【LorMe周刊】微生物组介导的植物抗逆性
作者：李宁一，南京农业大学硕士在读，主要研究番茄青枯病生物阻控技术。
植物生长过程中受到多种生物和非生物的胁迫，这些胁迫可以诱导转录组和代谢组的变化，导致根和叶的分泌物发生改变，进而影响与植物相关的微生物群落。最新证据表明，植物受到胁迫后共生微生物的数量增加，能够促进自身的存活概率，并且可以通过遗传增强后代对环境的适应性。然而，关于微生物在植物防御中的作用仍有许多悬而未决的问题，现在许多问题可以用合成群落的方式来回答。在本文中，作者基于目前对胁迫诱导的植物微生物群变化的认识，提出一种“防御微生物组”的概念，该概念指导了有益微生物合成群落的设计和构建，以提高对植物-微生物相互作用和对植物益生菌发展的基本理解。
植物与根际、叶表面、内圈和其他部分(如花粉和花蜜)中的微生物密切相关，这些微生物被统称为植物微生物组。植物微生物组不是静止的，其结构和提供的寄主功能会随着压力和环境刺激的变化而改变。最近的研究表明，微生物组的变化不仅仅是植物的被动反应，而是数百万年来共同进化的结果，植物很可能积极地寻求与微生物的合作，来对应外界的胁迫。植物会采用 “呼救”机制，即被非生物、病虫害或病原体诱导的胁迫的植物利用一系列化学激发信号，从环境中招募有益的微生物或者具有相关有益性状的微生物，以增强植物应对胁迫的能力。总体而言，植物与微生物的相互作用对植物养分的获取、发育和对不同胁迫的耐受性至关重要。
最近，宏基因组学以及与代谢组学相结合的合成群落(SynComs)方法解决了一系列植物-微生物互作研究中的瓶颈问题(图1)。这种结合的方法使用元基因组学来确定与植物相关的微生物元基因组的结构和潜在功能，然后分离和培养已鉴定的细菌、真菌或卵菌以重建SynComs，然后可以将SynComs添加到无菌植物中，并对其进行操作。例如，研究微生物互作，或者微生物对植物健康和生理的影响。特别是，通过比较胁迫和非胁迫下的植物微生物群，可以检测到胁迫诱导的微生物群变化，将受胁迫诱导的SynComs应用于植物，可以确定这些变化的生物学相关性(图1)。此外，根分泌物的生物化学多样性可以分析代谢产物的存在或浓度的变化(通过代谢组学)，以确定根分泌物是如何影响被胁迫的微生物群组成的。基于此结果，关键的代谢化合物被分离出来，并在体外测试与植物微生物共生体和病原菌的相互作用，从而了解这些代谢物对植物健康产生影响。然而，由于不同土壤类型的化学复杂性，分析自然环境中的根系分泌物有一定的难度。
使用可培养微生物构建的SynComs使植物-微生物互作的研究成为可能，然而，仍然存在重大的挑战，由于细菌基因组在种内水平上的高度变异、扩增子测序的有限的分类学分辨率以及由公共数据库获得的信息有限，这些使得根据宏基因组分析中分离出特定的细菌菌株/物种有一定的困难，提供菌株水平分辨率（strain-level resolution）的宏基因组测序（全基因组）可以重组细菌整个基因组并克服这些限制，但测序成本更高，也需要先进的生物信息学分析能力。此外，在使用组学技术和Syncoms方法时，应考虑可能显著影响土壤微生物功能和组成的与土壤生境有关的因素。
基于最近的研究和概念，我们认为共生微生物可以通过三个关键途径减轻植物的拮抗作用：(Ⅰ)产生化合物以有效减少危害，如清除活性氧(ROS)产生的酶和降低植物细胞外pH的有机酸。(Ⅱ)修改、降解或改变MAMP结构，从而减少/规避植物的免疫反应。(Ⅲ)具有稀有的细胞表面分子，在病原体中能激发重要的植物防御系统，如III型和IV型分泌系统。
仅靠植物的先天免疫系统并不足以阻止土壤或叶际中的入侵者。在某些情况下，在应对植物生物胁迫方面，微生物对植物的影响超过了寄主的遗传作用，这体现了土壤微生物群在塑造植物防御相关代谢途径以及诱导MAMP介导的植物防御启动中的关键作用。另外，土壤提高植物防御的能力也不同，抑病土壤诱导了更大的植物防御基因表达，这可能是由于不同的微生物组成所致。然而，在许多情况下，与无菌条件相比，微生物群能在多大程度上保护植物免受疾病的侵袭尚未可知。
