种子·微生物——四两拨千斤
你知道种子的力量，但你知道种子内微生物的力量吗？
一粒健康种子必然包含健康的种子微生物群落，正如健康的人有健康的肠道微生物一样。种子微生物群系可能会世代遗传并能动态地影响其种子萌发、植物表以及其存活能力。因此，优化作物的微生物区系可能对植物育种和作物改良等具有深远的影响。
种子微生物群系
植物内生微生物群系（Plant internal microbiome）是一个由细菌、真菌等组成的复杂群体。近年来，关于微生物群系对人类幸福和健康具有深远影响已基本成为共识，其对植物生长和生存的重要性也逐渐被广泛接受。土壤和根际中的细菌和真菌受到大量的关注，它们被植物根系召集而后进一步作为植物内生菌在植物体内繁殖。基本上所有植物器官都被发现存在微生物群系。
事实上，植物种子微生物群系（Seed microbiome）可能更加重要，因为它们可能早在植物召集土壤微生物之前就为植物的顺利生长提供了基础。关于种子微生物群系的研究不多，其构成也不像土壤中那么复杂。它们可能与植物共同进化，并为植物生存提供重要支撑。植物的性状和进化可能由植物和微生物群系共同决定，因为微生物的基因可能会编入植物染色体基因。种子微生物群系一般由母代通过种子遗传而来，因此它们可能可以在干燥的环境以及植物储藏的环境下生存。来自种子内部遗留的植物内生菌对植物生长和健康有促进作用，这在农业生产中具有重要的实践价值。因为种子微生物可以免受土壤微生物的竞争作用，并且在早期就与植物组织进行直接接触。
种子微生物垂直遗传
植物微生物群系可以调控农业生产相关性状，这也说明植物育种在植物微生物群系的协助下可以获得最佳的植物表型。“A New Approach to ModifyPlant Microbiomes and Traits by Introducing Beneficial Bacteria at Floweringinto Progeny Seeds”（Front. Microbiol. 8:11. doi: 10.3389/fmicb.2017.00011）。这篇文章于2017年1月发表在Froniters in Micrbiology杂志上，是奥地利国家技术研究院（AIT, Austrian Institute ofTechnology）Angela Sessitsch教授团队的研究成果。研究者使用的细菌材料为Paraburkholderia phytofirmans PsJN，其能很好地促进植物生长，并且在大量具有不同遗传背景的植物内很好的定殖，能增强谷物和蔬菜等植物的生长和抗逆能力。关于菌株PsJN与宿主植物之间互作分子机制也有大量工作基础。有证据表明PsJN对宿主植物的影响（至少是有一部分），是通过改变宿主植物的基因表达 。此外，菌株PsJN本身在植物内部也非常活跃，其基因组中超过60%的基因在土豆中定殖期间表达，并且在宿主植物应答干旱胁迫时，其基因表达发生了改变。在拟南芥中PsJN表达的基因与铁的储存和转运有关，因此增强了宿主植物铁的吸收和累积。
EndoSeedTM垂直遗传方法体系
该研究阐述了一种将外源微生物PsJN引入种子的方法（EndoSeedTM），通过设定步骤改变植物性状和微生物群系。主要包括以下几个步骤：1）在种子形成前将微生物物种引入母代植株；2）微生物随后定殖进入种子；3）种子发芽后微生物物种开始在子代的植物组织中繁殖和传播。
图1 将有益菌引入植株种子的方法说明(A-D)。(A)对植株花朵喷洒菌悬液(B)细菌植入花朵并定植到种子(C)收集成熟种子，内生菌在种子贮存期间存活(D)发芽过程中内生菌增殖并因此定植到子代植株中。植入Paraburkholderia phytofirmans PsJN：：gusA的成熟玉米高亮显微镜图像(E-G)。蓝色是由于gusA对细菌细胞着色。
菌株PsJN可被垂直遗传到子代种子中
在此研究中，科学家们展示了菌株PsJN可被垂直遗传到玉米、小麦、大豆以及辣椒多种作物的种子中。在PsJN植入的玉米种子贮藏12个月后，依然发现每克有100个存活细胞表明细菌在种子中能够稳定存在。借助各种显微观察技术，研究者确定菌株PsJN存在于种胚中（图2），并通过Taqman探针量化了菌株PsJN在种子中的细胞数量。
图2 P. phytofirmans PsJN（黄色）与其他细菌出现在胚芽中（A-C），在对照组中未检测到P. phytofirmans PsJN(D)。
花期接种有益菌对种子微生物群系的影响
紧接着研究了在田间条件下花期接种有益菌对种子微生物群系的影响。种子成熟期，研究者发现92%的小麦植株在花期喷洒菌悬液后成功被PsJN植入。种子细菌群落由变形菌支配，分别在对照组和PsJN组OTUS中占92%和90%。虽然物种丰度和多样性（图3A）并未被菌株植入春小麦所影响，但扩增结果显示其对群落结构有明显影响（图3B）。处理组出现的不同主要大量出现在某些组别中（图3C）。除了预期的因引入PsJN而增加的β-变形菌的增加（对照组4%，处理组39%），在PsJN定植种子中出现黄杆菌更丰富的情况，反而是α-变形菌的OTUs因为PsJN的植入减少了（图3C）。对照组种子中黄杆菌含量不足0.4%但在PsJN组种子中上升到了6%，α-变形菌含量从对照组的67%下降到PsJN组的39%（图3C）。
图3 基于16s RNA基因V5-V7片段分析植入PsJN以及对照组的小麦种子内生群落。处理组与对照组的alpha多样性差异不显著(A)，但群落构成明显不同 (B)，并且部分OUT丰度差异显著(C)。
种子微生物群系改变对作物性状的影响
调节种子微生物群系的一个重要目的之一就是提升期望农业性状，比如增强后代植株的生长。研究者发现温室试验中植入PsJN的植株在穗状花序首先出现的时间上出现了显著的不同，平均比对照组早5天（图4A）。田间试验的结果类似。由于抽穗时间早，播种94天后（花期末期），田间单位面积穗数显著高于对照组（图4B）。这一结果并不意外，因为菌株PsJN可以加快许多宿主的成熟并导致提前成花。这种现象表明接种菌株对宿主植株行为具有直接影响，不过，这不能完全排除群落转变引起的间接作用，因为植物组织中的PsJN细胞数量太少（每克几百个基因组）。
图4 由植入PsJN的种子与对照组种子发育而来的小麦植株间抽穗次数差异。（A）显示抽穗时间差异，（B）PsJN组具有每平方米显著较高的穗数（n=722）相比于对照组（n=644）。所有被测植株都是F1代，由喷洒菌悬液以及对照液体的母代植株繁育而来。
结语
传递植物有益微生物群系的方法为植物繁育开辟了一条新的道路，因其可以在一代内引入新的性状而无需基因操纵，并且可以设计特异性策略传递细菌以突破目前作物生产中的瓶颈。不过在实践过后，研究者发现这一方法本身还存在很多缺陷。尽管如此，此尝试对植物育种和种子工程将具有广泛的影响。