叶际微生物与植物健康研究进展

刘宇星， 董醇波， 邵秋雨， 张芝元， 韩燕峰， 梁宗琦

(贵州大学 真菌资源研究所，贵州 贵阳 550025)

叶际(phyllosphere)是一个独特的动态系统。据估计，全球叶面积(对应于上表面和下表面)大约是陆地表面积的2倍[1]，其总面积达到了6.4×108km2[2]。叶片上下表面被蜡质角质层覆盖，叶表主要由表皮细胞和表皮细胞间的沟槽组成，其中散布有气孔、毛状体、管状体和腺状毛状体，为微生物的定居提供了大量微生境；且叶际具有产生激素、色素、挥发物、胞外多糖、跨界信号和群体感应等特征，使其在微米尺度范围内具有各种异质性的微生物群落[3-4]。叶际微生物(phyllosphere microorganisms)长期暴露在相对恶劣且变异性极大的环境条件下，如营养贫瘠、水资源匮乏、叶片释放抗菌物质，且面临紫外线强烈照射、温湿差过大和存在活性氧等，但叶际微生物，如细菌、真菌等仍以聚合体(aggregate)形式营附生、内生或自由生活[4-6]。叶际微生物之所以能与植物长期共存，这可能归因于微生物的不同策略以及与植物的相互作用，从而形成独特的共栖、互惠、拮抗等植物-微生物共生体系[7-8]。叶际微生物不仅会影响包括生物地球化学循环(碳和氮等)和环境影响在内的全球过程[9]，还具有潜在的植物生物地理学和生态系统功能[10]，如对有害化学物质与污染物的生物修复[11]，通过拮抗、竞争以及诱导植物系统抗性等作用保护宿主抵御病原体侵染[12]，及能产生植物激素促进植物生长[13]。此外，叶际病原菌的过度生长或微生物多样性的丧失也会导致生态失调致使植株发病[14-15]。因此，研究叶际微生物对植物健康具有重要意义。与根系、土壤微生物的研究相比，叶际微生物的研究较少，研究热点主要涉及叶际微生物的分类、微生物-植物-环境的相互关系等[3,16-17]。基于明确定义的叶际概念的基础上，对叶际微生物群落组成、驱动因素及其与植物健康的关系等方面综述最新研究进展，并对叶际微生物未来研究方向进行了展望。

1 叶际微生物的定义

对叶际准确且统一的定义是进行相关研究的前提，但叶际的定义一直存在争议。Last[18]和Ruinen[19]先后提出，类似于根部和根际，由叶片制约的特征环境同样存在，叶片为微生物提供着生场所，可称为叶际，这些生活于叶际的微生物即为叶际微生物。1981年Blakeman[20]将附生或寄生在植物叶片表面的微生物定义为叶际微生物。Morris等[2]对这一概念进行了扩展，将叶外和叶内的区域都包括在内，即叶际是从叶片表面向外延伸到叶片周围边界层的外边缘；向内延伸到叶片组织的微环境。Lindow等[21]则认为叶、茎、花、果等植物地上部分的环境条件一致，维管植物地上部分的表面和内部生境统称为叶际，该定义是迄今为止被叶际研究者广泛接受和运用的。沈萍等[22]在《微生物学》中，将叶际定义为邻接植物(茎叶、果实)表面的生境，叶的直接表面生境称为叶面(phylloplane), 其中的微生物称为叶际微生物。Doan等[23]将叶际划分为两个紧密相连但又独特的生态位，即叶面(phylloplane)和叶缘(phyllotelma)。虽然植物地上部分都处于大气环境中，但植物地上部分(叶、茎、花、果实)作为不同的微生境，具有不同形态特征、代谢活性及相应的功能，这些不同的微生境选择招募不同的微生物[24-25]。因此，应在早期的研究基础上提出叶际更为明确的界定, 以便认识叶际微生物的生态学及生物学意义。在本综述中，接受将叶片环境而非植物地上部分定义为叶际的概念，其表面和内部存在的微生物即叶际微生物。

2 叶际微生物群落组成及影响因素

2.1 叶际微生物群落组成

叶际微生物来源广泛，可通过种子在植物不同世代间垂直传播或通过大气、水、土壤或其他植物水平传播[24]。胁迫反应是某些微生物类群在植物上定殖的重要机制，叶际相对恶劣的环境往往会导致特有类群的定殖，植物宿主及其物理化学环境会选择与植物密切相关的特定核心微生物群 (microbial core consortia)[25]。由此，叶际异质性环境允许多种微生物群落的存在。

