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JIPB:白洋组综述根系微生物组群落构建及其对植物适应性的贡献

已有 1271 次阅读 2022-3-5 00:33 |个人分类:读文献|系统分类:科研笔记

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根系微生物组:群落构建及其对植物适应性的贡献

The root microbiome: Community assembly and its contributions to plant fitness

Journal of Integrative Plant Biology [IF: 7.963]

DOI:https://doi.org/10.1111/jipb.13226

发表日期:2022-01-13

第一作者: Bo Bai(白波)1,2

通讯作者:Jingying Zhang(张婧赢)(jyzhang@genetics.ac.cn)1,3,4,Yang Bai(白洋)(ybai@genetics.ac.cn)1,3,4

合作作者: Weidong Liu(刘伟东), Xingyu Qiu(邱星宇), Jie Zhang(张杰)

主要单位:

1,4中科院遗传发育所(State Key Laboratory of Plant Genomics, Institute of Genetics and Developmental Biology, Innovation Academy for Seed Design, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China;CAS‐JIC Centre of Excellence for Plant and Microbial Science, Institute of Genetics and Developmental Biology, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China)

3中国科学院大学(CAS Center for Excellence in Biotic Interactions, College of Advanced Agricultural Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

摘要

根系微生物组学研究对象是与植物根系生活在一起的微生物群落,包括共生菌、病原体和共栖菌。本文重点介绍了微生物组相关研究的主要对象——根系共栖菌群落的研究进展。随着新技术的迅速发展,关于植物与共栖菌的互作关系的探索达到前所未有的广度和深度。土壤环境和宿主植物共同驱动共栖菌群落的组装。土体土壤是共栖菌的潜在种子库,植物利用根系分泌物和免疫反应,从可利用的微生物中构建健康的微生物群落。植物微生物组通过参与多种生物进程来扩展植物的功能系统,包括营养吸收、生长发育和抵抗生物/非生物胁迫。随着时间的推移,植物和它们的微生物群落进化出了适应性策略。然而,我们对与植物和共栖菌的相互作用的调控机制的认识仍有很大的差距。本文综述了近年来根系微生物群落的组装及其对植物生长发育的影响,并展望了通过研究根系微生物群落促进农业可持续发展的前景

前言

植物根系内外定殖着的大量的微生物,根据其与植物的相互作用关系,可以分为共生菌、病原体和共栖菌。一直以来人们总是混淆这几个概念,有必要明确这几个概念的区别。在植物相关微生物领域,共生菌指的是具有明确互利共生关系,尤其是能形成特定共生结构的一类微生物的统称,例如协助磷元素吸收的丛枝菌根真菌,以及豆科植物中广泛定殖且能形成根瘤的根瘤菌等,共生菌可以从植物获得需要的碳源,而植物能从共生菌中获得氮、磷等矿物质。病原菌指的是定殖植物后能够引起特定病害的微生物,例如丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae)以及能够以引起水稻白叶枯病的水稻黄单胞菌(Xanthomonas oryzae)。而共栖菌是指的是一类和植物依赖关系相对松散的一类细菌,能够自由生活但在特定情况下能被植物招募,对于植物生长发育的影响相对中性,但是特定情况下也可以有利或者有害的方式影响植物生长发育,然而随着研究的深入特定的共栖菌最终可能会被证明是共生菌或者是病原菌。共栖微生物是植物相关微生物群落中的大多数。而根系相关微生物组指的是以根系相关共栖菌,包括细菌,真菌,古菌,病毒以及原生生物等,为主要研究对象,对其物种构成、宏基因组、宏转录组和宏蛋白组等信息进行解析,并阐明环境,微生物,宿主三者之间的相互作用关系的学科,尽管测序等研究方法也会获得共生菌和病原菌的信息,但这并不是微生物组学的研究重点。

植物通过根系分泌物,免疫系统等方式调节根系相关微生物群落结构,而植物根系相关微生物群落则扩展了植物生活范围和代谢能力,参与调节植物生长发育、营养吸收、生物和生物胁迫抗性等进程,因此植物的生长发育是植物基因型及其相关微生物群落相互作用的共同产物。解析植物和微生物群落之间相互调节的分子机制对于我们利用微生物群落改善植物生长发育、病虫害防治、减少化学肥料使用,实现农业可持续发展具有重要意义。伴随着高通量测序和微生物大规模分离鉴定手段的进步,对于我们理解植物相关微生物群落组装机制、功能以及植物与微生物群落互作机制有了巨大推动。

本文综述了近年来发现的植物根系相关微生物群落研究进展,尽管真菌、病毒、原生生物也是根系微生物群落的重要组分,但本文主要关注细菌微生物群落,重点介绍了驱动植物根系细菌微生物群落组装以及微生物调控植物生长发育的机制,并从利用微生物组学促进农业可持续发展等角度对该领域研究进行了展望

