李亚倩追“根”溯源：植物根际的微生物生态-宏基因组

李亚倩追“根”溯源：植物根际的微生物生态-宏基因组

李亚倩 标题Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere期刊Nature Reviews Microbiology, 2013第一/通讯作者Laurent Philippot，Institut National de la Recherché Agronomique (INRA), France.编译：彭玺
本文转载自“微生态笔记”，己获授权。本文5年被引755次。

摘要
植物根际（Rhizosphere）是指植物根系与土壤之间的交界面，在这个区域里，数量庞大的微生物、无脊椎动物与植物之间的相互作用深刻的影响着生物地理化学循环（Biogeochemical cycling）、植物生长以及植物对生物、非生物胁迫的耐受性。植物根际复杂而又充满动态变化的特征引起了大量研究者们的兴趣，了解它的生态、进化上的特征是提高植物生产力、促进生态功能的重要一环。对于植物根际微生物组形成过程的关键因素与进化过程的洞察得益于在整合还原（integrating reductionist）和基于系统（system-based）分析的生态学方法。本文中，作者们重点讨论了根际微生物组的研究进展，评估了微生物组对小型和大型的植物区系在可持续性农业（sustainable agriculture）、自然保护（nature conservation）、生物能源作物发展（the development of bio-energy crops）以及延缓气候变化（mitigation of climate change）等几方面的贡献。

植物根际，这片包含有巨大数量微生物与无脊椎动物所生存的小区域土壤，是围绕植物根系并密切受其影响的，它被认为是地球上动态性最强、最有活力的一种交界面。在植物根际生长的微生物群落（microbiota）对于植物生长、营养与健康都有着深远的影响。根际微生物群落同样直接或间接地影响着自然生态系统中植物群落的组成与生物量。无数地下或地表微生物的活动推动了植物与微生物间复杂的拮抗与互利共生关系。
目前很多对于植物根际区域生物相互作用与活动的观点都是由一些基于农业、园艺作物以及使用拟南芥、蒺藜苜蓿等这样的模式作物研究中提炼出来的，当然还有相当大一部分的进展是通过自然生态系统中非栽培植物根际的微生物生态分析来理解微生物如何影响资源分配（resource allocation）、生物多样性、与天敌及地表食草动物之间的关系。为了更好地理解植物根际中各个成分扮演的角色、及其执行的生物过程是怎样的，一系列诸如宏基因组、稳定同位素探针（stable-isotope probing）等的分子技术手段在过去的十几年内得到了广泛的应用。在植物群落的层次上，不同植物混合根系（intermingled root systems from different plant species）的研究也已经取得了一些重要的进展。类似这样基于自然生态系统的研究正在完善并拓展研究者们对植物根际的认知。一些研究表明在非栽培植物的生态系统中，植物群落多样性和植物个体的表型会影响地表或地下与之相关联的微生物群落的组成。这可能也能解释为何某些物种的植物会更好地促进它们自身废物的分解，这就是所谓的 “主场优势（home-field advantage）”。根际微生物群落也与其它的生态学现象相关，如自然演替等。
在本文里，作者们回顾了对于植物根际研究的几项最新进展，并提出需要一个概念性的框架来引出一种基于理论指导来研究植物根际微生物生态的方法。为了达到这个目的，作者们总结了农业与自然生态系统中从单种植物到多物种的植物微生物群落，从地下到地上的多营养级的相互关系的内容。作者们认为这是对于非栽培植物物种的追“根”溯源，在这样的物种中根际生物过程与微生物间的相互作用相对于大多数农业作物来说在高度的人为控制情况下具有更高的进化水平。

