葛 藝，徐紹輝，徐 艷

(青島大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266071)

根際，即植物根系影響到的土壤微域，是地球上物質(zhì)和能量循環(huán)過程最活躍的界面之一[1-2]。同人體腸道一樣，植物根系周圍存在著大量的微生物，它們以寄生、共生和附生等形式存在于植物根系內(nèi)部或者根系周圍，影響著植物的生長發(fā)育和營養(yǎng)吸收等過程[3-4]。目前，研究較為廣泛的是植物根際促生菌，如根際促生細(xì)菌固氮螺菌屬(Azospirillum)、芽孢桿菌屬(Bacillus)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、根瘤菌屬(Rhizobium)，根際促生真菌白粉寄生菌屬(Ampelomyces)、盾殼霉屬(Coniothyrium)、木霉屬(Trichoderma)等[5]。促生菌在植物養(yǎng)分吸收和利用(氮固定、磷溶解、鐵載體分泌等)，病蟲害防治，高溫、高鹽、干旱、重金屬等環(huán)境脅迫應(yīng)激，以及植物生長發(fā)育促進(jìn)和免疫力提高(產(chǎn)生植物激素)等方面都發(fā)揮著重要作用[6-10]。基于植物-微生物互作關(guān)系，充分利用和發(fā)揮根際微生物資源，開發(fā)生物肥料和生物防控劑，從而降低傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)對化肥和農(nóng)藥的過度依賴[4，11]，降低其對土壤和水體帶來的環(huán)境風(fēng)險，對于提升土壤肥力、提高作物產(chǎn)量、保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展、減少溫室氣體排放和維持生態(tài)環(huán)境健康等具有重要意義。

現(xiàn)有的針對根際微生物的研究很多，但主要集中于單一微生物對促進(jìn)植物生長和增強(qiáng)抗性的調(diào)控機(jī)制[12-13]，以及通過富集純化方法制備微生物菌劑方面[14-16]。在土壤環(huán)境中，根際微生物的種類和組成非常復(fù)雜，不同種微生物之間往往存在著競爭、共生等多種關(guān)系。大田試驗表明，單一菌劑與土著微生物群落競爭的能力較弱，往往不能充分發(fā)揮作用，接種含有多種微生物的復(fù)合菌劑更能夠增強(qiáng)植物的抵抗力和生長能力[17-18]。因此，以根際微生物群落為單一整體，研究其對植物生長發(fā)育的影響過程越來越受到研究者的關(guān)注[19]。隨著分子生物學(xué)和生物信息學(xué)技術(shù)手段的發(fā)展，基于基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)技術(shù)揭示根際微生物組與植物的互作關(guān)系成為現(xiàn)代科學(xué)研究的熱點。植物微生物組被稱為植物的第二套基因組(也叫作泛基因組)[20]，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境中發(fā)揮著不可替代的作用。就近年來國內(nèi)外關(guān)于根際微生物組構(gòu)建的影響因素研究進(jìn)行綜述，深入探索根際微生物的定殖機(jī)制，闡明根際微生物組與宿主之間復(fù)雜的互作關(guān)系，旨在為通過調(diào)控根際微生物組結(jié)構(gòu)和功能表達(dá)過程實現(xiàn)糧食增產(chǎn)、農(nóng)作物抵抗力增強(qiáng)和環(huán)境生態(tài)安全等科學(xué)目的提供新思路。

1 根際微生物組的組成

1.1 根際微生物組的提取方法

根際微生物組研究，即以整體形式研究根際微生物群落在植物生長代謝過程中的影響。通常，根據(jù)微生物在宿主植物根系的分布部位可細(xì)分為位于根系周圍土壤的根際微生物組(rhizosphere microbiome)、位于植物根系表面的根表微生物組(rhizoplane microbiome)和位于植物根系內(nèi)部的根內(nèi)微生物組(endosphere microbiome)[21]。不同部位微生物組的分離提取是開展根際微生物組研究的關(guān)鍵。通常，通過抖動和清洗的方法將根系周圍1 mm厚的土層收集起來，此部分對應(yīng)根際微生物成分；通過添加玻璃珠進(jìn)行劇烈震動或者超聲等方式將緊貼于根系表面的微生物分離開來，即為根表微生物成分；而對于根內(nèi)微生物組來說，首先需要通過超聲或者化學(xué)處理(乙醇或者次氯酸鈉)將根表微生物全部去除，然后添加玻璃珠對根系進(jìn)行碾碎處理[22-23]之后再收集起來。Edwards等[24]在進(jìn)行水稻根際微生物組組成的研究時給出了詳細(xì)且連續(xù)的根際微生物組提取方法：將水稻從土壤里取出后，劇烈抖動根系至僅有1 mm厚度土壤保留在根系中，然后將水稻根系放入磷酸鹽緩沖液中并用鑷子劇烈攪動，使得根系表面的土壤全部進(jìn)入到緩沖液中，這部分土壤用于根際微生物組分析；用清水清洗根系后，將其放入新的磷酸鹽緩沖液中超聲30 s，緩沖液中的極少量土(壤)-植(物)殘體即為根表微生物組分；最后，將根系連續(xù)超聲2次，確保根系表面的微生物全部去除后加入玻璃珠進(jìn)行破碎，該部分即為根內(nèi)微生物組分。由于根表微生物含量通常較少且較難收集，因此，目前大部分的研究主要集中于根內(nèi)和根際微生物組分析[25-27]。

