摘 要：不断增长的人口需要越来越多的粮食，但现代农业的增产潜力有限，需要培育新的作物品种，增强对环境压力和害虫的抵抗力，以提高产量。然而，它们仍然需要施肥来补充在土壤中受到限制的必需营养素。根系微生物的合理利用可以减少农业中无机施肥，提高植物生产力。因此，我们必须了解微生物群落结构及其“基因组”，以及它是如何受到不同土壤类型和作物品种的影响。将来，我们也许能够改良并更好地利用土壤微生物群来促进植物的生长，提高产量。
关键词：内生菌；环境基因组学；微生物群；植物生产力；
0引言 从19世纪初开始，人类人口已经增长了七倍，地球的自然资源被过度开采，生物多样性的丧失，气候变化，氮循环扰动。生物多样性减少和气候变化已经成为社会和政治考虑的主要问题。然而，对氮循环扰动是一个更需要密切关注的全球性问题。到目前为止，不断增长的人口对粮食需求已经超过了粮食产量的增长。这场农业变革对全球生物地球化学氮循环产生了巨大的影响。然而，由于60%的合成氮化肥不能被植物吸收，大部分都进了地下水中。氮是蓝藻和藻华的限制性营养素之一，一旦释放到地下水中，它就会迁移到海洋中，导致海洋微生物种群的剧烈变化，从而影响整个海洋食物链。在发达国家，肥料通常被过度使用，只有这样植物才能够达到目前的产量潜力。然而，发展中国家必须大幅提高每公顷的产量。这就是为什么要了解我们如何才能提高植物的生长并减少对昂贵的和对环境有害的合成肥料的依赖。
如果情况乐观，到2050年，每公顷的作物产量将翻一番，但这仍然不够。即使假设这种乐观的情况，在自然栖息地的土地覆盖上也必须做出一些牺牲。例如，森林砍伐是印度尼西亚、马来西亚、巴拉圭、玻利维亚、赞比亚和安哥拉等国家增加作物产量的临时解决方案，自21世纪初以来，森林的整体损失估计达到150万平方公里。重要的是，我们能够提高已经转化为土地的土地产量。实现这一目标的可持续的方法之一，是将研究重点放在植物的自然能力上，以提高产量。100多年前，人们注意到植物根部周围的土壤富含微生物，所以根际圈被提出来。这些微生物在植物生长中有重要作用，随着对根际环境的了解，我们可能会开始利用这些关系来增加植物在环境中的生长。利用微生物为植物提供必需的微量营养素和宏量营养素，是根际植物微生物研究的一个重要目标。在这篇综述中，我们考虑了这些相互作用的选择特征。我们介绍了目前对微生物群落结构的认识，以及它是如何由环境因素和植物宿主形成的。最后，我们考虑了该领域未来的发展方向以及更好地了解和利用土壤微生物群的可能性。
1根系微生物的概念与分类 根系微生物是指在植物根系直接影响的几毫米土壤范围内生长繁殖的微生物。有细菌、放线菌、真菌、藻类和原生动物等。它们与植物根系、植物等相互作用、相互促进，形成互利互生关系。根系微生物以细菌为主，革兰氏阴性菌占优势。根系微生物通常包括3个部分：与外界土壤接触的根际微生物、根系表面的根表微生物和根系内部的根系内生菌。其中根表微生物和根系内生菌统称为根圈微生物。不同部位的微生物它们的作用不同。根际微生物主要生活在外界的土壤环境中，将土壤中的无机物转化为有机物，为植物生长提供养料。根表微生物主要生活在根系表面，它可以形成厚密的套膜，保护内部的根系。有些还可以抵御病原物入侵哟。根系内生菌主要生活在根系内部，它主要通过产生促进植物生长的物质来调节植物的生长发育。
2植物和内生真菌之间的相互作用
2.1内生真菌与植物宿主的营养互换 植物生长的限制因素通常是磷和氮，以及较小程度的铁。这些是植物能够直接从土壤中获取的营养物质，也可以利用微生物作为固定剂或“土壤清道夫”。 也许最普遍和最重要的例子是菌根真菌和植物根系之间的相互作用，这对于为植物宿主提供水和磷以换取真菌的碳是特别重要的。磷经常限制植物的生长，尽管它在土壤中很丰富，但是它通常在酸性或碱性条件下与铝和铁或钙(形成磷灰石)结合。植物需要一种可溶的磷酸盐，如H2PO4或HPO4。一些细菌释放出有机酸，能够螯合磷酸，从而将其释放到土壤中。然而，这还不足以使植物获得所有必需的磷酸盐(特别是在酸性土壤中)，通过菌根真菌进行吸收显得尤其重要。菌根是在早期的泥盆纪时期形成的。据估计，有30万种植物与丛枝菌根真菌相互作用。真菌在土壤中作为孢子生长，直到它们发现一种植物。它们在土壤中发芽并释放菌丝，以寻找寄主植物根，在植物的纹状枝上，有丝分支被刺激。在与植物接触后，真菌形成了附着胞，通过LCO信号，它们可以进入到细胞内。最终，这种真菌在皮层细胞内形成了分支菌丝，它们被植物的质膜包围着。植物为菌丝提供碳源，然后得到通过菌丝得到磷酸盐。