根际微生物群落
生活在根际的细菌、真菌（包括丛枝菌根真菌AMF）、卵菌、病毒和古菌受到植物根系释放的营养物、渗出物（exudates）、边缘细胞（border cells）和粘液（四者统称根际分泌物，rhizodeposits）的吸引并以此为食。大量研究表明栽培作物和自然作物的根际微生物种群的组成与相对丰度是具有植物物种特异性的。例如，在禾本科植物燕麦的根际中检测到的1917种细菌分类中的147种的相对丰度和非根际土中的显著不同，根际中大多数细菌属于厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Acitinobacteria）或者α-变形菌纲。许多独立研究表明变形菌（如来自假单胞菌或伯克氏菌科的细菌）是根际微生物群的优势种，这和变形菌普遍都是生长迅速的、能够利用大部分根系释放的碳源物质的这一事实能够相对应。事实上，给植物提供13C标记的二氧化碳可以发现大部分同化标记的细菌在系统发育上都接近于伯克氏菌目（Burkholderiales）的成员。然而，细菌并不是营养丰富的生态位上的垄断者，像子囊菌门（phyla Ascomycota，如肉座菌目，Hypocreales）和球囊菌门（Glomeromycota，如血管球属，Glomus spp.）这样的真菌也可以对根际分泌物迅速做出反应。具有高分辨率的下一代测序技术（Next-generation sequencing）现在也被频繁地应用于鉴别植物根际的微生物分类。虽然和非根际土壤相比，根际微生物多样性略有偏低的情况常被报道，但由于不同研究所使用的方法存在很大差异，很难对根际微生物群作一般性描述。这种情况的发生可能不仅仅由于将在下文中详细描述的生物变异性，也是由于与根际微生物取样相关的一些实际问题。此外，除了对根际微生物群进行描述性分析外，也迫切需要阐明植物根系对土传群落（soil-borne communities）中特定微生物种群的选择机制。

图1
根际微生物

根际微生物群落聚集的决定因素
根际微生物群落的聚集受到生物和非生物因素的控制。许多研究已经表明土壤对于根际细菌和菌根真菌群落的聚集有很深远的影响。土壤复杂的理化特性影响了植物生理情况和根系的渗出分泌物结构，进一步影响到了根际微生物群的结构。对于不同生态型（ecotype）拟南芥的根际微生物组所进行的序列分析显示，土壤类型对微生物群的组成有着很强的影响力。相比之下，在不同土壤里种植的草莓根际的放线菌群落之间相比于非根际土中的群落之间相似程度更高，标志着在这种情况下植物种类相比于土壤类型是微生物群构成过程中更强的一个决定因素。
如果考虑菌的分类结构关系（a hierarchy of events），也许能够让各项研究中的一些异同得到更好的理解。首先，可以将土壤比作是一个微生物种库（microbial seed bank），土壤的理化性质及其生物地理过程共同构成了这个群落。然后，植物生长的位置决定了植物根系暴露在怎样的本土生物群（indigenous biota）中。最后，植物的物种类别与基因型决定了哪些微生物库（reservoir of microorganisms）的成员能够在根际存活并旺盛的生长。
植物的种类能够显著影响根际微生物群落的组成与活性，而植物根系的形态差异以及根际分泌物在数量与类型上的差异对这种物种特异性有很大的贡献。某种特定的代谢产物在释放到根基土壤中可以在不同的土壤微生物中引发多重反应。例如，植物黄酮（plant flavonoids）不仅可以吸引来像慢生型大豆根瘤菌（Bradyrhizobium japonicum）这样的共生菌，也能吸引来像大豆疫霉菌（Phytophthora sojae）这样的病原菌。黄酮类物质还能刺激真菌菌根孢子萌发与菌丝分枝并影响着群体感应细菌的信息交流（quorum sensing）。类似地，如吡咯里西啶类生物碱这样的组成型的次级防御性的代谢产物可以通过强化有抗性或有耐受性的微生物，或在某些案例中是可以代谢这些物质的微生物，来影响根际微生物群落的组成。
不仅是植物种类，栽培品种（cultivar）也能影响根际微生物群落的组成。对于在两个相距较远的土地中种植的三个马铃薯栽培品种根际微生物群落的特性描述显示，根据土壤类型，由系统发育基因芯片（phylochip）检测出的可操作分类单元（OTU）中的4%-9%都取决于栽培品种。作物育种方案常在肥沃土壤条件的单作物系统中实施，这样的土壤中没有土传病原菌，因此也将根际微生物群对于植物生长与健康的影响最小化了。众多实验的结果表明可以利用寄主植物物种中的遗传变异使根际微生物群能够成为植物育种方案所考虑的一部分，促进植物与微生物之间的有益联系。
除了土壤类型、植物种类和（或）基因型外，植物种子表面或内部的微生物也是根际微生物群聚集的潜在源动力之一。然而，尽管已经进行了大量的研究来验证通过向作物的种子上特意接上特定的微生物来引发的根际微生物的繁殖（colonization），可是能够说明外来土传微生物在根际微生物群聚集中到底起到了什么作用（即所谓的“母系效应（maternal effect）”）的寥寥无几。早期的实验显示黄瓜刚出芽幼苗根系的细菌群落，相比于种皮的菌群来说更像土壤里的菌群，表明种子表面附着的菌群对根际微生物群聚集的作用甚微，近乎于没有作用。但对于生长在种子内部的微生物来说，情况就不太一样了。植物通过招募功能可以将核心微生物种群通过种子传给新的一代。这种传代效应是自然生态系统中植物-微生物共同进化的相互关系的重要体现。
植物群落多样性和根际微生物群组成之间的关系相比于单个植物物种要复杂得多，远远超过了本文覆盖的内容。总结起来，能预见的是植物群落多样性越高，植物残存物、根际分泌物的组成就会越多样化，因此微生物的多样性就会越大。直观地说，植物群落多样性对于根际微生物群的影响在自然生态系统中要比在农业生态系统中更为显著，在后者中，植物多样性和植物性状的变异要有限些。然后，两种生态系统中形成根际微生物群落的其他因素也会略有不同。

