微生物组学与植物病害微生物防治

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1.植物微生物群落的构成

 在自然界中无病症的植物都与大量的细菌，真菌，病毒以及原生动物等微生物共生，大家把这些微生物统称为植物微生物组。植物微生物组由根际微生物(rhizosphere)、内生微生物(endophytes)和叶际微生物(phyllosphere)构成。

不同区系的微生物群体经由植物本体进行物质和能量交流，与植物共同组成有机整体。植物微生物组的构成复杂，其种群多样性、偏好性和丰度受寄主植物和环境的双重影响，是植物与土壤、大气交互作用的媒介。植物和微生物之间已经共进化形成了高度密切的共生关系(Nihorimbere et al 2011)。这其中植物根系土壤周围的根际微生物是最有影响力微生物群落，在植物根系，土壤以及微生物之间发生着复杂的相互作用。许多科学家尝试着通过简化整个群落到单种菌和单株植物的相互作用，但实际上植物与大量的微生物群落之间的相互作用要复杂的多，这些微生物群落在一定生态位中往往起协同作用(Mendes et al2011)。所以现在很有必要将潜在的单个植物与微生物的相互作用的关系从观念中抹掉，从而进一步的去研究涉及到所有环境因素的复杂生态系统的相互作用。研究者们正试图将指示生物指示种/群(indicator organism/ community) 概念作为整个土壤健康的指示指标。

2.植物微生物群落的构成

植物的微生物群落主要可以分为：根际微生物群落，叶际微生物群落以及植物内生微生物群落。类似于人类肠道微生物一样，根际微生物组被认为是植物的“第二基因组”，它也是植物微生物群落中最重要的组成部分。据估计在植物根围的微生物数量高达10⁶–10⁹ cells/cm² 。根围微生物的组成结构随着土壤理化性质，植物根系分泌物，等因素的影响而不同(Lareen et al 2016)。并且在植物种子萌芽时期，由种子携带的的微生物群落也参与了新生植物土壤环境中的微生物组成多样性。植物叶际指栖息叶表面，茎表面，花表面以及果实表面部位的微生物，据统计全球的叶围面积约为109 km²，其上定殖有数百种微生物种类(Vorholt et al 2012)，其中大部分为细菌(Lindow et al 2002)。不同植物间的叶围微生物群落组成差异性很大，并易受到群落生态和大气环境因子的影响(Izhaki et al 2013; Whipps et al 2008)。

在自然条件下，季节性作物的叶围微生物群落组成具有时间动态变化规律和演替的特征。叶围微生物被认为是植物与大气环境交互响应的媒介(Farré-Armengol et al 2016; Vacher et al 2016)，对揭示植物与环境因子间的响应机制十分重要。

植物内生微生物包括真菌和细菌，其中对内生真菌及其代谢产物的研究较为丰富。目前从植物组织中分离的内生真菌主要包括链格孢属(Alternariaspp.)、刺盘孢属 (Colletotrichum spp.)、镰刀菌属(Fusarium spp.)、赤霉菌属 (Gibberellaspp.)、小丛壳菌属 (Glomerella spp.)、球座菌属 (Guignardia spp.), 小光壳属 (Leptosphaerulina spp.)、黑孢属(Nigrospora spp.)、茎点霉属(Phoma spp.)、拟茎点霉属 (Phomopsis spp.)和炭角菌属(Xylaria spp.)等，主要分离到的内生细菌主要包括变形菌门(Proteobacteria，占 90%), 放线菌门(Actinobacteria), 浮霉菌门(Planctomycetes), 疣微菌门 (Verrucomicrobia)和酸杆菌门 (Acidobacteria) (Santoyo et al 2016)等。植物内生微生物的多样性主要受寄主植物种类的影响，另外，植物生长地域的温度变化特征(Zimmerman et al 2012)土壤重金属等环境因素对植物内生微生物多样性及丰度也具有影响(Zheng YK et al 2016)。

