深度解读：如何操控植物微生物组改善农业？

Original 知今 Ad植物微生物 2022-11-03

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尽管科学家们多年以来都知道根与多种微生物相互作用，但对这些群落的组成仍然知之甚少。当测序数据开始积累时，一个微小的根可以容纳的细菌生物分类多样性令研究人员震惊（Nature | 重磅！Jeff Dangl团队揭示微生物组中的单一细菌属维持根的生长）。然而，在这种明显的混乱中还是有秩序的。根系放线菌，拟杆菌和变形杆菌的成员几乎总是富集的，从而使根标本与周围环境区分开来。随后Firmicutes被假定为植物微生物群落的另一个主要成员。除了这些细菌群落以外，植物的基因组研究还发现了某些真菌和真核微生物。所有这些生物体不仅在植物根部及其周围的土壤中，而且在其他组织（例如叶子）中也都有定殖（ISME | 希伯来大学最新研究揭示植物叶际“外来”和“常驻”微生物的相互作用机制！）。提出了新的问题：为什么某些微生物在根和叶中含量更高？这些微生物群落是如何组装的？最关键的是，它们如何影响植物健康？（Nature Reviews Microbiology | 植物微生物互作：从群落组装到植物健康）

最近，除了对各种植物组织中存在的微生物进行基因组调查外，研究人员还开始探究这些细菌，真菌和真核生物共生体的功能。更好地理解植物及其微生物群落之间的分子对话可以彻底改变农业（Trends in Biotechnology | 微生物组工程：可持续农业中的植物微生物合成生物学）。预计到2050年，世界人口将达到98亿，比目前增加30％以上。这将给全球粮食生产带来巨大压力，而目前农民用来增加产量并保护农作物免受病虫害和病原菌侵害的农药将无法完全缓解这一压力。为了鼓励人类获得可持续的食物来源，需要在作物生产过程中进行根本性的改变，这些改变可能以操纵微生物的形式出现（eLife | 吩嗪合成和降解分析揭示了农业土壤和作物微生物组中物种特有的定殖模式）。植物根际区域与根本身之间是微生物的栖息点，这些微生物能够增强植物对矿物质的吸收，从而能够主动合成和调节植物合成的植物激素以促进植物生长和发育，以及保护植物免受土壤病虫害和病原菌的侵害（专家点评：根际微生物组保护植物免受侵染；ISME | 最新研究揭示根际保护性微生物的富集有利于抑制番茄枯萎病！）。由于这些原因，科学家们正在设法操纵居住在该地下生境中的微生物，以可持续地增加作物产量。

植物微生物组研究

陆地植物的根在土壤中繁衍生息，土壤是地球上种类最丰富的微生物库之一。据估计，一克土壤含有成千上万种不同的细菌和其他微生物，例如古细菌，真菌和原生生物。也许不足为奇的是，与土壤生物群落相互作用的建立代表了植物适应陆地环境的里程碑。化石的证据表明，与微生物组的真菌成员的首次此类相互作用最早发生在约4亿年前（古老植物生存的秘密--根部内生菌）。

比较研究表明，土壤特征（如养分和矿物质的利用率）是根际微生物组的主要决定因素。正如消化道微生物与脊椎动物食用的食物相互作用一样，根际微生物组也能调节以土壤为基础的植物营养（ISME | 解读大豆根际微生物群落变化与根瘤菌共生效率的关系！）。同样在动物界中，宿主/微生物的相互作用平行，植物微生物组的各个成员似乎是分隔的。研究人员已经确定了至少三个不同的微生物群落在根-土壤界面繁衍：其一在根际；另一个在根表面；第三个是在根内。在所有三个区域中，Actinobacteria,Bacteroidetes, Firmicutes, 和Proteobacteria在多种植物中占主导地位。植物的地上部分显示出相似的可预测微生物组成。