图2
根际

根际微生物群的多维性
（multidimensionality）
对于植物根际来说，时间尺度上和空间尺度上的研究都是十分重要的。就像根际分泌物的数量和成分可以随植物物种而各一样，它们在单一一类植物上也能在植物生长、根系发育的过程中随时间变化。在植物生命周期中，其根际微生物群落的结构也随之变化。由于根的类型（初生、次生）与区域（根管、侧生、边缘细胞）的不同，微生物在根际也不是均匀分布的，它们会在根系生长的过程中在土壤中发生移动。对根基和根尖的根际样品的对比显示出快速生长细菌比例的差异非常明显，可以实现r-选择和K-选择者的演替。未来对于根际的研究应该将植物发育过程和根系不同区域表达的不同功能、根际分泌物类型结合起来研究微生物群在空间上的变异情况。

图3
根际微生物群落组成

根际多营养级相互作用
（multitrophic interactions）
寄主和它们相关的微生物群之间直接或间接的相互作用刺激了次级代谢和形态结构中构成性与诱导性的变化。通过像黄酮（flavonoids）、独角金内酯（strigolactones）、倍半萜（sesquiterpenes）这样的信号分子对于这些相互作用的调控至关重要。
根系微生物群落对植物健康有着直接或间接的影响已经被广泛的记录。病原细菌、真菌（包括部分AMF）、卵菌、线虫和微节肢动物（microarthropods）对植物有害。病毒也可以通过根系来感染植物，但是需要线虫或者真菌来穿过根组织。根际分泌物是病原菌发生、趋化性和向植物根系定向移动的重要指示。
因和植物具有相互作用而被普遍熟知的一些根际微生物，如根瘤菌（rhizobia）和AMF，可以帮助植物获取氮和磷元素来促进植物的营养，而不仅是通过光合作用来同化碳。也有人提示AMF可能可以影响根际区域植物和食草动物的相互关系。
还有一些根际区域的多物种相互关系对植物生长是有利的。在这里，不妨先假设根际微生物群落是植物抵抗土传病原菌的第一道防线。根际微生物群的保护作用可以在所谓的“抑制病害的（disease-suppressive）”土壤中得到最好的诠释，在这种土壤中即使有很强力的病原菌或者植物具有易感特性，植物也不会受到病害侵害或者受侵害程度会大幅度降低。在大多数这样的土壤中，病害的抑制从源头上讲是微生物在起作用，是由于土壤和根际微生物联合起来在抑制了病原菌或抑制了在其生命周期中的某一个阶段的活动。细菌和AMF之间的相互作用同样也能对植物生长带来好处，比如细菌能够协助建立菌丝共生，尽管相关机制还不得而知；相互地，AMF可以对细菌繁殖与多样性带来影响，如来自草酸杆菌科（Oxalobacteraceae）的细菌的生长就会被有偏好性地被促进。

图4
根际诱导微生物变化

地下-地表相互作用
（Below-ground-above-ground interactions）
根际微生物群可以降低优势植物物种的竞争力或者提高稀有种、次级种的竞争力，进而影响地表植物群落的多样性。越来越多的“植物-土壤反馈实验（plant-soil feedback experiments）”的结果表现出了根际微生物群对植物群落的这种效应。这些相互关系包含有共生体、病原体、食草动物和分解者。有些研究将植物群落多样性与根际群落联系在了一起，但大多数其他研究还是主要讨论土壤多样性对于植物生产力的影响，这种影响可以是正面的，也可以是负面的，取决于植物-共生体的组合是怎么样的。因此，根际微生物群多样性对植物群落的多样性的影响要视情况而定。
还有越来越多的研究显示了地下与地表的相互作用是如何影响食草动物、食肉动物、互利者与共生者的群落的。这些地下-地表相互作用可以归因于植物动态的营养摄入、水分摄入以及抗逆行为。根际区域的真菌（如菌根真菌）和根际细菌（包括芽孢杆菌和假单胞菌）都能在植物体内诱导系统性的抗逆反应，对多种病原体和害虫表现出典型的抗逆反应。例如植物对于地表食草动物的反应可能依赖于植物与菌根真菌的关联，相应地，在叶际（phyllosphere）的防御反应会系统性地传导到根部并对根际微生物群造成影响，此时土壤的遗留效应（soil legacy effect）能够影响传代植物在地表的多营养级相互关系。地表和地下的植物-食草动物相互作用还受到稀释土壤微生物群落的影响，这表明稀有微生物在地表和地下植物抗逆中起到了重要的作用。总的来说，根际微生物群的一些成员对于植物代谢以及对病原菌、害虫的抗性有着深远的影响。

