综述 | Trends Plant Sci. ：微生物组介导的植物抗逆性
编译：李飞，编辑：Tracy、江舜尧。
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各种生物和非生物因素的影响会引起植物转录组和代谢组的变化，导致根和叶分泌物改变，进而改变植物共生微生物组落。研究表明，由环境影响引发的微生物组结构和功能改变，可以提高宿主植物的生存率，并增强后代植株的适应能力。其实微生物在植物胁迫中的作用，仍然存在许多待解决的问题，但现在可以用人工合成群落（synthetic community）的方法来探索这些问题。在本文中，基于目前对胁迫诱导的植物共生微生物组变化的理解，作者提出了“防御生物群体（DefenseBiome）”的概念，以促进设计和构建有益的微生物合成群落，并提高研究者们对植物-微生物相互作用的理解。
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内容
1.微生物组：植物健康和疾病的关键因子
植物根际、叶表、体内和其他部位(如花粉和花蜜)中存在大量的微生物，这些微生物与植物相互密切地影响，被统称为植物微生物组。胁迫环境会改变植物微生物组的组成和功能，研究表明，植物很可能诱导、调控共生微生物组的变化，积极地寻求与微生物的合作来抵抗胁迫环境，这是植物与共生微生物数百万年共同进化的结果。受到非生物胁迫、昆虫或病原体侵害的植物利用一系列化学因子从环境中吸引有益的微生物，以增强自己抵抗逆境的能力，这一机制被称为“求救”策略（cry for help）。总之，植物与微生物的相互作用对植物获取养分、发育调控以及对各种胁迫的抗性至关重要。
植物-微生物相互作用的关键部位是在根际和根部。胁迫环境下，植物根部会分泌各种化合物(占植物光合作用产物的11%-40%)，将有益微生物吸引过来。胁迫环境如何影响植物基因表达，引起植物根部分泌何种物质，最终吸引哪些有益微生物，有益微生物如何提高植物抗胁迫能力，都还不清楚。目前已经观察到，根部微生物组的变化增强了植物的抗逆能力，例如，受到病原体立枯丝核菌(Rhizoctonia Solani)侵染时，甜菜的根会吸引Chitinophaga和Flavobacterium进入体内，抑制真菌病原体；同样，在氮(N)匮乏的胁迫条件下，豆科植物根部会分泌更多的类黄酮来吸引固氮菌；酚类化合物对植物吸引有益微生物也很重要；玉米根部会分泌BXs类物质(色氨酸衍生的次生代谢物)，以吸引可以增强自身免疫系统的微生物。
生物和非生物胁迫会导致作物产量下降，也是影响全球粮食安全的重要因素，全世界每年因病虫害造成的粮食产量损失估计为2200亿美元。微生物组工程（操控、改造植物共生微生物组）是可持续提高粮食产量的一种很有潜力的技术。最近的研究表明，乙烯的前体，1-氨基环丙烷-1-羧酸(ACC)能够重塑土壤微生物组，从而提高植物对盐胁迫的抗性；许多其他根系分泌物可能也有类似的潜力，但还没有明确的证据。因此，系统地了解胁迫环境、植物信号通路和植物微生物组之间的相互作用刻不容缓。在这篇文章中，作者提出结合宏基因组学、代谢组学和微生物分离培养的方法来揭示微生物组在植物胁迫抗性中的作用。此外，作者提出了“防御生物群体（DefenseBiome）”的概念，以促进设计和构建有益的微生物合成群落，并提高研究者们对植物-微生物相互作用的理解。
2.植物-微生物组研究的新方法：宏基因组学-代谢组学-合成群落相结合