1.2 根際微生物組的構(gòu)建

研究表明，植物根際和根內(nèi)微生物群落具有明顯的根際效應(yīng)。Peiffer等[3]通過高通量測序分析發(fā)現(xiàn)，玉米根際微生物群落與周圍土壤中的微生物群落在多樣性和豐富度方面均存在顯著差異，且與未種植植物的土壤相比，植物根際區(qū)域的微生物活性更高。這主要是由植物根系的調(diào)控作用造成的。植物通過根系向土壤中分泌大量有機(jī)碳和抗菌物質(zhì)等“招募”對其生長發(fā)育有益的微生物在根系周圍聚集，同時通過分泌氧氣、改變土壤pH和礦質(zhì)元素形態(tài)等過程影響根際微生物組的結(jié)構(gòu)。丁新景等[28]研究表明，刺槐根際與非根際土壤中的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性差異顯著，根際土壤中固氮菌的豐度顯著高于非根際土壤。同樣地，Ofek-Lalzar等[29]的研究發(fā)現(xiàn)，根際環(huán)境中纖維弧菌屬(Cellvibrio)和Pseudomonas的相對豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其在空白土壤中的相對豐度，而這2種菌屬在降解纖維素的過程中均發(fā)揮著重要作用。大量測序數(shù)據(jù)分析表明，根系對微生物的“選擇招募”過程與微生物自身的移動性、趨化性、多糖降解性等有關(guān)[30-31]。

當(dāng)特定微生物被富集在根系周圍后，部分微生物還可以穿過植物根系細(xì)胞壁進(jìn)入到根系內(nèi)部形成根內(nèi)微生物。與根際土壤微生物群落相比，根內(nèi)微生物群落的組成具有高度特異性，且多樣性明顯降低。這表明植物根系在根內(nèi)微生物的“招募”過程中起著篩選過濾的作用[24，31-33]。Lundberg等[27]研究了600種擬南芥的根際微生物組發(fā)現(xiàn)，擬南芥的根內(nèi)微生物香農(nóng)(Shannon)多樣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于根際和土壤中的群落多樣性，通過聚類分析比較根內(nèi)和根際操作分類單元(OTU)的相對豐度，發(fā)現(xiàn)共有97個OTU在根內(nèi)富集，主要由放線菌門(Actinobacteria)、變形菌門(Proteobacteria)和厚壁菌門(Firmicutes)組成。同年，另一項研究也發(fā)現(xiàn)擬南芥根內(nèi)微生物主要由Proteobacteria和Actinobacteria組成，另外，擬桿菌門(Bacteroidetes)在根內(nèi)的相對豐度也較高[26]。

