NATURE FOOD：当地作物微生物群落对可持续农业的潜力
译 名：当地作物微生物群落对可持续农业的潜力
期 刊：Nature Food
影响因子：新刊暂无
在线发表时间：2021.4.21
通讯作者：胡行伟 教授 hangweihu@gmail.com
贺纪正 教授 jizheng.he@unimelb.edu.au
第一单位：澳大利亚墨尔本大学兽医和农业科学系
文章正文
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摘要
在长期的共同进化过程中，当地作物与其相关微生物群之间的密切相互作用增强了作物应对生物和非生物胁迫的能力和灵活性。这表明有一个未开发领域可以用来寻找提高作物生产力的新工具。然而，由于分离目标功能微生物群的效率较低，目前利用当地作物微生物群进行可持续作物生产的能力有限。本研究强调利用当地作物微生物群可减少农用化学品投入和提高作物对生物和非生物胁迫的抵抗力的潜在好处和存在的挑战。本研究使用基于拉曼光谱的单细胞分选技术和合成群落的方法，在受控条件下设计和优化功能可靠的“有益生物群”。这一方法将为可持续农业提供机遇，并为未来的研究提供新的方向。
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内容
现代农业主要依靠工业生产的农用化学品(例如化肥和杀虫剂)来提高粮食产量。这些集约化农业制度加剧了温室效应，并造成了严重的环境问题，如大气污染、地表水和地下水富营养化以及土地酸化和退化等。因此，实现可持续农业生产的理想途径将需要新型农业生物技术——能够最大限度地提高作物产量，例如更高的氮和磷利用效率、固碳和抗逆性。
1. 作物微生物群对粮食安全的潜力
在过去的十年里，人们认识到真核相关微生物为宿主提供了关键的生物学功能。作物微生物群是与作物相关的微生物，包括细菌、真菌、卵菌、病毒、古生菌和原生生物。它们提供一系列基本的生物学功能，包括营养获取、免疫调节和抗逆性。在某些情况下，植物微生物群在对抗生物和非生物胁迫方面的重要性甚至超过了寄主。例如，大多数植物物种可以与微生物(例如菌根和豆类-根瘤菌共生体)建立互惠合作，以克服磷和氮的不足。菌根广泛存在于植物根系和土壤真菌之间，为植物提供了一系列的益处，包括增强营养物质的获取和对非生物和生物胁迫的耐受性。在寄主植物和真菌之间的共同进化过程中，菌根形成了四种主要类型：丛枝菌根、外生菌根、兰科菌根和杜鹃花类菌根。丛枝菌根作为最主要的类型，可以与72%的已知陆地植物种类建立共生关系，作为一种营养共生，丛枝菌根可以通过相互交换营养物质来增强寄主对养分的获取，丛枝菌根从光合作用的寄主那里获得固定的碳(糖和脂)，并为寄主植物提供水分和矿质营养。丛枝菌根还可以通过提高植物抗氧化性来增强寄主的抗旱性。
大多数豆科植物和一些非豆科植物物种，包括豆科、蔷薇科和葫芦科，可以与固氮菌建立有益的共生关系。豆科植物和根瘤菌之间的相互作用已经在年间进化了约5800万年，估计每年可将6000万吨大气中的氮素转化为氨。这种互惠互利的合作贡献了农业区生物固定氮气的约80%，这大大减少了合成氮肥的投入。数以百计的α/β-变形杆菌和放线菌Frankia有能力通过与植物共生来固定氮。然而，根瘤器官发生是一个复杂的过程，需要交换和感知特定的化学信号(例如，寄主植物和根瘤菌释放的类黄酮分子和几丁质寡聚体)。植物天然免疫已被认为是建立和维持豆科植物-根瘤菌共生的重要组成部分。一些促进植物生长的根际细菌属，如固氮螺菌属和根瘤菌属，已经得到了很好的研究，特别是它们在豆科植物上的促生长作用。最近的一项研究表明，根室细菌微生物群在大豆根瘤菌-寄主相互作用的形成中起着至关重要的作用，这对于利用合成的细菌群落来提高植物-微生物互惠共生效率的巨大潜力具有重要意义。其他模式生物，包括细菌属芽孢杆菌、假单胞菌、链霉菌和黄杆菌，以及真菌属蛇霉菌和木霉菌，也被认为是作物健康的重要调节因子。基于现有数据的作物性状与其相关分类群之间的有益联系(表1)。通过利用这些有益的作物-微生物相互作用，开发作物益生菌，即“有益的生物群”（Box1）具有巨大的潜力，这将为提高作物产量开辟新的机会。尽管认识到它们在扩展寄主表型中的重要作用，但我们仍无法完全描述它们的组装规则、驯化对其分类和功能模式的影响以及作物-微生物之间的因果关系。
2. 作物微生物群的组装过程