根系微生物群落结构与组装模式

植物根系栖息着大量的微生物群落,根据其栖息位置不同,主要分为根际微生物群落和根内微生物群落,它们分别定殖在植物的根部周围和根内部。随着越来越多植物根系微生物群落被鉴定出来,研究人员发现,植物根际微生物群落组成于与土体土壤微生物群结构具有相似性,而在较大的分类层级上,植物根系微生物群落主要由变形菌门、放线菌、拟杆菌门、厚壁菌门组成,尽管不同植物中不同的组分相对丰度不同,例如豆科植物红花三叶草(Trifolium pratens)拥有一个特异的根系微生物群落,其中变形菌门占绝对优势,占根系微生物群落的大约90.7%,其中根瘤菌属的操作分类单位(OTU)占优势,占根系微生物群的70%。这与红花三叶草可以和根瘤菌共生固氮一致。许多因素影响微生物群落的组成,包括按其影响的大小依次是土壤类型、植物发育阶段和植物基因型。以下各节将详细介绍土壤类型和植物基因型对微生物群落的调节。不同植物在营养生长过程中,不同定植部位中的微生物群落发生着变化,在生殖生长过程中,微生物群落逐渐稳定。植物不同发育阶段根系有机碳释放量存在显著差异,与细菌群落的相关性要强于与真菌群落的相关性。

土体土壤微生物群落多样性最高,其次是根际微生物群落,而根内微生物生物多样性最低,基于前人研究Bulgarelli等提出一个两步法模型,第一步,根际沉积驱动微生物从土体土壤进入根际形成根际微生物群落,第二步宿主基因型调控下根际微生物进入植物根内形成根内微生物群落。而Edward等将根系相关微生物群落分为根际、根表面、根内三个微生物群落,并在两部法模型基础上,进一步强调了根平面的关键门控作用,并提出微生物从土体土壤进入植物根内需要三步甚至更多步的选择作用。

影响根系微生物群落构建的主要因素

植物根系为微生物提供了包括根际、根表面,根内等不同生态位,来自于土体土壤的微生物定殖不同生态位的过程中,来自于环境、宿主植物与微生物、以及微生物与微生物之间的相互作用共同塑造的植物相关的微生物群落(图1)。

图1 影响植物根系微生物群落结构的因素及其对植物生长的影响

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土体土壤微生物群落是植物根系相关微生物群落的种子库。土壤的理化性质,包括土壤pH、水分和土壤成分,都会影响土壤微生物群落,进而影响根部微生物群落。根系分泌物将微生物从土体土壤中招募到根际,包括主要负责吸引的初级代谢物和主要负责筛选被招募微生物的次生代谢物。宿主基因型影响控制根际微生物进入植物体内的免疫系统。微生物之间的相互作用也在这整个过程的所有阶段发挥作用。根际和根内微生物通过增加矿质养分的有效性和提高植物对生物和非生物胁迫的抵抗力来促进植物生长。

土壤是影响根部微生物群的关键因素

土壤微生物群落-植物根系微生物的种子库

土壤是地球上微生物生态最丰富的系统之一,气候条件,土壤含水量,复杂的孔隙结构,空隙中的碳氮资源结构,土壤pH值等对土壤微生物组成和多样性有着显著影响(图1),例如土壤pH显著影响土壤细菌群落多样性显著相关,中性土壤细菌多样性最高,酸性土壤细菌多样性最低。植物根系微生物群落主要由土壤微生物通过水平传播而来,因此被视为根系相关微生物群落的种子库,相应的植物根系微生物群落也被认为是土壤微生物群落的子集。因此土壤定殖的微生物群落作为最初接种物成为根系微生物群落建成的重要影响因素,显著影响根系微生物群落。处在不同气候条件下的理化性质各异的土壤中种植的植物的微生物群落具有显著的差异。

土壤理化性质通过植物间接调节微生物群落构成

除此以外,土壤的物理化学性质,例如营养有效性还会影响植物的生长发育,受影响的植物会进一步调节根系相关微生物群落的构成。磷是最重要的植物大量营养元素之一,尽管磷元素(Pi)在土壤中含量丰富,土壤中的Pi很容易与离子形成复合物,从而抑制植物的吸收。在缺磷条件下植物通过一系列形态、生理和代谢变化来响应磷的限制,被称之为磷饥饿反应(PSR),PHR1是营养应激反应和免疫调节之间平衡的一个中心调节因子,在PSR期间,直接调控免疫相关基因,抑制微生物驱动的植物免疫系统输出, PSR会影响根系微生物群落的构成,形成一个非典型的微生物群落,同时,低磷对磷响应基因的诱导也依赖于菌群的存在,类似的土壤中的无机氮含量,铁含量,也可以通过类似的机制影响植物根系微生物群落构成。

