植物微生物组专题：研究方法、当前热点及未来方向 | 热心肠日报

今天是第1311期日报。

从关联到因果：重组菌群体系在根系微生物组研究中的应用

Current Opinion in Microbiology[IF:6.916]

① 本文系统总结了合成菌群体系在植物根系微生物组功能研究中的应用；② 单菌和混菌研究的前提是分离培养根系微生物组菌种资源；③ 比较主流植物无菌种植研究体系的优缺点；④ 合成菌群体系在根系微生物组研究中应用的经典案例，包括重现自然土壤的实验结果，研究根系微生物组的功能，研究微生物间的关系；⑤ 文章也指出当前研究方法的不足，展望了未来需要解决的问题。

Reductionist synthetic community approaches in root microbiome research
11-14, doi: 10.1016/j.mib.2019.10.010

【主编评语】微生物学权威杂志《Current Opinion in Microbiology》杂志发起的Environmental Microbiology专题，特邀本领域的13个顶级团队系统总结植物微生物组在干旱、免疫、进化和研究方法等方面的最新进展和未来的研究方向。根系微生物组伴随着植物的整个生长周期，帮助植物吸收营养、抵抗病害和适应胁迫环境。目前主要以描述性研究为主，重组菌群体系为研究根系微生物组与宿主植物互作的功能和机制提供了前所未有的机遇。中科院遗传发育所白洋组应邀发表了“根系微生物组研究中合成菌群体系研究方法”的综述文章，为同行开展研究提供基础教程，相关实验的细节，可参考该组之前发表的Science（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1084309231）和Nature Biotechnology（https://www.mr-gut.cn/papers/read/1070836774）等文章中的方法部分。（@宏基因组）

MP综述：植物-微生物互作的系统生物学

Molecular Plant[IF:10.812]

① 植物微生物组的组成是由非生物环境因素及其生物群落之间复杂的多边相互作用决定的；② 细菌群落结构组成是由不断变化的环境因素如土壤、季节、日间情况以及宿主因素如物种、生长阶段、区划等因素共同决定的；③ 植物可以招募特定的微生物来帮助其应对特定的非生物或生物胁迫；④ 益生菌的功能及与病原体的相似之处是什么；⑤ 分子的微生物-宿主相互作用的系统生物学方法是未来的关注重点。

Systems Biology of Plant-Microbiome Interactions
05-22, doi: 10.1016/j.molp.2019.05.006

【主编评语】尽管本综述已经对植物-微生物互作的系统生物学进行了详实的阐释，但同时仍有许多疑问未能解决。为了解释基因的、微生物的、及代谢之间的相互作用，包括介导微生物-宿主相互作用的信号事件复杂的关系，我们需要综合定量系统生物学方法，虽然Castrillo等人(2017)揭示了植物营养应激反应、免疫系统功能和微生物组装配之间的联系，但可能只是冰山一角，许多令人兴奋的机制仍有待发现，在这篇综述中，我们关注的是细菌间的相互作用以及小范围内丝状真核生物与宿主间的相互作用。本综述在进行大量前沿性工作总结的同时也提出了很多疑问：是什么决定了特殊的微生物-宿主互作的结果；植物的免疫系统是如何区分开致病菌及有益菌并对抗前者促进后者的；关于有益菌群与内共生菌在促进或中和有益效果方面的相互作用如何；微生物释放的根际信号是如何被植物共同解释的以及不同分子对植物生长和抗逆性的协同或拮抗作用有多大；植物如何将对微生物的识别与营养相关的信号结合起来；如何通过植物识别和信息处理系统来实现有益菌和病原菌的区分，这将是未来十年植物系统生物学的一个个关键问题。相信带着疑问去阅读会带来更深刻的理解，同时了解前沿的研究方向。（@宏基因组）

微生物组技术在作物生产中的困难和解决方案

Current Opinion in Microbiology[IF:6.916]

① 微生物组参与营养供给、拮抗病原体、帮助宿主抵抗不同类型的环境压力等过程；② 主要是温室条件下的许多研究证明了微生物接种剂的潜力；③ 复杂的田间环境给微生物组的应用带来了挑战，包括使用的微生物不能够达到足够的细胞数量、不能迅速竞争生态位，不能介导或需要某些特定的条件才可介导期望的作用；④ 使用微生物作为生物肥料或进行生物防治仍存在诸多困难。

