基于文獻(xiàn)計(jì)量分析的國(guó)內(nèi)外根際土壤微生物研究進(jìn)展

鄧增卓瑪，馬文明，周青平，迪力亞爾·莫合塔爾，侯 晨，唐思洪

（西南民族大學(xué)青藏高原研究院，四川 成都 610041）

根際是指受根系分泌物的影響，其土壤理化性質(zhì)和生物活性與原土體明顯不同，并且靠近植物根系的狹小土壤區(qū)域［1］。由于其獨(dú)特的微環(huán)境，為微生物的大量增殖創(chuàng)造了條件［2］。根際微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中極其重要的組成部分，參與土壤生態(tài)系統(tǒng)中生物化學(xué)循環(huán)和能量流動(dòng)，包括碳、氮、磷和硫等養(yǎng)分的循環(huán)和土壤有機(jī)質(zhì)的分解［3］。并且根際微生物一直以來(lái)被認(rèn)為是植物的第二基因組，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育有著不可替代的作用。植物和根際微生物的互作被喻為“超級(jí)生物”［4］，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期協(xié)同進(jìn)化，植物與根際微生物形成一種互惠互利的共生模式，植物根系分泌有機(jī)物質(zhì)為微生物提供能量，而微生物代謝并產(chǎn)生一些信號(hào)分子、植物激素或通過(guò)活化營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育［5］。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)植物和根際微生物之間互作關(guān)系的研究越來(lái)越多，涉及了植物與微生物共生，如植物與植物根際促生菌（PGPR）和菌根真菌互作。此類微生物通過(guò)抑制疾?。?，6］、增加營(yíng)養(yǎng)利用率［7］和降低非生物脅迫［8-9］等提高植物生產(chǎn)力；還包括一些抑制植物生長(zhǎng)的有害微生物的研究，如尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）造成植物根系部位生理活動(dòng)的異常，植物吸收養(yǎng)分的能力下降，最后甚至造成全株死亡［10］。因此，了解植物-微生物之間的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)環(huán)境的改善和生產(chǎn)力的提高等具有重要意義。

文獻(xiàn)計(jì)量分析作為整理文獻(xiàn)脈絡(luò)的方法，對(duì)探索大數(shù)據(jù)平臺(tái)下的研究知識(shí)圖譜意義重大。引文空間（CiteSpace）是美籍華人學(xué)者陳超美博士于2004開(kāi)發(fā)的一款主要用于分析科學(xué)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的信息可視化軟件，可以用來(lái)制作科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的知識(shí)圖譜，有效地幫助研究者更好地了解他們所從事的研究領(lǐng)域，還可以突出該領(lǐng)域發(fā)展過(guò)程中的一些重要文獻(xiàn)、熱點(diǎn)研究和前沿方向［11］。本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外根際微生物近10年的文獻(xiàn)進(jìn)行分析，對(duì)關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類可知，發(fā)現(xiàn)植物和非生物因子對(duì)根際微生物的相互作用以及根際微生物研究方法是近10年土壤微生物領(lǐng)域中關(guān)注度較高的領(lǐng)域。因此，本文從植物和非生物因子對(duì)根際微生物的影響為切入點(diǎn)，闡述了植被類型、植被生長(zhǎng)期、根系分泌物和非生物因子對(duì)根際微生物的影響以及根際微生物對(duì)植被的正負(fù)反饋?zhàn)饔茫偨Y(jié)了微生物可培養(yǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，以期為根際微生物的研究提供理論依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來(lái)源及方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文以美國(guó)科學(xué)情報(bào)所的Web of Science數(shù)據(jù)庫(kù)核心集合和中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）為數(shù)據(jù)來(lái)源。文獻(xiàn)檢索時(shí)間為2011～2021年，由于2021年文獻(xiàn)繼續(xù)入庫(kù)，所以截至?xí)r間為2021年4月13日，Web of Science中 檢 索 主 題 為：“rhizosphere microbes”或 “rhizosphere microorganism”，語(yǔ)言類型限定為“english”，文獻(xiàn)類型為“article”、 “review”，學(xué)科領(lǐng)域?yàn)椤癳nvironmental science”、“soil science”、“ecology”和“microbiology”，并且過(guò)濾“book review”和“note”等類型的文獻(xiàn)，得到英文文獻(xiàn)共2240篇。在CNKI以“根際微生物”為關(guān)鍵詞，經(jīng)過(guò)篩選，刪除與關(guān)鍵詞無(wú)關(guān)的文獻(xiàn)，得到中文文獻(xiàn)共1702篇。