叶际中最主要的微生物类群是细菌，其密度惊人，在叶表面达到104～105个细菌/mm2或多达108个细菌/g叶材料[3]。研究表明，变形菌门(Proteobacteria)是叶际细菌的优势类群。对青杨[26]、烟草[27]、柑橘[28]、茶树[29]、油菜[30]、葡萄[31]叶际的分析结果表明，变形菌门是最具代表性的优势类群。柑橘叶际优势纲为γ-变形杆菌纲(Gammaproteobacteria)，其余几种植物叶际中，α-变形杆菌纲(Alphaproteobacteria)为优势类群。除此之外，茶树叶际优势类群还包括β-变形菌纲(Betaproteobacteria)。其中，鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)为青杨、茶树、烟草、葡萄叶际优势属，也存在于柑橘叶际但含量较少。据报道，鞘氨醇单胞菌属作为叶际细菌优势属，在抵御病原菌和抗环境胁迫上具有潜在作用[12]。另外，一些变形菌类群也不断在不同植物叶际中被反复监测到，如不动杆菌属(Acinetobacter)、假单胞菌属(Pseudomonas)、泛菌属(Pantoea)和甲基杆菌属(Methylobacterium)等。除了变形菌门外，拟杆菌门(Bacteriodetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)也广泛存在于柑橘、油菜、青杨叶际。如油菜叶际优势类群为厚壁菌门的芽胞杆菌属(Bacillus)；拟杆菌门的金黄杆菌属(Chryseobacterium)、土杆菌属(Pedobacter)等也存在于柑橘、油菜叶际。

真菌也是叶际的主要定居者。叶际真菌包括附生真菌和内生真菌，具有明显的物种多样性和代谢功能[32]。因一些附生真菌可以通过气孔或表皮区域主动在内部组织定殖，有时对其究竟是内生菌还是附生菌存在分歧[33]。此外，一些病原菌也会以内生形式存在于植物组织中而无致病性，如Kanika等[34]报道了玉米小斑病菌(Bipolarismaydis)、烟草丝核菌(Rhizoctoniabataticola)、缩节毛壳菌(Chaetomiumcoarctatum)等植物病原菌在健康的圣罗勒(Ocimumsanctum)植株内以内生菌状态存在。在较高的系统发育等级上，叶际相关真菌群落由循环类群(反复出现的类群)组成，而在物种水平上的组成则有所不同。研究表明，在门水平上，子囊菌门(Ascomycota)是叶际真菌的优势类群，担子菌门(Basidiomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)也存在于叶际中[26,35-36]。在属水平上，常见的真菌属有枝孢属(Cladosporium)、链格孢属(Alternaria)、青霉属(Penicillium)、毛霉属(Mucor)、曲霉属(Aspergillus)和黑星菌属(Venturia)。此外，阚望等[37]从西双版纳39 个随机采集的无病害症状的植物样品中还发现了球针壳属(Phyllactinia)、乌氏菌属(Uwebraunia)、Filobasidium、Acaromyces、Vishniacozyma和Golubevia属。刘利玲等[26]在青杨雌雄株叶际发现了小麦叶枯菌属(Zymoseptoria)、茎点霉属(Phoma)和白粉菌属(Erysiphe)。短梗霉属(Aureobasidium)在葡萄叶际也被报道[31]。