根际对生物地理化学循环的效应
（The effect of the rhizosphere on biogeochemical cycling）
植物根系直接或间接地调控着生物地理化学循环。对于有机碳稳定性的分析得出古土壤矿质化中的有机质是由根源碳（root-derived carbon）刺激生成的。相反地，最近有证据表明，北方森林生态系统（boreal forest ecosystem）中积累的50%-70%的腐殖质来源于根系和与之相关的微生物，这凸显了菌根菌在土壤中固碳方面的作用。根际的氮循环同样受到了相当大的关注量，因为氮是最常限制植物生长的一个营养元素。有人认为根系影响着若干个生物、非生物的因子，如氧分压、碳、氮的可利用性（availability）等，这些因子会通过土壤微生物反过来影响氮的传递。寻找更多影响与氮循环排放有关活动的微生物群体的植物性状为培育新的能够通过喷淋和温室气体排放来减少氮素流失的栽培品种提供了巨大的潜力。
在根际区域，硝化作用（Nitrification）既能够被抑制，也能够被促进，这就导致了植物可利用的氮素中铵盐和硝酸盐相对含量的波动。由于具有植物物种特异性的氮偏好可能会影响物种间的共存与优势问题，控制硝化作用的能力对于入侵植物中来说十分重要。模拟植物对铵态氮和硝态氮的偏好性的实验表明，控制硝化作用的能力改变了植物间的共存模式。研究表明，入侵植物也可以改变植物的反硝化和固氮作用。综上，这些植物可以通过改变微生物氮的转化而又从中受益，这对生态系统功能和植物群落结构都非常重要。