作為根內(nèi)環(huán)境和土壤環(huán)境的中間屏障，根表在根內(nèi)微生物定殖過程中起著重要的篩選作用。Bulgarelli等[26]利用木碎片模擬植物根系細(xì)胞壁發(fā)現(xiàn)，在擬南芥根內(nèi)微生物組的形成過程中，約有40%根內(nèi)微生物是根系周邊的土壤微生物通過根系細(xì)胞壁隨機(jī)進(jìn)入根內(nèi)的，而剩下的60%則是由宿主植物的自身選擇作用決定的。Edwards等[24]指出，微生物從土壤環(huán)境進(jìn)入到植物根系內(nèi)部的過程發(fā)生在植物移植到土壤后的24 h內(nèi)，并且在14 d后根內(nèi)微生物的群落結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定。另外，通過比較水稻根際、根表和根內(nèi)環(huán)境中的微生物組成發(fā)現(xiàn)，盡管在根表中富集的微生物在根內(nèi)部分也富集，但是根表中還包含著部分其他微生物，這說明某些微生物比較傾向于在根表環(huán)境中生長。值得注意的是，大部分在根表環(huán)境中豐度較低的微生物在根內(nèi)環(huán)境中的相對豐度也較低，表明根表作為土壤微生物進(jìn)入根內(nèi)環(huán)境的門戶，對于根內(nèi)微生物的定殖起著過濾和篩選的作用。結(jié)合現(xiàn)有的研究可知，土壤中的微生物進(jìn)入到根系內(nèi)部是層次遞進(jìn)的過程：首先，植物通過分泌碳源、氧氣，調(diào)節(jié)pH等過程促進(jìn)特定的微生物在其根系周圍富集和生長，其中某些微生物通過產(chǎn)生生物膜等吸附在宿主植物的根系表面；然后，植物通過自身代謝調(diào)節(jié)過程選擇“招募”特定的微生物進(jìn)入其根系內(nèi)部生長[31-32，34]?？梢?，外界環(huán)境條件、土壤和植物類型等因素對于植物根際微生物組的構(gòu)建起著重要的調(diào)節(jié)作用。目前，關(guān)于調(diào)控根際微生物組影響因素的研究有很多，但不同研究結(jié)果中影響植物根際微生物組構(gòu)建的主控因素卻不盡相同。

2 土壤對根際微生物組構(gòu)建的調(diào)控作用

不同于動物腸道內(nèi)的微生物是出生時從母親那里“繼承”而來的，植物根內(nèi)微生物主要來源于植物根系所接觸的土壤環(huán)境。不同土壤理化性質(zhì)造成區(qū)域環(huán)境中的微生物群落存在明顯差異，而這種差異又會對植物根際和根內(nèi)微生物組的構(gòu)建造成一定的影響。

許多研究表明，土壤是決定根際微生物組組成的關(guān)鍵因素[22，25，35-40]。土壤復(fù)雜的物理化學(xué)性質(zhì)、土壤肥力、pH差異等因素能夠影響植物的生理特性和根際沉積(rhizodeposition)組成，從而進(jìn)一步影響植物根際微生物群落的整合[32]。大量的高通量測序分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，土壤是調(diào)控擬南芥、楊樹根際和根內(nèi)微生物組結(jié)構(gòu)的最重要因子[3，27，38]。Dombrowski等[41]通過一系列試驗研究了影響多年生黃花亭薺在自然和控制條件下根際細(xì)菌群落組成的因素?；谥髯鴺?biāo)的典范分析和單因素方差分析(ANOVA)結(jié)果，土壤性質(zhì)能夠解釋根內(nèi)細(xì)菌15%的群落變異性，而環(huán)境條件和植物基因型最多解釋了11%的群落變異性，且土壤類型對根內(nèi)細(xì)菌門分類水平上的影響更加顯著。Bonito等[42]對楊樹、櫟樹和松樹在3種土壤環(huán)境中的根內(nèi)細(xì)菌和真菌群落進(jìn)行分析，指出相對于宿主類型，土壤性質(zhì)對根際真菌組成的影響更大，不過對于細(xì)菌來說，趨勢正好相反。而Edwards等[24]的研究指出，在控制條件下水稻根際和根內(nèi)微生物組的構(gòu)建受土壤類型和宿主植物基因型的共同調(diào)控。

土壤pH、水分含量、C/N、營養(yǎng)元素含量，及土壤肥力等被認(rèn)為是影響根際微生物組構(gòu)建的重要因素[32，35，43]。除此之外，土地使用類型和使用歷史也會對根際微生物組的組成產(chǎn)生影響[44-47]。Salles等[45]將不同植物(玉米、燕麥、大麥和草)種植于不同的土地利用類型中，結(jié)果表明，土地利用類型顯著影響伯克氏菌屬(Burkholderia)群落的結(jié)構(gòu)和組成，這主要是由于不同的土地利用類型顯著地影響了土壤的營養(yǎng)元素、理化性質(zhì)、土壤濕度和鹽度等，從而間接影響植物根際微生物的群落組成。