Next generation microbiome applications for crop production — limitations and the need of knowledge-based solutions
11-12, doi: 10.1016/j.mib.2019.10.006

【主编评语】植物与高度多样化的微生物组息息相关，微生物组是宿主植物执行重要生理功能的关键因子。我们对接种剂接种后的变化以及共生体（植物、微生物以及环境）的相互作用的理解仍然有限。对这些知识的深入探索将为建立可预测某一菌株或某些菌组合共生体的行为模型提供基础，并且有助于鉴定在某些条件下可以介导期望作用的微生物组成员。此类模型还可以提供调整、管理微生物组最佳方式的信息。微生物接种剂的更好的储运方法以及通过植物基因型选择可以与宿主更好互作的微生物接种剂等也是有前景的研究方向。（@宏基因组）

植物育种也要考虑益生菌是否开心

Current Opinion in Microbiology[IF:6.916]

① 土壤特征和胁迫事件是自然生态系统中植物与微生物群落相互作用的主要驱动力；② 宿主的系统发育对居住在野生植物上的微生物群落的组成进行了微调；③ 作物产量和外部投入的选择可能降低了驯化微生物组的遗传资源；④ 需要大规模的比较微生物基因组学来剖析农作物微生物组的全部遗传潜力；⑤ 涵盖微生物和农作物基因组学的研究框架将是鉴定植物基因调控微生物组的关键。

Tracing the evolutionary routes of plant–microbiota interactions
11-04, doi: 10.1016/j.mib.2019.09.013

【主编评语】活跃在植物-土壤接触面上的微生物群落对于支持植物生长发育和植物健康起到了重要作用。植物和土壤微生物的互作可以追溯到植物从海洋首次登陆。了解这些互作的进化驱动力将成为调整微生物使其利于人类活动的关键。本文批判性地评估了近期对于自然和农田生态系统下的植物-微生物组互作的演化历史的相关研究。我们确定了这两种不同的场景和领域的鲜明特征和共性，需要进一步的研究。最后，研究者提出了将分子微生物学和作物基因组学相结合的策略将成为可预测地操纵植物与微生物群落相互作用以实现可持续作物生产的关键策略。（@宏基因组）

综述植物根-真菌互作与养分平衡的关系

Current Opinion in Microbiology[IF:6.916]

① 营养素的双向交换可稳定植物与真菌共生或互利共生的关系；② 营养状况的不平衡会影响植物生理以及植物与有益土壤真菌的相互作用；③ 对植物生长必不可少的氮和磷的分子串扰可能对根与微生物组的相互作用有影响；④ 重建植物的营养状况可以支持易于与内生真菌建立共生农作物的育种；⑤ 目前研究对丛枝菌根真菌(AMF)参与营养吸收关注较多，将来更多关注球囊菌门以外的真菌成员对植物营养和生长贡献，可能产生更广泛的突破。

The role of nutrient balance in shaping plant root-fungal interactions: facts and speculation
11-14, doi: 10.1016/j.mib.2019.10.004

【主编评语】微生物定殖植物根及其附近组成了宿主选择的微生物群体。植物的生理状态特别是营养状态，促使植物形态和代谢发生变化，进而对微生物群施加选择压力。宿主植物的低磷酸盐状态激活了宿主根系与AMF共生关联的分子机制。我们假设植物对营养变化的反应影响根-菌界面的过程，这些过程也促进或抑制根与除AMF以外的微生物类群的相互作用。因此，这些相互作用的基本机制将在AMF宿主和非宿主植物中共享。对维持植物营养稳态所涉及过程的详细了解有助于制定新的策略，将主要的寄生或共生植物-微生物相互作用调整为有益的关联。（@宏基因组）

综述受胁迫植物从土壤中招募益生菌的机制

Current Opinion in Microbiology[IF:6.916]

① 求助(cry-for-help)模型指出，土壤对植物病害的反馈响应，受胁迫的植物会招募保护性根际生物；② 被病原体或草食动物攻击的植物会改变其根系分泌物的化学成分；③ 特定的根际信号会改变根际微生物组的组成和活性；④ 改变的根际微生物组通过直接(抑制病原菌)和间接(激活宿主系统性抗性)机制保护植物；⑤ 对土壤微生物组的遗产效应(legacy effects)可以使下一代植物受益。