直到最近，绝大多数植物微生物组研究都依赖于从测序数据推断出微生物组落的结构和功能，而宏基因组学-代谢组学-合成群落(SynComs)相结合的方法，在解决植物-微生物互作机理方面也展出极大的潜力(图1)。首先研究者可以使用宏基因组研究，确定与植物相关的微生物组的结构和潜在功能，然后分离和培养鉴定出的细菌、真菌，构建人工合成群落Syncom。之后，研究者可以将Syncom添加到无菌的植物根部，并对其进行各种人为控制和处理，研究Syncom里面各个微生物株系之间的相互作用，并测定Syncom对植物生长和抗逆能力的影响。通过比较胁迫和非胁迫下的植物微生物组，研究者也可以检测到胁迫条件诱导的微生物株系，再将胁迫诱导微生物菌株分离纯化出来，组成人工合成群落Syncoms，施加于植物根部，就可能可以确定这些株系的生物学功能(图1)。此外，研究者也可以通过代谢组分析根系分泌物的组成和浓度变化，来探究胁迫环境下根系分泌物与根部微生物组的变化相关性，然后，在可能的情况下，分离关键的根系分泌化合物，并在体外测试其与植物微生物组或病原体的相互作用以及对植物抗逆能力的影响。然而，这一思路在实施过程中仍然存在很大的挑战，例如，分析自然环境中植物的根系分泌物比较困难。研究者已经鉴定了一些影响根际微生物组的植物化合物，例如，2，4-二乙酰间苯三酚、过氧化物酶和氧脂素、BXs、苯丙烷类化合物、黄酮类化合物、香豆素、三萜类化合物、粘胶和芳香化合物（2,4-diacetylphloroglucinol,peroxidases and oxylipins, benzoxazinoids, phenylpropanoids,flavonoids,coumarins, triterpenes, mucilage, aromatic compounds），它们可以吸引有益于植物防御和营养吸收的微生物。
上述方法在探索开发植物共生微生物和代谢产物作为植物生防剂方面具有广阔的应用前景，而且细菌分离纯化的能力近年来显著提高，超过50%的拟南芥(Arabiopsis Thaliana)共生细菌都可以分离。除了使用多种培养基外，研究者们还可以通过分离芯片和选择性培养基(例如，添加亚胺培南(imipenem)可以获得Stenotrophomonas maltophilia(一种植物促生菌)的选择培养基)来促进分离。使用可培养微生物构建的Syncoms能够提供复杂性降低的特定菌群，使得对植物-微生物相互作用的研究成为一种可能。但这一过程仍然存在一些重大挑战，例如，判断分离出的细菌菌株是否是宏基因组分析中所鉴定出有丰度差异的菌株，这是由于细菌基因组在种内水平上高度变异，扩增子测序的分类分辨率有限，以及公共数据库可获得的信息往往有限。能够提供菌株水平分辨率的宏基因组测序可能会允许重组整个细菌基因组并克服这些限制，但这样花费更高，也需要更复杂的生物信息学分析。
3.微生物组在植物防御和免疫系统中的作用
植物免疫系统与其微生物组之间存在复杂的相互作用，增加了植物应对胁迫环境的能力和灵活性。植物中的病原体和共生微生物，需要应对植物的免疫系统，它们主要是微生物分子模式(MAMPs)触发的免疫(MTI)和效应子触发的免疫(ETI)。目前研究者对共生微生物和植物免疫系统之间的相互作用了解的还很少，但已经知道这种相互作用可以显著影响植物对逆境的抗性。与病原菌相同，共生微生物也有MAMP，这些MAMP与病原菌相似(如果不是完全相同的话)，可以被位于质膜上的植物模式识别受体(PRR)感知，并触发免疫防御过程。但共生菌和病原体都可以触发免疫过程，就带来一个问题：植物区分无害微生物和病原体的分子机制是什么？基于最近的研究和概念，作者认为共生微生物可以通过三条关键途径来减轻植物的抑制作用：(i)产生各种化合物以减少危害，如清除活性氧(ROS)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/规避植物免疫反应；(iii)具有稀有的细胞表面分子，在病原体中诱导重要的植物防御。接下来比较重要的是检验这些分子机制，探究共生微生物如何在各种逆境条件下与植物免疫系统相互作用。