地理位置在決定根際和根內(nèi)微生物的組成中也發(fā)揮著重要作用。Coleman-Derr等[37]研究了墨西哥和美國7個地區(qū)龍舌蘭根際細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)地理位置差異顯著影響龍舌蘭根際細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)，且真菌受到的影響更大，這可能是由于真菌的地方擴(kuò)散限制性造成的。Cúcio等[48]對大西洋東北地區(qū)不同區(qū)域不同品種海藻根際微生物組的研究表明，海藻根際微生物群落顯著區(qū)別于空白底泥和海水。在同一海域中，盡管環(huán)境條件存在顯著差異，但海藻根際微生物組的結(jié)構(gòu)差異并不顯著，而不同地理位置的根際微生物組群落之間存在著顯著差異。這一結(jié)果與Peiffer等[3]的研究結(jié)論并不一致。他們通過比較美國不同氣候區(qū)域5座城市玉米根際微生物組發(fā)現(xiàn)，美國東北部不同城市中的玉米根際微生物群落組成較為相似，而中西部不同城市中的群落組成差異較大，這說明地理位置距離的遠(yuǎn)近并不能充分解釋根際微生物組的形成機(jī)制。

3 植物對根際微生物組構(gòu)建的調(diào)控作用

3.1 不同植物種類對根際微生物組的影響

盡管大量的研究指出土壤是調(diào)控植物根際微生物組的決定因素，但部分研究指出植物在一定程度上也可以影響根際微生物群落的構(gòu)建，特別是在根內(nèi)微生物的定殖過程中發(fā)揮著重要作用[26-27]。如Costa等[49]發(fā)現(xiàn)，在不同土壤環(huán)境中，草莓的根際菌Actinobacteria組成相似，說明相較于土壤性質(zhì)，植物種類在根際微生物組的形成中起著決定作用。

不同植物品種選擇的根際微生物種類不同，且品種之間的遺傳距離越遠(yuǎn)，對應(yīng)的根際微生物群落組成的差異就越大[50]。Bouffaud等[51]研究了同屬于禾本科的玉米、蜀黍、高粱和小麥的根際微生物組，同時以馬鈴薯作為對照，發(fā)現(xiàn)禾本科植物的進(jìn)化歷史決定其根際微生物的群落結(jié)構(gòu)，基因芯片分析表明，約有24%的探針雜交信號與植物遺傳距離顯著相關(guān)。同時，宏基因組測序分析發(fā)現(xiàn)，小麥和黃瓜的根內(nèi)微生物基因表達(dá)具有明顯差異，小麥根內(nèi)微生物的異化硝酸鹽還原基因較豐富，而黃瓜根內(nèi)微生物的過氧化氫酶基因表達(dá)水平較高。此外，黃瓜根內(nèi)微生物中細(xì)胞壁多糖降解酶的表達(dá)水平較高，而小麥根內(nèi)微生物的C4-二元羧酸鹽利用基因豐度較高，說明這2種宿主植物的碳水化合物利用方式具有明顯的差別[29]。Turner等[52]通過轉(zhuǎn)錄組測序技術(shù)分析表明，基于RNA水平分析更能明顯區(qū)分黃瓜、馬鈴薯和谷物(小麥和玉米)根際微生物的群落組成差異，不同宿主植物能夠刺激不同的根際微生物在其根系周圍生長。其中，玉米和小麥根際環(huán)境中的γ-變形菌(Gammaproteobacteria)活性較高，黃瓜根際環(huán)境中的α-變形菌(Alphaproteobacteria)、鞘氨醇桿菌(Sphingobacteria)和黃桿菌(Flavobacteria)的相對豐度較高，而在馬鈴薯根際則以β-變形菌(Betaproteobacteria)為主。Ofek等[53]通過宏轉(zhuǎn)錄組技術(shù)發(fā)現(xiàn)豌豆和燕麥對真菌具有很強(qiáng)的選擇作用，且其根際真菌的相對豐度是小麥的5倍以上，谷物類(燕麥和小麥)根際環(huán)境中纖維素降解菌豐度較高，而豆科植物(豌豆)根際環(huán)境中主要富集H2氧化菌。目前，基于不同植物品種對根際微生物群落影響的研究主要集中于草本植物上，關(guān)于木本植物的研究相對較少。Uroz等[54]研究了落葉林歐洲櫸木和松柏科挪威云杉根際細(xì)菌、真菌和古菌菌群的構(gòu)建，結(jié)果表明，樹木品種對真菌和古菌的群落結(jié)構(gòu)影響較大，而對細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)影響較小。另外，Philippot等[32]的研究表明，多植物品種根際微生物群落的結(jié)構(gòu)比單一植物品種根際微生物的群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且植物豐富度與鏈霉菌屬(Streptomycesspp.)有關(guān)。

