《Plant Stress》：Progress in Plant Rhizosphere Microbiome Research for Improved Growth, Nutrient Uptake, and Disease Resistance
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这篇综述系统论述了根际微生物组作为植物的“第二基因组”，如何通过“植物-微生物-环境”三方互动，协同调控植物的生长促进、养分获取和抗病性。文章从微生物组定义、驱动因素到功能机制层层剖析，揭示了其在增强植物抗逆性和推动可持续农业中的核心作用，为未来通过微生物组工程应对粮食安全和环境挑战提供了整合性理论框架。
引言
土壤微生物组是一个高度多样化的生态系统，其中根际——植物根系与土壤之间的动态界面——是微生物活动和植物-微生物互作的关键枢纽。根际微生物常被称为植物的“第二基因组”，它们通过复杂多维的机制与植物相互作用，显著影响植物的健康和生产力。植物根系分泌物作为关键的化学驱动因子，通过改变这一土壤区室的化学性质，塑造了根际区域的微生物群落结构和功能过程，从而形成了一个能够增强植物抗逆性的胁迫响应型微生物群落。本综述聚焦于三个相互关联的功能——生长促进、养分获取和病害抑制，并将其重新概念化为植物胁迫响应系统的整合组成部分。这些见解为可持续农业带来了巨大希望，特别是在应对全球粮食需求增长和环境压力的双重挑战方面。
根际微生物组的定义与组成
植物微生物组主要分为三类：叶际微生物组、内圈微生物组和根际微生物组。根际是植物-土壤-微生物互作的热点区域，也是一个极其复杂的生态系统。基于与根系的空间关系，可以识别出三个不同的微生物相关区域：根际（邻近根表的土壤区域）、根面（根表本身）和内圈（根组织内部）。根际被定义为受根系活动直接影响的、介于根表和本体土壤之间的狭窄土壤区域。
近年来，随着DNA测序技术和组学方法的快速发展，越来越多不同生境中微生物群落的组成、多样性及生理功能得到了广泛而深入的探索。扩增子测序和鸟枪法宏基因组测序等不依赖于平板培养的测序方法，可用于鉴定和分类不同植物物种的根际、叶际和内圈微生物群。在讨论微生物与其周围环境的协同相互作用时，我们选择使用“微生物组”作为统一的描述方式。
与本体土壤相比，根-土界面（根际）具有更复杂多样的物理和化学环境及独特的生态位，因此高度受植物根系的影响。由物理、化学和生物因素塑造的、与根际环境密切相关的微生物组，被称为根际微生物组。该区域的微生物及其代谢产物，与各种环境因素共同构成了根际微生物组，它通过扩展植物的功能能力，常被称为植物的“第二基因组”。
众多研究揭示了各种植物根际环境中微生物群落的组成及其异同。结果表明，在细菌的门水平上，从拟南芥到不同科的其他植物（如大麦、水稻、番茄等），其根际微生物组中通常都含有高比例的变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门。就根际真菌群落而言，研究表明子囊菌门和担子菌门在宿主植物的根际微生物群落中占主导地位。总体而言，细菌在根际微生物组中占主导地位，通常占总微生物种群的70-90%，而真菌通常占5-20%，古菌和其他微生物构成其余部分。真菌与细菌的比例受到土壤pH值、有机质含量和养分有效性等特性的影响。
根际微生物组形成的驱动因素
植物从周围的本体土壤中有选择地招募根际微生物组，这一过程在干旱、盐分和病原体压力等环境胁迫下会发生根本性的重校准。这种胁迫修饰的组装导致了独特微生物群落的形成，其共同受植物基因型、发育阶段和土壤理化性质的调控。
植物基因型与生长发育阶段
植物基因型是塑造根际微生物群落组成和多样性的核心驱动因素。不同的植物物种，甚至同一物种内的不同品种，由于根系分泌物、根系构型和免疫反应的差异，都可能拥有不同的微生物组。根系分泌物，包括糖类、氨基酸、有机酸和次生代谢物，是根际微生物的主要碳源，并作为吸引或排斥特定微生物类群的信号分子。例如，研究表明，具有不同遗传背景的拟南芥种质在其根际招募了不同的细菌群落，这些差异归因于根系分泌物成分的变异，特别是某些次生代谢物（如硫代葡萄糖苷）对特定类群的选择性富集。