虽然构成植物微生物组的微生物类别在很大程度上得到了保护，但这些宿主之间的群落物种组成存在很大差异。决定微生物组的组成和维持方式的一个关键因素似乎是植物将有机化合物释放到根际中的过程，即根际沉积过程（Current Biology | 新观点：根际微生物通过关键代谢物塑造群落的时空发展与农业生产力！）。这些有机沉积物的数量和组成因植物种类和发育阶段而异，但可能占光合固碳净值的11％和植物总氮的10％至16％。此过程影响根际的生长的化学和物理组成，进而为微生物的生长提供信号分子和有机底物（Cell Host & Microbe | 重磅！Schulze-Lefert团队揭示根系分泌香豆素与微生物互作改善植物铁营养！）。可能影响植物微生物组组成的另一个因素是微生物之间的相互作用（Cell | 微生物也玩儿跨界：根系微生物间互作有利于拟南芥的生存）。科研人员研究了德国不同季节采样的五个自然地点在野生拟南芥叶片中及其表面繁殖的微生物。然后，他们绘制了调查中确定的超过90,000对微生物属的丰度之间的相关性，揭示了六个“微生物中心”，即与网络中其他节点相比，连接数量明显更多的节点。鉴于群落内部的高度连通性，这些微生物中枢很可能在微生物组中起着不成比例的作用，类似于生态系统中的关键物种。

为了验证某些物种可以驱动植物微生物组组成的想法，研究人员选择了Albugo sp.和Dioszegia sp.作为微生物群落组装的范例。Albugo sp.是拟南芥属的真核病原菌，具有专性的活体营养生活方式，这意味着它们不能在寄主之外培养。与Albugo在植物微生物群落中的核心作用相一致，拟南芥被laibachii Albugo人工侵染，并在受控条件下在盆栽土壤中培养，结果显示出细菌微生物组组成在整个植物中的变异性小于未感染个体。相反，在laibachii Albugo感染的情况下，拟南芥的细菌微生物组之间出现差异。然而，真菌微生物组并没有受到明显影响。哈佛大学的研究人员证明了这种微生物相互作用不仅限于拟南芥。研究人员开发了玉米根系微生物组（玉米及其根际微生物的进化史）的简化版本，该序列由先前在测序研究中确定的七个细菌菌株组成。他们证明了Enterobacter cloacae的去除破坏了微生物群落的组成，而该微生物群落被Curtobacterium pusillum所支配，而其他五个物种则几乎消失了。有趣的是，这种作用仅限于植物定殖。

这些研究表明，微生物组的各个成员在组装和稳定群落结构方面可以发挥不成比例的作用。需要了解各种分类单元中叶和根之间以及它们之间的相互作用，以了解植物微生物组的调控。

从组成到功能

多年来，研究人员观察到，尽管存在有利于病原菌侵染的条件，但某些地区生产的植物比其他地区对疾病的敏感性较低。事实证明，这些地区的土壤通过微生物组支持植物健康（新观点：病原菌抗性可能是微生物组为宿主提供的主要进化优势）。研究人员正在逐步了解这种支持的基础机制。例如，2011年由荷兰瓦格宁根大学和研究中心研究团队证明，疾病抑制与招募到的Pseudomonadaceae有关。研究人员使用PCR指纹图谱方法识别出该种群可以分为10个单倍型，研究小组将其命名为A到J。其中，单倍型A，B和C代表了约90％的分离细菌。当在土壤中接种时，单倍型C的代表性菌株抑制了甜菜根上的根瘤菌真菌引起的疾病发生，而令人惊讶的是，单倍型A或B的菌株却没有。同样，另一项研究表明接种了7种选定细菌菌株的玉米植株显示出枯萎病镰刀菌的发育显著延迟。这种现象是由所选的特定菌株介导的，而不是由细菌本身定殖引起的，因为用实验室的大肠杆菌进行种子处理不能保护玉米幼苗免受病原菌的侵害。同样，这七个菌株也需要保护作用：单独接种菌株会导致对黄萎病菌的保护作用大大降低。这种将测序数据与微生物分离相结合的方法正成为一种强有力的工具，可用来制定可检验的假设并获得对植物微生物组功能的新颖见解。研究人员正在将微生物分离物组装到已知成分的合成群落中，并测试其对宿主植物的影响。这种方法曾经被认为是一项艰巨的任务，因为只有非常有限的一部分（通常少于1％）的土壤生物被认为可以在实验室条件下进行培养。但此前的一项研究探究了可以培养的拟南芥相关细菌的比例，发现1％的统计数据被低估了。