真菌与植物宿主的交叉互换类似于结瘤，许多步骤在被称为共生通路的过程中是守恒的。植物宿主必须对菌根或根瘤菌进行最初的特异性识别。
2.2固氮菌通过结瘤解决植物氮缺乏 有些根瘤菌属于甲状杆菌，还有一些属其变形菌门的成员，它在豆科植物根上形成了结节。在结节里，他们将大气中的N2转化为植物可利用的NH3，作为植物为之释放碳化合物的回报。也有许多细菌是存在与于土壤中的游离细菌或根内的内生菌，其中一些可能会修复大量的N2。
结瘤是一种非常有效的氮同化方法，已得到广泛的评价。然而，它只局限于在欧洲一组豆类和放线植物。不幸的是，最重要的作物，谷物，不能通过结瘤获得氮。然而，一些细菌通过土壤中侧根产生时形成的裂缝和通过土壤运动获得的伤口进入根组织。其中一些细菌促进植物生长，可以修复N2。尽管没有直接证据表明，植物内生固氮菌可以为植物宿主提供了氮化合物，但人们普遍认为，这样的过程很可能的。例如，葡萄糖酸杆菌突变后，固氮能力丧失，相比野生型的，植物宿主甘蔗生长的能力也随之降低。
研究最多固氮菌的是斯氏假单胞菌A1501，它是我国科学家于1980年自稻田分离到的一种联合固氮菌，在我国主要被用于田间接种。它已经获得了对氮素酶编码的基因，后来它获得了将酶活性调整到合适的环境条件所需的基因。假单胞菌有一个49kb的固氮固定簇，含有59个基因。研究表明在生长介质中加入氨后，固氮细菌会关闭固氮。nif基因是自由生长所需的，它们的转录被添加氨所抑制。有趣的是假单胞菌可以在厌氧、有氧和微氧条件下分别进行脱氮、硝化和固氮。一项全球性的转录组研究揭示了一种与氮固定有关的新基因pnfA。pnfA与 nifHDK相关，并且都被相同的转录启动子调控。尽管pnfA的突变并没有直接改变这些基因的表达，但是突变株在微氧条件下减少了氮化酶活性。
2.3根系分泌物与土壤微生物群相互作用 由植物固定的碳中有21%是由根部分泌的。这表明植物可能会促进植物-微生物的相互作用。植物可以主动分泌化合物，并改变根际微生物群。而土壤微生物的变化会引起植物渗出物中酚类物质升高以及糖含量降低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆实验证明当不同种类的化合物被直接添加到土壤中时，有机酸而非糖等其他化合物是引起微生物的丰富性和结构变化的主要因素。一项更全面的研究表明，在Athaliana的分泌物中，土壤微生物群发生改变主要是酚类化合物引起，其次是氨基酸、糖醇和糖。很有可能是植物利用代谢物来吸收有益的微生物并抑制病原体。已有实验证明番茄可以根据是否有病原菌而改变其分泌物构成。
已有很多研究者对不同植物的根际微生物群的结构进行了比较。并且已经获得马铃薯、水稻、玉米、小麦、燕麦和豌豆以及一系列其他经济作物的根际微生物菌群结构。马铃薯根圈中主要是β变行菌和假单胞菌，而水稻中主要是圈中主要是放线菌。玉米选择的是伯克氏菌，海洋螺菌。小麦主要对纤维杆菌属，疣微菌属，厚壁菌门有亲和力，豌豆则选择性亲和了马西利亚、黄杆菌和链霉菌。
根系微生物群的发后，吸引越来越多的研究者将重点放在植物根内圈上，因为他们认为环境微生物可能对植物健康会有更大的影响。一般来说，根内圈富集最多的是变形菌门，其次是伯克氏菌门，海洋螺菌门以及鞘脂杆菌目。随着新的高通量测序方法的出现，关于根际微生物菌群的研究正在兴起。