植物在不同的生长阶段会主动招募不同的微生物群落，以满足其不断变化的生理需求。对拟南芥整个生命周期的根系分泌物的研究表明，根系分泌物的组成和产量是由基因编码的，并遵循特定的发育模式：早期分泌物富含糖和糖醇，而后期发育中氨基酸和酚类化合物会增加。同样，对小麦根际微生物组的研究观察到，植物发育阶段强烈影响微生物群落的组装。快速生长的腐生细菌在早期发育阶段占主导地位，而后期阶段则看到能够在营养有限条件下生存的寡营养类群的增加。
植物基因型和发育阶段显著影响根系构型和免疫系统活性，进而塑造根际微生物组的组成。不同的根系构型改变了土壤微环境的物理和化学性质，从而影响了微生物的空间分布和定殖模式。复杂的根系构型提供了更多的生态位，通常与更高的微生物多样性呈正相关。植物还通过模式识别受体（PRRs）来调节根际微生物组的组装，这些受体能识别微生物相关分子模式（MAMPs）。这种免疫调节机制使植物能够优先招募有益微生物，同时抑制潜在病原体的生长。
土壤类型与理化性质
除了宿主植物基因型外，土壤理化性质和土壤类型也对根际微生物组成有重要影响。土壤质地、pH值、养分有效性和有机质含量等因素，在很大程度上影响了作为微生物群落“种子库”的本体土壤的微生物多样性。
土壤质地，由砂粒、粉粒和粘粒的相对比例决定，通过影响保水性、通气性和养分有效性来调节根际微生物组。例如，粘粒含量高的土壤由于能够保持水分和有机质，往往具有更高的微生物生物量和多样性，为微生物提供了稳定的栖息地。相反，保水能力低、排水迅速的砂质土壤通常支持多样性较低的微生物群落，但可能有利于适应干旱条件的特定类群。研究表明，对于马铃薯等作物，土壤类型对功能微生物群落结构的影响可能比品种差异更大。
土壤pH值是塑造根际微生物群落组成的最关键因素之一，因为它影响养分溶解度、酶活性和微生物生理适应。一项跨美洲的土壤实验表明，土壤pH对土壤微生物多样性有显著影响，中性土壤比酸性土壤表现出更高的微生物多样性，这表明土壤pH是微生物组成的关键驱动因素。另一项关于中国大豆植株根际微生物群落共生模式的研究发现，土壤pH是细菌网络地理分布的最强预测因子。
必需养分（如氮(N)、磷(P)、钾(K)）在土壤中的有效性，在塑造根际微生物组方面起着关键作用。营养丰富的土壤往往支持更多样化的微生物群落。相反，养分有效性低的本体土壤往往有利于适应资源有限环境的寡营养微生物。土壤有机质（SOM）含量是一个关键驱动因素，因为它构成了碳和能量的主要储存库，从而塑造了可供植物根系招募的初始微生物群落。被招募到根际后，有机碳的可用性——既来自原始本体土壤的SOM，更显著地来自新鲜的根系分泌物——支持了微生物的生长和活性。这通常会导致根际微生物组更加多样化和功能强大。
根际微生物组的功能
现代农业必须协调产量目标与抵御干旱、病原体和养分缺乏的能力。植物与其根际微生物组之间的相互作用是这一努力的核心，因为它们可以显著增强胁迫耐受性、减少对化学投入的依赖并保护生态可持续性。根际微生物通过分泌初级或次级代谢产物，增加土壤中有效养分的含量，提高植物对养分的吸收和利用能力。此外，它们还能抑制土传病原体的生长或诱导植物系统抗性，最终帮助促进植物生长并提高产量。
根际微生物促进植物生长
根际微生物组通过多种机制促进植物生长，从直接的激素调节到增强胁迫耐受性和改善土壤性质。一个主要的促生长机制是产生或调节植物激素，如生长素、细胞分裂素和赤霉素，这些激素调节根系构型和地上部发育。已知假单胞菌属物种能产生吲哚-3-乙酸（IAA，一种生长素），促进根伸长。当然，IAA具有双重性，微生物也可以通过降解高浓度的IAA来消除其对根生长的抑制。除了提供激素，微生物还通过充当诱导物的微生物小分子次级代谢物（SM），或通过SM和蛋白质的形成来诱导，从而影响植物激素信号通路，促进其定殖并调节植物防御反应。许多植物益生菌还能产生1-氨基环丙烷-1-羧酸（ACC）脱氨酶，该酶可裂解ACC（乙烯(ET)的直接前体），从而降低植物体内的ET水平。这种机制有助于防止ET积累到抑制植物生长的水平。
根际微生物显著增强了植物对非生物胁迫的抵抗力。例如，哈茨木霉等微生物可调节气孔行为，减少蒸腾作用造成的水分流失，同时维持光合活性。这在干旱条件下尤其有益，微生物接种已被证明可将水分利用效率提高20-40%。此外，微生物分泌或刺激产生防御相关激素，如水杨酸（SA）或茉莉酸（JA），主要增强植物免疫力。