2.2 叶际微生物群落研究技术和方法

一系列技术可用于分析叶际微生物群落并评估其群落动态，基本方法主要包括原位法(In situ methods)和异位法(Ex situ methods)。原位法，即直接或间接在叶片表面进行微生物观察。显微技术可以观察处于天然状态的微生物在植物叶片表面的分布和相互作用，但存在对小的或透明菌落难观察的缺陷，这可通过染色或固定得到改善[38]。将显微镜与先进的免疫标记和荧光原位杂交(FISH)等相结合，可以提供清晰的图像或三维图像 (共聚焦显微镜) 以识别叶际微生物[39]。Baldotto等[40]利用光学显微镜(Light microscopy,LM)和扫描电子显微镜(scanning election microscopy,SEM)评估了47种植物的叶际附生菌多样性。异位法，即将微生物从叶片表面移出进行评价，包括基于培养的方法(culture-dependent)和非培养的方法(culture-independent)。传统的纯培养方法已用于描述叶际微生物群落，如傅小伟等[17]采用平板计数法对青菜、菠菜、芹菜3种叶菜类蔬菜进行了叶际微生物特征描述和数量统计。然而，大量微生物的难培养性, 是传统微生物生态学在揭示自然界微生物群落结构研究中的最大障碍[41]。随着生物化学手段、分子技术的发展，研究人员使用了多种免培养方法来解析不同微生物种群在各种环境条件下的分布和群落结构，这些技术现也已扩展到对叶际微生物的研究。如张保国等[42]首次利用磷脂脂肪酸分析(PLFA)和末端限制性片断长度多态性分析(T-RFLP)方法研究了喷施阿维菌素杀虫剂对甘蓝叶际微生物群落的影响。二代测序技术(next generation sequencing，NGS)是当今流行的解析叶际微生物群落的常用方法，该方法使研究人员对叶际微生物群进行深入了解成为可能，且可揭示其对植物生长发育、抗病性和适应性等方面的关键影响。孙泓等[43]利用Illumina HiSeq测序研究了桂花和夹竹桃在不同生境中对叶际细菌群落的影响；闫鹏飞等[44]利用Illumina Miseq测序研究了增温处理条件下茭草(Zizanialatifolia)叶际微生物的群落组成和代谢特征；刘畅等[36]采用IonS5XL高通量测序对感赤星病烟叶的真菌群落结构进行了分析。最近的研究表明，全基因组联合(genome-wide association studies, GWAS)是鉴定与不同宿主-微生物相互作用相关的微生物群落的最好方法[45]。随着研究方法的不断改进，人们对叶际微生物群落的解析将实现进一步的突破。

2.3 影响叶际微生物群落组成的因素

叶际微生物群落并不是随机组成的，类似于根际效应，叶片对微生物群落也具有选择效应，即叶际效应[24]。影响叶际微生物群落组成的主要驱动因素包括生物因素(如宿主特性、微生物之间的相互作用和外来生物的引入等)和非生物因素(如地理位置、季节变化和人为干扰等)。叶际微生物群落是与植物-环境长期选择和协同进化的结果，在不同的植物-环境条件下，影响叶际微生物群落组成的主导因素可能存在差异[46]。

2.3.1 生物因子 群落组成随植物种类的不同具有很大差异，甚至某些微生物表现出特异性定殖，叶际群落组成一定程度上可根据植物物种特性预测。Redford等[47]对美国科罗拉多州博尔德市56种树种叶际细菌群落进行了描述，发现叶际群落存在明显的种间变异，且种间变异比种内变异要大得多，这表明树种与叶际细菌群落间有很强相关性。同时，研究者还发现不同地理来源的美国黄松(Pinusponderosa) 叶际细菌的群落组成基本相似，这表明其叶际细菌生物地理模式与动植物相比，物种特性似乎比扩散限制对叶际微生物群落组装更为重要。Noble等[48]也发现新西兰北岛五个不同地理距离的卡树(mānuka)叶际存在的核心微生物组在整个叶际群落中占很大比例，但在周围土壤中很少或完全不存在。同种植物不同基因型也被证明会导致叶际微生物群落的组成差异。Wagner等[49]研究发现，野生多年生植物严格牛角草(Boecherastricta)的叶际微生物群落组成受宿主基因型和植物年龄的共同影响。Thapa等[50]报道了7种基因型的印度水稻对叶际微生物组的影响。Singh等[31]分析了遗传距离较远的5种葡萄品种的叶际微生物群落发现，葡萄品种对群落结构有显著影响。青杨雌雄株的叶际微生物在属水平上相对丰度也存在显著差异，且雌雄株都有其各自特有的菌群[26]。不同基因型具有特有的植物状态，如叶面特征[23]、生理生化特性[51]，它们可能会选择特定的叶际微生物群落，从而影响叶际微生物群落组成。Bodenhausen等[52]报道了宿主等位基因lacs2和pec1会影响植物角质层的形成，不同的细菌从被改变的角质层中受益程度不同，进而导致群落组成的变化；乙烯信号传导的ein2也参与调节微生物群落组成。此外，植物免疫系统也被发现通过其防御机制在叶际微生物群落组装中发挥作用，如Kniskern等[53]研究了水杨酸和茉莉酸两种植物防御信号通路的变化对拟南芥内生和附生细菌群落的影响，结果表明诱导水杨酸SA介导的植物防御降低了内生细菌群落的多样性，而缺乏茉莉酸JA介导的植物防御增加了附生细菌的多样性。