1.2 方法

將CiteSpace V分析時(shí)間段設(shè)為2011～2021、跨度為一年、節(jié)點(diǎn)類型選擇關(guān)鍵詞，年被引頻次排名為50，其他參數(shù)默認(rèn)，生成文獻(xiàn)共被引圖譜，并進(jìn)行分析，其中通過(guò)對(duì)數(shù)似然比算法（LLR）（聚類標(biāo)簽詞提取算法之一）對(duì)共被引文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞進(jìn)行聚類，可得出共被引文獻(xiàn)聚類知識(shí)圖譜。

2 關(guān)鍵詞聚類分析

關(guān)鍵詞是一篇文章的核心，在學(xué)科領(lǐng)域出現(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞往往被視為熱點(diǎn)研究領(lǐng)域。關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析是CiteSpace的基本功能之一，它可以通過(guò)分析文獻(xiàn)中出現(xiàn)的關(guān)鍵詞來(lái)判斷文獻(xiàn)之間的關(guān)系，展示學(xué)科的研究結(jié)構(gòu)［12］。因此，關(guān)鍵詞的提取可以幫助我們了解當(dāng)前研究方向的熱點(diǎn)和趨勢(shì)。關(guān)鍵詞的聚類更注重反映聚類間的結(jié)構(gòu)特征，突出聚類之間的關(guān)鍵點(diǎn)和重要聯(lián)系［13］，并且每個(gè)聚類中節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽反映了其核心的研究?jī)?nèi)容。由圖1和2可知，對(duì)關(guān)鍵詞聚類后，分別形成12和17個(gè)聚類標(biāo)簽，并且國(guó)內(nèi)外近10年根際微生物研究均以根際微生物（國(guó)內(nèi)：#7、#9、#12；國(guó)際：#1、#3、#4、#5、#6、#11、#15、#16）、根際微生物與植被的相互作用（國(guó)內(nèi)：#0、#1、#3、#5、#11；國(guó)際：#0、#9、#12、#14）較多。還有微生物研究方法（國(guó)內(nèi)：#6；國(guó)際：#12）和環(huán)境因子（國(guó)內(nèi)：#2、#8；國(guó)際：#2）也是近幾年的研究熱點(diǎn)。

圖1 國(guó)內(nèi)根際微生物關(guān)鍵詞聚類知識(shí)圖譜

圖2 國(guó)際根際微生物關(guān)鍵詞聚類知識(shí)圖譜

3 根際微生物

根際微生物是連接土壤-微生物-植物系統(tǒng)中最大的生命群體［14］，它是指黏附在根際土壤顆粒中的微生物。在根際這個(gè)微生境中，植物根系的生理活動(dòng)，使周圍土壤的物理和化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，豐富了土壤有機(jī)質(zhì)，進(jìn)而為微生物的大量增殖創(chuàng)造了條件［2］。微生物及其產(chǎn)物也以各種積極的、消極的和中性的方式與植物的根系相互作用，影響植物的生長(zhǎng)發(fā)育，改變養(yǎng)分動(dòng)態(tài)，也改變植物對(duì)疾病和非生物脅迫的敏感性。

3.1 植被對(duì)根際微生物的影響

3.1.1 植被生長(zhǎng)期對(duì)根際微生物的影響

根際微生物的數(shù)量受植被年齡（或生長(zhǎng)階段）的影響，不同生長(zhǎng)期其數(shù)量和密度存在著一定的差異。孫海明［15］對(duì)羊草（Leymus chinensis）草原根際土壤微生物進(jìn)行研究，結(jié)果表明不同生長(zhǎng)期的環(huán)境因子是影響根際細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量的主要因素，土壤溫度和含水量低，微生物生長(zhǎng)速度緩慢，數(shù)量相對(duì)較少。隨著土壤溫度和水分含量的增加，根際細(xì)菌、放線菌和真菌逐漸進(jìn)入生長(zhǎng)期和繁殖期，數(shù)量逐漸增加。邱立友等［16］發(fā)現(xiàn)，在烤煙的整個(gè)生長(zhǎng)期中，根際微生物的數(shù)量在旺長(zhǎng)期最多，成熟期和采收期次之，團(tuán)棵期最少。這主要與烤煙根系的生長(zhǎng)代謝活性和土壤溫度有關(guān)。曾齊等［17］研究發(fā)現(xiàn)，隨著大豆［Glycine max（Linn.）Merr.］生育期的推進(jìn)，土壤有機(jī)質(zhì)含量逐漸減少，微生物的生長(zhǎng)繁殖受到抑制，因此，栽培大豆和野生大豆根際細(xì)菌的數(shù)量均在分枝期最多，結(jié)莢期時(shí)有所下降，到成熟期數(shù)量最少。不僅根際微生物的數(shù)量隨著植物生長(zhǎng)階段發(fā)生變化，群落組成也隨之改變，大部分研究者認(rèn)為這與植物在不同生長(zhǎng)階段根系分泌物組成與數(shù)量有關(guān)。例如，在幼苗期植物分泌糖類可以吸引大量微生物，而在后期，植物分泌更多的酚類物質(zhì)對(duì)微生物群落進(jìn)行選擇，抑制了部分微生物的繁殖［18］。因此，根際微生物群落組成隨之發(fā)生變化。

