《Plants》：Rhizosheath–Mycorrhizal Interactions in Kengyilia hirsuta Enhance Phosphorus Efficiency
Yutao Yuan,
Yue Jia,
Chen Chen,
Li Wu,
Jian Sun,
Qingping Zhou,
Hui Wang and
Youjun Chen
编辑推荐：
这篇综述系统性阐释了内共生菌（Endophytes）如何从传统的植物促生微生物（PGP）演变为调控植物全息体（Holobiont）的生态工程师。它详细探讨了内共生菌通过重塑根系分泌物、调控免疫信号（如MAPK、SA/JA/ET通路）及重组微生物网络来增强植物抗逆性和生产力的机制，并综述了多组学、CRISPR、AI等技术在开发精准生物接种剂中的应用前景与挑战。
在可持续农业与生态系统恢复的迫切需求下，对植物-微生物互作的理解正在经历一场范式转变。内共生菌，即定殖于植物内部组织而不引起病害的微生物，其角色已从单纯的植物促生剂（PGP）演变为植物全息体（Holobiont）中不可或缺的动态生态工程师。它们深刻影响着从根际到植物内部的微生态，成为连接植物基因组与复杂环境的关键桥梁。
1. 引言
内共生菌是植物全息体的核心组成部分，通过调控根系分泌模式、改变土壤理化性质、协调微生物群落组装以及通过复杂的分子信号网络微调植物免疫反应来发挥其功能。它们对土壤养分有效性、团聚体形成及微生物活性的影响多是间接的，源于对植物生理和根系分泌的调控。面对土壤退化、生物多样性丧失及气候变化等全球性挑战，以内共生菌为核心的微生物组策略，为减少对化学肥料和农药的依赖、构建气候韧性农业体系提供了充满希望的替代方案。
2. 内共生细菌的系统观：从共生体到根际微生物组工程师
现代研究视角正从描述性的、以生物为中心的观点，转向基于功能和互作的理解框架。内共生菌的功能冗余是其群落的显著特征，即多种分类学上不同的微生物执行着相似的有利功能，如固氮、植物激素调节和磷酸盐溶解，这增强了生态系统在波动环境下的恢复力。它们表现出显著的生态可塑性，能够根据宿主基因型、发育阶段和环境压力，在共栖、互利共生或机会主义生活方式之间动态转换。核心-卫星微生物组概念进一步细化了对内生群落组织的理解，其中被称为功能群或微生物关键种的一小部分细菌类群，对植物健康和生产力施加着不成比例的影响。
3. 内共生菌驱动的植物-微生物组网络调控
3.1. 根际微生物组与全息体重编程
内共生菌介导的植物-微生物组网络调控是一个高度动态和适应性的过程。其核心在于内生菌诱导的根系分泌物改变。例如，内生真菌 Phomopsis liquidambaris B3 显著改变了花生植物的根系分泌物谱，促进了共生根瘤菌的趋化性、生长和生物膜形成，并显著上调了结瘤相关基因（如 nodC）的表达。改变的分泌物模式作为一种选择性过滤器，优先吸引有益微生物，同时抑制机会性或致病性类群，从而促进功能性优势根际微生物组的组装。
3.2. 多营养级互作
内共生菌与菌根真菌、原生生物、线虫和病原体等其他植物相关生物之间的多营养级互作，共同塑造了植物的健康、恢复力和功能适应性。内生菌对丛枝菌根真菌（AMF）的共生具有显著控制力。内生真菌 Piriformospora indica 和 Epichlo? 属物种已知可调节AMF的定殖动态和共生效率。这种协同或拮抗作用的机制基础受宿主调控的碳分配、根系分泌物介导的微生物“闸门”以及植物激素优先级调控。内生菌的调控也延伸到微生物捕食者和植物寄生虫，如原生生物和线虫。通过改变宿主生理，内生菌可以改变对线虫入侵的易感性。在内生菌-病原体关系中，内生菌作为植物的微生物延伸，与病原体竞争空间和营养，并通过产生抗菌化合物（如脂肽、铁载体和挥发性有机化合物）发挥直接拮抗作用。同时，内生菌触发的MAPK信号增强了诱导系统抗性（ISR），将微生物拮抗与宿主免疫激活联系起来。
3.3. 免疫调节与宿主特异性