3.2 相同品種不同基因型植物對根際微生物組的影響

除了宿主植物種類差異對其根際微生物組的影響外，同一品種的不同基因型對其根際微生物組的構(gòu)建也具有一定的影響。采用基因芯片技術(shù)分析3個品種馬鈴薯的根際微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，4%～9%的OTU相對豐度變化與植物宿主品種相關(guān)，其中，鏈霉菌科(Streptomycetaceae)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的宿主相關(guān)性[55]。Marques等[56]發(fā)現(xiàn)，低淀粉基因型馬鈴薯與高淀粉基因型馬鈴薯的根際細(xì)菌組成差異很大，低淀粉基因型馬鈴薯根際環(huán)境中，鞘脂菌屬(Sphingobium)、Pseudomonas、不動桿菌屬(Acinetobacter)、寡養(yǎng)單胞菌屬(Stenotrophomonas)和金黃桿菌屬(Chryseobacterium)的相對豐度顯著增加。Schlaeppi等[38]研究了3種生態(tài)型的擬南芥及其2種亞種(Arabidopsishalleri、Arabidopsislyrata)，它們的分化時間大約在130萬年前，結(jié)果表明，擬南芥根內(nèi)微生物的種間多樣性差異大于種內(nèi)多樣性，且主成分分析表明，宿主植物的基因型可以解釋17%的根內(nèi)微生物β-多樣性差異。李增強(qiáng)等[57]采用磷脂脂肪酸(PLFA)聯(lián)合13CO2標(biāo)記技術(shù)研究不同玉米品種的根際微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，鄭丹958玉米品種的根際土壤中細(xì)菌和真菌的PLFA-C含量顯著高于陜丹8806玉米品種。

植物引種馴化深刻改變了世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的格局，對人類社會文明進(jìn)步產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。人工干預(yù)和自然選擇使得野生植物被逐步馴化為可供生產(chǎn)或者觀賞的植物，同時也使得現(xiàn)代作物品種的基因多樣性顯著降低，從而間接影響其根際微生物群落的結(jié)構(gòu)和功能[50，58]。Bulgarelli等[58]通過高通量測序分析野生和馴化大麥的根內(nèi)微生物功能和結(jié)構(gòu)多樣性組成發(fā)現(xiàn)，宿主植物基因型可以解釋5.7%的根內(nèi)微生物群落變異性。Kim等[59]的研究發(fā)現(xiàn)，相較于馴化鷹嘴豆，野生型鷹嘴豆根瘤中的根瘤菌多樣性更高。類似地，Zachow等[60]的研究表明，野生型甜菜的根際微生物群落多樣性顯著高于馴化甜菜。該結(jié)果進(jìn)一步表明，在馴化過程中植物基因多樣性的降低會間接影響其根際環(huán)境中的微生物群落多樣性。不過，Burke等[61]的研究認(rèn)為，盡管同一品種不同基因型海藻根內(nèi)環(huán)境中的微生物群落具有明顯差異性，但是微生物群落功能卻存在很大的共性，說明宿主植物對根內(nèi)微生物的“招募”過程主要是由微生物的功能，而不是品種決定的。Zgadzaj等[62]利用百脈根野生型和突變體研究根瘤形成過程對其根際和根內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響時發(fā)現(xiàn)，野生型宿主根際微生物的種類較為豐富，而突變體根內(nèi)環(huán)境中黃桿菌目(Flavobacteriales)、黏球菌目(Myxococcales)、假單胞菌目(Pseudomonadales)、根瘤菌目(Rhizobiales)和鞘脂單胞菌目(Sphingomonadales)的相對豐度降低，其根內(nèi)微生物主要包括放線菌門(Actinobacteridae)、紅螺菌目(Rhodospirillales)、鞘脂桿菌目(Sphingobacteriales)和黃單胞菌目(Xanthomonadales)。作者認(rèn)為，兩者根際微生物組的組成差異不是由突變體根系中共生固氮作用的消失引起的，而是因為突變體根系中缺少共生代謝的途徑。