3.1.2 植被類型對(duì)根際微生物的影響

不同植物甚至同一物種的不同基因型，通過(guò)不同的根系分泌物，進(jìn)而影響植物根際微生物的招募過(guò)程［19］，使得根際微生物的種群密度、數(shù)量和群落在不同的植物類型和基因型也有一定的差異。馬曉梅等［20］研究發(fā)現(xiàn)，胡楊（Populus euphratica）和檉柳（Tamarix chinensis）在根際細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量上均存在明顯差異。王少昆等［21］研究發(fā)現(xiàn)，不同的灌木對(duì)不同根際微生物的生長(zhǎng)有不同的影響，細(xì)菌在冷蒿（Artemisia frigidaL.）和小紅柳（Salix microstachyaL.）的根際生長(zhǎng)旺盛，放線菌在小紅柳和差巴嘎蒿（Artemisia halodendronL.）根系周圍數(shù)量較多，小葉錦雞兒（Caragana microphyllaL.）和差巴嘎蒿為真菌生長(zhǎng)繁殖提供有利環(huán)境，從總體上，4種灌木都有較強(qiáng)的根際正效應(yīng)。外來(lái)物種的入侵，可以從另一個(gè)角度證明植物種類對(duì)根際微生物的影響。李國(guó)慶［22］種植外來(lái)物種加拿大一枝黃花（Solidago canadensisL.）后，發(fā)現(xiàn)其根際微生物中細(xì)菌群落的優(yōu)勢(shì)種群為放線菌綱（Actinobacteria）鏈霉菌屬（Streptomyces），而土著種的優(yōu)勢(shì)種群仍然是α-變形菌綱（Alphaproteobacteria），并且加拿大一枝黃花中鏈霉菌屬代謝過(guò)程產(chǎn)生的抗生素通過(guò)抑制其他菌群的生長(zhǎng)，使細(xì)菌種群的多樣性明顯降低。Bouffaud等［23］研究表明，玉米（Zea maysLinn.）根際細(xì)菌群落組成受到玉米品種基因型的影響，且群落結(jié)構(gòu)的改變主要表現(xiàn)為某些β變形菌屬（Betaproteobacteria）和特定伯克氏菌屬（Burkholderia）的變化。Aira等［24］研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)責(zé)植物碳分配的2個(gè)基因（su1和sh2）使根系分泌物發(fā)生了變化，進(jìn)而改變了玉米根際微生物群落的結(jié)構(gòu)和活性，但是對(duì)其優(yōu)勢(shì)菌的生物量并沒(méi)有發(fā)生顯著變化。然而，也有研究表明植物對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)影響不顯著。Singh等［25］在同一地點(diǎn)的土壤中種植3種禾草，以確定植物特異性對(duì)根際微生物群落的影響，發(fā)現(xiàn)不同植物根際土壤細(xì)菌群落組成具有相似性，表明植物種類對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)的影響較小。付合才［26］以4種暖溫帶典型落葉櫟林的優(yōu)勢(shì)種和建群植物為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)不同櫟屬植物的根際細(xì)菌群落組成和豐度差異也并不顯著。