仅靠植物的先天免疫系统并不总是能够阻止土壤或叶片上的敌人。根际、叶表面和内部的微生物组落保护植物免受生物胁迫，如食草性昆虫和真菌病原体。在某些情况下，在抵御生物胁迫方面，共生微生物的重要性超过了植物基因型，这表明了土壤微生物对植物抗逆能力的重要影响。不同土壤提高植物抗性的能力也不同；与正常土壤相比，抑病性土壤诱导了更多植物防御基因表达，这很可能是由于两种土壤不同的微生物组成。然而，在许多情况下，微生物组在多大程度上保护植物免受疾病的侵袭还不清楚。
最近的研究表明，抗病能力和养分获取能力强的作物在根际有一致的微生物特征，这说明，植物表型和根部微生物组之间存在密切联系。例如，能够高效吸收氮素的水稻，其根部微生物组具有更多的氮代谢能力；对青枯病病原菌(Ralstonia Solanacearum)具有较高抗性的番茄，相对于易感病的品种，根际富集了丰富的黄杆菌(Flavobacterium spp.)；适应缺氮土壤环境的玉米在根部分泌的富含碳水化合物的粘液中有大量的可固氮重氮细菌。胁迫条件下，植物可以平衡微生物介导的养分获取和防御，最近就有一个很好的例子，在拟南芥中控制磷酸盐胁迫反应的PHR1基因也直接调控一组功能相关的植物免疫系统基因，并调节根部微生物组的结构。
4.胁迫环境下植物的“呼救”策略
植物不仅招募环境微生物来调节其免疫系统、抑制病原体，而且还可以从环境中招募有益微生物来应对各种压力，这被称为“呼救”(cryfor help)策略。这一策略对于个体植物及其后代的生存至关重要，暴露在特定胁迫环境下的植物，至少在某些情况下，可以创造出可遗传的、能够提高后代抗逆能力的微生物组，例如，受真菌病害侵染的小麦，能够改良土壤，在其中种植的后代小麦病害发生较少。而微生物从逆境中拯救植物的能力最近也有很多报道：Chitinophaga spp.,Chryseobacteriumspp., Flavobacterium spp., Microbacterium spp., Pseudomonas spp.,Sphingomonas spp., Stenotrophomonasspp.和Xanthomonas spp.等菌株，经常被发现富集在受到病菌、昆虫侵害的植物根部。这些微生物可能进化为：(i)启动植物防御信号通路，和/或(ii)抑制病原菌的生长和毒力，从而缓解植物的逆境胁迫。
微生物对根系分泌物和其他根部信号的变化反应迅速。干旱、重金属和营养匮乏等非生物胁迫也改变了植物的根系代谢和根部微生物组。在某些情况下，胁迫诱导的根部微生物组的改变，能够提高植物的抗逆能力。干旱增加了植物根际和根内放线菌或某些monoderms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。同样，磷/氮饥饿增加了植物与有益微生物的共生，从而获得营养。因此，除了经典的“适应或迁移”策略外，越来越多的证据表明，植物采用了“求救”策略作为一种积极的环境适应过程，积极调控根部微生物，提高自身对逆境的适应能力。
植物激素驱动的长距离信号在植物系统获得性抗性中起着至关重要的作用，使其能够在整个植株水平上长时间适应逆境。许多研究表明，叶片中诱导的抗性反应可以导致植株地下根部微生物的变化。例如，叶片受损和外源施加激素改变了根际微生物组的结构和功能；一些可能增强植物防御能力的细菌富集到根部。然而，叶片微生物组的结构和功能如何系统地对根和叶的不同胁迫做出反应还不清楚。健康的植物部位可以感知到被侵害部位释放的“危险”信号，但这些信号是什么以及它们如何影响健康的叶片微生物组还有待研究。如果发生这种化感反应，是否会对相同或相邻植物的防御能力产生积极影响？有证据表明，植物挥发性有机化合物影响叶片微生物组，但由病害引起的植物微生物组变化的性质和后果仍然有限。总之，需要更多的研究资源，来阐明这种“求救”策略的各种机制，并确定受胁迫植物和微生物组之间相互作用的精确代谢物。