根际微生物组还通过改善土壤栖息地间接促进植物生长。许多微生物产生细胞外聚合物（EPS），稳定土壤团聚体，增强根系穿透力和保水性。此外，根际的微生物活动促进有机质分解，释放支持植物生长的养分。
根际微生物改善植物养分吸收
除了植物激素水平，土壤养分含量的动态也与植物生长相关。氮、磷、钾和铁等元素对植物生长至关重要，但它们在土壤中的含量通常很低，且由于不溶性，大部分难以被植物自身单独吸收利用。根际微生物通过多种机制在缓解这种养分胁迫方面发挥着关键作用，例如分泌有机酸、铁载体和酶等代谢物，进一步促进难溶性养分从土壤中释放并被植物吸收，为植物生长提供重要支持。例如，溶磷微生物（如假单胞菌属和芽孢杆菌属）分泌有机酸和磷酸酶，将不溶性土壤磷转化为生物可利用形式。同样，根际微生物也可以通过分泌铁载体与土壤中的铁形成可溶性复合物，帮助植物吸收铁。此外，根瘤菌属和固氮螺菌属的微生物能够通过生物固氮将大气中的氮转化为植物可利用的氨，从而显著提高土壤的氮含量。
作为根际微生物之一，根瘤菌是微生物如何调节植物生长的典型例子。根瘤菌是一组共生固氮细菌，它们在豆科植物根部形成根瘤，在那里将大气中的氮(N2)转化为氨(NH3)，这是植物易于利用的形式。除了固氮，根瘤菌还通过其他机制促进植物生长。根瘤菌-豆科植物共生作为一种经典的生物固氮系统，在可持续农业系统的田间管理中广泛用作化学氮肥的替代品。在土壤中外源接种根瘤菌已被证明可以促进大豆生长并增强根际微生物的活性。除了根瘤菌，具有固氮作用的根际细菌还包括小麦根际的恶臭假单胞菌Pf-5 × 940和玉米根际的施氏假单胞菌A1501等，它们都能显著提高小麦和玉米的产量。除了固氮，这些细菌中的许多还通过产生植物激素生长素来促进植物生长。事实上，根际微生物不仅直接参与养分转化和释放，还通过调节植物根系的形态和生理功能间接促进养分吸收。例如，某些根际微生物可以诱导植物根系分泌更多的有机酸和质子，这增强了根际酸化，进而增加了土壤中难利用磷（例如通过溶解磷酸钙）和铁（例如通过将Fe3+还原为更易溶的Fe2+）的溶解度，从而改善植物对它们的获取。菌根真菌（如丛枝菌根真菌，AMF）延伸菌丝网络以获取远处的养分，以植物来源的碳为交换，将磷的吸收量提高多达80%。这个广泛的网络是宿主植物在磷限制或水分亏缺条件下的关键适应机制。此外，根际微生物通过诱导植物产生更多的侧根和根毛，扩大根系与土壤的接触面积，从而增强养分吸收。
根际微生物增强植物抗病性
根际微生物组通过直接和间接机制的结合，增强植物对病原体的抵抗力。有益微生物与病原体竞争生态位和养分，限制其定殖和增殖。例如，解淀粉芽孢杆菌等微生物通过产生铁载体来竞争铁，从而限制病原体定殖。生物膜是微生物细胞及其分泌的细胞外聚合物（EPS）的结构化群落，在植物根系上建立生物膜可以保护它们免受微生物定殖，并在根际充当养分。有益微生物如假单胞菌属和芽孢杆菌属物种在根表形成生物膜，作为抵御病原体入侵的物理屏障。此外，生物膜中的微生物可以通过分泌信号分子（例如脂多糖和鞭毛蛋白）与植物免疫系统相互作用，从而调节植物的免疫反应。某些根际细菌通过在根表形成生物膜来抑制植物的免疫反应，从而促进其自身定殖。例如，根表的地衣芽孢杆菌生物膜会激活JA和乙烯（ET）信号通路，增强植物抵抗病原体攻击的能力。此外，根际微生物产生抗菌化合物，如抗生素、裂解酶和挥发性有机化合物（VOCs），直接抑制病原体生长。
除了直接分泌抗菌化合物抑制植物病原真菌外，根际微生物还可以分泌次生代谢物或生物激素，诱导植物的系统抗性，启动其免疫系统，以对病原体攻击做出更快、更强的反应。可诱导的植物抗性包括病原体诱导的系统抗性（SAR）和非病原体诱导的系统抗性（ISR）。ISR是一种由微生物组介导的保护机制，通过防御相关激素信号通路的复杂网络激活，在不同植物器官中产生和传递促生长或抗病信号。ISR最初被发现是由假单胞菌介导的，现在包括植物促生细菌（PGPB）和植物促生真菌（PGPF）。有益微生物通过JA和ET信号通路启动植物免疫反应。例如，哈茨木霉激活番茄的ISR，将灰葡萄孢菌感染减少70%。有趣的是，ISR的特点是在病原体攻击后才激活防御反应，从而节省植物能量消耗。这种“攻击后”防御激活机制被称为“启动”，是一种节能的进化策略。它使植物在受到病原体或昆虫攻击激活其免疫系统之前保持“静默”。在此类挑战下，植物可以更快、更强地激活细胞防御，从而产生更有效率的抗性。