3.1.3 根系分泌物對(duì)土壤微生物的影響

根系分泌物是指在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中，植物不同的根系部位通過(guò)各種方式釋放到土壤中的復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)的總稱［27］。主要來(lái)源于健康的植物組織釋放和殘根等衰老組織的分解2個(gè)方面，包括由根細(xì)胞擴(kuò)散產(chǎn)生的低分子有機(jī)質(zhì)、根系代謝形成的分泌物、根系脫落形成的高分子黏膠質(zhì)以及殘?bào)w的分解物4大類［28］。根系分泌的各種初級(jí)代謝產(chǎn)物和次級(jí)代謝產(chǎn)物，能夠通過(guò)塑造、傳遞信號(hào)或干擾等作用來(lái)影響根際微生物區(qū)系［29］。如黃芩（Scutellaria baicalensisGeorgi）根系分泌物（茉莉酸和水楊酸）通過(guò)誘導(dǎo)植物免疫反應(yīng)，從而調(diào)節(jié)微生物群落［30］。苜蓿（Medicago sativa）可以產(chǎn)生一系列特殊的三萜，指導(dǎo)特定微生物群的組裝和維護(hù)，使其能夠根據(jù)自身的目的塑造和調(diào)節(jié)其根內(nèi)和根系周圍的微生物群落［31］。研究者還發(fā)現(xiàn)，豆科植物通過(guò)分泌黃酮類化合物（2-phenyl-1，4-benzopyrone derivatives）與根瘤菌（Rhizobium）進(jìn)行信號(hào)交流，這類物質(zhì)在根瘤菌激活蛋白的作用下，能誘導(dǎo)結(jié)瘤基因的表達(dá)［32］，從而形成根節(jié)瘤，根節(jié)瘤為根瘤菌的繁殖提供了活動(dòng)場(chǎng)所和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。除此之外，植物根系還可以通過(guò)分泌碳水化合物和氨基酸等來(lái)誘導(dǎo)PGPR的定殖。Rudrappa等［33］等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)擬南芥（Arabidopsis thaliana）葉面病原菌侵染根際時(shí)，根系分泌物中釋放的蘋果酸可招募PGPR枯草芽孢桿菌在根際的定殖。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，枯草芽孢桿菌通過(guò)激活擬南芥中的脫落酸和水楊酸信號(hào)通路，導(dǎo)致氣孔關(guān)閉，從而限制病原體入侵。植物根尖向根際釋放的緣細(xì)胞和黏液中含有大量的阿拉伯半乳聚糖蛋白（AGPs），這些AGPs能夠不僅吸引有益微生物（細(xì)菌和真菌），而且還對(duì)植物根際病原菌具有一定排斥作用［34］。

3.2 非生物因子對(duì)根際微生物的影響

土壤環(huán)境作為微生物的棲息地，對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性有著重要的影響。非生物因素土壤養(yǎng)分、pH、含水量、溫度等都被認(rèn)為是影響根際微生物群落組成的重要因子。土壤養(yǎng)分及其生物有效性對(duì)根際微生物的多樣性和豐度有直接和間接（通過(guò)植物）的影響［35］。如熊藝等［36］對(duì)小麥根箱試驗(yàn)的研究表明，缺氮使小麥根系分泌有機(jī)物質(zhì)的質(zhì)量和數(shù)量發(fā)生變化，抑制了硝化螺旋菌門（Nitrospirae）等氨氧化微生物的繁殖，但增加了富營(yíng)養(yǎng)菌厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）的豐度。另一種重要的土壤養(yǎng)分磷，也是根際微生物群的調(diào)節(jié)因子。Beauregard等［37］利用磷脂脂肪酸和變性梯度凝膠電泳分析了施磷8年對(duì)單一栽培紫花苜蓿土壤微生物多樣性的影響。結(jié)果表明，施磷改變了真菌和細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)，但對(duì)物種豐富度沒(méi)有影響。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物生產(chǎn)力的主要制約因素之一是土壤養(yǎng)分的貧瘠，這主要取決于3種大量元素氮、碳和磷的含量。一般土壤營(yíng)養(yǎng)的缺乏可以通過(guò)施肥來(lái)緩解。施用有機(jī)肥可以提高幼苗生物量，顯著提高土壤微生物和土壤酶活性［38］。有機(jī)肥可以塑造茶葉根際微生物組成，使根際有益細(xì)菌包括伯克霍爾德氏菌屬（Burkholderia）、硝化螺旋菌屬（Nitrospira）和鏈霉菌目（Streptomycetales）的數(shù)量增加［39］。而長(zhǎng)期施用化肥會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的土壤酸化、營(yíng)養(yǎng)失衡和根際微生態(tài)環(huán)境惡化，進(jìn)一步增加土壤重金屬離子的活性，影響根際微生物的數(shù)量。Li等［40］對(duì)玉米農(nóng)田的研究表明，高氮肥量（N 312 kg·hm-2）的輸入導(dǎo)致土壤pH大幅下降，從而加劇了土壤酸化，導(dǎo)致根際周圍的環(huán)境不利于細(xì)菌生長(zhǎng)，使得根際細(xì)菌多樣性普遍較低。pH也是影響細(xì)菌多樣性的關(guān)鍵因素。pH接近中性的土壤細(xì)菌群落多樣性最高，因?yàn)楫?dāng)pH偏低或偏高時(shí)，細(xì)菌的代謝活性和增長(zhǎng)率受到影響，當(dāng)一種微生物增長(zhǎng)率下降到25%時(shí)，由于種間競(jìng)爭(zhēng)的存在，會(huì)使其滅絕［41］。土壤pH還會(huì)間接通過(guò)影響?zhàn)B分有效性以及根系分泌物量和組成，間接影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。在干旱環(huán)境中，細(xì)菌多樣性被認(rèn)為受到溫度的變化、紫外線輻射的升高、低營(yíng)養(yǎng)元素含量和低土壤水分含量的影響［42］。干旱使植物根際促生長(zhǎng)細(xì)菌放線菌門（Actinobacteria）和厚壁菌門（Firmicutes）的含量增加，兩者都與促進(jìn)植物的生長(zhǎng)有關(guān)［43］。根際的溫度主要影響不同微生物的生長(zhǎng)速度。如Pietikainen等［44］發(fā)現(xiàn)，無(wú)論何種土壤類型，真菌和細(xì)菌在25～30℃之間生長(zhǎng)速度最快，在30℃以上，細(xì)菌相對(duì)于真菌的生長(zhǎng)速度較快，而細(xì)菌則受較低溫度的影響更大，根際真菌與細(xì)菌的比值在低溫時(shí)升高，在溫度升高時(shí)則降低。

