利用植物共生微生物促进农业发展

编译 毛巍

此类研究非常有应用前景，可以绘制实现植物微生物转化的潜在路线图。甚至在短短几年内，对植物微生物的调控会从实验室搬到农业生产现场。

根部图：植物的根以及根和土壤之间的区域——被称之为根围——是微生物生活的家园，它们之间的相互作用影响了植物对矿物质的吸收

预计到2050年，世界人口将达到98亿，跟目前的人口相比增加了30%，这会给全球的粮食生产带来巨大的压力。这种巨大的压力不可能仅依靠农民使用农药使农作物免受病原体侵害来提高产量。为了使人类有可持续的食物来源，需要从根本上改变农作物的生产过程及生产方式，即通过调控与植物相关的微生物来改变农业的生产模式。

越来越多的实验证据表明，植物与动物在某些方面是相似的，植物也不是孤立存在的个体，而是与许多不同种类的微生物共生的。

几年前，我在德国马克斯·普朗克研究所保罗·舒尔茨-勒福特（Paul Schulze-Lefert）实验室做博士后期间从事植物育种相关的研究工作。我用新一代测序的方法研究了模式植物拟南芥根部的微生物群落。尽管多年来科学家都知道根与各种微生物之间存在着复杂的相互作用，但对这些群落的组成仍然知之甚少。当获得大量的测序数据后，我们惊讶于一个细小的根竟然是如此多微生物的宿主，而且这些微生物在分类学上竟然存在着惊人的多样性。在这种看起来混乱的局势中，其实还是有规律可循的。研究结果几乎无一例外地表明，植物根系附近存在着丰富的放线菌属、拟杆菌属以及变形杆菌属微生物，从而可以将根系与周围的环境区分开来。随后又有其他实验室的研究结果与我们提出的观点一致，而且他们还提出硬壁菌门促进植物生长的观点。

除了对这些微生物群的研究结果外，对植物基因组的研究结果也表明植物的基因组与某些真菌和真核微生物有相关性。所有这些微生物群落不仅仅在植物的根部以及根部周围的土壤里生存，它们还在植物的其他组织中存活，例如，叶子。

为什么某些微生物在根和叶中更丰富呢？这些微生物群落是如何聚集的？最重要的是，它们是如何影响植物健康的呢？

最近，不仅对不同种类的植物的各种组织中存在的微生物群落基因组进行研究，研究人员还开始探索这些微生物群落的功能。如果我们能从分子层面弄清楚植物与其共生的微生物之间的关系就能颠覆农业生产的规律。

植物根系与土壤之间的界面区被称作为根围——根围为根以及与其共生的微生物提供生活场所，而这些微生物又可以促进植物对矿物质的吸收，并且可以促进植物合成调节其生长的化合物——植物激素。植物激素能调节植物的生长发育，同时保护植物免受土壤害虫和病原体的侵害。由于这些原因，科学家正在寻找调控这些植物微生物的方法，从而通过改变其生活环境来改变微生物组成进而提高农作物的产量。

手指状的菌丝：除细菌外，植物微生物还包括真菌，如图所示的立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）

植物微生物研究

根据粗略估计，每克土壤中含有成千上万种细菌，更不用说其他微生物了。也许这并不奇怪，建立与土壤微生物群共生作用是植物适应陆地环境的首要事件。根据化石提供的证据表明，与真菌的第一次这样的相互作用发生在大约4亿年前。

研究表明，土壤性质是根系微生物种群的主要决定因素。例如，土壤的营养成分和可吸收的矿物质的组分。这就像脊椎动物体内消化道的微生物与其食物之间的相互作用一样，反过来根的土壤微生物又影响了适应不同土质的植物种类。

在动物界，宿主与寄生在其体内的微生物之间存在相互作用关系。与动物界相似，植物界中某些种类的微生物与植物之间也存在着这种关系。在以拟南芥和水稻作为研究对象的研究工作中，我和其他研究人员在根-土界面中至少鉴定出3种不同却能在根-土界面大量繁殖的微生物：其中之一生活在根围，另外一种生活在须根表面或根面，而第三种则生活在根内，即内球区。在多种植物类型中，放线菌、杆菌、厚壁菌和变形菌在这三个分区的植物微生物中占主导地位。在多个物种的细菌群落中，植物的地上部分例如叶子也表现出相似的可预见的微生物组成。

在相同种类的植物中，植物微生物的类别组成在很大程度上是保守的，也就是说寄生的微生物的差别主要取决于宿主植物的种类。微生物在哪种植物根系的哪个部位出现的一个重要影响因素是该植物向根围中释放的有机化合物的组成。植物向根围中释放的有机化合物的过程称为根际沉积。植物释放的有机物的组分的变化取决于植物的种类及植物生长的阶段，而且植物释放的有机物竟然相当于植物净光合作用的固碳量11%, 相当于总固氮量的10%到16%。这一过程影响根际的化学和物理组成，而且与此同时这又为微生物的生长提供信号分子和有机基质。

影响植物微生物种类的另一个因素可能是植物微生物之间的相互作用。在2016年，马克斯·普朗克植物育种研究所埃里克·可门（Eric Kemen）领衔的研究团队在4个不同季节，分别对生长在德国的5个自然观测点的野生拟南芥进行研究。根据研究结果，他们鉴定出了9万对相互作用的微生物，揭示了6个微生物中心（这些区域类似于网络中心）具有比其他区域更多的相互联系。不仅如此，可门领衔的研究团队通过实验还发现，微生物之间存在一些负相关性。2017年，来自哈佛大学的罗伯托·科尔特（Roberto Kolter）及其同事在玉米根系中发现也存在这种微生物之间的相互作用。