宿主植物对根系微生物群落的调控

宿主植物遗传决定的根际效应、免疫系统,营养元素调用机制,逆境响应机制等都影响着植物根系微生物群落的构成,但与此同时被调节的微生物群落也会影响相应的生长发育进程。

根际效应:根系分泌物驱动微生物群落构建

植物靠光合作用同化二氧化碳,除满足自身生长发育外,20%的光合固定碳由根系分泌到根际土壤,吸引了土体微生物向植物根际移动,渗出的化合物包括糖、氨基酸、有机酸、脂肪酸和次级代谢物,这些代谢物是植物与微生物交流的重要方式,根系分泌物对根际微生物组的组成有很大影响,这种现象称为“根际效应”(图1)。综合利用微生物组学、比较基因组学和代谢组学,研究人员发现植物根系分泌物随根系生长和植物发育阶段有着特定的变化模式。通过比较随着植物生长发育富集和不富集根际微生物基因组,以及这两类微生物随根系不同分泌物的代谢能力,发现根系分泌物化学成分演替与微生物代谢物底物偏好性相互作用,根际细菌对植物分泌的芳香有机酸(烟酸、草酸、水杨酸、肉桂酸和吲哚-3-乙酸)具有偏好。这些植物分泌特性和微生物底物吸收特性的组合相互作用,形成了植物通过调控自身分泌物控制微生物群落构成的分子机制。而从微生物适应根系环境的角度讲,根际微生物组中与细胞趋化性、鞭毛组装、生物膜形成以及细菌运动反映了根系分泌物对微生物的吸引作用,此外根际碳固定和氨基酸生物合成相关途径基因缺失与根际微生物可以从根系分泌物中获得不同的简单碳源和氮源这一事实相吻合。

不同的植物种类、发育阶段、根系特征、环境条件、营养和土壤类型,不同的胁迫类型和胁迫程度都会显著影响根系分泌物。例如以光为主要变量的昼夜节律调控植物的代谢功能,其中碳水化合物代谢在黎明和凌晨存在显著差异,根际的有机质在白天和黑夜存在显著变异,野生型拟南芥中白天和黑夜下菌群存在显著差异,有13%的菌群存在着昼夜节律性。作为根与外界进行物质交换的重要物理屏障,凯氏带(Casparian strip, CS)对于根系分泌化合物起着重要的调控作用。凯氏带建成相关基因的突变导致的木栓质沉淀异常会改变根系分泌物的释放,并进一步影响有益微生物招募,改变根系微生物群落结构。

根系微生物除了为微生物提供营养成分招募根际微生物群落以外,还能通过分泌特定化学物质,主动的调控根际微生物群落结构(图1)。例如香豆素对部分土壤病原菌有选择性抑制作用,而具有促进生长和诱导ISR的根际细菌对于香豆素的抑菌作用具有高度的耐受能力,香豆素的邻苯二酚部分促进氧化还原反应产生ROS可能是香豆素抑菌重要原因。香豆素合成缺陷突变型f6 h1植株组装了独特的根微生物群,表明f6 h1依赖的香豆素合成在塑造根微生物群中发挥了作用,而部分根际有益细菌定殖后,可以诱导拟南芥根中产生这些香豆素,以改善其自身生态位的建立,从而为宿主提供生长和免疫效益。含硫吲哚防御化合物卡马毒素(植保素)主要在根中合成,植保素有助于控制植物根内微生物的相互作用,对于保证根际硫酸盐酶活性和假单胞菌(Pseudomonas sp. CH267)等益生菌对植物生长的促进作用至关重要。苯并恶嗪类化合物降解产物6-甲氧基苯并恶唑啉-2-1(MBOA)是小麦和玉米根系释放的一类防御性次生代谢物,可改变通过改变根系真菌和细菌群落,降低植物生长,增加茉莉酸信号传导和植物防御能力,并抑制下一代草食动物的生长性。三萜类化合物是植物特异的代谢物,对拟南芥这些化合物的生物合成突变体的根微生物组的分析表明,与野生型相比它们的根微生物组成和多样性发生了变化,纯化的拟南芥根系三萜化合物和具有代表性的三萜混合物对从拟南芥根系微生物组中分离出的19个分类多样的细菌菌株活性有着不同的影响。简而言之,植物根系从大量土壤中招募微生物,并通过提供养分和释放特定的化学物质来推动微生物群落的组装

植物免疫系统区分“敌人”和“朋友”

植物维持着一个复杂的免疫系统,将有害微生物拒之门外,同时允许共生和有益微生物定殖(图1),这个过程涉及到高度保守的微生物相关分子模式MAMP的识别,并触发免疫(MTI)反应,这就形成了对微生物定殖主要防御机制。然而,在免疫过程中,植物的正常生长和发育可能会受到损害,这种情况被定义为“生长与防御的权衡”。那么,有益的微生物是如何逃避植物免疫系统的呢?或者,植物如何区分有害微生物和有益微生物?