3.3 根際微生物對(duì)植物的影響

根際中存在著大量對(duì)植物有益和有害的根際微生物（表1）。植物根際有益微生物主要通過(guò)其各種生命活動(dòng)促進(jìn)植物的健康生長(zhǎng)。如植物PGPR和菌根真菌等。根際有害微生物（DRMO）是指微效病原菌范圍內(nèi)，靠其生物代謝而非寄生來(lái)抑制植物生長(zhǎng)發(fā)育的一類根際微生物［45］，包括有害根際細(xì)菌（DRB）和有害根際真菌（DRF）。然而，在根際細(xì)菌分類上，無(wú)論是DRB 或PGPR還沒(méi)有明確的界定。

3.3.1 植物根際促生菌

植物PGPR是植物根際一類重要的微生物，通常與根表面作用，通過(guò)酸化或螯合等作用增強(qiáng)礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的吸收、細(xì)菌代謝產(chǎn)生植物激素、誘導(dǎo)植物抗性系統(tǒng)和產(chǎn)生抗生素來(lái)抑制病害等多種機(jī)制促進(jìn)植物生長(zhǎng)［73］。PGPR能將土壤中難溶性礦物質(zhì)分解并將其轉(zhuǎn)化為易于被植物吸收的化合物，從而有助于保護(hù)植物免受營(yíng)養(yǎng)脅迫。如土壤中磷元素以不可溶的形式存在，在根際中磷酸鹽溶解細(xì)菌分泌的有機(jī)酸和磷酸酶改變磷的溶解性，促進(jìn)植物吸收。甚至一些促生菌能夠?qū)⑼饨绛h(huán)境中的氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，供給宿主植物吸收利用。植物PGPR產(chǎn)生的植物激素包括生長(zhǎng)素（IAA）、赤霉素（GAs）和細(xì)胞分裂素（CTK）等［74］。研究表明，植物根系獲得根際周圍促生菌合成的外援吲哚 3-乙酸（IAA），從而能夠促進(jìn)根系的生長(zhǎng)和分枝［75］。IAA還可以通過(guò)與質(zhì)膜上的質(zhì)子泵結(jié)合而被激活，改變細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，從而使細(xì)胞壁糖溶解，增加細(xì)胞的可塑性，進(jìn)而增大細(xì)胞體積和促進(jìn)RNA蛋白質(zhì)的合成，以達(dá)到促生作用［76］。CTK通過(guò)促進(jìn)細(xì)胞分裂和細(xì)胞擴(kuò)大，影響側(cè)根和不定根的形成，因此對(duì)植物根系的形成和根系表面積的增加有一定的正向作用［77］。GAs是另一類植物激素，存在于從植物發(fā)芽到衰老的所有發(fā)育階段。然而，GAs最重要的生理效應(yīng)是促進(jìn)芽的生長(zhǎng)。PGPR對(duì)病原體的抑制主要通過(guò)產(chǎn)生抗生素和抗真菌代謝產(chǎn)物、溶解酶和誘導(dǎo)植物防御反應(yīng)［78］。例如，抗生素吩嗓酸和2，4—二乙酞藤黃酚是熒光假單胞菌（Pseudomonas fluorescens）最主要的2種次級(jí)代謝產(chǎn)物，對(duì)預(yù)防和治療小麥全蝕病菌Ggt所引起的小麥全蝕病有著重要作用［79］。在一些極端環(huán)境，如干旱、重金屬、鹽堿等脅迫下，PGPR能誘發(fā)植物抗性系統(tǒng)的反應(yīng)，引起相關(guān)抗脅迫基因的表達(dá)上調(diào)，從而減輕逆境對(duì)植物的傷害［80］。

