蜜環(huán)菌來源的VOC能通過調(diào)節(jié)與碳/氮代謝和抗氧化相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄水平顯著增加擬南芥地上部分的生物量[54]。

3.2 根際微生物誘導植物產(chǎn)生系統(tǒng)抗性

根際微生物除了通過分泌抗菌化合物直接抑制植物病原真菌外，還能通過分泌次級代謝產(chǎn)物或利用自身組分等讓植物產(chǎn)生對病原菌的抗性[29,61]。可誘導的植物抗性包括病原菌激發(fā)的系統(tǒng)獲得性抗性(pathogen-triggered systemic acquired resistance，SAR)和非病原菌誘導的系統(tǒng)抗性(nonpathogenic microbes-induced systemic resistance，ISR)[62]。盡管SAR和ISR途徑中部分響應蛋白是相同的，但兩種途徑的激發(fā)子和調(diào)控途徑是不同的[61-62]。其中植物細胞內(nèi)ISR途徑中模式識別受體(pattern recognition receptors，PPR)識別的微生物相關(guān)模式分子(Microbe-associated molecular patterns，MAMP)主要為細菌的鞭毛和脂多糖等[63]及真菌細胞壁中的幾丁質(zhì)和葡聚寡糖等[64-65]。這里我們僅僅討論由根際非病原微生物與植物互作產(chǎn)生的誘導系統(tǒng)抗性在植物抗病中的作用。

1991年Van Peer等[66]在植物抗病實驗中將生防細菌和病原菌分開接種從而避免了生防菌和病原菌接觸導致的對病原菌的直接拮抗作用，從而證實了由非致病菌誘導植物產(chǎn)生的系統(tǒng)抗性。熒光假單胞菌WCS417r接種到康乃馨根部時，能顯著增加植物對土傳真菌病原菌尖孢鐮刀菌的抗性，并促進植物抗毒素在病原菌感染部位的積累[66]。后來，研究者發(fā)現(xiàn)熒光假單胞菌WCS417能夠通過分泌小分子化合物抑制鞭毛誘導的植物對自身的免疫響應，但這種免疫信號級聯(lián)被系統(tǒng)地啟動賦予植株對病原菌甚至昆蟲的廣譜抗性[67-68]。除熒光假單胞菌對植物的誘導系統(tǒng)抗性研究較清楚外，還有叢枝菌根真菌、芽胞桿菌屬、木霉屬等PGPR(plant growthpromoting rhizobacteria)被報道能夠誘導植物系統(tǒng)抗性[69]。如在蒺藜苜蓿根部接種叢枝菌根真菌能顯著增加植物對黃單胞菌的抗性[69]。此外，研究者發(fā)現(xiàn)植物體內(nèi)R2R3型MYB轉(zhuǎn)錄因子MYB72及其調(diào)控的β-葡萄糖苷酶BGLU42除了能促進植物在缺鐵環(huán)境中對鐵離子的吸收及調(diào)控植物根際分泌物的分泌外，也參與調(diào)控PGPR觸發(fā)的誘導系統(tǒng)抗性[38,70]。

4 人工合成微生物群落促進微生物-植物互作研究

根際微生物組的研究主要包含基于純培養(yǎng)依賴和非依賴以及基于還原主義構(gòu)建合成微生物群落(Synthetic community，SynCom)三種方法[5]。相比于前兩種，SynCom方法除了能在土壤濕度、溫度和營養(yǎng)等環(huán)境可控條件下研究群落組成與功能外，還能通過替換、添加或去除某種微生物分析單一菌株在群落中的功能。微生物的分離鑒定是構(gòu)建SynCom的基礎(chǔ)，Bai等[71]和Zhang等[6]建立的細菌高通量分離鑒定技術(shù)為此提供了可能。Zhang等[6]利用Illumina HiSeq2500提高測序深度，并通過序列雙端標記避免嵌合體的形成，成功從水稻根部鑒定到13 512株細菌分離株，大約覆蓋了70%的可培養(yǎng)細菌。