为了建立互惠的相互作用,很大一部分微生物可以通过多种机制避免激活或抑制宿主免疫反应。例如研究人员比较了植物相关细菌和非植物相关细菌的基因组,确定了64个与植物相似的植物相关和根相关结构域(PREPARADO),这些结构域由植物相关细菌中的11916个基因编码。植物相关微生物与非相关微生物相比,基因组中植物相似的植物相关和根相关的域(PREPARADOs)高度富集,一些PREPARADOs本身就是效应因子的结构域,可能代表一种伪装策略,其中一些PREPARADO是作为诱饵来逃避宿主免疫系统的,从而使微生物能够接触到植物组织,逃避MAMP出发MTI,形成分子隐形斗篷。植物防御激素水杨酸的生物合成以及信号通路对于形成和维持一个正常的植物根系微生物群落至关重要,这种防御激素可以调节特定科的细菌在植物根上定植。包括假单胞菌WCS358在内的部分根系微生物可以通过产生葡萄糖酸及其衍生物2-酮葡萄糖酸降低细胞外pH下调,抑制局部根免疫反应。部分微生物可以借助自身分泌物来克服植物免疫系统。瓦雷兹芽孢杆菌(Bacillus velezensis)FZB42是一种分泌生长素的益生菌。细菌生长素对于其在根上定植至关重要,而且保证其在受体EFR触发免疫反应下产生的ROS环境中存活和增殖。

flg22是一种典型的MAMP鞭毛蛋白的免疫原性表位,能够触发植物免疫反应。Colaianni等人(2021年)对共生群落中自然存在的flg22多样性进行了鉴定和筛选,结果发现多数共生菌的flg22(64%)能逃避FLS2激活,绝大数的flg22(80%)对植物生长没有影响,其中一部分flg22可以通过干扰共受体募集,或者是通过一种尚未识别的机制来阻止晚期输出反应,该机制启动了典型ROS反应,最终调节植物免疫力。共生群落包含大量的flg22多样性,导致普遍逃避、特异性防御激活和差异免疫系统信号调制可能最终促进群落多样性并维持微生物稳态。而在植物方面,FLS2似乎特别容易受到进化选择压力。对1000份拟南芥材料进行基因组挖掘,发现FLS2中有100个氨基酸变化,FLS2序列变异可能已经进化到允许检测不同的flg22变异,以保护适当的免疫激活。Flg22的多样性变异逃避了fls2的识别,而受体fls2则通过氨基酸的变异识别更多的flg22变异,这表明了植物和微生物之间的共同进化。

最近一项研究结果表明,拟南芥根系共生细菌群落可以调节拟南芥免疫系统调节的MTI,研究人员鉴定了一组强大的、分类上多样化的MTI抑制菌株,不论是单个菌株,还是由它们构成的合成菌群SynCom35,可以选择性调节从受体到转录因子和生化执行因子在内的植物免疫系统基因,抑制菌株可以提高其他测试共生细菌的定殖能力。这个过程有可能与细菌2型分泌系统调节植物免疫系统的活性有关。而在另一项研究中,作者根据MTI诱导的根生长抑制表型,将植物共生细菌分为两类root growth inhibition (RGI)非抑制型和RGI抑制型根系共生菌,分别通过诱导或抑制MTI反应来调节宿主对病原菌的敏感性。MTI会改变由RGI非抑制菌株组成的合成群落(SynComs)的结构,而RGI抑制菌株的存在则会减弱这种作用,RGI抑制菌株会抑制改变174个核心宿主基因的表达,其中包括特异性下调免疫相关基因的子集,这与Teixeira等的研究结果一致。这种相互作用在植物免疫系统对抗病原体侵扰和防御相关生长抑制之间提供了缓冲作用,最终达成了共生体-宿主稳态。

此外,也有研究证明除了共生微生物抑制植物免疫的能力克服生长抑制之外,也有研究证明,植物可以主动地忽略无害细菌的定殖,拟南芥成熟根组织细胞中的免疫受体表达极低。这些健康的根细胞并不能响应MAMPs,因此在同有益或无害微生物的互作时不会激活免疫反应。当根细胞受到损伤时,相邻的根细胞开始表达免疫受体并迅速响应MAMPs,激活免疫反应,也就是“细胞损伤门控”机制,这一机制,巧妙地利用了病原微生物侵染对植物细胞带来的损伤,精准的在感染点附近激活免疫。综上所述,植物免疫系统主动忽视有益微生物的定殖,这些微生物逃避或抑制宿主免疫,从而促进宿主与共生体之间的相互作用