3.3.2 菌根真菌

真菌與植物根系之間最常見(jiàn)的共生關(guān)系是菌根共生，而最常見(jiàn)的菌根真菌為叢枝菌根真菌（AMF）和外生菌根真菌（ECM）。叢枝菌根是農(nóng)業(yè)作物物種形成的菌根類型，菌根真菌經(jīng)過(guò)根皮層的生物營(yíng)養(yǎng)定殖后，形成一種外部菌絲，它是連接根與周圍土壤微生境的橋梁［81］。叢枝菌根與保護(hù)植物免受生物脅迫有關(guān)，如AMF通過(guò)與根系的病原真菌競(jìng)爭(zhēng)入侵位點(diǎn)和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，阻止病害相關(guān)蛋白的合成，從而提高寄主植物的抗病能力［82］。反過(guò)來(lái)，相關(guān)的真菌從宿主根中提取脂類和碳水化合物作為養(yǎng)分來(lái)源。還有研究表明，接種AMF能夠促進(jìn)宿主植物對(duì)磷的吸收，改善植物體內(nèi)的磷營(yíng)養(yǎng)缺乏狀況，進(jìn)而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育［83］。蔡曉布等［84］對(duì)草地植物穗序剪股穎（Agrostis hugoniana）和紫羊毛（Festucarubra）分別接種2種AMF，即根內(nèi)球囊霉（Glomus intraradices）和摩西球囊霉（Glomus mosseae），發(fā)現(xiàn)二者均能顯著促進(jìn)植物根系對(duì)土壤中磷的吸收和利用。鹽漬化土壤環(huán)境會(huì)降低植物對(duì)水分的吸收，引起植物生理干旱，而AMF不僅可通過(guò)菌絲的生長(zhǎng)擴(kuò)大根系的吸收范圍，而且還能通過(guò)促進(jìn)宿主植物根系生長(zhǎng)，提高對(duì)水分的吸收速率，阻止寄主植物體內(nèi)的水分流失，減輕鹽脅迫造成的傷害［85］。外生菌根是真菌在植物根部皮層細(xì)胞間隙發(fā)育形成哈蒂氏網(wǎng)在根尖形成菌套結(jié)構(gòu)的共生體［86］。植物形成這種共生體后，可以提高對(duì)一些極端環(huán)境的耐受力。王琚鋼等［87］認(rèn)為，干旱脅迫下，ECM可以更好地利用30 cm以下的土壤水分，從而減緩干旱脅迫。ECM還可以保護(hù)寄主植物免受重金屬的毒害［88］。為了應(yīng)對(duì)這種毒性作用，生物擁有不同的防御機(jī)制，如減少攝取細(xì)胞外的金屬螯合劑，細(xì)胞內(nèi)的金屬螯合配體如谷胱甘肽的細(xì)胞溶質(zhì)、金屬硫蛋白和分割液泡［89］。特定螯合劑的合成和隨后的金屬配合物的螯合對(duì)于限制游離金屬濃度具有重要意義。

表1 根際微生物的生態(tài)功能

3.4 有害根際微生物

有害根際細(xì)菌（DRB）以氰化物、植物激素、鐵團(tuán)和植物毒素的形式排泄出多糖和其他化學(xué)物質(zhì)，可對(duì)植物的代謝產(chǎn)生負(fù)面影響，具體表現(xiàn)在種子萌發(fā)減少、生長(zhǎng)抑制、根系伸長(zhǎng)減少、根系變形和/或變色，以及根系定植真菌的感染增加［90］。氰化氫的產(chǎn)生在根際假單胞菌中最為常見(jiàn)，從馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）和小麥根瘤菌中分離出的假單胞菌約有50%能在體外產(chǎn)生氰化氫［91］。氰化物可以抑制由細(xì)胞色素氧化酶呼吸介導(dǎo)的ATP產(chǎn)生。這種抑制導(dǎo)致線粒體內(nèi)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸氫氧化釋放的電子沿著耐氰呼吸途徑進(jìn)入氧氣。因此，大量能量以熱量的形式損失，而不是用于ADP的磷酸化［92］，減少了用于根系養(yǎng)分吸收的熱量。Loper等［93］發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接種在甜菜（Beta vulgarisL.）種子上時(shí)，2種腸桿菌的菌株產(chǎn)生了足夠數(shù)量的IAA以減少根系的伸長(zhǎng)。