叶际微生物广泛定殖于叶际环境中，菌种间直接或间接的相互作用普遍存在[54-55]。一些微生物的存在特别依赖于其他微生物，如叶际初级定殖者假单胞杆菌(Pseudomonassyringae)和草生欧文氏菌(Erwiniaherbicola)可以保护次级定殖者肠道沙门氏菌(Salmonellaenterica)免受胁迫环境(如干燥)的影响[56]；茅草内生真菌(Neotyphodiumsp.)和Epichloesp.通过产生次级代谢物loline alkaloids来增加次级定殖者双向伯克霍尔德氏菌(Burkholderiaambifaria)的竞争优势[57]，导致主要定殖者的过度增殖或某些类群的定殖受到抑制。越来越多的证据表明，微生物组组装过程中的历史偶然性可能会掩盖更多的决定性过程，如物种到达顺序会影响微生物群落的组成，这种现象被称为优先效应[58-59]。Carlström等[60]研究发现，拟南芥叶际群落组装受优先效应的影响，物种到达的顺序和时间上的微小变化可能在形成微生物群中起作用，且初始群落在很大程度上对引入新物种引起的相关扰动具有抵抗力。在群落生态学中，相互作用物种的初始种群规模可能会影响其竞争结果，较大的初始种群在竞争中更具优势，有可能竞争性地排除引进的第二个物种[61]。Leopold等[59]使用8个常见叶面真菌构建的合成群落进行了温室实验，研究结果表明真菌种类的到达顺序和宿主基因型会影响毛果杨(Populustrichocarpa)叶面微生物群落组成，且毛果杨叶面病害的严重性取决于宿主基因型和物种到达顺序在叶面微生物组组装过程中的联合效应。一些叶际微生物的定殖是通过从根本上改变宿主的机制进行的。例如，许多微生物(包括病原体)通过传递效应蛋白来抑制、激活或改变宿主防御[62-63]，有些甚至能够调控宿主新陈代谢[64-65]。由于一些微生物可以适应并利用新的条件，而另一些微生物则不能，故宿主机制的改变可能会导致微生物群落结构的变化。事实上，植物上微生物之间的相互作用通常会增加宿主效应，这也可能是在叶际环境中观察到的塑造大部分微生物群落结构的原因[5]。此外，位于微生物网络中心的核心微生物，在塑造植物宿主上的微生物群落方面也发挥着不成比例的重要作用。 Agler等[5]揭示了宿主基因型特征控制微生物群落的一个重要机制，即其直接作用于中枢微生物，中枢微生物可能通过宿主间接作用或产生代谢产物等直接与微生物群相互作用，将影响传递给微生物群落，进而影响群落组成与多样性。

外来生物的引入，如病原菌的侵染和生防菌的施加，常会改变植物叶际的微环境和微生物群落结构。叶际群落的稳态往往与植株健康状况及抵御病原菌的能力有关，叶际内复杂的网络可通过竞争有限的叶际资源以抑制病原菌的定殖，进而减少病原菌暴发的机会[66]。高多样性和丰度水平的叶际微生物群落可能有助于提高叶际环境的功能冗余，维持宿主植物的健康水平。Rastogi等[67]报道了莴苣叶斑病菌黄单胞菌(Xan-thomonascampestrispv.vitians)的丰度与其他叶际微生物的出现或缺失相关联，表现为与Alkanindiges属细菌的相对丰度呈正相关，但与芽胞杆菌属、欧文氏菌属(Erwinia)和泛菌属呈负相关，这表明细菌病原体Xcv在莴苣上的定殖对植物叶际细菌群落中的特定菌群会产生不同的影响，进而影响其叶际群落结构。甘蔗宿根矮化病感病植株与非感病植株相比，感病植株内生菌多样性下降，其特有内生细菌优势属，如Pseudarthrobacter、红游动菌属(Rhodoplanes)等的缺失和菌种数量减少可能是导致甘蔗植株抗性降低的重要原因[68]。Qin等[27]研究发现，施用生防剂后叶际群落结构显著变化，叶际微生物多样性与病害情况呈负相关。刘天波等[69]对患野火病的烟草叶片施加具拮抗能力的3种菌群后，芽胞杆菌属、假单胞菌属、寡养单胞菌属(Stenotrophomonas)的丰度显著增加。其中施加菌群B的叶际微生物多样性显著增加，施加菌群C的叶际微生物群落结构与其他处理间差异显著。生防菌的大量施加，也可能会影响其他叶际微生物的定殖，最终导致叶际微生物多样性的降低。李审微等[70]研究发现生防菌枯草芽胞杆菌(Bacillussubtilis)M-23在柑橘叶际上定殖后，芽胞杆菌属和假单胞菌属的相对丰度明显增加，但却显著降低了其他叶际细菌的多样性。