5.所有丰度增加的微生物都是有益的吗？“防御生物群DefenseBiome”概念
有几种主要机制可以导致植物特定共生微生物数量的增加(图2)。病原体或食草昆虫侵害情况下，这些机制可以包括以下几个方面。
（i）胁迫调节叶/根分泌物的组成和丰度(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。例如，为了应对叶片病原体的侵袭，拟南芥根部会分泌大量柠檬酸，以吸引有益细菌枯草芽孢杆菌进入根际。
(ii)有益微生物利用生物武器，如抗菌化合物和群体感应猝灭分子，抑制病原体生长和其毒力，以争夺生存资源和空间，最终有益微生物数量增加。
(iii)由于微生物间营养需求相互依存，特别是在营养贫乏的条件下，微生物共存。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同时增加，以响应植物胁迫。
(iv)病原体或食草昆虫有利于特定微生物的生长和繁衍。
图2 特定微生物的富集对植物防御和健康的影响
为了响应环境胁迫，植物根部许多微生物的数量或比例增加。最近对这种增加与植物健康和生长的生物学相关性研究表明，在许多情况下，它们可以使植物对逆境的抗性增强。但是，由于复杂的微生物－微生物和植物－微生物相互作用而对植物造成的负面影响也是可能的，但目前尚不清楚。在受到生物胁迫时，植物会改变其生理状况和根系分泌物，从而增加对特定微生物的吸引力。以这种方式增加的微生物通过改善植物营养和免疫力或抑制病原体（机制（i）和（ii），生物胁迫），有益于植物，这可能是植物“呼救”策略背后的机制。微生物之间存在协同和合作（例如营养相互依赖），一种微生物的增加可能导致其他微生物的共同增加（机制（iii），生物胁迫）。最后，病原体与微生物之间可能存在共生关系，其中病原体（例如丝状真菌）为特定微生物提供营养和物理支持，以增殖并形成生物膜，而微生物又促进病原体的致病能力（机制（iv），生物胁迫）。在这种情况下，微生物的增加会导致更多的植物病害。高温、干旱、水淹和寒冷的非生物胁迫也会引起植物的级联变化，从而潜在地将有益微生物吸引到根际/体内，并促进植物适应胁迫（机制（i），非生物胁迫）。胁迫环境可以直接富集土壤中的特定微生物（机制（ii），非生物胁迫）。微生物之间也可能存在协同作用和协同作用，一种微生物的增加会导致其他微生物的共同增加（机制（iii），非生物胁迫）。
细菌和真菌病原体之间可能发生互惠作用，细菌促进真菌孢子萌发和其毒力，而真菌为细菌提供营养和物理支持(如生物膜)。例如，伯克霍尔德氏菌(Burkholderia sp.)是根霉真菌(Rhizopus)的内共生菌，它会产生一种毒素，这是寄主真菌侵染水稻所必需的。同样，非生物胁迫(高温、干旱、盐度、金属物质毒性)也可能通过以下方式增加植物特定共生微生物的丰度：
（i）改变植物生理和免疫力(例如，ROS含量激增)，从而改变植物根系分泌物的组成和浓度，有利于特定植物共生微生物。
(ii)直接改变土壤性质(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(例如，洪水和干旱分别有利于土壤中的β蛋白细菌和放线菌)。
(iii)与生物胁迫的情况一样，由于微生物间营养相互依赖，特定微生物的丰度共同增加。
我们认为，生物胁迫机制(i)和(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。所有这些机制都可能在胁迫环境下改变植物共生微生物组的结构和功能，但胁迫诱导的微生物往往是对植物有益的。