3.5 根際微生物可培養(yǎng)技術(shù)

近幾十年來(lái)，盡管微生物研究技術(shù)一直在不斷完善，大部分微生物由于在自然界的豐度較低、微生物之間復(fù)雜的合作關(guān)系、實(shí)驗(yàn)室無(wú)法模擬特定的環(huán)境條件等導(dǎo)致難以分離和培養(yǎng)，成了微生物中的暗物質(zhì)［94］。這些未培養(yǎng)的微生物在碳、氮和其他元素的循環(huán)以及對(duì)周圍的生物和環(huán)境有著重要影響。培養(yǎng)微生物的傳統(tǒng)方法側(cè)重于使用營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基，創(chuàng)造有利于快速生長(zhǎng)微生物的環(huán)境［95］。然而，營(yíng)養(yǎng)豐富的培養(yǎng)基可能對(duì)那些在營(yíng)養(yǎng)不良條件下生存的微生物有毒害作用。還有一些共生微生物在沒(méi)有輔助因子和輔助菌株的生長(zhǎng)環(huán)境中無(wú)法進(jìn)行生長(zhǎng)。為了解決這些問(wèn)題，科學(xué)家通過(guò)一些新的方法，如原培養(yǎng)、細(xì)胞分選技術(shù)和微流控芯片技術(shù)等克服傳統(tǒng)方法的缺點(diǎn)，用于培養(yǎng)以前未培養(yǎng)的微生物，以評(píng)估和監(jiān)測(cè)微生物生理活動(dòng)和功能。在實(shí)驗(yàn)室模擬微生物原生長(zhǎng)環(huán)境的擴(kuò)散室、擴(kuò)散生物反應(yīng)器和分離芯片（iChip）等原位培養(yǎng)技術(shù)，可以使生長(zhǎng)因子擴(kuò)散，但細(xì)胞不能擴(kuò)散。在這種環(huán)境下，細(xì)胞可以從其自然環(huán)境或共生微生物處獲得必要的生長(zhǎng)因子，同時(shí)進(jìn)行隔離復(fù)制，形成理想的菌落［96］。此外，被分離的微生物產(chǎn)生的潛在生長(zhǎng)抑制代謝物可以自由擴(kuò)散，而不是在局部積累。以這種方式模擬原生長(zhǎng)環(huán)境，避免了傳統(tǒng)培養(yǎng)基過(guò)量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)某些物種的生長(zhǎng)有害。雖然相對(duì)于傳統(tǒng)方法，原培養(yǎng)技術(shù)更有效地提高未培養(yǎng)微生物的數(shù)量，使得大量的稀有微生物得到培養(yǎng)，但由于其可控性較差，會(huì)影響后續(xù)的分離效率。細(xì)胞分選技術(shù)包括光學(xué)鑷子和熒光活化細(xì)胞分選（FACS）等用于從混合群落的細(xì)胞懸液中分離單細(xì)胞，消除種間競(jìng)爭(zhēng)，使得未培養(yǎng)微生物得到繁殖，進(jìn)一步通過(guò)微生物和基因組之間的聯(lián)系揭示以前未發(fā)現(xiàn)的微生物功能［97］。FACS的原理是當(dāng)單個(gè)細(xì)胞有序地通過(guò)激光束時(shí)，目標(biāo)生物細(xì)胞中的熒光標(biāo)記被激發(fā)，這些熒光信號(hào)代表了獨(dú)特生物標(biāo)記物，從而完成對(duì)細(xì)胞物理和生化特性的分析與分選。雖然，F(xiàn)ACS系統(tǒng)由于以單細(xì)胞為基礎(chǔ)分離目標(biāo)細(xì)胞，從而具有更高的分選精度。但是其復(fù)雜的分選機(jī)制使目前的FACS系統(tǒng)昂貴和笨重，而且在分選過(guò)程之前，在開(kāi)放的環(huán)境中產(chǎn)生的氣溶膠會(huì)對(duì)環(huán)境造成潛在的污染。微流控芯片技術(shù)可以在多種基質(zhì)存在或不同物理化學(xué)條件下操作來(lái)自環(huán)境樣品的大量單個(gè)微生物?；瑒?dòng)芯片［98］是將微生物分別接種在數(shù)千個(gè)微孔培養(yǎng)板中，這些微孔培養(yǎng)板可以包含各種介質(zhì)和基質(zhì)，微生物繁殖成功后，將每個(gè)微孔培養(yǎng)板分成2個(gè)，形成2個(gè)相同的培養(yǎng)物。然后，在一個(gè)培養(yǎng)板的微生物可以被單獨(dú)篩選以進(jìn)行生長(zhǎng)和/或分類鑒定，而在另一個(gè)培養(yǎng)板中的微生物以繼續(xù)培養(yǎng)。微流控芯片技術(shù)能同時(shí)檢測(cè)到多種不可培養(yǎng)微生物的存在，分析速度快，還可以獲得目標(biāo)微生物的純培養(yǎng)，為后續(xù)微生物生理生化特性的分析提供了條件。但是由于其在完全密封的室內(nèi)隔離培養(yǎng)單個(gè)微生物，許多依賴共生菌的代謝產(chǎn)物生長(zhǎng)的微生物很可能無(wú)法成功培養(yǎng)。