调控根系微生物群落组装的其他宿主基因

除了植物免疫系统,大量研究证明还有其他遗传因素调节微生物进入植物根内。在一项包括179份拟南芥样本的研究中,Bergelson等人发现宿主效应对植物真菌群落的影响似乎强于植物细菌群落,GWAS分析鉴定了根微生物群中单个微生物的丰度与植物基因型之间的联系,发现一些根微生物物种丰富度和群落结构相关的重要QTL,这些QTL涉及植物免疫、细胞壁完整性、根和根毛发育。通过对这组数据重新分析,He等人确定了几个真菌和细菌核心,在介导拟南芥根系统周围的微生物群落组装中发挥中心作用,并定位了91个QTL核心,这些QTL与候选基因接近,在植物生长发育、抗病原菌、根系发育和抗非生物胁迫等方面发挥着多种生物学功能。

最新研究结果表明,细胞膜受体蛋白激酶FERONI参与调控微生物组结构. fer-8突变体的根际假单胞菌属富集并且在门一级分类水平没有出现群落失调,FER维持根系本底的活性氧自由基(ROS)水平,进而负调控根际益生菌荧光假单胞杆菌定殖。菌群定植过程中具有宿主偏好性。用百脉根菌群与拟南芥菌群中的共有16科,分别从挑出菌株组成包含32株细菌的SynCom,分别接种拟南芥和百脉根,发现从拟南芥中分离出的细菌在拟南芥的根部的相对丰度更高,同样的,从百脉根中分离的细菌在百脉根的根部相对丰度更高。结合植物转录组分析,得出共生菌的这种宿主偏好性主要是由植物的免疫调节基因、MAMP受体激酶以及乙烯响应因子决定的。

微生物定殖植物引起植物基因表达水平的变化,这种效应被定义为 “普遍的异己反应” (GNSR),包括24个核心基因,这些基因在面对细菌定殖时表达上调,并进一步调控植物代谢,特别是色氨酸衍生物次级代谢,这与植物防御反应有关。通过使用突变体作者也证明部分GNSR基因在应对病原菌入侵式确实发挥了重要作用。植物表观遗传修饰也有可能影响植物微生物群落结构,例如DNA甲基化(RdDM)突变体dcl234显著降低了气单胞菌科和假单胞菌科的水平,同时增加了根菌群中许多其他细菌科的丰度,但是这种调节作用不依赖RdDM过程,而有可能是是通过调控植物防御、细胞壁组成和根系分泌物实现的。通过比较三种组蛋白甲基化缺陷水稻突变体的根部微生物组,研究人员发现组蛋白甲基化可能通过影响中心物种的丰度来调节微生物组的结构和组成。

微生物之间的相互作用

微生物之间的相互作用在植物根系微生物群落组装过程中也发挥了重要作用(图1)。牛犇等人利用7株代表性细菌构建了高度简化的玉米合成菌群(SynCom),利用这个简化玉米根系SynCom进行Drop-out试验,探索了细菌种间相互作用如何影响微生物群落的组装。结果表明,仅去除阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)会导致这个SynCom崩溃,说明阴沟肠杆菌(Enterobacter cloacae)是影响群落装配的关键成员。来自于叶圈的研究也证明微生物之间的相互作用对于相应微生物群落的构建起到重要的调节作用。通过在对不同种植条件下的不同拟南芥叶圈不同部位的真菌,细菌和卵菌群落进行鉴定,通过构建界间相互作用网络,鉴定到两个枢纽微生物,枢纽微生物是非生物、时间和宿主因子与许多其他微生物在叶圈定殖之间的重要中介。植物宿主基因作用于关键微生物物种,然后通过调节微生物之间的相互作用和改变宿主适合度,将这些影响传递给整个微生物群落。在另一项研究中,通过在拟南芥中进行退出实验(drop-out experiments),证明叶圈微生物菌株定殖具有优先效应。在合成群落里系统的剔除细菌群体或单个菌株,微生物群落结构发生了显著变化,而菌群一旦建立,再加入剔除的菌株则不会显著改变群落结构,尽管新加入的菌株可以在不改变群落的前提下定殖。变形杆菌(Sphingomonas, Rhizobium)和放线菌(Microbacterium, Rhodococcus)是影响群落建成的关键物种,叶圈群落结构的形成中起着重要作用,主要通过影响相对丰度很低的菌株(0.1%)来影响群落结构。枯萎病病原体大丽花轮枝菌选择 VdAMP3(一种具有抗菌特性的效应蛋白)来操纵宿主微生物群以促进入侵。微生物-微生物相互作用可以提高植物对生物胁迫的抵抗力,例如拟南芥根共生细菌群落可以塑造真菌和卵菌的群落结构,保护植物免受真菌和卵菌的侵害,而根共生细菌的生物防治活性是一个功能冗余的性状,是植物生存所必需的。