使用测序方法，比较了植物的叶和根中约8,000种形成菌落的微生物之间的分类学关系，研究人员证明，可以在体外培养拟南芥微生物组50％以上的显性成员。利用这一发现，研究小组组建了代表拟南芥根和叶微生物群落的SynComs代表，并测试了这些群落定殖在植物上的能力。这些实验表明，接种植物后，根和叶的分离物形成了类似的天然微生物群落，表明SynCom方法准确地概括了完整微生物群落的作用。从那时起，许多研究人员开始开发SynComs，以进一步探索植物微生物组的功能。例如，研究人员使用SynCom方法探索了根际微生物组在磷酸盐吸收中的作用。在自然界中，植物可利用的土壤磷含量不到5％。为了规避这一限制，农民依靠化肥的施用，但是这种方法从长远来看是不可持续的。因此，了解植物及其相关微生物如何在充足而有限的磷供应下茁壮成长是当务之急（ISME | 新方法揭示宿主需求如何影响真菌的营养转移策略！）。大量文献记载了丛枝菌根真菌对植物吸收磷的贡献，但是细菌微生物群落的作用仍然是神秘的。

在不与菌根真菌共生的拟南芥实验中，科研人员将野生型植物的微生物组与磷酸盐饥饿反应（PSR）受损的突变株系进行了比较。植物进化出的生化和转录活性来应对磷缺乏。研究人员使用来自拟南芥和相关植物的35种分类学上不同的细菌分离株为代表的SynCom，证明了生长在琼脂板上的野生型植物和突变体在暴露于低磷和高磷浓度时会组装出独特的根系群落。值得注意的是，当植物在有限的条件下生长时，SynCom接种减少了磷的积累，但当植物在存在大量磷酸盐的情况下生长时却没有减少磷的积累，这表明细菌和植物会竞争这种元素。通过监测一组193个标记基因，该团队观察到SynCom接种大大增强了野生型植物中PSR相关的转录。当研究人员将生长有限的磷的接种野生型植物转移到供应充足的平板上时，他们观察到了惊人的结果：与模拟接种的对照相比，植物茎中磷的浓度增加了20至40倍。在最初生长有足够磷的接种植物中未检测到磷吸收的这种急剧增加。因此，最初的植物细菌对磷的竞争可能是使植物中PSR最大化的适应性机制的一部分。

对拟南芥DNA上转录因子结合位点的进一步研究表明，PSR的主要调控物PHR1及其旁系同源物PHL1有助于植物免疫的转录调控。尤其是，与野生型植物相比，phl1突变植物响应磷酸盐饥饿和SynCom接种而显示出增强的植物免疫基因激活。总之，这些数据表明宿主的营养状况是微生物组组成的驱动因素。通过矿物质元素限制，植物可以调节免疫反应，进而改变微生物组的组成。

下一步是什么？

表征植物微生物组及其功能的方法可用于农业环境，从而使我们的农作物更好地在资源匮乏的环境中生长并抵御危险的病原菌。确实，私营部门已开始对这种方法进行投资。许多公司追求的一种策略是植物益生菌，它包括在播种时和种子发芽后将有益微生物与种子混合。另一种方法是使用植物育种来选择与微生物共生增强的品种。然而，关于植物微生物组的问题仍然很多，其中最重要的是数千年来的种植如何改变了农作物与土壤生物的关系。最近一项研究采用了一种与栽培无关的方法，证明了野生大麦和现代大麦品种具有独特的微生物群落。同样，另一项研究也发现了这种结构的转变。现代和祖传普通豆的微生物组；拟杆菌属在野生近缘种中更为丰富，在驯化程度更高的植物中，它们对群落的贡献逐渐被Actinobacteria 和 Alphaproteobacteria取代。

这些差异如何转化为微生物组功能的改变？借助拟南芥科学家的经验，我们现在能够解决这个问题，从农作物中开发SynComs将是这一过程中的重要一步。幸运的是，该研究领域的动机是做到这一点，以及定义路线图以实现植物微生物组的翻译潜力。几年后，植物微生物组的操作可能已从实验室转移到现场。

参考文献

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