4 展望

4.1 根際微生物組成對(duì)植被-微生物互作的影響

根際微生物積極的參與植物根系-土壤復(fù)雜的相互作用中，并且對(duì)地上植物的生長(zhǎng)、健康和適應(yīng)性至關(guān)重要。然而，我們?nèi)匀蝗狈﹃P(guān)于這個(gè)復(fù)雜相互作用中不同微生物參與的信息。因此，還需要通過(guò)測(cè)序等技術(shù)使我們能夠更有效地探索土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及其基因，有助于更好地證明土壤微生物群落和功能的變化。進(jìn)一步通過(guò)研究和比較微生物共生網(wǎng)絡(luò)來(lái)量化微生物共生模式，對(duì)研究其復(fù)雜的機(jī)理也顯得格外重要。

4.2 根系分泌物對(duì)土壤微生物的選擇機(jī)理

根際是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)，目前已經(jīng)從根際微生物、根系分泌物等方面進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。不同根系分泌物對(duì)某些土壤微生物具有招募作用，這類趨化性的細(xì)菌或真菌就能夠在根系周圍大量聚集和繁殖。如擬南芥根系分泌的三羧酸循環(huán)中間l-蘋果酸以劑量依賴的方式招募有益枯草芽孢桿菌FB17（Bacillus subtilisFB17）［33］。再如豆科植物誘導(dǎo)根瘤菌的繁殖和生長(zhǎng)，而對(duì)有些病原菌的生長(zhǎng)具有抑制作用。因此，植物根系分泌物如何具體調(diào)節(jié)土壤微生物，還需要從分子、生理和生態(tài)水平上進(jìn)一步深入研究，以改善植物生產(chǎn)力。

4.3 微生物暗物質(zhì)的研究方法

盡管微生物研究技術(shù)一直在不斷完善，但是環(huán)境中仍存在大量無(wú)法分離和培養(yǎng)的微生物暗物質(zhì)。這些暗物質(zhì)可能代表了生命系統(tǒng)發(fā)育樹(shù)的主要進(jìn)化線，并被認(rèn)為在生態(tài)系統(tǒng)的形成、進(jìn)化和功能中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。傳統(tǒng)方法與現(xiàn)代方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，將多種方法結(jié)合使其互補(bǔ)，有利于微生物暗物質(zhì)的分離和培養(yǎng)。如Liu等［99］將熒光激活細(xì)胞分選技術(shù)（FACS）與分離芯片（iChip）進(jìn)行整合，用于水稻土壤微生物的研究，表明8個(gè)FACS-iChip平板共培養(yǎng)了19個(gè)屬近500株的菌株，但通過(guò)16S rRNA基因擴(kuò)增，僅鑒定出6個(gè)屬。再如通過(guò)增加營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度和熒光原位雜交鑒定與培養(yǎng)了納鹽古菌門（Nanohaloarchaeota）中第一個(gè)微生物［100］。因此，結(jié)合多種方法（常規(guī)培養(yǎng)方法、共培養(yǎng)、反基因組、高通量培養(yǎng)技術(shù)等）對(duì)微生物暗物質(zhì)進(jìn)行多角度、大規(guī)模和綜合性的研究，以探索各種自然環(huán)境，特別是極端棲息地的微生物組，拓展我們對(duì)微生物的分類和功能多樣性的認(rèn)知。同時(shí)通過(guò)加強(qiáng)研究物種及功能之間的聯(lián)系，從而深入了解暗物質(zhì)的生理機(jī)制。