3.3 植物生長發(fā)育過程對植物根際微生物組的影響

研究表明，植物的年齡和生長時期也可以顯著影響其根際微生物組的構(gòu)建。大部分研究認(rèn)為，植物在苗期時具有較強(qiáng)的根際微生物選擇效應(yīng)，這種選擇效應(yīng)會隨著植物的生長而逐漸消失。不過，部分研究也認(rèn)為植物在整個生長周期都具有根際選擇作用，但不同時期對微生物的選擇喜好性不同[9，63-64]。例如，對于野生薺菜來說，隨著生長時限的增長，其根際微生物的α-多樣性呈單調(diào)遞減趨勢[65]。Li等[66]的研究指出，在生長初期玉米根際環(huán)境中馬賽菌屬(Massilia)、黃桿菌屬(Flavobacterium)、鐵礦沙單孢菌屬(Arenimonas)等菌屬的相對豐度較高，而在生長后期Burkholderia、雷爾氏菌屬(Ralstonia)、Sphingobium、慢生根瘤菌屬(Bradyrhizobium)和貪噬菌屬(Variovorax)等的相對豐度較高。Yuan等[64]對擬南芥不同生長時期根內(nèi)微生物組的群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析時發(fā)現(xiàn)，苗期Firmicutes的相對豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于營養(yǎng)期和抽薹期，而Proteobacteria相對豐度的變化趨勢正好相反，發(fā)展時期擬南芥根際微生物中，慢生根瘤菌科(Bradyrhizobiaceae)、叢毛單胞菌科(Comamonadaceae)和根瘤菌科(Rhizobiaceae)占據(jù)主導(dǎo)地位。

4 植物調(diào)控根際微生物定殖的內(nèi)在機(jī)制

植物在其根際微生物構(gòu)建上發(fā)揮著重要作用，主要通過植物根系角質(zhì)層成分、根系分泌物、根系代謝，以及免疫系統(tǒng)等進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。

4.1 根系分泌物對根際微生物組定殖的影響

根系分泌物的成分組成決定了宿主植物傾向于吸引哪些土壤微生物在其根系周圍定殖，從而間接影響了根內(nèi)微生物群落的結(jié)構(gòu)。植物根系分泌物，如氨基酸、糖類、脂肪酸、維生素、生長因子、激素和有機(jī)酸等為微生物提供了豐富的碳源和營養(yǎng)，同時還包含一些抗菌物質(zhì)[67-68]。宿主植物通過調(diào)控根系分泌物，如獨腳金內(nèi)酯類和類黃酮化合物的含量吸引能夠幫助其抵御環(huán)境脅迫的根際促生菌群，還可以通過分泌碳水化合物和氨基酸吸引微黃棒桿菌(Corynebacteriumflavescens)和短小芽孢桿菌(Bacilluspumilus)在其根際環(huán)境中定殖[69]。根系分泌物中的苯并惡唑嗪酮類化合物能夠顯著增加玉米根際環(huán)境中惡臭假單胞菌(Pseudomonasputida)的相對豐度[70]，而蘋果酸和檸檬酸則能夠促進(jìn)根際促生菌多黏芽孢桿菌(Paenibacilluspolymyxa)SQR-21向西瓜根際環(huán)境移動并富集[71]，還可以促進(jìn)解淀粉芽孢桿菌(Bacillusamyloliquefaciens)SQR9在黃瓜根際區(qū)域生長并形成生物膜[72]。研究發(fā)現(xiàn)，燕麥突變體根際真菌的群落組成與正常野生型燕麥根際真菌的菌群結(jié)構(gòu)存在顯著差異，且突變體更容易受到真菌病原菌的感染[52]，這是由于突變體燕麥根系無法分泌具有抗真菌作用的燕麥根皂苷化合物。綜上，植物通過調(diào)控根系分泌物的成分選擇和激活某些有益菌進(jìn)行生長，并在其根際和根內(nèi)環(huán)境中形成穩(wěn)定的功能根際微生物組。

Cole等[73]利用隨機(jī)編碼轉(zhuǎn)座子誘變技術(shù)對根內(nèi)定殖菌——猴假單胞菌(Pseudomonassimiae)進(jìn)行測序，分析后鑒定出115個與定殖相關(guān)的功能基因，這些基因與碳代謝、細(xì)胞壁合成和移動性有關(guān)。Sessitsch等[74]通過宏基因組分析發(fā)現(xiàn)，根內(nèi)微生物的功能主要與移動性、植物聚合物降解、鐵載體的產(chǎn)生、群體感應(yīng)和活性氧解毒等相關(guān)。植物品種和基因型、年齡和生長狀態(tài)等因素能夠顯著影響根系分泌物的成分組成，從而進(jìn)一步影響植物根際微生物組。Chaparro等[75]通過分析擬南芥苗期、營養(yǎng)期、抽薹期和開花期根際微生物的群落發(fā)現(xiàn)，擬南芥通過調(diào)控不同時期根系分泌物的組成成分影響其根際微生物的結(jié)構(gòu)和功能。擬南芥在苗期和營養(yǎng)期時根系分泌物中含有較多的糖類，傾向于吸引硝化桿菌屬(Nitrobacter)、紅螺菌屬(Rhodospirillum)、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)、中慢生根瘤菌屬(Mesorhizobium)和固氮根瘤菌屬(Azorhizobium)在其根系周圍富集，而到了抽薹期和開花期則會分泌更多的酚類物質(zhì)，從而促進(jìn)根際促生菌如Bacillus、Burkholderia、藍(lán)絲菌屬(Cyanothecespp.)和Bradyrhizobium的生長。