3.植物对土壤微生物的作用

植物与其附/内生微生物之间关系通常随着环境的变化而动态的发生变化。传统上认为只起固定作用和吸收营养物质和水的根系是植物与其附/内生微生物相互作用的关键部位(Bais et al 2006)。土壤微生物所产生的的化学信号分子能被植物识别和接受，然后植物通过根系释放化合物来响应所接受的化学信号分子。这些分泌的化合物随着植物种类(Rovira et al 1969)，生态型(Micallef et al 2009)，甚至根系不同区域的不同而变化(Uren et al 2007)。这些根系释放的大量的多糖，氨基酸，黄酮类，蛋白质以及脂肪酸等物质，造就了植物根围区域一个独一无二的环境(Badri et al 2009)。随着分泌物的组成的不同，不同的根系的根围区域能吸引和定殖不同的共生以及病原与之相互作用(Bais et al 2006)。

根系分泌物的组成以及浓度会随着从环境和根围中接受的信号分子，植物的年龄，土壤类型以及生物和非生物的因子的变化而变化(Flores et al 1999, Tang et al 1995)。例如，De-la-Pena et al. (2010) 发现当对比植物单独生长和其与病原菌或者共生菌相互作用时，其根系的分泌蛋白组成是不同的。根系分泌物通常是许多土壤微生物生长的基本物质，微生物会随着根系分泌物的组成和浓度的变化而变化，这也解释了为什么很多环境微生物尤其是植物内生菌是不可培养的(Micallef et al 2009)。

4.植物微生物组在植物病原微生物生物防治的应用

在自然环境中，土壤类型的多样性非常高，土壤中的微生物丰度也非常之高，一些环境中，1克土壤中微生物可能高达10,000至50,000种(Schloss and Handelsman 2006)。不同土壤中的氮、磷、pH等成分的不同也会使其形成其特定的细菌及真菌区系(Frey et al 2004；Faoro et al 2010)。Rousk的研究表明在所有的这些因素中，土壤pH是影响细菌群落最重要的因素(Rousk et al 2010)。目前，使用化学农药是农业病虫害防治的最主要手段，化学农药具有速度快，杀伤效果好等特点，但其也存在对环境污染大，残留时间长，对人和动物有毒害作用等缺点。而生物防治是利用自然界中一些病原的拮抗微生物来达到对病原生物的防控(Mendes, 2011)。这些生防微生物组拮抗病原的机制包括：a.生态位和营养的竞争，比如对土壤中碳，氮，铁等营养物质的争夺等；b.抗菌素的分泌(PCN; 2,4-DAPG和PCA )以及产生溶菌酶(lytic enzymes) 如chitinase, ß-(1,3) glucanases, cellulases 以及lipases等。c.捕食和掠夺如捕食线虫真菌等；以及d.诱发植物防御反应系统(Haas & Défago, 2005; Santoyo, Orozco-Mosqueda, &Govindappa, 2012)。目前已经报道的具有生防作用的细菌主要有以下三个属有：枯草芽孢菌属(Bacillus),放线菌属(Streptomyces)(Emmert and Handelsman, 1999)以及荧光假单胞菌属(Pseudomonas) (Bolwerk et al,2007 )。真菌也是生防微生物中的重要类群，目前研究发现具有生防作用的真菌有：木霉属(Trichodermaspp.)、球囊霉属 (Glomus spp.) (Hermosa et al., 2000;Mousseaux, et al., 1998), 非致病性镰刀菌(Fusarium spp.)等(Fravel et al 2003)。

高通量测序技术的发展使得研究者可以在对不同生态位的微生物群落结构和功能进行整体研究与分析，宏基因组学技术相比于之前研究方法具有很强的优越性，它能够获得更加全面的微生物群落信息，帮助人们把握植物微生物组的全貌。目前常用的高通量测序方法主要是以Illumina公司发展的为代表的第二代测序方法，以及以Pacbio 公司为代表的第三代单分子测序方法。通过结合微生物分离培养与高通量扩增子测序，宏基因组测序(shot gun)以及宏转录组测序，从而对植物微生物组进行全面的群落结构与多样性分析，功能基因注释与预测分析，在特定时空条件以及不同条件处理的基因表达情况分析来全面揭示植物微生物组与植物健康，农作物病害发生与防治，促进植物生长，提高作物产量的关系。植物微生物组技术的发展应用与进步将推动下一次农业技术革命的到来。

References:

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Badri DV, Weir TL, van der Lelie D, Vivanco JM (2009b). Rhizospherechemical dialogues: plant-microbe interactions. Curr Opin Biotechnol 20: 642-650.

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