根系微生物群落对于植物的作用

根系微生物在促进植物营养吸收、提高植物生物胁迫以及非生物胁迫抗性角度都发挥着中重要的作用,需要注意的是微生物群落发挥功能与植物对微生物群落的调节是紧密关联在一起的(图1),在特定的胁迫条件下,寄主可以形成特定的与根相关的微生物群落,这个微生物群可能会提高植物对相应胁迫的抵抗力。

根系微生物群落促进植物矿质元素吸收

根系微生物群落协助植物吸收铁和氮等矿质元素。铁是植物必需的矿物质营养,在许多生物过程中起催化剂作用,包括光合作用和呼吸作用。缺铁会使植物褪绿,影响植物生长发育,而植物根系微生物能够缓解植物铁饥饿反应,这个过程依赖香豆素分泌以及植物铁输入途径,转录分析结果显示香豆素分泌和根菌群对植物对缺铁的转录反应都有深刻的影响。此外,香豆素和微生物群之间的紧急相互作用通过加强铁营养、解决铁饥饿反应和调节一组防御相关基因来改善植物性能。尽管已有研究证明,籼稻品种的氮素利用效率优于粳稻品种,而这其中涉及的微生物群落的调节最近才被揭示籼稻相对于粳稻富集了更多的具有氮代谢功能相关细菌,NRT1.1B与籼稻大量富集的菌群相关,在nrt1.1b突变体的根微生物组中,氨化过程较少在有机氮条件下,利用籼稻富集细菌构建的SynCom接种水稻比用粳稻富集细菌构建的SynCom更能促进水稻生长。此外,除了氨化活性菌的富集率较高,玉米根的黄酮还招募了更多的根际草杆菌,从而促进了氮素的利用和玉米的侧向生长。从更广谱的角度上,指植物根系内胚层控制着矿物质吸收和分泌物的外排,对于植物矿质元素平衡至关重要,植物微生物成员也能通过控制着内胚层扩散屏障的发展,特别是软木脂的沉积,从而影响植物的矿物质营养平衡和非生物胁迫耐受性,这个过程依赖于内生菌对植物激素脱落酸的信号传导的抑制,因此微生物既可以直接促进植物对矿质元素的吸收,也可以通过调节植物根系内胚层的建立,影响植物的矿物质营养平衡。

根微生物群落提高植物抗病性

根共生通过各种机制帮助植物抵御病原体入侵,包括生态位竞争、抗生素分泌和ISR诱导。病原微生物攻击始终存在,然而有一种土壤,即使是在病原体存在条件下也能抑制植物相应病害的发生,这种能力至少部分是由植物根系微生物群落提供的,这些微生物有可能直接产生抗菌物质直接抑制病原体,也有可能通过诱导植物的系统抗性,间接抑制病原体。侵染叶面病原体紫丁香假单胞菌(Pseudomonas syringae pathovar tomato, Pst)的拟南芥植株根系分泌的苹果酸增加,从而吸引枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)到根系,从而使寄主对Pst的反应更强。拟南芥叶片受到霜霉病病原菌拟南芥透明壳孢菌(Hyaloperonospora arabidopsidis)侵染时会在根系微生物中招募三种有益微生物,根际土壤中包括黄单胞菌(Xanthomonas sp.)、窄养单胞菌(Stenotrophomonas sp.)和微杆菌(Microbacterium sp.),从而提高拟南芥对霜霉病的系统抗性,并增强了该地块生长的下一代拟南芥针对霜霉病的保护。类似的,当在连续种植五代Pst侵染的拟南芥后的土壤中继续种植第六代拟南芥时,植株表现出茉莉酸水平和抗病性增强,产生这种现象的原因有可能时病原菌侵染植物地上部,改变其根系分泌物谱,从而招募有益微生物,改变根系微生物群落,进而提高植物地上部分抗病性,因此,当植物受到病原菌的攻击时,可以向根部微生物群求救“cry for help”,从而选择性地富集植物保护微生物,而且这种保护效应延伸到植物的连续种群,也被叫做soil-borne legacy。鉴于上述情况,植物对病原体的抵抗力至少部分是通过从土壤中招募有益微生物来实现的