3基于DNA的土壤基因组学 系统的研究需要使用特别设计的引物来扩增DNA，例如原核16型rRNA子单元的V4区域。使用两种或以上不同的PCR引物，建立无法相互关联的独立数据集。然而，最近对小麦、燕麦和豌豆的影响的研究使用的是RNA而不是DNA来研究根际微生物群。植物不仅在生活的每个领域内改变了微生物种群，而且在这一层次上也发生了显著的变化;也就是说，豌豆比小麦和大体积的土壤更能支持真核生物。未来对土壤微生物的研究也应该显示原核生物与真核生物的比率，因为这可能是植物选择的一个关键因素。有两种方法可以做到这一点。第一个是基于对DNA的扩增，使用了特定的引物，测序，并估计相对丰度。为了做到这一点，我们必须在环境DNA上进行一系列的定量研究。另一种以环境转录基因组学为基础的方法在特纳的研究得到了描述。简而言之，环境RNA，即大于95%rRNA，被反向转录成cDNA，并使用Illumina HiSeq进行测序。在此方法中，得到了准确的微生物群结构。值得注意的是，基于DNA的研究关注的主要是新陈代谢活跃的微生物。
4植物对土壤微生物的选择遗传性 对于新的植物育种项目，我们需要了解它们对土壤微生物群的反应。植物在根际和/或内圈中选择有益微生物可能是植物吸收养分和抵抗病原体过程中的一个重要特征。为了研究植物在土壤微生物选择中的遗传因素，有必要研究密切相关的近交株系对土壤群落的影响。 已有研究将27种玉米的近交系播种在五种不同环境中，结果证明植物的基因型控制着土壤微生物群。在自然环境,土壤以及土壤状况，例如天气，是土壤微生物的主要影响因素。尽管植物品系之间有很大的差异，由于宿主植物遗传多样性没有很大差异，他的根系微生物结构也没有发生很大差异。
既然土壤微生物群结构具有遗传特性，那么理论上我们可以提供最适宜的作物生长的微生物学环境。在更早的一项研究中通过多代种植拟南芥也间接显示了微生物群落的遗传特性。研究把种植第一代生物量最高和最低的土壤分别用于下一代植物培养的。实验一共重复进行到16代，但经过8代之后，在高生物量和低生物量之间的植物生物量有明显的统计学差异。这表明不同的微生物种群被植物选择以提高或阻碍植物生长。
土壤微生物在植物健康中起着至关重要的作用，因此它在土壤抑制现象中也得到了广泛的探索。研究发现最初容易受到真菌攻击和降低产量的土壤植物，在随后的几年里可能会对攻击产生抗性。人们还注意到，将这种产生抗性的土壤接种到其他地块上，可以成功地促进被接种地块植物的健康。真菌植物的病原体几乎是导致植物产量下降的主要原因，而在抗性土壤中，这种病原菌的数量也减少了。研究发现，抗性土壤中含有大量的β变形菌和厚壁菌。这项研究还发现，在抗性土壤中检测到9种假单胞菌产生的氨基酸氯酸脂肽可能是土壤产生抗性的原因。同样的，植物的微生物群在植物单一栽培中也发生了变化。油菜籽的油菜产量在4年的单一栽培中下降了，原因可能是就是的植物宿主病原体芸苔油壶菌和棘壳孢属积累增多。
综合研究结果，从理论上来说，我们可以对某一领域的土壤群落进行调查，并以此为根据，选择最适合生长的作物。当然，不仅是土壤微生物群决定了作物产量，关注土壤结构空间和时间上的变化能够更好的控制土壤病原体，也可以减少对杀菌剂和肥料的需求。当然这需要深度发觉植物-微生物的相互作用，并且能够对土壤微生物群进行快速和廉价的筛选。
5农业科学的未来 植物的根系对养分的获取和生产力是至关重要的，但是在未来我们需要更密切地关注它们与土壤微生物群的相互作用。虽然已经有很多关于土壤微生物的研究，但大多数的研究都是在实验室条件下研究细菌、真菌和真菌。为了破译植物-微生物的相互作用，需要更多地关注土壤条件。然而,随着测序技术的进步, 可以更好的追踪土壤微生物群不同时间和空间的变化以及它们对植物的影响。这表明，未来育种，我们应该能够考虑植物与土壤微生物群的相互作用，从而选择更有利于相互作用的植物基因型，提高植物生产力。
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论文作者:赵璧
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第09期
论文发表时间:2019/9/29
标签：微生物论文; 植物论文; 土壤论文; 根系论文; 真菌论文; 相互作用论文; 宿主论文; 《科学与技术》2019年第09期论文;