大量根際細菌分離株的鑒定讓研究者從整體角度理解植物微生物群落組成和變化[5, 72]?；谶@些細菌分離株遺傳學信息構(gòu)建的各種具有代表性的SynCom，讓研究者能在可控條件下研究植物與微生物群落之間的相互作用，解析植物驅(qū)動微生物群落組裝的因素，闡明根際微生物組在植物生長發(fā)育過程中的調(diào)控功能及分子機制[72-73]。如在進行植物對微生物群落定殖選擇性研究時，研究者分別從百脈根和擬南芥共有的16個科的根際微生物分離株中分別選取獨有的16個屬的細菌分離株合成由32株細菌分離株組成的SynCom。在用SynCom分別接種百脈根和擬南芥后，研究者發(fā)現(xiàn)初始來源于擬南芥的微生物在擬南芥根部顯著富集并定殖，并且相似的現(xiàn)象也出現(xiàn)在百脈根上。結(jié)合植物轉(zhuǎn)錄組分析，研究者發(fā)現(xiàn)宿主對根際微生物定殖的選擇性主要由植物免疫調(diào)節(jié)因子、MAMP受體激酶和乙烯響應因子決定[74]。反之，根際微生物也通過MAMP參與植物免疫調(diào)節(jié)(MAMP-triggered immunity，MTI)[75]。Teixeira等[75]從擬南芥根部鑒定到多株能強烈抑制MTI的細菌分離株，這些分離株無論是單菌株還是SynCom均能選擇性抑制包括受體和轉(zhuǎn)錄因子等在內(nèi)的關(guān)鍵免疫基因，從而增加其他細菌在擬南芥根部的穩(wěn)定定殖。

SynCom同樣能被用來研究微生物與微生物之間的相互作用。如Niu等[76]利用從玉米根部分離的7株具有代表性的細菌分離株構(gòu)建簡單的SynCom研究植物及微生物之間互作過程對群落組裝的影響，結(jié)果顯示Enterobactercloacae從SynCom中去除能直接導致SynCom的崩潰，說明了Enterobactercloacae在群落組裝中的關(guān)鍵作用。Carlstr?m等[77]用62株細菌分離株構(gòu)建SynCom，以研究菌株在植物根際的定殖順序?qū)θ郝浣Y(jié)構(gòu)的影響，研究人員從SynCom中去除一株或多株細菌分離株能顯著改變微生物群落結(jié)構(gòu)，但向穩(wěn)定的SynCom中添加移除的菌株并不能顯著改變?nèi)郝涞慕Y(jié)構(gòu)，該效應被稱為細菌定殖的優(yōu)先效應。盡管SynCom極大促進了微生物與微生物、微生物與植物互作研究，但由于SynCom的復雜性遠遠小于自然土壤群落，導致了微生物群落中可能的重要成員的缺失和自然條件下復雜微生物群落互作的不可重復[29]。

5 展 望

解析微生物與植物及微生物與微生物之間的互作機制，對利用根際微生物促進植物健康、增加作物產(chǎn)量、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本文重點總結(jié)了農(nóng)藝管理措施，植物生長過程中生物和非生物脅迫對根際微生物群落組裝方式的改變，以及根際微生物與植物互作對植物健康的影響。大量的研究結(jié)果證明了植物根際微生物在促進植物生長和抗病方面的重要性，并揭示了根際微生物與植物之間的復雜聯(lián)系。除此之外，包括宏基因組和代謝組在內(nèi)的多組學技術(shù)極大促進了研究者對植物與微生物互作機制的研究與理解，基于還原主義的SynCom為我們解析根際微生物組的功能擴展了思路。但自然土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的高度復雜性和自然環(huán)境不可控因素仍是阻礙我們對土壤微生物定殖、微生物與植物互作研究最主要的因素。因此，未來的研究應該包括以下方向：①基于大數(shù)據(jù)分析將微生物表型與多種植物聯(lián)系起來，分析不同植物根際微生物的特性與共性，解析產(chǎn)生原因；②開發(fā)更先進的技術(shù)和方法進行根際微生物的高通量分離鑒定，揭示根際微生物組裝的復雜機制；③分析有益微生物長期使用對本地微生物群落組裝及植物表型的影響。此外，我們應該重視理論到實踐的轉(zhuǎn)變，用已取得的成果指導農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。