协助植物抵抗非生物胁迫

除了抵抗生物胁迫,植物根系微生物群落还能协助植物抵抗非生物胁迫,这种促生功能既可以直接由根系群落中的特定成员直接实现,也可以通过微生物间的相互作用间接提高植物的抵抗非生物胁迫的能力。干旱是农业生产中一个日益严重的问题,最近一项研究证明短期干旱胁迫会对根系微生物群落造成剧烈影响,富集放线菌等菌群,但是解除干旱胁迫后可以较大程度恢复到胁迫前水平,但长期干旱胁迫会对水稻根系内皮层微生物群落造成剧烈而持久的影响,且解除干旱胁迫后不能完全恢复,其显著特征为放线菌群的富集,超过80%的内皮层半永久性富集菌群为放线菌,针对丰度最高的OTU,通过根系微生物分离最终鉴定出一个链霉菌属(Streptomyces sp. SLBN-177),其接种后能够在干旱条件下促进根系生长。同样,干旱条件下高粱的根部微生物群发生了显著变化,放线菌适度富集,显著促进了根的生长。宏基因组学和比较基因组学表明,在放线菌基因组中,铁运输和代谢相关基因的拷贝数显着增加。此外,链霉菌在干旱条件下促进植物生长,但这种作用在外源铁的存在下被逆转,这表明铁代谢在干旱诱导的根际微生物群动态中起着重要作用。从葡萄中分离的部分细菌微生物在干旱条件下可以提高葡萄的枝条和叶片生物量、枝条长度和光合活性,在室外条件下也可以提高葡萄根系的生物量,说明在干旱胁迫诱导条件下,这些共栖菌能提高植物的干旱胁迫抗性。

土壤盐碱化是对农业的全球性威胁。由于肥水管理不当,盐碱地面积不断增加。利用微生物群落来缓解盐胁迫是一种很有前途的方法。从山核桃根中分离得到真菌分离株炭团菌(Hypoxylon spp. (Sj18))接种后芦笋改变了其根系内生菌的多样性和群落结构,耐盐细菌盐单胞菌从一个低丰度属逐渐成为优势属。将Sj18接种拟南芥能提高拟南芥耐盐性。盐诱导根部微生物缓解了盐敏感和盐不敏感的葫芦科植物的盐胁迫,降低了植物体内的Na+浓度,促进了养分的吸收。从盐胁迫宿主中分离的微生物群落在缓解宿主盐胁迫方面比从非宿主植物中分离的微生物群落更有效。同时,缓解盐胁迫依赖于物种多样性,这表明有益的调控机制可能涉及不同微生物物种之间的协同作用。

弱光也是一种非生物胁迫,植物叶片感知光照条件调节根系微生物群落,而微生物群落也会反过来调节植物在相应光照条件下的生长发育,在低光合有效辐射条件下,微生物组-根-芽回路会以牺牲部分防御为代价进行植物生长补偿调控,这个过程是根系微生物通过MYC2转录因子权衡植物生长和防御反应实现的。上述证据表明,根系微生物区系有助于植物抵抗非生物胁迫,帮助植物在恶劣环境中生存。

直接调节植物生长发育

除了针对特定的生理进程发挥特定功能以外,微生物还可以直接调控植物的生长发育,微生物对植物中乙烯水平的修饰会沿着植物基因组中遗传变异引起的生长-胁迫耐受性权衡来改变植物表型,微生物恶臭假单胞菌(Pseudomonas putida UW4)可以通过减少乙烯促进植物生长,但以强烈的胁迫超敏反应为代价。inkel等人发现单一的细菌属(贪噬菌属(Variovorax))即可逆转由规划总不同细菌菌株以及由它们组成的整个群落所引起的对根生长的严重抑制。贪噬菌属(Variovorax)可以操纵植物激素水平来平衡人工合成群落对根部生长的影响。他们确定了生长素降解操纵子,在所有可用的贪噬菌属(Variovorax)基因组中都保守,并且对于根抑制生长的逆转是必要和充分的。特定的土壤微生物可以改变拟南芥开花时间,拟南芥分泌物影响植物的根际微生物群,根际微生物通过硝化作用增加和延长氮的生物有效性,通过将色氨酸转化为植物激素吲哚乙酸(IAA)来延缓开花,还可通过调节氮利用来影响营养生长。令人惊讶的是,微生物组介导玉米的杂种优势。在无菌条件下,自交系及其杂交种的生物量无显著差异,但是当接种高度简化的合成群落 (SynCom) 后,杂交种表现出预期的“杂种优势”。而且,该实验在自然土壤能重复出相同结果。这种结果表明,微生物群落可以稳健地介导植物的杂种优势(Microbe-dependent heterosis in maize.)虽然微生物调控植物生长发育的具体分子机制尚不清楚,但微生物群落参与植物生长发育是毋庸置疑的。随着更多证据的出现,有目的地使用微生物将会实现。

技术的进步促进了我们对微生物组的理解

根系微生物组学研究主要包括包括最早的依赖培养的研究方法,不依赖培养的研究方法以及还原主义的合成菌群研究方法(SynCom)(图2)。早期的研究根系微生物群落的研究方法依赖于对微生物进行分离纯化,再根据微生物的菌落形态及菌落数来获得可培养微生物的种类和数量信息,但是无法在实验室条件下重现微生物合适培养条件,因此很大一部分土壤微生物因无法培养因而无法获得真实的微生物群落物种组成信息,但是依赖于培养的研究方法依然是研究微生物组学的重要研究方法,例如还原主义的合成菌群研究方法(SynCom)依赖大规模的微生物分离培养鉴定。尽管后来发展出了不依赖于培养的DNA 指纹图谱技术(DNA finger print)、磷脂脂肪酸分析法(PLFA)等,允许对整个微生物群落 (包括不可培养部分) 的多样性和结构进行研究,但较近年发展起来的高通量测序技术和宏基因组学而言,还是存在通量低和信息量小的缺点。通过运用不依赖培养的高通量测序手段,人们得以从全所未有的广度上和精度上理解微生物群落的组成;宏基因组、宏转录组及宏蛋白组技术的发展使我们能从系统的角度理解微生物群落的功能。