前景展望
（Future directions）
生态工程与自然恢复
近来对非栽培植物根际生态的研究提高了人们对由土壤生物群（soil biota）对土壤结构的建立和恢复的认识，这很大程度上取决于植物与土壤生物群之间的相互作用。植物与土壤的关系在传统的观点中主要是从资源利用与竞争的角度来阐释的，然而越来越明显的是：土壤生物群中病原体、互利共生体和分解者影响植物群落多样性及其演替。如果我们能够了解根际相互作用如何影响土壤生物条件的遗留效应，以及这些遗留效应如何影响植物群落成分中的优先级关系，则有望取得更多的进展。因此，目前植物群落组成的动力似乎是在过去一代或更早的世代中的根际相互作用的反映。一个关键的问题是这些历史事件或者说遗留效应如何在自然恢复或生态工程中得到恰当的处理。例如，土传真菌的定殖及繁殖可能是将土壤食物网由细菌占优状态向真菌占优状态转化的一个因素，这将隐形到生态系统对于干旱的响应。此外，仅仅将外来植物除去可能不足以恢复入侵点原本的植物群落，因为外来种可能已经改变了土壤生物群的群落组成以及其他的一些土壤特性。因此，提高对于传代植物的根际相互关系以及对于植物发育中的生态学因果关系的认识是让我们能更有效地实施生态工程与自然恢复的核心。
气候变化
气候变化的原因多种多样，从全球变暖到局部降温、极端天气事件愈发频繁以及植被地带变化等。所有这样的变化都会间接影响根际的微生物生态。普遍认为是影响气候变化的主要因素之一的二氧化碳，其水平增加能够通过改变渗出模式（exudation pattern）和改变土壤食物网的组成及功能来直接影响根际相互作用。土壤食物网本身的组成就在调节极端天气带来的影响上就有着重要的作用。现在悬而未决的一个问题是根际群落如何对各种气候变化作出响应的。土壤微生物相比于它们的寄主植物来说有着更强的进化能力。此外，由于它们的巨大的多样性，土壤微生物还可能包含一些适应更温暖的条件的类群。同时，土壤微生物的分散和传播可能使它们从温暖的大气中进入到局部温暖的土壤里。根际微生物群的组成在目前无时不在发生的气候变化条件下是否会随微生物的散布或遗传适应而变化，这仍旧是想要预测根际群落能否适应全球气候变化带来的冲击所需要回答的一个重要的问题。
可持续农业
农业的可持续性一定程度上要靠矿质营养和杀虫剂的减量。一个主要的研究方向在于选择并培育具有能够利用生物与非生物土壤资源基因型的植物。这和农业生态学中的一个主要的范式变化（a major paradigm shift）相对应，即让植物基因型去适应环境，而非让环境适应植物基因型，在这个层面上，更好的遗传表现（如产量）依赖于更好的物质摄入。这个选择能够通过利用不同机制培养出对病原有更高抗性的工程植物来完成。提高农业可持续性的另一个研究策略是鉴定植物通过土壤微生物的喷淋或温室气体排放影响氮素流失的性状。这一点可以用来培育或选择具有减缓排放潜能的新一代的栽培品种。然而，目前对于根系渗出的认识还很有限，对于化学以及所涉及到的时间与空间上渗出结构的进一步了解能让研究者们对植物培育、根际工程的发展设立更好的目标。一项重要的挑战是通过增加和促进微生物的数量和活动来利用植物释放的大量光合产物（将其转化为根际分泌物），以支持特定的生态系统功能，并减少化学品投入的使用。
生物能源作物
进来，全球多项旨在通过促进生物经济（bio-based economy）来减少对于石油燃料的社会需求的项目陆续启动。能影响多项土壤重要生态功能（包括温室气体排放、养分淋溶、病虫害、新病原体爆发等）的生物能源作物受到越来越多的关注。其中一个重要问题是生物能源作物对于这些生态功能到底有没有反作用。尽管趋势上升，但仍然为数不多的针对（二代）生物能源作物的根际生态的研究已经进行。宏基因组方法也已经被用来为更多潜在的生物能源作物的根际微生物功能的探究提供新的思路。这项研究的终极目标是找到一种对特定土壤的生物能源作物，使其能改良土壤生态系统功能而非破坏。如果可能的话，人们将会发现除了权衡生产力之外，优化一些生态系统功能还能带来很多其他益处，而不仅仅只是局限于某一小部分生态系统。
结语
即使在根际微生物生态方面作者们已经取得了相当大的研究进展，根际生态学家们仍旧面临着几项重大挑战。这其中就包括了开发新的作物和种植系统，旨在在生产足够量的食物、饲料、纤维和生物能的情况下将环境成本尽量降低。生产方式应该着重考虑营养物质的循环以及对病虫害的有效管控。地表害虫的控制是由地下根际相互作用来影响的这一观点为作物综合管理开辟了一条新的道路。地表生物多样性的恢复与保护与预防外来植物入侵一样，都需要对根际的微生物及其基本活动有所了解。在基于作物的系统上的研究现在也渐渐和非栽培品种的研究形成互补，这将为自然生态系统协同进化群落中的根际生态提供思路。在这些系统中，联合微生物群落在植物对于生物和非生物胁迫的适应中起到了主要的作用。这可能解释了为什么在所有大陆上所有植物都有根际分泌物——这些光合产物本可以用来开花或传播种子。可以说，根际微生物群对植物生长与健康的促进作用抵消了积累根际分泌物所付出的代价。对如何促进根际的一些有益的相互作用的研究中最具挑战性的一部分就是要更好的理解不同具有基因型、性状与处在不同环境参数和种植系统下的植物在根际分泌物的数量和内容上有什么不同。在这样的背景下，了解信号分子不仅在微生物和植物间传递，也在植物与植物间传递，弄清楚微生物是如何帮助植物将信号分子传递给邻近植物是另一个重要的挑战。
对土壤微生物学的整体研究是非常有必要的，对根际各种机制的综合考虑无疑将改善对根际微生物的预测和管理（prediction and management）。尽管还存在诸多挑战，但很明显的是这样的“追‘根’溯源”对于进一步提高粮食、饲料、纤维和燃料用途作物的可持续性生产有着重要意义。
参考文献：
Philippot L, Raaijmakers J M, Lemanceau P, et al. Going back to the roots: the microbial ecology of the rhizosphere.[J]. Nature Reviews Microbiology, 2013, 11(11):789-799.
原文链接：


中国科学院生态环境研究中心
环境生物技术重点实验室
邓晔 研究员课题组发布
作者：彭玺
编辑：吴悦妮
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