作物微生物群已被提议作为下一次绿色革命的新平台，作物微生物群对寄主表现的影响程度往往与特定物种及其相对丰度密切相关。因此，重要的是要了解作物相关微生物群落组装过程的潜在机制。已经开发了生态模型来产生植物微生物研究中的统一原则，例如，斯隆中性模型广泛应用于微生物生态学，归一化随机率是量化不同环境下生态随机性的一般数学框架(图1)。目前，作物发育过程中的微生物组组装过程在很大程度上仍不为人所知，这些信息对于将接种剂成功地输送到现有的作物微生物组至关重要(图1)。此外，物种到达的时间和顺序，也就是优先效应，可能会影响微生物群的组装和运转。最近的一项研究发现，拟南芥叶层中的群落集合受到优先效应的影响，一些关键分类群，包括鞘氨醇单胞菌、根瘤菌、微杆菌和红球菌，最有可能改变群落组成。然而，作物微生物群的组装是一个新兴的研究领域，很难把握它在自然环境中受优先效应的影响有多大，以及这些影响是否会持续到作物发育和世代的整个过程。掌握这些知识可以大大提高我们引进微生物菌株的能力，并为选择性改造作物微生物以提高宿主表现铺平道路。
3. 驯化对作物微生物群的影响
作物驯化包括选择、改良和采用对人类有用的野生作物品种。迫切需要开发新的系统方法来评估作物驯化的影响。例如，观察到现代栽培品种与其野生近缘品种之间的根构型差异，这表明驯化可能导致较低的自我养分获取能力，并需要外部输入，如化肥，以克服与养分耗竭有关的问题(图2)。然而，情况并不总是如此；例如，一项研究评估了12个广泛适应的玉米杂交种，发现驯化和育种提高了玉米从土壤储备中获得氮素的能力。
目前，人们已经做出了大量努力来了解驯化对作物微生物群的综合效应(图2)。最具代表性的例子之一是豆科植物和根瘤菌之间的共生关系。驯化改变了根微生物群的组成，对宿主作物与共生固氮根瘤菌和菌根真菌之间的联系产生不利影响。2004年的一项研究发现，与生长在非农业土壤中的几种混杂的野生豆科植物相比，豌豆和蚕豆与根瘤菌群落的共生相互作用有限。另一项研究表明，与较新的栽培品种相比，在混合根瘤菌菌株的存在下，较老的栽培品种具有更强的能力来达到它们的完全共生潜力。除了共生根瘤菌之外，驯化还可能改变根际和叶际微生物群落。最近的一项研究报告说，普通豆(菜豆)的野生近缘植物在根际中含有较高数量的拟杆菌，而现代豆类材料在其根微生物组中主要由属于放线菌和变形菌的细菌分类群组成。野生植物和现代植物根际微生物组成的差异与特定根形态特征的差异有关。例如，放线菌的相对丰度与根密度呈正相关，但与节数呈负相关。人们发现，野生甜菜植物比现代栽培品种拥有更多样的根际群落。同样，在本地龙舌兰种的叶层中观察到的细菌和真菌多样性高于栽培种。然而，这些发现忽略了决定野生亲缘种和驯化栽培种之间群落结构差异的机制。此外，对现代作物物种祖先原生生境中有益微生物群落的生物多样性和功能的研究相对较少。研究认为，对本地植物及其本地生境的微生物群的全面探索将有助于识别互补的植物和微生物特征，以及它们在作物微生物群落组装中的作用。
4. 建设“有益生物群”的机遇
4.1 回到野生和恶劣的环境中
在驯化和繁殖过程中，农作物的遗传多样性已大大减少，这限制了我们将驯化物种的种植扩大到不利环境的能力，例如更极端的气候、贫瘠的土壤、退化的农业景观或杀虫剂、水和肥料投入减少的可持续系统。作物野生近缘代表了一个容易获得的主要遗传种子库，以改善作物的表现。一种作物可能有多个有用的野生近缘物种，适应不同的生境和环境条件，使它们成为加强生物抗性和非生物耐受性的新选择的重要来源。
野生近缘种与土壤微生物群落共同进化，导致对植物生长和健康有益的微生物的积极选择。驯化可能对相关作物微生物群的有益性状产生了不利影响，这可能是由于直接选择去除了保护性但不良的食物性状(例如苦味、毒性、韧性和毛羽)，和/或因为高产育种导致了防御机制的权衡。因此，寻找与野生亲缘微生物补充相关的植物性状，具有阐明和开发植物与微生物之间有益相互作用的巨大潜力。许多野生作物的理想性状，从抗病性、耐旱性到产量相关性状，都与其根系分泌物有关。例如，挥发性有机化合物(VOCs)的分泌是一种新发现的“呼救”策略机制，并影响地下植物-微生物和植物-土壤无脊椎动物的相互作用。一个很好的例子是玉米的野生祖先——玉米。欧洲玉米品种可以从根部分泌倍半萜烯(E)-β-石竹烯，这吸引了一种以甲虫幼虫为食的昆虫病原线虫。然而，大多数北美玉米品种不能释放这种化学信号，这使得它们更容易受到甲虫的攻击。这表明，从野生亲缘物种中招募有益细菌可能是使驯化作物物种能够应对非生物/生物压力的有效机会。然而，目前大多数与操纵植物微生物群以提高宿主性能相关的研究都集中在有限数量的模式植物上而不是作物种类，例如拟南芥。为了提高现代农业的恢复力和生产力，需要系统地比较作物野生近缘种和作物之间的植物微生物群落组成及其代谢组，并整合一系列有益的微生物特征。