这些研究结果表明，微生物的各个组成成员在微生物群落的组成和稳定维持的过程中发挥着不同的作用。要想弄清楚植物微生物之间的相互调控作用，必须研究清楚植物叶片和根系中不同微生物自身及其相互之间的关系。

从组成到功能

多年来，研究人员发现，尽管存在着病原体和有利于感染的条件，但是在有些地区生长的植物比在其他地区生长的植物更不易受病害的影响。原来是因为这些地区的土壤通过微生物促进植物健康。

研究人员正在深入探索其中机制。例如，在2011年，荷兰的瓦格宁根大学和研究中心的罗德里戈·门德斯（Rodrigo Mendes）及其带领的团队研究发现，植物保持健康不感染疾病的原因是因为假单胞细菌科（Pseudomonadaceae）的富集作用。在2017年发表的研究中，哈佛大学罗伯特·科尔特领衔的研究团队发现，接种7个选定菌株的玉米植株感染轮枝样镰刀菌（Fusarium verticillioides）滞后，而轮枝样镰刀菌是玉米枯叶病的病原体。这种现象是由所选择的特定菌株造成的，而不是所有细菌都有此功能，例如用大肠杆菌实验室菌株对玉米进行处理，就并不能保护玉米幼苗免受病原菌的侵染。同样，选定的七株菌株一起才能起到保护作用。

将测序数据与微生物分离相结合的研究方法逐渐发展成为一种研究植物微生物功能的强大工具。像科尔特一样，研究人员正在试图用人工组装微生物菌株群落系统（SynComs）的方法来研究微生物群落的组成对被测试植物的影响。这种方法曾经被认为是一项艰巨的任务，因为能在实验室条件下进行培养的植物微生物大约只占土壤微生物总量的1%，种类非常有限。

但在2015年，为了研究拟南芥中细菌可以进行人工培养的比例，舒尔茨-勒福特的实验室与朱丽亚·沃尔特（Julia Vorholt）集团联手在瑞士的苏黎世联邦理工大学进行相关实验，结果发现之前报道的只有1%的植物微生物能在实验室培养的统计数据远被低估，实际远远要高于这个比例。对从植物叶片及根系中找到的8 000多个单克隆微生物菌落进行分类学比较，并对它们进行单独培养然后测序分析，发现拟南芥中50%的植物微生物是可以在体外进行培养的。

利用这一发现，该研究团队针对拟南芥根和叶中具有代表性的植物微生物SynComs系统，并在植物不同部位接种，研究其对人工培养的拟南芥的影响。这些实验结果表明，将寄生在植物根和叶的菌株（类似于天然微生物）进行接种时，植物在这种微生物群落中的表现类似于天然生长状态。这一结果表明Syn-Coms应该是模拟了一个完整的微生物生态系统。

从此，许多研究人员利用SynComs进一步探索植物微生物对植物的作用。例如，来自北卡罗来纳大学教堂山分校的杰夫·邓戈儿（Jeff Dangl）及其同事们应用植物微生物SynComs来研究植物根系微生物对植物磷吸收的作用。在自然界中，土壤中磷的含量不到5%。为了避免土壤中磷含量低于这一浓度，农民依赖使用化学肥料来实现，但长期来看这种做法是不可持续的。因此，研究清楚植物及其相关微生物是如何在磷供应充足或者短缺的条件下茁壮成长是一个非常重要的事情。有大量文献记载丛枝菌根真菌对植物磷吸收的贡献，但细菌菌群的作用仍然是未知的。科学家正在寻找调控土壤微生物的方法，试图以可持续的方式提高作物产量——目前，对植物微生物的新认识正在促进农业技术的发展。

在以拟南芥为研究对象的实验中（通常拟南芥不与菌根真菌共生），邓戈儿和他的同事对野生型植物与削弱了磷饥饿反应（PSRs）的突变系植物的微生物进行了对比研究，试图研究清楚植物应对缺磷状态的策略。

利用从拟南芥及相关植物中挑选出的35种植物微生物，使用SynComs方法，研究人员对野生型和突变体进行了研究，并发现当拟南芥暴露在低磷和高磷环境下，它们能形成不同的根系微生物群。值得注意的是，当植物生长在低磷环境下时，SynComs接种的植物减少了磷的富集，而当植物生长在磷含量丰富的环境下时，这种现象又消失了，这说明细菌和植物争夺磷元素。下一步如何呢？

研究清楚植物微生物及其功能可用于促进农业生产，从而使我们的庄稼在资源贫乏的环境中也能更好地生长，同时更好地抵抗植物疾病。事实上，一些企业已开始对这种做法进行投资。许多公司投资于那些开发植物益生菌的研究，包括将有益微生物与种子混合，使其在播种及发芽后起作用；在植物育种时选择能与植物微生物共生的品种等。

关于植物微生物的研究仍然存在很多问题，尤其是几千年的耕作是如何改变作物与土壤微生物之间的关系的。使用一种独立培养的方法，我和我的同事们最近证实大麦（Hordeum vulgare）的野生祖先和现代品种的微生物组成也不同。同样，近些年，荷兰生态学研究所的乔斯·瑞捷梅克斯（Jos Raai Rjmakers）和同事鉴定出在野生祖先和现代品种的菜豆（Phaseolus vulgaris）中植物微生物的构成发生的改变，拟杆菌在野生祖先中更多，而在被驯化的品种中放线菌和变形菌更多。

如何将这些差异与微生物功能的改变发生关联？鉴于科学家在拟南芥中所取得的经验，我们现在可以着手解决这个问题了，而且构建农作物的植物微生物SynComs也将促进此类研究的开展。

幸运的是，这个研究领域非常热门，也很有前景，可以绘制实现植物微生物转化的潜在路线图。甚至在短短几年内，对植物微生物的控制会从实验室搬到农业生产现场。