4.2 植物激素對根際微生物組定殖的影響

除了根系分泌物，近年來越來越多的研究認(rèn)為植物自身的免疫系統(tǒng)也是影響根際微生物定殖的重要內(nèi)在機(jī)制。調(diào)控植物免疫反應(yīng)的主要激素，如水楊酸、乙烯、茉莉酸素、脫落酸、生長素、赤霉素、細(xì)胞激動素和油菜素甾體素等具有抵御各種生物(病蟲害)和非生物(干旱、高鹽)脅迫的作用，同時能夠調(diào)控植物的生長發(fā)育、繁殖和生存競爭等活動[8，76]。外界病原菌和食草動物侵害植物時，會誘導(dǎo)其產(chǎn)生防御信號[8]，而植物防御信號的產(chǎn)生主要受植物免疫激素對不同病原菌的響應(yīng)來進(jìn)行調(diào)控。如水楊酸信號路徑主要介導(dǎo)植物對活體營養(yǎng)型病原的抗性，而茉莉酸素/乙烯主要介導(dǎo)植物對壞死營養(yǎng)型病原的抗性[77]。這些植物激素能夠顯著影響宿主植物根際微生物組的組成，其中，關(guān)于乙烯、水楊酸和茉莉酸素調(diào)控根際微生物定殖機(jī)制的研究較多。Lebeis等[78]通過研究擬南芥水楊酸突變體中根內(nèi)微生物的群落發(fā)現(xiàn)，水楊酸突變體中的根內(nèi)微生物α-多樣性低于正常野生型，說明水楊酸在保障根內(nèi)微生物組的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用。這主要是由于某些微生物可以將水楊酸作為碳源和生長因子用于生長和繁殖。Carvalhais等[79-80]發(fā)現(xiàn)，茉莉酸素可以通過改變擬南芥根系分泌物的成分組成間接影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)。與野生型相比，擬南芥突變體(myc2和med25)的根系分泌物中含有較低含量的天門冬酰胺、鳥氨酸和色氨酸，從而導(dǎo)致其根際細(xì)菌和古菌的群落組成發(fā)生改變，其中，med25突變體中Streptomyces、Bacillus和賴氨酸芽孢桿菌屬(Lysinibacillus)的相對豐度較高，而myc2突變體中腸桿菌科(Enterobacteriaceae)群落的豐度較高。

5 微生物互作對根際微生物組構(gòu)建的調(diào)控作用

植物根際環(huán)境中定殖著大量的微生物，根際微生物種類多，數(shù)量大，多樣性豐富，且各種微生物群居在根際微域環(huán)境中，相互之間彼此影響，形成各種關(guān)系，既有協(xié)同聯(lián)合、互惠互利，又有競爭制約、互相排斥，從而對群落的結(jié)構(gòu)和功能造成重要影響[81-82]，進(jìn)一步影響宿主植物根際和根內(nèi)微生物群落的構(gòu)建。微生物之間存在著相容和共生現(xiàn)象，即2種微生物菌可以共存或至少對一方有利，物種之間可以相互利用對方的代謝產(chǎn)物。廖繼佩等[83]發(fā)現(xiàn)，接種菌根真菌使玉米根際細(xì)菌和放線菌數(shù)量增加，其中以接種叢枝菌根真菌(Glomuscaledonium)的玉米根際細(xì)菌數(shù)量最多。接種菌根真菌后，玉米根際放線菌的數(shù)量遠(yuǎn)大于(至少一個數(shù)量級)不接種處理。根際周圍的纖維素分解菌與固氮菌在營養(yǎng)上存在共生關(guān)系，固氮菌需要適量的糖作為碳源和能量，纖維素分解菌為固氮菌提供糖，固氮菌可為纖維素分解菌提供碳源，互為對方提供有利的生活條件[81]。同時，微生物之間還存在著拮抗現(xiàn)象，即彼此發(fā)生對立、存在競爭的關(guān)系，從而使其中一方受害或兩者同時受害。高旭輝[81]發(fā)現(xiàn)，將茶樹根際周圍分離的木霉菌(Trichodermaspp.)分別與茶紫紋羽病菌和茶白絹病菌同時培養(yǎng)，木霉菌周圍產(chǎn)生了明顯的抑制圈，說明前者對后者具有抑制作用。放線菌的存在對于根際細(xì)菌具有明顯的抑制與拮抗作用[84]。苗則彥等[85]發(fā)現(xiàn)，放線菌在生長過程中分泌的抗生素可以抑制其他有害病原微生物的生長。Li等[86]對分離自醉馬草的內(nèi)生真菌Epichlo?gansuensis的研究發(fā)現(xiàn)，其對植物病原真菌根腐離孺孢(Bipolarissorokiniana)、新月彎孢(Curvularialunata)、銳頂鐮孢(Fusariumacuminatum)和細(xì)交鏈孢(Alternariaalternata)的生長都有不同程度的抑制作用，且對根腐離孺孢的抑制效果最明顯。