内生菌在微调植物免疫反应方面发挥着重要作用，同时表现出高度的宿主特异性。这种免疫相容性主要是通过与植物模式识别受体（PRRs）的复杂相互作用以及调控微生物相关分子模式（MAMP）触发信号通路来实现的。与病原微生物不同，许多内生类群进化出了减弱或绕过宿主免疫激活的策略。例如， Pseudomonas、 Bacillus、 Azospirillum 等细菌属以及 Penicillium、 Aspergillus、 Epichlo? 等真菌属，会产生低免疫原性或结构修饰的MAMPs，并分泌干扰受体介导信号传导的代谢物。内生菌介导的抗性通常通过水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）、乙烯（ET）的激素交叉对话系统性诱导。
3.4. 内生与根际微生物组的功能分区与交叉对话
植物微生物组在空间上分为多个生态位，包括根际和内生圈。根际微生物群落以参与养分动员、有机质周转的类群为主，而内生微生物则与植物激素调节、胁迫耐受性和增强宿主防御反应更为相关。尽管存在这种分区，根际和内生微生物组之间仍存在广泛的交叉对话，根系分泌物选择性地招募周围土壤中的微生物，这些微生物在条件合适时可以定殖内部组织。
3.5. 内生菌介导的农化胁迫缓解
广泛使用的农用化学品，特别是农药，会带来植物毒性、氧化应激和植物代谢功能受损。内生微生物通过减轻氧化应激、调节生理胁迫响应机制以及促进宿主植物内吸收毒素的解毒或螯合，来增强植物对有毒化学物质的抵抗力。例如，在水稻系统中发现，属于 Bacillus 属的细菌内生菌株可以利用二嗪磷作为唯一碳源，并在实验室条件下在植物组织内降解这种有机磷杀虫剂。内生真菌如 Phomopsis spp. 也据报道能在液体培养和土壤系统中高效降解苯氧基除草剂4-氯-2-甲基苯氧乙酸。
4. 内生菌在作物与环境中的具体应用
4.1. 水稻的非生物胁迫响应
接种耐盐内生细菌（如 Lysinibacillus fusiformis, Lysinibacillus sphaericus, Brevibacterium pityocampae）与高盐（160 mM NaCl）条件下根长、茎长和叶绿素含量的增加相关。离子组分析显示地上部Na+积累减少，Mg2+保留更好。同时观察到 OsNHX1、 OsAPX1、 OsPIN1 和 OsCATA 基因的上调以及 OsSOS 的下调，伴随着内源水杨酸和脱落酸水平的降低以及茉莉酸水平的升高。耐热细菌内生菌 Bacillus paralicheniformis、 B. pumilus 和 B. paranthracis 可保护水稻免受热胁迫（40–45 °C）。接种 B. paralicheniformis 菌株可使新鲜籽粒重量增加50%，干籽粒重量增加高达113%，并调节胁迫响应生物分子积累。
4.2. 玉米在非生物胁迫下的表现
在玉米中，干旱胁迫与生物量、光合性能和植株水分状况的显著下降相关。接种细菌内生菌 Burkholderia phytofirmans 菌株 PsJN 和 Enterobacter sp. FD17 的玉米，与未接种植物相比，表现出茎和根生物量、叶面积增长、叶绿素水平和光合速率的增加。此外，叶片相对含水量增加了30%，表明膜稳定性得到改善。
5. 宏基因组学与功能组学在研究内生菌生态学中的进展
5.1. 新一代测序及超越
长读长测序技术的成熟显著推进了内生细菌群落和植物相关微生物组的分析，极大地提高了分类学分辨率、基因组完整性和功能推断。与短读长测序相比，长读长技术克服了与重复区域、高GC含量和结构基因组变异相关的挑战。当与互补的多组学方法（如宏转录组学、宏蛋白质组学和代谢组学）整合时，长读长宏基因组学能够全面理解微生物生态学，超越遗传潜能，触及已实现的生物学功能。
5.2. 网络生物学与微生物互作图谱
网络生物学和微生物互作图谱已成为强大的方法，用于阐明内生菌如何影响植物相关微生物组。通过将微生物建模为节点，将其关联建模为边，基于网络的框架能够对复杂的植物-微生物组互作进行系统水平的解释，这是单一类群或基于丰度的分析无法捕捉的。微生物网络的拓扑特征，如模块性、聚类系数和同配性，揭示了微生物群落的结构和稳定方式。网络弹性可以通过模拟节点删除分析来定量评估，该分析模拟物种丢失或干扰。