2.3.2 非生物因子 微生物类群的组成与数量变化与自然环境密切相关，不同地理位置和生长季节可成为影响叶际群落组装的重要因素。Finkel等[71]研究发现，同一地点柽柳属(Tamarix)不同物种叶际微生物群落高度相似，但生长在不同气候区域的树木则拥有不同的微生物群落。地理位置是柽柳属叶际附生微生物群落结构的决定性因素，其相对重要性比树种对叶际群落的影响更大。Agler等[5]报道地理位置和采样季节是高达40%的拟南芥叶际微生物群落变异的主要原因。莴苣叶际大肠埃希菌(Escherichiacoli) O157∶H7遵循季节性，在夏季样品中，可培养的大肠菌群水平较冬季样品要高得多[67]。广玉兰(Magnoliagrandiflora)叶际细菌群落也表现出显著季节变化，即夏季拜叶林克氏菌科(Beijerinckiaceae)的数量减少，而甲基乳杆菌科(Methylobacteriaceae)的数量增加[72]。基于地理位置、季节性的微生物类群很大程度上可能是由于当地的分选机制，如环境条件，导致某些特定物种完全被排除在外，形成其特定的群落结构[73]。

环境条件中的养分、温度、降雨、紫外线等在影响叶际微生物群落组成上发挥着不成比例的重要作用。Herrmann等[25]研究发现，在河漫滩阔叶林中不同树种的叶际细菌的多度和丰度在垂直梯度上均呈现下降趋势，即与冠层中部、底部相比，顶部的细菌多样性最低。冠层顶部长期暴露在阳光直射(高紫外线辐射)、降雨介导养分枯竭、降雨对叶际微生物的冲刷等环境条件下，叶际细菌分布格局是这些环境因子综合作用的结果。即使是同一叶片的上下表面，由于所受到环境条件影响的强度不同，微生物组成也仍存在差异[74]。叶际环境养分条件相对贫瘠，叶际微生物面临着一个寡营养环境，其生长和代谢受养分可利用性的影响。Thapa等[50]研究发现，七种水稻品种的叶际细菌群落均受其土壤、叶片养分含量的显著影响。相同植株不同层位叶片的养分条件常呈现出一定的空间异质性，可能是形成异质的微生物群落的原因[75]。一般认为，碳水化合物、氨基酸、甲醇和其他有机化合物等多种化合物是叶际微生物的主要碳氮来源，这些化合物常从植物内部被动地浸出到叶片表面[76]。虽然这些来源并不丰富，但足以解释叶际环境中微生物的存在与群落结构异质性。Roberts等[57]研究发现茅草内生真菌产生的loline alkaloid使得能分解该化合物的菌株在叶表明显富集，叶表强烈地选择能分解该类化合物的微生物类群，继而影响附生细菌微生物群落。气温变化也会影响叶际微生物的丰度、组成、多样性和分布，还可能间接影响植物对营养的摄取、光合作用以及对病原微生物的抵御等。一般来说，高温低湿环境可能更适合微生物生存[34]。韩秋影等[77]、刘伟妍[78]发现了随着温度升高，矮大叶藻(Zosterajaponica)叶际可培养细菌均呈现数量先增加后降低的趋势，叶际微生物具有不同的温度偏好并呈现出一定规律。在这两个研究中都发现了有趣且一致的现象，即假单胞菌属和Thalassospira属细菌随温度升高锐减; 海杆菌属(Marinobacter)和弧菌属(Vibrio) 在 30 ℃被富集; 而 32 ℃时，红螺菌科(Rhodobacteraceae)和玫瑰杆菌属(Ruegeria)激增。