图2 微生物组研究方法

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(i)、根据微生物组差异或相关表型定位调节细菌定植的植物基因;(ii)利用物种普查实验确定可能导致植物表型不同的功能细菌菌株;(iii)从根系微生物群落中分离和鉴定菌株,建立细菌库。在物种普查结果的指导下,使用细菌库中的菌株建立合成群落(SynComs)。进行还原论实验,将SynCom添加到无菌植物中,以调查SynCom是否具有预期的生物学功能。剖析调控特定菌株定殖的关键宿主基因的分子机制,最终阐明植物招募特定菌株定殖的分子机制及其菌群调控对植物生长发育的影响。

物种普查方法(例如,扩增子和宏基因组分析)提供了对植物微生物群落的全面了解,这对于解析自然微生物群落是至关重要的,而还原论的Syncom方法则将微生物生态学和植物分子生物学领域联系起来。物种调查实验为植物-微生物群相互作用的还原论研究提供信息。将这些数据与具有相对清晰遗传信息的分离株的数据相结合,研究人员构建了各种各样具有代表性的Syncom基因(图2)。白等对栖息在叶片和根部的细菌进行大规模的培养,涵盖了拟南芥微生物群落的大多数菌科,并对其代表性菌株集合进行了基因组测序,基于这些数据,研究人员可以构建出具有代表性的SynCom,这为探索微生物群落是如何组装和发挥功能铺平了道路。物种调查实验(例如16S扩增子和宏基因组统计)可以为植物-微生物相互作用的还原论研究提供信息,结合高覆盖度遗传信息相对明确的分离菌株,研究人员可以构建组分确定且具有代表性的SynCom,从而可以在可控条件下可重复的模拟植物与微生物群落的互作,解析驱动微生物群落的组装因素,验证微生物群落在调节植物生长发育等进程中的功能,并解析在此过程中涉及的分子机制。总之,通过综合使用培养依赖以及不依赖的研究手段,植物与微生物群落互作研究取得很大进展。整体主义的普查方法和还原主义的Syncom方法各有优势,单独使用这两种方法都不能真正揭示微生物群落构建的机制。因此,综合运用多种研究方法,将是今后研究中理解和利用微生物群落的有效途径。

未来展望:微生物组在现代农业中的应用

尽管在植物根系微生物组研究领域已经取得了长足的进展,但是利用微生物组学技术改善作物生长发育还处在起步阶段。在实验条件下促进植物生长的微生物在自然环境中往往表现不佳。这可能是由于微生物群落构建过程中的优先作用,导致后期加入的菌落无法成为优势菌群,从而发挥促生功能。幸运的是,有关微生物群落中枢纽菌株和关键物种的新信息为利用有益微生物提供了进一步的指导。中枢物种是指在微生物网络中与其他微生物建立更多联系的微生物,其中一些在构建整个群落的组成中起着关键作用,被定义为关键物种。我们认为在现代农业系统中利用关键物种是可能的:一方面,将具有促进生长功能的关键物种直接添加到不太健康的微生物群落,可能会改善该群落的组成和结构,使其更健康另一方面,一些关键物种本身并不促进植物生长,而是起到了中介作用,间接促进了一个更健康的群落建成,这类关键物种也可以用来改善作物生长

植物基因型对植物根系分泌物和免疫系统的影响在调控根系微生物群落的建立方面发挥着重要作用。即使研究人员已经证明,某些特定的基因型可以招募到某些有益的微生物,但相关的研究进展仍然很少。因此,有必要对有利于特定有益微生物定殖的植物基因给予更多的关注,并在作物育种过程中对这些基因进行筛选。通过宿主修饰促进有益根系微生物群落的建立,是促进植物生长发育的潜在有效途径。在作物育种中整合有益微生物的开创性工作需要政府和育种公司更多的关注和支持。通过综合利用含有关键菌种的合成菌群和定向育种,微生物组将在可持续农业中发挥更积极的作用。

责编:马腾飞 南京农业大学

审核:宏基因组编辑部

Reference

Bo Bai, Weidong Liu, Xingyu Qiu, Jie Zhang, Jingying Zhang, Yang Bai. 2022. The root microbiome: Community assembly and its contributions to plant fitness. Journal of Integrative Plant Biology 64: 230-243. https://doi.org/10.1111/jipb.13226



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