展望
根际微生物组的功能——生长促进、养分获取和病害抑制——是其核心作用（即增强植物在胁迫下的适应力）相互关联的方面。这个整合视角揭示了微生物策略通常涉及权衡（例如，用于防御与生长的碳分配，诱导抗性的特异性），并且深深嵌入环境背景中。当前研究的一个关键空白是缺乏同时追踪驱动因素诱导的群落组装过程，并在现实、多胁迫的田间条件下量化其对植物功能结果的研究。弥合这一差距，并最终实现对根际微生物组的精确操控以应对环境胁迫，需要深度整合多学科尖端工具和策略。
首先，遗传学与多组学技术的整合至关重要。新兴证据突显了植物相关微生物群落在促进植被健康和养分获取方面的关键贡献。植物相关微生物群落（及其内部的相互作用网络）的组装和动态受多种因素影响，包括土壤组成、耕作方式、气候和种间关系。这些相互作用的复杂性源于双向影响，宿主植物通过遗传调控主动改变其微生物群。这种动态相互作用促使了利用全基因组关联研究（GWAS）来定位控制微生物定殖模式的遗传决定因素的科学研究。最近的进展揭示了控制不同植物物种中细菌和真菌共生体建立的特定染色体区域和候选基因，揭示了跨界通讯的基本机制。基因组科学和多组学技术的整合彻底改变了性状相关的遗传研究，使得数量性状基因座（QTL）作图和GWAS等方法达到了前所未有的准确度。对拟南芥根部微生物群落的GWAS分析揭示了宿主遗传变异与编码免疫功能、细胞壁动力学和发育途径的基因组区域相关联。对禾本科作物根部微生物群的比较研究，关于作物品种间的遗传差异与根内组织或周围土壤环境中微生物组差异之间的主要关联，得出了不一致的结论。这些观察表明，宿主-微生物组的关系可能因植物物种而异，不同的组织区室可能显示出差异化的基因型-微生物组关联。对不同根际生态位的这些相互作用进行系统评估，可为实验设计提供关键见解。作为遗传分析的基础方法，QTL作图通过受控杂交实验，系统地识别与特定数量性状相关的DNA片段。破译影响微生物组组成的遗传决定因素是微生物生态学的一个关键前沿，它不仅提供了对微生物群落组装机制的见解，还为驯化影响和为优化宿主-微生物协同作用的植物育种策略提供了信息。
值得注意的是，对于植物微生物组研究，GWAS作为一个强大的统计框架，用于计算性状遗传力，这是一个历史上因种群特异性遗传模式和微生物研究中有限的基因型抽样而难以量化的参数。这种遗传力量化是预测微生物群落在选择压力下响应的基础。GWAS研究已成功定位了先前未知的、影响多种农艺性状的遗传因子，涵盖开花调控、胁迫响应、根形态发生、冠层结构和病原体防御机制。这些发现扩展到拟南芥等模式生物，以及水稻和玉米等具有重要经济价值的作物。值得注意的是，干旱适应策略和根系中的细胞分化过程已成为此类基因组研究的重要目标。
与周围土壤相比，根际区室表现出独特的微生物特征，这些特征由根系结构特征和分泌过程塑造。以Bergelson等人的研究为例，该生态位中的GWAS应用持续检测到根发育的遗传调节因子，并确定LBD18是侧根形成的关键调节因子。根系介导的微生物招募这一成熟概念涉及多种光合产物和物种特异的代谢物混合物。来自突变体分析的新兴证据揭示了模型植物中通过独脚金内酯途径对微生物的调节，而Koprivova则通过酶活性GWAS揭示了CYP71A27在苄芥素合成和微生物相互作用中的双重作用。当前大规模分泌物分析的技术限制正在被先进的代谢组学平台所克服，这使得代谢物-基因组关联研究（mGWAS）成为可能，有望为分泌物遗传学带来变革性见解。
其次，合成微生物群落的构建和应用对于验证机制和实现定向功能操控至关重要。具体而言，可以利用根据现有物种构建的模式微生物群落和合成群落，在自然环境的基础上通过类比分析来研究特定和完整的生态机制，从而全面再现群落的动态演化过程，这将是未来更深层次探索和利用根际微生物组的重要途径。然而，挑战仍然存在，包括微生物功能冗余、环境变异性，以及建立重构的根际微生物组与植物表型改变之间的联系。因此，我们建议系统探索不同作物的微生物组遗传学，整合多组学方法，开发合成微生物联合体，并利用基因编辑技术来设计有益性状，以制定量身定制的改良策略。