4.2利用新一代生理学方法的合成群落利用作物微生物群落的力量
尽管与作物相关的微生物提高了作物应对异质环境的能力和灵活性，但这些微生物群落复杂性反映了对作物-微生物相互作用原理的机械理解的巨大挑战。合成微生物群(SynComs)的使用是解开植物-微生物相互作用内在复杂性的一种新兴方法，它可以从功能和机理上洞察植物如何调节其相关的微生物群，以及微生物群如何反过来影响宿主的生长和健康。例如，使用高通量分离方法，最近的一项研究表明，超过50%的水稻根微生物群是可培养的，用富含籼稻的合成微生物群接种IR24，与富含粳稻的合成微生物群相比，可促进水稻生长，这表明应考虑宿主基因型和根微生物群之间的联系，以提高作物性能。然而，由于需要以精确和高通量的方式从复杂的作物微生物群中分离出目标功能微生物，使用合成微生物群研究植物-微生物相互作用具有挑战性。新一代生理学方法提供了一种强大的工具，可以从环境中以单细胞水平的分辨率筛选功能性微生物群，以构建合成微生物群。新一代生理学方法包括对复杂微生物群中的单个细胞进行表型和非破坏性分析，然后对具有特定表型的目标细胞进行物理分离，用于下游培养和测序。拉曼光谱法是最有前途的新一代生理学方法之一，它与其他工具(如显微镜、稳定同位素探测、微流体和化学计量学分析)的灵活集成发展迅速，在多种微生物特性和功能分析方面显示出巨大的潜力。当与稳定同位素探测（SIP）结合时，拉曼-SIP可以探索复杂环境中微生物的功能表型，例如固氮和磷酸盐溶解。此外，拉曼光谱仪可以与显微镜集成，提供1-2微米的高空间分辨率，接近单个细菌细胞的大小，适合单细胞研究。因此，将单细胞分选技术和合成同步微生物方法相结合可能是利用作物微生物群力量的一种有前途的方法。
4.3设计和验证“有益生物群落”的框架
基于拉曼-SIP和合成微生物群方法，本研究提出了一个框架，设计一个“有益的生物群落”，通过靶向N2固定细菌来提高约束条件下的农业生产力(图3)。简单来说，建议三个步骤：第一步是用15N2标记与野生作物相关的微生物，并使用拉曼光谱(Raman–SIP)基于细胞色素c(cyt c)的C-N带中15N2诱导的拉曼位移来探测固定N2的细菌。拉曼SIP探测复杂群落中N2固定细菌的能力已经在土壤环境中得到成功证明。这种方法允许基于碳氮带位移对不同细菌的N2固定活性进行定量评估。第二步，基于N2固定能力和丰度的代表性分离株将被分类、纯化并接种到液体培养物中。将不同组合的同步细胞接种到现代作物时，需要考虑“优先效应”。为了测试它们促进作物生长的能力，作物需要在含有确定的硝酸盐、铵或可溶性有机氮的粘土培养基中生长，有或没有同步培养基。在田间条件下，最有效的菌株或菌株组合将在第三步中进一步验证。
应注意框架目前的一些局限性和未来的解决方案，从土壤中识别N2固定细菌是基于15N2诱导的细胞色素C的C-N拉曼带位移，这需要细胞中至少6%的15N丰度。这意味着拉曼SIP不能检测到同化程度低于这个极限的15N的N2固定细胞。目前用于N2固定的拉曼生物标记物仅限于具有cyt c拉曼信号的重氮化合物。然而，拉曼SIP方法没有这样的限制，并且可以潜在地应用于没有cyt c的其他重氮化合物，因此有可能开发更多适用于N2固定蓝细菌和/或真菌的N2固定生物标记物。与基于荧光的方法相比，目前的拉曼检测相对较慢且低通量。从一个微生物细胞获得光谱至少需要几秒钟，因此在从高度多样化的微生物群落中搜索大量目标细胞时非常耗时。这种情况现在正在改善，尤其是在拉曼硬件和控制软件方面。已经开发了高速拉曼采集和绘图模式，以自动化整个过程，从拉曼检测，到软件辅助的鉴别，到用于下游培养或测序的目标细胞的分离。预计，随着技术和相关仪器的进步，拉曼-SIP将成为设计和构建“有益生物群落”的有力工具。
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结论与展望
在长期的自然选择过程中，野生作物微生物群与其宿主共同进化。它们能很好地适应恶劣的环境，并为作物提供许多有益的功能。为了在农业中利用野生作物微生物群的力量，本研究建议首先需要努力保护作物野生亲缘种和相关的微生物群资源。使用已开发的生态模型和组学方法的进一步努力对于阐明作物微生物组组装过程及其在驯化过程中的分类和功能转变是非常理想的。通过将单细胞生理技术与合成微生物群相结合，本研究提出了一个概念框架来建立一个“有益的生物群”。这可能为未来的研究方向提供新的基础，并为提高作物生产力以实现可持续农业提供机会。