施加农药、肥料或植物种植方式等人为干扰也会对叶际微生物群落造成一定影响。研究表明，水稻叶际微生物群落受施肥和水稻栽培方法的影响[79]；敌敌畏的施用也会使草莓叶际微生物群落结构发生较大改变[80]。化学农药的广泛使用可能会使生物体产生特异性的脱靶效应，导致微生物环境生态失衡[81]。与寄主共同进化的微生物群落作为宿主植物自身免疫系统的延伸，微生物环境稳态遭到破坏后，可能会降低其宿主植物的健康水平[82]。此外，有研究表明连作除了会导致土壤微生态结构恶化外，也会对叶际细菌群落结构产生影响。如吴林坤等[83]研究发现，地黄连作导致叶际细菌群落结构发生偏移，群落多样性下降，有益菌如微小杆菌属(Exiguobacterium)、芽胞杆菌属等含量下降，而病原菌如变形假单胞菌(Pseudomonasmetamorphosis)等含量上升，导致地黄叶片病症频发。

3 叶际微生物与植物健康

近年来，叶际微生物逐渐被人们所关注，并被应用于植物病害防治研究[84]。植物叶际中含有大量供植物营养和抗病相关的微生物，它们可通过改善营养物质获取或激素刺激而具有直接的植物生长促进作用，或通过竞争、拮抗等相互作用平衡叶际菌群，抑制植物病原体的生长间接影响植物健康[85-86]。许多叶际微生物具有促植物生长特性，如溶解无机磷，产生植物激素、铁载体等。韩筱璇[87]研究发现小麦叶际中的金黄杆菌属、假单胞菌属、根瘤菌属(Rhizobium)与植物的株高、叶长、叶宽与叶绿素等生理指标呈正相关。以假单胞菌为例，因其具有溶解无机磷和产生IAA等特性，可作为绿豆、玉米等作物的生长促进剂[88-89]。磷是植物生长必须的大量元素，但常以不溶性磷酸盐形式存在，某些微生物能释放如葡萄糖酸(gluconic acid)等磷酸盐溶解剂以溶解不溶性的磷供植物吸收利用[90]。在叶际这类相对贫瘠的环境条件下，铁的有效性也成为微生物定居的限制性因素，而大多数细菌可产生不同功能基团的铁载体以溶解原先植物无法吸收的铁，在植物生长与保护方面也具有重要作用[91-92]。微生物产生的最常见的植物激素-吲哚乙酸(IAA)，许多叶际微生物都能产生IAA，即使在很低的浓度条件下IAA也能通过刺激植物细胞壁松弛并利用从中释放的糖增加养分的可利用性，从而提高干旱胁迫期间植物的适应性，以达到促进植物生长的目的；同时也可规避植物防御机制，利于微生物在植物叶际的定殖[93-94]。

叶际微生物与病原菌具有相似的生态位，通过在有限的叶际环境下对养分和空间的竞争，或通过发出防御反应信号诱导植物系统抗性帮助植物抵御病原体攻击[95]。Sartori等[96]研究了来自玉米的叶际微生物对叶枯病病原菌大斑病菌(Exserohilumturcicum)的生防潜力，结果表明芽胞杆菌和泛菌属能够耐受低水势和渗透胁迫等条件，是表现出抑制作用的优势菌种。淀粉溶解芽胞杆菌(B.amyloliquefaciens)对由立枯丝核菌(R.solani)和绿僵菌(B.glumae)引起的纹枯病和细菌穗枯萎病具有强抑制效果。此外，在番茄青枯病、油菜茎腐病、花生青枯病等病害上的生防潜力也已被报道[97-100]。Chowdhury等[101]发现，由非核糖体肽合成酶(nonribosomal peptides, NRPs)产生的脂肽和环脂肽是淀粉溶解芽胞杆菌的主要抗菌成分。圣罗勒叶际内生真菌菜豆壳球孢菌(Macrophominaphaseolina)产生的次生代谢产物leic acid methyl ester, palmitic acid methyl ester 和5, 6 Dihydro-2H-pyran-2-one-6 pentyl对植物病原菌核盘菌(Sclerotiniasclerotiorum)和尖孢镰刀菌(Fuariumoxysporum)具有较强抑菌效果[34]。叶际微生物产生铁载体(Siderophore)也是一种重要的生防策略。Michavila等[102]报道从柠檬叶际分离的PseudomonasprotegensCS1菌株能产生铁载体和活性氧，对柑橘溃疡病致病菌(Xanthomonascitrisubsp.citri)具有较强抑制能力。