在此基础上，我们提出了一个新的“防御生物群DefenseBiome”概念，以增强我们操纵植物微生物以对抗胁迫环境的能力(图3)。在胁迫环境下，植物共生微生物可分为三类：(i)丰度不变，(ii)丰度减少，(iii)丰度增加。丰度增加的微生物与“求救”策略的理念是一致的，很可能有助于抑病型土壤的形成。虽然并不是组(iii)中的所有微生物都是有益的，但它们共同提高了植物个体和/或其后代的抗逆性。我们将这些微生物组定义为特定植物逆境的防御生物群(DefenseBiome)，我们认为，DefenseBiome的发生是由受胁迫植物分泌的一系列代谢物触发的，然后这些微生物可能会与植物免疫系统(可能是茉莉酸和水杨酸防御信号通路)一起帮助植物抵御逆境。植物免疫系统可能在调节DefenseBiome的结构和功能方面发挥关键作用，被植物免疫系统识别并与之相互作用的防御生物群可能对植物健康在植物抗病方面具有重要的应用意义。我们认为，在不同的土壤(质地、土壤性质)、植物(发育阶段、基因型)和气候条件下，一直存在的防御性生物群成员可能具有很强的定植植物的能力。这些微生物很可能是植物益生菌开发的很好的候选人。此外，一旦确定了能够吸引关键防御生物群成员的植物代谢化合物，就可以使用SynComs和趋化性方法在体外验证它们的活性。传统的生物防治策略很少考虑大范围的植物共生微生物，往往仅包括个别的“已知”益生菌株，这可能不可避免地低估了综合防御生物群的作用，导致微生物在土壤/植物上的不能长期定植。在植物生理学和生态系统微生物组研究中采用防御性生物群的概念将有助于更好地理解植物病害-微生物组的相互作用和植物病程发生。
图3 植物吸引有益微生物，导致特定微生物从土壤到根际到根内部，再到“ DefenseBiome”的梯度增加（A）。例如，Chryseobacterium spp.，Pseudomonas spp.，Stenotrophomonas spp.和Sphingobacterium spp.的细菌，可能在根际和根内富集，并进一步在受疾病感染的植物根部富集（A）。植物防御生物群落“DefenseBiome”可能包含许多微生物，这些微生物可诱导通过水杨酸、乙烯和茉莉酸信号传导的植物防御，或直接抑制病原体。对于某些植物物种（如果不是全部），各种胁迫导致的植物代谢和根系分泌物变化可能会吸引适应特定植物抗逆性的微生物。我们建议，可以通过以下方式通过胁迫诱导土壤中用于植物防御的微生物：（i）当胁迫水平超过阈值时，植物迅速积累有益微生物，以及（ii）植物以与胁迫程度成正相关的方式积累有益微生物（Ba-ii和Ba-iii）。几代后，土壤中的微生物益处达到了抑制疾病发生的水平，导致了抑病型土壤（B-b）。B-b中的1、2和3代表耕种季节。（C）表示胁迫因子、根系分泌物、植物防御能力和DefenceBiome之间的相互作用。这些相互作用对于不断变化环境的中植物的存活和进化至关重要
6.结束语和未来展望
Syncoms、宏基因组学和代谢组学方法的使用已经开始解决植物-微生物相互作用研究的瓶颈问题，但关键的信息仍然缺乏，特别是关于不同胁迫下微生物组变化的生物学相关性。接下里的关键步骤将会超越单纯的宏基因组测序和关联分析，全面解释多组学和植物生理数据，以及通过体外和体内实验进行适当的实验以验证相关性假说。为了更好地理解植物对生物和非生物胁迫的防御，研究者们需要一种整合了植物遗传学、生理学、植物免疫学和防御生物组的系统方法。这些知识对于开发以生物为基础的解决方案来提高农业生产率和环境可持续性也至关重要。全面了解斜坡环境诱导的微生物组变化背后的生物学原理也将有助于设计定制的防御生物群和化学物质来对抗作物逆境。