最近的研究还表明，防御和养分获取能力强的作物在根际也有特征一致的微生物，这表明植物表型和根系微生物区系功能之间存在密切联系。例如，与非氮素高效水稻品种相比，氮素高效水稻的微生物群具有更多的氮代谢能力。同样，适应于缺氮土壤环境的长白玉米在植物分泌的富含碳水化合物的粘液中有大量的重氮菌，这有助于固氮。这表明植物在胁迫条件下可以平衡这些微生物介导的养分获取和防御。总体而言，现在对微生物组在调节植物防御中的作用所知甚少，提高对植物微生物生存和生长策略的理解至关重要。
植物不仅利用环境衍生的微生物来抑制病原体和调节自身的免疫系统，而且还可以从环境中吸引有益的微生物来应对外界胁迫，这被称为“呼救”策略。这一策略对于个体植物及其后代的生存都是至关重要的。近期研究表明微生物能提高植物应对胁迫的能力，金杆菌属、黄杆菌属、微杆菌属、假单胞菌、鞘氨醇单胞菌属、寡养单胞菌属和黄单胞菌属的菌株常在植物中发现用以响应不同的病原体/害虫攻击的重要物种。这些微生物可能发挥以下作用：(Ⅰ)植物防御的主要信号传导途径。(Ⅱ)抑制病原体的生长和毒力，从而减轻植物胁迫。
干旱、光照限制、金属毒性和营养不良等非生物胁迫改变了植物的根系代谢和微生物群落。在某些情况下，胁迫诱导的根系环境中特定微生物的富集可以提高植物抗逆性。干旱增加了根系和/或植物根内层的放线菌或某些单个细菌的丰度，这表明微生物和植物在特定胁迫下存在协同适应策略。越来越多的证据表明，植物能采用“呼救”策略以应对微生物胁迫。但是还需要更多研究阐明 “呼救”策略的各种机制，并探明控制胁迫植物和微生物群之间相互作用的精确代谢物/线索。
几种主要机制会导致与植物相关特定微生物数量的增加(图2)。考虑到病原体或食草动物的攻击，这些机制可以包括以下几个方面。(Ⅰ)胁迫调节叶/根分泌物的分布(通过生物合成、运输和分泌过程)，从而吸引特定的细菌和/或真菌。 (Ⅱ) 增加有益微生物数量，通过使用生物武器抑制病原体的生长和毒力来争夺资源和空间。(Ⅲ)由于营养的相互依赖而导致的微生物的共生，尤其是在营养贫乏的条件下，在这种情况下，一种微生物的代谢产物可以被其他群落成员利用，从而导致两种微生物菌株应对植物胁迫的能力同时增加。(Ⅳ)病原体或食草动物有利于特定微生物的生长和增殖。
非生物胁迫(高温、干旱、盐度、矿物质毒性)也可能通过以下行动增加特定植物相关微生物共生体的丰度：(Ⅰ)改变植物的生理特性和免疫力(例如，活性氧的产生激增，从而改变植物根系分泌物的分泌特征，有利于特定的植物相关微生物。(Ⅱ)直接改变土壤属性(pH、O2和营养水平)和微生物群落，在植物根部积累特定的微生物。(Ⅲ)由于营养上的相互依赖而导致的特定微生物数量的共同增加。
作者认为，生物胁迫机制(I)和非生物胁迫机制(II)以及非生物胁迫机制(I)将为植物积累有益微生物，而生物胁迫机制(IV)可能对植物产生有害影响。 基于以上，我们提出了一个新的“防御生物组”概念，以增强人们操纵植物微生物以应对植物胁迫的能力。受到胁迫后，每个植物(根际土壤、根际和叶圈)中的微生物可分为三类：(Ⅰ)群落丰度不变，(Ⅱ) 群落丰度减少，(Ⅲ) 群落丰度增加，(Ⅳ)微生物与“呼救”策略是一致的，并且明显有助于抑病土壤的形成。虽然 (Ⅴ)组中的所有微生物并不全都是有益的，但它们共同提高了植物个体和/或其后代的抗逆性，我们将这些微生物群体定义为特定植物逆境的防御生物群(Defense Biome)。
论文信息
原名：Microbiome-Mediated Stress Resistance in Plants
译名：微生物组介导的植物抗逆性
期刊：Trends in Plant Science
IF2020: 14.416
发表时间：2020.03
通讯作者：Brajesh K. Singh
通讯作者单位：悉尼大学霍克斯伯里环境研究所