叶际微生物群落组成与多样性似乎也是维持植物健康的关键。与健康植物相比，患病植物的叶际微生物群落可能会发生变化，这种改变类似于炎症性肠病患者胃肠道中的生态失调，影响叶际中植物-微生物和微生物-微生物的相互作用，进而导致相关植物疾病的发生[103-104]。生态失调是由于病原菌(潜在病原菌)的过度生长和或微生物多样性的丧失造成的微生物失衡，与生物健康状况具有因果联系[14]。Chen等[15]研究发现，拟南芥受损的遗传网络改变了内生叶际微生物群落组成与多样性，产生的微生物变异诱导了生态失调相关的叶片黄化和坏死；该研究还发现了一个有趣的现象，即将从拟南芥突变株中分离的52个细菌重建的合成群落重接于新的野生型宿主中，产生了与突变株相同的疾病表型，表明叶际微生物组可改变植物表型且与植物健康密切相关。Zhou等[105]也发现，紫茎泽兰健康植株叶际的细菌多样性大于患病植株，且健康和患病植株叶际的真菌、细菌群落结构有较大差异，如健康叶片上的假单胞菌多于患病叶片。该属成员已被报道可用作许多植物病害的潜在生防剂，可能在植物病害防控中起着重要作用[106]。

4 展 望

叶际作为一个独特的生境，展现出丰富且异质的微生物群落结构与多样性。叶际微生物在此相对严苛的环境条件下，具有其特有的适应机制与抗逆性，对叶际微生物资源的挖掘存在极大机遇性。近年来，叶际微生物可作为生物肥料与生物农药，逐步被商品化并运用于农业实践中。虽然微生物产品规模不断扩大，但目前的微生物产品仅是基于一小部分可培养的物种，大多数叶际微生物仍难以培养，这意味着大多数微生物代谢还没有特征化，因而对植物有益的活性还有待研究。在今后的研究中，应不断改进分离培养方法，借鉴目前国际上人工培养微生物方法的最新进展，筛选实用培养基以获得更多菌株供研究。

为了解决当前严峻的农业问题，最大限度的发挥叶际微生物组功能是学者们面临的一项重大任务。通过部署微生物组成、优化植物-微生物的关系，为增加植物的营养吸收或抗胁迫的能力提供了机会，以解决农业的可持续问题。鉴于微生物-植物-环境之间相互作用的复杂性，优化微生物-植物的关系是一项重大挑战。分子生物学的发展让人们对叶际微生物的认知不再局限于可培养方法，高通量技术使得在叶际微生物种群水平、转录活性、蛋白质丰度上将不断取得大的进展，便于进一步研究植物-微生物-环境之间的多元互作，了解植物健康与叶际微生物之间的具体机制与联系；然而，目前对叶际微生物组的功能特性知之甚少。近年来，不同复杂性的合成微生物群落已被构建，作为自下而上的组合应用于植物，以研究植物-微生物组相互作用的各个方面。即使合成群落被成功引入农业生态系统，在环境扰动后，其可能也会被不利的微生物组所取代，或由于特定宿主植物的感染性微生物的爆发，微生物组可能很容易被改变，甚至向疾病相关的微生物组类型转变。开发应用于智能农业的多组学诊断平台，是用于检测农业生态系统中微生物组失调及相关植物生理失调的有效方法。利用无人机并结合其他便携分析设备如DNA/RNA测序仪等对植物相关指标进行监测，提供遥感数据，并结合信息学和跟踪生物群落稳定性的新型数学方法，便能够探索于植物中引入合成群落的最佳时机，预测并预防农业生态系统中疾病的发生。其中一些技术已经逐步应用于农业生态系统中，然而，这种跨学科方法将不同组成部分整合到一起仍然是一个根本性的挑战。

虽然一定程度上，叶际微生物组可作为衡量植物健康水平的指标，但植物健康水平多大程度上依赖于叶际微生物组仍未可知，关于什么是健康的微生物组也尚未达成共识。综合本文所述，叶际微生物受生物和非生物因子所驱动，对其驱动要素进行详细研究为利用其促进植物生长健康提供了新途径。不同基因型植物品种由于其遗传特性差异，栖居着不同的叶际微生物群落，这为利用抗病品种找到其抗病基因并通过转基因手段改变感病品种的微生物组成，从而提高植株的健康水平提供了可能。事实上，叶际微生物受到多重环境因子的综合作用，为使研究结果能更深入和真实地展现植物-微生物-环境三者之间的互作关系，加深对其在植物健康中所起作用的理解，构建模拟叶际原始生境的模型是极具挑战性而又亟待解决的问题。