Crying out for help with root exudates: adaptive mechanisms by which stressed plants assemble health-promoting soil microbiomes
11-13, doi: 10.1016/j.mib.2019.10.003

【主编评语】植物从土壤中招募益生菌是近几年的研究热点，此类文章也发表于较高水平杂志，如最近发表的Science：病原菌激活植物内生菌群的抑病功能 （http://www.mr-gut.cn/papers/read/1034248740）和 之前南农沈其荣团队发表的Microbiome：植物自土壤中招募“亲兵”抵抗地上病原菌入侵（http://www.mr-gut.cn/papers/read/1089249139）。均可进一步详细阅读，学习相关实验设计和研究方法。本文对该领域近年的文章进行系统总结，为进入该领域研究的同行提供最新的学习资料，节约同行宝贵的时间，同行指出了下一步研究需要关注的重点问题，将推动本领域的进一步发展。（@宏基因组）

中科院遗传发育所刘彬彬组揭示小麦根系微生物组在不同氮肥和发育阶段的变化

Microbiome[IF:10.465]

① 在四种不同无机氮施肥条件下和分蘖期、拔节期和成熟期对小麦根和根际的细菌和真菌群落的组成进行研究；② 小麦根区微生物群落结构变化受植株生长状况和氮素输入的共同驱动，揭示了不同施肥水平下引起根际土壤活性炭(SAC)和土壤有机碳（SOC）变化规律的原因；③ 植物通过分泌有机酸来招募植物根际促生菌(PGPR)，从而对增加的N输入作出反应；④ 细菌群落组成与根释放的有机碳密切相关，而真菌群落与根际土壤活性炭密切相关。

Root-associated microbiomes of wheat under the combined effect of plant development and nitrogen fertilization
10-22, doi: 10.1186/s40168-019-0750-2

【主编评语】来自中科院遗传发育所石家庄农业资源中心的刘彬彬团队的最新研究成果，通过研究四种不同水平无机氮施肥条件下小麦根和根际的细菌和真菌群落在分蘖期、拔节期和成熟期的组成、变化及根系释放有机碳(ROC)，根系分泌的有机酸以及根际的土壤有机碳(SOC)和土壤活性碳(SAC)，确定了氮输入的增加、碳有效性改变和植物根和根际微生物群落变化之间的关系。（@宏基因组）

曝气生物滤池处理焦化废水过程中N2O和NO的产生机理与群落功能研究

Journal of Cleaner Production[IF:6.395]

① 在曝气生物滤池(BAF)中，对焦化废水实现有效脱氮，其中化学氧量（COD）及氨氮的平均去除率可分别达到73.3%和92.83%；② BAF中的N2O和NO排放因子分别达到23.58％和0.09％，显著高于一般生活污水处理过程的排放量；③ 批次实验表明硝化过程是N2O和NO气体的主要来源，分别占据排放总量的97.17%和93.89%；④ 氨氧化细菌（AOB）和反硝化细菌遍布整个反应器；⑤ 微生物群体中不平衡的N2O和NO还原酶含量是导致该处理过程产生大量N2O气体的潜在原因。

N2O and NO emission from a biological aerated filter treating coking wastewater: Main source and microbial community
2018-12-20, doi: 10.1016/j.jclepro.2018.12.182

【主编评语】污水处理过程中释放的氧化亚氮（N2O）和一氧化氮（NO）气体因具有严重的温室效应和大气污染作用而受到了广泛关注，但目前对含有高氨氮及难降解有机物的工业废水处理过程中温室气体排放的研究还较少。本研究针对焦化废水，一类典型的难降解工业废水，开展研究。探究了曝气生物滤池（BAF）工艺对焦化废水中有机物和氮素的去除效果，以及在处理过程中N2O和NO等气体的排放因子及产生机理。分别从BAF反应器的上中下三个部位采集微生物样品进行16S rRNA基因高通量测序分析其群落结构，基因功能预测（PICRUSt）等分析方法发现NO和N2O还原酶之间存在很大的失衡。本研究为深刻了解工业废水处理过程中温室气体的排放特征及制定可行的控制策略具有重要意义。（@宏基因组）

感谢本期日报的创作者：宏基因组

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