5.3. 单细胞基因组学与空间宏基因组学
单细胞基因组学和空间宏基因组学通过实现对内生菌群落的高分辨率、细胞水平的解析，显著推进了植物微生物组研究。与传统的批量宏基因组学方法不同，这些方法能够直接识别代谢活跃的微生物、它们在宿主组织内的空间组织及其在不同植物生态位中的生态角色。例如，拉曼-荧光原位杂交（Raman–FISH）能够同时实现单个微生物细胞的系统发育鉴定和功能表征。纳米二次离子质谱（NanoSIMS）提供同位素标记的亚细胞分辨率，能够精确量化同位素比率。生物正交非经典氨基酸标记-荧光激活细胞分选（BONCAT-FACS）等技术，实现了对新合成蛋白质的原位标记。
6. 塑造内生菌研究的技术与计算创新
6.1. CRISPR、基因组挖掘与代谢工程
CRISPR介导的基因组编辑、基因组挖掘和代谢工程的融合，为开发内生菌的生物合成和功能潜力提供了一个有前景的技术组合。内生细菌和真菌基因组中通常含有丰富的生物合成基因簇（BGCs），编码多种次级代谢产物。当代抗生素和代谢物发现管线越来越依赖于antiSMASH和PRISM等高通量计算机平台来识别、注释和预测BGCs的化学产物。科学家们通过使用表观遗传诱导剂（如DNA甲基转移酶抑制剂和组蛋白去乙酰化酶抑制剂）成功激活了沉默的BGCs。CRISPR/Cas9基因组编辑已成为功能操纵内生菌基因组的强大而精确的工具。
6.2. 人工智能/机器学习与生物信息学平台
植物微生物组研究正日益利用人工智能（AI）、机器学习（ML）和先进的生物信息学来实现可预测的微生物组工程，并建立微生物群落特征与植物表型之间的机制联系。QIIME2、PICRUSt2、MetaPhlAn和HUMAnN3等计算管线能够对植物相关微生物组进行高分辨率的分类学和功能分析。深度学习架构，特别是卷积神经网络和循环神经网络，越来越多地应用于微生物组数据集。尽管取得了这些进展，但实验室数据与田间特异性异质性之间的领域偏移，可能会显著降低计算机模型训练出的预测能力。微生物组数据具有组成性、通常稀疏且呈高维格式，这些环境可能产生虚假相关性或过拟合。
7. 将内生菌研究转化为田间应用的局限与挑战
尽管在可控条件下验证内生菌接种效益方面取得了显著进展，但由于生物和生态条件的巨大差异，将这些结果推广到大规模农艺系统仍然有限。最常见的挑战之一是定殖的不稳定性，引入的微生物在露天田间环境中常常无法维持稳定的种群数量。这归因于缺乏合适的生态位、竞争能力差以及与本地土壤微生物群的拮抗作用。宿主基因型和预先存在的微生物网络作为微生物关联的主要驱动因素，其重要性不容忽视。限制内生菌基技术在农业领域大规模应用的另一个主要挑战是监管和生物安全问题。有意引入微生物接种剂引发了人们对非预期生态影响、非目标相互作用以及对本地微生物多样性和生态系统稳定性的长期后果的重大关切。规模化、制剂化和可重复性问题仍然是内生菌策略普及的重大挑战。
8. 结论
内生菌正日益成为植物-微生物组互作的关键调节者，通过协调的生物化学和生态机制影响植物健康、胁迫耐受性和生态系统过程。来自多组学、系统生物学和单细胞方法的研究结果表明，内生菌可以重组微生物群落，调节植物信号通路，并有助于在非生物胁迫下的恢复力。结合基因组挖掘、代谢工程和人工智能驱动的分析，能够进一步以数据为指导，识别和设计针对特定作物和环境的优良菌株及合成菌群。迈向田间验证需要几个具体的优先事项。一个关键优先事项是开发标准化且可重复的多组学流程。另一项要求是建立明确的标准来定义最优内生菌。此外，建立一个从可控温室条件到多地点田间试验的分阶段验证框架，对于评估在实际环境变异下的性能至关重要。总体而言，严格的验证和负责任的部署对于将机制性见解转化为一致的农业成果可能至关重要。经过实验验证的内生菌干预措施开发，可能有助于构建韧性耕作系统、减少化学投入，并在不断变化的气候条件下改善土壤功能。