6 其他因素對根際微生物組構(gòu)建的調(diào)控作用

根際微生物組構(gòu)建除了受到土壤和植物2大因素的影響外，還會受到其他生物和非生物因素，如氣候條件、環(huán)境條件(干旱、高溫、高鹽、缺磷等)、化肥農(nóng)藥、病蟲害侵染等的影響。Qin等[87]綜述了高鹽環(huán)境條件下植物根際微生物組的調(diào)控適應(yīng)機(jī)制，指出植物通過選擇“招募”過程吸引能夠幫助其抵御高鹽環(huán)境的細(xì)菌和真菌，這些微生物通過調(diào)控植物激素的分泌狀態(tài)、提高植物的營養(yǎng)吸收和產(chǎn)生揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)等方式影響植物的生長狀態(tài)，從而提高植物的耐鹽性。

近年來，隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，重金屬和持久性有機(jī)污染成為不容忽視的環(huán)境問題，嚴(yán)重危害著人們的健康和安全。研究表明，重金屬和有機(jī)污染物可以顯著影響根際微生物的群落結(jié)構(gòu)，且對真菌的影響程度比對細(xì)菌大[88-89]。此外，病原菌侵害是影響植物健康生長的最大威脅，植物除了通過調(diào)控自身免疫系統(tǒng)產(chǎn)生抗性外，還可以通過調(diào)控根際微生物組的結(jié)構(gòu)提高其對病蟲害的抵御能力。如在抑病土壤中，土壤環(huán)境中的微生物代謝活動可使作物較少受到土傳病原菌的侵害。Mendes等[90]研究發(fā)現(xiàn)，γ-， β-變形菌綱(γ-， β-Proteobacteria)和Firmicutes在抑菌土壤中的相對豐度較高，這主要是由于γ-變形菌綱(γ-Proteobacteria)中的假單胞菌科(Pseudomonadaceae)可以產(chǎn)生類似氯化脂肽的化合物幫助甜菜抵御水稻紋枯病菌的侵害。

7 展望

近年來，基于根際微生物組調(diào)控作物的生長發(fā)育成為生態(tài)健康和農(nóng)業(yè)發(fā)展研究的熱點，也是今后有機(jī)農(nóng)業(yè)發(fā)展的新視點。目前，根際微生物組學(xué)的研究重點逐步從根際微生物的群落構(gòu)建轉(zhuǎn)變到根際微生物的功能調(diào)控方面，同時也更加注重微生物功能對植物健康生長和增產(chǎn)等的影響。然而，如何基于根際微生物群落開發(fā)高效且穩(wěn)定的微生物菌劑和防控劑，進(jìn)而應(yīng)用于實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)研究還比較薄弱。這主要是由于盡管微生物群落有著單一微生物無法媲美的優(yōu)點，但是微生物之間的合作和競爭關(guān)系使得微生物群落的結(jié)構(gòu)與功效不穩(wěn)定，且不同土壤、植物類型的根際微生物組結(jié)構(gòu)也千差萬別。

最近，許多研究提出“核心根際微生物組(core root microbiome)”的概念，即在盡量簡化微生物群落組成、過濾掉功能冗余且易受環(huán)境影響的微生物的同時，保留對植物生長具有高效作用的核心微生物群，并且這些微生物應(yīng)當(dāng)能夠在自然環(huán)境中長期穩(wěn)定存在[28，39]。如何結(jié)合高通量測序和傳統(tǒng)培養(yǎng)方法人工構(gòu)建穩(wěn)定且高效的核心根際微生物組，如何定量和評估核心根際微生物組的功能是當(dāng)前開展根際微生物組學(xué)研究的重要內(nèi)容，對于綠色農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境的健康穩(wěn)定等也具有重大意義。